ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ ГЕРМЕТИЗАЦИИ МЭМС ОБЗОР Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 681.586

Технологии вакуумной герметизации МЭМС

Обзор

С.П.Тимошенков, А.Н.Бойко, Б.М.Симонов, А.В.Заводян

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Показаны основные факторы, определяющие требования к герметизации микромеханических устройств и систем (МЭМС). Проанализированы применительно к герметизации МЭМС методы обработки материалов и создания трехмерных структур, используемые в микросистемной технике. Рассмотрены различные технологические варианты вакуумной герметизации микросистем, тенденции развития данной области.

Требования к герметичности МЭМС и вакуумная герметизация. Многие микроэлектромеханические приборы содержат подвижные чувствительные элементы, на работу которых оказывает влияние газовое демпфирование, - это акселерометры, гироскопы, переключатели и др. [1, 2]. Вакуумная герметизация таких приборов способствует увеличению их чувствительности и стабильности параметров. Также она необходима для устройств, требующих термической изоляции чувствительных элементов, например преобразователей инфракрасного излучения [3].

Влага, присутствующая в составе атмосферы, негативно воздействует на параметры как интегральных схем в составе МЭМС, так и микромеханических чувствительных элементов [3]. Воздействие влаги является причиной не только деградации материалов, но и существенной для МЭМС проблемы «залипания» микроэлементов. Молекулы воды на поверхности могут играть роль клея, а в микромире сила взаимодействия контактирующих поверхностей сравнима с силой, управляющей подвижными элементами. С уменьшением размеров элементов и деталей миниатюрных приборов проблема «зали-пания» становится все более актуальной, а при переходе в область наноразмеров становится одной из основных. Вакуумная герметизация позволяет не только уменьшить влияние газового демпфирования на параметры подвижных чувствительных элементов, но и добиться существенного снижения содержания влаги в корпусе.

Под вакуумной герметизацией, называемой в англоязычной литературе «vacuum packaging» или «fully hermetic packaging», будем понимать герметизацию, обеспечивающую сохранение заданного уровня вакуума внутри корпуса микромеханического прибора в течение срока хранения и эксплуатации [2]. Согласно требованиям к корпусам микросборок, вакуумплотным считается корпус, натекание в который не превышает 5-10"5 л-мкм рт. ст./с [4]. При таком уровне натекания обеспечивается незначительный газообмен между внутрикорпусной газовой средой и атмосферой, гарантируется

© С.П.Тимошенков, А.Н.Бойко, Б.М.Симонов, А.В.Заводян, 2010

работоспособность прибора в течение длительного времени, но только при отсутствии значительного перепада давлений. Если же для функционирования микроприборов требуется наличие вакуума внутри корпуса, то такой уровень натекания уже неприемлем, так как давление в корпусе МЭМС возрастет на два-три порядка в течение всего лишь нескольких недель или месяцев. Традиционные методы контроля герметичности, в частности течеискателем после опрессовки гелием, не обладают достаточной для данного случая чувствительностью. Остаточное давление в корпусе МЭМС может быть измерено другими методами, например путем определения добротности микромеханических колебательных элементов [5].

Методы соединения материалов в технологии герметизации. Для изготовления герметичных конструкций МЭМС используются в основном неорганические материалы - стекла, кремний, керамика и металлы. Пластики не применяются, поскольку они недостаточно эффективны для защиты от проникновения во внутрикорпусной объем влаги и других компонентов парогазовой среды.

Для герметизации МЭМС используются технологии соединения материалов, которые можно разделить на три категории: анодное соединение, прямое соединение и соединение через промежуточный слой. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и ограничения [6].

Прямое соединение кремний-кремний (SDB - silicon direct bonding) осуществляется за счет возникновения ковалентных связей между двумя поверхностями при высокой температуре [2]. Метод позволяет проводить надежную герметизацию, однако высокая температура процесса не позволяет герметизировать МЭМС вместе с электронной схемой [6], отрицательным моментом является также повышение внутрикорпусного давления за счет продуктов газовыделения. Кроме того, для реализации этого метода необходимо обеспечить высокие требования к качеству обработки поверхностей соединяемых деталей (по шероховатости и наличию загрязнений).

Разновидность прямого соединения - соединение с активированием поверхности (SAB - surface activated bonding), при котором высокая энергия взаимодействия соединяемых деталей достигается предварительной обработкой и чистотой их поверхностей. Активация может проводиться химическими растворами (жидкостная активация) или обработкой в плазме (сухая активация). Метод позволяет проводить герметизацию даже при комнатной температуре, а отсутствие дегазации, характерной для высокотемпературных способов, способствует достижению высокой степени вакуума в корпусе [7]. Метод SAB может быть применен для различных комбинаций материалов, проведение процесса при комнатной температуре позволяет снизить влияние различия в их коэффициентах термического расширения. При использовании ионной бомбардировки метод может быть применен для соединения многих металлов (Al, Cu, Ag, Au, Sn, In, Ti, Ni и их сплавов), а также для керамических и полупроводниковых материалов (SiC, Si3N4, Al2O3, AlN,

алмаза и кремния). Соединением пары деталей кремний-кремний были получены герме_2

тичные объемы с остаточным давлением в объеме около 10 мм рт. ст.

Метод анодного соединения основан на соединении полупроводника с электронной проводимостью (обычно кремния) и щелочесодержащего стекла с ионной проводимостью [8]. Для реализации метода применяется специальное оборудование, которое дает возможность совмещения пластин с точностью до нескольких микрометров [9]. При получении высоковакуумного микрообъема с использованием анодного сращивания необходимо учитывать десорбцию газов с поверхностей деталей корпуса и микромеханического элемента [10].

Методы анодного и прямого сращивания кремния обеспечивают высокую степень герметичности корпусов, но эти методы очень чувствительны к неровностям и чистоте соединяемых поверхностей [8]. Присутствие на поверхности канавки глубиной несколько нанометров может явиться причиной значительного натекания в объем в случае использования метода БОБ [6]. Анодное сращивание менее чувствительно к дефектам и неровностям соединяемых поверхностей, но канавки глубиной 50 нм также могут являться причиной натекания газов внутрь герметичного объема [8]. Кроме того, при напылении металлических проводников толщиной более 50 мкм может быть нарушена герметичность анодного соединения [11, 12].

Формирование соединения через промежуточный слой, через стеклянную фритту или припой, является эффективным способом, позволяющим соединять даже шероховатые поверхности [13, 14]. Широкий выбор фритт и припоев делает такие технологии достаточно гибкими.

Другие методы соединения деталей с использованием промежуточного слоя - термокомпрессионная сварка и эвтектическая пайка [13, 15, 16]. Термокомпрессионное сварное соединение образуется в результате одновременного нагрева и сжатия соединяемых поверхностей. При формировании эвтектических паяных соединений чаще всего используется низкотемпературная эвтектика золото-кремний.

При выборе материалов, используемых в качестве промежуточных слоев, необходимо учитывать следующие параметры [17]: прочность на разрыв; сопротивление сдвигу; усталостная прочность; вязкость разрушения (сопротивление развитию трещин); коэффициент термического расширения; теплопроводность; влагопоглощение материала; возможности дегазации материалов; стоимость.

Сравнительные данные по различным технологиям герметизации представлены в таблице.

Основные параметры соединений, формируемых с помощью различных технологий герметизации [18]

Технология формирования соединения

Параметр

Анодное соединение Низкотемпературное прямое соединение Эвтектическое соединение Пайка припоями Соединение стеклянной фриттой

Температура, °С 400 200-400 > 280 120-300 430-600

Прочность соединения Высокая Средняя Высокая Высокая Высокая

Площадь области соединения > 20 мкм > 30% поверхности > 60 мкм > 100 мкм > 250 мкм

Топографическая норма 50 нм - < 1 мкм < 3 мкм < 2 мкм

Интеграция геттера Возможна Ограничена Возможна Возможна Возможна

Натекание Низкое - Очень низкое Очень низкое Низкое

Технологии вакуумной герметизации. Развитие технологий вакуумной герметизации вместе с последовательным уменьшением размеров микроприборов идет в направлении от индивидуального корпусирования к интегральным технологиям. На рис.1 представлены основные разновидности технологий вакуумной герметизации МЭМС.

Вакуумная герметизация | МЭМС

Индивидуальное корпусирование

. Керамические корпуса

Металло-стеклянные корпуса

Интегральные технологии

X

Объемная микрообработка

Пластина-на-пластине (WWP)

Чип-на-пластине (DWP)

Поверхностная микрообработка

Процесс на пластине

Применение матриц

Рис.1. Технологии вакуумной герметизации МЭМС

Индивидуальное корпусирование. При индивидуальном корпусировании пластина с микромеханическими элементами разделяется на кристаллы, которые затем помещаются в отдельные корпуса и герметизируются (рис.2). Применяются керамические и металлостеклянные корпуса, для герметизации объема используются процессы сварки, пайки, напыления металлических слоев.

Герметизации микрообъема может осуществляться непосредственно соединением крышки и основания корпуса в вакууме, однако уровень вакуума ограничивается в этом случае процессами газовыделения. В другом случае соединяются основание и крышка корпуса, производится дегазация микрообъема через откачное отверстие и затем герметизация заделкой откачного отверстия, которая может быть осуществлена запайкой припоем, лазерной сваркой, напылением металла на откачное отверстие [8]. При использовании нераспыляемых геттеров алгоритм герметизации может быть следующим: соединение крышки корпуса с основанием; удаление остаточных газов через откачное отверстие; десорбция газов и активация геттера, герметизация [1].

Технология герметизации МЭМС в стандартных металлостеклянных корпусах, применяемых в электронной промышленности для герметизации микросборок, разработана и реализована в МИЭТ [20, 21]. Корпус с установленным в нем микромеханическим чувствительным элементом заваривается по периметру лазерной сваркой, после дегазации объема откачное отверстие запаивается припоем. С помощью этой технологии были изготовлены герметичные микромеханические устройства с вакуумом во

_j _^

внутрикорпусном объеме 110 -110 мм рт. ст., предусмотрена возможность интеграции геттера внутрь корпуса.

Интегральные технологии герметизации. Интегральные технологии герметизации с использованием традиционных материалов объемной микрообработки (кремния, стекла и т.д.) можно условно разделить на технологии пластина-на-пластине и чип-на-пластине. В обоих случаях для корпусирования могут использоваться процессы анодного, эвтектического соединения и соединения через промежуточный слой.

Технологии пластина—на—пластине (wafer—to—wafer). Основные этапы технологии вакуумной герметизации МЭМС пластина-на-пластине показаны на рис.3. На пластине, играющей роль крышки, формируются углубления. Пластины совмещаются и соединяются в вакууме, затем их делят на отдельные герметичные чипы [19].

Рис.3. Интегральная герметизация МЭМС пластина-на-пластине (wafer-to-wafer

Packaging, WWP) [19]

Для реализации процессов герметизации МЭМС, в том числе групповым способом, производится специальное оборудование. Например, фирмой SST International выпускается ряд технологических установок для герметизации микросистем и соединения материалов в вакууме [22]. Установки обеспечивают получение вакуума до 10-6 мм рт. ст., температуру в рабочей камере до 1000 оС, анализ и управление составом газовой среды в камере, программный контроль и управление параметрами технологических процессов.

Технологии чип—на—пластине. На рис.4 представлена схема реализации технологии чип-на-пластине, крышки в данном случае устанавливаются отдельно на каждую область с МЭМС-структурой [23]. Особенность данной технологии - возможность применения методов flip-chip монтажа для позиционирования и пайки крышек.

Локальное оплавление. Отдельное направление в развитии технологий вакуумной герметизации МЭМС - это применение локального оплавления для защиты микромеханической структуры от перегрева [24-27]. В общем виде технологии герметизации с ис-

Формирование гфипойньк кклец 1 II II 1

Капсулирующш! штастины

Припой I ■ Резка

Крышка

flip-chip сборка

■ и 1 I m I ■ | 1

МЭМС-пластина

Резка

Крышка

■ ■ I m I ■ m I

МЭМС МЭМС МЭМС

Рис.4. Основные этапы технологии герметизации чип-ьс-песстиье (DWP) [23]

пользованием локального оплавления содержат следующие этапы: формирование микронагревателя вокруг механической структуры; нанесение соединительного материала; герметизация микроструктуры. В данной группе технологий используются процессы локальной пайки припоем, стеклоприпоем, процессы эвтектической пайки, применяются различные материалы для формирования микронагревателей и разные способы нагрева.

В работе [25] описан метод герметизации, в котором локальное оплавление алюми-нийсодержащего припоя осуществляется поликремниевым нагревателем. Достоинства метода - низкая температура воздействия на герметизируемый чип, высокая механическая прочность соединения, надежность и низкая стоимость благодаря применению групповых технологий. Рассмотрим последовательность выполнения основных этапов этого технологического процесса (рис.5).

Поликремний для межсоединений

Кремниевая подложка

■

8Ю2 зю,

ГЛ

Л п г

Поликремниевый Резонатор микронагреватель

' I

813м4/8Ю2/813м4

Поликремний (адгезионный слой)

Л29245 А1

Стекло пирекс

Ае

Рис.5. Основные этапы технологии изготовления микроприборов с герметизацией

локальной пайкой [25]

д

а

б

г

з

1. Нанесение слоев термического оксида и нитрида кремния методом LPCVD (химическим осаждением из газовой фазы при пониженном давлении), эти слои необходимы для электрической изоляции; нанесение слоя поликремния, используемого в качестве земляной шины и электрической разводки (рис.3,а).

2. Нанесение жертвенного слоя SiO2 для формирования резонатора методом поверхностной микрообработки (рис.3,б).

3. Нанесение поликремния и легирование его фосфором поверх жертвенного слоя. На основе поликремния формируются резонатор и микронагреватель (рис.3,в).

4. Для электрической изоляции от припоя сверху микронагревателя наносится многослойная структура SiзN4 (750 А)/ SiO2 (1000 А)/ SiзN4 (750 А) (рис.3,г).

5. Нанесение адгезионного слоя поликремния и слоя припоя на основе алюминия толщиной 2,5 мкм (рис.3,д,е). Слой фоторезиста AZ-9245 защищает припой от воздействия концентрированной плавиковой кислоты (см. рис.3,е).

6. Снятие жертвенного слоя - заключительный этап формирования резонатора (рис.3, ж);

7. Процесс герметизации: в вакууме (р ~ 25 мм рт. ст.) на пластину с чипами помещается под давлением ~0,2 МПа пластина из пирекса, слой поликремния греется в те-

чение 10 мин источником мощностью 3,4 Вт, происходит расплавление припоя и герметизация микрообъема (рис.3,з).

Десорбция газов с поверхности и из объема материалов, происходящая во время пайки описанным процессом, повышает давление внутри корпуса [25]. Влияние десорбции в значительной мере устраняется прогревом пластин в вакууме в течение нескольких часов при температуре выше 150 оС. Для поддержания нужной степени вакуума также применяется газопоглотитель в виде напыленной пленки титана толщиной 3000 А.

В работах [26, 27] предложена технология герметизации локальным оплавлением, в которой используется индукционный нагрев ферромагнитного сплава №Со. Ферромагнетик наносится гальваническим способом, для пайки применяется оловянно-свинцовый припой. Преимущества данной технологии: низкотемпературный процесс гальванического осаждения совместим с различными технологиями, в том числе с технологией КМОП-микросхем; процесс оплавления длится считанные секунды, обеспечивая локальный нагрев; процесс осуществляется интегральным способом по технологии пластина-на-пластине (WWP); применение припоя позволяет скомпенсировать непланар-ность пластин; при пайке образуется герметичный вакуумплотный шов.

Изготовление герметичной микросистемы начинается с формирования структуры по стандартной технологии поверхностной микрообработки, в качестве структурнооб-разующего слоя используется нитрид кремния (рис.6). Перед формированием ферромагнитного кольца наносятся адгезионный слой Сг и промежуточный слой Си. Подложка с микромеханическими элементами накрывается капсулирующей стеклянной или кремниевой пластиной, ферромагнетик нагревается в переменном электромагнитном поле, обеспечивая оплавление припоя и герметизацию. Как показали испытания, МЭМС-элементы при пайке не нагреваются выше 110 оС, так как процесс оплавления припоя длится менее минуты. Прочность паяных швов, полученных указанным способом, составляет от 10,6 до 18,3 МПа, причем разлом при испытаниях образцов происходит не по шву, а по кремнию, что говорит о высоком качестве соединения [27].

Стекло (кремний)

Проводники

Припой 8пРЬ

Сплав №Со

МЭМС Контактные площадки

б

Рис.6. Герметизация локальным оплавлением с использованием индукционного нагрева: а - схематическое изображение конструкции; б - фотография

микроструктуры [26]

а

Технологии поверхностной микрообработки. Технология поверхностной микрообработки, которая заключается в построении микростуктур путем осаждения тонких конструкционных и жертвенных слоев с последующим удалением жертвенных, применяется не только для создания трехмерных микромеханических структур, но и для их капсулирования [28]. Герметичный объем формируется напылением слоя капсулирую-

Отверстия Осажденный SiO2

Ц 300 нм ЗЮ2 | Нитрид 200 нм Ц Металлизация а

Зазор 5 мкм Затвор

^ Исток Сток

Капсулирующий слой 8Ю2

Рис. 7. Герметизация МЭМС по технологии поверхностной микрообработки с использованием аморфного кремния в качестве жертвенного слоя [28]

Рис.8. Изображение герметичной микромеханической структуры, полученное сканирующей электронной микроскопией [28]

Рис.9. Запайка отверстия шириной 15 мкм напылением индия (изображение получено сканирующей электронной микроскопией) [29]

щего материала на жертвенный слои и последующим удалением жертвенного слоя. Поверхностная технология позволяет уменьшить размеры микроэлементов, а также снизить стоимость готовых МЭМС за счет применения интегральных технологий.

В работе [28] представлены результаты разработки технологии вакуумной герметизации, в которой в качестве жертвенного слоя используется аморфный кремний, а в качестве структурообразующего слоя микрокапсулы -оксид кремния. Технология позволяет групповым способом получать герметичные структуры МЭМС с вакуумом внутри микрообъема. На рис.7 представлена схема разработанного технологического процесса, микромеханическая балка в данном случае играет роль затвора МДП-транзистора. На сформированный микромеханический элемент напыляется жертвенный слой аморфного кремния, после чего формируется слой оксида кремния толщиной 2 мкм. Жертвенный слой удаляется через специальные отверстия диаметром 1,5 мкм, они формируются травлением в плазме SF6 (рис.7,а,б). Замкнутый герметичный объем образуется напылением слоя оксида кремния в вакууме 10 мм рт. ст. (рис.7,в).

Процесс герметизации проводится при комнатной температуре, что обеспечивает его совместимость не только с технологиями микросистемной техники, но и с технологиями создания интегральных схем. На рис.8 представлено изображение готовой структуры, полученное сканирующей электронной микроскопией.

Особенность технологии, представленной в работе [29], - использование гальванически осажденного никеля в качестве конструкционного капсулирующего слоя. Достоинство технологии, как и в предыдущем случае, - низкая температура процесса за счет применения индия (температура плавления равна 156,6 °С) при запайке откачных отверстий. Проведенные исследования по выбору оптимальных конструкционных решений и режимов технологических процессов позволили разработать простой и надежный способ герметизации (рис.9).

в

Одна из проблем капсулирования методами поверхностной микрообработки - низкая прочность формируемых герметичных конструкций. Микрокрышки, сформированные напылением пленок, должны выдерживать высокое избыточное давление атмосферы. Поэтому идет поиск новых материалов и технологий герметизации, обеспечивающих надежность герметичных элементов. В работе [30] используется поликристаллический алмаз в качестве капсулирующего материала. Поликристаллический алмаз, получаемый химическим осаждением из газовой фазы, обладает уникальными механическими и электрическими свойствами, а также химически инертен. Легированный бором поликристаллический алмаз использовался для создания проводников, нелегированный - для формирования конструкционного капсулирующего слоя. Исследователи получили результаты, показавшие перспективность предложенных идей, однако отметили необходимость дальнейших исследований для коммерческого распространения технологии.

Использование матриц. Разработаны технологии герметизации с использованием поверхностной микрообработки, в которых крышка формируется на матричной структуре и затем переносится на пластину с МЭМС [19,31]. Эти технологии сочетают в себе методы формирования трехмерных структур, характерные для поверхностной микрообработки, и методы соединения материалов, используемые в технологиях объемной микрообработки.

Специалисты Калифорнийского университета в Беркли разработали технологию герметизации, в которой на донорной пластине напылением поли-Б1 или поли-БЮе формируется крышка с ребрами жесткости. Крышка затем переносится на пластину с МЭМС, для соединения используется компрессионная сварка золотом (рис.10).

Рассмотрим основные этапы этой технологии. Первый шаг - изготовление шаблона, проводится реактивное ионное травление донорной пластины на глубину 5 мкм (рис.10,а). Матрица для формирования ребер жесткости изготавливается травлением канавок в донорной пластине шириной 6 мкм и глубиной 50-100 мкм (рис.10,б). Конструкционный капсули-рующий слой поли-БЮе толщиной 3 мкм наносится на жертвенный слой из поли-Ое толщиной 2,5 мкм (рис.10,в), создание и последующее удаление жертвенного слоя необходимо для отделения крышки от матричной структуры при герметизации.

Следующая группа операций - нанесение золотого покрытия толщиной 6-8 мкм для термокомпрессионной сварки (рис.10,г). Перед герметизацией проводится удаление жертвенного слоя и разделение пластины на отдельные чипы (рис.10,д).

Донорная пластина

Жертвенный Капсулирующий слой слой

Золото для сварки

Рис.10. Изготовление «крышки» с ребрами жесткости для МЭМС устройств [19]: а, б - травление донорной пластины; в - напыление жертвенного и капсулирующего слоев на матричную пластину; г - формирование соединительного слоя; д - удаление жертвенного слоя для освобождения крышки

а

б

г

д

Разработанная технология была использована для герметизации микросистем фирмы Sandia. На рис.11 показан фрагмент МЭМС-структуры и крышки из поли-SiGe.

Особенностью технологии, представленной в работе [31], является использование никеля в качестве капсулирующего слоя. Никельсодержащая конструкция более прочная, чем, например, конструкция, изготовленная с применением поликремния. Матрицей для изготовления крышки служит стеклянная пластина, в качестве жертвенного слоя используется алюминий. Крышка, а также соединительный слой припоя SnPb формируются гальваническим осаждением. Совмещение крышки с МЭМС-структурой и пайка производятся в вакууме 10 мм рт. ст. при температуре 230 °С. Для совмещения и пайки используется оборудование flip-chip монтажа, что позволяет добиться высокой точности и автоматизации процесса.

Применение газопоглотителей. В процессе эксплуатации герметичных изделий происходит выделение газов с поверхностей и из объемов конструкционных материалов и МЭМС постепенно теряет свои функциональные свойства. Для поддержания в процессе эксплуатации необходимой степени вакуума во внутреннем герметичном объеме возможно использование газопоглотителей (геттеров), которые различаются по избирательности к поглощаемым газам, технологии их изготовления и способу применения (распыляемые и нераспыляемые геттеры) [32-34]. Поглощение газов геттерами основано на связывании атомов и молекул, поступающих к геттеру из газовой фазы, химически активной поверхностью с последующей их диффузией в объем геттери-рующего материала.

При использовании нераспыляемых геттеров возникает проблема образования микрочастиц, которые нарушают функционирование МЭМС [35]. Микрочастицы диаметром 2_3 мкм могут стать причиной электрического замыкания, затруднять движение и менять частоту колебаний чувствительного элемента. Для устранения этой проблемы возможно использование специальных материалов на основе клейких полимеров, способных улавливать микрочастицы. На рынке представлены также многофункциональные материалы, улавливающие одновременно и газы и частицы. Это, например, многофункциональный геттер STAYDRAY GA2000-2 [33, 34], подобные геттеры также могут быть использованы при обнаружении частиц по импульсному шуму (стандарт BS EN 60749-16:2003).

Технологии герметизации с использованием геттера, называемого Nano Getter, позволяют избежать появления микрочастиц [35]. Наногеттер имеет многослойную структуру, состоящую из тонких пленок толщиной 5_500 нм. По сравнению с нераспы-ляемыми геттерами, сформированными методами порошковой металлургии, применение многослойных наногеттеров практически исключает появление микрочастиц. Кроме того, многослойный наногеттер обладает малыми размерами и практически не увеличивает размер чипа.

Одна из тенденций развития технологий МЭМС - интеграция технологий формирования микроэлементов и газопоглощающих покрытий. Мировым лидером в разработке газопоглотителей - итальянской компанией SAES Getters - представлена техно-

Рис.11. Фрагмент МЭМС-структуры с герметизирующим покрытием из поли-SiGe [19]

логия, получившая коммерческое название PageWafer® [36]. Технология формирования геттеров различной конфигурации предназначена специально для интегральной герметизации и совместима с процессами, применяющимися при герметизации МЭМС: анодным соединением, эвтектическим соединением, пайкой стеклянной фриттой и др. Активация геттера возможна непосредственно во время процесса герметизации. Процессы формирования слоев позволяют получать пористую активную поверхность, при этом исключается проблема образования микрочастиц (рис.12).

а б

Рис. 12. Газопоглотители PageWafer® для МЭМС: а - геттерные слои различной конфигурации; б - наноструктурированная пленка геттера [37]

Многие микроэлектромеханические системы содержат подвижные чувствительные элементы, на работу которых оказывает влияние газовое демпфирование. Вакуумная герметизация способствует увеличению чувствительности и стабильности параметров таких приборов и снижению содержания влаги в корпусе.

Итак, развитие технологий вакуумной герметизации вместе с последовательным уменьшением размеров микроприборов идет в направлении от индивидуального корпу-сирования к интегральным технологиям. При этом применяются традиционные для технологий МЭМС методы соединения материалов, а также технологии объемной и поверхностной обработки. Актуальная тенденция в развитии технологий герметизации -применение способов локального оплавления.

Применение технологий поверхностной микрообработки способствует уменьшению размеров микроэлементов, а также снижению стоимости МЭМС за счет групповых процессов. В этом направлении идет активный поиск новых материалов и технологий.

Разработаны технологии герметизации, сочетающие в себе методы формирования трехмерных структур, характерные для поверхностной микрообработки, и методы соединения материалов, используемые в технологиях объемной микрообработки.

С уменьшением размеров микросистем, а также при переходе на групповые методы герметизации, становится актуальной задача разработки технологий формирования газо-поглощающих покрытий, учитывающих требования технологий микросистемной техники.

Для поддержания необходимой степени вакуума во внутреннем объеме МЭМС применяются геттеры. Все более актуальна задача разработки технологий формирования геттеров, учитывающих требования технологий микросистемной техники.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ для поддержки молодых российских ученых №02.120.11.6375-МК, МК-6375.2008.8).

Литература

1. MEMS Packaging / Ed. by Tai-Ran Hsu. - London: INSPEC. - 2004. - 270 p.

2. Long-term stability of vacuum-encapsulated MEMS devices using eutectic wafer bonding // VABOND, Deliverable report N. 1ST. - 2001. - P. 34224.

3. Gilleo K. MEMS/MOEMS Packaging // McGraw-Hill Companies, Inc., 2005. - 220 p.

4. Корпуса микросборок. Технические условия ПИЖМ.430114.001

5. Тимошенков С.П., Бойко А.Н., Симонов Б.М. Методика оценки параметров чувствительных элементов микроакселерометров и микрозеркал // Изв. вузов. Электроника. - 2007. - № 5. - C. 23-29.

6. Corman T. Low Pressure Encapsulation Techniques for Silicon Resonators // Royal Institute of Technology, Stockholm. - 1998.

7. Room Temperature Vacuum Sealing Using Surface Activated Bonding Method / T.Itoh, H.Okada, H.Takagi et al. // The 12-th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Boston, June 8-12, 2003). - P. 1828-1831.

8. Tilmans A., Van de Peer D., Beyne E. The Indent Reflow Sealing (IRS) Technique—A Method for the Fabrication of Sealed Cavities for MEMS Devices // J. of Microelectromechanical Systems. - 2000. - Vol. 9, N 2. -P. 22-26.

9. www.evgroup.com

10. Ramesham R. Getters for Reliable Hermetic Packages // JPL Publication D-17920, California Institute of Technology. - 1999. - P. 16, 57.

11. Corman T. Vacuum-Sealed and Gas-Filled Micromachined Devices // KTH Hogskoletryckeriet, Stockholm. - 1999.

12. Pertersen K.E. Method and apparatus for forming hermetically sealed electrical feed-through conductors, 1985, Pat. N WO 85/03381.

13. Cheung K. Die-Level Glass Frit Vacuum Packaging for a Micro-Fuel Processor System. - Massachusetts Institute of Technology, 2005. - P. 14.

14. Мазурин О.В., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообра-зующих расплавов: Справочник. Т. I. Стеклообразный кремнезем и двухкомпонентные силикатные системы. - Л.: 1973. - 444 с.

15. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

16. Welch W., Najaf K. Gold-Indium Transient Liquid Phase (TLP) Wafer Bonding, MEMS 2008 (Tucson, AZ, USA, January 13-17, 2008). - 2008. - P. 806-809.

17. Bigdeli S. Material and Reliability Requirements for MEMS Packaging, National Semiconductor. -Santa Clara, May 10, 2003.

18. Reinert W. MEMS Packaging, HISOLD, Vienna, July 3, 2008.

19. Vacuum Packaging for Microelectromechanical Systems (MEMS), Final Technical Report, DARPA, Order N J346, October 2002.

20. Бойко А.Н., Фортинский Ю.К. Разработка технологии герметизации микромеханических датчиков // Электроника и информатика - 2005: тез. докл. VII Междунар. науч.-техн. конф. - М.: МИЭТ, 2005. - С. 59.

21. Бойко А.Н., Калугин В.В., Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Исследование и разработка технологии герметизации микроэлектромеханических устройств // Нано- и микросистемная техника. - 2007. -№ 11. - С. 53-57.

22. http://www.sstinternational.com/prod_vacpres.html

23. Monajemi P., Joseph P., Kohl P., Ayazi F. A Low Cost Wafer-level MEMS Packaging Technology // IEEE Sensors Journal. - 2005. - Vol. 5, N 5. - P. 634-637.

24. Liwei Lin. MEMS Post-Packaging by Localized Heating and // IEEE Transactions on Advanced Packaging. - 2000. - Vol. 23, N 4. - P. 608-616.

25. Vacuum Packaging Technology Using Localized Aluminum/Silicon-to-Glass Bonding / Y.-T.Cheng, W.T.Hsu, KNajafi et al. // J. of Microelectrome Chanical Systems. - 2002. - Vol. 11, N 5. - P. 556-565.

26. Yang H. A., Wu M., Fang W. Integration of the fabrication processes and wafer level packaging of optical MEMS devices using localized induction heating // National Tsing Hua University, 2003 IEEE, LEOS International Conference. - 2003. - P. 22, 23.

27. Hsueh-An Yang, MingchingWu and Weileun Fang. Localized induction heating solder bonding for wafer level MEMS packaging // J. Micromech. Microeng. - 2005. - Vol. 15. - P. 394-399.

28. 0-level Vacuum Packaging RT Process for MEMS Resonators / N.Abel, D.Grogg, C.Hibert et al. // DTIP 2007, Stresa, lago Maggiore: Italy, 2007.

29. A Generic Surface Micromashining Module for MEMS Hermetic Packaging at Temperature Below 200 oC / R.Rico, J-P.Celis, K.Baert et al. // DTIP of MEMS& MOEMS, Stresa, Italy, 2006.

30. Zhu X., Aslam D. CVD diamond thin film technology for MEMS packaging // Elsevier, Diamond & Related Materials 15, 2006. - P. 254-258.

31. A New Integration of Device-scale Micropackaging With Bi-Directional Tunable Capacitors / C.-H.Chu, L.-S.Huang, J.-Y.Chen et al. // Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems 2003 (Kyoto, Japan, Jan. 19-23, 2003). -2003. - P. 654-657.

32. Тимошенков С.П., Бойко А.Н., Калугин В.В. Особенности герметизации микромеханических приборов / Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2005. - № 1. - C. 24-27.

33. Gilleo K. MEMS/MOEMS Packaging, McGraw-Hill Companies, Inc., 2005. - 220 p.

34. www.cooksonsemi.com

35. Sparks D., Massoud-Ansari S., Najafi N. Reliable Vacuum Packaging Using NanoGettersTM and Glass Frit Bonding, Integrated Sensing Systems Inc., USA, Jan 2004. - P. 71-75.

36. Kondoleon C.A., Marinis T.F. Phenomenological Model of Nonevaporated Getter for Microelectromechanical Systems (MEMS) Applications // Materials Research Society (MRS) Symposium. Held in Boston, MA, 11/26/2001 to 11/30/2001. Sponsored by: MRS Proceedings Vol. 657 (Draper Report no. P-3862)

37. www.saesgetters.com

Статья поступила после доработки 1 декабря 2009 г.

Тимошенков Сергей Петрович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой микроэлектроники (МЭ) МИЭТ. Область научных интересов: микросистемная техника, структуры кремний-на-изоляторе.

Бойко Антон Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: технологии сборки и герметизации МЭМС. E-mail: ant_nico@mail.ru

Симонов Борис Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: технология высокоплотного монтажа и сборки электронных устройств.

Заводян Алиса Викторовна - кандидат технических наук, доцент кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: технология высокоплотного монтажа и сборки электронных устройств.

Важная информация

Журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» включен в Российский индекс научного цитирования