包括吸气剂的气密壳体、并入这样的气密壳体的光电部件或MEMS装置、以及相关的制造方法

摘要

本发明涉及光电部件(11)或MEMS装置用的气密壳体(10a)，其配置为形成其中低压或真空为主的腔室(12)，所述气密壳体包括：对感兴趣的至少一个波长(λ)透明的光学窗口(14)；和吸气剂材料层(15a)，其配置为捕获存在于该腔室中的气体并沉积在与腔室相对的光学窗口上。该吸气剂材料的厚度(et)大于60纳米，孔隙率(P)在10至70％的范围，从而满足以下关系：式(I)，其中λ对应于所述感兴趣的至少一个波长，k对应于所述光学窗口的所述感兴趣的至少一个波长用的所述吸气剂材料层的材料的消光系数，

说明书

技术领域

本发明涉及气密壳体，其配置为形成其中确定的压力为主并且意欲容纳对于其操作需要低压或真空的部件的腔室。本发明还涉及光电部件或MEMS装置，其被封装在这种气密壳体中。进一步涉及形成这种气密壳体的方法。

本发明可应用于任何类型的光电部件或MEMS装置，其中例如成像测辐射热计等需要的具有预定压力的腔室。

背景技术

为了在真空或低压下形成壳体，已知使用从腔室泵送空气，随后将形成壳体的壁密封，特别是通过金属焊接来密封。然而，进行金属焊接产生腔室的加热，导致在腔室壁上捕获的气体分子的解吸。

当将壳体密封时，存在于壳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壳体内以去除由壁的解吸产生的并存在于该壳体内的气体。这种吸附装置称为“吸气剂”。

吸气剂通常以沉积在壳体的一个壁上的金属层的形式呈现。吸气剂最初被钝化。通过其天然氧化物(如果其已经暴露于环境空气)、或者通过覆盖吸气剂的贵金属层、或者通过由特定的热处理产生的氧化物来进行钝化。

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进行。由于加热，钝化层的原子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壳体中的气体，从而降低其内部的压力。然后，吸气剂被称为“激活的”。

在腔室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腔室的气体接触的程度。

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，解吸的气体的量随着退火温度而增加。因此，在高密度的晶界的情况下，可以限制吸气剂的激活温度，从而限制气体分子解吸到腔室中以获得非常低的压力。

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。例如，文献US 7,998,319表明当吸气剂的厚度小于500纳米时，吸气剂的吸附特性会降低。例如，文献US 6,897,551表明当吸气剂的厚度小于100纳米时，吸气剂的吸附特性会降低。

因此，为了有效地应对激活条件和吸附需求的限制，优选使用具有充分厚度、典型地厚度大于60纳米的吸气剂材料层。

此外，吸附的气体的量取决于腔室内的吸气剂材料的表面积。在光电部件的情况下，壳体包括对于光电部件的感兴趣的至少一个波长透明的光学窗口。

此光学窗口的存在通常会减少可用于将吸气剂材料沉积在壳体内壁上的表面积。事实上，如美国专利8,395,229中所述，通常不将吸气剂材料沉积在光学窗口上，因为吸气剂材料的存在可能会使通过光学窗口传输的光信号的量降级。因此，如文献US2014/0175590中所述，在真空下操作的光电部件的壳体通常过大，允许将吸气剂材料定位在与光学窗口不同的壳体部分上。

如现有技术的图1所示，光电部件11通常在预定压力下(例如，在小于10

为了使光电部件11能够捕获外部辐射，将壳体100的上部配置为包括光学窗口14。例如，此光学窗口14可以由文献EP 2 613 181中描述的“蛾眼(Moth-Eyes)”型结构形成。此外，当光电部件11在基体13上悬架组装时，例如在非冷却成像测辐射热计的情况下，外部辐射也可以借助于反射器16重新定向到光电部件11的后表面。

壳体100的尺寸远远大于光电部件11的规模，从而允许吸气剂材料150位于光学窗口14旁边。

与这种传统的定位技术相反，本发明旨在获得一种壳体，其具有沉积在光学窗口上的吸气剂材料，以减少相对于光电部件尺寸的壳体尺寸，或增加吸气剂材料的表面积。

从US 7,789,949已知的是，在对于辐射透明的基体上使用非常薄的吸气剂。为了限制吸气剂材料的存在对光信号传输的影响，该文献主张使用厚度小于60纳米的吸气剂薄膜。更特别地，它表明，厚度小于30纳米的吸气剂薄膜已经取得了令人满意的结果。

如前所述，文献US 7,789,949的吸气剂材料的厚度并不总是能够有效地应对激活条件和吸附需求的限制，因为吸气剂材料的厚度太小。

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壳体，该吸气剂材料层沉积在光学窗口上，具有能够更有效地应对激活条件和吸附需求的限制的微观结构，同时允许光信号的有效传输。

发明内容

为了应对这一技术问题，本发明提供了沉积厚度为至少60纳米和孔隙率在10％至70％的范围的吸气剂材料层，以让位于足够分量的光信号。本发明更特别涉及一种关系的实现，在根据吸气剂材料的性质，即根据其吸附系数和消光系数限制对光信号的影响的同时能够确定调整厚度和孔隙率以获得有效吸气剂的方式。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种光电部件或MEMS装置用的气密壳体，其配置为形成其中低压或真空为主的腔室，所述气密壳体包括：

-所述光电部件或所述MEMS装置的对于感兴趣的至少一个波长透明的光学窗口；和

-吸气剂材料层，其配置为捕获存在于所述腔室中的气体，所述层沉积在与所述腔室相对的光学窗口上。

本发明的特征在于，吸气剂材料层包括大于60纳米的厚度e

其中：

·λ对应于所述光学窗口的所述感兴趣的至少一个波长，和

·k对应于光学窗口的所述感兴趣的至少一个波长用的所述吸气剂材料层的材料的消光系数。

在此方程中：

·表达式(1-P)*e

·表达式

此外，该消光系数通过以下关系而与所考虑材料的衰减系数α直接相关：

该衰减系数也可以在以前指明的这些类型的出版物中找到。

因此，本发明能够设置厚度和孔隙率以获得有效的吸气剂，同时限制对光信号的影响。事实上，如果孔隙率太高，通常大于70％，则吸气剂壁不再足够厚，以至于无法吸附腔室中存在的分子。相反，如果孔隙率太低，通常小于10％，则吸气剂以固体材料的形式出现，并且其厚度过大，以至于无法保证在感兴趣的波长下在光学窗口的水平上的有效传输。为了保证传输，将孔隙率与厚度联系起来的关系应小于

照惯例，吸气剂材料的孔隙由真空和空气组成，但在本发明的上下文中，它们也可以由任何其他对于所述感兴趣的至少一个波长透明的材料组成。例如，如果感兴趣的波长是红外辐射(8-14μm)，则孔隙可以是硅。

从本发明的意义上说，孔隙率P对应本发明中实施的吸气剂材料的重量与对应于该吸气剂材料体积的相同材料的特定体积的重量的比例。因此，为了确定吸气剂材料层的孔隙率，应当确定吸气剂材料的性质，并且应当测量吸气剂材料层的体积和重量。然后，吸气剂材料的性质可用于形成一层新的固体材料层，其体积对应于所测量的体积；通过测量该固体材料层的重量，可以通过将吸气剂材料层的重量除以固体材料层的重量来确定孔隙率。

结果，可以以最接近光电部件或MEMS装置的尺寸来给壳体定大小，因为不再需要使用远离光学窗口的部分壳体来具有吸气剂材料层。作为一个变形，通过使用常规大小的壳体，可以增加吸气剂材料层的表面积，并因此在激活吸气剂后降低腔室中的压力。

为了增加吸气剂与存在于腔室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，所述基体的厚度大于60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腔室中的压力小于10

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领域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。此外，铬(Cr)、铝(Al)、镍(Ni)，和稀土如铈(Ce)、铯(Cs)或镧(La)可以添加至这些金属以改进吸气剂的特性，如粒度、游离氧化物生成焓、或气体分子裂解的催化活性。

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。

该实施方案使得吸气剂材料的表面能够具有相对于气体分子的反应特性，从而在气体分子的化学吸附之后保持该反应特性，并获得具有有利于在腔室中吸附气体的微结构的表面。

根据第二方面，本发明涉及一种光电部件或MEMS装置，其包括根据本发明的第一方面的气密壳体。

根据第三方面，本发明涉及根据本发明的第二方面的光电部件或MEMS装置的制造方法，所述方法包括以下步骤：通过将相对于通过蒸发或溅射元件产生的通量而在入射所述光学窗口下形成的吸气剂材料层蒸发或溅射而沉积所述吸气剂材料层。

吸气剂材料层的沉积方法通常通过在根据与沉积表面正交的角度沉积的原子的入射通量下蒸发或溅射来实施。

如果沉积表面与由蒸发或溅射元件产生的通量的法线之间的角度足够大，通常40°至80°，则发生由沉积微生物对入射原子通量的阴影效应，导致纳米结构柱状膜的生长，具有较大的有效表面积。因此，在入射下形成沉积能够根据预期需求调整吸气剂材料层的孔隙率。

此外，沉积表面可以在沉积期间旋转，以改变纳米结构柱状膜的结构。结果，可以通过改变原子通量的入射角度、沉积表面的旋转速度，以及在利用阴极溅射技术沉积的情况下的载气的压力，来调整吸气剂材料层的孔隙率。这些不同的参数能够获得各种柱状结构，如柱形、之字形、方形盘旋形(square spiral)或螺旋形(helixe)。

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4示出：

-图1—现有技术：封装在壳体中的光电部件的简化截面图，其中吸气剂配置在腔室的与光学窗口相邻的上壁上；

-图2：封装在根据本发明的第一实施方案的壳体中的光电部件的简化截面图，其中吸气剂仅配置在光学窗口上；

-图3：封装在根据本发明的第二实施方案的光电部件的简化截面图，其中吸气剂配置在腔室的上壁和光学窗口上；和

-图4：在图2的吸气剂的入射下的沉积步骤的简化图。

具体实施方式

在以下描述中，本发明将参照光电部件11来进行描述，尽管本发明也可以应用于MEMS装置，而无需更改本发明。

图2示出了在预定压力下，例如在小于10

本发明考虑到光电部件11对应于在基体13上悬架组装的微测热辐射计来进行描述。作为一个变形，在不改变发明范围的情况下，可以使用意欲在受控气氛中操作的其他光电部件11。

微测热辐射计11具有在基体13上悬架配置的测热辐射膜。该测热辐射膜配置为捕获波长在8至14微米范围内的红外辐射。

红外辐射从壳体外传输，并通过光学窗口14过滤来过滤波长小于8微米的辐射，因为这些波长会使微测热辐射计11炫目。

例如，可以通过沉积在光学窗口14的两个表面上的薄光学层或通过在壳体10的形成光学窗口14的上壁部分上蚀刻如文献EP2613181中描述的“蛾眼”结构来形成过滤。

此外，红外辐射也可以借助于沉积在基体13上的反射器16和在测热辐射膜下重新定向到测热辐射膜的后表面。

在图2的实施方案中，壳体10a的吸气剂材料层15a仅沉积在光学窗口14上，从而能够获得壳体10a，其尺寸适应于光电部件11的尺寸。作为一个变形，如图3所示，吸气剂材料层15b也可以延伸至壳体10b的不形成光学窗口14的上壁，从而增加吸气剂材料15b的表面积。

在这两个实施方案中，与常规实施相反，吸气剂材料层15a、15b沉积在光学窗口14上，以在吸气剂激活后捕获腔室12中存在的气体。

根据本发明，吸气剂15a的厚度e

其中λ对应于光学窗口14的所述感兴趣的至少一个波长，和k对应于感兴趣的波长用的吸气剂材料层15a、15b的材料的消光系数。

在光学窗口14涵盖感兴趣的波长范围，通常是8至14微米的波长范围的情况下，厚度e

吸气剂材料层15a、15b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)、镍(Ni)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，以改善吸气剂材料层15a、15b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。

为了获得期望的孔隙率，吸气剂材料15a、15b的沉积可以通过在蒸发或溅射元件30的入射下蒸发或溅射来进行，如图4所示的。例如，元件30可以在通过蒸发沉积的情况下由坩埚形成。

从发明的意义上说，在入射下的沉积对应于介于光学窗口14和在生成通量F的法线N之间的入射角度θ大于10°，与沉积表面与法线N共平面的传统方法相反。优选地，介于光学窗口14和在生成通量F的法线N之间的入射角度θ在40°至80°的范围内，从而使用阴影效应来创建具有高孔隙率的图案。

为了构造孔隙率，还可以在吸气剂材料15a、15b沉积期间使用光学窗口14的永久或间歇性的旋转。

因此，该实施方案能够获得具有满足以下方程的厚度e

例如，在5rpm的永久旋转、于60°入射下通过倾斜蒸发沉积以达到157-nm厚度的钛吸气剂膜的情况下，获得了52％的孔隙率。

根据该第一个实例，表达式(1-P)*e

对于第二个实例，在每18秒间歇性旋转6秒、于60°入射下通过倾斜蒸发沉积以达到151-nm厚度的钛吸气剂膜的情况下，获得了60％的孔隙率。

根据该第二个实例，表达式(1-P)*e

因此，本发明能够设置厚度和孔隙率以获得有效的吸气剂，同时限制对光信号的影响。结果，本发明能够将吸气剂定位在光学窗口上，同时允许光信号的有效传输。