Предисловия

риала, которые проявляются в анизотропии упругих свойств, квазиупругости, ползучести и диффузионном эффекте, в) эффекты демпфирования, сжимаемости и объемной упругости газа; неньютоновские эффекты, зависимость от тепловых градиентов и градиентов плотности.

Действительно на пути совершенствования микросистем много проблем, требующих решения на новом уровне развития микр о системной тежиики. От того, насколько удастся продвинуться в решении этих проблем ученым, инженерам, технологам, будет очевидно зависеть и будущие возможности микросистемной тежиики. Но, может быть, не менее важной и трудной для решения является проблема научно-технических связей между специалистами из различных областей знаний, обусловленная междисциплинарностью нового направления. Несмотря на очевидные преимущества, которые потенциально заложены в микросистемной технике, наличие действующих образцов многих типов пока еще не привело к широкому и повсеместному практическому использованию изделий микросистемной тежиики. Можно выделить три группы причин этого явления: технические, организационные и информационные.

Технические - недостаточность старых технологических приемов, материалов и т. д.

Организационные - отсутствие специализированной производственной базы МСТ. Традиционное микроэлектронное производство, как показывает опыт США, не решает задачу, так как при переходе на продукцию МСТ становится нерентабельным. Это происходит из-за раэнокалиберности объемов выпуска продукции: для БИС условием рентабельности является не менее 10® шт./год, потребность в изделиях МСТ одного вида в большинстве случаев составляет не более 10. . . 10 шт./год.

Сравнительно малая потребность делает нецелесообразным внедрение на крупных предприятиях с отлаженным массовым производством дополнительных технологических операций и оборудования. Еще опаснее для серийного изготовителя переналадка технологического оборудования и режимов ради выпуска одной тысячной годовой продукции с риском расстроить основной технологический процесс.

Информационные: а) отсутствие информированности потенциальных потребителей о возможностях микросистемной техники, ее разработках и изготовлении, б) трудности перехода к новому от привычного, традиционно используемого в данной отрасли. Это особенно актуально, поскольку сегодня никто не сможет утверждать, что, например, новый микромеханический датчик имеет срок службы не менее 10 лет, если он впервые сделан только год назад и отсутствует опыт его массового использования.

В 1993г. правительство США, понимая важность нового направления и, одновременно, объективные трудности в его развитии, профинансировало научно-исследовательскую информационную работу по определению основных составляющих инфраструктуры МСТ. Было выделено четыре первоочередные направления: а) информационное обеспечение, б) доступное макетирование и изготовление микроустройств, в) создание специализированных программных средств для разработки и моделирования микроустройств, г) подготовка кадров.

Информационное обеспечение предусматривает формирование информации трех уровней: а) для тех, кто ничего не слышал о микросистемах, б) для тех, кто хочет использовать микросистемы, в) для специалистов, работающих в этой области.

Доступное макетирование и изготовление микроустройств предусматривает создание специализированных опытно-производственных участков на базе технических университетов и научных учреждений, оснащенных оборудованием и специалистами и работающих как ателье на заказ . При этом должна быть обеспечена работа с клиентами разной степени подготовленности.

От микроэлектроники к микросистемной технике

В таких ателье предполагается разработка прикладных CAD-систем, интегрирующих различные аспекты МСТ (электроника, механика, термоупругость, оптика и т. д.), моделирование технологических процессов, разработка топологии, в том числе трехмерной, а также создание учебных программ, курсов, подготовка и переподготовка специалистов.

Как уже указывалось, ведущие индустриальные страны мира еще в период 1994-1996 гг. объявили микротехнологии областью приоритетных стратегических технологий. Огромное число (более 400 в 1997г. и уже более 900 в 2001 году) университетов и коммерческих компаний, сконцентрировав усилия на развитии технологий МСТ, открыли широчайший спектр возможных применений. Общее число зарегистрированных в мире патентов в области технологий МСТ резко возросло и к 2001 году достигло 3000, из них более 300 принадлежит США. Сейчас в этой области ежегодно регистрируется более 400 патентов. Приняты и выполняются программы развития МСТ на национальных и межгосударственных уровнях. Ряд крупнейших электронных компаний, в т. ч. такие фирмы, как Интел и Нокия , выступили со своими программами развития в области МСТ. Более 70 компаний - производителей оборудования для электронной промышленности производят специализированное для МСТ оборудование. Ряд изделий МСТ вышел на широкий рынок и производится многомиллионными тиражами.

В России немногочисленные работы проводятся в последние годы, в основном, группами энтузиастов при крайне скудном финансировании со стороны заинтересованных организаций и коммерческих структур. Работы ведутся разрозненно, при полном отсутствии единой национальной инновационной политики. Этими коллективами, однако, накоплен значительный багаж различных микротехнологических разработок, по уровню вполне соизмеримых с зарубежными. Эти инновационные потенции, к сожалению, лишь в малой степени доведены до промышленной реализации.

Зарубежный опыт показывает, что именно многопрофильные технические университеты становятся, как правило, центрами кристаллизации в развитии такой межотраслевой дисциплины, как микротехнологии, поскольку именно в таких университетах сосредоточены специалисты в таких областях, как техническая физика, техническая кибернетика, аэро- и гидродинамика, приборо-и машиностроение, материаловедение. Кроме того, наличие в ряде технических университетов лабораторий микроэлектронной тежиики создает достаточно богатую межотраслевую базу научного взаимодействия.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что микросистемная техника представляет собой новое направление развития технической цивилизации общества в самом ближайшем будущем. Именно это обстоятельство требует пристального внимания специалистов различных профессий к быстро развивающейся новой технологии, требует консолидации усилий этих специалистов, требует проведения целенаправленной государственной технической политики в той области науки и техники, которая будет определять прогресс человечества, по крайней мере, в первую четверть нового столетия.

Множество информации по разработкам можно найти в Internet (см. например, www.intel.com/research/silicon, www.mdl/sandia/gov/, www.analog.com, www.dbanks.demon.co.uk/index-l.htm, www.gyro.ru, www.mems.ru) и в журналах (см. например, Микросистемная техника http: www.microsystems.ги).

к.ф.м.н. Е. Н. Пятышев pen@mtmems.hop.stu.neva.ru

ГЛАВА I

МИКРОСИСТЕМЫ

I.I. Введение

в течение последнего десятилетия были разработаны несколько современных технологий изготовления микросистем, которые способствовали созданию многих принципиально новых приборов в различных областях науки и техники. Одной из таких областей является ВЧ и СВЧ техника. Внедрение технологии изготовления микросистем в высокочастотную технику позволило решить много проблем в системах беспроводной связи. Быстрое развитие персональных устройств связи в последнее время заставляет разработчиков уделять много внимания вопросам миниатюризации и повышения эффективности, что невозможно без применения ВЧ микросистем.

Под термином ВЧ микросистемы подразумевается разработка и изготовление микросистем, используемых в высокочастотных интегрированных схемах. Не следует считать, что ВЧ микросистемы являются просто традиционными электромеханическими системами, работающими на радиочастотах. Часто традиционные системы используются в ВЧ микросистемах для запуска или настройки отдельных высокочастотных компонентов, таких как переменные конденсаторы, ключи и фильтры. Традиционные микросистемы можно разделить на два класса: микроприводы и микродатчики. Первая группа - это различные движущиеся механизмы, управляемые электрическими сигналами. Представителем этой группы является микродвигатель. В настоящее время существует много разновидностей микродатчиков для различных областей применений. Исторически, из-за простоты их изготовления, они стали первыми и самыми распространенными микросистемами. Другая причина, почему микроприводы не были столь популярны до возникновения ВЧ микросистем, заключается в их малой мощности, которой было часто недостаточно для управления другими устройствами. Однако, как будет показано дальше, в ВЧ и СВЧ устройствах таких усилий хватает для изменения свойств всей системы. Пассивные устройства - это линии передач, фильтры и соединительные элементы, а активные - ключи, регулировочные элементы и переменные конденсаторы. В качестве электродвижущей силы для перемещения элементов

1.1. Введение

системы по поверхности подложки обычно используется электростатическое притяжение, хотя в настоящее время уже разработаны магнитные, термические и газовые микроприводы.

Рассмотрим следующую классификацию ВЧ микросистем, которую дал Brown в 1998 году. По этой классификации все микросистемы можно разделить на три группы:

(1) Наружные ВЧ системы, в которых микросистема, расположенная вне высокочастотной схемы, управляет другими устройствами, входящими в состав ВЧ схемы. Примером этой группы устройств является перестраиваемая микрополоско-вая линия передач и связанные с ней фазовращатели и антенны. Микрополосковые линии широко используются для связи быстродействующих схем и компонентов, и их изготовление может быть автоматизировано, п (2) Внутренние ВЧ системы, в которых микросистема, расположенная внутри ВЧ схемы, выполняет функции и привода, и ВЧ системы. К этой категории можно отнести микросисте-мы консольного и диафрагменного типа, которые могут использоваться как электростатические микропереключатели и гребенчатые конденсаторы (Brown, 1998). С изобретением электроактивных полимеров (ЭАП), многофункциональных интеллектуальных полимеров и микростереолитографии такие виды ВЧ микросистем могут быть реализованы по технологии полимерных систем. Их достоинствами являются гибкость, стабильность и долговечность. Кроме того они могут быть объединены на одном кристалле с тонкопленочными транзисторами.

* (3) Реактивные ВЧ системы, в которых микросистема, рас- положенная внутри, вьшолняет ВЧ функции, связанные с ослаблением сигнала. Представителями этой группы являются перестраиваемые фильтры и резонаторы с емкостной связью. ВЧ и СВЧ планарные фильтры на тонкой диэлектрической мембране обладают малыми потерями и пригодны для недорогих, компактных, высокопроизводительных однокристальных интегральных схем, работающих в миллиметровом диапазоне.

Самыми первыми кремниевыми ВЧ микросистемами в области микроволновой техники были изготовленные по поверхностной технологии микроприводы для СВЧ переключателей, обладающие высокой линейностью, низким потреблением энергии в режиме ожи-

Дания и небольшими вносимыми потерями. (Larson, 1999). В таких ключах электростатическое притяжение уравновешивается со-ответствуюш;ими механическими силами, действуюш;ими на балку, заставляя ключ занять требуемое положение. Такой ключ имеет в широкой полосе частот в замкнутом состоянии импеданс порядка 50 Ом и почти бесконечный импеданс в разомкнутом состоянии, что делает его весьма привлекательным для использования в СВЧ технике. Также имеется информация о разработке еш;е нескольких СВЧ ключей, один из которых построен по кроссинг-технологии (Goldsmith, Eshelman, Dennston, 1998). Такой ключ меняет свое состояние за счет резкого изменения значений емкости. Однако эта схема предъявляет довольно высокие требования к переключаюш;е-му напряжению.

Технология производства микросистем также применяется в ВЧ технике при изготовлении переменных конденсаторов, заменяюш;их параметрические диоды, используемые в качестве переключателей (Wu et al., 1998). Здесь емкость конденсатора может меняться за счет изменения либо плош;ади пластин, либо расстояния между ними, что достигается применением разных методов изготовления. В последнем случае можно получить изменение емкости, превыша-юш;ее соотношение 3:1, что делает такие конденсаторы привлекательными для настройки широкополосных монолитных генераторов, управляемых напряжением. Однако их использование часто ограничивается низкой механической резонансной частотой микросистемы.

1.2. Краткий обзор микросистем

Под механическими микросистемами понимаются такие устройства, как микродатчики и микроприводы, способные реагировать на изменение окружаюш;ей среды, используя для этого внутренние средства управления. Помимо традиционных микроэлектронных компонентов в их состав входит встроенная антенна для приема упра-вляюш;их сигналов, координируюш;их работу электромеханических микрочастей при выполнении требуемых функций (сенсорных и ак-тиваторных). В состав микросистем могут также входить микроисточники питания, микрореле и сигнальные микропроцессоры. Микрокомпоненты повышают быстродействие и надежность системы, делают ее дешевле и дают возможность выполнять более сложные функции.

Бурное развитие технологий изготовления интегральных схем в начале девяностых годов двадцатого века привело к возможно-

1.2. Краткий обзор микросистем

сти построения на кремниевой подложке микроструктур, способных выполнять функции датчиков и приводов, а также функции управления ними. Так появились первые микросистемы. После чего в эту отрасль были вложены значительные средства, что привело к дальнейшему прогрессу в развитии электромеханических микроустройств. Был организован серийный выпуск микросистем низкой степени интеграции, таких как микроакселерометры, головки для струйных принтеров, проекционные микрозеркала и т. д. Также были предложены концепции разработки и реализации более сложных микросистем и продемонстрированы возможности их применения в различных областях науки и техники: микробиологии, биомедицине, аналитической химии, аэрокосмических исследованиях, беспроводных устройствах связи, устройствах памяти, дисплеях, оптических устройствах и т.д. (Fujita, 1996, 1998). В настояш;ее время наиболее бурный прогресс наблюдается сфере оптических и аналитических микросистем, поскольку именно они имеют огромный рыночный потенциал. До конца девяностых годов большинство микросистем, имеюш;их в своем составе различные датчики и приводы, изготавливались по одной из известных технологий: объемной или поверхностной микрообработке кремния, а также методом литографии (Bustil-1о, Howe, Muller, 1998, Guckel, 1998, Kovacs, Maluf, Petersen, 1998). He так давно бьши разработаны трехмерные технологии изготовления микросистем с использованием новых материалов. Эти разработки были продиктованы специфическими требованиями, предъявляемыми к микросистемам, работаюш;им в определенных областях техники, например, в биомедицинских приборах, а также к микросистемам, в которых микроприводы должны иметь высокую выходную мощность (Fujita, 1996, Guckel, 1998, Ikuta, Hirowatari, 1993, Takagi, Nakajima, 1993, Taylor et al., 1994, Thornell, Johansson, 1998, Varadan, Varadan, 1996, Xia, Whitesides,1998).

Традиционные технологии производства микросхем стали основными для изготовления электромеханических микроустройств, таких как микродатчики и микроприводы. Методы микрообработки кремния позволяют изготавливать микросистемы, размеры которых составляют доли миллиметра. Под микрообработкой понимается формирование трехмерных микроскопических механических структур внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Эти методы открывают разработчикам возможности для построения принципиально новых микроустройств. Из таких материалов, как монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, нитрид кремния и т. д. формируют разнообразные механические микроструктуры: подвесы, диафрагмы, бороздки, отверстия, пружи-