П. Мальцев

Кристаллы для микросистемной техники

Рассматриваются кристаллы с микроэлектромеханическими системами на основе современной технологии микроэлектроники и перспективы создания микросистемной техники, отнесённой к критическим технологиям Федерального уровня на период 2001…2010 гг.

Почти четверть века назад, в конце семидесятых годов, в ряде фирм (Хоневелл, Кулите) была разработана промышленная технология объёмного жидкостного травления кремния для формирования мембран, струн, балок для чувствительных элементов датчиков давления, вибрации и ускорения. А двадцать лет назад, в 1982 году, появилась статья сотрудника фирмы IBM К. Петерсона [1], в которой кремний рассматривался не как полупроводниковый, а как конструкционный механический материал.

Затем, в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) было создано новое направление - технология формирования объёмных структур с использованием синхронного излучения, гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами, получившая название LIGA-технология (LIGA - аббревиатура немецких слов: litographie - литография, galvanoformung - гальванообработка, аbformung — прессование) [2].

Эти события привели к формированию "microsystems technology" (MST), что дословно означает "технология микросистем".

Инициирующим фактором в развитии микросистемной техники стало появление так называемых микроэлектромеханических систем - МЭМС (английская аббревиатура MEMS - microelectromechanical systems), в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими перемещениями [3]. Интеграция на кристалле достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники привела к объединению этих технологий в конце 80-х – начале 90-х годов и созданию "микросистемной техники" (МСТ).

Основным заказчиком "ранних: объектов микросистемной техники (1975–1987 гг.) в виде микроэлектромеханических приборов (датчиков давления, акселерометров) являлся авиационно-космический комплекс. Появление в 90-х годах автомобилестроителей на рынке потребления МЭМС окончательно сформировало требования к "классическим" изделиям микросистемной техники: минимальные массо-габаритные характеристики, низкая потребляемая энергия, минимальная стоимость, надёжность эксплуатации, стабильность параметров, массовость производства и широкая номенклатура.

Показателен и рост мировых объёмов производства (продаж) МЭМС. Анализ мировой динамики развития МЭМС, выполненный организацией "NEXUS" [4], являющейся органом Европейской Комиссии, показал, что в 1996–2002 годах рынок изделий МСТ будет расти в среднем на 18% в год и достигнет в 2002 году 38 мрд. долларов. При этом рынок новейших разработок в области микросистем, включая: системы микроподачи жидкости и газа, аналитические ДНК-чипы, оптические микропереключатели и сетевые затворы, микродвигатели и реле, вырастет со 107 млн. долларов в 1996 году до 4 млрд. 200 млн. долларов США в 2002 году. Причём, в отличие от начала 90-х годов, лидирующие позиции на рынке займут периферийные устройства для объектов информационной техники и микросистемы биомедицинского назначения.

Огромное количество (более 250 в 1994 г. и уже более 400 в 1997 г.) университетов и коммерческих компаний США и Японии, сконцентрировав усилия на развитии технологий МЭМС, открыли широчайший спектр их возможного применения. Общее количество зарегистрированных в мире патентов в области технологий МЭМС резко возросло и к 1998 году достигло 1000, из них более 300 принадлежит США. Сейчас в этой области ежегодно регистрируется более 200 патентов.

В 1995 году к соперничеству двух мировых лидеров в области МЭМС - США и Японии - активно подключились страны Европы и Юго-Восточной Азии [3]. Так, например, количество университетов и коммерческих компаний, занимающихся исследованиями и разработками технологий МЭМС, в Германии к 1997 году стало в 1,5 больше, чем в США и практически сравнялось с Японией. Важно отметить, что мировая динамика развития МЭМС связана с неуклонным ростом государственной поддержки исследований и разработок в этой области. Этот факт определяется в первую очередь тем, что технологии МЭМС вошли в ту фазу своего развития, которая требует долгосрочного и устойчивого финансирования, а именно этого в нынешних условиях не могут себе позволить многие коммерческие компании.

Следует отметить, что в России термин "микросистемная техника" стал использоваться в официальных документах после принятия в 1996 г. перечня критических технологий Федерального уровня. В приоритетные направления развития науки и техники на 2001…2010 годы (раздел производственных технологий) в состав критических технологий Федерального уровня включена микросистемная техника.

Имеющиеся в России научно-технический и кадровый потенциалы, а также технологическая и аналитическая базы позволяют проводить скоординированные действия как в области научных исследований и образовательного процесса, так и в сфере промышленного производства и использования объектов МСТ. В конце 2001 г. и начале 2002 значительно возрос интерес к МСТ, и ряд министерств провели конкурсы для постановки научно-исследовательских работ, среди них: Российский фонд технологического развития (РФТР) Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации, Министерство образования Российской Федерации, Российское агентство по системам управления. Кроме того, в Минобразовании России открыта в 2000 г. подготовка дипломированных специалистов по новой специальности - 201900 "Микросистемная техника" в рамках направления 654100 "Электроника и микроэлектроника" (приказ от 02 марта 2000 г. № 686) [5]. Уже несколько институтов России начали подготовку инженеров по этой специальности.

Определённую роль в повышении интереса к возможностям МСТ в России сыграл ежемесячный междисциплинарный научно-технический и научно-производственный журнал "Микросистемная техника", выпускаемый с 1999 года при содействии Министерства промышленности, науки и технологии Российской Федерации, Министерства образования Российской Федерации и Российской академии наук. Задачей журнала является освещение современного состояния и перспектив развития МСТ, рассмотрение вопросов разработки и внедрения микросистем в различные области науки, технологии и производства. Журнал распространяется только по подписке (каталоги ОАО "Роспечать" - индекс 79493 и "Пресса России" - индекс 27849) и имеет свой сайт в Интернет (www.microsystems.ru) на русском и английском языках.

Основой развития микроэлектромеханических систем является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния.

В России также осваивается LIGA-технология. Физико-технологические вопросы, требующие понимания и разрешения, примеры изделий и области применения процесса разрабатываются специалистами Российского научного центра "Курчатовский институт" (Курчатовский источник синхротронного излучения).

Кроме того, в России (Институт проблем механики РАН совместно со специалистами из г. Саратова) предложен и реализован новый метод создания трёхмерных микроэлектромеханических систем на основе технологии получения и обработки стекловолокна и стекловолоконных систем. Продемонстрирована возможность получения недорогих микронных и субмикронных стеклянных структур с практически не ограниченным аспектным отношением. Получены как чисто стеклянные, так и стеклянно-металлические субмикронные системы. Рассмотрены наиболее перспективные направления в использовании предложенной технологии, в частности, для микророботов и микроприводов.

Основные направления разработок микроэлектромеханических систем объединены, прежде всего, применяемыми материалами:

• карбид кремния (г. Санкт-Петербург);
• сегнетоэлектрические плёнки (Новосибирск, Ростов-на Дону, Санкт-Петербург, Москва);
• кремний (во всех институтах России).

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете разработаны карбидокремниевые преобразователи физических величин и чувствительные элементы датчиков с использованием карбида кремния (SiC), обеспечивающие линейность измерительных характеристик до рабочих температур 450ºС (у кремния максимальная температура 125ºС), что превышает зарубежные достижения. Приборы на основе карбида кремния, благодаря термической устойчивости последнего и его термомеханической совместимости с рядом материалов, обладающих диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, способны работать в экстремальных условиях. Это инфракрасные излучатели, термоанемометрические датчики, термомикрореакторы, различные термонагревательные элементы.

Кроме того, рассмотрены принципы построения и основные технические характеристики микроакселерометра на поверхностных акустических волнах с частотной формой выходного сигнала. Приведены кинематическая схема акселерометра дифференциального типа, различные варианты топологии кристалла, возможные способы изготовления.

Научно-конструкторское бюро "Пьезоприбор" изготавливает новые исполнительные устройства для адаптивных оптических систем - деформируемые зеркала, приводимые в действие твердотельными электромеханическими преобразователями - пьезоэлектрическими или электрострикционными.

Последние достижения получены в работах Института автоматики и электрометрии СО РАН по созданию высокоэнергоемких микродвигателей на основе тонких сегнетоэлектрических плёнок. Рассмотрен принцип работы шаговых лепестковых микродвигателей, основанных на эффекте электростатического наката металлических плёнок на поверхность сегнетоэлектрика. Такие микродвигатели, изготавливаемые с помощью микроэлектронной технологии, отличаются исключительно высокой энергоёмкостью и прецизионностью перемещения (шаг от 1 нм до 100 мкм).

В Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения рассматриваются особенности и различия в технологии микроэлектромеханических и микроэлектронных систем. Показаны недостаточность средств микроэлектроники для решения проблем микроэлектромеханических систем и необходимость создания новых базовых технологий на примере технологии изготовления вибрационного микромеханического гироскопа.

В Таганрогском государственном радиотехническом университете проводятся работы в области построения микроэлектронных сенсорных систем для решения ряда конкретных задач в системах посадки гидросамолётов.

В Раменском приборостроительном конструкторском бюро разработан кремниевый компенсационный акселерометр и разомкнутый акселерометр с частотным выходом, а также испытаны макетные образцы электростатического акселерометра и мультисенсорного датчика.

В Московском государственном техническом университете им. Э.Н. Баумана разрабатывают навигационные приборы, изготовленные на базе монокристаллического кремния, в частности, конструкции маятниковых узлов семи акселерометров, а также измерительные узлы датчиков угловой скорости, технологические процессы изготовления измерительных узлов навигационных приборов из монокристаллического кремния, рассмотрена возможность использования компенсационного акселерометра с кремниевым маятником в качестве геофонического сенсора. Рассматривается конструкция микромеханического вибрационного гироскопа-акселерометра, конструктивно выполненного в виде маятника с емкостным датчиком угла и электростатическим датчиком момента. Показывается, что выходной сигнал прибора будет содержать составляющие, пропорциональные входной угловой скорости к линейному ускорению.

В Московском государственном институте электронной техники (МИЭТ) традиционная микроэлектронная технология используется для создания различных преобразователей физических величин и компонентов датчиков (более 20 типов), но, кроме того, разрабатываются технология поверхностной микромеханики; технология многокристальных модулей, разработка специализированных аналого-цифровых интегральных схем преобразования сигналов сенсоров. В технологическом центре МИЭТ имеется полностью замкнутая технологическая линейка для производства чувствительтных элементов датчиков.

Кроме того, в этом институте создан интегральный микрогироскоп колебательного типа на основе многослойных структур кремния и стекла. Предложена конструкция, реализуемая на основе многослойных структур, позволяющая методами интегральной технологии создать устройство, обладающее высокими точностными характеристиками. Составлена и проанализирована эквивалентная схема паразитных элементов микрогироскопа. Представлены методики oпределения модуля упругости и параметров напряжённо-деформированного состояния многослойных структур, предложен способ определения рационального соотношения между параметрами слоёв.

Рассмотрим более подробно эту разработку микроэлектромеханической системы. В соответствии с конструкцией вибрационной системы микромеханического гироскопа, предусмотрено [6]:

• формирование рельефа глубиной 5 мкм с одной стороны пластины;
• рельефа 50 мкм на обеих сторонах пластины;
• формирование торсиона с поперечным сечением в виде "креста" с шириной балки 40 мкм и высотой 295 мкм путём сквозного травления пластины кремния одновременно с её обеих сторон.

Рисунок 1. Фрагмент вибрационной системы микромеханического гироскопа:

1. вид внутреннего элемента, подвешенного на двух торсионах: 1 - внутренний элемент, 2 - рельеф 50 мкм, 3 - торсион, 4 - щель рамки;
2. вид на торсион;
3. шлиф поперечного сечения торсиона

На первой фотографии (рис. 1а) представлен фрагмент вибрационной системы в общем плане, который состоит из внутреннего элемента (1), рельефа 50 мкм (2), торсионов (3) и сквозных щелей рамок (4). Фактическая глубина рельефа 50 мкм, измеренная с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4, составила 48,6 мкм. На изображённой структуре отчётливо виден "козырёк" окисла по периметру фигур травления, особенно заметный в области рельефа 50 мкм (в виде бахромы).

На второй фотографии (рис. 1б) представлен увеличенный вид предыдущего фрагмента на торсион. На третьей фотографии (рис. 1в) представлен шлиф поперечного сечения торсиона. Согласно измерениям размеров "креста", произведённым в нижней по фотографии его части на микроскопе МИИ-4, толщина левой балки "креста" составила 40,5 мкм, правой - 38,6 мкм. Расчётная толщина балок "креста", согласно конструкции, составляла 40 мкм. Выборочный контроль других чипов вибрационной системы микромеханического гироскопа, размещённых на пластине (на пластине размещается 37 чипов), показал, что разброс толщины балок "креста" не превышает ±3 мкм, что с учётом эквивалентной глубины травления кремния, равной ~360 мкм, составил менее 1% от номинала. На основе изготовленных вибрационных систем была произведена сборка макетных образцов датчиков угловой скорости.

В состав кристалла, разработанного АООТ "НИИМЭ И МИКРОН" и МИЭТ, входило микрозеркало [7], а также отдельные его элементы, например, актюатор (электростатический микропривод), микропетли и компоненты с целью оптимизации этого устройства в целом. В технологическом маршруте изготовления микрозеркала требуется осаждение толстых слоёв нитрида кремния и поликристаллического кремния. На существующем оборудовании получение качественных технологических слоёв было проблематично, поэтому использовалось послойное осаждение. Так, слои нитрида кремния толщиной 0,36 мкм и поликристаллического кремния толщиной 1,5 мкм осаждали в три этапа с промежуточной химической обработкой поверхности предыдущих технологических слоёв.

В итоге было разработано и изготовлено в условиях микроэлектронного производства микрозеркало размером 160x200 мкм. На рис. 2 в плоскости подложки в общем виде представлено микрозеркало, где 1 - рама и 2 - торсионы, служащие для крепления, 3 - микрозеркала, 4 - управляющий электрод, необходимый для отклонения микрозеркала, 5 - микропетли, 6 - гибкий и 7 - жёсткий фиксаторы, удерживающие микрозеркало в вертикальном положении, 8 - актюатор (электростатический привод), осуществляющий сборку всего устройства, 9 - гибкий луч.

Рисунок 2. РЭМ-снимок микрозеркала в плоскости подложки

Рисунок 3. РЭМ-снимок микрозеркала и управляющего электрода в рабочем положении (перпендикулярно подложке)

На рис. 3 устройство находится в вертикальном положении по отношению к подложке, где 1 - микрозеркало в раме, 2 - управляющий электрод. При подаче на управляющий электрод напряжения переключения микрозеркало поворачивается на определённый (заданный) угол, осуществляя передачу сигнала (например, светового) из одного канала в другой. После выключения напряжения микрозеркало возвращается в исходное положение за счёт силы упругости торсионов.

Очень интересные результаты получены в Центральном научно-исследовательском институте робототехники и кибернетики при создании основ построения и изготовления реактивных микродвигателей на основе технологии микроэлектроники [8], представленные на рис. 4.

Рисунок 4. Разработка принципов создания реактивных микродвигателей

Разработанные базовые технологии позволяют изготавливать широкий класс устройств микросистемной техники на предприятиях электронной промышленности России. На базе компонентной базы МСТ можно создавать более сложные объекты.

В США, инициирующим фактором в развитии микросистемной техники, стало появление в 1998 году программы по МЭМС, разработанной по заказу Управления перспективных исследований министерства обороны США (DARPA) с названием "MEMS - Microelectromechanical Systems" [9]. Министерство обороны США выделяет ежегодно на развитие МЭМС сумму 35 млн. долл.

Широко известен американский миниатюрный летательный аппарат (Micro Air Vehiele - MAV), получивший название Black Widow (Чёрная вдова) и имеющий уникальные параметры: вес - 80 г; размах крыльев - 15 см; высота полета - 230 м; скорость 70 км/час; время полёта - 30 мин; радиус действия - 1,8 км; КПД двигателя - 82%; две видеокамеры весом 2 г; передача изображений на 2 км.

Сандийская лаборатория в США сообщает о разработке новой технологии микроэлектромеханических систем, получившей название Sandia Embedded Integrated Micromechanical Systems - SEIMS. Технология позволяет выполнять компоненты систем с минимальным топологическим размером 0,5 мкм и тем самым добиться дальнейшего снижения размеров соответствующих систем. Технология обеспечивает также резкое увеличение интеграции в создаваемых системах разно функциональных элементов. В этой лаборатории организованы отделения робототехники и искусственного интеллекта.

Оптический переключатель-мультиплексор на основе МЭМС с набором из 250 микрозеркал по технологии Summeit-Vsurface MEMS разработан в лаборатории "Сандия" (США). В настоящее время к массовому производству готовится переключатель, который состоит из 1000 микрозеркал.

Разработанный в Окриджской лаборатории (США) микроэлектромеханический спектрограф имеет объём 6 см3, то есть в 3000 раз меньше его неинтегрального аналога. Спектрограф может применяться в мониторинговых и аварийных системах химических предприятий.

В Массачусетском технологическом институте (США) создан прототип "лаборатории на кристалле" (ЛНК), который позволяет осуществлять в соответствии с заданной программой подачу контролируемых микрообъёмов одного или нескольких химических реактивов, необходимых для анализа. Он содержит 34 микрорезервуара по 24 нанолитра каждый, сформированные методом сквозного травления кремниевых подложек и закрытых золотыми мембранами толщиной 0,3 мкм. По зарубежным оценкам, освоение этого нового класса МЭМС может привести к революционным преобразованиям в приборостроении, в частности, для анализа ДНК человека и контроля отравляющих веществ.

Исследователи этого института намерены разработать микроробот-хирург для внутриполостных и внутрисосудистых операций к 2004…2006 годам, а микроробот для менее сложных операций может появиться ещё раньше.

Ливерморская лаборатория им. Лоуренса (США) работает над созданием микроэлектромеханических устройств, стойких к радиационным, химическим и тепловым воздействиям. Получить такие качества позволяет применение карбида кремния в качестве исходного материала для изготовления этих устройств.

Важно отметить, что в 2000–2001 годах за рубежом разработаны новые классы МЭМС на основе кремния (Si):

• радиочастотные МЭМС-фильтры для сотовых телефонов, обеспечивающие в диапазоне частот 3…300 МГц высокую добротность на уровне 200…300 (вместо 20…30 в микроэлектронном исполнении);
• коммутаторы (2x2, 1x4) для оптоволоконных каналов связи с помощью микрозеркал на частоты 3…30 ГГц.

Учитывая расширившийся круг разработок и возросший интерес к микросистемам, в журнале "Микросистемная техника" в 2003 году расширено количества направлений, освещающих различные тенденции создания элементов и изделий МСТ и объединённых в основные рубрики:

• микросистемы и элементы МСТ - чувствительные элементы и преобразователи информации для физических величин, химических элементов, биологических материалов; исполнительные устройства и переключатели - микромеханизмы, микроинструмент, микрозеркала; источники энергии и движения - микродвигатели, микротурбины и микросистемы энергообеспечения; микроэлектромеханические и микрооптоэлектромеханические системы (МЭМС/МОЭМС); радио- и СВЧ микроэлектромеханические фильтры; фотонные кристаллы; технологические микросистемы; микромашины;
• технологические основы и материалы МСТ - традиционные и перспективные материалы для объектов МСТ: материалы поверхностной и объёмной микромеханики; адаптивные ("умные") материалы; специальные технологии МСТ - LIGA-технология, корпускулярно-лучевое микроформообразование, волоконная технология;
• нанотехнология и зондовая микроскопия - зондовый инструмент для СТМ и АСМ, многозондовая память, магнито-, пьезо- и сегнетоэлектрики с нанокристаллитами, гетероструктуры и приборы с квантовыми точками, зондовая микроскопия органических и неорганических материалов, наноэлектромеханические элементы, наномашины;
• молекулярная и биоэлектроника - биотехнические микросистемы и биореакторы; "лаборатория на кристалле", ДНК-чипы и ДНК-процессоры; органические и полимерные полупроводники; приборы и системы с использованием молекулярных объектов в качестве элементной базы вычислительных устройств; квазибиологические нейросетевые подходы для вычислений и анализа решений;
• моделирование, проектирование, конструирование и управление МСТ — моделирование и проектирование материалов, процессов и элементов МСТ; САПР для МСТ; управление микросистемами и их распределёнными сообществами;
• применение МСТ - конструирование приборов и микромашин на основе элементной базы МСТ; сборка, испытания и сертификация макросистем; авиа- и автоэлектронные компоненты на основе МСТ; мини- и микроробототехнические системы наземного и подземного, надводного и подводного, воздушного и космического базирования; спектроанализаторы.

По мнению экспертов, развитие микросистемной техники для научно-технического прогресса может иметь такие же последствия, какие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.

Современный рынок оборудования для технологий на микроуровне (аналогичных микроэлектронным) формируется за счёт широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными и взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объёмах и создания "лабораторий-на-кристалле" и биочипов.

Обобщая современное состояние в области стимулов и факторов, способствующих развитию микросистемной техники в России, выделим важнейшие:

• наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микро- и оптоэлектроники;
• наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;
• активный рынок чувствительных элементов датчиков и преобразователей физических величин для систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханических систем [9] можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представленного в виде произведения ТМ, в котором число транзисторов - Т и число механических компонент - M. Проиллюстрируем возможности микросистемной техники. Например, для серийно выпускаемого акселерометра, изготавливаемого по технологии с топологическими нормами 2…10 мкм (содержащего 100…200 транзисторов и 1 механический элемент), получим величину ТМ = 102; а для динамического управления поверхностью экрана дисплея (содержащего 1 млн. механических элементов экрана и 1 млн. управляющих транзисторов) получим ТМ = 1012. Объединение электронных и механических компонент открывает новую эпоху в создании микросистемной техники при существующем уровне технологии в микроэлектронике - 0,5…10 мкм. На рис. 5 показаны различные варианты реализации микросистемной техники и, особенно, при сочетании большого количества электронных и механических компонент.

Рисунок 5. Основные уровни интеграции микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Литература

1. Peterson K.E. // Proc. IEEE. 1982. № 70. P. 420–457.
2. Колясников В.А., Рахимбабаев Т.Я. Синхротронное излучение в микротехнологии // Микросиситемная техника. 2000. № 1. С. 9–13.
3. Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 3–6.
4. NEXUS. Market analysis for microsystems, 1996-2002 // MST News, 1998. № 3. P. 38–41.
5. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. К вопросу об организации подготовки инженерных кадров по специальности "Микросистемная техника" // Микросистемная техника. 2000. № 2. С. 3–6.
6. Тимошенков С.П. Рубчиц В.Г. Моделирование процесса прецизионного травления вибрационной системы датчика угловой скорости // Микросистемная техника. 2002. № 3. С. 3–7.
7. Щербаков Н.А, Еременко А.Н., Горнев Е.С. и др. Исследование и разработка технологии изготовления изделий микросистемной техники // Микросистемная техника. 2002. № 12. С. 6–7.
8. Александров С.Е., Акульшин Ю.Д., Васильев В.К. и др. Перспективы развития микрореактивных двигателей для МСТ // Микросистемная техника. 2002. № 10. С. 3–8.
9. Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 41–46.