應(yīng)用于RF MEMS的可集成壓力監(jiān)控技術(shù)

　　許多MEMS器件，像加速度計、機械共振器件等，都需要在真空環(huán)境下才能實現(xiàn)設(shè)計功能。然而檢驗封裝腔體是否達到了所要求的真空程度一直一來都是個棘手的問題。密歇根大學(xué)Khalil Najafi教授研究小組的研究人員最近開發(fā)出一種用微機械制造方法實現(xiàn)，可以在封裝的封帽上完成皮拉尼真空測量的方案。使用這種方法可以完成封裝的氦氣檢漏測試，該成果已發(fā)表在IEEE Transactions on Advanced Packaging雜志?！　?/P>

　　RF MEMS器件的性能主要取決于機械振動腔結(jié)構(gòu)的性能。如果腔室中存在空氣或其他氣體則會影響該器件可動部分的運動，使得該部分的運動變得難以預(yù)測?！　?/P>

　　另一種可能出現(xiàn)的情況是吸附的空氣或濕氣會與封裝結(jié)構(gòu)作用，進而改變結(jié)構(gòu)的機械性能。在加速度器中校驗過的質(zhì)量塊受到影響產(chǎn)生的偏差可能不大，但對由質(zhì)量塊的重力作用產(chǎn)生彎曲的懸臂結(jié)構(gòu)來說，其變形程度所受的影響就很大了。因此在機械共振結(jié)構(gòu)中，由質(zhì)量分布產(chǎn)生一些變化將極大地影響該器件的RF性能?！　?/P>

　　一種測量RF MEMS封裝中漏氣情況的方法是Q因子提取。使用這種方法首先根據(jù)器件的電學(xué)性能計算出共振結(jié)構(gòu)的性能。當使用這種方法進行檢漏測試發(fā)現(xiàn)漏氣時，被測器件可能已經(jīng)完全損壞了。

　　氦氣檢漏測試是一項標準的測試方法，但對每個封裝好的器件都進行一次檢漏的話，檢驗的工作量很大很且成本太高。所以當前可行而且成本較低的方法是等待一段時間之后，有些MEMS器件性能已經(jīng)開始退化，然后對其進行替換。在某些不能采用該種方法的場合，就需要一種低成本可進行原位檢測的壓力監(jiān)控裝置了?！　?/P>

　　皮拉尼檢測裝置在毫托量級范圍內(nèi)非常有效。皮拉尼檢測裝置為一個帶有引線（或電阻絲）和散熱片的腔體。先在引線上通上電流，之后測量其電阻。如果腔室內(nèi)氣壓很低，則引線上產(chǎn)生的熱量只有很少的一部分能通過氣體的對流到達散熱片，這樣會得到與引線上較高溫度相關(guān)聯(lián)的電阻值。如果腔室內(nèi)的氣壓較高，由于氣體的對流傳熱，引線上的溫度相對較低，得到的是溫度較低時的電阻值。

　　理想情況下，皮拉尼檢測可以在分子級別上操作。只要引線與散熱片的距離小于一個氣體分子的平均自由程即可。這就給皮拉尼檢測的使用范圍設(shè)置了上限。下限是由對流傳熱的比例決定的：氣體分子對流帶走的熱量必須高于輻射帶走的熱量或高于支撐機構(gòu)傳導(dǎo)帶走的熱量。　　

　　該研究小組開發(fā)出了帶有雙散熱片的兩種監(jiān)控方法。較早的是垂直設(shè)計，其電阻器與散熱片的距離是0.4祄，測量的動態(tài)范圍從20毫托到2托。稍后的水平設(shè)計氣隙距離是1祄，測量的動態(tài)范圍從50毫托到5托。這兩種設(shè)計結(jié)構(gòu)都是采用重摻雜p型（p++）硅加工完成，并且都與MEMS的封裝兼容，性能也很好。

　　水平設(shè)計需要兩塊掩模板，而垂直工藝需要六塊。　　

　　制作水平結(jié)構(gòu)的測試裝置首先在硅晶圓上覆蓋摻雜硼（形成p++層），在摻雜區(qū)域完成電阻器和散熱片的制作。其后采用深反應(yīng)離子刻蝕獲得寬度為1祄的溝槽用以隔離p++區(qū)域（見圖）。在玻璃晶圓上腐蝕形成腔室，使用陽極鍵和將兩個晶圓面對面鍵和在一起。通過選擇性腐蝕溶掉未摻雜的硅晶圓，腐蝕劑通常采用二胺磷苯二酚（EDP）?！　?/P>

　　盡管這種溶解晶圓的工藝需要使用很多的硅材料，但整個工藝的成本卻并不高。如果晶圓上沒有電路結(jié)構(gòu)，硅本身的價格相當便宜，并且其他可替換的漏率檢測方法成本要高很多。　　

　　上述工藝還未將皮拉尼檢測裝置集成到封裝中。由于其主要部件采用在MEMS中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料p++硅，因此向封裝的集成難度不大。如果MEMS封裝設(shè)計中包含有皮拉尼檢測裝置的，只需要在原來MEMS的設(shè)計版圖上進行少量修改即可實現(xiàn)?！　?/P>

　　在去年召開的IEEE MEMS年會上，該小組發(fā)表了他們在皮拉尼檢測裝置上的研究成果，這些工作主要是在傳感器電阻中使用多晶硅制作不同的懸臂和梯形結(jié)構(gòu)。據(jù)報道一些結(jié)構(gòu)可以用于氣壓低于10毫托的情況?！　?/P>

　　該小組還發(fā)表了密封此類器件的方法，該方法采用金——硅共晶工藝并集成了NanoGetter公司的吸氣劑進行密封（NanoGetters公司是Integrated Sensing Systems的一個子公司）。現(xiàn)階段這種集成傳感器的方法似乎超過了RF MEMS器件的要求。然而隨著其使用的增加，將需要這種方法可以在一個器件性能退化之前就發(fā)現(xiàn)并且完成替換。