CN102269626A - 锗窗及其制造方法以及气密性盒体、红外线传感装置 - Google Patents

Abstract

锗窗及其制造方法以及气密性盒体、红外线传感装置。本发明提供了一种锗窗，包括锗窗本体和金属化层，金属化层是以该锗窗本体为基在其下表面边缘部分依次层积的由金形成的底层、中间层和抗氧化外层。中间层包括依次层积在底层上的第一镍层、第一钛层和第二镍层。由于中间层为夹层结构，钛层起到缓冲层的作用，使得中间层内部形成压应力、拉应力交替结构，因此本发明的锗窗能够有效避免因为镍层在温度变化时产生较大热应力而造成中间层龟裂；另外作为底层材料的金与作为锗窗本体材料的锗在退火温度达到356℃时形成Au88Ge12共晶体，极大地提高了金属化强度，因此使用本发明的锗窗在封装完成后不容易漏气；同时本发明仅使用少量的贵重金属金，故成本低。

Description

锗窗及其制造方法以及气密性盒体、红外线传感装置

技术领域

本发明涉及一种能够用于红外线传感装置等电子器件的锗窗。

背景技术

红外线传感装置通常由一个带有锗窗的气密性盒体制成，其结构如图1和图2所示，包括具有开口的金属壳体14，焊在金属壳体14的开口上面并具有通孔的金属盖板12、焊在金属盖板12上并盖住通孔的锗窗1。锗窗1、金属盖板12和金属壳体14构成气密性盒体，气密性盒体内封装有芯片13。锗窗1即用作红外透射窗，红外透射窗还可以由硅、锗、硒化锌、蓝宝石等材料制成。红外辐射从外部透过锗窗1，入射到封装于金属壳体14内的芯片13上。出于屏蔽电磁波干扰、提高传感效率的目的，构成红外辐射传感器的气密性盒体内部应为真空状态，因此对气密性盒体的气密性要求极为苛刻。

金属盖板12和金属壳体14通常均采用可伐(Kovar)合金材料，两者之间的焊接强度很高，可以满足气密性要求。但Kovar合金材料的金属盖板12与锗窗1之间的焊接不能直接进行，因为常用的焊料都不能充分地铺展并润湿到锗窗1上。所以需要先对锗窗1上与金属盖板12进行焊接的表面的边缘部分进行金属化处理，形成封闭的金属化区域，然后再将焊料涂布在锗窗1的金属化区域上，之后再与Kovar材料的金属盖板12进行焊接。

如图3所示，传统的用于非致冷型红外辐射传感器的锗窗1是边长为13mm的有倒角的正方形薄片，图3中锗窗1外边缘处边长为为1mm的封闭方形框区域表示锗窗1与金属盖板12焊接的区域，即须要金属化的区域11。须要金属化的区域11进行金属化处理后的黏附性、浸润性、纵向拉伸强度和横向拉伸强度都会影响到焊接的质量，并最终影响气密性盒体的气密性和传感器的灵敏度。

任何一种锗窗金属化的方案都需要解决下面几个问题：

1.要保证焊料能在金属化的区域的金属化层上充分铺展润湿，这是保证焊接质量的关键因素；

2.要保证在焊接过程中熔化的焊料不会完全消耗掉金属化层而与锗窗直接接触，因此要求金属化层的设计对焊料有一定的阻挡作用；

3.要保证金属化层与锗窗的粘附性，这样可以确保器件在不同的环境下使用时，不会由于温差过大导致金属层从锗窗上脱落或断裂。

常用的焊料通常是锡(Sn)或者锡系列合金。大量的实验和文献都表明，锡或者锡系列合金在金(Au)和钯(Pd)上可以充分润湿。但仅仅用金和钯是不能作为金属层的，原因为：

1.金如果太薄，则在焊料熔化时会很容易被消耗掉。如果太厚，则会使得熔化后形成的金锡材料太脆，容易造成裂纹，导致漏气甚至导致器件失效。

2.在所有的金属中，钯和锡的反应速率是最快的，也就最容易被消耗掉。因此，如果仅仅用钯来做金属层，就必须很厚才能达到目的，这样又导致下一个问题。

3.金和钯都属于贵重金属，钯的价格约为金的三分之一。如果用很厚的钯做金属层，则成本太高。

从这几点分析来看，可以用少量的金和钯作为润湿材料，但必须另选材料来实现金属层对焊料的阻挡作用。

目前通常采用的对锗窗1须要金属化的区域11进行金属化处理的方案一般是自锗窗本体边缘部分下表面起，按顺序层积如下金属，再经热处理形成锗窗1的金属化层：

方案一：钒(V)、镍(Ni)、金(Au)

方案二：铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)

方案三：钯(Pd)、金(Au)

方案四：金(Au)

这四种方案中，层积在锗窗1边缘部分下表面的金属化层与锗窗1本体的黏附力不高，在采用镍充当中间层时，出于焊接和对老化时间的要求，镍层的厚度应大于1μm，如此厚度的镍层很容易在受热时由于热应力的作用而出现龟裂，影响焊接效果和强度，在与金属盖板12进行焊接封装后容易出现漏气现象。第三种方案Pd层厚度太厚(厚度＞10μm)，第四种方案采用纯金(厚度＞300nm)，成本太高。

此外，公开号为JP10170337(A)的发明专利公开了一种红外线透射锗窗，该锗窗边缘部分下表面经金属化处理形成用于焊接的金属化区域，该金属化区域的结构为以锗窗本体为基依次具有底层、中间层和抗氧化外层，其中底层和抗氧化外层为金层和铂层中的至少一种，中间层为镍层、铂层和铜层中的至少一种。该红外线透射锗窗作为中间层的镍层稍厚时该中间层便会产生细微但可视的裂纹，影响薄膜的机械性能，并在与金属盖板或直接与金属壳体进行焊接封装后容易产生细微漏孔，出现漏气现象。

发明内容

本发明要解决现有的锗窗金属化层在封装后容易漏气、成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的锗窗，包括锗窗本体和金属化层，该金属化层是以该锗窗本体为基在其下表面边缘部分依次层积的由金形成的底层、中间层和抗氧化外层。其中，所述中间层包括依次层积在底层上的第一镍层、第一钛层和第二镍层。

所述抗氧化外层包括位次层积在所述第二镍层上的钯层和金层。

所述第一镍层和第二镍层的厚度相同。

所述底层的厚度为10nm～50nm，所述中间层的第一镍层和第二镍层的厚度均为200nm～700nm，所述第一钛层的厚度为50nm～100nm，所述钯层的厚度为50nm～300nm，所述金层的厚度为30-200nm。

优选地，所述底层的厚度为20nm，所述中间层的第一镍层和第二镍层的厚度均为600nm，所述第一钛层的厚度为60nm，所述钯层的厚度为100nm，所述金层的厚度为100nm。

其中，在所述第二镍层和保护层之间自所述第二镍层起依次层积有第二钛层和第三镍层。

所述第三镍层与所述第一镍层、第二镍层的厚度相同；所述第二钛层与所述第一钛层的厚度相同。

本发明的锗窗的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：预处理；

步骤二：金属化处理，在锗窗本体下表面的边缘部分，以该锗窗本体为基，依次层积作为底层的金层、作为中间层的第一镍层、第一钛层和第二镍层以及作为抗氧化外层的钯层和金层，从而在锗窗本体下表面边缘部分形成金属化层；

步骤三：退火处理，对已形成金属化层的该锗窗本体进行退火处理，退火温度为350℃～400℃，退火时间为10～20秒。

所述第一镍层和第二镍层的厚度相同。

所述底层的厚度为10nm～50nm，所述中间层的第一镍层和第二镍层的厚度均为200nm～700nm，所述第一钛层的厚度为50nm～100nm，所述钯层(31)的厚度为50nm～300nm，所述金层(32)的厚度为30-200nm。

所述底层的厚度为20nm，所述中间层的第一镍层和第二镍层的厚度均为600nm，所述第一钛层的厚度为60nm，所述钯层(31)的厚度为100nm，所述金层(32)的厚度为100nm。

其中，所述步骤二中：在所述第二镍层和保护层之间自所述第二镍层起依次层积有第二钛层和第三镍层。

所述第三镍层与所述第一镍层、第二镍层的厚度相同；所述第二钛层与所述第一钛层的厚度相同。

本发明的气密性盒体，包括具有开口的金属壳体，设在金属壳体的开口上面并具有通孔的金属盖板、设在金属盖板上并盖住通孔的锗窗，其中，所述锗窗为本发明的锗窗。

本发明的红外线传感装置，其特征在于，包括本发明的气密性盒体以及封装于该气密性盒体内的芯片。

由上述技术方案可知，本发明的锗窗的优点和积极效果在于：由于锗窗金属化层中的中间层形成镍层-钛层-镍层的夹层结构，其中的钛层起到缓冲层的作用，使得中间层内部形成压应力、拉应力交替结构，能够防止因为镍层在温度变化时产生较大热应力而造成中间层龟裂的问题，因此，本发明的锗窗能够有效避免中间层龟裂；另外，作为底层材料的金与作为锗窗本体材料的锗在退火温度达到356℃时形成Au88Ge12共晶体，极大地提高了金属化强度，因此使用本发明的锗窗在封装完成后不容易漏气；同时由于本发明的锗窗中仅使用少量的贵重金属金，因此能有效降低成本。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1为现有的一种非致冷型红外辐射传感器的结构示意图；

图2为图1所示的非致冷型红外辐射传感器的俯视示意图；

图3为用于图1和图2所示的非致冷型红外辐射传感器的锗窗的结构示意图；

图4为本发明锗窗的第一实施例的结构示意图；

图5为本发明锗窗的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

如图4所示，本发明的锗窗第一实施例，包括锗窗本体110和金属化层120。

锗窗本体110通常为边长为13mm四角为圆角的正方形薄片，所用的材料一般是单晶锗。

金属化层120层积在锗窗本体110下表面宽度约为1mm的边缘部分，即层积在须要金属化的区域上。金属化层120包括以该锗窗本体110为基，依次层积在锗窗本体110的由金形成的底层10、中间层20和抗氧化外层30。中间层20包括依次层积在底层10上的第一镍层21、第一钛层22和第二镍层23。优选地，第一镍层21和第二镍层23的厚度相同，抗氧化外层30包括位次层积在第二镍层23上的钯层31和金层32。组成上述金属化层120的各个膜层的厚度范围可以是：底层10为10nm～50nm，第一镍层21为200nm～700nm，第二镍层23为200nm～700nm，第一钛层22为50nm～100nm，钯层31为50nm～300nm，金层32为30-200nm。优选地厚度值是：底层10为20nm，第一镍层21为600nm，第二镍层23为600nm，第一钛层22为60nm，钯层31的厚度为100nm，金层32的厚度为100nm。抗氧化外层30也可以只是钯层或者铂层等。

如图5所示，本发明的锗窗第二实施例与第一实施例的不同之处仅在于金属化层130中的中间层40：中间层40包括层积于底层10上的第一镍层21、第一钛层22、第二镍层23、第二钛层24和第三镍层25，即比第一实施例的锗窗多了第二钛层24和第三镍层25。优选地，第三镍层25与第一镍层21、第二镍层23的厚度相同，第二钛层24和第一钛层22的厚度相同。组成上述金属化层130的各个层的厚度范围可以是：底层10为10nm～50nm，第一镍层21、第二镍层23和第三镍层25均为200nm～700nm，第一钛层22和第二钛层24均为50nm～100nm，钯层31为50nm～300nm，金层32为30-200nm。优选地厚度值是：底层10为20nm，中间层40的第一镍层21、第二镍层23和第三镍层25均为600nm，第一钛层22和第二钛层24均为60nm，钯层31的厚度为100nm，金层32的厚度为100nm。该第二实施例的其他的与第一实施例相同的结构不再赘述。

制造本发明第一实施例的锗窗的方法，包括以下步骤：

步骤一：预处理，将双面抛光的锗窗本体110用丙酮清洗15～30分钟，再用酒精超声清洗15～30分钟，用去离子水清洗10～30分钟，氮气枪吹干，放入烘箱在120℃温度下烘干30分钟；

步骤二：磁控溅射，在锗窗本体110边缘部分宽度约为1mm的下表面即须要金属化的区域上依次溅射金层10、第一镍层21、第一钛层22、第二镍层23和钯层31、金层32，初步形成金属化层，上述各膜层的厚度依次为20nm、600nm、60nm、600nm、500nm、100nm、100nm，溅射时本底真空为1×10^-6Torr，衬底加温100℃；金层10、第一镍层21、第一钛层22、第二镍层23和钯层31、金层32的厚度分别在10nm～50nm，200nm～700nm，50nm～100nm，200nm～700nm，300nm～800nm，50nm～300nm，30-200nm范围内均是可行的；

步骤三：退火处理，退火时用氮气保护，退火温度为360℃，时间为15秒。退火温度在350℃～400℃，退火时间在10～20秒范围内均是可行的。

金能够在温度达到200℃时与锗发生固溶生成α相固溶体，在温度达到356℃时两者形成Au₈₈Ge₁₂共晶体，而且金锗合金的结合强度很高，所以本发明采用金作为底层10的材料，制成的锗窗气密性好，不易漏气。

由本发明的方法制造的第一种实施例的锗窗，底层10之上的中间层20是由两层镍层和一层钛层形成的金属夹层结构。即在传统的锗窗中作为中间层的镍层的中间增加一个一定厚度的钛层缓冲层，从而将镍层分隔成第一镍层和第二镍层，所以在受热时中间层中的镍层所受的热应力得到缓解，能有效避免出现龟裂。在中间层20之上的抗氧化外层30由钯层31和金层32构成，在后续的热处理和焊接工艺中对中间层20起保护和润湿作用。

制造本发明第二实施例的锗窗的方法，其与第一实施例的锗窗的制造方法的不同之处仅在于：步骤二中，在层积中间层时，在锗窗本体110的须要金属化区域依次溅射金层10、第一镍层21、第一钛层22、第二镍层23、第二钛层24和第三镍层25，然后再在第三镍层25上层积钯层30。其中金层10、第一镍层21、第一钛层22、第二镍层23、第二钛层24和第三镍层25的厚度分别为：20nm，600nm，60nm，600nm，60nm，600nm，500nm、100nm、100nm，各个膜层的厚度不限于上述具体的值，通常在10nm～50nm，200nm～700nm，50nm～100nm，200nm～700nm，50nm～100nm，200nm～700nm，300nm～800nm，50nm～300nm，30-200nm范围内均是可行的。其余的与制造本发明第一实施例的锗窗的方法相同之处，这里不再赘述。

由本发明的方法制造的第一种实施例的锗窗中，底层10之上的中间层40具有两个缓冲层，即第一钛层22和第二钛层24，在受热时中间层中的镍层被分隔成第一镍层21、第二镍层23和第三镍层25，它们所受的热应力得到缓解，从而能有效避免出现龟裂。

本发明的气密性盒体，包括具有开口的金属壳体，盖在金属壳体的开口上面并具有通孔的金属盖板、盖住金属盖板的通孔的锗窗，其中锗窗为具有本发明的特点。

本发明的红外线传感装置，包括本发明的气密性盒体以及封装于该气密性盒体内的芯片。

根据国军标GJB 548B-2005(《微电子器件试验方法和程序》)所规定的方法1014.2，对发明实施例一的锗窗进行了条件A1下的漏率检测实验。具体方法是：使用ZQJ-230D氦质谱检漏仪作为检测设备，用连接氦气瓶的气枪先对检漏仪接口处进行喷氦，确保接口处不漏气，然后将气枪嘴对着各个焊缝进行仔细缓慢地喷氦，注意检漏仪漏率显示灯的变化，在该型号检漏仪的精度范围内，不能看到漏率显示灯上行依次变亮，如发现上行依次变亮则判断为该器件漏气。实验过程中加压压强513KPa，加压时间2h，最长停留时间1h，检测结果为细检漏率小于5.0×10^-3Pa·cm³/s。另一实验方法是将本发明实施例一的锗窗切成条状，将两端的金属化区域用焊料各自与一Kovar金属片焊接在一起；将锗窗用夹具固定，在Kovar金属片上施加平行于锗窗方向的向外的拉力，直至发生断裂。实验结果显示：断裂发生在锗窗本体内。上述实验结果证明金属化层与锗窗本体的结合强度高，与金属盖板的焊接性能好，中间层无裂纹，机械性能好。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种锗窗，包括锗窗本体(110)和金属化层(120)，该金属化层(120)是以该锗窗本体(110)为基在其下表面边缘部分依次层积的由金形成的底层(10)、中间层(20)和抗氧化外层(30)，其特征在于，所述中间层(20)包括依次层积在底层(10)上的第一镍层(21)、第一钛层(22)和第二镍层(23)。

2.如权利要求1所述的锗窗，其特征在于：所述抗氧化外层(30)包括位次层积在所述第二镍层(23)上的钯层(31)和金层(32)。

3.如权利要求2所述的锗窗，其特征在于：所述第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度相同。

4.根据权利要求3所述的锗窗，其特征在于，所述底层(10)的厚度为10nm～50nm，所述中间层的第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度均为200nm～700nm，所述第一钛层(22)的厚度为50nm～100nm，所述钯层(31)的厚度为50nm～300nm，所述金层(32)的厚度为30-200nm。

5.根据权利要求4所述的锗窗，其特征在于，所述底层(10)的厚度为20nm，所述中间层的第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度均为600nm，所述第一钛层(22)的厚度为60nm，所述钯层(31)的厚度为100nm，所述金层(32)的厚度为100nm。

6.根据权利要求1-5之任一项所述的锗窗，其特征在于，在所述第二镍层(23)和保护层(30)之间自所述第二镍层(23)起依次层积有第二钛层(24)和第三镍层(25)。

7.根据权利要求6所述的锗窗，其特征在于，所述第三镍层(25)与所述第一镍层(21)、第二镍层(23)的厚度相同；所述第二钛层(24)与所述第一钛层(22)的厚度相同。

8.一种如权利要求2所述的锗窗的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：预处理；

步骤二：金属化处理，在锗窗本体(110)下表面的边缘部分，以该锗窗本体(110)为基，依次层积作为底层(10)的金层、作为中间层(20)的第一镍层(21)、第一钛层(22)和第二镍层(23)以及作为抗氧化外层(30)的钯层(31)和金层(32)，从而在锗窗本体(110)下表面边缘部分形成金属化层；

步骤三：退火处理，对已形成金属化层的该锗窗本体(110)进行退火处理，退火温度为350℃～400℃，退火时间为10～20秒。

9.如权利要求8所述的锗窗的制造方法，其特征在于：所述第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度相同。

10.如权利要求9所述的锗窗的制造方法，其特征在于，所述底层(10)的厚度为10nm～50nm，所述中间层的第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度均为200nm～700nm，所述第一钛层(22)的厚度为50nm～100nm，所述钯层(31)的厚度为50nm～300nm，所述金层(32)的厚度为30-200nm。

11.如权利要求10所述的锗窗的制造方法，其特征在于，所述底层(10)的厚度为20nm，所述中间层的第一镍层(21)和第二镍层(23)的厚度均为600nm，所述第一钛层(22)的厚度为60nm，所述钯层(31)的厚度为100nm，所述金层(32)的厚度为100nm。

12.如权利要求8-11之任一所述的锗窗的制造方法，其特征在于，所述步骤二中：在所述第二镍层(23)和保护层(30)之间自所述第二镍层(23)起依次层积有第二钛层(24)和第三镍层(25)。

13.如权利要求12所述的锗窗的制造方法，其特征在于，所述第三镍层(25)与所述第一镍层(21)、第二镍层(23)的厚度相同，第二钛层(24)与所述第一钛层(22)的厚度相同。

14.一种气密性盒体，包括具有开口的金属壳体，设在金属壳体的开口上面并具有通孔的金属盖板、设在金属盖板上并盖住通孔的锗窗，其特征在于，所述锗窗为如权利要求1-7之任一项所述的锗窗。

15.一种红外线传感装置，其特征在于，包括如权利要求14所述的气密性盒体以及封装于该气密性盒体内的芯片。

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