吸氣結構和用于形成該結構的方法
【專利摘要】一種吸氣結構和方法，其中，在一定條件下將晶種材料的層沉積于結構表面的預定區域上，以在結構表面上形成多個成核位。所述成核位在預定區域的表面區域上方具有的平均高度小于1分子厚。接著，在該表面上沉積吸氣材料以形成從該成核位向外突出的多個吸氣材料構件。
【專利說明】
吸氣結構和用于形成該結構的方法
技術領域
[0001]本發明基本涉及用于真空封裝的電子裝置的吸氣結構和用于形成該結構的方法。 【背景技術】
[0002]如已有技術中所知，為了在密封的真空容器(比如在所謂的杜瓦瓶組件(Dewar assembly)中)維持高度的真空，采用吸氣劑，以便捕獲慢慢地透過該杜瓦瓶組件密封件而泄漏的氣體分子，或從容器材料排出的氣體。廣泛使用的吸氣材料包括單獨的鈦，以及鈦， 鋯，釩，鐵和其它的反應金屬的混合物，該材料持續地捕獲各種氣體分子，例如在排氣的真空密封的杜瓦瓶組件中通常發現的氧、氫、氮、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。該吸氣材料與這些氣體發生反應，以便形成在室溫下穩定的氧化物、碳化物、氫化物與氮化物。這些反應是不可逆的，因此不會涉及之后的氣體泄漏的風險。
[0003]存在兩種真空吸氣劑，可蒸發的吸氣劑和不可蒸發的吸氣劑。可蒸發的吸氣劑在杜瓦瓶密封后就地迅速地蒸發到內部杜瓦瓶表面上。主要的例子是玻璃無線電設備或TV真空管中看到的發亮的表面。如果之后曝露于空氣中，則該吸氣劑無法被再激活。不可蒸發的吸氣劑在制造其被應用的裝置的過程中被設置或沉積，在短時間內將其加熱到高溫而被激活。本申請的主體屬于不可蒸發的類型。
[0004]在杜瓦瓶組件中捕獲殘余的氣體分子通過傳統的外部燒制吸氣劑(fired getter)而實現，其例子在發明人為Romano等人的N0.5, 111 ,049號美國專利中描述。吸氣材料(比如，鈦和鉬粉末的多孔混合物)設置于Alloy42容器中，該容器與從杜瓦瓶主體而伸出的管焊接。通過對吸氣材料容器在約800°C下施加熱約10分鐘，該吸氣材料被激活。但是，夕卜部燒制吸氣劑大且笨重，并且必須在杜瓦瓶主體的外部制造。為了在這樣的杜瓦瓶組件中維持高真空度，采用外部燒制吸氣劑會大大增加該杜瓦瓶組件的體積和重量，該杜瓦瓶組件包括現代平面紅外(IR)檢測器陣列，其典型形狀為矩形，該矩形的一般尺寸在0.5至2cm 的范圍內。另外，該吸氣材料必須遠離IR檢測器陣列定位，必須對杜瓦瓶主體進行外部冷卻，以防止對吸氣劑施加的熱量而造成的檢測器陣列和其它杜瓦瓶組件部件的熱損害。吸氣劑組件的機械復雜性和IR檢測器陣列的外部冷卻器的需求增加了 IR檢測器的成本。
[0005]在N0.5，433，639號美國專利中描述了制造真空密封的杜瓦瓶組件的方法。但是， 由于所沉積的薄膜吸氣劑的表面積小，因此可通過該吸氣劑而去除的氣體量是有限的。由于上述IR檢測器優選具有作為檢測器表面積與總的檢測器表面積的比的大的填充系數，以便增加檢測的有效性，于是，吸氣材料可沉積在其上的表面積的百分比較小。
[0006]還如已有技術中所知，傳統的非冷卻IR檢測器陣列容納于真空密封的杜瓦瓶組件中，該杜瓦瓶組件具有平面IR窗，其一般由鍺制成，并且涂敷有表面涂層，以便改善它的IR 透射性。IR輻射穿過該窗并且入射到上述陣列中的檢測器像素。非冷卻的IR檢測器典型為硅或釩氧化物微測熱輻射儀，其為通過熱感應檢測IR輻射的溫度傳感器。
[0007]也如已有技術中所知，將吸氣劑一體形成在晶片級真空封裝的(WLVP)裝置中(要求較大面積的光學窗)，這在放置該吸氣劑的可獲得的區域方面是非常有限的。在晶片級真空封裝的裝置中，吸氣劑經常通過將吸氣材料蒸發或濺射到該裝置的蓋上進行真空沉積。 在光學裝置，比如，IR成像焦平面陣列(FPA)中，該窗占據吸氣劑要沉積在其上的可獲得的面積中的大部分。
[0008]在N0.5,701，008號美國專利中描述了一項技術。如在該文獻中所描述，吸氣劑的表面積的增加通過蝕刻許多的槽，以在放置吸氣劑的蓋晶片表面上形成柱狀突起來實現。 該吸氣劑吻合地沉積于盤旋的表面上，由此通過對二維表面區域添加第三維來增加其表面積。該吸氣劑通過蒸發或濺射于柱狀突起的壁和扁平水平表面上而吻合地沉積。其它的嘗試涉及在將吸氣劑沉積之前對該表面進行粗糙處理以便稍稍增加該面積的方法。
[0009]還如已有技術中所知，形成吸氣劑的一種方法在于對膜進行濺射，該膜包括鋯、 鈦、鐵和共沉積于襯底上的其它的金屬。
[0010]還如已有技術中所知，沉積的真空吸氣劑為下述結構(經常為薄層)，該結構通過蒸發或濺射可與在真空環境中殘余的氣體原子發生化學反應的材料層而形成，以便改善真空質量。吸氣薄膜的形態是重要的，因為其必須具有盡可能大的有效的表面面積，在其上反應氣體種類將會被其捕獲。該吸氣區域不僅為幾何區域。通過在晶粒邊緣處的空隙，提供大部分活性區域。人們已廣泛地對沉積薄膜的生長進行了研究，從而產生了熟知的Movchan和 Demchishin以及Thornton的結構區域模型(SZM)，參見Handbook of Deposit1n Technologies for Thin Films and Coatings(用于薄膜和涂層的沉積技術的手冊)， P.M.Martin，Elsevier，2009,ISBN 978-0-8155-2031-3。該SZM模型使薄膜結構與同系溫度 (homologous temperature)相關，定義為薄膜生長溫度和所沉積的材料的恪化溫度的比。 薄膜晶粒生長的關鍵因素在于襯底表面上的到達原子的移動性。該移動性具有對到達能量和表面溫度的強烈依賴性。具有高移動性(高能量)的原子在該表面上移動而凝聚，形成大的晶粒。具有低能量的原子會更快地停止，并且形成較小晶粒，產生比在具有較大的晶粒的薄膜更大的凈空隙空間。于是，與具有在它們之間的空隙空間的較大晶粒的薄膜相比，優選具有許多較小晶粒的薄膜。快速的沉積率還促進在晶粒之間具有空隙空間的較小的晶粒。 被沉積的上述材料的化學和熱動態特性也對產生的晶粒結構造成影響。
[0011]針對具有低沉積率的高移動性的場合，在圖1A，1A’至1C，1C’中示出，針對具有較高沉積率的較低移動性的場合，在圖2A，2A’至2C，2C’中示出。在圖1A，1A’中，原子4到達表面3上，并且在周圍運動，直至它們失去足夠的能量而停止，或撞擊在作為形成晶粒的基材的原子團6的邊緣。隨著團側向生長，產生大晶粒，直至它們足以覆蓋表面3以便截取更多數量的到達原子4,并開始向上生長。晶粒6之間的接觸邊界包括負責吸氣作用的空隙空間1。 在圖2C至2C’中，原子4到達表面3上，并且在周圍運動，直至它們失去足夠的能量而停止，或擊中團的邊緣。在原子4快速到達足以堆積時，團開始快速向上生長，并且快速地覆蓋更多的表面，于是形成在其之間具有晶粒邊界(空隙空間)1的小的晶粒。[〇〇12]還如已有技術中所知，真空沉積的吸氣劑的有效性強烈地依賴于沉積方法、沉積條件以及所形成的薄膜的形態和結構。用于WLP和一些其它的電子封裝件的真空吸氣劑包括以晶粒結構形成高的柱狀結構的方式沉積于該封裝件中的金屬層。晶粒之間的豎直表面是所沉積的吸氣劑的幾何面積的多倍，并且構成吸氣表面的大部分。
【發明內容】
[0013]根據本發明，提供一種吸氣結構，其包括:具有多個成核位的襯底，該成核位由晶種材料形成于襯底的表面上；以及多個吸氣材料構件，其從上述成核位向外突出。
[0014]在一個實施方式中，提供一種晶片級真空封裝的(WLVP)裝置，其具有:在其上具有檢測器陣列的第一襯底;第二襯底，其真空粘附到第一襯底，該第二襯底具有多個成核位， 該成核位由晶種材料形成于上述第二襯底的表面上；以及從該成核位向外突出的吸氣材料構件。
[0015]在一個實施方式中，提供一種用于形成吸氣結構的方法。該方法包括:在該結構的表面上，形成多個晶種材料的成核位;以及形成從該成核位向外突出的多個吸氣材料構件。
[0016]在一個實施方式中，提供一種用于形成吸氣結構的方法。該方法包括:在一定條件下，將晶種材料的層沉積于結構的表面上，以在該結構的表面上形成多個晶種成核位；以及接著在該表面上沉積吸氣材料，以形成從該成核位向外突出的多個吸氣材料構件。
[0017]在一個實施方式中，上述晶種材料層沉積于上述表面的具有預定表面面積的區域上，并且其中，上述成核位在預定表面面積上方具有的平均高度小于1分子厚。
[0018]在一個實施方式中，上述晶種材料的沉積為閃急蒸發或電子束沉積。
[0019]在一個實施方式中，該方法包括在吸氣材料沉積之前氧化上述成核位。【附圖說明】
[0020]圖1A，1A’-1C，1C’為簡圖，其示出了用于形成已有技術的吸氣材料的方法，其中， 說明了較慢的沉積；
[0021]圖2六，2六’-2(:，2(:’為簡圖，其示出了用于形成已有技術的吸氣材料的方法，其中， 說明了較高的沉積；
[0022]圖3為本發明的用于IR檢測器陣列的晶片級封裝杜瓦瓶組件的簡化的剖面透視圖；
[0023]圖4為用于圖3的組件中的IR檢測器陣列的簡化俯視圖；
[0024]圖5為用于形成本發明的吸氣材料的方法的流程圖；
[0025]圖6為簡圖，其從頂部到底部依次地在右側表示用于形成多個吸氣材料結構的方法的等比例簡圖，在右側表示其側視圖，該結構設置于根據本發明的多個任意形成的成核位上；
[0026]圖6A為圖6的典型的幾個成核位和其吸氣材料的剖視圖。
[0027]各個附圖中的相同的標號表示相同部件。【具體實施方式】
[0028]現在參照圖3和圖4,示出杜瓦瓶組件，其具有半導體材料(最好為硅)的讀取集成電路(R0IC)襯底2<JR檢測器陣列14設置于該襯底2上，并且包括多個單獨的檢測器元件，該元件也稱為像素(pixelS)16。雖然圖4僅僅示出檢測器像素16的5X6矩形陣列，但是可理解，典型的IR集成電路通常包括具有高達幾百X幾百像素16構成的平面IR檢測器陣列。在大部分商業應用中，IR檢測器經常不冷卻，并且通過感測由于通過IR輻射對該檢測器施加的熱量而導致的溫度的增加而檢測IR輻射的強度。不冷卻的IR檢測器的典型例子為氧化釩 (V〇x)微測輻射熱儀(MB)，其中，多個單獨的檢測器經常通過傳統的半導體制造工藝以陣列方式形成于ROIC襯底2上。上述MB陣列通過感測IR產生的熱檢測IR輻射，并且也被稱為焦平面陣列(FPA)或傳感器芯片組件(SCA)。該襯底2為用于對由上述測輻射熱儀產生的信號進行處理的集成電路。在該場合，該測輻射熱儀為微橋電阻器，該微橋電阻器在其溫度改變時改變其電阻。入射的輻射使微橋的溫度改變。雖然可采用其它的半導體材料，比如，Si，但是，VOx是市場上最常見的并且是最經濟的材料，該材料被用于大部分商業的IR檢測應用。
[0029]真空密封的杜瓦瓶組件包括圍繞IR檢測器陣列的氣密密封件8,從而將該檢測器陣列與大氣密封隔開。該密封件8可為比如，銦、金-錫、或其它的焊料，其具有當它被沉積于襯底2上或者最好是晶片10上時被精確控制的密封件的高度。該密封件8支撐第二襯底、蓋晶片，蓋晶片此處為IR透明窗1〇(在這里比如為硅)，從而由于晶片級封裝，該窗晶片10必須具有與也為硅的FPA晶片相匹配的熱膨脹系數。該晶片10包括:多個柱狀吸氣材料結構21 (圖6)，其以將要描述的方式形成于上述晶片10的具有預定的表面積的表面的預定區域20 上。上述蓋晶片10的內表面與圖1和圖2中的表面3相對應。吸氣劑區域的位置在圖3中總體由標號20表示，并且圍繞光學透明IR窗。當應用于非光學的WLP封裝件時，該蓋晶片的較大部分可由吸氣劑21覆蓋。
[0030]更具體地，用于形成吸氣材料的柱21的方法的流程圖在圖5中示出。簡要地說，并且參照圖6和圖6A，該方法包括:在蓋晶片10的表面上的預定區域上形成晶種材料的多個任意的成核位24;并形成從該成核位24向外突出的多個吸氣材料構件21。更具體地，將該晶片 10載置于真空沉積腔內。在晶片10的表面上沉積非常薄的第一金屬層，比如，鉻層，其在預定區的表面區域上的平均厚度小于1個分子(小于完整的單層)，從而為下一鈦(Ti)沉積而形成成核位24(圖6,圖6A)。該鈦層21優選從由成核位24限定的晶粒結構開始生長。該晶種材料的要求在于它應具有在硅晶片10表面上的低的到達能量與低的表面移動性，以便它形成許多小的分子的非連續團(c lump);每個團與該成核位24中的一個相對應。沉積可通過閃急蒸發，或通過測定體積的蒸發物的熱蒸發，或通過具有高快門速度的快門控制的電子束 (e-beam)而進行，該閃急蒸發比如通過導線而施加高電流脈沖，使其恪化并使其一部分蒸發。由于在空氣中曝露會導致成核位氧化，而吸氣材料(比如，鈦)會粘接到被氧化的成核位上，所以也可采用在第一沉積腔內通過濺射沉積，然后轉移到電子束沉積腔內用于吸氣劑的沉積。
[0031]吸氣材料21最好從由成核位24限定的晶粒結構開始生長到下述范圍的高度，該范圍比如為幾千埃至幾微米。吸氣材料21的有效性取決于其有效表面積。晶粒邊緣在幾何表面上使有效面積增加許多倍，并且在給定的一組時間-溫度的條件下該增加的面積意味著改善的活性。該吸氣作用通過使鈦與擴散到晶粒邊緣中的真空內的分子反應而起作用。 [〇〇32]采用其熔點高于吸氣材料21的晶種材料的材料會促進成核位24的形成。于是，晶種材料的最佳候選物應具有的熔點接近或高于吸氣材料的熔點，但是也可采用其它的金屬。在一個實施方式中，該方法包括通過濺射使該晶種材料沉積，這開啟了采用難以蒸發的金屬的可能性。如果鈦吸氣劑層的下一沉積通過蒸發完成，則在濺射腔和蒸發腔之間的轉移中的曝露到空氣會使晶種材料氧化。因為鈦會粘附到金屬氧化物，所以人們不認為這使吸氣劑降級。晶種材料可為比如鎢、鉭、鈦-媽、釩、錯、舒、鉬、鉿或鉻。其它可能的元素包括比如硅或其它的金屬。該晶種材料不直接涉及氣體原子通過反應而從真空環境中去除的吸氣過程。
[0033]接著，一層吸氣材料(比如具有的厚度在約3000至大于10000埃厚的鈦)在原位被沉積于第一金屬層24上，該第一金屬層在成核位金屬上方。該鈦在成核位上生長成柱狀結構，該柱狀結構沿其側邊具有增加的吸氣劑表面面積。
[0034]在吸氣材料形成于成核位上后，從該腔中去除該晶片。
[0035]現在應當知道，根據本發明的吸氣結構包括:襯底，由晶種材料在襯底表面上形成的多個成核位，和從該成核位向外突出的多個吸氣材料構件。該吸氣結構可單獨地包括下面特征中的一個或多個或者與另外一個特征進行組合，該下述的特征包括:其中上述晶種材料形成于上述表面的具有預定表面面積的區域上，以及其中上述成核位在預定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者其中上述吸氣材料為鈦。
[0036]現在也應知道，根據本發明的真空封裝的電子裝置結構包括:第一襯底;真空粘結到第一襯底的第二襯底，其具有晶種材料在第二襯底的表面上形成的多個成核位；以及多個吸氣材料構件，其從成核位向外突出。真空封裝的電子裝置結構可單獨地包括下面特征中的一個或多個或者與另外一個特征進行組合，該下述的特征包括:上述晶種材料形成于上述表面的區域上，以及上述成核位在預定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者，上述吸氣材料為鈦。
[0037]現在應知道，用于形成吸氣結構的方法包括:在該結構的表面上形成多個晶種材料的成核位，以及，形成多個從該成核位向外突出的吸氣材料構件。另外，該方法可包括下述特征，其中，上述晶種材料形成于上述表面的具有預定表面面積的區域上，以及其中上述成核位在預定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者其中上述吸氣材料為鈦。
[0038]現在還應知道，形成吸氣結構的方法包括:在一定條件下，在該結構的表面上沉積一層晶種材料以在結構的表面上形成多個成核位，接著，在該表面上沉積吸氣材料以形成多個從該成核位向外突出的吸氣材料構件。該方法可單獨地包括下面特征中的一個或多個或者與另外一個特征進行組合，該下述的特征包括:上述沉積為閃急蒸發或電子束沉積;在吸氣材料沉積之前，對上述成核位進行氧化;上述晶種材料形成于上述表面的具有預定表面面積的區域上，以及上述成核位在預定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度。[〇〇39]已描述了本發明的多個實施方式。但是，可理解可在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可進行各種變型。比如，雖然描述了兩種不同的方法以實現成核層的沉積，但是可采用其它的方法。另外，雖然針對檢測器陣列描述了結構和方法，但是，可將該方法應用于其它的電子裝置結構，比如，MEMS結構中。因此其它的實施方式落入下面的權利要求書的范圍內。
【主權項】
1.一種吸氣結構，包括:襯底；在所述襯底的表面上由晶種材料形成的多個成核位;和 從所述成核位向外突出的多個吸氣材料構件。2.根據權利要求1所述的吸氣結構，其特征在于，所述晶種材料形成在所述表面的具有 預定表面面積的區域上，并且其中，所述成核位具有的在所述預定表面上方的平均高度小 于1分子厚。3.根據權利要求2所述的吸氣結構，其特征在于，所述吸氣材料為鈦。4.一種真空封裝的電子裝置結構，包括:第一襯底；真空粘附到所述第一襯底的第二襯底，所述第二襯底具有在所述第二襯底的表面上由 晶種材料形成的多個成核位;以及從所述成核位向外突出多個吸氣材料構件。5.根據權利要求4所述的吸氣結構，其特征在于，所述晶種材料形成于所述表面的一定 區域上，并且其中，所述成核位具有的在所述預定表面上方的平均高度小于1分子厚。6.根據權利要求5所述的吸氣結構，其特征在于，所述吸氣材料為鈦。7.—種用于形成吸氣結構的方法，包括:在所述結構的表面上形成晶種材料的多個成核位；以及 形成從所述成核位向外突出的多個吸氣材料構件。8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述晶種材料形成在所述表面的具有預定 表面面積的區域上，并且其中所述成核位具有的在所述預定表面上方的平均高度小于1分子厚。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述吸氣材料為鈦。10.—種用于形成吸氣結構的方法，包括:在一定條件下將一層晶種材料沉積在結構的表面上，以在所述結構的表面上形成多個 成核位；以及隨后在所述表面上方沉積吸氣材料，以形成從所述成核位向外突出的多個吸氣材料構件。11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉積為閃急蒸發或電子束沉積。12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，包括在所述吸氣材料沉積之前氧化所述 成核位。13.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述晶種材料形成在所述表面的具有預 定表面面積的區域上，并且其中所述成核位具有的在所述預定表面上方的平均高度小于1 分子厚。
【文檔編號】H01L21/67GK105993066SQ201580006410
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月20日
【發明人】R·古奇, A·M·肯尼迪, S·H·布萊克, T·A·科齊安, B·迪普
【申請人】雷聲公司