专利名称：锗窗、其制造方法以及具有该锗窗的气密性盒体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锗窗，制造这种锗窗的方法以及采用该锗窗制成的 能够用作红外线传感装置等电子器件的气密性盒体。
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的非制冷型红外辐射传感器的纵剖示意图和图2的非制冷型红外辐 射传感器的俯视示意图所示，包括锗窗l、金属盖板12、芯片13和金属 壳体14，其中锗窗1、金属盖板12和金属壳体14构成气密性盒体。红 外透射窗所用的材料一般有硅、锗、硒化锌、BK7、蓝宝石等。本申请 所述锗窗即用作红外透射窗。红外辐射从外部透过锗窗1，入射到封于金 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盒体内部应为真空状态，因此对盒体的气密性要 求极为苛刻。
金属盖板12和金属壳体14通常采用Kovar合金为材料，两者之间 的焊接强度很高，可以满足气密性要求。但Kovar合金盖板12与锗窗1 之间的焊接不能直接进行，需要先对锗窗1的与金属盖板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，然后将焊料 涂布在金属化区域之上，再与Kovar盖板12进行焊接。图3为锗窗1的 俯视示意图，该锗窗1为13mm xl3mm xlmm的有倒角的正方形薄片， 图3中带阴影的区域表示锗窗l的向下一面的边缘处宽度为lmm的部分， 即须要金属化的区域11。须要金属化的区域11进行金属化处理后它的黏 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 最终影响盒体的气密性和传感器的灵敏度。
目前通常采用的锗窗1须要金属化的区域11的金属化方案一般是自 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)
根据这四种方案层积在锗窗1边缘部分下表面的金属化层与锗窗1
的本体的黏附力不高，且有裂纹，在与金属盖板12进行焊接封装后出现 漏气现象，而且第3种方案Pd层厚度太厚(>10pm)，第4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、钼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裂纹，在与金属盖板或直接与金属壳体进行焊接 封装后出现漏气现象。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明申请人提出了一种新型锗 窗、其制造方法以及具有该锗窗的气密性盒体。
本发明的锗窗，由一锗窗本体和一金属化层构成，该金属化层是以 该锗窗本体为基在其边缘部分下表面依次层积的由金层形成的底层，中 间层和由金层、银层或铂层形成的抗氧化外层，其特征在于，所述中间 层为镍层-钛层、铬层或钒层-镍层的夹层结构。
本发明的锗窗的制造方法，包括以下步骤
第一步在一锗窗本体边缘部分下表面，以该锗窗本体为基，依次 层积由金层形成的底层，中间层和由金层、银层或铂层形成的抗氧化外 层，该中间层为镍层-钛层、铬层或钒层-镍层的夹层结构，从而形成一金 属化层，或在一锗窗本体边缘部分下表面，以该锗窗本体为基，依次层 积由金层形成的底层，中间层和由金层、银层或铂层形成的抗氧化外层，该中间层为镍层-钛层、铬层或钒层-镍层-钛层、铬层或钒层-镍层的夹层 结构，从而形成一金属化层，沉积的方法是溅射、热蒸发、电子束蒸发 或电镀。
第二步，对形成该金属化层的该锗窗本体进行退火处理，退火温度
为350°C 400°C，退火时间为10 20秒。
本发明的用于红外线传感装置等电子器件的气密性盒体，具有一金
属壳体和一焊接在金属壳体上的金属盖板，其特征在于，在该金属盖板 上焊接有本发明的锗窗。
采用本发明的锗窗的制造方法制造的本发明的锗窗，层积在锗窗本 体边缘部分的下表面上的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"C时形成Au88Gel2共晶体，极大地提高了金属化强度。 更重要的是，现有技术作为中间层的镍层稍厚大于llLim时，很容易在温 度变化时产生较大热应力，造成中间层龟裂。本发明在现有技术的中间 层的镍层中间加入缓冲层，即钛层、铬层或钒层，形成新的中间层，即 镍层-钛层、铬层或钒层-镍层的夹层结构，使新的中间层内部形成压应力 和拉应力交替结构，避免中间层龟裂。
-图1为现有的一非致冷型红外辐射传感器的纵剖示意图； -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为图1和图2所示的非致冷型红外辐射传感器的锗窗的俯视示 意-图4为本发明实施例一的锗窗的金属化区域的结构示意图； -图5为本发明实施例二的锗窗的金属化区域的结构示意图； -图6为本发明实施例一的锗窗的金属化区域的侧面的SEM照片。
具体实施例方式
参见图4，本发明的锗窗100由一锗窗本体110和一金属化层120 构成。
锗窗本体110通常为13mm xl3mm xlmm的有倒角的正方形薄片，
6所用的材料一般是单晶锗。
金属化层120层积在锗窗本体IIO边缘部分宽度约为lmm的下表面 即须要金属化的区域上。
金属化层120由底层10，中间层20和抗氧化外层30构成。
底层IO为金层，将金直接层积在锗窗本体IIO须要金属化的区域上 而形成。金层的厚度为10nm至50nm，优选为20nm。
中间层20包括镍层21，钛层、络层或钒层22和镍层23。钛层、铬 层或钒层22位于镍层21和镍层23之间。镍层21的厚度为200nm至 700nm，优选为600nm。钛层、络层或钒层22的厚度为50nm至100nm， 优选为60nm。镍层23的厚度为200nm至700nm，优选为600nm。优选 为镍层21和镍层23的厚度相同。
抗氧化外层30为金层、银层或铂层。金层、银层或铂层的厚度为50nm 至300證，优选为60nm。
参见图5，本发明的锗窗200由一锗窗本体110和一金属化层130 构成。本发明的锗窗200与本发明的锗窗100除锗窗200的中间层40与 锗窗100的中间层20有不同外，其他各层完全相同。锗窗200的中间层 40在锗窗100的中间层20的镍层21，钛层、铬层或钒层22和镍层23 的基础上增加一钛层、铬层或钒层24和一镍层25。钛层、铬层或钒层 24的厚度为50nm至100nm，优选为60nm。优选为钛层、铬层或钒层24 和钛层、铬层或钒层22的厚度相同。镍层25的厚度为200rnn至700nm， 优选为600nm。优选为镍层21和镍层23及镍层25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，将双面抛光的锗窗本体IIO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12(TC烘干30分钟；
步骤二磁控溅射，在锗窗本体IIO边缘部分宽度约为lmm的下表 面即须要金属化的区域上依次溅射金、镍、钛、镍、金膜层，初步形成 金属化部位，上述膜层的厚度依次为20nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm， 或在锗窗本体110边缘部分宽度约为lmm的下表面即须要金属化的区域 上依次溅射金、镍、钛、镍、钛、镍、金膜层，初步形成金属化部位，上述膜层的厚度依次为20nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm，溅射时本底真空为lXl(T6Torr，衬底加温10(TC;
步骤三快速退火，退火时用氮气保护，退火温度为36(TC，时间为 15秒。
金能够在温度达到200°C时与锗发生固溶生成a相固溶体，在温度达 到356'C时两者形成Au8sGe。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。
底层10之上的中间层20事实上是一个金属夹层结构。通常单一采 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 lpm，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。本发明在上述镍层的中间增加一个一定厚度的缓冲 层即钛层、铬层或钒层22，使整个中间层呈现为夹层结构。在受热时中 间层中的镍层所受的热应力得到缓解，避免出现龟裂。底层10之上的中 间层40具有两个缓冲层即钛层、格层或钒层22和钛层、铬层或钒层24， 在受热时中间层中的镍层所受的热应力得到进一步缓解。
在中间层20、 40之上的抗氧化外层30由金、银或铂构成，在后续 的热处理和焊接工艺中对中间层20、 40起保护作用。
本发明的用于红外线传感装置等电子器件的气密性盒体，具有如图1 和图2所示的一金属壳体14和一焊接在金属壳体14上的金属盖板12， 在金属盖板12上焊接有如图4和图5所示本发明的锗窗。
参见图6所示的本发明的锗窗的侧面的SEM显微照片，图示为图4 所示本发明实施例一的锗窗的金属化区域的结构放大13000倍时的形态， 图中从左到右显示的是锗窗本体、金层、镍层、钛层、镍层、金层，可 以看出，作为底层的金与锗窗本体的锗形成合金，并向锗材料中有一定 深度的扩散，确保了金属化层与锗窗本体的结合强度，整体形貌较好。
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Al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的喷氦，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lh，检测结果为细检漏率小于5.0X 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。
权利要求
1.一种锗窗，由一锗窗本体(110)和一金属化层(120)构成，该金属化层(120)是以该锗窗本体(110)为基在其边缘部分下表面依次层积的由金层形成的底层(10)，中间层(20)和由金层、银层或铂层形成的抗氧化外层(30)，其特征在于，所述中间层(20)为镍层(21)-钛层、铬层或钒层(22)-镍层(23)的夹层结构。
2. 根据权利要求1所述的锗窗，其特征在于，所述中间层(20)中 两镍层(21， 23)的厚度相同。
3. 根据权利要求1所述的锗窗，其特征在于，在所述中间层(20) 的所述镍层(23)和保护层(30)之间自所述镍层(23)起增加依次层 积的钛层、铬层或钒层(24)和镍层(25)，从而构成具有镍层(21)-钛层、铬层或钒层(22)-镍层(23)-钛层、铬层或钒层(24)-镍层(25) 的夹层结构的一中间层(40)。
4. 根据权利要求3所述的锗窗，其特征在于，所述中间层(40)中 三镍层(21， 23和25)的厚度相同，所述中间层(40)中两钛、铬或钒 层(22， 24)的厚度相同。
5. 根据权利要求l、 2、 3或4所述的锗窗，其特征在于，所述底层 (10)的金层的厚度为10nm至50nm，所述中间层(20， 40)中所述镍层(21 ， 23和25)的厚度为200nm至700nm，所述钛层、铬层或钒层(22， 24)的厚度为50nm至100nm,所述抗氧化外层(30)的所述金层、银层 或铂层的厚度为50nm至300nm。
6. 根据权利要求5所述的锗窗，其特征在于，所述底层(10)的金 层的厚度为20nm，所述中间层(20， 40)中所述镍层(21， 23和25) 的厚度为600nm，所述钛层、铬层或钒层(22， 24)的厚度为60nm，所 述抗氧化外层(30)的所述金层、银层或铂层的厚度为60nm。
7. —种锗窗的制造方法，包括以下步骤第一步在一锗窗本体(110)边缘部分下表面，以该锗窗本体(IIO) 为基，依次层积由金层形成的底层(10)，中间层(20)和由金层、银 层或铂层形成的抗氧化外层(30)，该中间层(20)为镍层(21)-钛层、铬层或钒层(22)-镍层(23)的夹层结构，从而形成一金属化层(120)， 或在一锗窗本体(110)边缘部分下表面，以该锗窗本体(110)为基， 依次层积由金层形成的底层(10)，中间层(40)和由金层、银层或铂 层形成的抗氧化外层(30)，该中间层(40)为镍层(21)-钛层、铬层 或钒层(22)-镍层(23)-钛层、铬层或钒层(24)-镍层(25)的夹层 结构，从而形成一金属化层(130)，沉积的方法是溅射、热蒸发、电子 束蒸发或电镀。第二步，对形成该金属化层(120， 130)的该锗窗本体(110)进行 退火处理，退火温度为350°C 400°C，退火时间为10 20秒。
8.—种用于红外线传感装置等电子器件的气密性盒体，具有一金属壳 体和一焊接在金属壳体上的金属盖板，其特征在于，在该金属盖板上焊 接有权利要求1所述的锗窗。
全文摘要
一种锗窗，由一锗窗本体(110)和一金属化层(120)构成，该金属化层(120)是以该锗窗本体(110)为基在其边缘部分下表面依次层积的由金层形成的底层(10)，中间层(20)和由金层、银层或铂层形成的抗氧化外层(30)，所述中间层(20)为镍层(21)-钛层、铬层或钒层(22)-镍层(23)的夹层结构。本发明还公开了所述锗窗的制造方法和具有所述锗窗的气密性盒体。本发明在现有技术锗窗的金属化层的中间层的镍层中间加入缓冲层，即钛层、铬层或钒层(22)，形成新的中间层，即镍层(21)-钛层、铬层或钒层(22)-镍层(23)的夹层结构，使新的中间层(20)内部形成压应力和拉应力交替结构，避免中间层龟裂。
文档编号B81C3/00GK101597020SQ20091013992
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者辉 方, 涛 杨, 雷述宇 申请人:北京广微积电科技有限公司