[发明专利]用于低压微型器件微型壳体的微离子泵

说明书

发明领域

本发明涉及低压微型器件微型壳体，特别涉及利用在低压微型器件微型壳体中包含的半导体制造技术制造的微离子泵。

发明背景

在过去四十年当中，为了大批量生产用做处理器的复杂集成电路和计算机内的存储器部件，在半导体制造领域中已经研制了极其准确、复杂和精致的方法。计算机控制正在应用于各种不同类型的技术领域，通过半导体制造技术制造的微型芯片和其它器件已经成为在包括机动车、通信系统、机床和其它设备的各种机电设备和系统中的普通部件。近年来，半导体制造技术已经应用于被称为微型电气机械系统(“MEMS”)的显露(emerging)技术领域中的微小机电设备的制造中。

某种MEMS器件需要极低压、部分真空的环境工作。图1示出了一种低压MEMS器件。为了保持内部低压环境在低于10^-4乇的内部压力，微制造MEMS器件101被包封在气密微型壳体103中。微制造MEMS器件101经过内部信号线105和连接器或适配器107耦连到外部电路。微制造的MEMS101可以是含有几百或几千个微型机械或机电部件的微型芯片。气密微型壳体103可具有几英寸到几分之一英寸数量级的线性尺寸。

虽然低压微型壳体可通过低于10^-5乇的内部压力制造，但是随着时间的流逝可能由于泄漏、在微制造的MEMS器件工作期间在微型壳体中微型壳体或微型器件的材料的升华、或金属层的汽化而使微型壳体内部的压力增加。一旦内部压力上升到某个阈值以上，包封的MEMS器件的性能可能退化到可接受性能范围以下或完全失效。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器件作为子部件的设备也将突然生效。

已经研制了大量不同的MEMS压力相关器件，包括MEMS压力传感器。图2A-B示出了典型MEMS压力传感器件的两部分。该压力传感器件使图2A中所示的传感器单元和图2B中所示的参考单元之间的电容差与含有MEMS压力传感器的环境压力有关。该MEMS压力传感器件是利用标准半导体制造技术由掺杂硅衬底、二氧化硅层、和从二氧化硅和掺杂硅层之间刻蚀出的空腔制造的。传感器单元202和参考单元204在结构上十分相似。传感器单元202包括ap-型硅衬底206，在硅衬底206中利用标准半导体制造技术形成n阱208。空腔210位于n阱208的表面上方。空腔的壁是由场氧化物层212形成的。包括多晶硅层的塑料薄膜214叠加在空腔上。附加的二氧化硅层216位于塑料薄膜214上方。该附加的二氧化硅层216被刻蚀以形成停靠在空腔210上的塑料薄膜214上的矩形突起218。环境压力将突起和突起所停靠的薄膜向空腔210内部推动，直到空腔210内的压力等于环境压力为止。塑料薄膜214和n阱208一起形成电容器的平行板，用于施加于平行板的给定电压差而储存在电容器内的电荷量与板间的距离成反比。参考单元204近似于传感器单元，除了参考单元的顶部二氧化硅层220没有被刻蚀形成突起，和附加的柱状物222-224留在参考单元226的场氧化物层中，以便参考单元的薄膜228保持与参考单元的n阱230有恒定距离之外。通过测量储存在参考单元电容器中的电荷与储存在传感器单元电容器中的电荷的差，可以用电子学方法测量传感器单元内的突起218相对于参考单元的薄膜228和n阱230的向内位移。则测量的位移直接涉及包围传感器单元的环境压力。

目前存在用于在例如低压微型壳体310的低压微型壳体内形成初始低压环境的制造技术。但是，目前不可能确保随着时间的流逝，在微制造的场发射体尖端阵列工作期间不会由于泄漏、微型壳体和芯片材料的升华以及芯片和靶材料的汽化造成低压微型壳体的显著减压。目前，没有在不从包含该微型壳体的设备中取出该微型壳体而在低压微型壳体内重新建立低压环境的可接受的方法。目前可得到的低压泵太大以至于不能包含在低压微型壳体中，并且在采用低压MEMS器件的宏机电设备中在外部包含这种泵价格昂贵，并且给宏机电设备增加了不可接受水平的复杂性。而且，目前可得到的微压力传感器如参照图2所述的微压力传感器对于某种低压MEMS器件所需要的低于10^-4的压力不够灵敏。因此，不仅目前不可能在低压微型壳体内经济地重新建立低压环境，而且目前不可能准确地监控低压微型壳体内的压力。因此，微制造的MEMS器件以及被包封在低压微型壳体内的其它微型电子器件的设计者和制造者已经认识到需要一种随着制造而经济地保持和监视低压微型壳体内的低压环境的方法和系统。

发明概述