Микроэлектромеханическое устройство

Полезная модель может быть применена при производстве устройств, для функционирования которых требуется создание и поддержание вакуума или контролируемой газовой среды внутри рабочего объема, и использована в полупроводниковых приборах и микроэлектромеханических системах с подвижными элементами.
Газопоглощающая структура обладает высокоразвитой поверхностью, что обеспечивает ей, во-первых, высокую сорбционную способность и, во-вторых, эффективность применения в миниатюрных устройствах с ограниченным рабочим объемом, например, микроэлектромеханических системах.
Известна газопоглощающая структура, в которой пористость структуры обеспечивается применением в качестве основы пористого материала, на его поверхность наносится слой газопоглощающего металла или сплава металлов, например, Ti, Zr, V, Fe, Cr /1/. Применение пористой основы обеспечивает развитую поверхность газопоглотителя, в качестве пористой основы предлагается использовать цеолиты, древесный уголь, прессованные порошки металлов или оксидов металлов. Применение двух материалов для создания газопоглощающей структуры обеспечивает, кроме высокой пористости, также взаимодействие газопоглощающей структуры с разными типами газов.
Недостатками газопоглощающей структуры являются: сложность ее применения в миниатюрных устройствах, например, микроэлектромеханических системах; затруднительно нанесение газопоглощающих металлов на поверхность пор газопоглощающей основы; цеолиты или древесный уголь, как газопоглотители, обеспечивают, в основном, обратимое поглощение газов, что не гарантирует поддержание вакуума и стабильности работы приборов.
Известно устройство, загерметизированные с помощью газопоглощающей пленки на основе Ti и Zr, изготавливаемая прессованием порошков газопоглощающих металлов с органическими компонентами или без них, органические компоненты удаляются при последующей термической обработке, электрофорезе или трафаретной печати. Устройство монтируется на корпус с помощью припоя /2/.
Также известно устройство газопоглощающая структура основана на Ti Sr. Сам датчик МЭМС присоединяется к основанию корпуса посредством адгезивного слоя из серебра или золота /3/.
Недостатками газопоглощающей структуры являются: высокие температуры технологического процесса спекания порошков; сложность монтажа в миниатюрные изделия, например, микроэлектромеханические системы; эффективная поверхность структуры ограничена из-за относительно больших размеров частиц - 20-100 мкм, а использование порошков с меньшим диаметром частиц проблематично.
Задача полезной модели - создание устройства с высоким значением вакуума внутри корпуса.
Микромеханическое устройство представлено на фиг. 1, где: 1 - основание устройства; 2 - крышка корпуса, 3 - газопоглощающая структура, 4 - МЭМС датчик, 5 - стеклянный припой.
Результаты исследований газопоглощающей структуры методом сканирующей электронной микроскопии представлены на фиг. 2 (вид сбоку), фиг. 3 (вид сверху).
Полезная модель позволяет проводить герметизацию микромеханических датчиков с более высоким значением вакуума по сравнению с прототипом. Высокое значение вакуума достигается за счет использования технологических режимов при реализации процесса магнетронного распыления, позволяющих добиваться создания гранулированной структуры с высоким значением эффективной поверхности и сорбционной емкости, а также за счет использования стеклянного припоя ввиду его минимальной десорбции.
Полезная модель имеет также ряд других преимуществ по сравнению с прототипом. Во-первых, при изготовлении газопоглощающих структур спеканием используются порошки с диаметром частиц 20-100 мкм, в результате чего прессованная газопоглощающая структура обладает меньшей пористостью, чем предлагаемая нами газопоглощающая структура. Наноструктурирование обеспечивает получение гранулированной структуры с размером гранул 10-50 нм, что, в свою очередь, обеспечивает высокое значение эффективной поверхности. Во-вторых, при изготовлении газопоглощающих структур спеканием используются высокие температуры, от 800 до 1200°С. Максимальная же температура, используемая при изготовлении предлагаемой нами нанокомпозитной газопоглощающей структуры, составляет 300°С. В-третьих, затруднительно использование газопоглощающих структур, изготавливаемых методами порошковой металлургии, в миниатюрных изделиях, например, микроэлектромеханических системах: проблематичен монтаж таких структур внутрь миниатюрного объема из-за относительно больших размеров; сложность обработки подобных структур технологиями микросистемной техники; осыпание микрочастиц прессованных газопоглощающих структур приводит к нарушениям функционирования микроэлектромеханических систем. Для решения проблемы осыпания частиц в прототипе используется напыление металлической пленки, которая предотвращает осыпание. Однако подобное техническое решение не снимает полностью проблему осыпания, так как защитный слой может нарушаться при механообработке структуры, например, перед ее монтажом в корпус. Предлагаемая нами полезная модель полностью свободна от описанных недостатков: технология получения газопоглощающей структуры исключает образование и осыпание микрочастиц; газопоглощающая структура может быть легко встраиваема внутрь миниатюрных объемов, так как могут применяться отработанные в микросистемной технике технологии сборки; получение требуемых конфигураций газопоглощающей структуры может осуществляться стандартными технологиями микрообработки.
1-x
x
Формирование предложенной газопоглощающей структуры производится магнетронным распылением, позволяющим наносить многокомпонентные, а также гранулированные пленки, обеспечивая возможность получения пленок с развитой поверхностью. Газопоглощающие пленки состава TiV получаются распылением составной мишени планарного типа на основе титана и ванадия. Требуемый состав газопоглощающих пленок в процессе напыления достигается заданным отношением площадей зон распыления титана и ванадия на составной мишени, что предварительно определяется с помощью моделирования процесса распыления.
Развитая поверхность газопоглощающей структуры обеспечивает повышенную диффузию газов вглубь материала, состав пленок обеспечивает их химическую активность, в результате газопоглощающая структура обладает высокой сорбционной емкостью.
-3
2
Для практической реализации полезной модели используются следующие технологические процессы. Распыление мишени проводится при давлении аргона 10 мм рт.ст. Плотность ионного тока варьируется в интервале 10-30 мА/см, при напряжении магнетрона 350-500 В. Контроль температуры магнетрона осуществляется хромель-алюмелевыми термопарами. Пленки осаждаются на внутреннюю поверхность крышки корпуса. Предварительный разогрев подложек перед процессом распыления проводится с применением галогенных ламп до температуры 150°С. В процессе осаждения геттерных пленок подложки нагреваются до температуры не выше 200°С. Пайка стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособлении-кассете, сушке и последующему оплавлению в печи в контролируемой атмосфере.
Использование относительно тугоплавких стекол практически исключает возможность припайки кристаллов стеклом на подложках гибридных пленочных микросхем и микросборок. Пайку стеклом в основном применяют для крепления керамических, поликоровых и ситалловых подложек. Наилучшая адгезия стекла и, следовательно, прочность соединения обеспечиваются с материалами, представляющими собой смеси окислов (ситалл, поликор, керамика 22ХС), или с металлами, имеющими на поверхности прочный слой окисла.
Технология пайки стеклом сводится к нанесению суспензии (пасты) стеклянного порошка в деионизованной воде на очищенную поверхность, сжатию соединенных деталей в приспособлении-кассете, сушке и последующему оплавлению в печи в контролируемой атмосфере.
Таким образом, реализация полезной модели обеспечивает более высокое значение вакуума по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Патент США №2007205720;
2. Патент Кореи №20070024590;
3. Патент Кореи №101529543 - Прототип.