1. От технологий микроэлектроники к микротехнологиям МЭМС

Глобальное развитие микроэлектроники в решающей степени определило сегодняшний технический облик цивилизации. Две новые, бурно развивающиеся области определяют и в ближайшие десятилетия будут определять прогресс человеческого сообщества. Первая - “Информационные технологии” - обеспечивает связи внутри человеческого сообщества. Вторая – “Технологии микросистем”- обеспечивает работу информационных систем и их связи с внешним материальным миром. Первый этап развития технологий микросистем породил микроэлектронику, новые этапы характеризуются появлением микроэлектромеханических систем (МЕМС) и более широкой области - микросистемной техники (МСТ) Ведущие индустриальные страны еще в 1994-96 гг. объявили МСТ областью приоритетных стратегических разработок. В области технологий микроэлектроники давно уже сформировался набор классических технологических маршрутов и стандартных операций - дальнейшее развитие технологии происходит путем постепенных эволюционных усовершенствований этих операций и маршрутов. Такой характер развития стал возможен потому, что вычислительные средства (важнейшая область приложения микроэлектроники), по существу, изолированы от внешнего мира и инвариантны к предметным областям их использования. Иначе обстоит дело с микроэлектромеханическими системами (МЭМС), которые непосредственно контактируют со «средой обитания» и для которых предметная область (назначение изделия) диктует определяющие правила конструирования. По этой причине для технологии МЭМС недостаточно даже того богатого наследия, которое может предоставить микроэлектронное производство. Лишь сравнительно малое количество МЭМС-конструкций может целиком быть реализовано на базе стандартных для микроэлектроники операций. Мировой опыт разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС) в настоящее время основывается главным образом на широком применение кремния. Сходство и некоторые принципиальные различия процессов разработки и создания кремниевых микроэлектромеханических систем и изделий микроэлектроники представлены на рис. 2. Стадии выбора концепции изделия МЭМС и составление спецификации процесса сопровождается трехмерным объемным моделированием послойной структуры чипов (т. н. твердотельное 3D моделирование). Необходимость моделирования электрических, механических, кинематических и др. процессов существенно отличает проектирование МЭМС. Богатое информационное обеспечение наработанное для микроэлектроники обеспечивает на стадии проектирования моделирование и построение послойной топологии развитыми стандартными средствами. Результат этой стадии - генерирование физических масок (или непосредственный ввод изображения). Как традиционные, так и модифицированные для создания МЭМС процессы строятся на многократных циклах осаждения материала, переноса изображений и удаления материала. Специфическими для технологии микромеханики являются операции удаления промежуточных слоев материала для отделения механических частей. Как правило, создание микромеханических изделий требует нанесения более толстых пленок, значительного по глубине травление, а технологический процесс имеет значительно больше этапов. На стадии готовой пластины желательно обеспечивать тестирование не только электрических параметров. Так все шире применяется тестирование геометрии механических структур МЭМС изделий оптическими методами. При разделение пластины на части и на стадиях сборки механические структуры МЭМС более уязвимы, чем чипы обычных интегральных микросхем, и требуется специализированные технологии и методики по защите. Корпусирование изделий микромеханики может потребовать существенных усилий конструкторского и технологического плана. Так может потребоваться создание высокого вакуума или демпфирующей газового наполнения (при гарантии сохранения давления и газового состава в течение срока эксплуатации). Обеспечение выходного тестирования готовых изделий по широкому кругу измеряемых и влияющих параметров требует специализированного метрологического оснащения не характерного для микроэлектронного производства.

 

Рис. 1. Технологии микроэлектромеханических систем строятся на основе классических кремниевых микроэлектронных технологических процессов. Некоторые из наиболее существенных различий выделены курсивом