Эти микроскопические электромеханические компоненты, отличающиеся пониженным энергопотреблением и сверхкомпактными конструктивными характеристиками, могут выполнять вычислительные и коммуникационные функции.
Несмотря на то что ИТ-индустрия традиционно быстро воспринимает новые технологии, кардинальных решений в этой области не наблюдалось уже давно. Революционные разработки, подобно появлению ПК, сетей и объединению сетей в Интернет, уже позади. Следующим заметным шагом станет, скорее всего, массовое распространение беспроводных сетей. Однако потенциал многих из существующих инноваций не используется в полной мере, так как требует принципиально новых решений.
Например, одной из ключевых технологий вплоть до 2012 г. аналитическая компания Gartner считает технологию микроэлектромеханических систем - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Кстати, эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines), а в Европе - микросистемными технологиями (Micro System Technology). По мнению аналитиков из Gartner, микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на уровне кристаллов. Можно сказать, что MEMS - это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, производимых с использованием модифицированных технологических приемов микроэлектроники. Действительно, микроэлектромеханические системы представляют собой комбинирование механических элементов, датчиков и электроники на общей кремниевой основе посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. При этом в основе лежит уже апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем.
Многие эксперты, включая специалистов одной из ведущих фирм в этой области - Integrated Sensing Systems (www.mems-issys.com), полагают, что MEMS-технология привносит буквально революционные изменения в каждую область применения за счет совмещения микроэлектроники на основе кремния с микромеханической технологией, что делает возможным реализацию системы на одном кристалле SoC (Systems-on-a-Chip). Так, технология MEMS дала новый импульс развитию систем инерциальной навигации и интегрированных систем, сделав возможным разработку "умных" изделий, увеличив вычислительные способности микродатчиков и расширив возможности дизайна подобных систем.
Сегодня MEMS-устройства применяются практически повсюду. Это могут быть миниатюрные детали (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера), микроинструменты (скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров), микромашины (моторы, насосы, турбины величиной с горошину), микророботы, микродатчики и исполнительные устройства, аналитические микролаборатории (на одном кристалле) и т. д.
Технологические циклы
Вообще говоря, под микросистемой понимается интеграция ряда различных технологий (MEMS, КМОП, оптической, гидравлической и др.) в одном модуле. Например, под технологиями изготовления MEMS-устройств для СВЧ-применений (катушки индуктивности, варакторы, коммутаторы, резонаторы) подразумеваются традиционные технологические циклы изготовления интегральных схем, адаптированные для создания трехмерных механических структур, скажем, объемная микрообработка, поверхностная микрообработка и так называемая технология LIGA.
Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При использовании такого процесса объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемная структура может наращиваться, что и происходит, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.
При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура создается последовательным наложением основных тонких пленок и удалением вспомогательных слоев согласно требуемой топологии. Преимущество данной технологии заключается в возможности многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. Ее главная особенность в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычный КМОП-процесс.
Аббревиатура LIGA происходит от немецкого названия Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Здесь толстый фоторезистивный слой подвергается воздействию рентгеновских лучей (засветке) с последующим гальваническим осаждением высокопрофильных трехмерных структур. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения служат высокоэнергетические электроны (с энергией более 1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает нескольких миллиметров. Это обусловливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Считается, что данная технология обеспечивает наилучшее отношение воспроизводимой ширины канала к его длине (при минимальных размерах).
Микроактюаторы
Важнейшей составной частью большинства МЕМS является микроактюатор. Обычно данное устройство преобразовывает энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут варьироваться в довольно больших пределах; диапазон их применения сегодня чрезвычайно широк и при этом постоянно увеличивается. Так, подобные устройства используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечений, автомобилестроении и домашнем хозяйстве. Например, микроактюаторы нужны для управления резонансными датчиками (они генерируют и передают им резонансную частоту) и для управления режущими инструментами в микрохирургии. Это могут быть также различные микродвигатели, которые требуются для управления микрореле, микрозеркалами и микрозажимами. Микроактюатором может быть даже микроэлектродное устройство для возбуждения тканей мускулов в неврологических протезах.
Важнейший элемент MEMS - микроактюатор
Все методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах можно свести к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке того или иного метода часто пользуются законами пропорционального уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети микроактюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод. Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического тока. При одном и том же размере электростатическое устройство выдает более хороший выходной сигнал. Тепловые микроактюаторы тоже потребляют довольно много электрической энергии, но главный их недостаток состоит в том, что генерируемое тепло должно быть рассеяно.
Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость и т. д.
"Подвижный" кремний
По данным аналитической компании In-Stat/MDR (www.in-stat.com), микроэлектромеханические системы, лишь несколько лет назад вышедшие за пределы лабораторий, постепенно получают все большее распространение. Согласно последним прогнозам In-Stat/MDR, рынок MEMS растет на 13,2% каждый год. MEMS уже традиционно используются в нишевых приложениях, таких, например, как пассивные фильтры высокой частоты в терминалах беспроводной и сотовой связи, системы подвижных зеркал для мультимедийных проекторов, микрофоны. Количество этих ниш и их размер растут сообразно рыночным потребностям.
Фактически понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы на свет появилось коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали датчики ускорения (акселерометры), устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек (SRS). Известная корпорация Analog Devices (www.analog.com), изготовившая первые такие сенсоры в 1993 г., сейчас продает автомобилестроителям десятки миллионов MEMS-акселерометров в год.
Один из типичных современных MEMS-акселерометров состоит из взаимно блокирующих штырей, которые поочередно перемещаются и фиксируются. Изменение ускорения отражается на емкости структуры, которая может быть легко измерена. Элементы могут размещаться подобно гребням в случае линейных акселерометров или в виде ступицы колеса в случае вращающегося акселерометра. Вращающиеся акселерометры используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS), так как они способны зафиксировать фактическое перемещение автомобиля, а не только блокировку колес.
В накопителях на жестких дисках вращающиеся акселерометры могут служить для обнаружения ротационных перемещений, влияющих на позиционирование головки и способных привести к потере дорожки. Компенсация ротационных перемещений важна в дорогих моделях дисководов, поскольку при затрате чуть большего времени на чтение и запись значительно меньше времени необходимо на восстановление позиционирования головки после удара.
Микроактюаторы, работа которых основана на обратном эффекте (прикладываемое напряжение вызывает небольшие перемещения кремниевых структур), сегодня используются, например, для точной подстройки магнитных головок. Последние обычно отвечают за обнаружение сигналов в накопителях на магнитных дисках. При этом существенно повышается плотность информации tpi (track per inch), "дорожка на дюйм", а следовательно, и емкость самого накопителя.
Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий: головки микроструйных принтеров, гироскопы, датчики давления, которые сотнями миллионов поставляются медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Но обо всем по порядку.
DMD для DLP
Лежащая в основе любого проектора DLP (Digital Light Processing) технология цифровой обработки света базируется на разработках корпорации Texas Instruments (www.ti.com), создавшей новый тип формирователя изображения на основе MEMS. Еще в 1987 г. Ларри Хорнбек (Larry J. Hornbeck) изобрел цифровое мультизеркальное устройство DMD (Digital Micromirror Device), которое завершило десятилетние исследования Texas Instruments в области микромеханических деформируемых зеркальных устройств. Суть открытия состояла в отказе от гибких зеркал в пользу матрицы жестких зеркал, имеющих всего два устойчивых положения. DMD-кристалл - это матрица высокой точности, осуществляющая цифровое преобразование света. По сути она представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой, а точнее, ее содержимое определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал с размерами 16x16 мкм. Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающиеся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала.
С помощью массива микроскопических зеркал формируется луч, причем каждое такое зеркало соответствует одному пикселу света в проецируемом изображении. В сочетании с цифровым сигналом, источником света и проекционным объективом эти зеркала обеспечивают высочайшее качество воспроизведения видео и графических изображений.
Электромеханическая память
Сколько было разных идей по поводу того, что использовать для запоминающих устройств, уж и припомнить трудно. А вот компания Cavendish Kinetics (www.cavendish-kinetics.com) предложила еще один подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. Он строится на основе микроэлектронных механических систем с возможностью интеграции в КМОП-процессы. Память Cavendish Kinetics может выпускаться в двух вариантах - с однократной записью и с возможностью перезаписи.
Современная разработка DMD-матрицы
Как полагает компания, ее технология, названная Nanomech, обладает наименее низким энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а скорость работы этой технологии сравнима со скоростью работы флэш-памяти. Название Nanomech иллюстрирует принцип ее действия. Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину (микроэлектромеханический актюатор), закрепленную над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, она изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Что любопытно, этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит "залипание" - для разрыва контакта необходима дополнительная энергия. Таким образом, создается память типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, после приложения потенциала к которому контакт прерывается.
Действующие прототипы были изготовлены по КМОП-технологии с учетом проектных норм 0,35 мкм, однако компания уверяет, что такие ячейки памяти можно получать при соблюдении проектных норм 45 нм. К преимуществам нового типа памяти следует отнести также то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для обеспечения записи затраты механической энергии составляют всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при 200°С, при этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн.
Аналитическая компания NanoMarkets в своем отчете по рынку памяти отмечает, что сегмент энергонезависимой памяти к 2011 г. будет оцениваться в 65,7 млрд. долл. При этом в понятие "энергонезависимой памяти" компания включила MRAM, FRAM, голографическую память, а также MEMS-разработки, выполненные с использованием новых технологий. По оценкам специалистов, рыночные доли типов энергонезависимой памяти, упомянутых в обзоре Nanostorage (устройства хранения, выполненные по микротехнологиям), могут составить 40% как в секторе обычной памяти, так и в секторе дисковых устройств.
Электромеханика в телекоммуникациях
Одной из самых перспективных областей внедрения MEMS в настоящее время многие эксперты считают рынок телекоммуникаций. Еще в конце 2000 г. от национальной лаборатории Sandia (www.sandia.gov), принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX (www.memx.com), занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Sandia под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности кристалла напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре "механических" слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений всей системы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.
Что же касается одного из электронных гигантов - корпорации Intel (www.intel.com), то решение о развитии технологий MEMS ею было принято еще в 1999 г. На весеннем Форуме для разработчиков в 2002 г. было не только официально заявлено об интересе к микроэлектромеханическим устройствам, но и провозглашена стратегическая важность этого направления. Учитывая потенциал корпорации как в сфере разработок, так и в производстве, значение этого заявления для рынка MEMS переоценить было трудно. Примерно в это же время на заводе Intel Fab 8 была внедрена микроэлектромеханическая технология, позволяющая формировать внутри или на поверхности полупроводниковых кристаллов крошечные механические устройства - датчики, клапаны, шестерни, зеркала, исполнительные элементы. Для Intel MEMS - это, скорее, микроэлектронные механические системы: микроскопические механические компоненты для устройств, которые отличаются пониженным энергопотреблением и сверхкомпактными конструктивными характеристиками и выполняют вычислительные и коммуникационные функции. Корпорация проводит исследования по применению этих технологий в антеннах, экранах, настраиваемых фильтрах, конденсаторах, индукторах и микрокоммутаторах.
Весной 2004 г. стало известно, что Intel начала предлагать своим партнерам для интеграции в сотовые телефоны радиочастотные модули front-end, построенные по технологии MEMS. В подобный модуль интегрировано около 40 пассивных элементов, что позволяет сэкономить до двух третей пространства в сотовом телефоне. Количество и состав модулей зависят от нужд заказчиков, которым предлагается использовать данные MEMS-модули для миниатюризации пассивных фильтров, резистивных и емкостных цепей. В будущем в аналогичные модули планируется интегрировать низкоскоростные коммутаторы, а в перспективе, возможно, и высокочастотные коммутаторы передачи/приема и фильтры на поверхностных акустических волнах SAW (Surface Acoustic Wave). Хотя существующие дискретные SAW-фильтры довольно громоздки в сравнении с интегральными микросхемами, показатель качества фильтрации у них выше примерно на два порядка. К тому же если размер SAW-фильтров измеряется в сантиметрах, то MEMS-резонаторов можно разместить на одном квадратном сантиметре площади несколько десятков тысяч штук.
Нынешнее поколение MEMS-модулей производится на фабрике Intel Fab 8 в Израиле на 200 мм пластинах с учетом проектных норм 0,25 и 0,35 мкм.
