Реферат: Микросистемотехника (MEMS)

Первым делом, на кремниевую подложку - стандартную для микроэлектроники основу - наносится слой изолятора. Как вариант, вместо кремния с изолятором может использоваться стеклянная или даже пластиковая подложка - в данном случае вся идея в том, чтобы основа была электрически нейтральна.

Рисунок 1.8. - Схема, иллюстрирующая изготовление микроэлектрода

После этого наносится слой металла, из которого впоследствии и получатся электроды. Он покрывается фоторезистом.

Следующий этап - литография. Пропущенный через маску ультрафиолет (вполне может быть использовано и другое излучение - зависит от конкретной технологии) изменяет свойства фоторезиста. Та его часть, на которую попали лучи, становится нестойкой к растворителю и удаляется, обнажая слой металла. Неприкрытый фоторезистом металл вытравливается.

После удаления уже ненужного слоя фоторезиста на получившуюся поверхность наносится слой изолятора. Снова наносится фоторезист, снова через маску он облучается ультрафиолетом, снова производится травление, но уже слоя изолятора. В итоге получаются аккуратные углубления, в каждом из которых располагается электрод.

Разумеется, это был простейший, в прямом смысле слова элементарный пример - любые MEMS в десятки и сотни раз сложнее. Но производятся они примерно так же: с помощью постепенного наращивания одного слоя за другим. Как и в микроэлектронике, устройства производятся не по отдельности, а достаточно крупными пластинами, которые в конце процесса разрезаются на отдельные чипы и упаковываются в пластиковые, керамические и так далее корпуса.

Рисунок 1.9. - Четырехдюймовая пластина MEMS

Достаточно сложно представить, что полученное столь непростым способом устройство может стоить пару-тройку десятков рублей. Однако это действительно так - спасибо отработанным производственным процессам и многомиллионным партиям готовых чипов[1] [8].

2.1 Обзор и перспективы технологии в России

За истекшие десять лет микросистемотехника преодолела путь от исследовательских лабораторий до широкого внедрения в повседневную практику. Согласно оценкам, мировой объем производства изделий МСТ увеличится с 46 млрд. долл. в 2008 году до 90 млрд. долл. в 2015-м (ежегодные темпы роста до 15%). Следует отметить, что наибольшую долю рынка - 32% - занимают изделия МСТ для систем обеспечения комплексной безопасности.

По состоянию на 2008 год потребность в изделиях МСТ для различных устройств и систем в России и странах СНГ оценивалась в 25 млрд. руб. К 2015 году прогнозируется увеличение этой потребности до 45 млрд. руб. (ежегодные темпы роста 10%). При этом по-прежнему будет преобладать спрос на изделия МСТ для систем комплексной безопасности (доля их составит до 70%).Известно, что электроника одна из самых динамично развивающихся отраслей промышленности, в которой каждые три-пять лет происходит переоснащение производства.

Развитие инновационного направления микросистемотехники неизбежно приведет к очередному технологическому переоснащению отрасли, которое потребует значительных ресурсов для решения следующих задач:

       проектирования изделий МСТ на основе программных и аппаратных средств нового поколения;

       создания наноструктурированных материалов;

       производства изделий МСТ на основе технологического и метрологического оборудования нового поколения;

       формирования и завоевания рынков сбыта систем на основе изделий МСТ.

Стратегия развития направления микросистемотехники реализуется в настоящее время за счет объединения ресурсов Федеральной целевой программы Минпромторга «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 годы» (ФЦП «ЭКБ и РЭ»), комплексных целевых программ Министерства обороны РФ, программы «Микросистемотехника» (МСТ) Союзного государства Российской Федерации и Республики Беларусь. Следует отметить, что в рамках выполнения ФЦП «ЭКБ и РЭ» в период 2008 - первая половина 2010 годов предприятиями радиоэлектронной отрасли страны достигнуты значительные успехи в создании следующих базовых технологий (БТ) и конструкций изделий МСТ и приборов на их основе:

       микроэлектромеханических датчиков ускорения и давления, позволяющих реализовать широкий спектр приборов, в том числе для блоков ориентации малых космических аппаратов, УЗ-счетчиков газа;

       микросистем анализа магнитных полей, позволяющих реализовать приборы для научных исследований, машиностроения и медицины;

       формирования сверхпроводниковых структур туннельного типа для построения современных квантовых эталонов напряжения, приемо-преобразовательных систем субмиллиметрового диапазона длин волн и элементной базы квантовых компьютеров на основе Q-битовой логики;

       матриц микрозеркал для модуляции оптического излучения;

       микроэлектромеханических переключателей и коммутаторов для комплексной миниатюризации специальной аппаратуры;

       полупроводниковых газовых сенсоров на основе композитных и мембранных структур, обеспечивающих создание газовых течеискателей и пороговых газоанализаторов, применяемых в промышленности и ЖКХ (уже освоены в производстве);

       твердотельных гироскопов вибрационного типа на основе пьезоэффекта, позволяющих реализовать устройства управления подвижными объектами в экстремальных условиях;

       микроакустоэлектромеханических датчиков давления жидких и газообразных сред широкого спектра применений;

       параметрического ряда кантилеверов для прецизионных измерений современных атомно-силовых микроскопов.

Актуальная задача современного этапа - развертывание работ по созданию широкой номенклатуры изделий МСТ, приборов и систем на их основе применительно к требованиям конкретных групп потребителей и организация серийного производства продукции для удовлетворения платежеспособного спроса. С целью решения этой задачи, помимо базовых технологий, предприятиям необходимы эффективные системы автоматизированного проектирования (САПР), адаптированные к специфике конструкций изделий МСТ и технологии их производства. Кроме того, требуются комплекты специального технологического и метрологического оснащения и методики контроля параметров изделий МСТ в условиях серийного производства. Круг дополнительных проблем, ожидающих решения для широкого внедрения результатов научно-технических разработок базовых технологий и базовых конструкций изделий МСТ в повседневную практику, входит в научно-техническую программу «Микросистемотехника». Эта программа - логическое продолжение ряда Федеральных целевых программ Российской Федерации, а также результат анализа достижений и недостатков, выявленных в процессе выполнения конкретных разработок изделий МСТ, приборов и систем на их основе десятками предприятий России и Белоруссии. Программа предусматривает комплексный подход к решению следующих поставленных задач:

       разработка базовых чувствительных элементов, приборов и систем на основе изделий МСТ;

       создание ключевого технологического и метрологического оснащения;

       формирование базы данных и специализированных подпрограмм САПР для автоматизированного проектирования конструкций и технологий устройств на основе изделий МСТ.

Программа ориентирована на учет реальных потребностей рынка конечной продукции.

Она предусматривает обеспечение глубокого технологического переоснащения производства продукции гражданского назначения, формирование технических и экономических условий для внедрения инновационных решений в производство специальной техники и использование потенциала частно-государственного партнерства, создание в качестве пилотного проекта интегрированной производственной структуры - Центра МСТ. Головные исполнители программы - ОАО «Авангард» (Санкт-Петербург) и ГНПО точного машиностроения «Планар» (Минск). Соисполнителями программы выступают ведущие предприятия радиоэлектроники РФ и Белоруссии (ФГУП НИИ ПС, НИТИ Электроприбор, ОАО «НИИ Элпа», ОАО «НИИФИ», ОАО «РНИИ Электронстандарт», ФГУП «НИИФП им. Ф.В. Лукина, «Протон-МИЭТ», ФГУП «НКТБ «Кристалл», ТЦ МИЭТ и др.).

Обращает на себя внимание то, что впервые за последние годы предусматривается централизованная разработка специального технологического и метрологического оснащения. Это - оборудование для прецизионной механической обработки и резки подложек для изделий МСТ; специализированное оборудование для проекционного экспонирования при изготовлении акустоэлектронных изделий; автоматизированные системы двух- и трехмерной оптической инспекции структур изделий МСТ в производственных условиях;

установки сварки кремниевых, диэлектрических и пьезоэлектрических пластин; ряд другого оснащения. Комплексный подход реализуется и при разработке информационных систем, баз данных и систем автоматизированного проектирования изделий МСТ.

В ходе развития работ по программе «Микросистемотехника» за 2010-2013 годы должен был достигнут мировой уровень и восстановлен паритет с аналогичной продукцией ведущих зарубежных производителей. Предполагается создание МСТ-устройств нового поколения для аппаратуры специального и двойного применения, обеспечение технологической независимости при разработке и производстве стратегически значимых компонентов и систем, создание технологической базы для решения задач оснащения других производств изделий МСТ.

В качестве первоочередных осваиваемых в производстве изделий МСТ по программе «Микросистемотехника» выбраны микроэлектромеханические системы (МЭМС), акустоэлектронные и хемосорбционные системы. МЭМС-структуры достаточно хорошо проработаны как в теоретическом, так и практическом плане[5], и теперь требуется их широкое внедрение. Для этого в отрасли (в том числе на заводе «Ангстрем» и в МИЭТе) создана производственная база. Что касается акустоэлектронных и хемосорбционных изделий МСТ, то в этом направлении необходимы дополнительные работы по разработке серийной технологии и созданию соответствующих производственных мощностей[6].

2.2 Подготовка кадров в ТУСУР по направлению микросистемная техника

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР) проводит подготовку студентов по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника». Бакалавры проходят обучение на кафедре «физической электроники» факультета электронной техники (ФЭТ).

Студентов профиля «Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике» готовят к профессиональной деятельности, находящей применение в создании, исследовании, проектировании, производстве и эксплуатации материалов, приборов и устройств электроники и нано- и микросистемной техники различного функционального назначения.

К моменту окончания вуза учащиеся овладевают фундаментальной и практической подготовкой по передовым технологиям, что позволяет им успешно заниматься практической разработкой и эксплуатацией высокотехнологичных объектов. Кроме того, глубокие системные знания позволяют реализовывать себя в сфере теоретического планирования, т.е. определять новые области исследований, новые проблемы в сфере проектирования, изготовления и применения изделий микро- и наноэлектроники и микросистемной техники.

Выпускники профиля «Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике» востребованы как в России, так и на зарубежных предприятиях. В Томске основная площадка применения знаний в области высоких технологий - это технико-внедренческая зона. Кроме того, уже сегодня о своей потребности в выпускниках данного направления заявляют такие предприятия, как: ЗАО НПФ «Микран», ОАО НИИ ПП, ОАО «Катод» (г. Новосибирск), ОАО «НПП «Восток» (г. Новосибирск), ОАО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов» (г. Новосибирск), «ЦКБ «Автоматика» (г. Омск), НИИ

Вывод

В настоящий момент электроника развивается бурными темпами, и MEMS технологии находят все большее применение, благодаря их потрясающим перспективам.

Микросистемотехника может применяться для решения задач в абсолютно любой области. Многие разработки не имеют аналогов среди макроустройств. Уже сегодня

MEMS - датчики и актуаторы используются нами каждый день, к примеру в мобильных телефонах. С развитием медицинских датчиков, подобные устройства будут у каждого, и они смогут передавать полную информацию о состоянии человека.

Работа выполнена в полной мере, не имеет экономической и социальной значимости. Возможно использование результатов данной работы как информации для общего ознакомления студентам специальности - Автоматизация технологических процессов и производств.

Список использованных источников

1.   Дрожжин А. MEMS: микроэлектромеханические системы [Электронный ресурс]. - режим доступа - http://www.3dnews.ru - (дата обращения 28.05.2014).

2.       DLP - статья с сайта Википедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/DLP - (дата обращения 27.05.2014).

.         Борзенко А. PC Week [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.pcweek.ru/themes/detail.php? ID=69630 - (дата обращения 28.05.2014).

4. Информация с англоязычного сайта производителя 3D принтеров Thre3d [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://thre3d.com/how-it-works/light-photopolymerization/digital-light-processing-dlp - (дата обращения 28.05.2014).

5.   Варадан В., Виной К., Джозе Л. ВЧ МЭМС и их применение. М. Техносфера, 2004, 528 с.

6.       ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2010, 99 с.

.         Информация с сайта для абитуриентов ТУСУР [Электронный ресурс]. - режим доступа - http://abiturient.tusur.ru/ru/ - (дата обращения 03.06.2014).

.         Ануфриев Л., Ковальчук Н., Ланин В. Совершенствование технологии мембранных МЭМС [Электронный ресурс]. - режим доступа - http://www.kit-e.ru/ - (дата обращения 03.06.2014).