В последние 30 лет элемент кремний получил широкую известность как материал, из которого изготавливают электронные компоненты и системы. В виде чипов — кристалликов, содержащих интегральные схемы, кремний можно обнаружить в системах управления любыми устройствами — от моечных кухонных агрегатов до космических кораблей типа «Шаттл».
Использование электрических свойств кремния сопровождалось менее известными исследованиями других его свойств и изучением возможностей их применения. Эти исследования привели к созданию технологии, которую можно назвать технологией микро техники. Она позволяет делать из кремния механические и другие устройства почти таких же малых размеров, как и элементы микроэлектроники. Технология изготовления микро устройств различного назначения начинается с тех же операций групповой обработки, которые обеспечивают низкую себестоимость производства кремниевых интегральных схем. Такой прием позволяет производить обработку большого количества кристаллов одновременно, и за счет этого стоимость производства одного кристалла значительно снижается.
Помимо технологических операций, широко применяемых в полупроводниковой промышленности, технология микро техники использует еще и химическое травление для формирования таких элементов конструкции, как различного профиля углубления и отверстия, канавки в виде желобов, полусферические впадины, выступающие части, диафрагмы, остроконечные штыри и перегородки. Путем комбинации этих элементов можно создать широкий набор кремниевых микро устройств. Среди уже созданных микро устройств из кремния можно назвать вентили, пружины, рефлекторы, жиклеры, штуцера, печатающие головки, платы для монтажа, радиаторы для теплоотвода, датчики давления, ускорения и химической концентрации.
Даже такое сложное устройство, как газовый хроматограф — инструмент для разделения и измерения содержания газов в смесях неизвестного состава — может быть создан на диске из кремния диаметром несколько десятков миллиметров. Интерес к кремниевым микро устройствам обусловлен потребностью в широкой номенклатуре недорогих чувствительных элементов. До недавнего времени стоимость электронных устройств в системах автоматического управления и в измерительных приборах была выше, чем стоимость датчиков. С появлением микропроцессоров цены на электронную аппаратуру стали резко падать.
Кремниевые датчики, изготовленные методом групповой технологии, могли бы прийти на смену более дорогим устройствам, собираемым вручную, как в свое время электронные схемы на кремниевой основе потеснили электровакуумные приборы. Последним достижением в этой области является интегральный датчик, представляющий собой кремниевый чип, в котором объединены собственно чувствительный элемент и электронная схема формирования сигнала. Интегральные датчики обходятся дешевле, чем датчики с компонентами электроники, изготавливаемыми отдельно. Кроме того, поскольку сигнал, формируемый интегральным датчиком, меньше подвержен воздействию шума и рассеянию, интегральные датчики функционируют лучше, чем дискретные, и имеют более широкие возможности применения.
Кремний в периодической системе элементов Менделеева расположен между металлами и неметаллами и является полупроводником. От других полупроводников он отличается способностью легко окисляться. При воздействии на него горячим водяным паром на пластине образуется поверхностный слой диоксида кремния Si02. Этот слой химически инертен и не проводит электрический ток; по существу, это стекло. Оксидные слои применяются для защиты определенных областей кремния в процессе его обработки при производстве элементов микро электроники, чем и объясняется его предпочтительное использование в этой области по сравнению с другими полупроводниками, как, например, германием.
Технология микро техники также широко использует способность кремния образовывать на поверхности оксидные слои. В электронной промышленности кремний применяют в виде монокристаллов, технология производства которых сама по себе достаточно сложна. Большие «стержни», или монокристаллы кремния диаметром 100 мм и длиной 1 м, выращивают в специальных условиях и затем распиливают на пластины в виде дисков толщиной 0,2 — 0,5 мм.
Эти пластины полируют до зеркальной чистоты, чтобы удалить шероховатости, образовавшиеся при распиливании. Гомогенная кристаллическая структура материала придает ему необходимые электрические свойства, используемые в микроэлектронных схемах. Оказалось, что такая структура обеспечивает и желательные механические свойства кремния. Кремний, который в периодической системе элементов находится непосредственно под углеродом, имеет такую же форму кристалла, как и алмаз, хотя и с более слабыми внутриатомными связями.
