CN103864007B - 在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法 - Google Patents

在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，包括1）在硅圆片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；2）将碱金属化合物密封入圆片中央的放置腔内，并形成包含流动临时微通道、吸收泡腔和碱金属放置腔的圆片内真空环境；3）实现碱金属化合物的分解，生成所需量的铷或铯金属，并使之汽化挥发；4）将气态碱金属固化凝结在吸收泡腔体中；5）使玻璃片在静电力的作用下，发生弯曲，消除预制的流动临时微通道，实现所有吸收泡的同时密封。优点：解决了因碱金属极易氧化导致的填充难度大和工艺复杂等难题，消除了可能残留在吸收泡中的反应杂质，并实现了碱金属的圆片上所有吸收泡一次性填充，可用于芯片级原子钟气泡批量化生产。

Description

在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法
技术领域
本发明涉及的是一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法。
背景技术
人类的日常生活、科研、导航及测绘等等工作都离不开时间。时间的计量涉及两个量——历元和时间间隔。任何具有周期性变化规律的自然现象都可以用来测量时间。3500年来，随着人类的不断进步，计时的工具也在不断的发展，人类对于计时的精度要求也越来越高，人类的计时仪器从利用地球自传的周期变化规律来发明日冕以确定时间的变化，到后来出现的沙漏计时、水运仪象台、机械摆钟、石英钟、原子钟以至光钟等等，无不可以看出都是以具有周期变化规律的自然现象来测量时间的。
原子钟作为现在最为精确的计时工具之一，从最先的上世纪30年代理论提出，到实物的出现，逐渐的在国防、科研领域得到越来越多的应用。近年来，用MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）技术制作的芯片级微型原子钟己经开始发展，这将突破接收者时钟的性能，更加广泛的应用到各种计时频标中，将对社会产生革命性的影响。
原子钟是通过原子基态的超精细能级间的跃迁辐射频率来实现精确计时的工具。基于CPT（CoherentPopulationTrapping）现象的微型原子钟是原子钟微型化发展的必然趋势，而其中的核心芯片碱金属蒸汽腔的微型化制造对原子钟的微型化起着关键性的作用。
目前，微型吸收泡中碱金属的填充工艺手段主要分为两种：第一种方法是把纯碱金属（铷或铯）直接注入吸收泡，这种方法需要复杂的大型真空工艺设备和严格的真空环境，腔体中残留的微量氧气会使碱金属氧化从而降低原子钟的使用寿命；第二种方法是把碱金属化合物直接注入吸收泡腔，通过化学反应产生相应的碱金属，这种方法需要严格控制注入泡体的化合物量，同时反应残留的杂质会留在吸收泡中影响原子钟的性能。此外，上述两种方法的共同缺点在于每个吸收泡需逐一填充，难以实现批量化生产。
发明内容
本发明提出一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其目的旨在克服现有技术制作原子钟吸收泡过程中由于碱金属极易氧化而导致的困难。本发明通过圆片级填充和局部反应的方法，实现同时填充晶圆上所有吸收泡，满足原子钟批量化生产的要求，具有成本低效率高等特点。
本发明的技术解决方案：一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤:
1）利用MEMSICP刻蚀技术，在硅圆片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；
2）利用三层圆片级阳极键合工艺，形成预制的流动临时微通道、吸收泡腔和放置腔，并将碱金属化合物密封入圆片中央的放置腔内；
3）通过单独调节放置腔的温度来控制碱金属化合物化学反应的强度，实现碱金属化合物的分解，生成所需量的铷或铯金属，并使之汽化挥发；
4）经过预制的流动临时微通道，利用对吸收泡腔局部冷却将气态碱金属固化凝结在吸收泡腔体中；
5）二次利用三层圆片级阳极键合工艺，使玻璃片在静电力的作用下，发生弯曲，消除预制的流动临时微通道，实现所有吸收泡的同时密封。
本发明的优点：工艺简单，能够快速低成本的实现原子钟碱金属吸收泡的大规模生产。
附图说明
图1a是利用MEMSICP刻蚀技术，在双面抛光硅片101上形成微凹槽102、碱金属放置腔槽103和吸收泡腔槽104的示意图。
图1b是利用三层圆片级阳极键合工艺，形成流动临时微通道108、吸收泡腔槽104和碱金属放置腔槽103的示意图。
图1c是通过调节碱金属放置腔103的温度使碱金属化合物分解产生气态碱金属，经过预制的流动临时微通道，并对吸收泡腔局部冷却将气态碱金属固化凝结在吸收泡腔体中的示意图。
图1d是实现所有碱金属吸收泡腔体密封的示意图。
图2是单个原子钟碱金属吸收泡示意图。
图中的101是双面抛光硅片、102是浅微凹槽、103是碱金属化合物放置腔体、104是碱金属吸收泡腔体、105是A玻璃片、106是碱金属化合物、107是B玻璃片、108是流动临时微通道、109是碱金属蒸汽、110是局部冷却装置、111是高纯度固态碱金属、201是高纯度碱金属、202是硅碱金属吸收泡腔体、203是上层玻璃、204是下层玻璃。
具体实施方式
在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤:
1）利用MEMSICP刻蚀技术，在硅圆片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；
2）利用三层圆片级阳极键合工艺，形成预制的流动临时微通道、吸收泡腔和放置腔，并将碱金属化合物密封入圆片中央的放置腔内；
3）通过单独调节放置腔的温度来控制碱金属化合物化学反应的强度，实现碱金属化合物的分解，生成所需量的铷或铯金属，并使之汽化挥发；
4）经过预制的流动临时微通道，利用对吸收泡腔局部冷却将气态碱金属固化凝结在吸收泡腔体中；
5）二次利用三层圆片级阳极键合工艺，使玻璃片在静电力的作用下，发生弯曲，消除预制的流动临时微通道，实现所有吸收泡的同时密封。
所述的利用玻璃-硅-玻璃三层圆片级阳极键合工艺，分两步实施，第一步形成碱金属蒸汽的流动临时微通道，第二步再次键合实现对碱金属化合物的密封。
通过单独调节放置腔的温度使腔内的碱金属化合物发生化学反应，分解产生高纯度碱金属，分解反应的强度可通过碱金属放置腔体温度控制。
所述的碱金属蒸汽的流动通道是碱金属蒸汽通过硅-玻璃流动临时微通道，扩散入吸收泡中，并通过局部冷却作用，凝结于吸收泡中。
将带有流动临时微通道的硅片与玻璃片再次键合，键合过程中通过增加压力或电压的方式，使玻璃片在静电力的作用下发生弯曲，消除预制的临时微通道，实现所有碱金属吸收泡腔体的密封。
实施例
在4寸双面抛光硅片101的一面向下刻出深度1～2μm直径80～90mm的浅微凹槽102，在双面抛光硅片101中部刻出直径20mm的碱金属化合物放置腔体103；在双面抛光硅片101上的浅微凹槽102范围内的部分刻出2mm见方的碱金属吸收泡腔体104阵列；金属化合物放置腔体103和碱金属吸收泡104均为通孔结构，贯穿双面抛光硅片101；如图1a所示。
使用硅-玻璃圆片级阳极键合的方式，将双面抛光硅片101不带浅微凹槽102的一面与A玻璃片105键合在一起；将计算好剂量的碱金属化合物106放置在碱金属化合物腔体103中，使用硅-玻璃圆片级阳极键合的方式，将双面抛光硅片101带浅微凹槽102的一面与B玻璃片107预键合在一起；浅微凹槽102与B玻璃片107共同形成了碱金属蒸汽的微流动通道，形成小真空环境，如图1b所示。
通过反应装置106单独调节碱金属化合物放置腔体103的温度，使碱金属化合物106分解，析出碱金属蒸汽109；碱金属蒸汽109通过流动临时微通道108扩散至包括碱金属吸收泡腔体104在内的整个腔体；局部冷却手段110可以调节双面抛光硅片101上金属化合物放置腔体103以外部分的温度，碱金属蒸汽109在碱金属吸收泡腔体104底部固化成为填充在碱金属吸收泡腔体104中的高纯度固态碱金属111，如图1c所示。
使用硅-玻璃圆片级阳极键合的方式，将双面抛光硅片101与玻璃片107再次键合，键合过程中通过增加压力（1800mbar～2000mbar）或电压（-800V～-1000V）等方式，使玻璃片107在静电力的作用下发生弯曲，消除预制的流动临时微通道108，实现所有碱金属吸收泡腔体104的密封，如图1d所示。
在图1a-图1d所示圆片级工艺制作的原子钟金属吸收泡可通过划片的方式切割成单个原子钟碱金属吸收泡。图2中高纯度碱金属201被放置在硅碱金属吸收泡腔体202中，通过上玻璃203、下玻璃204密封。

Claims (4)

1.一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤:
1）利用MEMSICP刻蚀技术，在硅圆片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；
2）利用玻璃-硅-玻璃三层圆片级阳极键合工艺，形成预制的流动临时微通道、吸收泡腔和放置腔，并将碱金属化合物密封入圆片中央的放置腔内；
3）通过单独调节放置腔的温度来控制碱金属化合物化学反应的强度，实现碱金属化合物的分解，生成所需量的碱金属，并使之汽化挥发；
4）经过预制的流动临时微通道，利用对吸收泡腔局部冷却将气态碱金属固化凝结在吸收泡腔体中；
5）二次利用玻璃-硅-玻璃三层圆片级阳极键合工艺，使玻璃片在静电力的作用下，发生弯曲，消除预制的流动临时微通道，实现所有吸收泡的同时密封。
2.根据权利要求1所述的一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于工艺步骤2）中所述的利用玻璃-硅-玻璃三层圆片级阳极键合工艺，分两步实施，第一步形成碱金属蒸汽的流动临时微通道，第二步再次键合实现对碱金属化合物的密封。
3.根据权利要求1所述的一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于所述的通过单独调节放置腔的温度使腔内的碱金属化合物发生化学反应，分解产生高纯度碱金属，分解反应的强度可通过碱金属放置腔体温度控制。
4.根据权利要求1所述的一种在片实现芯片级原子钟吸收泡的高纯度碱金属填充方法，其特征在于工艺步骤5）中所述的二次利用玻璃-硅-玻璃三层圆片级阳极键合工艺，将带有流动临时微通道的硅片与玻璃片再次键合，键合过程中通过增加压力或电压的方式，使玻璃片在静电力的作用下发生弯曲，消除预制的临时微通道，实现所有碱金属吸收泡腔体的密封。
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