应用于RF MEMS的可集成压力监控技术
2006-6-8
作者：John Baliga, Semiconductor International
许多MEMS器件，像加速度计、机械共振器件等，都需要在真空环境下才能实现设计功能。然而检验封装腔体是否达到了所要求的真空程度一直一来都是个棘手的问题。密歇根大学Khalil Najafi教授研究小组的研究人员最近开发出一种用微机械制造方法实现，可以在封装的封帽上完成皮拉尼真空测量的方案。使用这种方法可以完成封装的氦气检漏测试，该成果已发表在IEEE Transactions on Advanced Packaging杂志。
RF MEMS器件的性能主要取决于机械振动腔结构的性能。如果腔室中存在空气或其他气体则会影响该器件可动部分的运动，使得该部分的运动变得难以预测。
另一种可能出现的情况是吸附的空气或湿气会与封装结构作用，进而改变结构的机械性能。在加速度器中校验过的质量块受到影响产生的偏差可能不大，但对由质量块的重力作用产生弯曲的悬臂结构来说，其变形程度所受的影响就很大了。因此在机械共振结构中，由质量分布产生一些变化将极大地影响该器件的RF性能。
一种测量RF MEMS封装中漏气情况的方法是Q因子提取。使用这种方法首先根据器件的电学性能计算出共振结构的性能。当使用这种方法进行检漏测试发现漏气时，被测器件可能已经完全损坏了。
氦气检漏测试是一项标准的测试方法，但对每个封装好的器件都进行一次检漏的话，检验的工作量很大很且成本太高。所以当前可行而且成本较低的方法是等待一段时间之后，有些MEMS器件性能已经开始退化，然后对其进行替换。在某些不能采用该种方法的场合，就需要一种低成本可进行原位检测的压力监控装置了。
皮拉尼检测装置在毫托量级范围内非常有效。皮拉尼检测装置为一个带有引线（或电阻丝）和散热片的腔体。先在引线上通上电流，之后测量其电阻。如果腔室内气压很低，则引线上产生的热量只有很少的一部分能通过气体的对流到达散热片，这样会得到与引线上较高温度相关联的电阻值。如果腔室内的气压较高，由于气体的对流传热，引线上的温度相对较低，得到的是温度较低时的电阻值。
理想情况下，皮拉尼检测可以在分子级别上操作。只要引线与散热片的距离小于一个气体分子的平均自由程即可。这就给皮拉尼检测的使用范围设置了上限。下限是由对流传热的比例决定的：气体分子对流带走的热量必须高于辐射带走的热量或高于支撑机构传导带走的热量。
该研究小组开发出了带有双散热片的两种监控方法。较早的是垂直设计，其电阻器与散热片的距离是0.4祄，测量的动态范围从20毫托到2托。稍后的水平设计气隙距离是1祄，测量的动态范围从50毫托到5托。这两种设计结构都是采用重掺杂p型（p++）硅加工完成，并且都与MEMS的封装兼容，性能也很好。
水平设计需要两块掩模板，而垂直工艺需要六块。
制作水平结构的测试装置首先在硅晶圆上覆盖掺杂硼（形成p++层），在掺杂区域完成电阻器和散热片的制作。其后采用深反应离子刻蚀获得宽度为1祄的沟槽用以隔离p++区域（见图）。在玻璃晶圆上腐蚀形成腔室，使用阳极键和将两个晶圆面对面键和在一起。通过选择性腐蚀溶掉未掺杂的硅晶圆，腐蚀剂通常采用二胺磷苯二酚（EDP）。
尽管这种溶解晶圆的工艺需要使用很多的硅材料，但整个工艺的成本却并不高。如果晶圆上没有电路结构，硅本身的价格相当便宜，并且其他可替换的漏率检测方法成本要高很多。
上述工艺还未将皮拉尼检测装置集成到封装中。由于其主要部件采用在MEMS中广泛使用的结构材料p++硅，因此向封装的集成难度不大。如果MEMS封装设计中包含有皮拉尼检测装置的，只需要在原来MEMS的设计版图上进行少量修改即可实现。
在去年召开的IEEE MEMS年会上，该小组发表了他们在皮拉尼检测装置上的研究成果，这些工作主要是在传感器电阻中使用多晶硅制作不同的悬臂和梯形结构。据报道一些结构可以用于气压低于10毫托的情况。
该小组还发表了密封此类器件的方法，该方法采用金——硅共晶工艺并集成了NanoGetter公司的吸气剂进行密封（NanoGetters公司是Integrated Sensing Systems的一个子公司）。现阶段这种集成传感器的方法似乎超过了RF MEMS器件的要求。然而随着其使用的增加，将需要这种方法可以在一个器件性能退化之前就发现并且完成替换。