Введение в современную микро- и наносистемную технику

 
 
 
 
 
 
 
 
А. В. ГРИДЧИН  
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ 
МИКРО- И НАНОСИСТЕМНУЮ 
ТЕХНИКУ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 

УДК 621.382
ББК 32.844.1
Г83
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент А. Д. Бялик;
канд. техн. наук, доцент Д. В. Лаптев
Гридчин, А. В.
Г83
Введение в современную микро- и наносистемную технику : учебное 
пособие / А. В. Гридчин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. –
232 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-1613-9
Раскрыто основное содержание понятий «микросистема» и «микросистемная техника». В порядке общего ознакомления рассмотрены вопросы проектирования, изготовления и экспериментальной верификации микросистем. Представлен кремний как 
основной материал современной электроники. Дано последовательное описание технологии производства монокристаллического кремния и изготовления кремниевых 
пластин. Представлено современное микроэлектронное производство и применяемые 
на нем стандартные технологические операции. Сделан вывод о применении описанных технологий для изготовления микро- и наносистемной техники.
Для студентов, обучающихся по программам подготовки 12.04.01 «Приборостроение» и 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», для колледжей микроэлектронного направления и широкого круга читателей. 
УДК 621.382
ББК 32.844.1
ISBN 978-5-9729-1613-9
” Гридчин А. В., 2024
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
2

ОТ АВТОРА 
 
Настоятельная необходимость иметь на русском языке учебное пособие, 
которое, пусть в краткой и сжатой форме, но все-таки давало бы более или менее полную картину того, что представляет собой микросистемная техника, 
особенно обогащенная приставкой «нано», и притом, излагало бы материал последовательно, шаг за шагом, уже много лет побуждала меня взяться за перо. 
Удерживало же меня от этого долгое время отсутствие идеи того, как необходимо излагать этот материал.  
Мой отец, проработавший в Новосибирском государственном техническом 
университете – Новосибирском Электротехническом Институте (НГТУ-НЭТИ) 
более ͶͲ лет в области сенсорики и микросистемной техники, который одновременно был и моим мудрым учителем, когда я только приступал к ведению 
семинаров по дисциплине «Введение в направление», на мой вопрос «Почему 
мне не предлагают читать лекции по этой дисциплине?» отвечал мне так: «Потому что это – профессорский курс». Это означало, в его понимании, что этот 
курс должен читать профессор, квалификация доцента для этого была маловата. Почему маловата, стало понятно мне только по прошествии многих лет.  
Нет вопросов рассказать, скажем, основы сенсорной электроники студентам, уже знакомым с дифференциальным и интегральным исчислением. Потому что тогда можно основывать изложение материала на фундаментальном математическом аппарате, опираться на дифференциальные уравнения, решать их 
и строить математические модели работы различных сенсоров. Такой подход не 
только эффективен – более того, он вообще единственный для того, чтобы 
освоить микросистемную технику на необходимом и достаточном для ее проектирования уровне. Причем, совершенно понятно, что без такого уровня проектировать и создавать микросистемы, как и микроэлектронику, не говоря уж о 
наноэлектронике и наносистемной технике, попросту невозможно.  
Однако здесь и возникает главная трудность. Студент первого курса современного вуза или колледжа еще не знает этого математического аппарата, 
не умеет решать дифференциальные уравнения и не владеет системным мышлением, необходимым ему, чтобы понимать процессы, происходящие в микросистемах в целом, в их совокупности. Ему это еще только предстоит узнать. 
Более того, на курсах математического анализа или линейной алгебры студентам зачастую вообще непонятно, зачем им рассказывают все эти базисы, линейные преобразования, ряды и интегралы, и еще множество того, что составляет суть соответствующих математических курсов. Им как раз важно понимать, где именно они будут далее применять полученные из этих курсов знания. Иными словами, им важно найти место математическому подходу в той 
профессиональной деятельности, которой они в дальнейшем собираются заниматься. А ведь его можно связать с такими понятными для каждого объектами, 
как носимая электроника (смарт-часы, смартфоны, планшеты), концепциями 
«умного дома», «умного офиса» и т. п.   
Поэтому в курсе введения в направление, либо в ходе ознакомительной 
практики, ведущему лектору или руководителю практики  необходимо суметь 
3 

найти такой подход к изложению материала, который был бы понятен, и в то 
же время максимально свободен от высокой математики. 
Однако здесь его подстерегает и другая опасность, которая заключается в 
изложении материала поверхностно, не вдаваясь в подробности. Мой отец с 
юмором называл подобный стиль изложения материала «Сказками Венского 
леса». Рассказывать их можно в большом количестве, благо материала по вопросам микроэлектроники накоплено немало: есть профессионально снятые 
интервью с руководителями предприятий, изготавливающих микроэлектронику, есть видеоролики с экскурсиями по этим предприятиям, а также в лаборатории различных научных институтов. Однако цель большинства этих роликов 
скорее рекламная, они призваны помочь, например, абитуриенту при его поступлении в университет или колледж. Между тем, студент первого курса уже 
сделал свой выбор, ему нужно двигаться дальше, осознавать суть выбранной 
им профессии. Рекламные ролики здесь ему уже не помогут. 
При изложении материала по курсу введения в направление нельзя свалиться и в простое описание того, с чем студенту придется столкнуться в ходе 
своей учебы в университете и далее, в ходе работы на производстве или в научной лаборатории. Один из моих коллег профессоров, отзываясь с юмором на 
подобную концепцию изложения материала, предлагал для нее девиз по принципу рекламного объявления: «Учу жизни. Дорого». На это нет нужды тратить 
время уже хотя бы потому, что все это студент и так почувствует и поймет в 
процессе своей жизни, которую нельзя подменить университетским учебником. 
Курс «Введение в направление» должен именно вводить студента в профессию, т. е. знакомить его с выбранной им областью профессиональной деятельности с точки зрения того, чем именно занимаются те, кто уже сделал ее своей 
работой. А ознакомительная практика, помимо этого, должна еще предоставлять возможность студенту самому попрактиковаться в чем-то, чем специалисты в данной области действительно занимаются на практике. 
Наконец, еще одна особенность, которой «грешат» многие лекторы, а также авторы пособий по введению в направление – это изложение материала с 
применением большого количества специальной научной или производственной терминологии. Уровень общей эрудиции студентов первого курса на сегодняшний день таков, что любой профессиональный термин, употребленный в 
контексте лекции, им необходимо объяснить понятными им словами. Без такого объяснения их дальнейшее движение по освоению материала, на сегодняшний день, к сожалению, невозможно: все дальнейшее будет просто «повисать в 
воздухе» и держаться там, в лучшем случае, до ближайшего экзамена, после чего полностью забудется, и это придется изучать заново. 
Вот почему далеко не каждому лектору или научному руководителю практики удается найти ту «золотую середину», чтобы и студент понял и усвоил материал, и качество этого материала было не на уровне «галопом по Европам». 
Член-корреспондент РАН И. Г. Неизвестный, профессор кафедры Полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУ-НЭТИ, один из основателей Института физики полупроводников СО РАН, говорил однажды, отвечая на мой 
вопрос о том, кто такой академик: «Академик – это тот, кто умеет объяснить 
4 

самой неподготовленной аудитории самые сложные вещи самым простым языком». Профессор – это человек, близкий к академику по своему уровню владения информацией. Вот почему «Введение в направление» – это «профессорский» курс.  
Это не означает, конечно же, что его не может читать доцент или старший 
преподаватель. Но для этого ему необходимо иметь под рукой учебное пособие, 
где необходимая ему по курсу информация изложена именно на требуемом 
профессиональном уровне, и притом адаптирована к уровню знаний современных студентов первого курса университета или колледжа. 
Книга, которую вы держите в своих руках, уважаемые читатели – это попытка создания именно такого учебного пособия. Многое из того, о чем хотелось бы рассказать, в силу ограниченного объема книги, рассказать не удалось, 
что-то – перенесено в книги, которые будут выходить вслед за этой. Поэтому, 
когда любой из вас, прочтя книгу, захочет изучить освещенные ею вопросы более подробно – к вашим услугам в конце каждой главы есть список литературы. 
 
  
 
 
 
 
 
Александр Гридчин, 
  
 
 
 
 
к. т. н., доцент, НГТУ (НЭТИ), 2023 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

Глава 0 
 
ФИЛОСОФИЯ МИКРОСИСТЕМ 
 
Современная жизнь приучила нас всех к тому, что у всего на свете есть 
своя философия. Сойдя с древнегреческого Олимпа, философия постепенно 
проникла в нашу повседневную жизнь, превратившись в науку о терминах, понятиях, определениях, всевозможных смыслах, ответах на вопросы «Зачем?» и 
«Почему?», которые человек ищет и находит для себя.  
Не имея перед глазами дорожной карты, невозможно приехать в незнакомое место, и не заблудиться при этом. Не имея проекта здания, невозможно его 
построить так, чтобы оно не рухнуло. Без координатной сетки нельзя построить 
ни один чертеж. Не зная правил ведения военных действий или бизнеса, можно 
очень легко и быстро проиграть войну, или столь же легко и быстро разориться. 
Не имея понятий о технике безопасности, можно нанести самому себе или другим увечья, которые могут оказаться несовместимыми с жизнью. Наконец, не 
зная броду, нельзя входить в воду, даже если эта вода кажется на вид безопасной и привлекательной. 
Поэтому, прежде чем входить даже не в «воду», а в настоящее «море» 
микросистемной техники, необходимо постараться проникнуться философией 
микросистемной техники и технологии, «почувствовать ее вкус», понять «это 
мое или не мое», в общем – это именно то, что и требуется сделать каждому 
самому для себя, чтобы определить необходимость как дальнейшего чтения 
этой книги, так и учебы в колледже или университете по данному направлению. 
 
0.1. ОТВЕТ НА ВОПРОС «ЗАЧЕМ?» 
 
История микросистемной техники говорит нам о том, что ее изделия до 
начала современной эры микроэлектроники были в диковинку, воспринимались, как предмет не столько науки, сколько искусства, Божественного вдохновения. Начиная разговор о микросистемной технике, невозможно пройти мимо 
столь колоритного в русской литературе героя, как тульский кузнец Левша, 
блестяще описанный Николаем Семеновичем Лесковым. Именно Левша «сотоварищи», ради славы российского Отечества, сумел подковать стальную блоху 
английского производства подковами еще более малого размера, при этом не 
пользуясь никакими «мелкоскопами», а просто так, «глаз пристрелявши». Поэтому, в символическом смысле, тульский Левша есть самый настоящий «родоначальник» российской микросистемной техники. 
Правда, технология того, как ему это удалось, осталась скрытой от читателя. Кроме того, подковки, которые были приколочены к лапкам стальной блохи, хотя и были ничтожно малы, но все-таки, имели вес, и потому стальная блоха уже не могла прыгать по столу, как об этом и заявили английские инженеры. 
Тем не менее, сама возможность создания подобных подковок повергла англичан в изумление, а честь Отечества российского была спасена. 
6 

Однако на самом деле, изделием микросистемной техники были вовсе не 
эти подковки, а сама блоха. Притом, она была механическим изделием, а следовательно, не имела никакого отношения к электронике. И наконец, создана 
она была в Англии, а отнюдь не в России, т. е. «законодателем мод» в области 
микросистемной техники был и пока остается англосаксонский мир. И потому 
терминология микросистемной техники является англоязычной – а следовательно, требует не только перевода, но и осмысления. 
Таким образом, литература подсказывает ответ на вопрос «Зачем изучать 
микросистемную технику?» – конечно, ради того, чтобы ее создавать, но, разумеется, не просто так, а «ради чести и славы государства Российского, дабы 
иные нации над ним не предвозвышались». Такой посыл является достойным 
патриота России, однако далеко не все в нашей жизни измеряется меркой патриотизма: есть объективная реальность и научный расчет. 
Объективная реальность говорит о том, что микросистемная техника является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки и техники. До 
февраля 2022 года рынок изделий микросистемной техники был одним из 
наиболее быстро растущих, как об этом свидетельствуют оценки компании 
NEXUS, сделанные в 2002 году [1]. Можно предполагать, что подобные тенденции могут сохраниться и в дальнейшем, так как потребность в изделиях 
микросистемной техники в мире только растет. Исследуются новые технологии, появляются новые концепции. Все это открывает дорогу для творчества 
нового поколения исследователей и конструкторов. Отсюда вытекает второй 
ответ на вопрос «Зачем?» – для того, чтобы своими руками, при помощи знаний, умений и навыков сделать что-то полезное, и самореализоваться в этом. 
Развитие микросистемной техники, как следует из результатов исследования [1], является весьма экономически выгодным. Поэтому желающие организовать свое дело могут вполне найти себя в микросистемной технике, создавая 
и выполняя небольшие исследовательские проекты, требующие финансирования. Для выполнения исследований в этом направлении существует соответствующее программное обеспечение, а если его нет – его можно написать самому. Поэтому многие из вас, уважаемые читатели, изучая микросистемную 
технику и способы ее проектирования, смогут научиться создавать не только 
«виртуальную реальность», хорошо знакомую вам по компьютерам, но и 
вполне «реальную» реальность, в которой будут воплощены ваши творческие 
конструкторские идеи. 
 
0.2. ОТВЕТ НА ВОПРОС «ПОЧЕМУ?» 
 
Вопросы «Зачем?» и «Почему?» отличаются по постановке и содержанию. 
Ответ на вопрос «Зачем?» важен для человека, поскольку устремляет его в будущее, давая ему «крылья для полета». Ответ на вопрос «Почему?» не менее 
важен для него, поскольку он помогает ощутить фундамент, сложенный из достижений прошлого, чтобы в дальнейшем оттолкнуться от него.  
В время защиты дипломных работ выпускников университетов нередко 
можно слышать примерно такой диалог между председателем либо членом гос7 

ударственной аттестационной комиссии и студентом, представляющим ей свою 
выпускную квалификационную работу: 
– В чем заключается научная новизна и практическая ценность Вашей работы? 
– Я разработал вот этот прибор. 
– А что, подобного прибора до Вас не существовало? Его нельзя было 
просто купить на рынке? 
На этот вопрос студент, как правило, не может ответить, так как в рамках 
своей работы он решал очень узкую, частную задачу, а замахнуться на что-то 
более серьезное, прорывное или вообще глобальное у него часто не хватает времени, а кроме того, тех же знаний, умений и навыков. Все это называется одним 
словом: отсутствие необходимой базы. А ведь без нее непонятно даже то, что 
требуется делать, не говоря уже о том, чтобы плодами своей деятельности 
«удивить весь мир». Отсюда вытекает первый ответ на вопрос «Почему необходимо изучать микросистемную технику?» – потому что она является необходимой базой для дальнейшего свободного конструкторско-технологического творчества при создании чего угодно принципиально нового, что вы хотите создать. 
Да, для этого необходимо изучить физику, линейную алгебру, то же программирование и электронику, и потратить на это ваше время, и все именно потому, что 
без этого вы ничего нового попросту не создадите! 
Другой пример, из той же практики защит магистерских диссертаций, диалог между членом комиссии и студентом: 
– Как пасечник при помощи Вашей системы узнает о том, что пчелиный 
рой готов к вылету? 
– По акустической картине, которую формируют микрофоны, установленные на стенках улья. 
– Хорошо. Ну а если дождь по стенкам улья стучит? А если медведь придет, и лапой по крышке улья ударит? Ведь акустическая картина от этого изменится! Как Ваша система отслеживает это? Вы исследовали? 
– К сожалению, нет… 
О чем нам говорит этот диалог? О том, что в процессе исследования и разработки студентом были упущены, либо просто не приняты во внимание ряд 
моментов, которые действительно важны в ходе функционирования создаваемого прибора или системы. Казалось бы – ну упустил и упустил, что здесь такого? Но это говорит об отсутствии системного подхода, который должен 
быть сформирован в сознании человека, когда продумывать нужно все до мелочей. Можно, конечно, решить, будто мелочи не стоят пристального внимания. Но если, например, в полете самолета отвалится какой-нибудь важный 
винтик, от этого может разрушиться и вся конструкция, может погибнуть и 
экипаж, и пассажиры, и даже те, на кого может упасть этот самолет. Поэтому 
мелочей не существует: каждая деталь, находящаяся на своем месте, в одинаковой мере важна и нужна для всей системы. Таким образом, изучение микросистемной техники дает и системный подход к ее созданию.  
И наконец, почему еще нужно изучать микросистемную технику? Потому 
что она, как и микроэлектроника, есть объективная реальность наших дней. 
8 

Даже более того, уйдя от чисто механических приложений, вроде той стальной 
блохи, которая была упомянута выше, и впитав в себя достижения микроэлектроники, микросистемная техника стала частью микроэлектроники, определенным направлением развития микроэлектроники, и на этом основании не 
может рассматриваться отдельно от нее. Микроэлектроника сейчас является 
неотъемлемой частью нашей жизни, а технологии, которые лежат в основе изготовления изделий микросистемной техники, является базовыми технологиями микроэлектроники. Следовательно, нам никак не обойти их изучение, и в 
этой книге мы обязательно познакомимся с ними. 
 
0.3. ВЗГЛЯД НА МИКРОЭЛЕКТРОНИКУ 
 
Итак, рассуждая о микросистемной технике, мы столкнулись с новым для 
себя термином микроэлектроника. Что такое электроника, нам, в общем, понятно – это компьютеры, сотовые телефоны, смартфоны, планшеты, смартчасы, MP3-плееры, беспроводные наушники, и еще очень много другого, что 
является признаком современности и составляет быт молодого поколения. Но 
тогда что такое микроэлектроника, и самое главное – где она? Не разобравшись 
с этим, мы не сможем продвинутся и в понимании того, что такое микросистемная техника и где она применяется. 
Ответ на этот вопрос необходимо начать с определения, что такое микроэлектроника. Микроэлектроникой называют область, или отрасль электроники, связанную с изучением и производством электронных компонентов, размеры которых имеют характеристический размер ͳˏˍˏ ൌͳͲି଺ˏ. Что такое 
характеристический размер? Это расстояние или размер, наиболее характерный 
для тех деталей, узлов, приборов, к которым применяется. Чтобы это лучше понять, условимся разделять весь мир, в котором живет человек, на мегамир, 
макромир, микромир и наномир. И будем в дальнейшем следовать этому 
разделению. 
Мегамир – это мир планет, звезд и звездных систем, в частности, Солнечной системы. Это мир, расстояния в котором измеряются миллионами и миллиардами километров, а массы объектов – миллионами и миллиардами тонн. Может быть, правильно было бы выделять не только мегамир, но и более крупные 
миры, но пока что в этом нет большой необходимости.  
Макромир, в узком смысле этого слова – это мир человека, расстояния в 
котором измеряются характеристическим размером ͳˏ. В широком смысле, к 
макромиру можно отнести все объекты, размеры которых лежат в пределах от 
толщины человеческого волоса ሺˑˍˑˎˑͲǡͳʹˏˏሻ до протяженности земного экватора ሺˑˍˑˎˑͶͲͲͲͲˍˏሻ. 
Микромир, в отличие от мега- и макромира, определяется уже намного 
более строго: это мир объектов, размеры которых находятся в пределах от 
ͳͲͲːˏˇˑͳͲͲˏˍˏ. Сюда попадают такие объекты, как пылинки, которыми 
насыщена атмосфера; эритроциты и лейкоциты, из которых состоит наша 
кровь; микроорганизмы, споры грибов, крупные вирусы, белковые молекулы и 
9 

многое другое. Именно сюда, к микромиру, и относится большинство тех элементов, которые и называются микроэлектроникой. 
Наконец, наномир – мир объектов с характеристическим размером менее 
ͳͲͲːˏǤ «Окно» в этот мир «прорубил» для человечества в 1960 г. американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Филипс Фейнман, 
выступив со статьей «Внизу полным-полно места: приглашение в мир физики». 
К наномиру следует отнести не только приборы наноэлектроники, которые 
особенно интенсивно начали создаваться на рубеже ХХ и ХХI веков, но и молекулы многих соединений, а также вирусы. Ниже наномира, вероятно, следует 
рассматривать фемтомир, к которому отнести атомы, элементарные частицы и 
все, что имеет размер менее Ͳǡͳːˏ. Этот мир пока что составляет область знаний и занятий ядерной физики и физики элементарных частиц. 
В этой связи нелишне упомянуть, что по мере развития наномира и связанных с ним нанотехнологий (т. е. технологий изготовления его объектов), 
стало понятным, что путь от «нано» к «макро» – лежит через «микро»: микромир есть «мост», связывающий наномир с макромиром. Но тогда это означает, 
что развивать наноэлектронику, как часть наномира, невозможно без опоры на 
микроэлектронику и технологии ее производства: это лишено всякого смысла, 
потому что просто не получится. Вот почему микроэлектроника действительно 
важна не только для настоящего, но и для будущего. 
Так, хорошо, с микроэлектроникой разобрались, с микромиром и характеристическим размером тоже все понятно, а что такое электронные компоненты? 
Или, формулируя вопрос по-другому, что входит в электронные компоненты? 
А вот здесь необходимо сказать, что несмотря на то, что хотя микромир 
имеет характеристический размер маленький, но перечень объектов микромира, 
которые человек научился изготовлять, действительно впечатляет – ведь это и 
есть те самые электронные компоненты! К ним относятся резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы (ИМС) самого 
различного назначения. В этом перечне – элементы компьютерной памяти, 
процессоры, твердотельные накопители (SSD), всевозможные ключи и переключатели, а также, разумеется, сенсоры и актюаторы, микросистемы самых 
различных образцов… 
– Стоп-стоп-стоп! – воскликнет в этом месте читатель. – Но разве все это 
не является той самой электроникой, к которой мы все привыкли?! 
И на этот вопрос придется ответить: да, действительно является! Потому 
что все эти приборы и устройства и есть та самая электронная начинка, которой буквально напичканы все нынешние электронные приборы. Но электронные приборы вовсе не обязательно должны быть одновременно и микроэлектронными приборами! И более того – так было далеко не всегда! 
История ясно свидетельствует, что до появления микроэлектроники прекрасно существовали, производились, и вполне устраивали человечество электронные лампы, из которых создавали самые различные электронные приборы, вплоть до компьютеров! Но эти лампы, несмотря на их довольно хорошие 
характеристики именно как электронных приборов, все же оказались громоздкими по отношению к приборам микроэлектроники. И поэтому как только по10