[发明专利]激活温度可控的非蒸散型薄膜吸气剂及其应用

说明书

本发明涉及一种激活温度可控的非蒸散型薄膜吸气剂，包括第一薄膜吸气剂层以及其上方的温控层，其中，第一薄膜吸气剂层为多孔型结构，且厚度为50纳米‑5微米，温控层的材质包括ⅤB族过渡金属、ⅢB族过渡金属和Ⅷ族过渡金属中的一种或几种，其厚度为20纳米‑1微米。本发明的薄膜吸气剂还具有激活温度可控且在激活后可持续吸气的功能，在温控层上方设置第二薄膜吸气剂层以及吸气剂保护层。第二薄膜吸气剂层的厚度为10‑50纳米；吸气剂保护层为致密型结构，其材质包括Au、Sn、Pt、Ni、Pd、Ag、Cu、Ir、In等，厚度为10‑50纳米。上述薄膜吸气剂可用于真空封装。

技术领域

本发明涉及一种微电机系统的封装技术领域，尤其涉及一种激活温度可控的非蒸散型薄膜吸气剂及其应用。

背景技术

在真空电子技术中，残余活性气体会对微辐射热计、陀螺仪、微机械谐振器等MEMS(微机电系统)器件的可靠性、稳定性和使用寿命产生重要的影响，往往是导致器件性能下降甚至失效的主要原因之一。因此，这些器件通常需要在真空室内进行封装，且为了使相关MEMS器件在整个生命周期内都能可靠的工作，封装真空保持性十分关键。现今，随着器件体积的持续缩小，利用薄膜吸气剂吸附残余活性气体分子，维持和提高器件的真空水平是真空封装的必然发展趋势。

薄膜吸气剂是一种通过物理化学作用吸附残余气体的特殊薄膜材料，通常由金属，如锆、钛、钒、铌或钽，或与其他过渡元素、稀土或铝的合金构成，一般具有高化学活性、低饱和蒸汽压和大比表面积，对真空和惰性气氛中的H₂、O₂、N₂、CO、CO₂和C_xH_y等残余活性气体有着强烈的吸附作用。当气体分子碰撞到吸气剂材料表面，吸气剂自发地进行物理吸附，物理吸附分子沿着吸气材料的表面与界面扩散；在满足化学活性能的条件下，物理吸附转为化学吸附，发生电子的交换和转移，在浓度梯度和压力梯度下，表面吸附分子和化学产物向材料内部扩散。因此，薄膜吸气剂能吸附封装后空腔内的残余气体，使空腔达到更高的真空度；并且薄膜吸气剂应能维持活性，从而维持空腔的真空度。

现今，MEMS的封装工艺已从传统的陶瓷封装发展为晶圆级封装，晶圆级封装采用微加工工艺，能极大地缩小器件尺寸，降低生产成本，提高产品的一致性、成品率和可靠性。低温晶圆级真空封装通常需使材料充分脱气后再完成密封圈键合以形成密闭性空腔，然后激活薄膜吸气剂以吸附空腔内残余气体并维持腔体的真空度。

控制薄膜吸气剂的激活温度是薄膜吸气剂能够成功集成于晶圆级真空封装的关键因素：激活温度不能过高，过高的温度会损坏传感器或破坏键合；激活温度也不宜过低，过低的激活温度会使薄膜吸气剂激活于材料脱气过程中，吸附饱和后失去性能(即吸气剂中毒)。

现今，薄膜吸气剂的主要发展方向之一为改变合金组份以针对性地吸收某些残余气体(如H₂，CO等)或用于特定用途。近几年，通过改变薄膜吸气剂结构以增强吸气性能也成为研究的重点。但目前存在以下缺点：

(1)自然氧化层限制薄膜吸气剂的激活温度：薄膜吸气剂一般采用磁控溅射淀积于封装盖帽内，淀积完成后取出晶圆并和衬底一起放入晶圆键合机中封装键合。取出晶圆的过程中薄膜吸气剂会表面氧化，该自然氧化层是薄膜吸气剂的扩散阻挡层，限制了薄膜吸气剂的激活温度。

(2)薄膜吸气剂温度不可控：晶圆级真空封装通常需使材料充分脱气后再完成密封圈键合以形成密闭性空腔，然后激活薄膜吸气剂以吸附空腔内残余气体并维持腔体的真空度。控制薄膜吸气剂的激活温度是使薄膜吸气剂能够成功集成于晶圆级真空封装的关键因素。

(3)薄膜吸气剂不可持续吸气限制了元器件的使用寿命：晶圆级真空封装中密封圈存在一定的漏气，所以要求薄膜吸气剂在长期工作条件下持续吸气，保持空腔的真空度以实现薄膜吸气剂技术和晶圆级封装工艺相兼容的目的，现有技术的薄膜吸气剂难以做到长时间维持空腔的真空度。

发明内容