摘要：微型化真空泵对于微机电系统和真空微电子器件的真空封装极具意义。本文从工作原理和工艺实现方面，分析了常见传统真空泵实现微型化的可行性，介绍了膜片泵、射流/扩散泵、努森泵和离子泵的微型化进展，并总结了当前存在的技术障碍。结果表明，目前热点研究的微型化真空泵已经可以构建从大气状态至高真空的真空系统。虽然真空泵微型化后，其性能和工作稳定性相对传统宏观真空泵有较大降低，但具有低功耗、可集成优势，对便携式系统和高真空微系统十分必要。
关键词：微机电系统真空微电子器件真空泵微封装微型化
微型化器件的真空获得，一般不使用传统真空电子器件的排气管和排气台，而是根据实际情况通过真空封装设备、吸气剂，以及本身集成的微型化真空泵等实现。
目前的MEMS商业真空封装设备，可以实现10-3Pa量级以上的动态真空，但微型化器件基本呈现平板式结构，排气时器件内部实际真空和动态环境差异明显，导致封装器件的真空度远低于设备显示值；完成封装的器件，内部真空还会随着气体分子脱附、材料放气和器件微小漏气而逐步恶化[5]。要实现并长期维持微型化器件内部的稳定真空，必须要使用真空泵和（或）吸气剂。
非蒸散型吸气剂（Non-EvaporableGetter，NEG）薄膜具有激活温度低、容易制备、激活过程与封装工艺兼容等优点，目前已经广泛应用于MEMS封装领域[6-7]。但吸气剂一般只能获得中、低真空，或是维持已经获得的高真空；而真空泵则具备从大气状态获得高真空，并且维持长期稳定的能力。
微型化真空系统需要相互协调的全微型化元器件，其中最主要的外围器件就是真空泵。传统真空泵由于质量、体积、功耗都较大而不再适用，微型系统封装需要微型化的真空泵[8]。真空泵的微型化主要涵盖两点：一是泵本身体积的微型化，以及由此带来的轻质量和低功耗；二是泵的加工制备要兼容MEMS工艺。
1真空泵微型化分析
按照工作原理不同，真空泵主要分为气体输运泵和气体捕集泵。输运泵通过气体不断吸入和排出达到抽气目的，常见的有膜片泵、旋片泵、扩散泵和分子泵；捕集泵通过气体吸附剂或低温表面吸附、捕集气体实现抽气，主要包括离子泵、升华泵和低温泵等[9]。
宏观真空泵抽气速率高、极限真空高、抽气效率高，微型化后，由于微加工工艺兼容性原因，可以预期到其性能会下降。同时研究表明，并非所有宏观真空泵都适合微型化。
有些真空泵因为高速运动部件制造比较困难，微型化后性能会大幅下降。如宏观低真空最常用的旋片泵，微型化时要保证旋片和腔体间严格密封以及高度耐磨，这对加工容差提出了很高的要求，迄今仍不能很好实现。利用先进LIGA（Lithographie，GalvaonoformungAbformung）技术实现的、与旋片泵原理最接近的微型精密旋转齿轮泵，功能还只限于液体抽运，而不能有效用于实现真空[10]。宏观高真空最常用的涡轮分子泵，虽然已有针对小型化的新设计提出[11]，但因其高速叶轮和复杂结构制造与微加工兼容较差，目前仅有部分采用微加工技术的准微型化样品[12]，全MEMS微加工技术的分子泵成品尚未见报道。
有些泵虽然能够顺利实现微型化并且保持基本性能特点，但工作条件会发生较大改变，如溅射离子泵[14]；还有一些泵在宏观场景不常见，却因为工作原理以及结构特点原因而比较适用于微型化领域，如努森泵[15]。
2微型化真空泵技术及发展
2.1微型化膜片泵
典型的单级膜片泵通常由一个腔体、一个泵膜、两个阀门和一个致动器组成，它利用泵膜的往复运动营造腔体容积的周期性变化，利用单向阀门控制气体流向，实现气流的定向引入、输出。膜片泵的原理、结构相对简单，膜片材料可使用硅、电介质和多种聚合物，驱动机制可采用静电、压电、电渗、气动和磁力等[16]。关键部件的材料及加工都兼容MEMS工艺，使得膜片泵比较容易和其他微型器件集成，构建片上型系统[17]。
膜片泵工作在气体黏滞流状态，依靠气体浓度梯度实现抽气，该原理限定了其难以产生较高真空。微型化后，由于膜片泵的面/体积比增大，驱动力减弱，摩擦阻尼增大，更加削弱了抽气能力。膜片[18]和阀门[19-20]结构优化有助于提升泵的性能，但有限的性能提升往往伴随着工艺难度的大幅增加。简单言之，结构、工艺复杂的有源阀门性能优于无源阀门，无源阀门性能优于结构、工艺简单的扩散阀门。
膜片泵抽气能力的提升，可以通过多泵级联实现。串联结构泵组能提升抽气压力差，并联结
构则能提升抽气速率。目前有超过50级的级联膜片泵报导，其采用聚酰亚胺膜片和压电驱动方式，虽然这种多级结构的实现工艺十分复杂，但对整体抽气性能提升仍较为有限[21]。
完全MEMS工艺的膜片泵，基本只能实现10kPa量级以上的真空度，即使用作微真空系统的前级真空泵也显勉强。目前该泵应用场景主要集中在液体和气体输运领域。
2.2微型化射流/扩散泵
扩散泵和射流泵原理上归属一类，都是利用液体或气体的高速射流携带被抽气体获得真空。传统上，常将以水和压缩气体为射流源，由大气状态获得低真空的泵称为射流泵；而将以油蒸气为射流源，由低真空前级获得高真空的泵称为扩散泵[22]。
扩散泵虽然有油蒸气污染的缺点，但其凭借原理简单、结构容易实现，以及能够匹配超大型真空系统的优势，曾在很长一段时期内和涡轮分子泵并列，成为实现宏观系统高真空的两大类基础泵。
射流/扩散泵微型化的潜在优势，是泵体不存在活动、运动部件，有望降低微加工制备难度。但是采用水或压缩气体等非加热射流源时，需要外部接入，不利于完全微型化；而采用水蒸气或油蒸气时，要考虑加热源及冷凝设计，这大幅增加了微加工和组装难度。
采用加热射流源的射流/扩散泵，实现小型化时性能已经明显下降。利用精密电火花加工零件和扩散焊工艺组装的小型化不锈钢射流/扩散泵，由于很难解决微小空间的气体泄漏，直接抽大气时仅能实现9kPa的抽气压差[23]。
基于MEMS技术的微型化射流/扩散泵，利用深反应离子刻蚀工艺加工部件。通过阳极键合技术实现密封的硅-玻璃泵体，采用外置氮气射流仅能实现14kPa的气压差[24]。进一步将加热及冷凝回流单元和泵体集成后，系统设计和工艺难度大幅增加，但其极限真空仍只有49.5kPa，该泵的实物照片如图1所示[25]。
▲图1集成射流/扩散泵实物图
由此可见，宏观上原理、结构简单的高真空扩散泵，由于受到射流源高效加热及冷凝问题限制，微型化后只能获得低真空。而与之相适应的是，该泵可以在大气状态下工作，不再要求前级真空。
2.3微型化努森泵
努森（Knudsen）泵是一类特殊的输运泵，它利用不同温度的流体在同一通道中具有不同流通量的原理，使气体定向流动产生压力差，实现抽气效果。具体过程如下：管道两端连接存在温度差的两个气室，当管道直径小于或能够比拟管道中气体分子自由程时，可认为气体处于自由分子流区，此时低温室中的气体将通过管道流向高温室，直至两端气室内气压平方与温度的比值（P2/T）相等时达到平衡[26]。据此原理，构建如图2所示的低温气室-细管道-高温气室-粗管道努森泵基本单元，即可实现定向抽气功能。将该基本单元进行多级串联，就能逐级不断降低气体压力。图3所示为一个15级基本单元串联的小型化努森泵[27]。
▲图2努森泵原理示意图
▲图3某15级小型化努森泵实物图
努森泵概念提出较早，其原理、结构简单，不存在运动部件和阀门，无需工作物质，泵的性能与材料和表面态无关，可靠性高。但努森泵在传统宏观领域并不常见，原因在于努森泵属于低真空泵，但在大气状态（相应分子平均自由程为几十纳米）开始工作时，会要求微米甚至纳米级尺寸的超细管道以满足分子流条件，这对微加工技术要求很高。利用天然多孔材料可以替代实现微通道功能，避免高端微加工工艺。但多孔材料本身的性质会影响努森泵性能，例如纤维素利于在低压差下实现0.4sccm高抽速[28]，而沸石则利于在低抽速下实现50kPa高压差[29]。
现代先进的微加工技术能够制备微型化努森泵单元，并且容易实现多级互连。An等[30]报导了一个162级的串联努森泵组，前54级将大气压力抽低至6.65kPa，后108级继续抽真空至120Pa以下。多级串联实现较高真空度的代价是有效抽速的下降，该泵组抽气速率在10-6sccm量级。微细管道并联能够增加泵的抽速，使用众多0.5μm宽管道密排集成的努森泵，抽速可高达200sccm，然而相应的，只能得到10kPa量级真空度[31]。
努森泵的缺点之一是营造高温气室需要加热源，这增加了泵的功耗，一定程度上也使得系统集成难度和工艺复杂性提高。但总体上，努森泵原理、结构和微加工技术契合，其微型化相对容易。多级级联的努森泵，具备将大气状态直接抽至102Pa真空的能力，意味着其能够直接用作微系统高真空泵的前级泵。
2.4微型化离子泵
离子泵依靠不断形成活性吸气薄膜获得抽真空效果，其原理是，首先通过电场与磁场作用，将泵体阴、阳极之间气体电离，电离后正离子受电场作用加速轰击阴极表面活性材料形成薄膜沉积，活性气体分子与薄膜材料发生反应被捕集，惰性气体分子则被不断形成的沉积材料掩埋。
离子泵结构简单，无需活动部件，无需加热，即便采用传统机械加工技术和金属封装结构，也容易实现微小型化[32]。MEMS微型化离子泵的另一优势在于，平板型的叠层结构容易实现大面积的吸附薄膜。然而初期微型化离子泵用于获取高真空却未获成功[33]，主要原因是微型化后离子泵的启动条件发生了变化。宏观离子泵电极间距较大，一般需要优于10-2Pa的前级真空才开始启动，能够获得很高的极限真空。微型化泵的电极间距很小，在中、低真空下启动容易，大气启动也成为可能，而高真空下的直接电离启动较为困难。
微型离子泵在较高真空放电，最好限定在小体积，并引入磁场营造潘宁放电条件，以延长电子行程，增加气体分子碰撞概率。基于潘宁放电原理，将微加工的硅电极和玻璃绝缘层逐层键合得到钛离子泵，其结构示意如图4所示。该结构可以将102Pa的前级真空抽低至10-5Pa[34]，表明该泵配合真空封装、吸气剂或适当的低真空泵，能够直接将微系统由大气状态抽至高真空。该离子泵经过优化，在阴极表面涂敷氧化镁提高二次电子发射能力，能再次将极限真空提升至10-7Pa，这是目前微型真空泵能够实现的最小值[35]。
▲图4潘宁放电MEMS离子吸附泵结构示意图
微型化离子泵还有多种适用形式：将整硅片作为电极，可以制备用于晶圆级封装的集成式离子泵，直接从大气实现100Pa的封装真空[36]；在某些规避磁场的应用场景，如原子钟和陀螺仪系统，可以使用其他电离形式替代强磁场的潘宁放电，如使用场发射电子束撞击气体分子产生电离[37]，或者使用超强电场直接诱发电极离子化[38]等，但这些技术目前整体电离效果及稳定性不及潘宁放电。
3结论
微型化真空泵可用于满足MEMS微系统和真空微电子器件，特别是便携式气体感知、分析仪器，以及要求高真空的微型电子束、离子束器件系统的应用需求。
离子泵是当前实现微系统高真空的优选真空泵，其需求的前级真空，可以通过真空封装设备、吸气剂、努森泵以及特定设计的低真空型离子泵获得。
相对宏观的真空泵，其微型化泵的抽气性能会有明显下降，但微型泵的优势在于体积小、功耗低和可集成，这对于便携式仪器和高真空微系统十分必要。
本文首发于《真空》杂志2023年第4期
本文作者：李兴辉，杜婷，韩攀阳，陈海军，蔡军，冯进军
作者单位：中国电子科技集团公司第十二研究所微波电真空器件国家级重点实验室，北京100015
