В 1975 году молодой исследователь Курт Петерсен, только что защитивший докторскую по электротехнике в MIT, работал в оптической группе исследовательского центра IBM в Алмадене (Калифорния) — и откровенно скучал. Однажды, бродя по огромному комплексу, он заметил в ничем не примечательном коридоре большое чёрное пятно на линолеуме. Это пятно изменило его жизнь и заодно судьбу целой отрасли.
Источник изображения — spectrum.ieee.org
Спустя четыре с лишним десятилетия Петерсен получил IEEE Medal of Honor — высшую награду Института инженеров электротехники и электроники. Формально он не изобретал микроэлектромеханические системы: он собрал разрозненных одиночек в сообщество, дал направлению внятное описание и довёл технологию до серийных продуктов. Сегодня MEMS — это акселерометры и гироскопы в каждом смартфоне, микрофоны в наушниках, датчики давления в автомобилях и медтехнике, микрозеркальные матрицы в проекторах. В середине 1970-х у всего этого не было даже общего названия.
Пятно на линолеуме
В поисках источника пятна — настолько ему было нечем себя занять — Петерсен зашёл в ближайшую лабораторию. Выяснилось, что пятно осталось от пролитых чернил, а в лаборатории разрабатывали сопла для струйных принтеров, вытравливая точные отверстия в кремнии.
Травить отверстия в кремнии? Ему просто не приходило в голову, что так вообще можно. Но тут же вспомнился постер, попавшийся на глаза в том же году: кто-то пытался сделать миниатюрный акселерометр на кремнии. Общая картина сложилась мгновенно — люди уже строят крошечные механические устройства с деталями размером в единицы микрометров, и строят их из кремния. Сегодня такие приборы называют микроэлектромеханическими системами, или MEMS. Петерсен захотел заниматься тем же.
Неочевидность идеи по меркам того времени сложно переоценить. Кремний воспринимался исключительно как материал электроники — подложка для транзисторов и не более того. Мысль, что из него можно делать пружины, мембраны, балки и подвижные зеркала, выглядела экзотикой, а у самого направления не было ни имени, ни конференций, ни журналов: на рынке существовала от силы пара приборов, которые сегодня отнесли бы к MEMS.
Три месяца ради одного кантилевера
Сразу после встречи с чернильным пятном Петерсен начал читать всё, что мог найти о механических устройствах из кремния, — в профильных журналах вроде IEEE Transactions on Electron Devices, Applied Physics Letters и Journal of the Electrochemical Society. Картина открылась обескураживающая: работы велись, но каждый занимался ими в одиночку.
По всему миру нашлись десятки людей, которые делали самые разные механические устройства на кремнии, но сообщества не было. Те, кто этим занимался, почти ничего не знали друг о друге.
Затем он взялся за собственный прибор. Разглядывая сопла под микроскопом, он обратил внимание на дефекты: в местах брака оставались свободно висящие тончайшие балки из диоксида кремния. Отсюда родилась идея — если такие структуры способны двигаться, ими можно отклонять свет, то есть построить модулятор света. Технология оказалась близка к той, что применяется в производстве MEMS и сегодня: слой диоксида кремния формируется поверх жертвенного слоя эпитаксиального кремния, после чего жертвенный слой стравливается. Остаётся консоль-кантилевер из диоксида кремния с тонкой металлической плёнкой сверху.
На изготовление нескольких таких модуляторов ушло три месяца. Каждый был длиной около 100 микрометров и толщиной 0,5 микрометра — на два порядка тоньше человеческого волоса. Готовые образцы Петерсен отнёс в лабораторию с растровым электронным микроскопом IBM, где сотрудница помогла подвести к ним провод, чтобы подать напряжение и увидеть движение вживую.
Она была заворожена. Сказала, что никогда прежде не видела, чтобы под микроскопом что-то двигалось.
Следующие пять лет ушли на то, чтобы сделать как можно больше разновидностей микромеханических приборов из кремния, включая акселерометры и электрические переключатели. Ради этого исследователь ушёл из оптической группы в специально спроектированную лабораторию — ровно такого размера, чтобы вместить его самого и одного стажёра.
Пятьдесят страниц, создавшие отрасль
По итогам чтения литературы и собственных экспериментов Петерсен написал для IBM внутренний отчёт о новой технологии. В нём перечислялись механические структуры, потенциально полезные компании: головки для оптических и магнитных накопителей, более сложные сопла для струйной печати и многое другое. Интереса отчёт не вызвал.
Разочарование было, но вместе с ним пришло и понимание: к ключевым бизнесам корпорации эти приборы действительно не относились. Тогда он переписал текст, убрав закрытую информацию, и отправил его в Proceedings of the IEEE — все пятьдесят страниц. Статья «Silicon as a Mechanical Material» стала темой обложки майского номера за 1982 год и оформила MEMS в самостоятельное направление техники.
Статья Курта Петерсена в майском номере Proceedings of the IEEE за 1982 год сделала его главным популяризатором MEMS. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Работа получилась энциклопедической: в ней разбирались механические свойства материалов микроэлектроники и разные способы вытравливать из них нужные формы и структуры. Отдельная ценность — предсказания. По словам автора, в тексте были описаны вещи, появившиеся значительно позже, например глубокое реактивное ионное травление, которое впоследствии перевернуло отрасль. Даже сегодня коллеги говорят ему, что заинтересовались MEMS именно после этой публикации.
Глубокое реактивное ионное травление (DRIE) позволяет получать в кремнии узкие канавки и отверстия куда большей глубины, чем традиционные процессы производства микросхем, причём со стенками, близкими к вертикальным; самый распространённый его вариант известен как бош-процесс. Именно эта техника позже сделала возможными микромеханические гироскопы, микрофлюидные чипы и высокие подвижные структуры, которые в начале 1980-х существовали разве что в виде гипотез.
Мы все читали эту статью, когда я учился в аспирантуре. Его роль в MEMS огромна. То, что он сделал, важнее, чем основание области: он её вдохновил. Для меня он супергерой.
Эти слова принадлежат Грегу Ковачу, ныне техническому директору SRI International в Менло-Парке. После выхода статьи Петерсена начали приглашать на конференции по всему миру, а исследователи стали приезжать в Алмаден лично. По его собственному описанию, к нему каким-то образом находили дорогу «всевозможные люди, занимавшиеся сумасшедшими вещами вроде микрофлюидных криогенных холодильников». Практически за одну ночь инженер превратился в технологического евангелиста.
Как одиночки превратились в индустрию
Всё десятилетие направление росло без рывков, но неуклонно. На момент публикации статьи в мире работали с технологией примерно 30–40 исследователей, к 1990 году, по оценке Петерсена, их стало около 600. На рынке появились датчики давления для одноразовых мониторов артериального давления и карбюраторы с управлением подачей топлива, аэрокосмическая отрасль начала применять MEMS-акселерометры, а первые микромеханические печатающие головки пошли в массовое производство. Следом потянулись стартапы, готовые коммерциализировать технологию.
Само название «микроэлектромеханические системы» закрепилось за областью на семинаре Национального научного фонда США в 1987 году. Причина, по которой направление вообще выстрелило, лежала в экономике: приборы делались на том же кремнии, той же фотолитографией и тем же травлением, что и микросхемы. Это означало массовое производство сотнями тысяч штук, низкую себестоимость и повторяемость параметров — то, чего классическая точная механика не могла обеспечить в принципе.
Transensory Devices: первый стартап без производственного опыта
Неудивительно, что к Петерсену начали приходить компании. В итоге он согласился и вместе с Джимом Кнутти в 1982 году основал Transensory Devices для разработки и выпуска MEMS-приборов. Уход из стабильной корпоративной науки он сам называет пугающим шагом: на руках были двое маленьких сыновей, и вопрос финансовой безопасности стоял остро.
Финансирование — чуть меньше миллиона долларов — в итоге пришло не от венчурных инвесторов Кремниевой долины, а от нефтяных денег из другого штата. Стартапы в Долине уже появлялись, но, по его словам, это ещё не была та отлаженная машина, что сегодня, и деньги доставались тяжело. Команда заняла фабрику площадью 280 квадратных метров во Фримонте и часть оборудования построила самостоятельно, включая установки сращивания пластин, которыми кремний герметизируют и защищают.
Чтобы держаться на плаву, брали контракты у крупных компаний на изготовление образцов — в том числе тех самых модуляторов света, что Петерсен делал ещё в IBM, — и параллельно разрабатывали собственные приборы. Проблема была в другом: демонстраций набиралось много, а до производства не доходило ничего. Ближе всего подошёл датчик давления в шинах для грузовых перевозок, но руководитель, с которым велась работа, умер, и проект остановился. Причину провала основатель формулирует прямо: ни у него, ни у Кнутти не было опыта серийного производства.
NovaSensor: датчики, доехавшие до шасси шаттла
Контрактная работа компанию кормила, но Петерсену нужны были собственные продукты на рынке — и он пошёл во второй стартап. В 1985 году вместе с Янушем Бжиком и Джозефом Мэллоном он основал NovaSensor, получив 5 млн долларов от нефтесервисного гиганта Schlumberger. Бжик к тому моменту уже был сооснователем двух компаний, выпускавших MEMS-датчики давления, и принёс в проект ту самую производственную культуру, которой не хватало Transensory.
NovaSensor взялась сразу за три типа датчиков давления: для авиакосмической отрасли, для нефтяной и высокотемпературный — без конкретного рынка в голове. Именно последний оказался самым успешным и добрался даже до шин космического шаттла. Технически прорыв состоял в изоляции резисторов от подложки: монокристаллическую кремниевую пластину соединили с другой, окисленной, где были сформированы мембраны датчика давления, после чего верхнюю пластину стравили почти полностью, оставив только резисторы. Петерсен считает, что это были первые MEMS-приборы на структуре «кремний на изоляторе», впоследствии ставшей обыденностью.
В 1991 году NovaSensor купила Lucas Industries, и сделка подняла Петерсена в ряды так называемых MEMS-миллионеров; сегодня та продуктовая линейка продаётся под маркой Amphenol. Он остался в компании ещё на несколько лет, чтобы получить свою долю в капитале, и всё это время занимался сращиванием пластин методом сплавления: две пластины травятся с разными рисунками, а затем соединяются в одну деталь. Процесс открывает дорогу к сложным приборам вроде гироскопов, а фотография одной из первых сделанных так структур — она напоминает листовую рессору — до сих пор украшает его визитные карточки.
К моменту ухода из NovaSensor в 1995 году MEMS-датчики давления уже стояли в снаряжении для дайвинга и в системах вентиляции и кондиционирования, а MEMS-акселерометры начали появляться в системах распознавания удара для подушек безопасности. Именно автомобильная безопасность стала первым по-настоящему массовым применением технологии: миллионы одинаковых дешёвых датчиков — ровно тот сценарий, ради которого кремниевая микромеханика и задумывалась.
Cepheid: как ПЦР уместили в коробку
Уходя, Петерсен не имел никаких планов на будущее. Направление подсказал Аллен Нортруп, исследователь Ливерморской национальной лаборатории: он предположил, что MEMS способны радикально ускорить полимеразную цепную реакцию (ПЦР) — на тот момент сравнительно новый способ копирования последовательностей ДНК. Билл Макмиллан, работавший в биотехе и друживший с женой Петерсена, подтвердил перспективность идеи, и тот начал набрасывать план по уменьшению размеров и стоимости ПЦР-оборудования, целясь в компактный прибор для каждого врачебного кабинета.
Дальше последовал ланч с Томом Гатшоллом в California Café в Пало-Альто. По воспоминаниям Петерсена, он изложил свою короткую презентацию, а собеседник тут же начал рисовать бизнес-план прямо на бумажной подложке для тарелки. Эта салфетка хранится у него до сих пор.
Пригодилась и технология, о перспективах которой он писал ещё в 1982 году: глубокое реактивное ионное травление позволило делать микрофлюидные чипы — системы точных каналов, по которым гоняются крошечные объёмы жидкости. Логика была прямой: MEMS и микрофлюидика дают возможность очень быстро нагревать и охлаждать образец, а значит, ПЦР можно сделать настолько маленькой и быстрой, чтобы использовать её для диагностики прямо на приёме у врача.
Физика здесь на стороне миниатюризации. ПЦР — это циклический нагрев и охлаждение пробы, и скорость анализа упирается в теплоёмкость: чем меньше объём жидкости и тоньше стенки камеры, тем быстрее проходит один цикл. Классический настольный термоциклер тратит на прогон часы, тогда как микромеханическая камера сокращает это время в разы — именно за счёт масштаба, а не за счёт новой химии.
Для коммерциализации Петерсен и шестеро партнёров, включая Гатшолла, Ковача, Нортрупа и Макмиллана, основали в 1996 году компанию Cepheid, лицензировав базовую технологию у Ливерморской лаборатории. К 1997 году она получила 3,2 млн долларов от Министерства обороны США, которому был нужен детектор биологического оружия. Первым прибором стал Smart Cycler: MEMS-структура быстро нагревала и охлаждала микролитры жидкости, а флуоресцентный датчик следил за ходом реакции. Карманным устройство не стало, но это было и не главное — важнее оказалось автоматизировать саму ПЦР.
Следующий продукт, GeneXpert, упростил процедуру ещё сильнее: прибор сам выделял ДНК из биологического образца и добавлял необходимые реагенты. На биржу компания вышла в июне 2000 года, буквально на схлопывании доткомовского пузыря, — по словам Петерсена, она оказалась одной из последних, кто успел провести IPO до того, как рынок закрылся. К концу лета 2001 года было отгружено около 80 систем Smart Cycler, а первый прототип GeneXpert ждали в декабре.
Сибирская язва в почте и контракт на всю почтовую систему США
Затем случились атаки с сибирской язвой. В конце сентября и в октябре 2001 года в США рассылали письма со спорами возбудителя — в адрес журналистов и сенаторов; заражение получили более двадцати человек, пятеро погибли. Cepheid к этому моменту уже показала, что её технология быстро выявляет возбудителя, и компания моментально оказалась в центре внимания: живые ПЦР-анализы демонстрировали в прямом эфире американского телевидения.
Почтовая служба США, обеспокоенная возможными новыми биологическими атаками через письма, пригласила всех, у кого есть технологии детекции, показать свои разработки. Испытания Cepheid прошли в декабре 2001 года и, по словам основателя, прошли идеально. После нескольких месяцев дополнительных тестов компания в партнёрстве с Northrop Grumman построила ПЦР-биодетектор, который можно было подключить к сортировочной машине. Продукт вышел в 2003 году, и вся почта в США до сих пор проверяется на сибирскую язву машинами Cepheid.
Сегодня Петерсен инвестирует в стартапы и консультирует их, встречаясь с несколькими основателями каждый день. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Сейчас системы компании применяются в основном в медицинской диагностике — тесты на стрептококк, норовирус, грипп и хламидиоз; более двадцати из них одобрены Управлением по санитарному надзору США для работы с приборами Cepheid. Сама схема «одноразовый картридж плюс настольный анализатор» стала стандартом молекулярной диагностики рядом с пациентом, а знакомая многим по годам пандемии экспресс-ПЦР — прямой наследник той самой линии приборов.
SiTime: кремний против кварца
К 2003 году Петерсен созрел для следующего проекта — кремниевых резонаторов, задающих стабильную частоту для точного тактирования электроники. Первые MEMS-резонаторы он делал ещё в IBM, но признаёт, что получались они посредственными и с кварцевым генератором конкурировать не могли. Способ решить проблему нашли трое исследователей: Том Кенни, Маркус Лутц и Аарон Партридж.
Их резонатор изготавливался из монокристаллического кремния — по выражению Петерсена, самого совершенного материала в мире. Поликристаллические материалы под нагрузкой чуть смещаются по границам зёрен, и сдвиг даже на атом-другой со временем меняет механические свойства детали. Монокристалл со временем не меняется, зато его резонансная частота зависит от температуры, так что главной инженерной задачей стала компенсация этого температурного дрейфа.
Очередная встреча прошла всё в том же California Café: Петерсен, Кенни, Лутц, Партридж и Джо Браун, бывший коллега по IBM, работавший с ним в Transensory и NovaSensor, набросали бизнес-план на очередной бумажной подложке. Часть ключевой интеллектуальной собственности принадлежала Robert Bosch GmbH, поэтому кроме инвесторов пришлось убеждать ещё и совет директоров немецкого концерна в Штутгарте.
У меня была большая встреча с их советом директоров. Я сказал им: вот чем я занимаюсь. Я основываю компании. Моя предыдущая проверяет всю почту США на сибирскую язву.
Совет директоров не только согласился лицензировать технологию, но и вложил в проект крупные средства. Новая компания SiTime запустилась в декабре 2004 года с задачей перевести многомиллиардную индустрию тактирования с кварца на кремний и отгрузила первые резонаторы в 2007-м. Сегодня её MEMS-генераторы формируют тактовые сигналы в мобильных устройствах и множестве другой электроники: кремниевые резонаторы лучше переносят вибрацию и удары, а делаются на обычных полупроводниковых линиях — там, где важна устойчивость, они постепенно вытесняют кварц.
Profusa, Verreon и переход в бизнес-ангелы
В 2008 году, когда дела в SiTime шли ровно, к Петерсену пришёл Макмиллан — один из сооснователей Cepheid — с идеей имплантируемого монитора глюкозы непрерывного действия. Задачу пытались решить тридцать лет, и безуспешно: после имплантации организм окружает датчик коллагеном, и глюкоза из крови перестаёт до него доходить.
Макмиллан объединился с исследовательницей Университета Дьюка Натали Вишневски, и вместе они предложили обходной путь — структурированный гидрогель, не вызывающий реакции на инородное тело, и флуоресцентное считывание концентрации глюкозы. Петерсен вернулся к своим оптическим корням, чтобы помочь довести продукт, и провёл в стартапе Profusa год. Сейчас в компании около тридцати сотрудников и 100 млн долларов привлечённого финансирования.
Это должно было стать последней его работой на полную ставку: заниматься ежедневной операционкой он больше не хотел, а ангельское инвестирование, по собственному признанию, оказалось куда интереснее. Тем не менее одну команду он пропустить не смог — двое студентов из Беркли разработали технологию MEMS-фильтров, но не могли превратить её в бизнес. Петерсен и К. Г. Ганапати вошли в компанию, переименованную в Verreon, где он занял пост технического директора и помог довести дело до продажи Qualcomm в 2010 году.
Это был третий его заход на должность CTO или эквивалентную ей. Пост генерального директора он занимал лишь однажды — в SiTime. Маркетинговый консультант Роджер Грейс, работавший с NovaSensor, вспоминает, что двое других основателей хотели быть президентами компании, а Петерсену было всё равно, и он взял себе техническое руководство: эго никогда не было его движущей силой.
В мире MEMS нет ни одного человека, который сказал бы о Курте что-то, кроме прекрасного, потому что он невероятно добрый, внимательный и готовый помочь. Умных людей много, но он уникален своей скромностью. Быть рядом с ним — как надеть любимые домашние тапочки.
Портфель на семьдесят компаний
Сегодня Петерсен снова занимается ангельскими инвестициями, выбирая MEMS-компании, медицинские приборы и биотех. По его словам, он вложился примерно в 70 компаний, почти половина из которых оказалась успешной, а совокупная доходность вложений составила около 350%. Для сравнения: по данным одного из исследований, типичная долгосрочная доходность ангельского инвестора с широким портфелем — порядка 250%.
У него сверхъестественная способность чуять, что может стать продуктом. Пусть до этого три года или пятнадцать лет, но нюх у него есть.
С 2012 года он состоит в объединении Silicon Valley Band of Angels — закрытом клубе примерно из двухсот инвесторов, которые регулярно собираются, чтобы слушать питчи и обмениваться информацией. Сейчас Петерсен сопредседательствует в его аппаратной подгруппе, входит в советы директоров двух компаний и менторит примерно в десятке других: с несколькими подопечными он встречается лично каждый день, а с командами из Канады и с восточного побережья созванивается.
В 71 год уходить на покой он не собирается: предприниматели, по его словам, энергичны, мотивированы и амбициозны, и находиться рядом с ними попросту слишком интересно.
История Петерсена показательна не столько чередой удачных стартапов, сколько тем, что решающим вкладом оказался не патент и не прибор, а обзорная статья на пятьдесят страниц. Она дала разрозненным исследователям общий язык, список работающих приёмов и понимание, куда двигаться дальше, — и превратила набор лабораторных курьёзов в индустрию, чьи изделия сегодня лежат в кармане у каждого владельца смартфона.
