CN112384468A

CN112384468A - 包括吸气剂的气密封装体、包括这种气密封装体的部件及相关制造方法

Info

Publication number: CN112384468A
Application number: CN201980045498.4A
Authority: CN
Inventors: S·莱梅特; D·比内尔
Original assignee: Reed Co
Current assignee: Reed Co; Lynred SAS
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2021-02-19
Also published as: FR3083537A1; US20210198099A1; KR20210027394A; FR3083537B1; WO2020008125A1; EP3818008A1

Abstract

本发明涉及一种形成腔室(12)的气密封装体(10)，所述腔室(12)内的压力低或存在真空，所述气密封装体(10)容纳至少一个作为成像测辐射热计形式的部件(11)并且包括能够从所述腔室(12)内捕获气体的单片吸气剂材料层(15)，所述吸气剂材料层(15)的厚度为20～200纳米。

Description

包括吸气剂的气密封装体、包括这种气密封装体的部件及相关制造方法

技术领域

本发明涉及一种气密封装体，其配置为形成在其内部具有确定压力的外壳，并且旨在容纳需要低压或真空以用于其操作的部件。本发明还涉及一种封装在这种气密封装体中的成像测辐射热计型部件。最终涉及一种这种气密封装体的形成方法。

在本发明的意义上，成像测辐射热计型部件对应于包括悬置在基板上的膜的部件。优选地，基板覆盖有反射器，并且外壳的壁和/或上部支承吸气剂材料。

背景技术

为了在真空或低压下形成封装体，已知在外壳中使用空气的泵送，随后将形成封装体的壁密封，特别是通过金属焊接来密封。然而，进行金属焊接产生外壳的加热，导致在其壁上捕获的气体分子的解吸。当将封装体密封时，封装体中的气体不再能通过泵送系统排出，使得特定的吸附装置应位于封装体内以去除由壁的解吸产生和存在于所述封装体内的气体。这种吸附装置称为“吸气剂”。

吸气剂以沉积在封装体壁之一上的金属层的形式呈现。吸气剂最初被钝化。如果其已经暴露于环境空气，则通过其天然氧化物或者通过覆盖吸气剂的贵金属层来进行钝化。因此，有必要激活吸气剂，以引起天然氧化物或贵金属层在金属层的整个体积上的溶解，然后使吸气剂具有反应性。

激活通常通过加热吸气剂来实现。由于加热，钝化层的原子已经扩散到吸气剂的金属层中，并且金属层的表面能够捕获存在于封装体中的气体，从而降低其内部的压力。然后，将吸气剂称为“激活的”。

在外壳中达到的真空水平由吸气剂吸附的气体分子的量来控制。该量取决于激活条件和吸气剂的性能，即取决于其化学性质、其微观结构和其表面与外壳的气体接触的程度。

关于吸气剂激活条件，期望原子从钝化层扩散到吸气剂的体积中。为了使扩散容易，吸气剂应当具有高密度的晶界，因为穿过晶界的扩散比在晶粒内的扩散更快。进一步，在激活期间，解吸气体的量与退火温度成比例。因此，利用高密度的晶界，可以限制吸气剂的激活温度，从而限制气体分子解吸到外壳中以获得非常低的压力。

然而，当吸气剂的厚度增加时，吸气剂表面处的晶粒尺寸增加。同时，还已知的是，不够厚的吸气剂不能再生其表面的金属特性，因为形成钝化层的杂质原子不能完全扩散到吸气剂中。

实际上，如文献US 7,998,319中所述，由于薄的沉积物倾向于遵循它们在其上生长的表面的形态，因此在厚度低的情况下，气体吸附性能过低，这导致表面过于光滑和致密而不能具有良好的吸附特性。

因此，文献US 2016/0040282、US 9,309,110,和US 7,998,319指出厚度小于200纳米的吸气剂膜被认为是非功能性的。本发明所针对的技术问题是提供一种具有吸气剂材料层的气密封装体，该吸气剂材料层具有能够更有效地符合激活条件和吸附需要的限制的微观结构。

发明内容

本发明源于一项发现，根据该发现，吸气剂材料的厚度仅有助于在非常小的厚度(通常小于20纳米)内再生其表面的金属特性。与现有技术中的普遍观点相反，本发明因此提供使用厚度在20～200纳米范围内的吸气剂材料层。

该最小20纳米厚度值的计算是由L.TENCHINE先生在其2011年格勒诺布尔大学(法国)的题目为“Effet getter de multicouches métalliques pour des applicationsMEMS”的论文(第138页)中对钛进行的理论计算。在吸附源自其钝化层的氧原子之后，膜的氧浓度小于其溶解度极限是必要的厚度。由于钛是对氧具有最高溶解度极限的材料，因此对于由其它材料形成的吸气剂膜计算的最小厚度将大于20纳米的钛的厚度。

为此目的，根据第一方面，本发明涉及一种气密封装体，其配置为在预定压力下形成容纳成像测辐射热计型部件的外壳，所述气密封装体包括能够捕获存在于所述外壳中的气体的单片吸气剂材料层。

本发明的特征在于所述吸气剂材料层的厚度在20纳米～200纳米的范围内。

通过发现可以将单片吸气剂材料层的厚度减小到低于200纳米，现在可以形成具有高的晶界密度的吸气剂，从而能够通过限制激活温度或时间来使吸气剂激活容易。

在本发明的意义上，“单片”吸气剂材料层对应于由单层形成的吸气剂材料，该单层实现分子解吸以保持封装体中的期望的压力。

此外，在通过蒸发而沉积吸气剂材料的情况下，由于限定所述外壳的壁的逐渐加热，外壳中的压力在沉积吸气剂材料期间增加，这伴随着所述壁中捕获的分子的解吸。

在沉积阶段期间，将存在于外壳中的某些污染物(包括氩气)混入吸气剂材料层中，这些杂质不利地影响吸气剂的性能。此外，在吸气剂激活阶段期间，氩原子将由吸气剂解吸到封装体外壳中。

因此，与所有预期相反，吸气剂材料厚度的减小通过降低激活温度，一方面能够获得更纯的吸气剂，更有效地吸附存在于外壳中的气体，另一方面通过限制未被吸气剂吸附的分子(例如氩)的解吸，能够在封装体外壳中获得更高的真空水平。

其它更明显的优点也来自于使用比现有技术的吸气剂更薄的吸气剂。事实上，更薄的沉积物需要更短的时间来实现，并且消耗更少的原材料。

此外，吸气剂和其载体之间的机械阻力与吸气剂厚度成反比。结果，薄的吸气剂的使用限制了吸气剂与其载体分离的风险。常规地，吸气剂设置在外壳的壁上，但是薄的吸气剂的使用能够将吸气剂沉积在电子部件上，如CMOS电路，其表面比壁对机械应力更敏感。

当吸气剂厚度减小时，通常地当吸气剂材料层以20～100纳米范围的厚度沉积时，这些优点增加。

进一步，优选使用无孔吸气剂材料来形成低厚度吸气剂，以保证在吸气剂激活期间钝化层的分子的吸附。

如果吸气剂材料是多孔的，则相对于无孔膜，其包含的氧化物的比例增加，因此其激活所需的最小厚度更大。

优选地，吸气剂材料层的孔隙率小于5％。在本发明的意义上，这种孔隙率值通过使用以其发明人Brunauer、Emmet和Teller命名的BET方法，如在S.Brunauer，P.H.Emmet、E.Teller的出版物“Adsorption of gases in multimolecular layers”，美国化学学会杂志，第60卷(2)，第309-319页(1938)中所描述的来确定。该方法包括通过气体的吸附和通过量化每体积单位所吸附的气体的量来测量体积的孔隙率。换言之，该方法能够测量吸附在材料壁上的气体分子的量，该量与壁的表面积成比例。该方法是标准化的，并且其所有参数在标准ISO 44941中描述。

为了增加吸气剂与存在于外壳中的气体接触的表面积，吸气剂材料层可以具有顶部带有结构化图案的基体，基体的厚度大于20纳米。

在该实施方案中，基体的厚度保证了在吸气剂激活期间钝化层(天然氧化物)的分子的吸附，并且结构化图案能够增加由吸气剂捕获的气体体积。

通常，吸气剂材料层可以配置为保证外壳中的压力小于10^-3毫巴。该实施方案能够达到用于成像测辐射热计的最大灵敏度，并且特别是用于红外成像中的未冷却的微测辐射热计的最大灵敏度。

吸气剂材料层可以由锆、钛、钒、铪、铌、钽、钴、钇、钡、铁、或这些材料的合金制成。

这种金属能够获得期望的吸附性能。当然，本发明不限于使用这些材料，所有过渡金属加上钡和铝都可以用作吸气剂。

进一步，所述吸气剂材料层可以用稀土类或铝形成。

该实施方案使得吸气剂材料的表面能够在气体分子的化学吸附之后保持反应特性，并因此获得具有有利于在外壳中吸附气体的微结构的表面。

根据第二方面，本发明涉及一种成像测辐射热计型部件，其包括根据本发明的第一方面的气密封装体。

根据第三方面，本发明涉及一种根据本发明的第二方面的成像测辐射热计型部件的制造方法，所述方法包括厚度在20～200纳米范围内的吸气剂材料层的蒸发物理气相沉积(PVD)的步骤。

对于现有技术的吸气剂的已知厚度，期望增加吸气剂孔隙率以增加外壳中的气体吸附能力。因此，吸气剂通常根据阴极溅射技术沉积，因为后者能够获得多孔吸气剂。

在文献US 7,998,319中，甚至认为通过蒸发的物理气相沉积方法是不合适的，因为其将不能获得具有吸气剂的适当操作所需的孔隙率的吸气剂。

与所有预期相反，本发明的第三方面提供了使用通过蒸发的物理气相沉积方法来形成小厚度的致密吸气剂，从而能够获得所有前述优点。

根据一个实施方案，该方法包括通过以下步骤进行的在基板上沉积所述吸气材料层的结构化：

-第一步骤，在所述基板上沉积树脂层；

-第二步骤，通过光刻法使所述树脂层结构化；

-第三步骤，借助蒸发通过物理气相沉积(PVD)来沉积所述吸气材料层；以及

-第四步骤，溶解所述树脂层。

该方法在文献中被称为“浮脱(lift-off)”。例如，文献US 7,998,319描述了通过光刻法使吸气剂结构化，随后通过阴极溅射来沉积吸气剂。

然而，在吸气剂材料的沉积期间，结构化方法在树脂层上引起显著的机械应力，并且在吸气剂材料的沉积期间存在吸气剂膜与树脂层分离的风险。因此，该方法通常与通过阴极溅射沉积吸气剂材料层一起使用，因为阴极溅射能够获得比通过蒸发的物理气相沉积更多孔的吸气剂，这限制了树脂层上的机械应力。

一种用于吸气剂材料的结构化的替代“浮脱”的方法是文献中称为“荫罩掩模”的技术。其包括使用放置在基板上并且在吸气剂沉积之后移除的物理掩模。在专利US 8,912,620中描述了这种用于沉积吸气膜的技术。这种用于吸气剂的结构化的“浮脱”的替代方法不如“浮脱”技术合适，因为在通过蚀刻掩模的端口之后，由于光的衍射，其更难以实施并且更不精确。

另一种已知的使吸气剂沉积层结构化的替代方法通过以下步骤来进行：

-第一步骤，借助蒸发通过物理气相沉积(PVD)来沉积所述吸气剂材料层；

-第二步骤，在所述吸气剂材料层上沉积结构化的蚀刻掩模(通过“浮脱”或“荫罩”)；

-第三蚀刻，选择性蚀刻通过蚀刻掩模的开口暴露的吸气剂材料；以及

-第四步骤，溶解所述蚀刻掩模。

这种用于吸气剂的结构化的“浮脱”的替代方法比“浮脱”技术更难以实施，并且溶解蚀刻掩模的步骤有使吸气剂表面劣化的风险。

本发明的吸气剂的小厚度能够使用最公知的吸气剂膜结构化技术，即，最简单和最精确的“浮脱”。

还可以期望获得顶部带有结构化图案的吸气剂材料层。为此目的，可以蚀刻沉积在基板上的单片吸气剂层。

优选地，为了在吸气剂材料层上获得结构化图案，所述方法包括在预先沉积的吸气剂材料层上沉积吸气剂材料层的第二步骤，所述第二沉积步骤通过以下步骤形成：

-第一步骤，在所述预先沉积的吸气剂材料层上沉积树脂层；

-第二步骤，通过光刻法使所述树脂层结构化；

-第三步骤，借助蒸发通过物理气相沉积(PVD)来沉积所述新的吸气剂材料层；以及

-第四步骤，溶解所述树脂层。

该实施方案能够在预先沉积在基板上的吸气剂材料上使用“浮脱”技术，以形成结构化图案。

根据一个实施方案，所述方法包括在180℃～450℃范围内的温度下密封所述气密封装体的步骤，所述温度配置为确保所述吸气剂材料层的激活。有利地，在250℃～320℃范围内的温度下进行密封所述气密封装体的步骤。该实施方案能够在密封气密封装体的步骤期间通过限制施加到封装体的温度以降低分子解吸而直接进行吸气剂材料层的激活。作为一种变型，所述方法包括通过将所述吸气剂材料层耦合到电阻电路而由焦耳效应进行的激活步骤。

附图说明

基于附图，实施本发明的方式以及所产生的优点将从以下非限制性实施方案的说明更好地呈现出来，这些实施方案作为指示而给出，其中图1和图6示出：

图1：根据本发明的实施方案的在预定压力下封装在封装体中的部件的简化截面图，其中吸气剂设置在外壳的上壁上；

图2：根据本发明的实施方案的在预定压力下封装在封装体中的部件的简化截面图，其中吸气剂设置在外壳的基板上；

图3：在激活阶段之前，根据第一实施方案的图2的吸气剂的简化截面图；

图4：在激活阶段之后，图3的吸气剂的简化截面图；

图5：在激活阶段之前，根据第二实施方案的图2的吸气剂的简化截面图；以及

图6：在激活阶段之后，图5的吸气剂的简化截面图。

具体实施方式

图1示出了在预定压力下，例如在低于10^-3毫巴的压力下，封装在外壳12中的部件11。部件11对应于成像测辐射热计。

为了保证外壳12中的压力，吸气剂材料15设置在外壳内。

在图1的实例中，外壳12通过金属密封接头20将壁14密封到基板13上而形成，因此在部件11周围形成气密封装体10。

作为一种变型，封装体10可以由围绕一个或多个基板13设置的壁14形成，或者由壁14和一个或多个基板13形成的组件形成。

吸气剂15必须设置在由外壳12限定的体积中，以在所述吸气剂激活之后捕获存在于外壳12中的气体。在图1的实例中，吸气剂15设置在与外壳12相对的封装体10的上壁14的内表面上。在图2的实例中，吸气剂15设置在与外壳12相对的基板13的上表面上。

根据本发明，吸气剂15的厚度e在20纳米～200纳米、优选在20纳米～100纳米的范围内。优选地，吸气剂15的孔隙率还小于5％。吸气剂可以由锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、钴(Co)、铁(Fe)、钇(Y)、钡(Ba)、或这些材料的合金制成。

此外，铝(Al)和如铬(Cr)、铈(Ce)、铯(Cs)或镧(La)等稀土类可以添加到这些金属中，以改善吸气剂15的特性，如粒度、游离氧化物生成焓或气体分子裂解的催化活性。

图3和4示出固体(即，未结构化的吸气剂15)的激活过程。该类型的吸气剂15可以借助蒸发通过物理气相沉积来获得。

在激活之前，如图3所示，由于空气中的氧分子的存在，与空气接触的吸气剂15的上表面形成氧化层。例如，通过加热封装体10，以在180℃～450℃范围内的温度下通过金属焊接件20进行密封，氧化物原子21迁移穿过吸气剂15的厚度e。

在激活之后，如图4所示，源自氧化层21的原子因此以吸气剂15的厚度e储存，并且存在于外壳中以及由它们从形成外壳的壁解吸而产生的气体分子22可以由吸气剂15捕获，该吸气剂15具有因此激活的表面，该表面对能够解吸到外壳中的气体(通常是氢、氮、二氧化碳、甲烷)为高度反应性的。

为了增加捕获存在于外壳12中的气体分子的表面积，可以如图5和6所示使吸气剂15的上表面结构化。为此目的，光刻法可以在上表面上进行以形成顶部带有结构化图案17的基体16。这种结构化可以通过沉积树脂然后再次沉积吸气剂或沉积树脂然后蚀刻来形成。

在该实施方案中，优选基体16具有大于20纳米的厚度e₁，因为在激活期间，即在图5和图6之间，氧化物分子21至少部分地迁移到该基体16中。如果沟槽一直延伸到基板，则氧化物分子21的扩散可以横向地进行，即从侧面向内部进行。

在图1～6的说明中，描述了吸气剂15具有覆盖吸气剂15的氧化物层21。作为变体，本发明可以在激活之前用保护吸气剂15的贵金属层来进行。例如，具有20-nm厚度的该贵金属层在激活阶段的期间也将溶解在吸气剂15的体积中。

激活阶段也通过在封装体的热密封期间加热来描述。作为变体，在不修改本发明的情况下，激活可以通过将吸气剂15耦合到电阻电路而由焦耳效应来进行。

因此，本发明提供了使用薄的吸气剂15，即，具有20～200nm范围内的厚度e，并且有利地为20～100纳米的吸气剂15。如前所述，薄的吸气剂15能够获得比现有技术的吸气剂更高密度的晶界以及更高的纯度。进一步，吸气剂15的薄度改善了对机械应力的耐受性，使得光刻法可以用于结构化吸气剂15。

本发明还能够消耗更少的材料并且限制吸气剂15的制造时间。

Claims

1.一种气密封装体(10)，其形成低压或真空外壳(12)，并且容纳至少一个成像测辐射热计型部件(11)，所述气密封装体(10)包括能够捕获存在于所述外壳(12)中的气体的单片吸气剂材料层(15)，其特征在于，所述吸气剂材料层(15)的厚度(e)在20纳米～200纳米的范围内。

2.根据权利要求1所述的气密封装体，其中所述吸气剂材料层(15)的厚度(e)在20纳米～100纳米的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的气密封装体，其中所述吸气剂材料层(15)的孔隙率小于5％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气密封装体，其中所述吸气剂材料层(15)具有顶部带有结构化图案(17)的基体(16)，所述基体的厚度(e₁)大于20纳米。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气密封装体，其中吸气剂层(15)由锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、钴(Co)、钇(Y)、钡(Ba)、铁(Fe)、或这些材料的合金制成。

6.根据权利要求5所述的气密封装体，其中所述吸气剂材料层(15)进一步用稀土类或铝(Al)形成。

7.一种成像测辐射热计型部件，其特征在于，所述部件包括根据权利要求1至6中任一项所述的气密封装体。

8.一种根据权利要求7所述的成像测辐射热计型部件的制造方法，其特征在于，所述方法包括借助蒸发的物理气相沉积(PVD)厚度在20～200纳米范围内的单片吸气剂材料层的步骤。

9.根据权利要求8所述的部件的制造方法，其中所述方法包括通过以下步骤来进行的在基板(13)上沉积所述吸气剂材料层的结构化：

-第一步骤，在所述基板(13)上沉积树脂层；

-第二步骤，通过光刻法使所述树脂层结构化；

-第三步骤，借助蒸发通过物理气相沉积(PVD)来沉积所述吸气剂材料层；以及

-第四步骤，溶解所述树脂层。

10.根据权利要求8或9所述的部件的制造方法，其特征在于，所述方法包括在预先沉积的吸气剂材料层上沉积吸气剂材料层的第二步骤，所述第二沉积步骤通过以下步骤进行：

-第一步骤，在所述预先沉积的吸气剂材料层上沉积树脂层；

-第二步骤，通过光刻法使所述树脂层结构化；

-第四步骤，溶解所述树脂层。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的部件的制造方法，其中所述方法包括在180℃～450℃范围内、有利地在250℃～320℃范围内的温度下密封所述气密封装体的步骤，配置为确保所述吸气剂材料层的激活。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的部件的制造方法，其中所述方法包括通过将所述吸气剂材料层(15)耦合到电阻电路而由焦耳效应进行的激活步骤。