专利名称：具有用于保持真空的细粒吸气剂层的微器件组件的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及具有需要真空腔的内部结构的微器件组件，更具体地，涉及具有用于保持内部结构周围腔体内真空的细粒吸气剂层的微器件组件。
背景技术：
通过微机电系统(MEMS)技术制造的微器件正在许多领域中发挥着重要作用。例如，微机械陀螺仪在交通和商业应用中实现了几种重要的控制系统。其它由MEMS技术制造的微器件，例如压力传感器，加速计，激励器和谐振器也在许多领域使用。
一些微器件，例如微型陀螺仪和谐振器，包含需要在真空密封腔内保持的微结构。对于这些类型的器件，需要不断提高真空寿命。真空密封腔通常易受压力增加的影响，由于在密封工艺和从封装材料，密封材料和腔体内部件抽气而产生的气体造成。这种压力变化可降低密封微器件的性能并缩短其寿命。
在很多应用中，已经知道可使用某些类型的吸气剂以吸收水汽和气体种类。具体地，已经知道可使用由多孔烧结金属颗粒制成的高吸附作用吸气剂。使用这些类型的吸气剂带来不同程度的成功。例如，使用多孔金属吸气剂会有严重的可靠性问题，其由吸气剂颗粒在制造过程中或器件发生颤动或震动后脱落造成。已经发现，从这些吸气剂脱落的颗粒可堵塞微器件中的传感器，特别是微器件的传感器具有2微米级别的非常精密的结构时更是如此。堵塞将对传感器元件造成暂时的或永久的损伤。
在其它应用中，已经知道使用渗透性容器阻止吸气剂颗粒损害其它部件，例如，欧洲专利说明书EP 0 720 260 B1，题为“Getter Housingfor Optoelectronic Packages”。然而，如果应用到微器件传感器应用中，这种设计将增加更多的工艺步骤，并增加制造周期和成本。
在美国专利No.6,016,034中描述了一种非挥发性的吸气剂材料。然而，该工艺在集成至微器件传感器应用中之前，需要单独的吸气剂材料载体。这种设计再一次地增加了更多的工艺步骤，并增加了制造周期和成本。此外，所产生的形成此种吸气剂材料的微粒的平均颗粒大小为10-20微米，或甚至更大。如果应用到使用具有精密结构的传感器元件的应用，任何脱落的微粒都会引起问题。
对于非金属吸气剂，它们可由有机硅盐形成，例如在美国专利No.4,771,214的电子管应用中所说明的。另一种非金属吸气剂由用于平板显示器的淀积的非晶硅或多晶硅形成，在美国专利No.5,614,785中说明。对于非金属吸气剂，已知的非晶或多晶硅的机械属性将随淀积条件变化并难以重复。已知类型的非金属吸气剂通常用于具有大平坦区域的大尺寸腔体。其它类型的吸气剂主要用于在没有良好密封的腔体中吸收潮气。
下面同时待审批的专利申请说明了能够克服在微器件组件中应用现有吸气剂带来的问题的器件与方法“Hermetically SealedMicrodevices Having a Single Crystalline Silicon Getter for MaintainingVacuum”，Xiaoyi Ding，编号为No.10/260,675，其由本发明的受让人拥有并因此在此全文引用。尽管那个申请中说明的装置与方法有所帮助，但需要其它器件和方法。
因此，希望提供另外的改良的具有位于密封腔体内的结构的微器件组件来克服上述问题的大多数，如果不能克服全部的话。
附图简介
图1为本发明微器件组件的一个实施例的剖面图，其在封装层密封有吸气剂。
图2为微器件组件结构的顶视图。
图3为操作微器件组件结构的框图，以及图4为组装本发明微器件组件的流程图。
尽管本发明允许各种修改和替换形式，但通过附图中的示例示出了具体实施例，并在文中详细说明。然而，应当理解，本发明并不限制于公开的特定形式。相反，本发明将涵盖所有落入由所附权利要求限定的广阔范围内的所有修改、等效物和替代。
具体实施例方式
所说明的是具有需要真空腔的内部结构的微器件组件，更具体地，是具有用于保持内部结构周围腔体内真空的细粒吸气剂层的微器件组件。在一个实施例中，细粒吸气剂层可由薄膜淀积法形成，例如溅射(sputtering)，其直接应用于微器件组件的顶盖。经过适当的激活，细粒吸气剂层适合吸收水汽和许多气体种类。细粒吸气剂层可包含锆(Zr)来增加硅吸气剂与某些元素的反应。
综上所述，在一个实施例中，微器件组件包括器件微结构，外壳和细粒吸气剂层。外壳具有基部和顶盖。器件微结构与基部相连。顶盖与基部气密密封连接。外壳限定了包围器件微结构的腔体。细粒吸气剂层在顶盖的内侧面淀积，用于保持包围器件微结构的腔体内的真空。顶盖优选地由至少外表面为金属的材料制成。例如，外壳的顶盖可由KOVAR材料制成并镀有金属材料。可替换地，顶盖可由其它类型的材料制成，例如合金42或钢。
微器件组件特别适合器件微结构，其感应角速度且包括一对在腔体内振荡的可移动校准块(proof mass)。细粒吸气剂层应具有亚微米颗粒大小。细粒吸气剂层与器件微结构呈空间分离的关系，且可通过加热或其它工艺激活以吸收水汽和气体种类。
还有一种微器件组件包括气密密封外壳，微器件印模(die)和至少一个细粒吸气层。密封外壳具有内表面和内腔。微器件印模具有基板和在其上形成微结构。微器件印模安装在密封外壳的内腔中。细粒吸气剂层在内表面上淀积并处于外壳的内腔中，用于保持微器件印模周围的真空。此外，外壳上附着有细粒吸气剂层的部分优选地由至少外表面为金属的材料制成。例如，外壳的顶盖可由KOVAR材料制成并镀有金属材料。可替换地，顶盖可由其它类型的材料制成，例如合金42(alloy42)或钢。
另一实施例为制造微器件组件的方法，其包括的步骤为提供外壳的基部，基部具有凹槽；将微器件印模与外壳基部的凹槽相连；提供外壳的顶盖；将细粒吸气剂层施加于外壳的顶盖；使外壳的基部和外壳的顶盖进入真空环境；激活细粒吸气剂层，使得吸气剂层能够吸收水汽和气体种类；以及将外壳顶盖和外壳基部相连以形成与微器件印模相邻的气密密封腔。向顶盖施加细粒吸气剂层的步骤可包括向顶盖溅射非常薄的铬合金层。向顶盖施加细粒吸气剂层的步骤还可包括溅射一薄层，使得其具有亚微米颗粒尺寸。
现在来看附图，图1示出了在封装层密封的微器件组件20的一个实施例的剖面图。该微器件组件20可包括微器件印模26，气密密封外壳30，和至少一个细粒吸气剂层40。微器件印模26可能为具有与基板24相连的微结构22的传感元件的一部分。这里，微器件26可提供传感能力。例如，感应角速度的微型陀螺仪。出于说明的目的，在角速度传感器的意义下显示了说明和附图。
一种类型的用于角速度传感器的微结构22包含两个可移动的校准块52a，52b。通常，校准块52a，52b通过电机以预定频率在相同平面内振动(共面，in-plane)。该电机可包括在相同平面内以振荡的方式驱动校准块52a，52b的电极。校准块52a，52b的振动频率被控制在校准块52a，52b的共振频率附近。
图2表示微器件组件20的微结构22的一个实施例的顶视图。这里，微结构22包括一对可移动的校准块52a，52b，一对外部梳(outercomb)54a，54a，一对内部梳(inner comb)56a，56b，和一对异面(out-of-plane)感应电极58a，58b。微结构22的各部件安装基板24上并装在气密密封外壳30内。
校准块对52a，52b与一串驱动杆(drive beam)62，支撑杆(basebeam)64，和扭力杆(torsion beam)66相连。杆62，64，66允许校准块52a，52b关于一系列定位点(anchor point)68移动。定位点与基板24牢固连接。至少允许校准块52a，52b在两个平面内移动。第一平面(共面)由X-轴定义，如图2所示。第二平面(异面)由y-轴定义。
外部梳对54a，54b为在由x-轴定义的第一平面内驱动校准块52a，52b的电极。外部梳对54a，54b可安装在基板24上。参考图3，外部梳对54a，54b由外部感应电机驱动信号72驱动，该信号由数字处74产生，或可替换地，由独立的模拟系统产生。驱动信号72通过闭环方式产生，以使校准块52a，52b在校准块52a，52b的共振频率附近振荡。
内部梳对56a，56b在与校准块52a，52b相同的平面内。内部梳对56a，56b可安装在基板24上。内部梳对56a，56b 为感应校准块52a，52b在x-轴内运动的电极。内部梳对56a，56b用于向数字处理单元74报告第一信号76，如图3所示。
异面传感电极对58a，58b感应校准块52a，52b的异面运动。异面传感电极58a，58b可位于校准块对52a，52b之下。异面传感电极对58a，58b用于向数字处理单元74报告第二信号78，如图3所示。第二信号78将包含角速度分量，该分量反映微结构22外部感应的角速度。第二信号78表示由外部感应转动速率引起的校准块52a，52b在y-轴的运动。尽管对于本发明并非关键，但要注意数字处理单元74接收信号76和78并提取角速度分量以报告角速度80。
然而，关键的是微结构22由处于真空状态的腔体38包围。为保持真空，已经发现传统的吸气剂材料不适用于图2所示的传感器结构。原因在于传统吸气剂的微粒可脱离并落在振动的运动校准块52a，52b之上和周围。其将对微器件的传感能力造成暂时或永久的损害。
在本发明的一个实施例中，回过头来参考图1，外壳包括基部32和顶盖34。基部32和顶盖34通过密封材料36密封在一起。外壳30的材料应包括至少具有金属外表面的部分。金属外表面用于附着细粒吸气剂层40。例如，一种用于顶盖34的合适材料为KOVAR并镀有诸如镍和/或金的金属材料。可替换地，顶盖34可由其它类型的金属制成，例如合金42或钢。总之，外壳30限定了内腔38。如下所述，细粒吸气剂层40在内腔38内形成，用于保持内腔38的真空。接合线(wire bond)可用于连接微器件26与外壳30上的金属迹线(metaltrace)。
在一个实施例中，细粒吸气剂层40在外壳30的顶盖34上形成，因而吸气剂层40与印模26呈空间分离的关系。吸气剂层40由极细的颗粒和密实的吸气剂材料制成。在优选实施例中，吸气剂层40约为3-5μm厚，并淀积于顶盖34的内侧42。吸气剂层40的颗粒大小应小于1微米(亚微米)。这种细粒吸气剂40可从SAES Getters USAInc.，Colorado Springs，CO得到，并包含诸如铬(Zr)合金的金属材料。优选地，通过物理汽相淀积技术，例如溅射，完成细粒吸气剂层的淀积。
图4为说明组装微器件组件20的一个实施例的流程图。在框82中，该工艺包括提供外壳30的基部32。基部32的设计可类似于图1中所示，并由诸如KOVAR的刚性材料制成。具体地，基部32可具有凹槽33。
在框84中，该工艺包括连接微器件印模26和外壳30的基部32。在一个实施例中，微器件印模26连接在基部32的凹槽33内。如上所述。微器件印模26可包括微结构22和基板24。微器件印模26的基板24部分与外壳30的基部32可通过使用金或焊接材料的接合工艺进行物理连接。微器件印模26可通过接合线25与外壳30的基部32电气连接，如图1所示。
在框86中，该工艺还包括提供外壳30的顶盖34。该顶盖34的设计可类似于图1所示，并由诸如KOVAR的刚性材料制成。此外，在一个实施例中，顶盖34可选择地或全部镀有诸如镍和/或金的金属材料。其应至少在顶盖34上施加吸气剂层40的区域中进行。
在框88中，该工艺还包括向顶盖43的侧面42施加细粒吸气剂层。吸气剂层40需要由极细颗粒和密实的吸气剂材料(亚微米颗粒)形成。此外，吸气剂层40需要极薄(约3-5微米厚)并能通过物理汽相淀积技术淀积在顶盖34的侧面42上。在一个实施例中，细粒吸气剂层40为从SAES Getters USA Inc.，Colorado Springs，CO获得的铬(Zr)合金。
在框90中，下一步骤包括使外壳30的基部32(连同相连的微器件印模26)与外壳30的顶盖34(连同细粒吸气剂层40)进入真空环境。如在框92中提到的，该工艺然后包括激活细粒吸气剂层40。在一个实施例中，细粒吸气剂层40通过加热和真空工艺激活，以从吸气剂材料表面去除氢和其它元素。这个新鲜的(fresh)表面作为气体与水汽吸收的反应单元。
在框94中，该工艺还可包括连接或接合顶盖34与基部32。优选地，该连接或接合步骤在真空环境中完成。在一个实施例中，顶盖34与基部32连接，以形成气密密封。使用金或焊接材料的金属接合或焊接工艺可实现气密密封。
此处说明的是具有细粒吸气剂层的新型微器件，吸气剂层用于在包围器件的传感器微结构的气密密封腔体内保持真空。使用细粒吸气剂层允许吸气剂适用于MEMS应用所需的极小腔体。本发明所采用的吸气剂还方便地减少了由吸气剂微粒脱落在传感器元件上造成的失效。另外，本发明通过使用低成本材料显著降低了真空密封微器件的制造成本，并减少了工艺步骤。这对于大量使用特别重要。
上面对于本发明的描述仅为示例性的，并不限制根据本申请发布的任何专利的范围。本发明仅通过所附权利要求的广阔范围进行限定。
权利要求
1.一种微器件组件，包括器件微结构；具有基部和顶盖的外壳，器件微结构与基部相连，顶盖气密密封到基部，外壳限定包围器件微结构的腔体；以及淀积在顶盖内侧的细粒吸气剂层，用于保持包围器件微结构的腔体内的真空。
2.权利要求1的微器件组件，其中，器件微结构包括一对可移动的校准块，其在腔体内振荡，以限定角速度感应元件。
3.权利要求1的微器件组件，其中，细粒吸气剂层具有亚微米颗粒大小。
4.权利要求1的微器件组件，其中，细粒吸气剂层与器件微结构呈空间分离的关系。
5.权利要求4的微器件组件，其中，通过加热工艺激活细粒吸气剂层以吸收水汽和气体种类。
6.权利要求1的微器件组件，其中，外壳的顶盖由KOVAR材料制成并镀有金属材料。
7.一种制造微器件组件的方法，该方法包括以下步骤提供外壳的基部，基部具有凹槽；连接微器件印模到外壳基部的凹槽；提供外壳的顶盖；向外壳顶盖施加细粒吸气剂层；使外壳基部和外壳顶盖处于真空环境；激活细粒吸气剂层，使得吸气剂层能够吸收水汽和气体种类；以及连接外壳顶盖到外壳基部，以形成与微器件印模相邻的气密密封腔体。
8.权利要求7的方法，其中，向顶盖施加细粒吸气剂层的步骤包括向顶盖溅射极薄的铬(Zr)合金层。
9.权利要求7的方法，其中，外壳基部与外壳顶盖由KOVAR材料制成，该方法还包括在向外壳顶盖施加细粒吸气剂层前用金属材料电镀外壳顶盖。
10.权利要求7的方法，其中，细粒吸气剂层具有亚微米颗粒大小。
全文摘要
公开一种微器件组件(20)，其包括器件微结构(22)，外壳(30)，和细粒吸气剂层(40)。外壳(30)具有基部(32)与顶盖(34)。器件微结构(22)与基部(32)相连，且顶盖(34)与基部(32)气密密封。外壳(30)限定包围器件微结构(22)的腔体(38)。细粒吸气剂层(40)在顶盖(34)的内侧(42)，用于保持包围器件微结构(22)的腔体(38)内的真空。顶盖(34)由金属制成，或在施加细粒吸气剂层(40)的区域具有至少一个金属表面。细粒吸气剂层(40)具有亚微米颗粒大小。还公开了制造微器件组件(20)的方法。
文档编号H01J9/38GK1781176SQ200480007790
公开日2006年5月31日 申请日期2004年2月5日 优先权日2003年3月31日
发明者王仲平, 谢里尔·B·菲尔德, 迈克尔·普法伊费尔 申请人:摩托罗拉公司