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随着MEMS技术的不断发展,MEMS惯性器件、RF器件等在通讯、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。这些器件大都是需要在一个密封的低气压环境中工作,真空密封封装的质量直接决定了这类器件的性能,因而其变得尤为重要。实现低成本、高性能、可批量生产的圆片级微系统真空封装技术成为现阶段真空封装领域的一大挑战。本文在充分调研和分析了国内外圆片级微系统真空封装方法以及真空度测试技术研究状况的基础上,对一种基于键合的背面引线通孔的真空封装方法开展了初步研究,同时研究并开发了一种新型微系统真空度测试器件微型MEMS皮拉尼计。分别从理论分析,结构设计,工艺设计等方面论证了该真空封装和真空度测试方案的可行性。
针对传统基于键合的真空封装技术中存在的平面金属引线处键合不紧带来的漏气问题,采用了衬底玻璃背面引线通孔的封装结构,并使用了硅-玻璃-硅三层键合技术对封装进行密封。在硅-玻璃-硅三层键合时,设计使用了阳极键合和金硅共熔键合两种方法。在制作贯穿衬底玻璃的背面引线通孔时,为了减小HF腐蚀带来的横向钻蚀效应,采取了衬底玻璃背面整片减薄的办法,然后在其上制作引线通孔。同时,对引线通孔引起的寄生效应进行了模拟仿真,并提出了优化建议。在制作玻璃封盖时,我们选择了金属Zr作为吸气剂,并采用了shadowmask的方法在玻璃盖内放置吸气剂。本文设计了该真空封装结构版图共9张及其工艺流程。完成了加工工艺的设计以及三层键合、玻璃减薄、玻璃通孔以及吸气剂制备等关键工艺的实验,为整体封装技术的完成打下了基础。目前,本文的真空封装工艺仍在进行中。
同时本文调研了目前针对MEMS真空封装中主要的漏率和真空度的测试方法,针对其存在的问题,开展了一种新型的真空度测试器件--微型MEMS皮拉尼计研究,并首次提出了利用体加工工艺单晶硅材料制备微型MEMS皮拉尼计。本文利用浓硼扩散熔硅工艺和常规体硅工艺分别加工了相应的浓硼和单晶硅MEMS皮拉尼计。结果显示两种工艺加工的皮拉尼计都具有很好的性能:浓硼硅皮拉尼计的测试动态范围为10Pa-300Pa,灵敏度达到68K/W/Pa;单晶硅皮拉尼计测试动态范围为lPa-300Pa,灵敏度38K/W/Pa。其测试精度和传统的测试方法相比较高,并且在工艺复杂度、工艺兼容性、测试成本上有很明显的优势。