吸气结构和用于形成该结构的方法
【专利摘要】一种吸气结构和方法，其中，在一定条件下将晶种材料的层沉积于结构表面的预定区域上，以在结构表面上形成多个成核位。所述成核位在预定区域的表面区域上方具有的平均高度小于1分子厚。接着，在该表面上沉积吸气材料以形成从该成核位向外突出的多个吸气材料构件。
【专利说明】
吸气结构和用于形成该结构的方法
技术领域
[0001]本发明基本涉及用于真空封装的电子装置的吸气结构和用于形成该结构的方法。 【背景技术】
[0002]如已有技术中所知，为了在密封的真空容器(比如在所谓的杜瓦瓶组件(Dewar assembly)中)维持高度的真空，采用吸气剂，以便捕获慢慢地透过该杜瓦瓶组件密封件而泄漏的气体分子，或从容器材料排出的气体。广泛使用的吸气材料包括单独的钛，以及钛， 锆，钒，铁和其它的反应金属的混合物，该材料持续地捕获各种气体分子，例如在排气的真空密封的杜瓦瓶组件中通常发现的氧、氢、氮、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。该吸气材料与这些气体发生反应，以便形成在室温下稳定的氧化物、碳化物、氢化物与氮化物。这些反应是不可逆的，因此不会涉及之后的气体泄漏的风险。
[0003]存在两种真空吸气剂，可蒸发的吸气剂和不可蒸发的吸气剂。可蒸发的吸气剂在杜瓦瓶密封后就地迅速地蒸发到内部杜瓦瓶表面上。主要的例子是玻璃无线电设备或TV真空管中看到的发亮的表面。如果之后曝露于空气中，则该吸气剂无法被再激活。不可蒸发的吸气剂在制造其被应用的装置的过程中被设置或沉积，在短时间内将其加热到高温而被激活。本申请的主体属于不可蒸发的类型。
[0004]在杜瓦瓶组件中捕获残余的气体分子通过传统的外部烧制吸气剂(fired getter)而实现，其例子在发明人为Romano等人的N0.5, 111 ,049号美国专利中描述。吸气材料(比如，钛和钼粉末的多孔混合物)设置于Alloy42容器中，该容器与从杜瓦瓶主体而伸出的管焊接。通过对吸气材料容器在约800°C下施加热约10分钟，该吸气材料被激活。但是，夕卜部烧制吸气剂大且笨重，并且必须在杜瓦瓶主体的外部制造。为了在这样的杜瓦瓶组件中维持高真空度，采用外部烧制吸气剂会大大增加该杜瓦瓶组件的体积和重量，该杜瓦瓶组件包括现代平面红外(IR)检测器阵列，其典型形状为矩形，该矩形的一般尺寸在0.5至2cm 的范围内。另外，该吸气材料必须远离IR检测器阵列定位，必须对杜瓦瓶主体进行外部冷却，以防止对吸气剂施加的热量而造成的检测器阵列和其它杜瓦瓶组件部件的热损害。吸气剂组件的机械复杂性和IR检测器阵列的外部冷却器的需求增加了 IR检测器的成本。
[0005]在N0.5，433，639号美国专利中描述了制造真空密封的杜瓦瓶组件的方法。但是， 由于所沉积的薄膜吸气剂的表面积小，因此可通过该吸气剂而去除的气体量是有限的。由于上述IR检测器优选具有作为检测器表面积与总的检测器表面积的比的大的填充系数，以便增加检测的有效性，于是，吸气材料可沉积在其上的表面积的百分比较小。
[0006]还如已有技术中所知，传统的非冷却IR检测器阵列容纳于真空密封的杜瓦瓶组件中，该杜瓦瓶组件具有平面IR窗，其一般由锗制成，并且涂敷有表面涂层，以便改善它的IR 透射性。IR辐射穿过该窗并且入射到上述阵列中的检测器像素。非冷却的IR检测器典型为硅或钒氧化物微测热辐射仪，其为通过热感应检测IR辐射的温度传感器。
[0007]也如已有技术中所知，将吸气剂一体形成在晶片级真空封装的(WLVP)装置中(要求较大面积的光学窗)，这在放置该吸气剂的可获得的区域方面是非常有限的。在晶片级真空封装的装置中，吸气剂经常通过将吸气材料蒸发或溅射到该装置的盖上进行真空沉积。 在光学装置，比如，IR成像焦平面阵列(FPA)中，该窗占据吸气剂要沉积在其上的可获得的面积中的大部分。
[0008]在N0.5,701，008号美国专利中描述了一项技术。如在该文献中所描述，吸气剂的表面积的增加通过蚀刻许多的槽，以在放置吸气剂的盖晶片表面上形成柱状突起来实现。 该吸气剂吻合地沉积于盘旋的表面上，由此通过对二维表面区域添加第三维来增加其表面积。该吸气剂通过蒸发或溅射于柱状突起的壁和扁平水平表面上而吻合地沉积。其它的尝试涉及在将吸气剂沉积之前对该表面进行粗糙处理以便稍稍增加该面积的方法。
[0009]还如已有技术中所知，形成吸气剂的一种方法在于对膜进行溅射，该膜包括锆、 钛、铁和共沉积于衬底上的其它的金属。
[0010]还如已有技术中所知，沉积的真空吸气剂为下述结构(经常为薄层)，该结构通过蒸发或溅射可与在真空环境中残余的气体原子发生化学反应的材料层而形成，以便改善真空质量。吸气薄膜的形态是重要的，因为其必须具有尽可能大的有效的表面面积，在其上反应气体种类将会被其捕获。该吸气区域不仅为几何区域。通过在晶粒边缘处的空隙，提供大部分活性区域。人们已广泛地对沉积薄膜的生长进行了研究，从而产生了熟知的Movchan和 Demchishin以及Thornton的结构区域模型(SZM)，参见Handbook of Deposit1n Technologies for Thin Films and Coatings(用于薄膜和涂层的沉积技术的手册)， P.M.Martin，Elsevier，2009,ISBN 978-0-8155-2031-3。该SZM模型使薄膜结构与同系温度 (homologous temperature)相关，定义为薄膜生长温度和所沉积的材料的恪化温度的比。 薄膜晶粒生长的关键因素在于衬底表面上的到达原子的移动性。该移动性具有对到达能量和表面温度的强烈依赖性。具有高移动性(高能量)的原子在该表面上移动而凝聚，形成大的晶粒。具有低能量的原子会更快地停止，并且形成较小晶粒，产生比在具有较大的晶粒的薄膜更大的净空隙空间。于是，与具有在它们之间的空隙空间的较大晶粒的薄膜相比，优选具有许多较小晶粒的薄膜。快速的沉积率还促进在晶粒之间具有空隙空间的较小的晶粒。 被沉积的上述材料的化学和热动态特性也对产生的晶粒结构造成影响。
[0011]针对具有低沉积率的高移动性的场合，在图1A，1A’至1C，1C’中示出，针对具有较高沉积率的较低移动性的场合，在图2A，2A’至2C，2C’中示出。在图1A，1A’中，原子4到达表面3上，并且在周围运动，直至它们失去足够的能量而停止，或撞击在作为形成晶粒的基材的原子团6的边缘。随着团侧向生长，产生大晶粒，直至它们足以覆盖表面3以便截取更多数量的到达原子4,并开始向上生长。晶粒6之间的接触边界包括负责吸气作用的空隙空间1。 在图2C至2C’中，原子4到达表面3上，并且在周围运动，直至它们失去足够的能量而停止，或击中团的边缘。在原子4快速到达足以堆积时，团开始快速向上生长，并且快速地覆盖更多的表面，于是形成在其之间具有晶粒边界(空隙空间)1的小的晶粒。[〇〇12]还如已有技术中所知，真空沉积的吸气剂的有效性强烈地依赖于沉积方法、沉积条件以及所形成的薄膜的形态和结构。用于WLP和一些其它的电子封装件的真空吸气剂包括以晶粒结构形成高的柱状结构的方式沉积于该封装件中的金属层。晶粒之间的竖直表面是所沉积的吸气剂的几何面积的多倍，并且构成吸气表面的大部分。
【发明内容】
[0013]根据本发明，提供一种吸气结构，其包括:具有多个成核位的衬底，该成核位由晶种材料形成于衬底的表面上；以及多个吸气材料构件，其从上述成核位向外突出。
[0014]在一个实施方式中，提供一种晶片级真空封装的(WLVP)装置，其具有:在其上具有检测器阵列的第一衬底;第二衬底，其真空粘附到第一衬底，该第二衬底具有多个成核位， 该成核位由晶种材料形成于上述第二衬底的表面上；以及从该成核位向外突出的吸气材料构件。
[0015]在一个实施方式中，提供一种用于形成吸气结构的方法。该方法包括:在该结构的表面上，形成多个晶种材料的成核位;以及形成从该成核位向外突出的多个吸气材料构件。
[0016]在一个实施方式中，提供一种用于形成吸气结构的方法。该方法包括:在一定条件下，将晶种材料的层沉积于结构的表面上，以在该结构的表面上形成多个晶种成核位；以及接着在该表面上沉积吸气材料，以形成从该成核位向外突出的多个吸气材料构件。
[0017]在一个实施方式中，上述晶种材料层沉积于上述表面的具有预定表面面积的区域上，并且其中，上述成核位在预定表面面积上方具有的平均高度小于1分子厚。
[0018]在一个实施方式中，上述晶种材料的沉积为闪急蒸发或电子束沉积。
[0019]在一个实施方式中，该方法包括在吸气材料沉积之前氧化上述成核位。【附图说明】
[0020]图1A，1A’-1C，1C’为简图，其示出了用于形成已有技术的吸气材料的方法，其中， 说明了较慢的沉积；
[0021]图2六，2六’-2(:，2(:’为简图，其示出了用于形成已有技术的吸气材料的方法，其中， 说明了较高的沉积；
[0022]图3为本发明的用于IR检测器阵列的晶片级封装杜瓦瓶组件的简化的剖面透视图；
[0023]图4为用于图3的组件中的IR检测器阵列的简化俯视图；
[0024]图5为用于形成本发明的吸气材料的方法的流程图；
[0025]图6为简图，其从顶部到底部依次地在右侧表示用于形成多个吸气材料结构的方法的等比例简图，在右侧表示其侧视图，该结构设置于根据本发明的多个任意形成的成核位上；
[0026]图6A为图6的典型的几个成核位和其吸气材料的剖视图。
[0027]各个附图中的相同的标号表示相同部件。【具体实施方式】
[0028]现在参照图3和图4,示出杜瓦瓶组件，其具有半导体材料(最好为硅)的读取集成电路(R0IC)衬底2<JR检测器阵列14设置于该衬底2上，并且包括多个单独的检测器元件，该元件也称为像素(pixelS)16。虽然图4仅仅示出检测器像素16的5X6矩形阵列，但是可理解，典型的IR集成电路通常包括具有高达几百X几百像素16构成的平面IR检测器阵列。在大部分商业应用中，IR检测器经常不冷却，并且通过感测由于通过IR辐射对该检测器施加的热量而导致的温度的增加而检测IR辐射的强度。不冷却的IR检测器的典型例子为氧化钒 (V〇x)微测辐射热仪(MB)，其中，多个单独的检测器经常通过传统的半导体制造工艺以阵列方式形成于ROIC衬底2上。上述MB阵列通过感测IR产生的热检测IR辐射，并且也被称为焦平面阵列(FPA)或传感器芯片组件(SCA)。该衬底2为用于对由上述测辐射热仪产生的信号进行处理的集成电路。在该场合，该测辐射热仪为微桥电阻器，该微桥电阻器在其温度改变时改变其电阻。入射的辐射使微桥的温度改变。虽然可采用其它的半导体材料，比如，Si，但是，VOx是市场上最常见的并且是最经济的材料，该材料被用于大部分商业的IR检测应用。
[0029]真空密封的杜瓦瓶组件包括围绕IR检测器阵列的气密密封件8,从而将该检测器阵列与大气密封隔开。该密封件8可为比如，铟、金-锡、或其它的焊料，其具有当它被沉积于衬底2上或者最好是晶片10上时被精确控制的密封件的高度。该密封件8支撑第二衬底、盖晶片，盖晶片此处为IR透明窗1〇(在这里比如为硅)，从而由于晶片级封装，该窗晶片10必须具有与也为硅的FPA晶片相匹配的热膨胀系数。该晶片10包括:多个柱状吸气材料结构21 (图6)，其以将要描述的方式形成于上述晶片10的具有预定的表面积的表面的预定区域20 上。上述盖晶片10的内表面与图1和图2中的表面3相对应。吸气剂区域的位置在图3中总体由标号20表示，并且围绕光学透明IR窗。当应用于非光学的WLP封装件时，该盖晶片的较大部分可由吸气剂21覆盖。
[0030]更具体地，用于形成吸气材料的柱21的方法的流程图在图5中示出。简要地说，并且参照图6和图6A，该方法包括:在盖晶片10的表面上的预定区域上形成晶种材料的多个任意的成核位24;并形成从该成核位24向外突出的多个吸气材料构件21。更具体地，将该晶片 10载置于真空沉积腔内。在晶片10的表面上沉积非常薄的第一金属层，比如，铬层，其在预定区的表面区域上的平均厚度小于1个分子(小于完整的单层)，从而为下一钛(Ti)沉积而形成成核位24(图6,图6A)。该钛层21优选从由成核位24限定的晶粒结构开始生长。该晶种材料的要求在于它应具有在硅晶片10表面上的低的到达能量与低的表面移动性，以便它形成许多小的分子的非连续团(c lump);每个团与该成核位24中的一个相对应。沉积可通过闪急蒸发，或通过测定体积的蒸发物的热蒸发，或通过具有高快门速度的快门控制的电子束 (e-beam)而进行，该闪急蒸发比如通过导线而施加高电流脉冲，使其恪化并使其一部分蒸发。由于在空气中曝露会导致成核位氧化，而吸气材料(比如，钛)会粘接到被氧化的成核位上，所以也可采用在第一沉积腔内通过溅射沉积，然后转移到电子束沉积腔内用于吸气剂的沉积。
[0031]吸气材料21最好从由成核位24限定的晶粒结构开始生长到下述范围的高度，该范围比如为几千埃至几微米。吸气材料21的有效性取决于其有效表面积。晶粒边缘在几何表面上使有效面积增加许多倍，并且在给定的一组时间-温度的条件下该增加的面积意味着改善的活性。该吸气作用通过使钛与扩散到晶粒边缘中的真空内的分子反应而起作用。 [〇〇32]采用其熔点高于吸气材料21的晶种材料的材料会促进成核位24的形成。于是，晶种材料的最佳候选物应具有的熔点接近或高于吸气材料的熔点，但是也可采用其它的金属。在一个实施方式中，该方法包括通过溅射使该晶种材料沉积，这开启了采用难以蒸发的金属的可能性。如果钛吸气剂层的下一沉积通过蒸发完成，则在溅射腔和蒸发腔之间的转移中的曝露到空气会使晶种材料氧化。因为钛会粘附到金属氧化物，所以人们不认为这使吸气剂降级。晶种材料可为比如钨、钽、钛-妈、钒、错、舒、钼、铪或铬。其它可能的元素包括比如硅或其它的金属。该晶种材料不直接涉及气体原子通过反应而从真空环境中去除的吸气过程。
[0033]接着，一层吸气材料(比如具有的厚度在约3000至大于10000埃厚的钛)在原位被沉积于第一金属层24上，该第一金属层在成核位金属上方。该钛在成核位上生长成柱状结构，该柱状结构沿其侧边具有增加的吸气剂表面面积。
[0034]在吸气材料形成于成核位上后，从该腔中去除该晶片。
[0035]现在应当知道，根据本发明的吸气结构包括:衬底，由晶种材料在衬底表面上形成的多个成核位，和从该成核位向外突出的多个吸气材料构件。该吸气结构可单独地包括下面特征中的一个或多个或者与另外一个特征进行组合，该下述的特征包括:其中上述晶种材料形成于上述表面的具有预定表面面积的区域上，以及其中上述成核位在预定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者其中上述吸气材料为钛。
[0036]现在也应知道，根据本发明的真空封装的电子装置结构包括:第一衬底;真空粘结到第一衬底的第二衬底，其具有晶种材料在第二衬底的表面上形成的多个成核位；以及多个吸气材料构件，其从成核位向外突出。真空封装的电子装置结构可单独地包括下面特征中的一个或多个或者与另外一个特征进行组合，该下述的特征包括:上述晶种材料形成于上述表面的区域上，以及上述成核位在预定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者，上述吸气材料为钛。
[0037]现在应知道，用于形成吸气结构的方法包括:在该结构的表面上形成多个晶种材料的成核位，以及，形成多个从该成核位向外突出的吸气材料构件。另外，该方法可包括下述特征，其中，上述晶种材料形成于上述表面的具有预定表面面积的区域上，以及其中上述成核位在预定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度，或者其中上述吸气材料为钛。
[0038]现在还应知道，形成吸气结构的方法包括:在一定条件下，在该结构的表面上沉积一层晶种材料以在结构的表面上形成多个成核位，接着，在该表面上沉积吸气材料以形成多个从该成核位向外突出的吸气材料构件。该方法可单独地包括下面特征中的一个或多个或者与另外一个特征进行组合，该下述的特征包括:上述沉积为闪急蒸发或电子束沉积;在吸气材料沉积之前，对上述成核位进行氧化;上述晶种材料形成于上述表面的具有预定表面面积的区域上，以及上述成核位在预定表面上方具有的平均高度小于1分子厚度。[〇〇39]已描述了本发明的多个实施方式。但是，可理解可在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种变型。比如，虽然描述了两种不同的方法以实现成核层的沉积，但是可采用其它的方法。另外，虽然针对检测器阵列描述了结构和方法，但是，可将该方法应用于其它的电子装置结构，比如，MEMS结构中。因此其它的实施方式落入下面的权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种吸气结构，包括:衬底；在所述衬底的表面上由晶种材料形成的多个成核位;和 从所述成核位向外突出的多个吸气材料构件。2.根据权利要求1所述的吸气结构，其特征在于，所述晶种材料形成在所述表面的具有 预定表面面积的区域上，并且其中，所述成核位具有的在所述预定表面上方的平均高度小 于1分子厚。3.根据权利要求2所述的吸气结构，其特征在于，所述吸气材料为钛。4.一种真空封装的电子装置结构，包括:第一衬底；真空粘附到所述第一衬底的第二衬底，所述第二衬底具有在所述第二衬底的表面上由 晶种材料形成的多个成核位;以及从所述成核位向外突出多个吸气材料构件。5.根据权利要求4所述的吸气结构，其特征在于，所述晶种材料形成于所述表面的一定 区域上，并且其中，所述成核位具有的在所述预定表面上方的平均高度小于1分子厚。6.根据权利要求5所述的吸气结构，其特征在于，所述吸气材料为钛。7.—种用于形成吸气结构的方法，包括:在所述结构的表面上形成晶种材料的多个成核位；以及 形成从所述成核位向外突出的多个吸气材料构件。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述晶种材料形成在所述表面的具有预定 表面面积的区域上，并且其中所述成核位具有的在所述预定表面上方的平均高度小于1分子厚。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述吸气材料为钛。10.—种用于形成吸气结构的方法，包括:在一定条件下将一层晶种材料沉积在结构的表面上，以在所述结构的表面上形成多个 成核位；以及随后在所述表面上方沉积吸气材料，以形成从所述成核位向外突出的多个吸气材料构件。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述沉积为闪急蒸发或电子束沉积。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在所述吸气材料沉积之前氧化所述 成核位。13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述晶种材料形成在所述表面的具有预 定表面面积的区域上，并且其中所述成核位具有的在所述预定表面上方的平均高度小于1 分子厚。
【文档编号】H01L21/67GK105993066SQ201580006410
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月20日
【发明人】R·古奇, A·M·肯尼迪, S·H·布莱克, T·A·科齐安, B·迪普
【申请人】雷声公司