MEMS電容薄膜真空計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 剛，韓曉東，周 超，李得天

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361000）

0 引言

作為能夠精確測(cè)量粗低真空的主流真空測(cè)量?jī)x器，電容薄膜真空計(jì)具有準(zhǔn)確度高、線性好、輸出重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、能夠測(cè)量氣體和蒸氣的全壓力，測(cè)量結(jié)果不受氣體成分和種類影響等特點(diǎn)[1-2]，可作為低真空測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)和量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在航空航天、高能物理、國(guó)防軍工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。目前，國(guó)際上電容薄膜真空計(jì)的生產(chǎn)廠家主要為美國(guó)MKS公司和INFICON公司，前者采用Inconel合金膜片，該類真空計(jì)可以作為真空計(jì)量的副標(biāo)準(zhǔn)使用；后者采用陶瓷膜片。我國(guó)上海振太儀表有限公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計(jì)也采用了Inconel合金膜片。為了限制我國(guó)先進(jìn)計(jì)量?jī)x器技術(shù)的應(yīng)用，美國(guó)將“計(jì)量級(jí)真空測(cè)量?jī)x器”列入了《關(guān)于常規(guī)武器和兩用物品及技術(shù)出口控制的瓦森納協(xié)定》和美國(guó)商務(wù)部工業(yè)與安全局制定的出口管制（ECCN）清單，自2012年起，開始對(duì)我國(guó)實(shí)行全面禁運(yùn)。2015年，歐洲也開始對(duì)我國(guó)實(shí)行出口審查制度。在此背景下，我國(guó)計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2013-2020年）（國(guó)發(fā)[2013]10號(hào)）闡明了社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展遲緩和計(jì)量保障缺失的現(xiàn)狀，提出了“發(fā)展新型傳感器技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)用型、新型和專用計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究[6]”的意見(jiàn)。因此，深入開展新型電容薄膜真空計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)我國(guó)真空測(cè)量技術(shù)打破國(guó)外封鎖、服務(wù)我國(guó)重大科研任務(wù)、國(guó)防軍工、航空航天等具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)電容薄膜真空計(jì)質(zhì)量和體積較大、功耗高，難以滿足一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用需求。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，由體硅刻蝕工藝制作的MEMS電容薄膜真空計(jì)規(guī)避了傳統(tǒng)電容薄膜真空計(jì)合金膜片和陶瓷膜片帶來(lái)的復(fù)雜的材料、加工工藝和封裝等難題，成為研究熱點(diǎn)。自1993年MEMS電容薄膜真空計(jì)問(wèn)世以來(lái)[7]，學(xué)者們開展了大量研究，不斷提高該類電容薄膜真空計(jì)的性能。Esashi[8]開發(fā)了多膜結(jié)構(gòu)，將真空計(jì)的測(cè)量壓力范圍擴(kuò)大到10～5×104Pa；Miyashita等[9]研制了靜電伺服平衡式電容薄膜真空計(jì)，采用差分電路測(cè)量法，提高了測(cè)量分辨率，使測(cè)量范圍達(dá)到10～105Pa。國(guó)內(nèi)多家高校和科研院所開展了MEMS電容薄膜真空計(jì)的研制[10-18]。蘭州空間技術(shù)物理研究所近年來(lái)致力于MEMS型電容薄膜真空計(jì)的開發(fā)[19-21]，攻克了大寬厚比感壓薄膜制備、吸氣劑薄膜制備、微小腔體真空度獲得與維持等關(guān)鍵技術(shù)，完成了國(guó)產(chǎn)化MEMS電容薄膜真空計(jì)的研制。本文將介紹MEMS電容薄膜真空計(jì)研制涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行展望。

1 真空計(jì)物理單元基本結(jié)構(gòu)

MEMS電容薄膜真空計(jì)物理單元為玻璃－硅－玻璃“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。首先，利用干法在硅片上刻蝕進(jìn)氣腔，然后，用濕法刻蝕參考腔，得到感壓薄膜。在一塊BF33玻璃上濺射沉積固定電極后將其與硅結(jié)構(gòu)在大氣壓下進(jìn)行鍵合，形成敏感電容。在另一塊BF33玻璃上濺射沉積吸氣劑薄膜后在高真空環(huán)境下將其與硅結(jié)構(gòu)鍵合，形成真空參考腔，鍵合過(guò)程中同時(shí)激活吸氣劑薄膜。完成電極導(dǎo)線引出后，即得到一個(gè)完整的物理單元。在外部壓力作用下，感壓薄膜發(fā)生變形，敏感電容的電容值隨之發(fā)生變化，根據(jù)電容變化即可測(cè)得壓力值。

圖1 MEMS電容薄膜真空計(jì)物理單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Physics unit of MEMS capacitance diaphragm gauge

2 感壓薄膜制備

在物理單元中，感壓薄膜起三個(gè)作用：（1）是整個(gè)儀器的敏感器件，必須具有良好的平整度和機(jī)械性能；（2）是敏感電容的一個(gè)電極，要求具有良好的電學(xué)性能；（3）是參考腔腔壁，要求能夠耐受至少1.013×105Pa（一個(gè)大氣壓）的壓力。

采用干法刻蝕加濕法腐蝕，并結(jié)合退火工藝，制備出平整大寬厚比的感壓薄膜。利用研制的差壓式結(jié)構(gòu)對(duì)感壓薄膜的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；通過(guò)倒角工藝，提高了薄膜的大氣壓耐受能力。

干法刻蝕和濕法腐蝕是半導(dǎo)體中兩種基本的刻蝕工藝。前者利用等離子體刻蝕單晶硅，刻蝕速率快，刻蝕表面質(zhì)量好，適合較小深度（幾μm）的刻蝕。后者利用化學(xué)試劑與單晶硅的反應(yīng)按照要求腐蝕出圖形，該方法在某些晶向上腐蝕速度快，可控性高、成本低、適用于大深度（幾百μm）的刻蝕。采用干法刻蝕兩電極之間的進(jìn)氣腔體，用濕法腐蝕（腐蝕液為四甲基氫氧化銨TMAH，腐蝕溫度為90℃）出參考腔。硅片兩面分別刻蝕后，形成兩個(gè)正方形槽（分別對(duì)應(yīng)圖1的參考腔與進(jìn)氣腔），槽底之間的單晶硅即為感壓薄膜，如圖2所示。

圖2 感壓薄膜實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Pressure-sensing diaphragm

圖2為制作工藝改進(jìn)前后感壓薄膜對(duì)比照片。改進(jìn)前制作的感壓薄膜平整度較差，表面有明顯的皺褶，機(jī)械性能不好，穩(wěn)定性和靈敏度差。測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，感壓薄膜表面部分區(qū)域殘留有SiO2，由于SiO2和Si具有不同的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。為此，延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間，將SiO2清洗干凈，然后進(jìn)行退火處理，消除了內(nèi)應(yīng)力分布不均的影響。最終獲得了平整大寬厚比感壓薄膜。

為了對(duì)大寬厚比感壓薄膜的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)制作了差壓式結(jié)構(gòu)電容薄膜真空計(jì)，進(jìn)行了電容-壓力試驗(yàn)[20]。采用3D打印外殼和改進(jìn)的導(dǎo)線引出方式制作了差壓式結(jié)構(gòu)，用硅橡膠進(jìn)行密封，如圖3所示。該制作方法簡(jiǎn)單、成品率高、測(cè)試方便。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量下限低于5 Pa，上限高于1 000 Pa；靈敏度優(yōu)于10 fF/Pa；測(cè)試曲線為分段線性。

圖3 差壓式電容薄膜真空計(jì)及測(cè)量裝置Fig.3 Differential pressure capacitance diaphragm gauge and measuring equipment

在絕壓式結(jié)構(gòu)中，參考腔內(nèi)壓力為10-2Pa，即當(dāng)物理單元完成加工時(shí)，感壓薄膜即處于并將長(zhǎng)期處于（整個(gè)存儲(chǔ)期間）1.013×105Pa的壓力之下，這對(duì)感壓薄膜的力學(xué)性能提出了兩個(gè)要求：（1）暴露在大氣中不會(huì)發(fā)生破裂；（2）在長(zhǎng)期大氣壓力作用下薄膜不會(huì)發(fā)生塑性破壞。由于單晶硅是脆性材料，感壓薄膜不會(huì)發(fā)生蠕變等塑性變形，絕壓式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證了這一點(diǎn)[22]。因此，只要感壓薄膜在大氣壓下不發(fā)生破裂，即能夠耐受大氣壓的作用，就可以正常工作。

感壓薄膜的邊長(zhǎng)約為4 mm，厚度僅為數(shù)μm，寬厚比為1 000左右。如何使感壓薄膜能夠承受一個(gè)大氣壓而不發(fā)生破裂是研制過(guò)程中遇到的關(guān)鍵難題之一。在最初的工藝設(shè)計(jì)中，感壓薄膜有6個(gè)直角（圖4（a）），直角處應(yīng)力集中，感壓薄膜容易發(fā)生破損（圖4（b））。為此，引入倒角工藝，消除了應(yīng)力集中效應(yīng)，確保感壓薄膜在1.013×105Pa下不會(huì)破裂，如圖4（c）所示。

圖4 有無(wú)倒角的感壓薄膜變形破損情況對(duì)比Fig.4 Comparison of pressure-sensing diaphragm without and with chamfer

3 參考腔真空獲得與維持

“絕壓式”意味著用這種真空計(jì)可以直接測(cè)量環(huán)境壓力，無(wú)須扣除參考腔內(nèi)的本底壓力，因此參考腔必須維持高真空。為了實(shí)現(xiàn)1 Pa的測(cè)量下限，參考腔壓力至少要維持在1×10-2Pa。絕壓式MEMS電容薄膜真空計(jì)的制作存在如下難題：（1）參考腔容積非常小，約為1 mm3，如何獲得高真空；（2）參考腔真空度要求高，如何解決材料放氣、滲透、泄漏等問(wèn)題。（3）要達(dá)到1年的大氣壓存儲(chǔ)壽命，如何使其等效漏率小于10-16Pa·m3/s。這三個(gè)難題可以歸結(jié)為真空獲得與真空維持，前者采用真空陽(yáng)極鍵合工藝實(shí)現(xiàn)，后者利用非蒸散型吸氣劑薄膜實(shí)現(xiàn)。

3.1 真空陽(yáng)極鍵合

如圖1所示，絕壓式MEMS電容薄膜真空計(jì)的參考腔為用濕法腐蝕硅片形成的深槽，利用BF33玻璃密封。陽(yáng)極鍵合是在外加電壓和溫度下，使玻璃和硅片之間發(fā)生離子遷移而緊密黏接的過(guò)程。玻璃－硅的鍵合面具有非常好的密封性和機(jī)械性能，是制作絕壓式MEMS電容薄膜真空計(jì)參考腔的最佳選擇。課題組自研了真空陽(yáng)極鍵合設(shè)備，如圖5所示。陽(yáng)極鍵合工藝為，將設(shè)備真空室壓力抽至10-4Pa保持2 h，以消除硅－玻璃之間流導(dǎo)的影響，然后進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使參考腔保持在高真空狀態(tài)。此時(shí)，陽(yáng)極鍵合的高溫環(huán)境會(huì)激活非蒸散型吸氣劑薄膜，從而避免了重復(fù)加熱對(duì)物理單元結(jié)構(gòu)造成的影響，一步實(shí)現(xiàn)參考腔真空獲得、封裝和吸氣劑激活。

圖5 真空陽(yáng)極鍵合設(shè)備Fig.5 Vacuum anode bonding equipment

利用真空陽(yáng)極鍵合設(shè)備進(jìn)行了多次試驗(yàn)，如圖6所示。確定了最佳陽(yáng)極鍵合參數(shù)為：壓力低于10-4Pa；溫度范圍350～500℃；直流電壓范圍500～1 000 V。

圖6 采用不同鍵合參數(shù)制作的絕壓式MEMS電容薄膜真空計(jì)物理單元Fig.6 Physics unit of absolute pressure gauges made with different bonding parameters

3.2 非蒸散型吸氣劑薄膜制備

在容積僅為1 mm3左右的參考腔中，發(fā)生著各種微觀固-氣相互作用，如材料放氣、滲透、泄漏等，使參考腔內(nèi)的壓力不斷增大，影響真空計(jì)的測(cè)量下限和使用壽命。為了解決這一問(wèn)題，必須將其等效漏率控制在10-16Pa·m3/s以下。常規(guī)MEMS器件封裝以及傳統(tǒng)電容薄膜真空計(jì)均在真空腔內(nèi)放置塊體吸氣劑。塊體吸氣劑使用簡(jiǎn)單，但是體積較大，容易產(chǎn)生微小顆粒污染，不適用于MEMS電容薄膜真空計(jì)。可以利用磁控濺射技術(shù)在器件的腔壁表面沉積吸氣劑薄膜，薄膜的膜厚一般為數(shù)μm，體積小、面積大。吸氣劑薄膜必須具備如下特點(diǎn)：（1）常溫下吸氣量大；（2）薄膜均勻，與基底的黏附力強(qiáng)；（3）激活溫度低于鍵合溫度。

調(diào)研表明，Zr-Co-RE（鋯-鈷-稀土）非蒸散型吸氣劑薄膜具有優(yōu)良的氣體吸附性能，多用于真空電子器件密封。課題組[23-24]研究了磁控濺射沉積薄膜的掠射角、濺射氣體種類、氣壓、濺射功率等因素對(duì)Zr-Co-RE吸氣劑薄膜微觀結(jié)構(gòu)和吸附特性的影響，沉積的薄膜表面光滑平整，有大量均勻分布的裂縫結(jié)構(gòu)，截面呈柱狀晶，如圖7所示。用最佳工藝參數(shù)制備的薄膜的激活溫度為350℃，低于陽(yáng)極鍵合溫度。初始吸氣速率達(dá)到103.9 mL/（cm2·s），滿足MEMS電容薄膜真空計(jì)參考腔真空維持需求。

圖7 用不同掠射角沉積的吸氣劑薄膜的表面和截面SEM照片F(xiàn)ig.7 Surface and cross-sectional SEM morphologies of the Zr-Co-RE films with different grazing angles

4 結(jié)論與展望

采用“先差壓，后絕壓”的研制思路，通過(guò)攻克“平整大寬厚比感壓薄膜制備”“非蒸散型吸氣劑薄膜制備”“傳感器封裝”等關(guān)鍵技術(shù)難題，完成了MEMS電容薄膜真空計(jì)的研制，為后續(xù)各種絕壓式結(jié)構(gòu)電容薄膜真空計(jì)的設(shè)計(jì)和制作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

后續(xù)將開展無(wú)線信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)、型譜式開發(fā)等產(chǎn)業(yè)化工作。此外，通過(guò)工程化設(shè)計(jì)，研制的MEMS電容薄膜真空計(jì)可以作為科學(xué)載荷應(yīng)用于空間探測(cè)。為了更好地滿足上述需求，必須延伸其測(cè)量范圍。根據(jù)工作原理，可以較容易地將測(cè)量上限延伸至1.013×105Pa。但是，要實(shí)現(xiàn)測(cè)量下限的延伸則須對(duì)本文涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。

理論上，將MEMS電容薄膜真空計(jì)測(cè)量下限延伸至10-2Pa是可行的，此時(shí)，氣體分子處于黏滯流狀態(tài)，氣體對(duì)感壓薄膜的作用非常穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)漲落可以忽略，但是工程上必須解決以下難題：（1）將參考腔內(nèi)壓力維持在至少10-4Pa量級(jí)，以消除本底壓力的影響。（2）厘清溫度的影響。作為小型化真空計(jì)，MEMS電容薄膜真空計(jì)不配備恒溫裝置，一般采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)消除溫度的影響，因此必須掌握MEMS電容薄膜真空計(jì)的溫度特性。（3）提升感壓薄膜的力學(xué)和電學(xué)性能。作為敏感器件，感壓薄膜必須具有良好的壓力-撓度特性，能夠精確分辨出10-2Pa壓力變化引起的電容變化。電極間的靜電力不可忽視，由其導(dǎo)致的薄膜變形和由壓力變化引起的薄膜變形會(huì)發(fā)生耦合，將給10-2Pa壓力變化測(cè)量帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。上述問(wèn)題的解決，將有助于MEMS電容薄膜真空計(jì)實(shí)現(xiàn)10-2Pa量級(jí)的高穩(wěn)定、高精度、高可靠測(cè)量。