УДК 621.3

П.П.Мальцев, д-р техн. наук, проф., Секция прикладных проблем при Президиуме РАН

microsystems@caravan. ru

Перспективы разработки микросистемной техники в России

Рассматриваются перспективы создания новых элементов микросистемной техники, отнесенной к критическим технологиям Федерального уровня на 2001-2010 гг.

 

 

Минобразования России провело дополнительный конкурс в 2002 г. на размещение заказа на выполнение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по подпрограмме “Электроника” научно-технической программы “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники”.

Дополнительный конкурс проводится по следующим тематическим направлениям раздела “Микро- и наносистемная техника” подпрограммы “Электроника” (E-mail: cmid@eltech. ru):

·    фундаментальные основы микро- и наносистемной техники;

·    специальные технологии микросистемной техники;

·    процессы нанотехнологии;

·    методы нанодиагностики;

·    компоненты микро- и наносистемной техники;

·    микро- и наномашины.

Минобразования России в марте 2000 г. утвердило “Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 654100 “Электроника и микроэлектроника”, в который включена подготовка инженеров по новой специальности – 201900 “Микросистемная техника” [15].

В 2001 г. Российский фонд технологического развития (РФТР) Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации провел конкурс на тему “Разработка приборов нового поколения на базе микроэлектромеханических систем” (E-mail: gubarev@minstp. ru).

Конкурс проводился по следующим направлениям:

1.      Микромашины – источники энергии и движения, силовые приводы и механизмы.

2.      Микробиохимические системы – микродозаторы, микронасосы, микроклапаны, микрореакторы и микроферментаторы.

3.      Микротелекоммуникационные системы управляемые микроэлектромеханические радиокомпоненты, адаптивная микроэлектрооптомеханическая “скамья”.

4.      Аналитические микросистемы.

Разрабатываемые приборы предназначаются для использования в медицине и биохимии, телекоммуникациях, промышленной автоматике, аэрокосмической промышленности, автомобильном транспорте, мониторинге окружающей среды.

В начале 2002 г. Российское агентство по системам управления (РАСУ, http://www.rasu.gov.ru) провело открытый конкурс на выполнение в 2002 г. научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по следующим разделам федеральной целевой программы “Национальная технологическая база” на 2002–2006 гг.:

1.      Микроэлектронные технологии.

2.      Технологии телекоммуникаций.

3.      Технологии вычислительных систем.

4.      Радиоэлектронные, микроволновые и акусто-электронные технологии.

В перечень конкурсных проектов по разделу “Микроэлектронные технологии” (в части микросистемной техники и наноэлектроники) вошли следующие проекты:

·    разработка технологии производства микромеханических элементов для микросистемной техники по кремниевой технологии;

·    разработка базовой технологии производства микромеханических элементов для микросистем ной техники по стекловолоконной технологии;

·    разработка приборно-технологического базиса производства интеллектуальных нанотехнологических комплексов для создания наноэлементов и терабитных микромеханических запоминающих устройств;

·    разработка приборно-технологического базиса зондовых и ионных нанотехнологии формирования элементов с размерами менее 10 нм.

·    разработка приборно-технологического базиса формирования нанотехнологических элементов на основе нанотрубных углеродных структур.

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 гг. (раздел производственных технологий) в состав критических технологий Федерального уровня включена микросистемная техника.

В России проблемы микросистемной техники освещает созданный в 1999 г. ежемесячный междисциплинарный научно-технический и научно-производственный журнал “Микросистемная техника”, выпускаемый при содействии Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации, Минобразования России и Российской академии наук. Задачей журнала является освещение современного состояния и перспектив развития микросистемной техники (МСТ); рассмотрение вопросов разработки и внедрения микросистем в различные области науки, технологии и производства.

Аннотации статей на русском и английском языках помещены в каждом номере журнала, кроме того, с аннотациями можно ознакомиться на сайте журнала в Интернете (http://www.microsystems.ru). Сайт поддерживает и стимулирует создание устойчивого сообщества российских разработчиков и потребителей в области МСТ вокруг журнала “Микросистемная техника”.

В ноябре 2001 г. издательством “Новые технологии” совместно с Институтом проблемных исследований Российской академии естественных наук выпущено электронное издание архива журналов “Микросистемная техника” за 1999-2000 гг. на CD-R компакт-диске. На диске размещены также электронные цветные версии печатных статей в формате PDF, а также полная издательская версия. Электронный архив журналов снабжен единым интерфейсом по разделам и статьям, позволяющим легко осуществлять поиск по номерам и разделам журнала.

В настоящее время российскими специалистами получены интересные результаты в области МСТ. В табл. 1 и 2 приведены основные изделия МСТ, разрабатываемые на предприятиях России и определяющие развитие российской микросистемной техники.

Таблица 1. Назначение микросистем для техники нового поколения

Класс изделий МСТ

Назначение

Общегражданское

Специальное

Сенсорные микросистемы

Миниатюрные системы ориентации, навигации и управления

Автомобильный и ж/д транспорт

Аэрокосмические и ракетно-артиллерийские системы

Мультисенсоры, интеллектуальные сенсоры, сенсоры с обратной связью, акселерометры, миниатюрные автономные системы навигации (совмещенные с космическими GPS системами), модули контроля положения антенных фазированных решеток, системы катапультирования и индивидуального наведения

Микроэлектромеханические системы и машины,
микросистемы энергообеспечения

Миниатюрная управляемая элементная база

Микромеханизмы; миниатюрные управляемые конденсаторы, резисторы, зеркала, модуляторы; элементы микропривода, микрооптика, микродвигатели, микрогенераторы, автономные миниатюрные источники энергии, микротурбины, микросистемы рекуперации энергии

Аналитико-технологические микросистемы

Миниатюрные аналитико-диагностические чипы и микрохимические реакторы

Биотехнология, медицина, нефтехимия, пищевая промышленность, микробиология, наноэлектроника

Химическая защита, обнаружение, исследование и утилизация особо опасных веществ, медицина

Миниатюрные автономные системы для диагностики организма и замещения органов, миниатюрные аналитические приборы, микрореакторы, микро- и наноинструмент, микрорегуляторы, микронасосы

Миниатюрные робототехнические системы

Миниатюрные автономные управляемые самодвижущиеся системы

Микророботы для диагностики: медицина, ядерная энергетика, химическая промышленность

Микророботы для разведки и боевых действий на земле, воде, воздухе и космосе

 

Таблица 2. Ведущие российские предприятия по направлению “Микросистемная техника”

Класс изделий МСТ

Головные российские предприятия-разработчики

Сенсорные микросистемы

Научно-производственный комплекс “Технологический центр” МИЭТ,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (СПбГЭТУ),

Таганрогский государственный радиотехнический университет (ТГРТУ),

Раменское приборостроительное конструкторское бюро (РПКБ),

Физико-технологический институт РАН

Микроэлектромеханические системы и машины, микросистемы энергообеспечения

Центр микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ,

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (СПбГУАКП),

Институт автоматики и электрометрии СО РАН (ИАЭ СО РАН),

Институт физики микроструктур РАН,

Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Лукина,

Научно-исследовательский институт молекулярной электроники и “Микрон”,

Центральный научно-исследовательский институт робототехники и кибернетики

Аналитико-технологические микросистемы

Институт аналитического приборостроения РАН,

Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН,

Центр микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ,

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,

Государственный научно-исследовательский институт биологического приборостроения,

Российский научный центр “Курчатовский институт”,

Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ)

Миниатюрные робототехнические системы

Институт проблем механики РАН,

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
(МГТУ им. Н.Э.Баумана),

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики,

Центральный научно-исследовательский институт робототехники и кибернетики

Моделирование

Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ),

Московский институт радиотехники, электроники и автоматики,

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,

Институт математики СО РАН,

Институт математического моделирования РАН

 

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.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханических систем можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представленный в виде произведения , в котором  - число транзисторов,  – число механических компонентов [2]. 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 , а для динамического управления поверхностью экрана дисплея (содержащего 1 млн механических элементов экрана и 1 млн управляющих транзисторов) получим . Большое число электронных и механических компонентов открывает новую эпоху в создании микросистемной техники при существующем уровне технологии в микроэлектронике (1-10 мкм).

Основой развития микроэлектромеханических систем является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния [4,7,19].

В России также осваивается LIGA-технология [10]. Физико-технологические вопросы, требующие понимания и разрешения, примеры изделий и области применения процесса разрабатываются специалистами Курчатовского источника синхротронного излучения (КИСИ).

Кроме того, в России (г. Саратов) предложен и реализован новый метод создания трехмерных микроэлектромеханических систем [1]. Основой этого метода являются технологии получения и обработки стекловолокна и стекловолоконных систем. Продемонстрирована возможность получения недорогих микронных и субмикронных стеклянных структур с практически неограниченным 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.

Направления разработок микроэлектромеханических систем объединены, прежде всего, применяемыми материалами, среди которых основными являются:

·    кремний (во всех институтах России);

·    карбид кремния (г. Санкт-Петербург) [12];

·    сегнетоэлектрические пленки (г. Новосибирск, г. Ростов-на-Дону, г. Санкт-Петербург) [5,14].

Последние достижения получены в работах Института автоматики и электрометрии СО РАН по созданию высокоэнергоемких микродвигателей на основе тонких сегнетоэлектрических пленок. Рассмотрен принцип работы шаговых лепестковых микродвигателей, основанный на эффекте электростатического наката металлических пленок на

поверхность сегнетоэлектрика [5]. Такие микродвигатели, изготавливаемые с помощью микроэлектронной технологии, отличаются исключительно высокой энергоемкостью (свыше 0,3 Дж/м2 при напряжениях 10-50 В) и прецизионностью перемещения (шаг от 1 нм до 100 мкм).

В СПбГЭТУ разработаны не только карбидокремниевые сенсоры, имеющие мировую известность, но и рассмотрены приборы на основе карбида кремния, которые благодаря термической устойчивости последнего и его термомеханической совместимости с рядом материалов, обладающих диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, способны работать в экстремальных условиях, а по своим параметрам относятся к микросистемной технике. Это инфракрасные излучатели, термоанемометрические датчики, термомикрореакторы, различные термонагревательные элементы [12].

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 [14].

В МИЭТ традиционная микроэлектронная технология используется для создания различных сенсоров и разрабатываются технологии поверхностной микромеханики, многокристальных модулей, специализированных аналого-цифровых интегральных схем преобразования сигналов сенсоров [22]. Кроме того, в этом институте разработан 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 [19]. Составлена и проанализирована эквивалентная схема паразитных элементов микрогироскопа. Представлены методики определения модуля упругости и параметров напряженно-деформированного состояния многослойных структур, предложен способ определения рационального соотношения между параметрами слоев.

В МГТУ им. Н.Э.Баумана разрабатывают навигационные приборы, изготовленные на базе монокристаллического кремния (в частности, конструкции маятниковых узлов семи акселерометров), измерительные узлы датчиков угловой скорости, а также технологические процессы изготовления измерительных узлов навигационных приборов из монокристаллического кремния. Исследована возможность использования компенсационного акселерометра с кремниевым маятником в качестве геофонического сенсора [11]. Конструируется микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр, выполненный в виде маятника с емкостным датчиком угла и электростатическим датчиком момента. Показывается, что выходной сигнал прибора будет содержать составляющие, пропорциональные входной угловой скорости и линейному ускорению.

В Раменском приборостроительном конструкторском бюро (РПКБ) разработан кремниевый компенсационный акселерометр и разомкнутый акселерометр с частотным выходом, а также испытаны макетные образцы электростатического акселерометра и мультисенсорного датчика [18].

В СПбГУАКП исследуются особенности и различия технологии микроэлектромеханических и микроэлектронных систем. Выявлены недостаточность средств микроэлектроники для решения проблем микроэлектромеханических систем и необходимость создания новых базовых технологий на примере технологии изготовления вибрационного микромеханического гироскопа [4].

В ТГРТУ проводятся работы в области построения микроэлектронных сенсорных систем для решения ряда конкретных задач в системах посадки гидросамолетов [8].

В ряде институтов России проводится моделирование МСТ и предлагаются методики расчета механических напряжений и температурных полей, а также тепловых режимов микроэлектромеханических систем.

В настоящее время увеличилось число российских научных коллективов, занимающихся наномеханикой – наноинструментами и нанотрубками [3,16], фотонными кристаллами [20].

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 [8,18,20,22];

·    наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;

·    повышение активности рынка сенсорных систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения;

·    расширение рынка оптических коммутаторов для оптоволоконных линий связи;

·    создание микромеханических фильтров радиочастот с более высокой добротностью по сравнению с электрическими схемами;

·    тенденции к интеграции процессов микро- и биотехнологии [6];

·    тенденции к активизации рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем обеспечения жизнедеятельности человека на основе концепции экономической целесообразности массовой профилактики заболеваний;

·    формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (аналогичных микроэлектронным) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.

Список литературы

1.      Белоглазов В.И., Суховеев С.П., Суетин Н.В. Создание микронных и субмикронных трехмерных структур с использованием стекловолоконных технологий // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 4-9.

2.      Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 41-46.

3.      Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 21-33.

4.      Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Лестев А.М., Попова И.В. Расчет температурных и технологических погрешностей микромеханических гироскопов // Микросистемная техника. 2001. № 3. С. 2-10.

5.      Дятлов В.Л., Косцов Э.Г. Высокоэнергоемкие микродвигатели на основе тонких сегнетоэлектрических пленок // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 22-31.

6.      Зимина Т.М., Лучинин В.В., Крапивина Е.В., Ресин А.С. Микросистемная техника и проблемы биомедицинского анализа // Микросистемная техника. 2000. № 3. С. 18-30.

7.      Иващенко Е.И., Цветков Ю.Б. Метод размерного стоп-травления кремния в производстве изделий микромеханики // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 16-20.

8.      Каляев И.А., Котов В.П., Клиндухов В.Г., Кухаренко А.П. Микроэлектронные сенсорные системы: опыт создания и применения // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 32-35.

9.      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.

10.  Колясников В.А., Рахимбабаев Т.Я. Синхротронное излучение в микротехнологии // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 9-13.

11.  Коновалов С.Ф., Лаптева Т.Н., Медведева И.И. и др. Опыт разработки навигационных приборов на базе монокристалла кремния // Микросистемная техника. 2000. № 4. С. 19-25.

12.  Корляков А.В., Лучинин В.В., Никитин В.В. Применение SiC-микронагревательных систем в микросистемной технике // Микросистемная техника. 2000. № 2. С. 27-31.

13.  Кригер Ю.Г., Игуменов И.К. Физические принципы молекулярной электроники // Микросистемная техника. 2001. № 7. С. 45-47.

14.  Лукьянов Д.П., Лучинин В.В., Скворцова В.Ю. Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах // Микросистемная техника. 2001. № 2. С. 3-7.

15.  Лучинин В.В., Таиров Ю.М. К вопросу об организации подготовки инженерных кадров по специальности “Микросистемная техника” // “Микросистемная техника. 2000. № 2. С. 3-6.

16.  Минаев В. В., Невелик В. К., Петрик В. И. Нанотрубки из углеродной смеси высокой реакционной способности // Микросистемная техника. 2002. № 1. С. 41-42.

17.  Мальцев П.П., Пономарев К.М., Степанов Ю.И. “Умная пыль” на основе микросистемной техники // Микросистемная техника. 2000. № 4. С. 40-45.

18.  Паршин В.А., Петрашко В.В., Соломатин А.К., Соловьев В.М., Харитонов В.И. Некоторые вопросы технологии изготовления кремниевых акселерометров // Микросистемная техника. 2001. № 5. С. 3-5.

19.  Погалов А.И., Тимошенков В.П., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. Разработка микрогироскопов на основе многослойных структур кремния и стекла // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 36-41.

20.  Старков В.В., Аристов В.В., Желтиков А.М., Магницкий С.А., Тарасищин А.В. Создание фотоновых кристаллов методами глубокого анодного травления кремния // Микросистемная техника. 2001. № 9. С. 37-41.

21.  Цыганов С.А., Тихонов И.П. Семинары РФФИ – старт инновационного процесса // Микросистемная техника. 2001. № 1. С. 34-35.

22.  Шелепин Н.А. Кремниевые микросенсоры и микросистемы: от бытовой техники до авиационных приборов // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 41-43.

 

 

Наверх