Баринов И.Н., старший научный сотрудник, к.т.н.,

ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза

Большинство герметичных устройств содержат химически активный геттер. К таким устройствам относятся осветительные лампы, электронно-лучевые трубки, лампы СВЧ, плазменные панели, рентгеновские трубки, в которых давление остается по существу постоянным [1]. Геттеры – это материалы или смеси материалов, которые способны химически поглощать активные газы (как активные, так и инертные), например водный пар, CO, CO₂, N₂, O₂, H₂ и др. Обычно в качестве геттеров используют металлы, например Ta, Zr, V, Al, Ti, Mg, Ba, P, или их смеси. Почти все металлы способны адсорбировать газы на своей поверхности после полной дегазации. Геттеры можно разделить на три группы в зависимости от формы, в которой активен материал геттера: распыляемый геттер, геттер-покрытие и объемный (нераспыляемый геттер) [1]. Разработано множество газопоглощающих веществ, долгие годы они применяются вакуумной электронике. Например, фирма «SAES Getter» поставляет сотни геттеров из листа, проволоки или ленты в соответствии с требованиями различных областей применения [2].

В настоящее время, с целью снижения себестоимости продукции, имеются тенденции корпусирования МЭМС-устройств методами соединения пластин. Однако даже в этом случае не исчезают проблемы, связанные с поддержанием заданной степени вакуума. Геттер по-прежнему является актуальным для откачивания загрязняющих веществ, например, влаги, водорода или других активных газов. В то же время объем для геттера, имеющийся в МЭМС-устройствах, созданных методами соединения пластин, неизбежно уменьшается.

Пленочные нераспыляемые геттеры компактнее объемных по размерам. Их можно разделить на две категории: 1 тонко- или нанопленочные (толщиной менее 1 мкм); 2 толсто- или микропленочные (толщиной от 50 мкм до 200 мкм или более). В данной статье обсуждаются вопросы проектирования и методы изготовления геттеров.

Для применения в корпусировании МЭМС необходимо принимать во внимание несколько основных требований к геттеру. В общем случае это:

– хорошая сорбционная способность по отношению к остаточному газу;

– механическая устойчивость – стойкость к вибрациям или ударам во время изготовления, активации, испытания и использования;

– низкая температура активации – возможность активировать геттер в процессе анодной сварки, при которой температура достигает значения около 400°C;

– низкая сорбционная способность до начала активации, при температурах от комнатной до 150°C;

– хорошая адгезия к подложкам, например, из кремния и пирекса, обычно используемым в МЭМС;

– технология, совместимая с технологией интегральных схем.

Кроме того, требуется рассчитать площадь и количество геттера. Кремниевые, стеклянные и другие структуры МЭМС более или менее проницаемы для газов. МЭМС устройства обладают множеством преимуществ, особенно благодаря миниатюрным размерам. Например, в пьезоэлектрическом МЭМС датчике давления в качестве чувствительного элемента используется обычно мембрана толщиной менее 10 мкм. При использовании тонкой мембраны снижение вакуума, вызванное проникновением газов, было бы более серьезным, чем у традиционных вакуумных электронных приборов. Проникновение газов через единицу площади за единицу времени в МЭМС гораздо выше, чем в традиционной конструкции. Например, когда толщина стенки или мембраны уменьшается с 1 мм до 1 мкм, проникновение газов увеличивается на один-два порядка.

В качестве примера формирования толстопленочного геттера методом трафаретной печати и спекания можно предложить газопоглощающий сплав Zr, V и Fe. Достоинствами сочетания Zr, V и Fe являются высокая способность газопоглощения и низкая температура активации (около 350…500°C), соответствующая обычной технологической температуре анодной сварки.

В качестве примера формирования нанопленочного геттера можно предложить напыление на стандартные полупроводниковые подложки Zr и Pt, фотолитографию по формированию необходимого рисунка и соединение с пластинами, содержащие МЭМС структуры.

Микропленочные геттеры на основе Zr-V-Fe толщиной от 50 мкм до 200 мкм способны обеспечить газопоглощающую способность около 4,68 × 10⁶ Па∙л/м². С использованием напыления пленки Zr или Pt на подложки и стандартного полупроводникового процесса по изготовлению структурированного нанопленочного геттера толщиной от нескольких нанометров до субмикронов возможно обеспечить газопоглощающую способность около 4,27× 10⁴ Па∙л/м².

Литература

1. A. Roth, Vacuum technology, Elsevier North-Holland, 1982.

2. K. Najafi, Micropackaging Technologies for Integrated Microsystems: Applications to MEMS and MOEMS, Proc. of SPIE Vol. 4980 (2003), pp.XI-XXIX.

3. M. Bartek, J. A. Foerster, and R. F. Wolffenbuttel, “Vacuum sealing on microcavities using metal evaporation”, Sensors and Actuators, A61, pp 364-368.

4. M. Chiao and L. Lin, “Accelerated Hermeticity Testing of a Glass-silicon Package Formed by RTP Aluminum-to-Silicon Nitride Bonding”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 10 – 14, 2001.

5. Brian H. Stark and Khalil Najafi, An Ultra-Thin Hermetic Package Utilizing Electroplated Gold, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 10 – 14, 2001.

6. Chang Liu and Yu-Chong Tai, Sealing of Micromachined Cavities using Chemical Vapor Deposition Methods: Characterization and Optimization, IEEE/ASME J. of Microelectromechanical Systems (J. MEMS), Vol. 8, No. 2, June 1999, pp.135-145.

7. M. Esashi, S. Sugiyama, K. Ikeda, Y. Wang and H. Miyashita, Vacuum-sealed Silicon Micromachined Pressure Sensors, Proc. of IEEE, Vol. 86, No. 8, Agu. 1998, pp. 1627-1639.

8. H. Henmi, S. Shoji, Y. Shoji, K. Yosimi, and M. Esashi, Vacuum package for microsensors by glass- silicon anodic bonding, Sensors and Actuators A, 43(1994) pp. 243-248.