專利名稱：鍺窗、其制造方法以及具有該鍺窗的氣密性盒體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鍺窗，制造這種鍺窗的方法以及采用該鍺窗制成的 能夠用作紅外線傳感裝置等電子器件的氣密性盒體。
背景技術：
紅外線傳感裝置通常由一個帶有鍺窗的氣密性盒體制成，其結構如
圖1的非制冷型紅外輻射傳感器的縱剖示意圖和圖2的非制冷型紅外輻 射傳感器的俯視示意圖所示，包括鍺窗l、金屬蓋板12、芯片13和金屬 殼體14，其中鍺窗1、金屬蓋板12和金屬殼體14構成氣密性盒體。紅 外透射窗所用的材料一般有硅、鍺、硒化鋅、BK7、藍寶石等。本申請 所述鍺窗即用作紅外透射窗。紅外輻射從外部透過鍺窗1，入射到封于金 屬殼體14內的芯片13上。出于屏蔽電磁波干擾、提高傳感效率的目的， 構成紅外輻射傳感器的盒體內部應為真空狀態，因此對盒體的氣密性要 求極為苛刻。
金屬蓋板12和金屬殼體14通常采用Kovar合金為材料，兩者之間 的焊接強度很高，可以滿足氣密性要求。但Kovar合金蓋板12與鍺窗1 之間的焊接不能直接進行，需要先對鍺窗1的與金屬蓋板12進行焊接的 表面的邊緣部分進行金屬化處理，形成封閉的金屬化區域，然后將焊料 涂布在金屬化區域之上，再與Kovar蓋板12進行焊接。圖3為鍺窗1的 俯視示意圖，該鍺窗1為13mm xl3mm xlmm的有倒角的正方形薄片， 圖3中帶陰影的區域表示鍺窗l的向下一面的邊緣處寬度為lmm的部分， 即須要金屬化的區域11。須要金屬化的區域11進行金屬化處理后它的黏 附性、浸潤性、縱向拉伸強度和橫向拉伸強度都會影響到焊接的質量并 最終影響盒體的氣密性和傳感器的靈敏度。
目前通常采用的鍺窗1須要金屬化的區域11的金屬化方案一般是自 鍺窗本體邊緣部分下表面起，按順序層積如下金屬，再經熱處理形成鍺窗1的金屬化層-
方案一釩(V)、鎳(Ni)、金(Au)
方案二鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)
方案三鈀(Pd)、金(Au) 方案四金(Au)
根據這四種方案層積在鍺窗1邊緣部分下表面的金屬化層與鍺窗1
的本體的黏附力不高，且有裂紋，在與金屬蓋板12進行焊接封裝后出現 漏氣現象，而且第3種方案Pd層厚度太厚(>10pm)，第4種方案采用 純金(厚度〉300nm)，成本太高。
此外，公開號為JP10170337(A)的發明專利公開了一種紅外線透射鍺 窗，該鍺窗邊緣部分下表面經金屬化處理形成用于焊接的金屬化區域， 該金屬化區域的結構為以鍺窗本體為基依次具有底層、中間層和抗氧化 外層，其中底層和抗氧化外層為金層和鉑層中的至少一種，中間層為鎳 層、鉬層和銅層中的至少一種。該紅外線透射鍺窗作為中間層的鎳層稍 厚時該中間層便會產生裂紋，在與金屬蓋板或直接與金屬殼體進行焊接 封裝后出現漏氣現象。
發明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發明申請人提出了一種新型鍺 窗、其制造方法以及具有該鍺窗的氣密性盒體。
本發明的鍺窗，由一鍺窗本體和一金屬化層構成，該金屬化層是以 該鍺窗本體為基在其邊緣部分下表面依次層積的由金層形成的底層，中 間層和由金層、銀層或鉑層形成的抗氧化外層，其特征在于，所述中間 層為鎳層-鈦層、鉻層或釩層-鎳層的夾層結構。
本發明的鍺窗的制造方法，包括以下步驟
第一步在一鍺窗本體邊緣部分下表面，以該鍺窗本體為基，依次 層積由金層形成的底層，中間層和由金層、銀層或鉑層形成的抗氧化外 層，該中間層為鎳層-鈦層、鉻層或釩層-鎳層的夾層結構，從而形成一金 屬化層，或在一鍺窗本體邊緣部分下表面，以該鍺窗本體為基，依次層 積由金層形成的底層，中間層和由金層、銀層或鉑層形成的抗氧化外層，該中間層為鎳層-鈦層、鉻層或釩層-鎳層-鈦層、鉻層或釩層-鎳層的夾層 結構，從而形成一金屬化層，沉積的方法是濺射、熱蒸發、電子束蒸發 或電鍍。
第二步，對形成該金屬化層的該鍺窗本體進行退火處理，退火溫度
為350°C 400°C，退火時間為10 20秒。
本發明的用于紅外線傳感裝置等電子器件的氣密性盒體，具有一金
屬殼體和一焊接在金屬殼體上的金屬蓋板，其特征在于，在該金屬蓋板 上焊接有本發明的鍺窗。
采用本發明的鍺窗的制造方法制造的本發明的鍺窗，層積在鍺窗本 體邊緣部分的下表面上的作為底層材料的金與作為鍺窗本體材料的鍺在 退火溫度達到356"C時形成Au88Gel2共晶體，極大地提高了金屬化強度。 更重要的是，現有技術作為中間層的鎳層稍厚大于llLim時，很容易在溫 度變化時產生較大熱應力，造成中間層龜裂。本發明在現有技術的中間 層的鎳層中間加入緩沖層，即鈦層、鉻層或釩層，形成新的中間層，即 鎳層-鈦層、鉻層或釩層-鎳層的夾層結構，使新的中間層內部形成壓應力 和拉應力交替結構，避免中間層龜裂。
-圖1為現有的一非致冷型紅外輻射傳感器的縱剖示意圖； -圖2為圖1所示的非致冷型紅外輻射傳感器的俯視示意圖； -圖3為圖1和圖2所示的非致冷型紅外輻射傳感器的鍺窗的俯視示 意-圖4為本發明實施例一的鍺窗的金屬化區域的結構示意圖； -圖5為本發明實施例二的鍺窗的金屬化區域的結構示意圖； -圖6為本發明實施例一的鍺窗的金屬化區域的側面的SEM照片。
具體實施例方式
參見圖4，本發明的鍺窗100由一鍺窗本體110和一金屬化層120 構成。
鍺窗本體110通常為13mm xl3mm xlmm的有倒角的正方形薄片，
6所用的材料一般是單晶鍺。
金屬化層120層積在鍺窗本體IIO邊緣部分寬度約為lmm的下表面 即須要金屬化的區域上。
金屬化層120由底層10，中間層20和抗氧化外層30構成。
底層IO為金層，將金直接層積在鍺窗本體IIO須要金屬化的區域上 而形成。金層的厚度為10nm至50nm，優選為20nm。
中間層20包括鎳層21，鈦層、絡層或釩層22和鎳層23。鈦層、鉻 層或釩層22位于鎳層21和鎳層23之間。鎳層21的厚度為200nm至 700nm，優選為600nm。鈦層、絡層或釩層22的厚度為50nm至100nm， 優選為60nm。鎳層23的厚度為200nm至700nm，優選為600nm。優選 為鎳層21和鎳層23的厚度相同。
抗氧化外層30為金層、銀層或鉑層。金層、銀層或鉑層的厚度為50nm 至300證，優選為60nm。
參見圖5，本發明的鍺窗200由一鍺窗本體110和一金屬化層130 構成。本發明的鍺窗200與本發明的鍺窗100除鍺窗200的中間層40與 鍺窗100的中間層20有不同外，其他各層完全相同。鍺窗200的中間層 40在鍺窗100的中間層20的鎳層21，鈦層、鉻層或釩層22和鎳層23 的基礎上增加一鈦層、鉻層或釩層24和一鎳層25。鈦層、鉻層或釩層 24的厚度為50nm至100nm，優選為60nm。優選為鈦層、鉻層或釩層24 和鈦層、鉻層或釩層22的厚度相同。鎳層25的厚度為200rnn至700nm， 優選為600nm。優選為鎳層21和鎳層23及鎳層25的厚度相同。
本發明的鍺窗的制造方法，包括以下步驟
步驟一預處理，將雙面拋光的鍺窗本體IIO用丙酮清洗15 30分 鐘，再用酒精超聲清洗15 30分鐘，用去離子水清洗10 30分鐘，氮 氣槍吹干，放入烘箱12(TC烘干30分鐘；
步驟二磁控濺射，在鍺窗本體IIO邊緣部分寬度約為lmm的下表 面即須要金屬化的區域上依次濺射金、鎳、鈦、鎳、金膜層，初步形成 金屬化部位，上述膜層的厚度依次為20nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm， 或在鍺窗本體110邊緣部分寬度約為lmm的下表面即須要金屬化的區域 上依次濺射金、鎳、鈦、鎳、鈦、鎳、金膜層，初步形成金屬化部位，上述膜層的厚度依次為20nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm、 600nm、 60nm，濺射時本底真空為lXl(T6Torr，襯底加溫10(TC;
步驟三快速退火，退火時用氮氣保護，退火溫度為36(TC，時間為 15秒。
金能夠在溫度達到200°C時與鍺發生固溶生成a相固溶體，在溫度達 到356'C時兩者形成Au8sGe。共晶體，而且金鍺合金的結合強度很高， 所以本發明采用金作為底層10的材料。
底層10之上的中間層20事實上是一個金屬夾層結構。通常單一采 用鎳充當中間層時，出于焊接和對老化時間的要求，鎳層的厚度應大于 lpm，如此厚度的鎳層很容易在受熱時由于熱應力的作用而出現龜裂，影 響焊接效果和強度。本發明在上述鎳層的中間增加一個一定厚度的緩沖 層即鈦層、鉻層或釩層22，使整個中間層呈現為夾層結構。在受熱時中 間層中的鎳層所受的熱應力得到緩解，避免出現龜裂。底層10之上的中 間層40具有兩個緩沖層即鈦層、格層或釩層22和鈦層、鉻層或釩層24， 在受熱時中間層中的鎳層所受的熱應力得到進一步緩解。
在中間層20、 40之上的抗氧化外層30由金、銀或鉑構成，在后續 的熱處理和焊接工藝中對中間層20、 40起保護作用。
本發明的用于紅外線傳感裝置等電子器件的氣密性盒體，具有如圖1 和圖2所示的一金屬殼體14和一焊接在金屬殼體14上的金屬蓋板12， 在金屬蓋板12上焊接有如圖4和圖5所示本發明的鍺窗。
參見圖6所示的本發明的鍺窗的側面的SEM顯微照片，圖示為圖4 所示本發明實施例一的鍺窗的金屬化區域的結構放大13000倍時的形態， 圖中從左到右顯示的是鍺窗本體、金層、鎳層、鈦層、鎳層、金層，可 以看出，作為底層的金與鍺窗本體的鍺形成合金，并向鍺材料中有一定 深度的擴散，確保了金屬化層與鍺窗本體的結合強度，整體形貌較好。
根據國軍標GJB 548B-2005 (《微電子器件試驗方法和程序》)所規 定的方法1014.2，對發明實施例一的鍺窗進行了條件Al下的漏率檢測實 驗。具體方法是使用ZQJ-230D氦質譜檢漏儀作為檢測設備，用連接氦 氣瓶的氣槍先對檢漏儀接口處進行噴氦，確保接口處不漏氣，然后將氣 槍嘴對著各個焊縫進行仔細緩慢的噴氦，注意檢漏儀漏率顯示燈的變化，在該型號檢漏儀的精度范圍內，不能看到漏率顯示燈上行依次變亮，如
發現上行依次變亮則判斷為該器件漏氣。實驗過程中加壓壓強513KPa， 加壓時間2h，最長停留時間lh，檢測結果為細檢漏率小于5.0X 10'3Pa，cm3/S。另一實驗方法是將本發明實施例一的鍺窗切成條狀，將兩 端的金屬化區域用焊料各自與一 Kovar金屬片焊接在一起；將鍺窗用夾 具固定，在Kovar金屬片上施加平行于鍺窗方向的向外的拉力，直至發 生斷裂。實驗結果顯示斷裂發生在鍺窗本體內。上述實驗結果證明金 屬化層與鍺窗本體的結合強度高，與金屬蓋板的焊接性能好，中間層無 裂紋，機械性能好。
權利要求
1.一種鍺窗，由一鍺窗本體(110)和一金屬化層(120)構成，該金屬化層(120)是以該鍺窗本體(110)為基在其邊緣部分下表面依次層積的由金層形成的底層(10)，中間層(20)和由金層、銀層或鉑層形成的抗氧化外層(30)，其特征在于，所述中間層(20)為鎳層(21)-鈦層、鉻層或釩層(22)-鎳層(23)的夾層結構。
2. 根據權利要求1所述的鍺窗，其特征在于，所述中間層(20)中 兩鎳層(21， 23)的厚度相同。
3. 根據權利要求1所述的鍺窗，其特征在于，在所述中間層(20) 的所述鎳層(23)和保護層(30)之間自所述鎳層(23)起增加依次層 積的鈦層、鉻層或釩層(24)和鎳層(25)，從而構成具有鎳層(21)-鈦層、鉻層或釩層(22)-鎳層(23)-鈦層、鉻層或釩層(24)-鎳層(25) 的夾層結構的一中間層(40)。
4. 根據權利要求3所述的鍺窗，其特征在于，所述中間層(40)中 三鎳層(21， 23和25)的厚度相同，所述中間層(40)中兩鈦、鉻或釩 層(22， 24)的厚度相同。
5. 根據權利要求l、 2、 3或4所述的鍺窗，其特征在于，所述底層 (10)的金層的厚度為10nm至50nm，所述中間層(20， 40)中所述鎳層(21 ， 23和25)的厚度為200nm至700nm，所述鈦層、鉻層或釩層(22， 24)的厚度為50nm至100nm,所述抗氧化外層(30)的所述金層、銀層 或鉑層的厚度為50nm至300nm。
6. 根據權利要求5所述的鍺窗，其特征在于，所述底層(10)的金 層的厚度為20nm，所述中間層(20， 40)中所述鎳層(21， 23和25) 的厚度為600nm，所述鈦層、鉻層或釩層(22， 24)的厚度為60nm，所 述抗氧化外層(30)的所述金層、銀層或鉑層的厚度為60nm。
7. —種鍺窗的制造方法，包括以下步驟第一步在一鍺窗本體(110)邊緣部分下表面，以該鍺窗本體(IIO) 為基，依次層積由金層形成的底層(10)，中間層(20)和由金層、銀 層或鉑層形成的抗氧化外層(30)，該中間層(20)為鎳層(21)-鈦層、鉻層或釩層(22)-鎳層(23)的夾層結構，從而形成一金屬化層(120)， 或在一鍺窗本體(110)邊緣部分下表面，以該鍺窗本體(110)為基， 依次層積由金層形成的底層(10)，中間層(40)和由金層、銀層或鉑 層形成的抗氧化外層(30)，該中間層(40)為鎳層(21)-鈦層、鉻層 或釩層(22)-鎳層(23)-鈦層、鉻層或釩層(24)-鎳層(25)的夾層 結構，從而形成一金屬化層(130)，沉積的方法是濺射、熱蒸發、電子 束蒸發或電鍍。第二步，對形成該金屬化層(120， 130)的該鍺窗本體(110)進行 退火處理，退火溫度為350°C 400°C，退火時間為10 20秒。
8.—種用于紅外線傳感裝置等電子器件的氣密性盒體，具有一金屬殼 體和一焊接在金屬殼體上的金屬蓋板，其特征在于，在該金屬蓋板上焊 接有權利要求1所述的鍺窗。
全文摘要
一種鍺窗，由一鍺窗本體(110)和一金屬化層(120)構成，該金屬化層(120)是以該鍺窗本體(110)為基在其邊緣部分下表面依次層積的由金層形成的底層(10)，中間層(20)和由金層、銀層或鉑層形成的抗氧化外層(30)，所述中間層(20)為鎳層(21)-鈦層、鉻層或釩層(22)-鎳層(23)的夾層結構。本發明還公開了所述鍺窗的制造方法和具有所述鍺窗的氣密性盒體。本發明在現有技術鍺窗的金屬化層的中間層的鎳層中間加入緩沖層，即鈦層、鉻層或釩層(22)，形成新的中間層，即鎳層(21)-鈦層、鉻層或釩層(22)-鎳層(23)的夾層結構，使新的中間層(20)內部形成壓應力和拉應力交替結構，避免中間層龜裂。
文檔編號B81C3/00GK101597020SQ20091013992
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者輝 方, 濤 楊, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司