Появление и развитие MЕMS и NEMS-технологии

        Итак, мы вкратце рассмотрели процесс развития полупроводниковой электроники от элемен-тарного селенового фоторезистора до изготовления сложных интегральных микросхем. Появ-ление и развитие МЕМS-технологий явилось следующим шагом на пути эволюции полупровод-никовой техники.

        Английская аббревиатура “MEMS” (или по_русски “МЭМС”) расшифровывается как микро-электромеханические системы. Соответственно, NEMS_технология использует наноэлектро-механические системы. Понятно, что приставки “микро” и “нано” характеризуют уже привычные для нас чрезвычайно малые масштабы. Поэтому сначала нужно понять-а что же такое электро-механическая система. Без особого преувеличения можно сказать, что начало современной электротехники положил гениальный английский ученый Макс Фарадей, открывший в 1873 году явление электромагнитной индукции. Суть его чрезвычайно проста: если рамку из металли-ческой проволоки вращать в магнитном поле,то по ней потечет электрический ток. Другими словами, механическая энергия перейдет в электрическую. И наоборот, если по рамке, находя-щейся в магнитном поле, пропустить ток, то рамка начнет вращаться. Это иллюстрирует работу простейшего электродвигателя, где вращающаяся рамка выполняет функцию ротора.

        Вращающаяся металлическая рамка в магнитном поле-это прообраз генератора электрического тока.

        Мы видим, что рассмотренные выше процессы взаимообратимы, то есть одну и ту же элек-тромеханическую систему можно использовать и как двигатель, и как генератор. При нынешнем уровне развития науки и техники изготовление электромеханических устройств в масштабе, скажем, миллиметров или даже сотен микрон не составляет принципиальных трудностей. Такие устройства и получили название микро-или наноэлектромеханические системы.

        МЭМС представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на кремниевой подложке.

 

        Их размеры могут быть меньше спичечной головки, и поэтому использование МЭМС позво-лит резко уменьшить массу и объем традиционной электронной техники, а также значительно снизить ее стоимость.

        Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в 1959 году. Но для превращения МЭМС из любопытных лабораторных “игрушек” в реальные изделия, пользующиеся спросом на рынке, потребовалось целых 40 лет. Только в конце 90_х началось освоение промышленного производства МЭМС, а сейчас МЭМС широко используются в самых различных сферах челове-ческой деятельности: в телекоммуникациях, медицине, транспорте и т.д. MEMS-системы на сегодняшний день являются ключевым фактором в развитии нанотехнологий. Именно на базе таких систем планируется создание наноманипуляторов и нанороботов.

Рис 111. Современные МЭМС_

системы *

        Традиционный микропроцессор способен лишь на то, чтобы решать определенный алгоритм и выдавать тот или иной результат вычислений. Микроэлектромеханические же устройства способны не только обрабатывать определенные данные, но и выполнять некоторые движения, то есть выступать в роли микророботов.

        Если ИС обеспечила проводникам возможность “думать”, то МЭМС позволяет им “ощущать”, общаться и взаимодействовать с внешним миром. Поэтому без преувеличения можно сказать, что МЭМС – это новая волна полупроводниковой революции. По мнению экспертов, развитие МЭМС_аппаратуры может иметь такие же последствия для научно-технического прогресса, ка-кие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.

Рис 112. Уже изготовленные НЭМС_

системы**

        Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь также используется кремний-самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания ИС. И в той, и в другой имеется замечательная

возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе. И плана-рной, и МЭМС-технологии присущи осаждение материала, перенос изображений и удаление промежуточных слоев (в МЭМС _ для отделения механических частей). Как правило, создание микромеханических изделий требует создания более толстых пленок, более глубокого травления, а сам технологический процесс имеет значительно больше этапов.

* Пперепечатано с www.memx.com

** Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

        Как ни удивительно, но МЭМС-системы могут выступать не только в роли сенсоров и «мускулов» микро_ и нанороботов. Они также могут быть основой нанокомпьютеров. История создания компьютеров начинается в девятнадцатом веке с универсальной механической машины Чарльза Бэббиджа. В 1833 г. английский ученый, профессор Кембриджского универси-тета Чарльз Бэббидж разработал гигантский арифмометр с программным управлением, арифме-тическим и запоминающим устройствами. Аналитическая машина Бэббиджа стала предшествен-ницей и прообразом современных компьютеров и машин с программным управлением. Как ни странно, но она была полностью механической. И это не мешало ей выполнять простейшие арифметические и логические операции, а также хранить полученные результаты.

Рис 113. Машина Чарльза Бэббиджа*

 

* Перепечатано с http://old.ej.ru/033/btw/any/

 

        Подобие машины Бэббиджа ученые собираются создать в наномасштабе, используя «НЭМС_арифмометры». Эрик Дрекслер предложил проект механокомпьютера-компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последовательных движений системы стержней. Используя нанотехнологически измененные материалы (например, алмаз или сапфир),можно добиться высокой скорости распространения информации. Дрекслер составил детальное описание подобного компьютера на основе механотранзисторов, причем размеры подобного устройства составят всего 400х400х400 нм.

        При этом его вычислительная мощность _ 1016 операций в секунду, что можно приравнять к производительности современного персонального компьютера Penthium IV с тактовой частотой 1 ГГц. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то эритроцит будет больше в 10_15 раз! Если использовать эти наноустройства для хранения информации, то полученная механическая память будет выгоднее по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств.

Рис 114. Принцип действия механотранзистора

        Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Мохан-ти сказал, что механические ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги. Расскажем о создании одного из прототипов логических ячеек механопамяти. С помощью электронно_лучевой литографии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механических ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния.

        Электронно-лучевая литография уже давно используется МЭМС-и нанотехнологами в качестве основного производственного инструмента. Она также является основным инструмен-том для производства микроэлектронных схем и ею пользуются при массовом производстве микросхем и процессоров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, выпуск готового продукта можно производить на уже имеющемся оборудовании.Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометровых размеров, которая при воздействии на ее концы высокочастотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) изгибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации.

Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь высокочастотных вибраций (в опытах-до 23,57 МГц). Эта частота отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризуются скоростью считывания информации в несколько сот килогерц.

Рис 115. МЭМС_ячейка памяти*

* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

 

        Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их размеры могут быть меньше тех, которые изготовлены экспериментально.

        Другое преимущество наномеханики перед наноэлектроникой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазо-не устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэнергии, в то время как современ-ные ключи потребляют милливатты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые размеры магнитной памяти.

        Объединение принципов механических и электронных вычислений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС-транзисторы, которые работают по принципу переноса

носителей заряда механическим путем.

        Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт Блайк из Висконсина, США, предста-вил рабочий электромеханический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации “механической руки” устройства (т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рисунке 116.

Рис 116. Наномеханический осциллятор Блайка*

* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

        В центре устройства-вибрирующий маятник, который был назван Блайком “механической рукой”. Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет ко-лебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устрой-стве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электро-дов G1, G2, S и D и заземлен.

        Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S,на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследова-тели могли наблюдать за переносом электронов ISD.

        Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon_on_insulator: слой кремния на слое изолятора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно_лучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

        В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет

один электрон. Преимущества нового устройства – в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного

на этих транзисторах.

      Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механо-транзистора станет спутниковая электроника.

Рис 117. Модель

наноманипулятора Дрекслера

        С помощью НЭМС также можно будет создать наноманипуляторы – устройства, способные выполнять управляемый механосинтез или просто перемещать отдельные молекулы. Над созданием подобного устройства сейчас работает ряд крупнейших компаний и лабораторий.

Уже созданы проекты манипуляторов, нопока еще ни один из них не воплотился в реальность.

        Многообразие вариантов и областей применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим воображением. Одним из эффективных приложений МЭМС_технологии сегодня являются датчики, или сенсоры.