專利名稱：用于低壓微型器件微型殼體的微離子泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低壓微型器件微型殼體，特別涉及利用在低壓微型器件微型殼體中包含的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的微離子泵。
背景技術(shù)：
在過去四十年當(dāng)中，為了大批量生產(chǎn)用做處理器的復(fù)雜集成電路和計(jì)算機(jī)內(nèi)的存儲器部件，在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中已經(jīng)研制了極其準(zhǔn)確、復(fù)雜和精致的方法。計(jì)算機(jī)控制正在應(yīng)用于各種不同類型的技術(shù)領(lǐng)域，通過半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的微型芯片和其它器件已經(jīng)成為在包括機(jī)動車、通信系統(tǒng)、機(jī)床和其它設(shè)備的各種機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)中的普通部件。近年來，半導(dǎo)體制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于被稱為微型電氣機(jī)械系統(tǒng)(“MEMS”)的顯露(emerging)技術(shù)領(lǐng)域中的微小機(jī)電設(shè)備的制造中。
某種MEMS器件需要極低壓、部分真空的環(huán)境工作。

圖1示出了一種低壓MEMS器件。為了保持內(nèi)部低壓環(huán)境在低于10-4乇的內(nèi)部壓力，微制造MEMS器件101被包封在氣密微型殼體103中。微制造MEMS器件101經(jīng)過內(nèi)部信號線105和連接器或適配器107耦連到外部電路。微制造的MEMS101可以是含有幾百或幾千個(gè)微型機(jī)械或機(jī)電部件的微型芯片。氣密微型殼體103可具有幾英寸到幾分之一英寸數(shù)量級的線性尺寸。
雖然低壓微型殼體可通過低于10-5乇的內(nèi)部壓力制造，但是隨著時(shí)間的流逝可能由于泄漏、在微制造的MEMS器件工作期間在微型殼體中微型殼體或微型器件的材料的升華、或金屬層的汽化而使微型殼體內(nèi)部的壓力增加。一旦內(nèi)部壓力上升到某個(gè)閾值以上，包封的MEMS器件的性能可能退化到可接受性能范圍以下或完全失效。一旦包封的MEMS器件的性能退化，或包封的MEMS器件失效，含有包封的MEMS器件作為子部件的設(shè)備也將突然生效。
已經(jīng)研制了大量不同的MEMS壓力相關(guān)器件，包括MEMS壓力傳感器。圖2A-B示出了典型MEMS壓力傳感器件的兩部分。該壓力傳感器件使圖2A中所示的傳感器單元和圖2B中所示的參考單元之間的電容差與含有MEMS壓力傳感器的環(huán)境壓力有關(guān)。該MEMS壓力傳感器件是利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)由摻雜硅襯底、二氧化硅層、和從二氧化硅和摻雜硅層之間刻蝕出的空腔制造的。傳感器單元202和參考單元204在結(jié)構(gòu)上十分相似。傳感器單元202包括ap-型硅襯底206，在硅襯底206中利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)形成n阱208。空腔210位于n阱208的表面上方?？涨坏谋谑怯蓤鲅趸飳?12形成的。包括多晶硅層的塑料薄膜214疊加在空腔上。附加的二氧化硅層216位于塑料薄膜214上方。該附加的二氧化硅層216被刻蝕以形成停靠在空腔210上的塑料薄膜214上的矩形突起218。環(huán)境壓力將突起和突起所停靠的薄膜向空腔210內(nèi)部推動，直到空腔210內(nèi)的壓力等于環(huán)境壓力為止。塑料薄膜214和n阱208一起形成電容器的平行板，用于施加于平行板的給定電壓差而儲存在電容器內(nèi)的電荷量與板間的距離成反比。參考單元204近似于傳感器單元，除了參考單元的頂部二氧化硅層220沒有被刻蝕形成突起，和附加的柱狀物222-224留在參考單元226的場氧化物層中，以便參考單元的薄膜228保持與參考單元的n阱230有恒定距離之外。通過測量儲存在參考單元電容器中的電荷與儲存在傳感器單元電容器中的電荷的差，可以用電子學(xué)方法測量傳感器單元內(nèi)的突起218相對于參考單元的薄膜228和n阱230的向內(nèi)位移。則測量的位移直接涉及包圍傳感器單元的環(huán)境壓力。
目前存在用于在例如低壓微型殼體310的低壓微型殼體內(nèi)形成初始低壓環(huán)境的制造技術(shù)。但是，目前不可能確保隨著時(shí)間的流逝，在微制造的場發(fā)射體尖端陣列工作期間不會由于泄漏、微型殼體和芯片材料的升華以及芯片和靶材料的汽化造成低壓微型殼體的顯著減壓。目前，沒有在不從包含該微型殼體的設(shè)備中取出該微型殼體而在低壓微型殼體內(nèi)重新建立低壓環(huán)境的可接受的方法。目前可得到的低壓泵太大以至于不能包含在低壓微型殼體中，并且在采用低壓MEMS器件的宏機(jī)電設(shè)備中在外部包含這種泵價(jià)格昂貴，并且給宏機(jī)電設(shè)備增加了不可接受水平的復(fù)雜性。而且，目前可得到的微壓力傳感器如參照圖2所述的微壓力傳感器對于某種低壓MEMS器件所需要的低于10-4的壓力不夠靈敏。因此，不僅目前不可能在低壓微型殼體內(nèi)經(jīng)濟(jì)地重新建立低壓環(huán)境，而且目前不可能準(zhǔn)確地監(jiān)控低壓微型殼體內(nèi)的壓力。因此，微制造的MEMS器件以及被包封在低壓微型殼體內(nèi)的其它微型電子器件的設(shè)計(jì)者和制造者已經(jīng)認(rèn)識到需要一種隨著制造而經(jīng)濟(jì)地保持和監(jiān)視低壓微型殼體內(nèi)的低壓環(huán)境的方法和系統(tǒng)。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是由公知微芯片制造技術(shù)制造的一種微離子泵，它可以包含在低壓微型殼體中。該微離子泵包括兩個(gè)微制造的電荷板，第一電荷板粘附于或制造在低壓微型殼體的內(nèi)部，第二電荷板粘附于或制造在被包封在低壓微型殼體內(nèi)的微制造微電子器件的表面上，以便隨著被包封在低壓微型殼體內(nèi)的微電子器件的制造而在兩個(gè)電荷板之間保持恒定的分離。通過給電荷板施加高電壓電位差，在電荷板之間產(chǎn)生電場。氣體分子在電場中被電離，并被吸收到電荷板上，從低壓微型殼體上去除氣體分子，因此保持低壓環(huán)境。
附圖的簡要說明圖1示出了一種低壓MEMS器件。
圖2A-B示出了典型MEMS壓力傳感器件的兩部分。
圖3示出了含有微型芯片和微離子泵的低壓微型器件微型殼體。
發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是提供一種能包含在低壓微型器件微型殼體內(nèi)的微離子泵，以便保持包圍安裝在低壓微型殼體內(nèi)的微制造MEMS器件或其它微電子器件的低于10-4的低壓環(huán)境。該微離子泵是通過給互相分開恒定距離的兩個(gè)電荷板施加大電壓電位差工作的。電荷板之間的電場強(qiáng)度與差分電壓成正比，與兩板之間的距離成反比。這樣，通過定位電荷板和施加的電壓，可以確定電場強(qiáng)度，并且可從可能的電場強(qiáng)度的寬范圍內(nèi)選擇，以便產(chǎn)生氣體分子的充分電離和吸收，將低壓微型殼體內(nèi)的壓力保持在所希望的最大壓力或以下。
圖3示出了含有微型芯片和微離子泵的低壓微型器件微型殼體。微型芯片是帶有交替的金屬和介質(zhì)層304的微制造場發(fā)射體尖端陣列302。此外，微離子泵已經(jīng)添加到低壓微型殼體306中。微離子泵包括第一電荷板308和第二電荷板310。第一電荷板308層疊在如SiO2層312的介質(zhì)層的頂部，即，介質(zhì)層粘附于或淀積在低壓微型殼體306的內(nèi)表面上。第二電荷板310層疊在SiO2介質(zhì)層314的頂部，而介質(zhì)層314淀積在微制造場發(fā)射體尖端302的水平表面上。添加電子接觸件316和318，以便將電荷板308和310耦連到外部插座或耦連器320上。在一個(gè)實(shí)施例中，通過明顯電連接從產(chǎn)生在微制造場發(fā)射體尖端陣列302中的電壓電位的裝置輸送電荷板308和310的電壓電位。在另一實(shí)施例中，可給第二電荷板310和用于場發(fā)射體尖端的基底陰極輸送公用電壓。
該微離子泵利用在電荷板308和312之間產(chǎn)生的電場中的電離氣體分子工作。然后由氣體分子產(chǎn)生的正離子被吸收到更負(fù)地帶電的電荷板的表面上。這樣，電荷板的表面面積部分地確定微離子泵可以工作以維持低壓微型殼體內(nèi)的低壓環(huán)境的時(shí)間長度。為了增加電荷板的表面面積，該電荷板可以被制造成具有改變厚度的圖形，在一個(gè)實(shí)施例中為類似于衍射光柵的規(guī)則地間隔的凹槽和頂峰，以便增加電荷板的表面面積。
在一個(gè)實(shí)施例中，電荷板是通過在微型芯片制造工業(yè)中公知的化學(xué)或物理汽相淀積技術(shù)淀積的鈦層。本例中的下絕緣層是通過原硅酸四乙酯基(tetraethyl orthosilicate-based)淀積方法或作為下硅襯底上的表面層熱生長的二氧化硅層。
微離子泵還可以用做壓力傳感器。被吸收到更負(fù)地帶電的電荷板表面上的電離氣體分子產(chǎn)生到與微離子泵耦連的電路中的小的但可以檢測的離子感應(yīng)電流。離子感應(yīng)電流的大小直接涉及帶正電氣體分子離子的吸收率，因此涉及含有微離子泵的低壓微型殼體內(nèi)的內(nèi)部壓力。這樣，微離子泵可同時(shí)用于從低壓微型殼體內(nèi)部除去氣體分子和監(jiān)測低壓微型殼體內(nèi)的內(nèi)部壓力。為了提高壓力檢測靈敏度，可包含固定磁鐵以使電子在螺旋形路徑中運(yùn)行，增加它們與氣體分子撞擊的橫截面積，并因此提高氣體分子電離率。
雖然上面已經(jīng)借助具體實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這個(gè)實(shí)施例。在本發(fā)明精神范圍內(nèi)的修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，在微離子泵的電荷板層中可采用不同金屬和金屬合金。不同介質(zhì)材料可用于下介質(zhì)層。各種形狀和尺寸的低壓微型殼體可備有相應(yīng)形狀和尺寸的微離子泵。電荷板可通過半導(dǎo)體制造和為電子技術(shù)中公知的各種不同方法電耦連到外部電壓源。在所公開的實(shí)施例中，微制造的場發(fā)射體尖端陣列被密封在低壓微型殼體中，但是可以隨著微離子泵一起同樣封裝很多種其它類型的微電子器件。通過所述的微離子泵內(nèi)的電流檢測電路檢測到低壓微型殼體內(nèi)的內(nèi)部壓力上升可以觸發(fā)音頻或曲線顯示器件上的上升壓力的報(bào)告或顯示，或者可以自動調(diào)用包括低壓微型殼體作為子部件的設(shè)備內(nèi)的警告和自校正機(jī)構(gòu)。
前面為了解釋目的并采用特殊術(shù)語的說明是為了更全面地理解本發(fā)明。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很顯然，為了實(shí)施本發(fā)明不需要特殊的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的特殊實(shí)施例的前述說明是用于表示和說明目的的。顯然，鑒于上述教導(dǎo)可以做出很多修改和改變。所示和說明的實(shí)施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，由此可以使本領(lǐng)域技術(shù)人員最好的利用本發(fā)明和各種實(shí)施例，而各種實(shí)施例可用于特殊用途。本發(fā)明的范圍由下面權(quán)利要求書及其等效形式所限定。
權(quán)利要求
1.一種包含在低壓微型殼體內(nèi)的微離子泵(308、310、316、318)，該微離子泵包括第一電荷板(308)；與第一電荷板隔開一段距離的第二電荷板(310)；和耦連到第一電荷板和第二電荷板的電路(316、318)，在第一電荷板和第二電荷板之間建立電壓電位差，該電壓電位差感應(yīng)電場，低壓微電子器件內(nèi)的氣體分子與在電場中加速的電子碰撞，產(chǎn)生在與電子相反的方向加速的離子，以便離子被吸收到第一和第二電荷板的更負(fù)的一個(gè)上。
2.權(quán)利要求1的微離子泵(308、310、316、318)，其中第一電荷板(308)是用包括金屬層淀積技術(shù)的公知微型芯片制造技術(shù)在低壓微型殼體(306)的內(nèi)表面上制造的，第二電荷板(310)是利用公知微型芯片制造技術(shù)在安裝在低壓微型殼體(306)內(nèi)的微電子器件(302)的表面上制造的。
3.權(quán)利要求3的微離子泵(308、310、316、318)，其中第一電荷板(308)和第二電荷板(310)包括淀積在絕緣襯底上的金屬層。
4.權(quán)利要求1的微離子泵(308、310、316、318)，其中金屬層包括鈦和鈦合金中的一種。
5.權(quán)利要求1的微離子泵(308、310、316、318)，其中第一電荷板和第二電荷板中更負(fù)地帶電的電荷板被制造成具有增加電荷板的表面面積的表面結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求1的微離子泵(308、310、316、318)，其中微離子泵將低壓微型殼體內(nèi)的內(nèi)部壓力維持在10-4乇以下。
7.權(quán)利要求1的微離子泵(308、310、316、318)，其中電路(316、318)包括檢測由電離氣體分子產(chǎn)生的離子感應(yīng)電流的電流檢測電路。
8.權(quán)利要求7的微離子泵(308、310、316、318)，其中被檢測的離子感應(yīng)電流與利用壓力傳感電路檢測的低壓微型殼體(306)內(nèi)的所檢測的內(nèi)部壓力有關(guān)，并且在報(bào)告器件中報(bào)告所檢測到的內(nèi)部壓力，高檢測內(nèi)部壓力調(diào)用警告系統(tǒng)。
9.一種將低壓微型殼體(306)內(nèi)保持為高真空的方法，該方法包括在低壓微型殼體(306)內(nèi)包括第一電荷板(308)和第二電荷板(310)，第二電荷板與第一電荷板在低壓微電子器件微型殼體內(nèi)隔開一段距離；將電路耦連到第一電荷板和第二電荷板；和經(jīng)過電路在第一電荷板和第二電荷板之間施加電壓電位差，該電壓電位差感應(yīng)電場，低壓微電子器件內(nèi)的氣體分子與在電場中加速的電子碰撞，產(chǎn)生在與電子相反方向加速的離子，因此離子被吸收到第一和第二電荷板中更負(fù)的一個(gè)上。
10.權(quán)利要求9的方法，其中離子被吸收到第一(308)和第二電荷板(310)的更負(fù)一個(gè)上可使低壓微型殼體(306)的內(nèi)部壓力維持在10-4乇以下。
全文摘要
提供一種微離子泵(308、310、316、318)和制造微離子泵的方法，該位置里邊可以包含在低壓微型器件微型殼體(306)內(nèi)。微離子泵包括隔開恒定距離的兩個(gè)電荷板(308、310)，并且這兩個(gè)電荷板由公知微型芯片制造技術(shù)制造，為了產(chǎn)生電離氣體分子的垂直電場，在兩個(gè)電荷板之間施加電壓電位差。得到的帶正電的離子被吸收到電荷板上，由此從低壓微型殼體內(nèi)除去氣體分子并保持包圍密封的微型器件(302)的低壓環(huán)境。
文檔編號H01J41/20GK1390774SQ0212275
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月11日
發(fā)明者D·W·舒爾特, T·E·麥馬洪, D·J·愛德華茲 申請人:惠普公司