ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
MİKRO ELEKTRO MEKANİK SİSTEMLER (MEMS) İÇİN VAKUM PAKETLEME
Ebru SAĞIROĞLU TOPALLI
FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA Her hakkı saklıdır
2008
TEZ ONAYI
Ebru SAĞIROĞLU TOPALLI tarafından hazırlanan “Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS) için Vakum Paketleme” adlı tez çalışması 03/12/2008 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman : Prof. Dr. Tülay SERİN Eş Danışman : Prof. Dr. Tayfun AKIN
Ortadoğu Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Jüri Üyeleri :
Başkan : Prof. Dr. Necati YALÇIN
Gazi Üniversitesi Eğitim Bilimleri Fakültesi
Üye : Prof. Dr. Tülay Serin
Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı
Üye : Prof. Dr. Basri Ünal
Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı
Üye : Prof. Dr. Mehmet Kasap
Gazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
Üye : Prof. Dr. Bora Alkan
Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı
Yukarıdaki sonucu onaylarım.
Prof. Dr. Orhan ATAKOL Enstitü Müdürü
Canım Babama ve Aileme...
ÖZET
Doktora Tezi
MİKRO ELEKTRO MEKANİK SİSTEMLER (MEMS) İÇİN VAKUM PAKETLEME
Ebru SAĞIROĞLU TOPALLI Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Tülay SERİN Eş Danışman: Prof. Dr. Tayfun AKIN
Bu tezde, MEMS dönüölçer yapıları için sızdırmaz vakum paket yapısının oluşturulması ve paket içerisindeki basınçların Pirani vakum sensörü ile tespit edilmesi için yapılan çalışmalar sunulmuştur. Tez kapsamında, hem yonga seviyesinde paket yapısı hem de pul seviyesinde paket yapısı üzerinde durulmuştur. Pul seviyesinde vakum paketleme çalışmaları kapsamında, silisyum bir pul, MEMS yapıların üzerini kapatacak şekilde, sızdırmaz özelliği olduğu bilinen cam hamuru (glass frit) kullanılarak, pul yapıştırıcı cihazında yapıştırılmıştır. Silisyum pul içeriside MEMS yapıları kapatan oyuklar içerisine serilen gaz soğurucu (getter) malzeme ile vakum seviyeleri düşürülmüştür. Yonga seviyesinde paketleme çalışmaları kapsamında hibrit platform paket yapısı kullanılmıştır. Hibrit platform paket içerisine yerleştirilen MEMS ürün, paketin metal kapağının üzerine oturtulup, hibrit platform paketlerin kapatma işlemi için geliştirilmiş bir cihaz yardımıyla sızdırmaz bir şekilde kapatılmıştır. Paket basınçlarının tespit edilebilmesi için, MEMS dönüölçerlerin üretiminde kullanılan DWP (Dissolved-Wafer Process) ve SOG (Silicon-on-Glass) olarak adlandırılan iki sürece uygun Pirani vakum sensörü yapıları tasarlanmış, dönüölçerler ile aynı pul üzerinde üretilmiştir. Bu sensörler kullanılarak hem yonga seviyesinde, hem de pul seviyesinde paket yapıları içerisindeki basınçlar tespit edilebilmiştir. Tez kapsamında SOG süreci ile üretilen ve ölçülen Pirani vakum sensörü yapısı, literatürde daha önce sunulan yapılara kıyasla çok daha kalın yapısal katman (100 µm) ile üretilmiş bir yapıdır ve bu şekilde kalın yapısal katmana sahip üretim süreçleriyle üretilmeye çok uygun bir sensördür. Paketlenmiş Pirani vakum sensörü yapıları üzerinde gerçekleştirilen ölçümlerde, pul seviyesinde paket yapısının içerisindeki basınç 2.4 mTorr, yonga seviyesinde paket yapısının içerisindeki basınç 1400 mTorr olarak ölçülmüştür.
Aralık 2008, 99 sayfa
Anahtar Kelimeler: Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS), paketleme, Pirani vakum sensörü, basınç sensörü, vakum.
ABSTRACT
Ph. D. Thesis
VACUUM PACKAGING FOR
MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS (MEMS) Ebru SAĞIROĞLU TOPALLI
Ankara University
Gradate School of Natural and Applied Sciences Department of Engineering Physics
Supervisor: Prof. Dr. Tülay SERİN Co-supervisor: Prof. Dr. Tayfun AKIN
This thesis presents the implementation of hermetically sealed vacuum packages for MEMS gyroscopes and the studies on the detection of pressures inside the packages using Pirani vacuum gauge. In the frame of the thesis, it is elaborated on both die-level packaging and wafer-level packaging. For wafer-level vacuum packaging, in order to encapsulate MEMS devices, a silicon cap wafer is bonded on top of the MEMS devices in wafer-bonder equipment using glass frit which is known to be hermetic. The vacuum levels are reduced using getter material deposited inside the cavities in the silicon covering the MEMS devices. In the frame of die-level packaging studies, hybrid platform packages are employed. The MEMS devices, which are placed inside a hybrid platform package, is hermetically vacuum sealed using the metal cap of the package where the cap is bonded to the package with the aid of an equipment developed for vacuum sealing of hybrid platform packages. In order to detect the pressures inside the packages, Pirani vacuum gauges are designed according to the DWP (Dissolved- Wafer Process) and SOG (Silicon-on-Glass) processes, which are used to fabricate the Pirani vacuum sensors with gyroscopes on the same wafer. The pressures inside the die-level package and wafer-level package are detected using the fabricated sensors. The Pirani vacuum gauge implemented using the SOG process has a thicker (100 µm) structural layer compared to the ones in the literature and it is suitable for the processes having such thick structural layers. The measurement results on the packaged Pirani vacuum gauges indicate that the wafer-level package has a pressure of 2.4 mTorr whereas the die-level package has a pressure of 1400 mTorr.
October 2008, 99 pages
Key Words: Microelectromechanical Systems (MEMS), packaging, Pirani vacuum gauge, pressure sensor, vacuum.
TEŞEKKÜR
Öncelikle bana güvenip kendisi ile çalışma fırsatını bana verdiği için danışman hocam Sayın Prof. Dr. Tülay SERİN’e teşekkürlerimi sunarım. Fikirleri, önerileri ve bana göstermiş olduğu anlayış benim için çok değerliydi. Eş danışman hocam Sayın Prof. Dr. Tayfun AKIN’a (Orta Doğu Teknik Üniversitesi) ekibinde çalışma fırsatı verdiği için, tez konusunda yol gösterdiği için ve çok değerli önerileri için teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca kendisinin, makalemizin değerlendirme sürecinin hızlandırılması konusundaki gayretleri benim için çok önemliydi. Sayın hocalarım Prof. Dr. Basri ÜNAL ve Prof. Dr. Necati YALÇIN’a (Gazi Üniversitesi) tez izleme komitelerindeki öneri ve katkılarından dolayı teşekkür ederim. Tez jürimde bulunan Sayın hocamlarım Prof. Dr. Mehmet KASAP (Gazi Üniversitesi) ve Prof. Dr. Bora ALKAN’a da katkılarından dolayı teşekkür ederim. Ayrıca tez izleme komitelerimde beni dinlemeye gelip, fikirleri ile beni yönlendiren Sayın hocam Prof. Dr. Necmi SERİN’e teşekkür ederim.
Tezimin deneysel çalışmaları boyunca bilgi ve önerileri ile çalışmalarıma yön veren ve her konuda destek olan Sayın Dr. Said Emre ALPER’e (Orta Doğu Teknik Üniversitesi) teşekkür ederim. O’nun eşsiz deneyimleri ve katkıları olmadan deneysel çalışmalarımı tamamlayabilmem oldukça zor olurdu. Temiz alandaki üretim çalışmaları sırasında görüş ve önerileri ile önemli katkılarda bulunan Sayın Orhan AKAR’a teşekkür ederim.
Ölçümlerdeki katkılarından dolayı Sayın İlker Ender OCAK’a, Sayın Yüksel TEMİZ’e ve Sayın Emre ŞAHİN’e; tasarımdaki katkılarından dolayı Sayın Özlem PASİN’e;
elektron mikroskobu görüntüleri için Sayın Dr. Yusuf TANRIKULU’na teşekkür ederim. Elektronik posta yoluyla sorduğumuz bütün sorulara hemen yanıt veren ve ölçümlerimde bizi yönlendiren Arizona State Üniversitesi’nden Yrd. Doç. Dr. Junseok CHAE’ye teşekkür ederim. Katkılarından ve arkadaşlıklarından dolayı bütün ODTÜ MEMS grubuna teşekkür ederim. Üretimdeki katkılarından dolayı başta Sayın Harun TANIK, Sayın Murat ÜNAL ve Sayın Ayşegül NADAR olmak üzere bütün ODTÜ MEMS Tesisleri çalışanlarına, özellikle DRIE aşındırmaları için Sayın Akın AYDEMİR’e, DEKTAK ölçümleri için Sayın Eren ÇANGA’ya, üretimdeki katkılarından dolayı Sayın Evrim ÖZÇAKIR’a, Sayın Yusuf MURAT’a ve Sayın Evren ERDİL’e teşekkür ederim.
Doktora eğitimim sırasında bana destek olan, fikir ve önerileriyle beni yönlendiren Sayın hocalarım Prof. Dr. Yalçın ELERMAN, Prof. Dr. Mehmet ACET (Duisburg−Essen Üniversitesi), Prof. Dr. Ayhan ELMALI ve Prof. Dr. Ali Ulvi YILMAZER’e teşekkür ederim.
Yüksek lisans ve doktora öğrenciliğim boyunca öğrenci işlerindeki yardımlarından ve önerilerinden dolayı Fen Bilimleri Enstitüsü çalışanlarından özellikle Sayın Yılmaz KIZILDAŞ’a, Sayın Esra TAMER’e ve Sayın Savaş GÜDÜCÜ’ye teşekkür ederim.
Arkadaşlıklarından ve desteklerinden dolayı Sayın Burcu GERÇEK, Sayın Dr. Eyüp DUMAN, Sayın Dr. Ebru DUMAN, Sayın Dr. Barış EMRE, Sayın Dr. Şengül KURU, Sayın Dr. Levent SELBUZ ve Sayın Pınar SEVGİ IŞIK’a teşekkür ederim.
Hayatımın her aşamasında sevgilerini ve yardımlarını benden esirgemeyen, her konuda desteklerini gördüğüm canım babam Semih SAĞIROĞLU’na, annem Ufuk SAĞIROĞLU’na ve kardeşlerim Seyhan SAĞIROĞLU’na ve Filiz SAĞIROĞLU’na;
üniversite eğitimim boyunca maddi ve manevi desteklerini gördüğüm amcam Tayfun SAĞIROĞLU’na ve yengem Asuman SAĞIROĞLU’na sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Onların yardımları olmadan bu aşamaya gelebilmem mümkün olamayacaktı.
Son olarak hem iş arkadaşım hem de hayat arkadaşım olan eşim Dr. Kağan TOPALLI’ya desteği, bilimsel katkıları, evdeki ve işteki anlayışı ve sonsuz sevgisi için çok teşekkür ederim. Hayatımızın en güzel rengi oğlumuz Kadir Emir’e bize tattırdığı duygular için teşekkür ederim. Eşim ve oğlum olmasaydı herşey daha zor olurdu.
Doktoramın ilk aşamalarında bana burs sağlayan TUBİTAK Münir Birsel Vakfı’na teşekkür ederim.
Ebru SAĞIROĞLU TOPALLI Ankara, Aralık 2008
İÇİNDEKİLER
ÖZET ... i
ABSTRACT ... ii
TEŞEKKÜR ... iii
İÇİNDEKİLER ... v
SİMGELER DİZİNİ ... vii
ŞEKİLLER DİZİNİ ... viii
1. GİRİŞ ... 1
1.1 MEMS’e Giriş ...4
1.2 Paketlemeye Giriş ...7
1.2.1 Entegre devrelerin paketlemesine genel bir bakış ... 7
1.2.2 MEMS paketleme yaklaşımları ... 12
1.3 Tezin Amacı ... 15
2. KURAMSAL TEMELLER ... 18
2.1 Daha Önce Sunulan Paketleme Çalışmalarına Genel Bir Bakış ... 18
2.2 Paket Yapılarının Sızdırmazlık Testleri ve Paket İçerisindeki Basınçların Ölçüm Yöntemleri ... 27
2.2.1 Helyum kaçak testi ... 27
2.2.2 Q-faktörü çıkarımı ile paket basınçlarının tespit edilmesi ... 28
2.3 Pirani Vakum Sensörü ... 29
3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 40
3.1 Kullanılan Üretim Yöntemleri ... 40
3.1.1 Litografi ... 40
3.1.2 Metal kaplama ve aşındırma ... 42
3.1.3 DRIE cihazı ile silisyum pulların derin aşındırılması ... 44
3.1.4 Pul yapıştırma ... 46
3.2 DWP ve SOG Üretim Aşamaları ... 47
3.3 Geliştirilen Paketleme Yöntemleri ... 52
3.3.1 Pul seviyesinde paketleme yöntemi ... 52
3.3.2 Yonga seviyesinde paketleme yöntemi ... 58
3.4 Pirani Vakum Sensörü Tasarım Çalışmaları ... 60
4. ARAŞTIRMA BULGULARI ... 64
4.1 Pirani Vakum Sensörü Yapılarının Vakum Haznesinde Gerçekleştirilen Ölçümleri ... 64
4.2 Paketlenmiş Pirani Vakum Sensörü ile Gerçekleştirilen Ölçümler ... 74
5. TARTIŞMA VE SONUÇ ... 77
KAYNAKLAR ... 80
EK 1 Direncin Basınca Bağlılığını Gösteren Denklemin Çıkarılması ... 86
EK 2 Pirani Vakum Sensörünün MATLAB Programında Analitik Modellemesi . 98 ÖZGEÇMİŞ ... 99
SİMGELER DİZİNİ
BCB Benzo-cyclo-butene
CERDIP Ceramic dual-in-line package DHS Dual-heat sink
SHS Single heat sink
DWP Dissolved-Wafer Process SOG Silicon-on-Glass
SOI Silicon-on-Insulator
EDP Ethylenediamine pyrocathecol TMAH Tetramethylammonium hidroksit KOH Potasyum hidroksit
MEMS Mikroelektromekanik Sistemler RF Radyo-frekans
SEM Scanning electron microscope TO Transistor-outline
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1 2006 yılı itibariyle MEMS ürünlerinin pazar payı dağılımı ...5 Şekil 1.2 Paketleme türüne göre MEMS yapının maliyet dağılımı ...6 Şekil 1.3 Entegre devrelerin paketlemesinde kullanılan metal paketlerden TO
(transistor-outline) paket örnekleri (http://www.spectrum- semi.com/products/toheader.html, Haziran 2008) ...9 Şekil 1.4 Entegre devrelerin paketlemesinde kullanılan seramik paketlerden
CERDIP (ceramic dual-in-line) paket örnekleri (http://www.spectrum- semi.com/products/dip.html, Haziran 2008) ... 10 Şekil 1.5 Plastik paket (Plastic dual-in-line) ile paketlenmiş entegre devre
yongaları (http://en.wikipedia.org/wiki/Dual_in-line_package, Haziran 2008) ... 10 Şekil 1.6 Tez kapsamındaki çalışmalarda üretilen Pirani vakum sensörü
yapısının ölçümlerini gerçekleştirebilmek için kullanılan seramik paket yapısı (CERDIP) ... 11 Şekil 1.7 Tez kapsamındaki çalışmalarda üretilen Pirani vakum sensörü
yapısının ölçümlerini gerçekleştirebilmek için kullanılan hibrit paket yapısı ... 12 Şekil 1.8 Tez kapsamında çalışamalarda oluşturulan ve incelenen pul
seviyesinde vakum paketleme yapısı ... 14 Şekil 1.9 ODTÜ MEMS Tesisleri’nde üretilen MEMS yapıların olduğu pul ve
yapıların üzerine paketleme amacıyla kapatılan silisyum kapak pul ... 15 Şekil 1.10 Pul seviyesinde paketlenmiş yapının fotoğrafı ... 15 Şekil 2.1 İnceltilmiş cam taban üzerinde üretilen MEMS yapıların silisyum
taban ile kapatıldığı paket yapısı (Chae et al. 2008) ... 20 Şekil 2.2 Polysilisyumdan yapılan mikroısıtıcı ile eritilen aluminyumun yapıştıcı
ara katmanı kullanıldığı paket yapısı (Cheng et al. 2002) ... 22 Şekil 2.3 BCB maddesini kapak pul ile MEMS yapının bulunduğu tabanın
bütünleştirilmesi amacıyla kullanıldığı paket yapısı (Jourdain et al.
2005) ... 23
Şekil 2.4 Kapak pulunun iç kısmına Nanogetters Inc. Tarafından geliştirilen gaz soğurucu (getter) malzemesinin serildiği paket yapısı (Sparks et al.
2003) ... 24
Şekil 2.5 Nikel elektrokaplama tekniği ile paketlenmiş MEMS yapıların SEM cihazı ile elde edilen görüntüsü (Stark and Najafi 2004) ... 25
Şekil 2.6 İnce film yalıtkan kabuk ile paketlenmiş RF MEMS anahtar yapısı (Leedy et al. 2007) ... 26
Şekil 2.7 Bir MEMS paketleme çalışmasında geliştirilen Helyum kaçak testi düzeneği ... 28
Şekil 2.8 Bir mikromekanik rezonatör yapısının giriş-çıkış iletim karakteristiği (Cheng et al. 2002) ... 29
Şekil 2.9 Mikro köprünün üstten ve kesitten görünüşü ... 30
Şekil 2.10 Stark et al. (2003) tarafından sunulan, havada duran yalıtkan zar üzerinde Cr/Pt dirençten oluşan Pirani vakum sensörü yapısı ... 31
Şekil 2.11 Mitcell et al. (2008) tarafından sunulan, havada duran polysilisyum dirençten oluşan merdiven şeklindeki Pirani vakum sensörü yapısı ... 32
Şekil 2.12 Isı akısının basınç ile değişimi ... 33
Şekil 2.13 Pirani vakum sensörünün ısıl iletkenliğinin basınca göre değişimi ... 34
Şekil 2.14 Mikro köprü yapısının birim hücresi ... 34
Şekil 3.1 Litografi adımında pulların üzerine fotorezist kaplamak için kullanılan çevirici (spinner) cihazı ... 41
Şekil 3.2 Üzerinde pula aktarılmak istenen şekillerin bulunduğu krom kaplı cam maske ... 41
Şekil 3.3 Maske hizalayıcı (mask aligner) cihazı ... 42
Şekil 3.4 Cr/Au katmanların büyütüldüğü buharlaştırma (evaporation) cihazı ... 43
Şekil 3.5 Cr/Au katmanların aşındırılması sürecinde kullanılan ıslak aşındırma tezgahının (wet benches) genel görünümü ... 44
Şekil 3.6 DRIE cihazı ile silisyum tabana kuyu açılması sürecindeki aşındırma- polimer serme-aşındırma şeklindeki döngü (Maluf and Willams 2004) ... 45
Şekil 3.7 Silisyum tabanda derin kuyuların oluşturulmasında kullanılan DRIE cihazı ... 46
Şekil 3.8 Pul yapıştırma cihazı (wafer bonder) ... 47
Şekil 3.9 Üretim aşaması ... 49
Şekil 3.10 Pirani vakum sensörünün mikroskop altındaki görüntüsü ... 50
Şekil 3.11 Pirani vakum sensörlerinin SEM fotoğrafları ... 51
Şekil 3.12 Tez kapsamındaki çalışmalarda oluşturulan ve incelenen pul seviyesindeki vakum paketleme yapısı ... 53
Şekil 3.13 Pul seviyesinde paketlemede kullanılan siliyum kapak puldaki oyuklar ve dış dünya bağlantı pencerelerinin oluşturulması süreci ... 53
Şekil 3.14 MEMS yapıların olduğu pulun üzerine paketleme amacıyla kapatılan silisyum kapak pul (Foto Dr. Said Emre Alper/ODTÜ) ... 55
Şekil 3.15 Pul seviyesinde paketleme yapılmış puldan elde edilen bir yonga (Foto Dr. Said Emre Alper/ODTÜ) ... 56
Şekil 3.16 Pul seviyesinde paketleme yapılmış puldan elde edilen bir yonganın bağlantı penceresinin SEM cihazı elde edilen genel görünümü (Foto Dr. Said Emre Alper/ODTÜ) ... 56
Şekil 3.17 Pul seviyesinde paketleme yapılmış puldan elde edilen bir yonganın bağlantı penceresinin SEM cihazı elde edilen yakın görüntüsü (Foto Dr. Said Emre Alper/ODTÜ) ... 57
Şekil 3.18 Pul seviyesinde paketleme sürecinde yapıştırma malzemesi olarak kullanılan cam hamuru (glass frit) katmanının SEM cihazı ile elde edilen yakın görüntüsü (Foto Dr.Said Emre Alper/ODTÜ) ... 58
Şekil 3.19 a. Hibrit platform metal pakete yerleştirilmiş olan Pirani vakum sensörü ve paketin üzerine oturtulacak olan metal kapak, b. Vakum paketleme cihazı ile yonga seviyesinde paketlenmiş sızdırmaz paket yapısı ... 59
Şekil 3.20 Yonga seviyesinde paketleme yapılabilen vakum paketeleme cihazı ... 60
Şekil 3.21 Mikro-köprü şeklindeki temel Pirani vakum sensörü yapısı ... 61
Şekil 3.22 Tasarlanan Pirani vakum sensörü yapısı ... 62
Şekil 3.23 Boyutları grafik üzerinde verilmiş örnek bir tasarım için çift soğurucu (DHS) ile tek soğurucu yapısının (SHS) performans üzerindeki etkisi ... 62
Şekil 3.24 Örnek bir Pirani vakum sensörü tasarımının farklı fiziksel parametreler için elde edilen ısıl empedans-basınç karakteristikleri ... 63
Şekil 4.1 Pirani sensörünün vakum haznesinde farklı basınçlarda ölçümlerinin elde edilmesinde kullanılan düzenek ... 65 Şekil 4.2 Ölçümlerin gerçekleştirildiği vakum haznesi ... 66 Şekil 4.3 DWP Pirani vakum sensörünün farklı basınçlarda sıcaklık değişimi-
güç grafiği ... 66 Şekil 4.4 DWP ve SOG Pirani sensörü yapıları için ısıl empedans-basınç
karakteristiği ... 67 Şekil 4.5 DWP-1, DWP-2, DWP-3 ve DWP-4 şeklinde numaralandırılmış tek
bir puldan elde edilen Pirani vakum sensörü yapıları için ısıl empedans-basınç grafiği ... 69 Şekil 4.6 SOG-1 ve SOG-2 şeklinde numaralandırılmış tek bir puldan elde
edilen Pirani vakum sensörü yapıları için ısıl empedans-basınç grafiği ... 71 Şekil 4.7 Pirani vakum sensörü yapılarının 100 mTorr basınç altında beş dakika
arayla on kere ölçülmesiyle elde edilmiş ısıl empedans değerleri ... 73 Şekil 4.8 DWP süreci ile üretilmiş MEMS yapılarının pul seviyesinde
paketlenmesinin ardından görünümü ... 75 Şekil 4.9 DWP Pirani vakum sensörü için vakum haznesindeki ölçüm
sonuçlarının analitik modele uyumlanmasıyla elde edilen grafik ... 76 Şekil 4.10 SOG Pirani vakum sensörü için vakum haznesindeki ölçüm
sonuçlarının analitik modele uyumlanmasıyla elde edilen grafik ... 76
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 1.1 Entegre devre ve MEMS ürünlerin paketlerinde olması gereken özellikler ... 13 Çizelge 4.1 DWP-1 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 68 Çizelge 4.2 SOG-1 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 68 Çizelge 4.3 DWP-2 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 70 Çizelge 4.4 DWP-3 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 70 Çizelge 4.5 DWP-4 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 71 Çizelge 4.6 SOG-2 numaralı Pirani vakum sensörü yapısı için farklı basınçlarda
elde edilen ısıl empedans değerleri ... 72 Çizelge 4.7 100 mTorr’dan daha iyi basınç seviyelerini ölçebilen, literatürdeki ve
bu çalışmadaki Pirani vakum sensörü yapılarının özellikleri ... 74
1. GİRİŞ
Vakum paketleme, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) teknolojisi kullanılarak üretilen dönüölçerler, mikro-rezonatör Radyo-Frekans (RF) MEMS devre elemanları ve soğutmasız kızılötesi dedektörler için en önemli gereksinimlerden biridir. Dönüölçer ve mikro-rezonatör yapılarının mekanik kalite faktörü (Q-faktörü), yapıların vakum ortamında paketlenmediği durumda, çalışma sırasındaki hava sürtünmesinden dolayı çok düşüktür. Soğutmasız kızılötesi dedektörlerde de hava ortamında ısıl iletkenlik fazla olduğundan, sensör gelen ışınım ile ısınamamakta, dolayısıyla dedektörün ışınıma tepki vermesi mümkün olamamaktadır ve dedektörün hassasiyeti çok düşmektedir.
Sözü edilen bu MEMS ürünlerin vakum ortamı içerisinde kullanıcıya sunulabilir son ürün haline getirilmesi için, sensörün gereksinimlerine ve yapısına uygun paketleme teknolojilerinin geliştirilmesi gerekmektedir.
MEMS ürünlerin paketlenmesinde iki tür yaklaşım bulunmaktadır: yonga seviyesinde paketleme ve pul (wafer) seviyesinde paketleme. Yonga seviyesinde paketleme sürecinde, paketleme aşamasına kadar aynı pul üzerinde bulunan MEMS ürünler birbirinden ayrılıp, entegre devrelerin oturtulduğu paket yapılarına oldukça benzeyen standart paket yapıları içerisine yerleştirilmektedir. Pul seviyesinde paketleme yaklaşımında ise, MEMS ürünlerin üzeri bir başka pul veya ince bir kabuk katman ile kapatılarak MEMS yapıların üretildiği sürece dahil bir şekilde oluşturulmaktadır.
MEMS ürünlerin maliyetlerinin düşürülmesi ve entegre devreler gibi bir pazar payına erişebilmesi için paketleme maliyetlerinin de düşürülmesi gerekmektedir. Bu amaçla, eğer MEMS ürünün yapısına uygunsa, pul seviyesinde paketleme yaklaşımları üzerinde durulması ve bu tekniklerin geliştirilmesi gerekmektedir.
MEMS ürünler için geliştirilen vakum paket yapılarının sızdırmazlığının değerlendirilmesi ve paket içerisindeki basınç seviyelerinin tespit edilebilmesi, vakum paketleme konusunun önemli araştırma konularındandır. Paket yapılarının sızdırmazlığı helyum kaçak testi ile değerlendirilebilirken, paket içerisindeki basınç Q-faktörü çıkarımı veya Pirani vakum sensörü yardımıyla tespit edilebilmektedir. Pirani vakum sensörü paket içerisine kolaylıkla yerleştirilebilecek boyutlarda, diğer MEMS
sensörleriyle aynı anda üretilebilen, anlık basınç değişimlerini tespit edebilecek hassasiyette güvenilir bir yapıdır. Bu yapılar paket içerisindeki basıncın ölçülmesinin yanısıra uzun vadede paket içerisindeki basıncın değeri izlenerek sızdırmazlık hakkında bilgi edinmek için de kullanılmaktadır.
Bu tezde, MEMS teknolojisi ile üretilen dönüölçer yapılarına sızdırmaz vakum paket yapısının oluşturulması ve paket içerisindeki basınçların belirlenmesi amaçlanmaktadır.
Bu amaçla hem yonga seviyesinde paket yapısı hem de pul seviyesinde paket yapısı üzerinde durulmuştur. Tez kapsamındaki çalışmalarda, MEMS dönüölçerlerin üretimi için geliştirilen iki farklı üretim tekniğinin geliştirilmesine ve iyileştirilmesine katkı sağlanmıştır. Literatürde DWP (Dissolved-Wafer Process) ve SOG (Silicon-on-Glass) olarak adlandırılan bu iki sürece uygun Pirani vakum sensörü yapıları tasarlanmış, dönüölçerler ile aynı pul üzerinde üretilmiş ve hem yonga seviyesinde, hem de pul seviyesinde paket yapıları içerisindeki basınçlar tespit edilebilmiştir. Tez kapsamında SOG süreci ile üretilen ve ölçülen Pirani vakum sensörü yapısı, literatürde daha önce sunulan yapılara kıyasla çok daha kalın yapısal katman (100 µm) ile üretilmiş bir yapıdır ve bu şekilde kalın yapısal katmana sahip SOI (Silicon-on-Insulator) gibi üretim süreçleriyle üretilmeye çok uygun bir sensördür. Paketlenmiş Pirani vakum sensörü yapıları üzerinde gerçekleştirilen ölçümlerde, pul seviyesinde paket yapısının içerisindeki basınç 2.4 mTorr, yonga seviyesinde paket yapısının içerisindeki basınç 1400 mTorr olarak ölçülmüştür.
Bu bölümde öncelikle MEMS teknolojisine ilişkin kısa bir bilgi verilmiş, kullanım alanları özetlenmiş, MEMS ürünlerin pazar paylarına ilişkin veriler sunulmuş ve pul seviyesinde ve yonga seviyesinde paketleme yaklaşımlarının maliyete olan etkileri belirtilmiştir. Ardından entegre devrelerin paketlemesine genel bir bakış sunulmuş ve MEMS ürünlerin paketlerinde bulunması gereken gereksinimler entegre devre paketleriyle kıyaslanarak verilmiştir. Bu bölümde son olarak tezin amacı ve içeriği özetlenmiştir.
Giriş bölümünün ardından, ikinci bölümde MEMS ürünler için literatürde sunulmuş vakum paketleme çalışmalar özetlenmiştir. Bu bölümde vakum paket yapılarında
basınç ölçümü ve sızdırmazlık tespiti için kullanılan Q-faktörü çıkarımı, helyum kaçak testi yöntemleri kısaca verilmiş ve Pirani vakum sensörü yapısı üzerinde durulmuştur.
Yine bu bölümde Pirani vakum sensörünün çalışma prensibi ve analitik modellemesi de sunulmuştur.
Üçüncü bölümde, MEMS teknolojisinde kullanılan bazı temel üretim adımlarıyla ilgili genel bir bilgi verilmiş, ardından MEMS dönüölçer yapılarının ve Pirani vakum sensörünün üretiminde kullanılan DWP ve SOG üretim yöntemleri ile tez kapsamında tasarlanan Pirani vakum sensörlerinin yapısı anlatılmıştır. Pul seviyesinde ve yonga seviyesinde vakum paketlemede kullanılan yöntemlerle ilgili bilgiler de yine bu bölümde sunulmuştur.
Dördüncü bölümde, Pirani vakum sensörünün vakum haznesinde ve paketlenmiş yapılarda gerçekleştirilen ölçüm sonuçları yer almıştır. Vakum haznesindeki sonuçların analitik modellerle karşılaştırılması ve paket yapılarında basıncın tespiti için gerçekleştirilen ölçümlerin sonuçları bu bölümde değerlendirilmiştir.
Son olarak, beşinci bölümde tez kapsamında elde edilen sonuçlar özetlenerek, gelecekte yapılabilecek çalışmalara ilişkin öngörüler sunulmuştur.
1.1 MEMS’e Giriş
Maddenin en küçük yapıtaşının atom olarak adlandırılmasının üzerinden iki bin yıldan fazla zaman geçmiş olmasına rağmen, küçük boyutlu yapıların önemine ilk vurguyu, 29 Aralık 1959’da, California Teknolojisi Enstitüsü’ndeki konuşmasıyla Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman yapmıştır. “There's Plenty of Room at the Bottom” başlıklı bu konuşmada Feynman, "herşeyi küçük bir ölçekte yönlendirme ve denetleme"
düşüncesini dile getirmiştir (Feynman 1959). Tüm Britannica ansiklopedisini toplu iğne başına yazabilecek teknolojiden, çok küçük bilgisayarlardan, mikroskobik araçlardan, hatta vücudumuzun içine girerek ameliyat yapabilecek küçük makinalardan söz etmiştir.
O dönemde birçok araştırmacı, Feynman'ın ünlü mizah yönünü de göz önünde bulundurarak, ortaya attığı düşünceleri bir şaka olarak değerlendirdi. Ancak geride bıraktığımız 50 yıllık süreç, Feynman’ın 1959 yılında yaptığı konuşmadaki öngörülerini doğrular nitelikte olmuş ve Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) olarak adlandırılan bir teknolojinin gelişmesine tanıklık etmiştir. MEMS teknolojisi, başlarda sadece yarıiletken endüstrisindeki teknolojileri kullanmıştır. Entegre devrenin icadının üzerinden 10 yıldan daha az bir süre geçmişken, H.C. Nathanson et al. (1967) ilk mikromekanik tepki verici yapısını sunmuştur. 1980’lerin başında üretim teknolojisindeki gelişmelerle birlikte mikromekanik yapılar pazardaki yerini almaya başlamışlardır. Ardından devam eden araştırmalar sonucunda MEMS teknolojisi tam anlamıyla bir endüstri haline dönüşmüştür. Bugün gelinen noktada MEMS teknolojisi pek çok tasarım ve mühendislik sorununun çözümünde büyük bir yarar sağlamaktadır.
Günümüzde, araçlardaki hava yastığı sistemlerindeki ivmeölçerler, motor kontrol sistemlerindeki basınç sensörleri, bilgisayarlarda sabit disklerdeki bilginin okunması ve yazılması için kullanılan manyetik başlıklar, noröfizyologların insan beyninin fonksiyonlarını anlamakta kullandıkları elektrotlar, yazıcıların kartuşlarındaki mürekkep akışını kontrol eden sistemler gibi ürünler MEMS teknolojisinin kullanıldığı alanlara örnektir (Maluf and Willams, 2004). 1999 yılında 2 milyar dolar seviyelerinde olan MEMS ürünleri pazarı 2006 yılında 7.6 milyar dolara ulaşmıştır. Şekil 1.1’de 2006 yılı verilerine göre MEMS ürünlerinin pazar payı dağılımı verilmiştir (http://www.wtc- consult.com, Nisan 2007). MEMS pazarının 2011 yılında 12 milyar dolarlık bir pazara erişeceği tahmin edilmektedir.
Kartuş başlıkları (%30)
Basınç ve akış sensörleri (%20)
Ataletsel sensörler (%16)
MOEMS (%13) BioMEMS
(%13) RF MEMS
(%4) Prob kartlar
(%4) Kızılötesi sensörler
(%4) Diğer
(%4)
MEMS mikrofonlar (%1)
Şekil 1.1 2006 yılı itibariyle MEMS ürünlerinin pazar payı dağılımı (http://www.wtc-consult.com, Nisan 2007)
MEMS ürünlerinin maliyetlerinin önemli bir bölümünü paketleme ve paketlenmiş ürünü test etme masrafları oluşturmaktadır. Bu ürünler entegre devrelere kıyasla daha farklı ve pahalı paket yapılarına gereksinim duymaktadır. Farklı sensörler için farklı paket gereksinimlerin olması, MEMS ürünlerinin daha geniş bir pazarda kabul görmesinin önündeki ana engeldir. Bu nedenle düşük maliyetli paketleme ve test yapılarının geliştirilmesi son derece önemlidir. Şekil 1.2’de farklı yöntemlerle paketlenmiş bir MEMS yapısı için genel bir maliyet dağılımı sunulmuştur (Premachandran 2002).
Geleneksel paketleme yaklaşımıyla (seramik veya metal paket kullanılarak) MEMS ürünlerin, tek tek ayrık paketlere yerleştirilmesi durumunda (Şekil 1.2.a) paketleme maliyeti, ürünün toplam maliyetinin %75’lik bir kısmını oluşturmaktadır. Bu maliyet, pul seviyesinde paketleme tekniği kullanıldığında, pul üzerindeki bütün MEMS ürünler aynı anda paketlenebildiğinden %30’a düşebilmektedir. Tez kapsamında, hem geleneksel paketleme hem de pul seviyesinde paketleme tekniği üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak bu noktada belirtilmelidir ki, MEMS teknolojisinin önemli hedeflerinden biri olan “ucuz sensör üretimi”ni gerçekleştirebilmek için pul seviyesinde paketleme teknolojisinin geliştirilmesi son derece önemlidir. Dolayısıyla, günümüzde
bütün dünyada pul seviyesinde paketleme teknolojisinin geliştirilmesi yönündeki çalışmalar, MEMS alanının en sıcak araştırma konularının başında gelmektedir.
(a)
Paketleme (%30)
Üretim (%60)
Tasarım (%10)
(b)
Şekil 1.2 Paketleme türüne göre MEMS yapının maliyet dağılımı (Premachandran 2002)
a. Metal/seramik paket kullanılırsa, b. Pul seviyesinde paketleme yapılırsa
1.2 Paketlemeye Giriş
MEMS yapıların paketlenmesine duyulan gereksinimi ortaya koyabilmek için, bu bölümde, paketleme konusuna genel bir bakış sunulacaktır. Bu bölümde öncelikle entegre devrelerin paketlemesi konusuna geniş bir açıdan bakılacaktır. Ardından entegre devrelerin paketlenmesinin gereksinimleri daha iyi anlaşılmış olarak, MEMS ürünlerin paketlemesi konusu üzerinde yoğunlaşılacaktır.
1.2.1 Entegre devrelerin paketlemesine genel bir bakış
Entegre devrelerin paketleri, entegre devrenin bir sistem uygulaması içerisinde kullanılması durumunda gerekli olabilecek şartları sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Paket yapılarının hacim ve ağırlığı küçük olmalı, maliyeti az olmalı ve karmaşık olmamalıdır. Entegre devrelerde kullanılan paket yapılarının ana fonksiyonları şunlardır: i) entegre devre için mekanik destek oluşturmak, ii) entegre devreyi toz, nem gibi çevresel şartlardan korumak ve iii) entegre devre ile diğer sistem elemanlarına elektriksel bağlantıyı sağlamaktır (Brown and Ulrich 2006, Greig 2006).
• Mekanik destek: Entegre devrelerin ısıl ve mekanik şoklardan, titreşimlerden, yüksek ivmelerden, stoklama sırasındaki fiziksel darbelerden korunması gerekmektedir. Bu gereksinimler doğrultusunda;
o Paketlenmiş entegre devrenin ısıl şoklardan korunabilmesi için, paketin ısıl genleşme katsayısı ile silisyum entegre devrenin ısıl genleşme katsayısı uyumlu olmalıdır. Aksi halde entegre devrenin kırılması veya yüzeyden ayrılması söz konusu olabilir.
o Entegre devre taşıyıcı bir düzlem üzerine oturtulduğunda ve gerekli tel bağlantılar (wirebonds) yapıldığında, fiziksel darbelere ve mekanik şoklara karşı bu düzenek korumaya alınır. Bu amaçla paketin kenarlarına duvarlar ve tabanına destek eklenir. Ayrıca paketin üzeri plastik veya bir başka malzemeyele kapatılır.
• Çevresel faktörlerden koruma: Çevresel faktörler paket içerisindeki hatlar ve elektronik devrelerde çeşitli zararlara yol açabilir. Örneğin nem, paketlenmiş entegre devreler için üzerinde durulması gereken en önemli çevresel koşullardan biridir. Elektronik devrenin üretimi sırasında, entegre devre hücresinin pakete tutturulmasında emilen nem ile paket içerisindeki nem, entegre devrenin tutturulduğu yerden kabarmasına ve zamanla soyulmasına yol açabilir. Bu sıkıntıları ortadan kaldırmak amacıyla, pek çok uygulamada sızdırmaz (hermetic) malzemelerden oluşan paket yapısı kullanılmaktadır.
• Diğer sistem bileşenleriyle elektriksel bağlantılar: Entegre devre ile sistem arasındaki bağlantıdaki ara yüz olarak kullanılan paket yapısı, DC (direct current) veya bazı uygulamalarda RF (radio-frequency) işaretleri paketin içerisine transfer edebilmelidir. Paket içerisinde birden fazla bileşen olması durumunda da bu bağlantıları sağlamak yine paketin işlevleri arasındadır.
Yukarıda özetlenen gereksinimler ve gereksinimlerin öncelikleri uygulamadan uygulamaya değişebilmektedir. Bu yüzden farklı uygulamalar için farklı entegre devre paketleri geliştirilmiştir. Entegre devreler için geliştirilen paketler temel olarak, metal, seramik ve plastik gibi gruplara ayrılmaktadır. Şekil 1.3’te entegre devrelerin paketlemesinde kullanılan metal paketlere çeşitli örnekler sunulmaktadır. Bu paketler ilk olarak transistörlerin paketlenmesinde kullanıldığı için TO (transistor-outline) paket olarak adlandırılmaktadır. Bu paket tipleri, baskı devre kartlarında birçok sayıda entegre devrenin kullanılması gerekliliği ortaya çıktıktan sonra önemini yitirmişlerdir.
Şekil 1.4’te seramik paketlere bazı örnekler verilmiştir. Şekilde gösterilen paket yapılarının her iki tarafında da bağlantı bacakları bulunduğu için bu paket yapıları CERDIP (Ceramic dual-in-line) olarak adlandırılmaktadır. Bu paketler TO metal paketlere kıyasla çok daha kolay bir şekilde baskı devre kartlarına yerleştirilebilmektedir. Özellikle 1980’li yıllarda üretilen mikroişlemci yapılarının paketleri genellikle CERDIP grubundaki paketlerdendir. Şekil 1.5’te plastik paket ile paketlenmiş entegre devre yongaları görülmektedir. Günümüzde kullandığımız entegre devrelerin %90-%95 bu tipteki paket grubundandır. Bu paketler her ne kadar diğer
paketlere kıyasla çevresel koşullara daha az koruma sağlasa da ucuz olmaları sebebiyle yaygın bir şekilde tercih edilmektedir.
Şekil 1.3 Entegre devrelerin paketlemesinde kullanılan metal paketlerden TO (transistor-outline) paket örnekleri (http://www.spectrum- semi.com/products/toheader.html, Haziran 2008)
Şekil 1.4 Entegre devrelerin paketlemesinde kullanılan seramik paketlerden CERDIP (ceramic dual-in-line) paket örnekleri (http://www.spectrum- semi.com/products/dip.html, Haziran 2008)
Şekil 1.5 Plastik paket (Plastic dual-in-line) ile paketlenmiş entegre devre yongaları (http://en.wikipedia.org/wiki/Dual_in-line_package, Haziran 2008)
Entegre devre paketleri MEMS ürünlerin diğer sistem elemanlarıyla bağlantılarının oluşturulabilmesi amacıyla da kullanılabilmektedir. Şekil 1.6’da tez kapsamında tasarlanıp üretilen Pirani vakum sensörü yapısının ölçümlerinin gerçekleştirilebilmesi için kullanılan paket yapısı görülmektedir (CERDIP). Üretimin ardından pulun hücre hücre parçalara ayrılmasının ardından, pakete yapışkan bir malzemeyle tutturulan Pirani vakum sensörü yapısı, tel bağlantılarında alınmasıyla, herhangi bir baskı devre veya benzeri bir düzeneğe bağlanmaya hazır hale gelmektedir. Şekil 1.7’de ise Pirani vakum sensörü yapısının paketlenmesinde kullanılan bir diğer paket yapısı sunulmuştur (hybrid platform package). Bu paket yapısının kapağı, daha sonraki bölümlerde de detaylandırılacağı üzere vakum kaynağı cihazı ile sızdırmaz ve içerisi vakum olacak şekilde kapatılabilmektedir. Dolayısıyla bu paket yapısı dönüölçer gibi vakum altında çalışan yapılar için oldukça uygundur.
CERDIP (Ceramic Dual-in-line
package)
Pirani vakum sensörü
Tel bağlantılar
Şekil 1.6 Tez kapsamındaki çalışmalarda üretilen Pirani vakum sensörü yapısının ölçümlerini gerçekleştirebilmek için kullanılan seramik paket yapısı (CERDIP)
Şekil 1.7 Tez kapsamındaki çalışmalarda üretilen Pirani vakum sensörü yapısının ölçümlerini gerçekleştirebilmek için kullanılan hibrit paket yapısı
Bu paket yapısı, yonga seviyesinde vakum paketleme çalışmalarında kullanılmaya uygun bir yapıdadır.
1.2.2 MEMS paketleme yaklaşımları
MEMS teknolojisi, ortaya çıkışından bugüne dek üretim süreçlerini ve kullanılan teknolojileri, daha önce olgunlaşmış olan entegre devre teknolojisi ile dengelemeye ve benzer hale getirmeye çalışmıştır. MEMS pazarının da entegre devre pazarında olduğu gibi yığın üretim, dolayısıyla düşük maliyet dengesini oluşturabilmesi için, entegre devreler ile MEMS ürünlerin paketleme tekniklerin de benzer olması istenen bir durumdur. Her ne kadar entegre devrelerin paketleme teknikleri ile MEMS ürünlerin paketleme teknikleri bazı açılardan paralellikler gösterse de, MEMS ürünler çok daha karmaşık paket yapılarına gereksinim duymaktadır (Hsu 2000).
Çizelge 1.1’de entegre devreler ve MEMS paketlerin farklı açılardan gereksinimleri sunulmaktadır (Stark 2004). Bu çizelgeden de görüleceği üzere, MEMS yapıları daha kapsamlı ve çeşitli paket yapılarına gereksinim duymaktadır. Entegre devreler için vakum gibi bir gereksinim yokken, dönüölçerler gibi bazı mikromekanik yapılar için vakum paketleme gerekmektedir. Çünkü bu yapılarda hava sürtünmesi mekanik kalite faktörünü (Q-faktörü) düşüren en önemli etkenlerdendir (Gabrielson 1993). Entegre devrelerde kullanılan paket yapılarında DC ve RF işaretlerin paket içine ve dışına iletilebilmesi yeterli iken, MEMS ürünler için kullanılan paketlerde, ürünün işlevine bağlı olarak, DC ve RF elektriksel işaretlerin yanısıra, akışkan, mekanik ve optik
işaretlerinde paket içine ve dışına iletilebilmesi gerekmektedir. MEMS ürünler için geliştirilen paket yapısı mekanik ve kimyasal korumanın yanısıra, örneğin BioMEMS uygulamaları için, biyolojik bakımdan da uygun olması gerekmektedir. MEMS ürünler için bu gereksinimleri karşılayacak doğrultuda paket yapılarını pul seviyesinde gerçekleştirebilmek, maliyetler açısından çok önemlidir. Örneğin pul seviyesinde hücreler halinde sızdırmaz vakum paket yapısı içerisine yerleştirilen MEMS ürünler, diğer sistemlerle bağlantıların kurulabilmesi için, Şekil 1.6’da gösterildiği gibi ucuz entegre paketleri içerisine rahatlıkla yerleştirilebilirler. Pul seviyesindeki paketleme süreci, MEMS yapıya zarar vermeyecek uygun bir sıcaklıkta yapılmalıdır. MEMS yapıların üzerine bir kapak yapısı yerleştirebilmek için kullanılacak olan teknolojiye bağlı olarak paketleme için 100 °C ile 900 °C arasındaki sıcaklıklar gerekebilmektedir.
Çizelge 1.1 Entegre devre ve MEMS ürünlerin paketlerinde olması gereken özellikler
Gereksinim Entegre devre MEMS
Kapatma türü Sızdırmaz/Sızdırır Sızdırmaz/Sızdırır /Vakum
Beslemeler DC/RF DC/RF/akışkan/mekanik/optik
Çevresel koruma Mekanik/Kimyasal Mekanik/Kimyasal/Biyolojik Kapatma sıcaklığı < 450 °C 100 °C ile 900 °C arasında
Pul seviyesinde paketleme için geliştirilen tekniklerden biri MEMS ürünlerin bulunduğu pulun üzerine bir başka pulun gerekirse bir ara malzeme kullanılırak yapıştırılması (wafer-bonding) tekniğidir. Diğer teknik ise MEMS ürünlerin bulunduğu pulun üzerine başka katmanların büyütülüp, yapıların ince bir kabuk (thin-film encapsulation) ile örtüldüğü paketleme tekniğidir. Tez kapsamındaki pul seviyesinde paketleme çalışmaları çerçevesinde pul yapıştırma tekniği üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda MEMS ürünlerin bulunduğu pulun üzeri bir başka silisyum pul ile kapatılmıştır.
Oluşturulan paket yapısının şematik görünümü Şekil 1.8’de verilmiştir. Şekil 1.9’da ODTÜ MEMS Tesisleri’nde üretilen MEMS yapıların olduğu pul ile yapıların üzerine kapatılacak olan silisyum kapak pul görülmektedir. Silisyum kapak pul ile MEMS yapıların bulunduğu pulu birbirine yapıştırmak için MEMS yapıların etrafını
çevreleyecek şekilde cam hamuru (glass frit) denilen bir malzeme kullanılmıştır. İki pulu birbirine yapıştırmak için kullanılan pul yapıştıcı cihazında pulların arası vakuma alınmaktadır. Yapıştırma sırasında cam hamuru malzemesinden yayılan gazlar, paket hücrelerinin içerisinde gaz soğurucu (getter) denilen bir malzeme yardımıyla soğurularak, paket içerisinde vakum ortamının elde edilmesine katkı sağlamaktadır.
Paket içerisindeki basınç seviyesi MEMS ürünlerin olduğu pul üzerinde diğer MEMS ürünlerle birlikte üretilmiş olan Pirani vakum sensörü kullanılarak ölçülmüştür. Paket yapısının üretimi ve Pirani vakum sensörü hakkındaki bilgiler tezin sonraki bölümlerinde sunulacaktır.
Şekil 1.8 Tez kapsamında çalışamalarda oluşturulan ve incelenen pul seviyesinde vakum paketleme yapısı
MEMS yapıların olduğu pul Kapak pulu
Şekil 1.9 ODTÜ MEMS Tesisleri’nde üretilen MEMS yapıların olduğu pul ve yapıların üzerine paketleme amacıyla kapatılan silisyum kapak pul
Şekil 1.10 Pul seviyesinde paketlenmiş yapının fotoğrafı
Dış dünyaya elektriksel bağlantıların sağlanması için kapak pula açılan penceler yandaki diğer fotoğrafta verilmiştir.
1.3 Tezin Amacı
Bu tezde, MEMS teknolojisi ile üretilen dönüölçer yapıları için sızdırmaz vakum paket yapısının oluşturulması ve paket içerisindeki basınçların tespit edilmesi amaçlanmaktadır. Tez kapsamındaki faaliyetlerde daha çok Pirani vakum sensörü yapısı ile paket içerisindeki basınçların tespit edilmesi üzerinde yoğunlaşılmıştır.
ODTÜ’de MEMS grubunda Prof. Dr. Tayfun Akın ve Dr. Said Emre Alper tarafından 1998 yılından bu yana yürütülen ve ülkemiz için kritik bir MEMS ürünü olacağı öngörülen dönüölçer tasarımı, üretimi ve paketleme çalışmaları kapsamında katkıda bulunduğum çalışmalarda, MEMS dönüölçerler için iki farklı üretim süreci (Dissolved- Wafer Process, DWP ve Silicon-on-Glass, SOG) üzerinde durularak dönüölçerler ve
Pirani vakum sensörleri üretilmiş, ürünlerin paketlenmesi için iki tür paket yapısı gerçekleştirilmiş ve bu paket yapılarının içerisindeki vakum seviyeleri geliştirilen Pirani vakum sensörleri ile ölçülmüştür. Söz konusu çalışmalarda hem pul seviyesinde paketleme, hem de yonga seviyesinde paketleme çalışmaları yapılmıştır. Her iki paket yapısıyla da elde edilebilen vakum seviyeleri, geliştirilen Pirani vakum sensörleri kullanılarak tespit edilebilmiştir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar şu şekilde özetlenebilir:
1. MEMS dönüölçerler için geliştirilen DWP ve SOG üretim süreci aşamalarının iyileştirme çalışmalarına katkı sağlanması: Yüksek performanslı dönüölçer yapılarının üretilebilmesi için dönüölçer yapılarına uygun, yapısal katman kalınlığının fazla olduğu üretim süreçlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. DWP ve SOG üretim süreçleri sırasıyla yaklaşık 15 µm ve 100 µm yapısal katmana sahip üretim süreçleridir. Tez kapsamında katkıda bulunduğum çalışmalarda, DWP ve SOG süreçleri tekrarlanabilir bir şekilde üretim sonucu verecek şekilde iyileştirilmiştir.
2. MEMS dönüölçerler için geliştirilen üretim süreçleriyle üretilebilecek Pirani vakum sensörü yapılarının tasarlanması, üretilmesi ve ölçülmesi: Yapılan literatür taraması sonucunda, Pirani vakum sensörü yapılarının paket basınçlarının tespit edilmesinde kullanılmasının en güvenilir ve ucuz yöntem olduğu anlaşılmış ve bu yapıların çalışma prensibi ve tasarım yöntemi derinlemesine irdelenmiştir. Geliştirilen DWP ve SOG üretim süreci ile üretilebilecek şekilde, öngörülen paket yapılarının içerisine sığabilecek boyutlarda Pirani vakum sensörü yapıları tasarlanmış, üretilmiş ve vakum haznesinde farklı basınçlar altında ölçülmüştür. Yapıların istenen basınç aralığında çalıştığı görülmüştür.
3. MEMS dönüölçerler için pul seviyesinde ve yonga seviyesinde sızdırmaz vakum paketi geliştirilmesi çalışmalarına katkı sağlanması: MEMS dönüölçerler için hem pul seviyesinde, hem de yonga seviyesinde vakum paket yapısının oluşturulması çalışmaları üzerinde durulmuştur. Pul seviyesinde vakum
paketleme çalışmaları kapsamında, silisyum bir pul, MEMS yapıların üzerini kapatacak şekilde, sızdırmaz özelliği olduğu bilinen cam hamuru (glass frit) malzeme yardımıyla yapıştırılmıştır. Yonga seviyesinde paketleme çalışmaları kapsamında entegre devre paket yapılarına benzeyen, ancak onlardan farklı olarak vakum ortamının sağlanabildiği hibrit paket yapısı kullanılmıştır. Hibrit paket içerisine yerleştirilen MEMS ürün, paketin metal kapağının üzerine oturtulup, kapatma işlemi için geliştirilmiş bir cihaz yardımıyla sızdırmaz bir şekilde kapatılmıştır.
4. Geliştirilen Pirani vakum sensörü kullanılarak, pul seviyesinde ve yonga seviyesindeki paket yapılarının içerisindeki basınç seviyelerinin tespit edilmesi:
Oluşturulan paket yapılarının içerisinde basınçlar, vakum haznesinde farklı basınçlarda ölçülen Pirani vakum sensörü yapısının, paket içerisinde tekrar ölçülmesiye tespit edilmiştir. Bu kapsamda yapılan çalışmalar ile pul seviyesinde vakum paket yapısı içerisinde basıncın 2.4 mTorr, yonga seviyesinde vakum paket yapısı içerisindeki basıncın ise 1400 mTorr olduğu gözlenmiştir.
2. KURAMSAL TEMELLER
Bu bölümde ilk olarak MEMS yapıların paketleme çalışmaları kapsamında literatürde sunulan çalışmalara genel bir bakış sunulmuştur. Ardından vakum paketleme çalışmalarındaki sızdırmazlık ve paket içerisindeki basıncı ölçme teknikleri özetlenmiştir. Son olarak, tez kapsamındaki çalışmalarda, basınç ölçme tekniği olarak kullanılan Pirani vakum sensörü yapısının çalışma prensibi anlatılmıştır.
2.1 Daha Önce Sunulan Paketleme Çalışmalarına Genel Bir Bakış
MEMS paketleme çalışmaları kapsamında çalışmalar yapan araştırmacılar, ürünlerin gereksinimleri doğrultusunda çok çeşitli paketleme yöntemleri geliştirmişlerdir. Radyo frekanslarında filtreleme yapan mikrorezonatör yapıları (Nguyen et al. 1998) ve rezonans dönüölçer (Ayazi and Najafi 2001, Alper et al. 2007) yapıları gibi MEMS elemanları sızdırmaz (hermetic) vakum pakete, ivmeölçer (Lee et al. 2000) ve mekanik DC-DC çeviriciler (Moltonen and Oja 2001) gibi MEMS yapıları ise vakum gerektirmese de sızdırmaz pakete gereksinim duymaktadır. Sızdırmaz paketlerin maliyetinin düşük olması pul seviyesinde (wafer-level) paketlemenin geliştirilebilmesi ile mümkündür. Pul seviyesinde paketleme süreçlerinin geliştirilmesi sayesinde, MEMS elemanların ürüne dönüştürülmedeki maliyetleri önemli bir oranda azalacak ve MEMS ürünlerin de entegre devreler gibi yaygın bir şekilde pazardaki yerini alabilmesi mümkün olabilecektir. Pul seviyesinde paketleme çalışmaları genel olarak başka bir pulun işlenerek, gerekiyorsa bir yapıştırma (bonding) malzemesi kullanarak, MEMS yapıların oluşturulduğu tabana yapıştırılması şeklinde gerçekleştirilmektedir (Budraa et al. 1999, Lee et al. 2000, Sparks et al. 2001, Cheng et al. 2002, Sparks et al. 2003, Chae et al. 2008). İki pulun birbirine yapıştırılması teknolojisinin geliştirilmesi MEMS paketleme için başlangıç noktası kabul edilirse, MEMS paketleme çalışmalarının ilk olarak 1969 yılında, silisyum ve cam tabanlar için anodik yapıştırma tekniğinin geliştirilmesiyle başladığı söylenebilir (Wallis and Pomerantz 1969). Wallis ve Pomerantz (1969) sodyum ile zenginleştirilmiş cam ile silisyumun yüksek elektrik alan yardımıyla yapıştırılabileceğini göstermişlerdir. Daha sonraki yıllarda bu teknoloji MEMS yapıların üretim ve paketleme süreçlerinde sıklıkla kulanılmıştır (Esashi et al.
1990, Rogers 1992). Paketleme konusunda önemli kilometre taşlarından biri de, iki silisyum tabanın birbirine yapıştırılması için kullanılan eutectic bonding yapıştırma tekniğinin geliştirilmesidir. Ko et al. (1985) altın ile silisyumun 363 °C’de birbirlerinin içine girerek kimyasal olarak bağlandığını göstermiştir. Bu yaklaşım, özellikle sızdırmaz vakum paketleme çalışmaları yapan araştırmacıların ilgisini çekmiştir (Tiensuu et al. 1994, Mei et al. 1996, Cohn et al. 1996). 1980’lerin sonunda ve 1990’ların başında, Peterson et al. (1988) ve Huff et al. (1991) yüksek sıcaklıklarda Si- Si ve Si-SiO2 füzyon yapıştırma tekniğini göstermiştir. Bu teknik de MEMS yapılarının paketlenmesinde kullanılmıştır. MEMS yapıların paketlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir diğer teknik ise cam hamuru (glass frit) adlı malzemeyi kullanan yapıştırma tekniğidir (Patel et al. 1999). Nispeten düşük bir erime sıcaklığına (~400
°C) sahip bir malzeme olan cam hamuru, sızdırmaz vakum paket yapılarının oluşturulmasında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında pul seviyesinde paketleme çalışmalarında yapıştırma malzemesi olarak cam hamuru kullanılmıştır.
Şekil 2.1.a’da literatürde sunulan pul yapıştırma tekniğinin kullanıldığı son çalışmalardan, Chae et al. (2008) tarafından sunulan bir paket yapısı görülmektedir. Bu çalışmada, paket yapısının içerisindeki MEMS yapılara erişim için dikey elektriksel besleme kanalları oluşturulmuştur. Bu besleme kanalları lehim topları ile doldurulmuştur. Şekil 2.1.b’de besleme kanallarının içerisindeki lehim toplarının SEM (Scanning electron microscope) görüntüsü verilmiştir. Bu lehim topları, paketlenmiş MEMS yapılarının puldan kesilip ayrık yongalar haline gelmesinin ardından, yapıların başka devrelerle kolaylıkla bağlanabilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada paket içerisindeki basınç Pirani vakum sensörü yardımıyla 33 Torr olarak ölçülmüştür.
(a)
(b)
Şekil 2.1 İnceltilmiş cam taban üzerinde üretilen MEMS yapıların silisyum taban ile kapatıldığı paket yapısı (Chae et al. 2008)
a. Yapının şematik gösterimi, b. İnceltilmiş cam taban içerisine açılan besleme kanallarının ayrıntılı görüntüleri. Besleme kanallarının içerisindeki lehim topları SEM görüntüsünde açıkça görülmektedir.
Vakum paketleme için iki pulun birbirine yapıştırıldığı süreçlerde yapıştırma sıcaklığının düşürülmesi için düşük sıcaklıklarda eriyebilen lehim kullanılan çalışmalar da yapılmıştır (Sparks et al. 2001, Cheng et al. 2002). Şekil 2.2.a’da aluminyum katmanın lehim gibi kullanılarak iki tabanın birbirine yapıştırıldığı çalışma görülmektedir. Bu çalışmada, aluminyum katmanın altına yerleştirilen polysilisyum dirence uygun miktarda akım verilerek aluminyum ısıtılmakta ve aluminyumun yumuşaması sağlanmaktadır. Cam kapak ile silisyum tabanın birbirlerine hizalanarak belli bir basınç ile sıkıştırılmalarıyla paket yapısının elde edilmesi mümkün olmaktadır.
Şekil 2.2.b’de yapının SEM cihazı ile elde edilmiş görüntüsü sunulmaktadır (Cheng et al. 2002). Kapak zorlanıp kırılarak elde edilen bu görüntüde, paket içerisindeki MEMS rezonatör yapısı da görülebilmektedir. Bu yapı kullanılarak Q-faktörü çıkarımı tekniği ile paket içerisindeki basınç 25 mTorr olarak tespit edilmiştir.
Vakum paketlemede pulların birbirine yapıştırılması için gerekli olan sıcaklıkların düşürülmesi çalışmaları kapsamında Au-Au thermocompression yapıştırma tekniği de incelenmiştir (Maharbiz et al. 1999, Tsau et al. 2000). Ancak bu tekniğin pul seviyesindeki istikrarının (uniformity) çok iyi olmadığı anlaşılmıştır.
Bugüne dek sunulmuş paketleme çalışmaları arasında, BCB (Benzo-cyclo-butene) adlı maddenin iki pulu birbirine yapıştırmak için kullanıldığı çalışmalar da bulunmaktadır (Niklaus et al. 2001, Jourdain et al. 2005). Bu paket yapısında, öncelikle BCB malzeme, MEMS yapının etrafını halka olarak saracak şekilde kapak pulda şekillendirimektedir.
Kapak pul, uygun sıcaklık ve kuvvet uygulanarak, MEMS yapının olduğu tabana doğru bastırılmakta ve BCB halkanın bir miktar eriyerek tabana yapışması sağlanmaktadır.
Bu paket yaklaşımı yarı sızdırmaz paket yapılarının kabul edilebilir olduğu, vakum gerektirmeyen RF MEMS yapılar için geliştirilmiştir. Paket yapısının sızdırmazlık değerlendirmeleri Helyum kaçak cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 2.3’te BCB halkanın yapıştırma malzemesi olarak kullanıldığı paket yapısının şematik görünümü ile paketlenmiş RF MEMS yapısının fotoğrafı görülmektedir.
Cam Taban Aluminyum
lehim Polysilisyum
mikroısıtıcı µ-rezonatör
(a)
(b)
Şekil 2.2 Polysilisyumdan yapılan mikroısıtıcı ile eritilen aluminyumun yapıştıcı ara katmanı kullanıldığı paket yapısı (Cheng et al. 2002)
a. Yapının şematik gösterimi, b. Paketlenmiş yapının SEM cihazı ile elde edilen görüntüsü
Vakum paketleme süreçlerinde iki pulun yapıştırıldığı adımda ortaya çeşitli gazlar çıkmaktadır. Her nekadar iki pulun aralarında kalan bölge vakuma alınarak birbirlerine yaklaştırılsa da yapışma sırasında ortaya çıkan gazlar paket basınçlarının istenenden daha yüksek olmasına yol açabilmektedir. Ortaya çıkan bu gazları soğurmak için kapak pullarının iç kısımlarına, gaz soğurucu (getter) katmanı serilmektedir. Bu katmanın aktif hale gelebilmesi için paketlemenin tamamlanmasının ardından ısıtılması
gerekmektedir. Bu işlemin ardından vakum seviyelerinin oldukça düşük değerlere erişebilmesi mümkün olabilmektedir. Şekil 2.4’de Nanogetters Inc. şirketi tarafından geliştirilen gaz soğurucu (getter) katmanının kullanıldığı paket yapısı görülmektedir (Sparks et al. 2003). Bu paket yapısının içerisine yerleştirilen rezonatör yapısı kullanılarak Q-faktör çıkarımı ile ölçülen basınç değerinin 850 µTorr’dan daha iyi olduğu görülmüştür.
Düzlemsel besleme geçişi Kapak
Sızdırmaz şekilde kapatılmış boşluk BCB
yapıştırma malzemesi
RF MEMS anahtar
İşaret hattı MEMS
taban
(a)
(b)
Şekil 2.3 BCB maddesini kapak pul ile MEMS yapının bulunduğu tabanın bütünleştirilmesi amacıyla kullanıldığı paket yapısı (Jourdain et al. 2005) a. Yapının şematik görünümü, b. Cam kapak pul ile paketlenmiş RF MEMS yapısının fotoğrafı
Şekil 2.4 Kapak pulunun iç kısmına Nanogetters Inc. Tarafından geliştirilen gaz soğurucu (getter) malzemesinin serildiği paket yapısı (Sparks et al. 2003)
Pul seviyesinde paketleme konusunda sunulan diğer yaklaşımda ise MEMS yapıların üzerine kapak olarak başka bir pulu yapıştırmak yerine MEMS yapının üzerine ince film (thin-film) şeklinde kaplanan kabuk şeklindeki paketleme yapısıdır (Stark and Najafi 2004, Bartek et al. 1997, Leedy et al. 2007). Bu paketleme yapısında MEMS yapının hemen üzerine ara bir katman serilip üzerine bir katman daha büyütülmektedir. Şekil 2.5’de Stark ve Najafi (2004) tarafından önerilen elektrokaplama tekniği ile büyütülmüş kabuklardan oluşan paket yapılarının SEM görüntüsü verilmiştir. Bu yapıların üretiminde, MEMS yapıların üzerine ikinci bir ara katman daha serilmiş (fotorezist) ve yapıların üzeri elektrokaplama tekniği ile nikel kaplanmıştır. Nikel kabuğun bir kenarında bırakılan bir boşluk yardımıyla hem nikel kabuğun hem de MEMS yapısının havada durmasını sağlayan ara katmanlar aşındırılmıştır. Ardından bu aşındırma boşluğu lehim ile kapatılarak sızdırmazlık elde edilmiştir. Paket yapısının oluşturulmasında düşük sıcaklıkta süreçler kullanılmıştır (< 250 °C). Paket içerisinde basınç Pirani vakum sensörü kullanılarak ölçülmüş ve basıncın ~1.5 Torr seviyelerinde olduğu tespit edilmiştir. Şekil 2.6’da ince yalıtkan kabuk ile paketlenmiş RF MEMS anahtar yapısı görülmektedir. Bu paket yapısının üretim sürecinde, RF MEMS anantarın üzerine fotorezist katman kaplanmış ve fotorezistin üzerine tozutma tekniği ile silisyum nitrür büyütülmüştür. Bu katman üzerindeki kanallar sayesinde ara katmanlar aşındırılmıştır. Ardından kanalların üzeri yine silisyum nitrür ile örtülmüş ve paket yapısı oluşturulmuştur.
Şekil 2.5 Nikel elektrokaplama tekniği ile paketlenmiş MEMS yapıların SEM cihazı ile elde edilen görüntüsü (Stark and Najafi 2004)
(a)
(b)
Şekil 2.6 İnce film yalıtkan kabuk ile paketlenmiş RF MEMS anahtar yapısı (Leedy et al. 2007)
a. Yapının şematik gösterimi, b. Paketlenmiş RF MEMS anahtar yapısının SEM görüntüsü
2.2 Paket Yapılarının Sızdırmazlık Testleri ve Paket İçerisindeki Basınçların Ölçüm Yöntemleri
Bir önceki bölümde de bahsedildiği gibi paket yapılarının sızdırmazlıkları ve basınçları farklı yöntemlerle ölçülebilmektedir. Paket yapılarının sızdırmazlığı Helyum kaçak testi ile değerlendirilebilirken, paket içerisindeki basınç Q-faktörü çıkarımı veya Pirani vakum sensörü yardımıyla tespit edilebilmektedir. Pirani vakum sensörü paket içerisine kolaylıkla yerleştirilebilecek boyutlarda, diğer MEMS sensörleriyle aynı anda üretilebilen, anlık basınç değişimlerini tespit edebilecek hassasiyette güvenilir bir yapıdır. Bu yapılar paket içerisindeki basınçların ölçülmesinin yanısıra uzun vadede paketin içerisindeki basıncın sabit olup olmadığına bakılmak kaydıyla sızdırmazlık hakkında bilgi edinmek için de kullanılmaktadır. Bu sensörler son birkaç yıl içerisinde sunulan paketleme çalışmalarında sıklıkla kullanılan yapılardır. Bu bölümde Helyum kaçak testi ve Q-faktörü çıkarımı ile ilgili bilgiler özetlenecektir. Pirani vakum sensörü ile ilgili bilgiler daha sonraki bölümde sunulacaktır.
2.2.1 Helyum kaçak testi
Şekil 2.7’de Jourdain et al. (2005) tarafından MEMS yapıların sızdırmazlık testleri için geliştirilen Helyum kaçak testi düzeneği görülmektedir. Bu düzenekte paket yapısının ortasına açılan bir delikle helyum kaçak detektörüne bağlanmıştır. Paket yapısı ile detektör arasında kullanılan conta ile sızdırmazlık elde edilmiştir. Detektörün referans ölçümü, conta üzerine paket yerine düz bir silisyum parçası yerleştirilip üzerine helyum püskürtülerek alınmıştır. Benzer şekilde paket yapısının conta üzerine yerleştirilip helyum püskürtülmesiyle, paket yapısının sızdırmazlık testi gerçekleştirilmiştir. Kapak pulu ile alt taban arasında yapıştırma malzemesi olarak BCB’nin kullanıldığı bu paket yapısı için yaklaşık olarak 10-10 mbar.L/s seviyelerinde sızıntı tespit edilmiştir.
Alt taban Kapak pulu
Helyum gazı
Conta
Metal boru
Helyum kaçak detektörü
Şekil 2.7 Bir MEMS paketleme çalışmasında geliştirilen Helyum kaçak testi düzeneği
2.2.2 Q-faktörü çıkarımı ile paket basınçlarının tespit edilmesi
Q-faktörü çıkarımı tekniğinde, paket yapısı içerisinde bir mikromekanik rezonatör yapısının olmasını gerektirmektedir. Giriş kısmından bir sinyal ile uyarılan bu rezonatör yapısının çıkışında, girişteki sinyalin frekansına bağlı olarak farklı genlikte sinyal gözlenmektedir. Cheng et al. (2002) tarafından önerilen paketleme çalışmasında basınçların tespit edilmesi amacıyla kullanılan mikrorezonator yapısı, bu yöntemin kullanıldığı örneklerden biridir. Yapının SEM cihazı ile elde edilen görüntüsü Şekil 2.2.b’de sunulmuştur. Şekil 2.8’de ise mikrorezonatör yapısının giriş-çıkış iletim karakteristiği verilmiştir. Bu karakteristikteki genlik değeri çıkıştaki sinyalin girişteki sinyale oranı şeklinde desibel (dB) cinsinden sunulmuştur. Elde edilen bu ölçümde yaklaşık olarak 57.78 kHz frekansında en yüksek genlikte (~yaklaşık olarak -35 dB) çıkış sinyali elde edilmiştir. Bu yapının Q-faktörü hesaplanırken öncelikle 3 dB bant genişliği hesaplanmaktadır. Bu yapının giriş karakteristiğinin -38 dB olduğu frekans noktalarına bakıldığında yapının 3 dB bant genişliğinin 6 Hz olduğu görülmüştür.
Yapının Q-faktörü değeri, merkez frekansın (57.78 kHz) 3 dB bant genişliğine oranı (6 Hz) alınarak 9600 olarak bulunmuştur. Bu yapının paketlemeden önceki vakum
haznesinde farklı basınçlarda çıkarılan Q-faktörü değerleriyle karşılaştırılarak paket basıncının 25 mTorr olduğu anlaşılmıştır.
Frekans (kHz)
G en lik ( dB )
3 dB bant genişliği Merkez frekans 3 dB
Şekil 2.8 Bir mikromekanik rezonatör yapısının giriş-çıkış iletim karakteristiği (Cheng et al. 2002)
2.3 Pirani Vakum Sensörü
Pirani vakum sensörü, vakum sistemlerinde basıncın ölçülmesi için kullanılan bir ısısal iletkenlik sensörüdür. Marcello Pirani tarafından 1906 yılında icat edilen Pirani vakum sensörü, temel olarak havada asılı duran mikro-köprü şeklindeki bir direnç olarak tanımlanabilir. Şekil 2.9’da mikro-köprünün üstten ve kesitten genel görünümü verilmiştir. Mikro-köprüye akım verildiğinde ısınır. Bu ısının bir kısmı ortamın basıncına bağlı olarak hava ve etrafındaki katı soğurucular tarafından soğurulur. Eğer bu mikro-köprü vakum ortamında ise çevresinde hava atomu bulunmadığından ısının tamamı soğurulamaz, dolayısı ile direncin sıcaklığı değişir. Bu sıcaklık değişimi
