CN104335060A - 微制造的原子磁力仪以及形成方法 - Google Patents

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Abstract

通过以下步骤减小原子磁力仪(图2,200)的成本和尺寸：将具有蒸汽单元腔体(242)的蒸汽单元结构(240)附连到具有激光源(286)的基底管芯(270)，该激光源(286)将光输出到蒸汽单元腔体；以及附连具有光电二极管(214)的光电检测管芯(210)，该光电二极管(214)与蒸汽单元结构垂直对齐以检测来自激光源的、穿过蒸汽单元腔体的光。

Description

微制造的原子磁力仪以及形成方法
技术领域
本发明涉及原子磁力仪，并且更具体地涉及微制造的原子磁力仪和形成该磁力仪的方法。
背景技术
原子磁力仪是通过确定称为拉莫(Larmor)频率的频率来测量磁场强度的设备。拉莫频率是响应于磁场而旋进移动的碱金属原子所包含的一组同相自旋的外层电子的磁矩的频率。磁场强度B由公式B＝hvL/γ来定义，其中h是普朗克常数，hvL是拉莫频率，且γ是磁旋比(例如，对于87Rb是7Hz/nT，而对于Cs是3.5Hz/nT)。
图1示出图解说明现有技术的原子磁力仪100的示例的框图。如图1所示，原子磁力仪100包括垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)110以及位于VCSEL110之上的光学封装件112。此外，原子磁力仪100还包括位于光学封装件112之上的蒸汽单元(vapor cell)114以及位于蒸汽单元114之上的光电检测器116。
此外，蒸汽单元114包含气体118，该气体包括碱金属原子和缓冲原子，该碱金属原子在外层中具有单个电子，该缓冲原子减少碱金属原子与蒸汽单元114的内表面之间的碰撞。例如，蒸汽单元气体通常用诸如85Rb原子、87Rb原子、K和Cs原子的碱金属原子以及诸如N2的缓冲原子来实现。此外，原子磁力仪100可选地包括位于蒸汽单元114之下的下部线圈120和位于蒸汽单元114之上的上部线圈122。
在操作中，VCSEL110输出光，该光被光学封装件112衰减且圆偏振。之后，由光学封装件112输出的圆偏振光被引导到蒸汽单元114中。由VCSEL110输出的光被调谐至一频率，当被圆偏振时，该频率被包含在蒸汽单元114内的气体118中的碱金属原子的外层中的单个电子吸收。
例如，VCSEL110可以被调谐为输出具有794.8nm的波长的光，在其被圆偏振之后，由87Rb原子的外层中的单个电子吸收。VCSEL110可以替换地被调谐为输出具有894.35nm的波长的光，其在被圆偏振之后，由Cs原子的外层中的单个电子吸收。
当碱金属原子的外层中的单个电子吸收光能时，电子跃迁到较高能级，并且接着回落到与外层相关联的数个能级(超精细能级内的塞曼(Zeeman)子能级)中的一个。量子选择定则精确地定义：电子将产生哪一种状态。如果电子吸收右旋圆偏振光，则电子上升到较高能级，同时电子的投影数量M上升﹢1。
当回落时，电子沿任意方向发射光子，并且总是回落到与外层相关联的最高能级。此外，当电子回落时，电子的投影数量M也以随机方式改变﹣1、0、﹢1。
因此，如果数个这类事件发生于同一电子，则每次电子都去到较高状态，电子的投影数量M总是﹢1。然而，平均来看，因为电子下落到基态，电子的投影数量M的改变为0。结果，电子将最终落在基态的最高M能级上。在所考虑的气体中，基态S1/2和升高的P1/2(或P2/3)状态具有相同数量的M个能级。因此，当电子达到基态的最高M能级时，因为在激发态中不存在更高的M能级，因此电子不能被注入(pump)。
为了再一次重吸收光，基态M个能级中的位置(population)必须被抽空(de-pumped)。额外的能量(磁或光)必须以被称为拉莫频率的频率供应给电子。处于拉莫频率的额外的能量使最高基态M能级的电子下降到与外层相关联的较低M能级，在这里电子可以再次吸收光能。
因此，从蒸汽单元114传到光电检测器116的光子包括：非吸收分量，其表示由VCSEL110输出的、不被蒸汽单元114内的气体118的外层的电子吸收的光；以及发射分量，其表示由下落的电子随机发射的光子。光电检测器116检测这些光子，并且产生输出信号，该输出信号同时具有非吸收分量和发射分量。
添加处于拉莫频率的额外的能量的常见方法中的两个是Bell-Bloom(BB)技术和MX技术。在BB技术中，由VCSEL110输出的光由在一频率范围上的频率来调制。当由VCSEL110输出的光以拉莫频率进行频率调制时，电子下降到较低能级并且开始重新吸收光能，这在由光电检测器116接收的光的强度中造成显著的下陷(dip)。因此，可以通过确定使接收的光的强度下陷的调制频率来确定拉莫频率。
在MX技术中，RF信号被施加到下部线圈120和上部线圈122，以生成与由VCSEL110发射的光的纵轴对齐的交替的磁场，同时RF信号的频率在一频率范围上进行扫面。当RF信号的频率变为等于拉莫频率时，电子下降到较低能级并且开始重新吸收光能，这在由光电检测器116接收的光的强度中造成显著的下陷。因此，可以通过确定使接收的光的强度下陷的调制频率来确定拉莫频率。
常规的原子磁力仪的缺点中的两个是尺寸和成本，这接下来限制了原子磁力仪可以被商业使用的应用种类。因此，需要一种微制造的原子测量仪，其可以以常规的集成电路制造设施量产，由此减少尺寸和成本两者，并且极大地增加了原子磁力仪可以被商业使用的应用种类。
附图说明
图1是示出现有技术的原子磁力仪100的示例的框图。
图2是示出微制造的原子磁力仪200的示例的截面图。
图3A-3F是示出形成光电检测器管芯的方法的示例的一系列截面图。
图4是示出形成蒸汽单元管芯的方法的示例的流程图。
图5A-5B是示出形成下部透明晶圆的方法的示例的一系列截面图。
图6是下部透明晶圆516的俯视图。
图7A-7F是示出形成蒸汽单元晶圆的方法的示例的一系列截面图。
图8是示出蒸汽单元晶圆742的俯视图。
图9A-9I是示出形成上部透明晶圆的方法的示例的一系列截面图。
图10是示出上部透明晶圆940的俯视图。
图11是示出中间晶圆1100的示例的截面图。
图12是示出堆叠晶圆1200的截面图。
图13是示出蒸汽单元管芯1300的示例的截面图。
图14A-14N是示出形成基底管芯的方法的示例的一系列截面图。
图15A-15B是示出形成微制造的原子磁力仪的方法的示例的一系列截面图。
图16是示出形成下部透明晶圆的替换方法的示例的截面图。
具体实施方式
图2示出微制造的原子磁力仪200的示例，如图2所示，原子磁力仪200包括光电检测管芯210，该光电检测管芯210接收调制的光并且生成表示接收到的光的幅值的光信号。
如图2进一步所示，在图2中被倒置的光电检测管芯210包括半导体衬底212以及接触半导体衬底212的光电二极管214。在图2的示例中，半导体衬底212用常规的衬底材料来实现，例如p单晶硅。
光电二极管214继而包括接触半导体衬底212的p阱220以及接触p阱220接触的n区222。光电二极管214还包括接触p阱220的p﹢接触区224以及接触n区222的n﹢接触区226。此外，光电二极管214可以可选地包括薄p﹢表面区228，该薄p﹢表面区228接触n区222，以减少表面复合。P阱220的掺杂剂浓度比p半导体衬底212的掺杂剂浓度大。
光电检测管芯210还包括数个电路元件230，该数个电路元件230形成在半导体衬底212的顶表面中和其之上。电路元件230包括晶体管、电阻器、电容器、二极管以及类似的电路器件。为了简化，只示出一个NMOS晶体管230来表示电路元件230。
NMOS晶体管230具有由p型沟道230C间隔开的n型源极230S和n型漏极230D、在沟道230C上方与半导体衬底212的顶表面接触的栅极氧化层230X、以及在沟道230C上方与栅极氧化层230X接触的栅极230G。当被电气连接在一起时，这些电路元件230形成电子电路230E，其控制光电二极管214并且将从光电二极管214输出的信号放大以生成光信号。
光电检测管芯210进一步包括互连结构232，该互连结构232与半导体衬底212的顶表面以及电路元件230接触。互连结构232包括非导电结构232N以及接触件232C，接触件232C延伸穿过非导电结构232N，从而与p+区224、n+区226以及电路元件230的导电区(例如，源极230S、漏极230D和栅极230G)电气连接。
此外，互连结构232包括位于非导电结构232N上并且与接触件232C接触的数个金属-1结构232M。在第一实施例中，金属-1结构232M可以只用作焊盘结构(用于外部电气连接的位置)，使得邻接的管芯结构提供了光电二极管214和电子电路230E的电路元件230所需要的所有电气互连。
替换地，在第二实施例中，金属-1结构232M可以用作焊盘结构和迹线。例如，例如，焊盘结构可以用于电源和地，并且可以用于将信号输入到电子电路230E并从电子电路230E输出信号，而迹线可以用于将光电二极管214和电子电路230E的电路元件230电气互连。(尽管只用单个金属层来示出互连结构232，但是还可以使用额外的金属层。)
光电检测管芯210可以可选地进一步包括钝化层234，该钝化层234覆盖非导电结构232N和金属-1迹线232M。钝化层234是非导电且防潮的，其具有数个开口234P，该数个开口234P暴露了金属-1结构232M的焊盘。
如图2进一步所示，原子磁力仪200还包括蒸汽单元管芯240，该蒸汽单元管芯240接收光并且生成调制的光。蒸汽单元管芯240被附连到光电检测管芯210并且具有蒸汽腔体242以及气体244，蒸汽腔体242与光电二极管214垂直对齐，气体244被气密密封于蒸汽腔体242内。气体244继而包括碱金属原子和缓冲原子。例如，气体244可以使用诸如85Rb原子、87Rb原子或Cs原子的碱金属原子以及诸如N2的缓冲原子来实现。
蒸汽单元管芯240额外地具有透明结构246，该透明结构246具有顶表面246T、底表面246B和开口248，开口248从透明结构246的底表面246B延伸到透明结构246中。透明结构246的一部分顶表面246T形成了蒸汽腔体242的底表面。
在本示例中，透明结构246使用玻璃来实现，该玻璃具有离子杂质，例如钠离子，离子杂质使玻璃适合于阳极键合到单晶硅。例如，可以利用Corning Eagle XGTM或PyrexTM玻璃产品或Schott BorofloatTM玻璃产品。玻璃是不导电的。开口248位于蒸汽腔体242的竖直正下方且与蒸汽腔体242间隔开，开口248具有侧壁表面248S和顶表面248T，顶表面248T位于透明结构246的顶表面246T的下方并与其间隔开。
进一步，蒸汽单元管芯240包括光封装件250，该光封装件250被附连到开口248的顶表面248T。可以用放置在光封装件250的拐角处的常规胶合物或管芯附连粘合剂的液滴250G来附连光封装件250。光封装件250响应于从光源接收到的光而输出圆偏振光，并且可以用任何输出圆偏振光的布置来实现。
在图2的示例中，光封装件250包括：衰减器250A，其减少输入光的强度；线性偏振器250L，其将从衰减器250A输出的光线性偏振；以及四分之一波长板圆偏振器250C，其将从线性偏振器250L输出的光圆形偏振。
光封装件250可从数个来源商业获得，例如，Thorlabs(www.thorlabs.com)或CVI Melles Griot(www.cvimellesgriot)，其提供满足特定用户对于层和外部尺寸的要求的光封装件。(Thorlabs NE220B是衰减器、Thorlabs LPVIS100是线性偏振器，以及CVI Melles GriotQWPO-895-15-4是圆偏振器)。
蒸汽单元管芯240还具有蒸汽单元结构251，其附连到透明结构246。蒸汽单元结构251具有衬底252和与衬底252接触的数个加热器，例如，加热器254A和254B。衬底252在本示例中用常规的p单晶硅来实现，其具有穿过材料的开口252p，该穿过材料的开口252p完全穿过衬底252延伸以形成蒸汽腔体242的侧壁表面。
在图2的示例中，加热器254A和254B各自被实现为与衬底252接触的n+电阻器条带，其被布局成使流过n+条带的电流产生的磁场最小化。例如，加热器254A和254B可以各自被布局成长的平行n+条带，其中交替的末端连接在一起以形成蛇形/蜿蜒图形(serpentine pattern)。
在操作中，电流流过加热器254A和254B，从而将蒸汽腔体242内的气体244加热。如果磁场可以被足够地抵消，则电流可以连续地流动，或者电流可以在需要加热时开启，并且被关闭以去除由加热器254A和254B中的电流提供的任何干扰。
此外，蒸汽腔体管芯240具有温度传感器256，该温度传感器256与衬底252接触并且相邻于穿过晶圆的开口252P。在图2的示例中，温度传感器256被实现为与衬底252接触的n+电阻器条带，n+电阻器条带被布局成使流过n+条带的电流产生的磁场最小化。例如，温度传感器256可以被布局成两个长的平行n+条带，其中一对末端连接在一起以形成长的U型图形。
在操作中，电流流过温度传感器256，并且温度传感器256的电阻随着蒸汽腔体242周围的温度的变化而变化。如果磁场可以被足够地抵消，则电流可以连续地流动，或者电流可以在需要温度测量时开启并且被关闭以去除温度传感器256中的电流提供的任何干扰。温度传感器256可以精确到实际温度的几度范围内。
此外，蒸汽单元管芯240具有数个焊盘结构258，该焊盘结构258与加热器252A和252B的n+条带的末端以及温度传感器256的n+条带的末端接触。焊盘结构258可以用例如铝来实现，并且提供到加热器254A和254B以及温度传感器256的外部电气连接的点。此外，位于焊盘结构258下方的加热器254A和254B的n+条带的末端以及温度传感器256的n+条带的末端可选地可以被硅化。
蒸汽单元管芯240还具有透明结构260，该透明结构260与蒸汽单元结构251的衬底252接触。透明结构260具有底表面260B，一部分底表面260B形成蒸汽腔体242的顶表面。在本示例中，透明结构260用玻璃来实现，该玻璃具有离子杂质，例如钠离子，离子杂质使玻璃适合于阳极键合到单晶硅。例如，可以利用Corning Eagle XGTM或PyrexTM玻璃产品或Schott BorofloatTM玻璃产品。
进一步地，蒸汽单元管芯240还具有数个金属迹线262和钝化层264，金属迹线与透明结构260的顶表面接触，钝化层264与透明结构260和金属迹线262接触。钝化层264是非导电且防潮的，其具有将金属迹线262的焊盘区暴露的数个开口264P。
此外，蒸汽单元管芯240包括数个焊盘结构266以及钝化层267，焊盘结构266与钝化层264和金属迹线262接触，钝化层267与钝化层264和焊盘结构266接触。钝化层267是非导电且防潮的，其具有将焊盘结构266的区域暴露的数个开口267P。钝化层264和267可选地可以被忽略。
如图2进一步所示，原子磁力仪200还包括透明环氧树脂268以及数个焊球269，该透明环氧树脂268与钝化层234和267接触，该数个焊球269将金属-1结构232M电气连接到焊盘结构266。当金属-1结构232M只用作焊盘时，那么金属迹线262提供光电二极管214和电子电路230E的电路元件262所需要的所有电气互连，同时提供用于电子电路230E的外部访问的点。当金属-1结构232M用作焊盘结构和迹线时，那么金属迹线262提供用于以倒装芯片取向放置的电子电路230E的外部访问的点。
如图2额外地所示，原子磁力仪200进一步包括基底管芯270，该基底管芯270生成输出到蒸汽单元管芯240的光。基底管芯270附连到蒸汽单元管芯240，并且具有顶表面270T、底表面270B和光开口272，该光开口272从管芯270的顶表面270T延伸到管芯270中以将输出光束B的激光光源暴露。
此外，基底管芯270的顶表面270T借助常规胶合物层或管芯附连粘合剂层273附连到蒸汽单元管芯240的透明结构246。由激光光源输出的光束B的纵轴与光电二极管214和蒸汽腔体242垂直对齐。
如图2进一步所示，基底管芯270包括半导体衬底274，该半导体衬底274具有顶表面274T和底表面274B，该底表面274B与基底管芯270的底表面270B一致。半导体衬底274具有VCSEL开口276和管芯开口278，它们各自从半导体衬底274的顶表面274T延伸到半导体衬底274中。
VCSEL开口276具有底表面276B和侧壁表面276S，而管芯开口278具有底表面278B和侧壁表面278S。在图2的示例中，半导体衬底274用常规的衬底材料来实现，例如，p型单晶硅。
此外，基底管芯270还包括与半导体衬底274接触的加热器280。在图2的示例中，加热器280用绝缘氧化物外层280I和未掺杂的多晶硅280L的条带来实现，该未掺杂的多晶硅280L的条带被布局成使流过加热器280的电流所产生的磁场最小化。例如，加热器280可以被布局成长的平行条带，其中交替的末端连接在一起以形成蛇形图形。
如所示，加热器280的顶表面位于与半导体衬底274的顶表面274T相同的平面L，而加热器280的底表面与半导体衬底274的底表面274B垂直地间隔开。(加热器280可以随着加热器254A和254B被实现而交替实现，并且加热器254A和254B可以随着加热器280被实现而交替实现。)
基底管芯270进一步包括具有顶表面的温度传感器282，该顶表面位于与半导体衬底274的顶表面274T相同的平面L中。在图2的示例中，温度传感器282用二极管来实现，该二极管具有p型阱282W和n型区282R。此外，二极管还具有与p型阱282w接触的p+接触区282P以及与n型区282R接触的n+接触区282N。流过二极管的电流响应于二极管的温度而变化。(尽管只示出了一个温度传感器282，但是也可以使用额外的温度传感器。)
如图2进一步所示，基底管芯270包括常规制造的垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)286，其通过粘合剂层288附连到VCSEL开口276的底表面276B。粘合剂层288可以用例如常规的导热胶合物或管芯固定粘合剂来实现。VCSEL286可从数个来源商业获得，例如Princeton Optronics(www.princetonoptronics.com)或M-Com(www.m-com.com.tw/en)，其提供满足特定客户针对光频率、调谐范围、额定功率以及外部尺寸的要求的VCSEL。VCSEL286是提供具有纵轴B的光的激光光源。
基底管芯270额外地具有集成电路290，该集成电路290通过粘合剂层292附连到管芯开口278的底表面278B。粘合剂层292可以用例如常规的导热胶合物或管芯固定粘合剂来实现。集成电路290是常规制造的管芯，其包括一个或多个常规的电子电路，这些电子电路控制流过加热器254A、254B和280的电流，检测温度传感器256和282的输出，控制VCSEL286的操作，并且处理由电子电路230E输出的信号以提供原子磁力仪。
进一步，基底管芯270具有互连结构294，该互连结构与半导体衬底274的顶表面接触。互连结构294包括非导电结构294N以及接触件294C，接触件294C延伸穿过非导电结构294N从而与加热器280、温度传感器282、VCSEL286和集成电路290电气连接。非导电结构294N还具有激光开口294G，该激光开口294G将VCSEL286的激光输出暴露。
此外，互连结构294包括数个金属-1结构294M，这些金属-1结构294M位于非导电结构294N上并且与接触件294C接触。金属-1结构294M可以用作焊盘和迹线。例如，焊盘可以用于电源和地，并且用于将信号输入到集成电路290且输出来自集成电路290的信号，而迹线可以用于将加热器280、温度传感器282、VCSEL286和集成电路290电气互连。
互连结构294还包括钝化层294P，该钝化层294P覆盖非导电结构294N和金属-1迹线294M。钝化层294P是非导电且防潮的，其具有数个开口，该数个开口将金属-1迹线294M的部分暴露以形成用于外部电气连接的焊盘结构294B，并且钝化层294P还包括激光开口294Z，该激光开口294Z将VCSEL286的激光输出暴露。(尽管用单个金属层示出互连结构294，但是还可以使用额外的金属层。)
如图2进一步所示，原子磁力仪200额外地包括数个焊线296，该数个焊线296被键合到焊盘结构258、焊盘结构266以及焊盘结构294以提供光电检测管芯210、蒸汽单元管芯240和基底管芯270与外界的电气连接。
在原子磁力仪200的操作中，VCSEL286输出具有一波长的光束B，在该光束B被光封装件250圆偏振之后，由气密密封的蒸汽腔体242内的气体244的碱金属原子的外层中的单个电子吸收。因为电子吸收光能，所以电子跳跃到较高能级，并且接着回落，以随机方向发射光子。在图2的示例中，Bell-Bloom(BB)技术用于对光进行频率调制以识别拉莫频率并且使电子能够再次重新吸收光能。
在本示例中，由光电二极管214检测从蒸汽腔体242离开的光，光电二极管214响应于该检测而生成测量的光信号。离开蒸汽腔体进入到光电二极管214的光子包括：非吸收性分量，其表示由VCSEL286输出的、没有被蒸汽腔体242内的气体244的碱金属原子的外层中的电子吸收的光；以及发射分量，其表示由下落的电子随机发射的光子。因为发射分量的随机性，平均来看，发射分量随时间是相等的。
控制被置于光电二极管214上的电压的电子电路230E接收来自光电二极管214的测量的光信号，并且生成放大的光信号，该放大的光信号被输出到集成电路290。因为电子下降到较低能级并且开始重新吸收光能，所以该重新吸收在放大的光信号的强度中造成显著的下陷。接着，集成电路290通过确定造成放大的光信号的强度下陷的调制频率来确定拉莫频率。
图3A-3F示出一系列截面图，其示出形成光电检测器管芯的方法的示例。如图3A所示，该方法利用常规形成的p单晶硅晶圆310，并且开始于按照常规的方式在p单晶硅晶圆310的顶表面上形成图形化的光刻胶层312。
在形成图形化的光刻胶层312之后，用p型掺杂剂(例如，硼)来注入单晶硅晶圆310的暴露区，并且进行推进以在晶圆310中形成数个p阱314。晶圆310具有多行和多列相同的管芯区，并且在每个管芯区中形成p阱314。为了简化，在图3A-3F中仅示出一个管芯区。
P阱314的掺杂剂浓度大于p单晶硅晶圆310的掺杂剂浓度。一旦p阱314被形成，就按照常规方式(例如，用丙酮)去除光刻胶层312。在此之后，清洗晶圆310以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液(Piranha etch)。
如图3B所示，在晶圆310被清洗以去除有机物之后，按照常规方式在p单晶硅晶圆310上形成图形化的光刻胶层316。在图形化的光刻胶层316被形成之后，用n型物质(例如，磷)以较低注入能量来注入p单晶硅晶圆310的暴露区，并且进行推进以在每个p阱中形成n型区318。
在本示例中，接下来以较低注入能量来注入p型掺杂剂，并且进行推进以形成薄的p+层320，该p+层320位于n型区318上方以减少表面复合。在薄p+层320被形成之后，按照常规方式(例如，使用丙酮)去除图形化的光刻胶层316。在此之后，清洗晶圆310以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
如图3所示，在清洗晶圆310以去除有机物之后，按照常规方式在每个管芯区中在p单晶硅晶圆310的顶表面之中和之上形成数个器件结构322。在图2的示例中，器件结构322由以下来表示：轻掺杂n型源极322S、轻掺杂n型漏极322D、位于源极322S和漏极322D之间的p型沟道322C、在沟道322C上方与p单晶硅晶圆310的顶表面接触的栅极氧化层322X以及在沟道322C上方与氧化层322G接触的栅极322G。
接下来，如图3D所示，按照常规方式形成图形化的光刻胶层324，使其与p单晶硅晶圆310接触。在形成图形化的光刻胶层324之后，用n型掺杂剂(例如，磷)来注入p单晶硅晶圆310的暴露区，并且进行推进以在每个n型区318中形成n+接触区326N。
此外，该注入还形成了形成在每个管芯区中形成的电子电路(例如，电子电路230E)的n型电路元件(例如，NMOS晶体管)所需的n+区。在图2的示例中，该注入还形成了n+源极326S和n+漏极区326D。
一旦形成了n+区(例如，n+接触区326N、n+源极区326S和n+漏极区326D)，就按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层324。接下来，清洗晶圆310以去除有机物，例如用常规的食人鱼蚀液。
如图3E所示，在清洗晶圆310以去除有机物之后，按照常规方式形成图形化的光刻胶层330，使其接触p型单晶硅晶圆310。在形成了图形化的光刻胶层330之后，用p型掺杂剂(例如，硼)来注入单晶硅晶圆310的暴露区，并且进行推进以在每个p阱314中形成p+接触区332。
进一步，该注入还形成了形成在每个管芯区中形成的电子电路的p型电路元件(例如，PMOS晶体管)所需的p+区。在图2的示例中，电子电路可以包括晶体管、电阻器、电容器、二极管以及类似的电路器件，其由NMOS晶体管334来表示，该NMOS晶体管334包括n源极322S/n+源极326S、n漏极322D/n+漏极326D、p型沟道322C、栅极氧化层322X和栅极322G。进一步，在每个管芯区中，p阱314、n型区318、薄p+层320、n+接触区326N和p+接触区332形成这个管芯区的光电二极管214。
在形成电子电路的p+区(包括p+接触区322)之后，以常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层330。在此之后，清洗晶圆310以去除有机物，例如用常规的食人鱼蚀液。
如图3F所示，一旦清洗了晶圆310以去除有机物，就在晶圆310的顶表面上常规形成互连结构336。可以通过以下步骤常规形成互连结构336：淀积氧化层336X(在可选地对n+和p+区以及多晶硅栅极硅化之后)，接下来进行掩膜和刻蚀步骤以形成开口，这些开口暴露电子电路的器件的n+接触区326N、n+源极326S、n+漏极区326D、p+接触区332以及要被接触的n+和p+区和多晶硅栅极。在此之后，淀积金属层，并且接着进行平坦化以将金属层从氧化层336X的顶表面去除，并且在开口中形成接触件336C。
在形成了金属接触件336C之后，淀积金属层，接着进行掩膜和蚀刻，以形成数个金属-1迹线336M。在此之后，形成钝化层340，使其与氧化层336X和金属-1迹线336M接触。钝化层340可以用氧化物层和上覆的氮化物层来实现，钝化层340的区域被去除以暴露金属-1迹线336M的焊盘区。在此之后，按照常规方式切割晶圆310，以将管芯区分开，形成数个光电检测器管芯342。
图4示出一流程图，该流程图示出形成蒸汽单元管芯的方法的示例。如图4所示，该方法在410处开始于单独地形成下部透明晶圆、蒸汽单元晶圆和上部透明晶圆。
图5A-5B示出一系列截面图，其示出形成下部透明晶圆的方法的示例。该方法利用大约是1mm厚的透明晶圆510。例如，可以利用Corning Eagle XGTM或PyrexTM玻璃产品或Schott BorofloatTM玻璃产品。
如图5A所示，该方法开始于按照常规方式在透明晶圆510的顶表面上形成图形化的光刻胶。在此之后，如图5B所示，按照常规方式刻蚀透明晶圆510的暴露区持续一预定时间段，以在透明晶圆510中形成数个光学开口514。
晶圆510具有多行和多列相同的管芯区(例如，5mm2)，并且在每个管芯区中形成光学开口514。为了简化，在图5A-5B中仅示出一个管芯区。在当前的示例中，每个光学开口514大约是250-400微米宽。一旦形成了光学开口514，就按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层512，以形成下部透明晶圆516。在此之后，清洗晶圆516以去除有机物，例如，用常规的食人鱼蚀液。(可选地，可以使用掩模和刻蚀步骤将浅胶合物沟道刻蚀到光学开口514的拐角中。)
图6示出平面图，其示出下部透明晶圆516。如图6所示，下部透明晶圆516具有按照行和列布置的多个管芯区610以及多个光学开口514，其中每个光学开口514中心地位于每个管芯区610中。
图7A-7F示出一系列截面图，其示出形成蒸汽单元晶圆的方法。在当前的示例中，该方法利用大约0.725mm到1.00mm厚的常规形成的p型单晶硅晶圆710。晶圆710具有多行和多列相同的管芯区(例如，5mm2)。为了简化，在图7A-7F中仅示出一个管芯区。
如图7A所示，该方法开始于按照常规方式在晶圆710的顶表面上形成图形化的光刻胶层716。在形成了图形化的光刻胶层716之后，如图7B所示，用掺杂剂(例如，磷)来注入晶圆710的暴露区，以在每个管芯区中形成n+电阻式加热器条带720、n+电阻式温度传感器条带722以及n+电阻式加热器条带724。(可以可选地通过以下步骤来将n+条带720、722和724的末端进行硅化：淀积氧化物层，刻蚀氧化物层以暴露末端，将末端进行硅化，并且去除氧化物层。)
一旦形成了n+条带720、722和724，就按照常规方式去除图形化的光刻胶层716。例如，可以用丙酮来去除图形化的光刻胶层716。在此之后，清洗晶圆710以去除有机物，例如，用常规的食人鱼蚀液。
如图7C所示，在去除图形化的光刻胶层716，跟着清洗晶圆710之后，淀积金属层730(例如，铝)，使其与晶圆710接触。在此之后，按照常规方式在金属层730的顶表面上形成图形化的光刻胶层732。
接下来，如图7D所示，刻蚀金属层730的暴露区，以形成数个焊盘结构734，该数个焊盘结构与每个n+电阻式加热器条带720、n+电阻式温度传感器条带722和n+电阻式加热器条带724的末端接触并且位于它们上方。一旦形成了焊盘结构734，就按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层732。在此之后，清洗晶圆710以去除有机物，例如，用常规的食人鱼蚀液。
如图7所示，在去除了图形化的光刻胶层732，跟着清洗了晶圆710之后，按照常规方式在晶圆710、条带722和724以及焊盘结构734上形成硬掩膜736。例如，可以通过以下步骤来形成硬掩膜736：顺序地淀积氧化物层、氮化物层和图形化的光刻胶层，接着进行在氧化物/氮化物层中形成开口的刻蚀步骤，并且去除图形化的光刻胶层。
在形成了硬掩膜之后，按照常规方式暂时将晶圆710的底表面附连到操作晶圆(handle wafer)728。例如，可以利用光刻胶材料层来将晶圆710暂时地附连到操作晶圆738，该光刻胶材料层可以在后续的步骤中被容易地去除。
在此之后，使用常规的深度反应离子刻蚀(DRIE)，例如Bosch工艺，刻蚀晶圆710的暴露区和下面的操作晶圆738的一部分，从而在每个管芯区中形成蒸汽单元开口740。每个蒸汽单元开口740完全延伸穿过晶圆710，并且具有基本上垂直的侧壁表面。在当前的示例中，每个蒸汽单元开口740具有大约1mm的宽度。
对DRIE的替换选择是使用例如KOH或TMAH的湿法刻蚀，在晶圆710中形成蒸汽单元开口740。在这种情况下，侧壁不再是垂直的，而是倾斜54.7度。此外，每个蒸汽单元开口740的狭窄部分位于晶圆710的顶部。
如图7F所示，在晶圆710中形成蒸汽单元开口740的刻蚀之后，按照常规方式去除硬掩膜736和操作晶圆738，以形成蒸汽单元晶圆742。
图8示出平面图，其示出蒸汽单元晶圆742。如图8所示，蒸汽单元晶圆742具有按照行和列布置的、与晶圆516的管芯区610对应的多个管芯区810，以及多个蒸汽单元开口740，其中每个蒸汽单元开口740中心地位于每个管芯区810中。
如图8进一步所示，n+条带720、722和724被布局成使流过n+条带720、722和724的电流所产生的磁场最小化。例如，n+条带720、722和724可以各自被布局成长的平行n+条带，其中末端连接在一起以形成单个n+条带720、单个n+条带722和单个n+条724。
图9A-9I示出一系列截面图，其示出形成上部透明晶圆的方法的示例。该方法利用厚度大约为300μm的常规形成的透明晶圆910。例如，透明晶圆910可以用玻璃来实现，例如Coring制造的晶圆910具有多行和多列相同的管芯区(例如，5mm2)。为了简化，在图9A-9I中仅示出一个管芯区。
如图9A所示，该方法开始于按照常规方式形成籽晶层，使其接触透明晶圆910的顶表面。例如，籽晶层920可以通过淀积的钛、的铜和的钛来形成。一旦形成了籽晶层920，就在籽晶层920的顶表面上形成电镀模子922。
在形成电镀模子922之后，如图9所示，剥去顶端钛层并且电镀铜以形成数个金属-1迹线924。如图9C所示，在电镀之后，去除电镀模子922和下面的籽晶层920的区域，以暴露金属-1迹线924。
如图9D所示，在形成了金属-1迹线924之后，形成非导电层926，使其接触透明晶圆910和金属-1迹线924的顶表面。可以按照数种方式来形成非导电层926。例如，可以用氧化物层和上覆的氮化物层来实现非导电层926，接下来进行掩膜和刻蚀，以暴露金属-1迹线924的焊盘区。
替换地，可以淀积聚合物层，例如SU-8(其为负光刻胶)，借助图形进行暴露，并且之后被固化以形成非导电层926。该图形在非导电层926中形成数个开口，包括暴露金属-1迹线924的焊盘区的开口。
在此之后，如图9E所示，淀积接合金属(bonding metallic)层930，例如铝，使其接触非导电层926以及金属-1迹线924的焊盘区。接下来，按照常规方式在接合金属层930的顶表面上形成图形化的光刻胶层932。
在形成了图形化的光刻胶层932之后，如图9F所示，按照常规方式刻蚀接合金属层930的暴露区以暴露非导电层926的顶表面，并且形成数个焊盘结构934。在形成了焊盘结构934之后，按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层932。在此之后，清洗非导电层926和焊盘结构934以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
如图9G所示，在去除图形化的光刻胶层932，跟着进行清洗以去除有机物之后，形成钝化层936，使其接触非导电层926和焊盘结构934的顶表面。可以以数种方式形成钝化层936。例如，钝化层936可以用氧化物层和上覆的氮化物层来实现，接着进行掩膜和刻蚀，以暴露焊盘结构934的区域。
替换地，可以淀积聚合物层(例如，SU-8)，用图形进行暴露，并且之后固化以形成钝化层936。该图形在钝化层936中形成数个开口，包括将焊盘结构934的区域暴露的开口。非导电层926和钝化层936提供了数个益处，例如防潮和应力释放，可以可选地省略非导电层926和钝化层936。
如图9H所示，在形成了钝化层936之后，按照常规方式在钝化层936和焊盘结构934上形成硬掩膜937。例如，可以通过以下步骤形成硬掩膜937：顺序地淀积氧化物层、氮化物层和图形化的光刻胶层，接下来是在氧化物/氮化物层中形成开口的刻蚀步骤，并且去除图形化的光刻胶层。
在形成了硬掩膜937之后，以常规方式将晶圆910的底表面暂时附连到操作晶圆938。例如，可以利用光刻胶材料层将晶圆910暂时附连到操作晶圆938，该光刻胶材料层可以在后续步骤中被容易地去除。
在此之后，以常规方式(例如，用湿法刻蚀或喷砂工艺)刻蚀透明晶圆910的暴露区，以在每个管芯区中形成完全延伸穿过透明晶圆910的数个穿过晶圆的开口939。穿过晶圆的开口939必须足够宽以容纳焊线扫尾(bond wire sweep)(焊线的带角度的附连件)和最小的焊盘到焊盘的水平间距。
如图9I所示，在进行了形成穿过晶圆的开口939的刻蚀之后，以常规方式去除硬掩膜937和操作晶圆938，从而形成上部透明晶圆940。(此外，代替硬掩膜937，可以替换地使用厚的图形化的光刻胶层)。
图10示出平面图，其示出上部透明晶圆940。如图10所示，上部透明晶圆940具有按照行和列布置的、与蒸汽单元晶圆742的管芯区810以及下部透明晶圆516的管芯区610对应的数个相同的管芯区1010(例如，5mm2)。此外，透明晶圆910具有围绕在每个管芯区1010外周的数个穿过晶圆的开口939以及将焊盘结构934暴露的数个焊盘开口1012。
再次参照图4，在单独地形成下部透明晶圆、蒸汽单元晶圆和上部透明晶圆之后，该方法400移动到412，将下部透明晶圆阳极键合到蒸汽单元晶圆以形成中间晶圆。阳极键合以常规方式在惰性气体环境中(例如，氮气)在标准温度和电压下(例如，400℃和1000V)执行。
图11示出截面图，其示出中间晶圆1100的示例。如图11所示，可以从将下部透明晶圆516阳极键合到蒸汽单元晶圆742得到的中间晶圆1100具有数个管芯区1110，该数个管芯区1110按照行和列来布置且与蒸汽单元晶圆742的管芯区810和下部透明晶圆516的管芯区610对应。为了简化，图11只示出一个管芯区1110。
如图11进一步所示，中间晶圆1100具有与光学开口514对应的数个光学开口1112，以及与蒸汽单元开口740对应的相应的数个蒸汽单元开口1114。每个管芯区1110中的光学开口1112和蒸汽单元开口1114被垂直地对齐。
返回图4，在下部透明晶圆已经被阳极键合到蒸汽单元晶圆以形成中间晶圆之后，该方法400移动到414，将可以被紫外线(UV)光分解成碱金属原子和势垒原子的物质(例如，叠氮化铯(CsN3))放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中。
例如，可以通过以下步骤将叠氮化铯放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中：将叠氮化铯溶解到水中以形成水溶液，在室温下使用例如微吸液管来将已测量的溶液(例如，10μL)放置到中间晶圆的每个蒸汽单元开口中，并且之后将中间晶圆加热以将液体蒸发，留下叠氮化铯粉末。
在该物质已经被放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中之后，该方法400移动到416，将中间晶圆阳极键合到上部透明晶圆以形成堆叠晶圆，该堆叠晶圆具有带有该物质的数个蒸汽腔体，以及数个光学开口。叠氮化铯在400℃是不稳定的，并且在350℃扩散到玻璃中。因此，以常规方式在减少的温度下(例如，300℃)并且在惰性气体环境中(例如，氮气)以增加的键合时间执行阳极键合。减少的温度要求较高的电压。然而，较薄的晶圆要求较低的电压。因此，也可以使用标准电压1000V。
图12示出截面图，其示出堆叠晶圆1200。如图12所示，可以从将上部透明晶圆940阳极键合到中间晶圆1100而得到的堆叠晶圆1200具有数个管芯区1210，该数个管芯区1210按照行和列来布置且与中间晶圆1100的管芯区1110以及透明晶圆910的管芯区1010对应。为了简化，在图12中只示出一个管芯区1210。
如图12进一步所示，堆叠晶圆1200具有与光学开口1112对应的数个光学开口1212，以及由于关闭蒸汽单元开口1114而得到的对应的数个气密密封的蒸汽单元腔体1214。在每个管芯区1210中的光学开口1212和蒸汽单元腔体1214垂直地对齐。此外，物质1216(例如，叠氮化铯粉末)被气密密封在每个蒸汽单元腔体1214内。此外，对于175μm厚的管芯，最小的焊盘到焊盘的水平间距H大约是375-500μm。
返回参考图4，在中间晶圆已经被阳极键合到上部透明晶圆以形成堆叠晶圆之后，该方法400移动到418，在室温下用紫外线照射堆叠晶圆大约10或更多小时，这将该物质分解为具有铯(碱金属)原子和势垒原子的气体。在照射之后，每个腔体1214应具有每立方厘米大约1012-1013个铯原子。
如果氮原子被用作势垒原子，氮原子不充足，且在键合期间所使用的惰性气体是氮气，则阳极键合可以在增加氮原子的数量的压力下进行。然而，最大压力是有限的，因为太多的氮原子使信号退化(将表示通过外层电子吸收的点的波长的线宽变宽)。
在每个蒸汽腔体中形成了气体之后，该方法400移动到420，用常规的拾放机使用注射器(syringe)来将胶滴放置到每个光学开口的每个角落中。在此之后，该方法400移动到422，用常规的拾放机将光学封装件(例如，光学封装件250)放置到堆叠晶圆中的每个光学开口中。
常规的拾放机可以处理最小管芯尺寸大约为200μm的管芯，并且具有约为50μm的开口侧壁到管芯侧壁公差。在光学封装件已经被放置到每个光学开口中并且通过胶滴附连之后，该方法400移动到424，将堆叠晶圆切割以形成数个蒸汽单元管芯。
图13示出截面图，其示出蒸汽单元管芯1300的示例。如图13所示，通过切割堆叠晶圆1200，使得晶圆锯经过上部透明晶圆940的焊盘开口914，由此形成蒸汽单元管芯1300。因此，如图13进一步所示，该切割暴露了焊盘结构734，由此使焊盘结构734可用于后续的引线键合。如图13进一步所示，气体1310位于每个蒸汽单元管芯1300的蒸汽单元腔体1214内。
图14A-14N示出一系列截面图，其示出形成基底管芯的方法的示例。如图14所示，该方法利用常规形成的p单晶硅晶圆1400，其具有顶表面1400T和底表面1400B。在本示例中，仅将晶圆1400的一侧抛光。
如图14A进一步所示，该方法开始于按照常规方式在晶圆1400的顶侧1400T上形成图形化的光刻胶层1410。在此之后，如图14B所示，刻蚀晶圆1400的暴露区持续一预定时间段，以形成数个沟道1412。晶圆1400具有多行和多列相同的管芯区，并且在每个管芯区中形成沟道1412。为了简化，图14A-14N只示出一个管芯区。
每个沟道1412被布局成使在沟道1412N内流动的电流产生的磁场最小化。例如，每个沟道1412可以各自被布局成长的平行条带，其中交替的末端连接在一起以形成蛇形图形。一旦形成了沟道1412，按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层1412。在此之后，清洗晶圆1400以去除有机物，例如，使用常规的食人鱼蚀液。
在此之后，如图14C所示，在晶圆1400的顶表面1400T上形成氧化物层1414以衬垫(line)沟道1412，接着淀积未掺杂的多晶硅层1416。多晶硅层1416被淀积到填满沟道1412的深度。如图14D所示，一旦形成了多晶硅层1416，就平坦化多晶硅层，直到晶圆1400的顶表面被暴露以形成加热器元件1422，其可以实现加热器元件280。
接下来，如图14E所示，在晶圆1400的顶表面1400T上且在加热器元件1422上形成图形化的光刻胶层1424。在形成了图形化的光刻胶层1424之后，用p型掺杂剂(例如，硼)来注入p型晶圆1400的暴露区，接着进行推进以形成p阱1426。P阱1426的掺杂剂浓度大于p晶圆1400的掺杂剂浓度。一旦形成了p阱1426，就按照常规方式(例如，用丙酮)去除图形化的光刻胶层1424。在此之后，清洗晶圆1400以去除有机物，例如用常规的食人鱼蚀液。
如图14所示，在清洗晶圆1400以去除有机物之后，按照常规方式在p单晶硅晶圆1400上形成图形化的光刻胶层1428。在形成了图形化的光刻胶层1428之后，用n型材料(例如，磷)以较低的注入能量来注入p单晶硅晶圆1400的暴露区，并且进行推进以在每个p阱1426中形成n型区1430。
在本示例中，接下来以较低的注入能量来注入n型掺杂剂，并且进行推进以形成与n型区1430接触的n+接触区1432。在形成了n+接触区1432之后，按照常规方式(例如，使用丙酮)去除图形化的光刻胶层1428。在此之后，清洗晶圆1400以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
如图14G所示，在清洗了晶圆1400以去除有机物之后，按照常规方式在p单晶硅晶圆1400上形成图形化的光刻胶层1433。在形成了图形化的光刻胶层1433之后，使用p型材料(例如，硼)来注入p单晶硅晶圆1400的暴露区，并且进行推进以形成与p阱1426接触的p+接触区1434，以及形成温度感测二极管1435，该温度感测二极管1435可以实现温度传感器282。之后按照常规方式(例如，使用丙酮)去除图形化的光刻胶层1433。在此之后，清洗晶圆1400以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
如图14H所示，在去除了图形化的光刻胶层1433之后，按照常规方式在晶圆1400、加热器元件1422和二极管1435的顶表面1400T上形成图形化的光刻胶层1436。在形成了图形化的光刻胶层1436之后，刻蚀p晶圆1400的暴露区持续一预定时间段，以形成第一开口1440和第二开口1442。
之后按照常规方式(例如，使用丙酮)去除图形化的光刻胶层1436。在此之后，清洗晶圆1400以去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。如果第一开口1440和第二开口1442要求不同的深度，则可以在分开的掩膜和刻蚀步骤中形成第一开口1440和第二开口1442，而不是同时形成。
在此之后，如图14I所示，借助常规的拾放机使用注射器来将数个胶滴1446***到第一开口1440和第二开口1442中。在此之后，借助常规的拾放机将VCSEL286和集成电路290分别放置到开口1440和开口1442中，并且通过胶滴1446将它们分别附连到开口1440和1442。
如图14J所示，在将VCSEL286和集成电路290分别放置到并且附连到开口1440和开口1442之后，形成聚合物层(例如，SU-8)，使其接触晶圆1400的顶表面1400T，填充开口1440和1442的剩下区域，并且位于VCSEL286和集成电路290上方。
之后用图形来暴露聚合物层，并且将其固化以形成基本上平坦的非导电结构1450。该图形在非导电结构1450中形成数个开口，包括加热器元件开口1452-1、温度传感器二极管开口1452-2、用于由VCSEL286输出的光的激光开口1452-3、将VCSEL286的外部焊盘暴露的数个第一操作开口1452-4、以及将集成电路290的外部焊盘暴露的数个第二操作开口1452-5。
如图14K所示，在形成了非导电结构1450之后，淀积籽晶层1460，使其接触非导电结构1450和加热器元件1422的暴露区、n+接触区1432、p+接触区1434、VCSEL286的外部焊盘以及集成电路290的外部焊盘。例如，籽晶层1460可以通过淀积的钛、的铜和的钛来形成。一旦形成了籽晶层1460，就在籽晶层1460的顶表面上形成电镀模子1462。
如图14L所示，在形成了电镀模子1462之后，顶部钛层被剥离并且电镀铜以形成数个金属-1迹线1464。如图14M所示，在电镀之后，去除电镀模子1462和下面的籽晶层1460以暴露金属-1迹线1464。
如图14N所示，在形成了金属-1迹线1464之后，在非导电结构1450和金属-1迹线1464上形成钝化层1466。可以按照数种方式形成钝化层1466。例如，可以使用氧化物层和上覆的氮化物层来实现钝化层1466，接着进行刻蚀以暴露VCSEL286的激光开口以及金属-1迹线1464的用作焊盘的区域。
替换地，可以淀积聚合物层(例如，SU-8)，使用图形来暴露，并且之后进行固化以形成钝化层1466。该图形在钝化层1466中形成数个开口，包括暴露VCSEL286的激光开口以及金属-1迹线1464的用作焊盘的区域的开口。
如图14N所示，钝化层1466的形成形成了基底晶圆1470。(可选地，可以使用掩模和刻蚀步骤在钝化层1466的顶表面中刻蚀浅的胶合物沟道。)在此之后，按照常规方式切割基底晶圆1470，以分离管芯区，并且形成数个基底管芯1472。
图15A-15B示出一系列截面图，其示出形成微制造的原子磁力仪的方法的示例。如图15A所示，该方法开始于将粘合剂1510液滴(例如，胶合物或管芯附连材料)放置到基底管芯1472的顶表面1512上，接下来使用常规的拾放机将蒸汽单元管芯1300放置到粘合剂1510上。粘合剂1510均不位于光学封装件250正下方，并且将蒸汽单元管芯1300附连到基底管芯1472。如图15A进一步所示，VCSEL286、光学封装件250和蒸汽单元腔体1214被垂直对齐。
如图15B所示，在已经将蒸汽单元腔体1214附连到基底管芯1476之后，在钝化层926上在蒸汽单元腔体1214正上方放置透明环氧树脂1514，并且在焊盘结构934的暴露区上放置焊球1516。透明环氧树脂1514具有高粘性，并且用于确保透明材料与钝化层340和936接触，并且透明环氧树脂1514垂直地位于n型区328和蒸汽单元腔体1214之间。在此之后，通过焊料回流将光电检测器管芯342附连到作为倒装芯片的蒸汽单元管芯1300，以形成微制造的原子磁力仪1520。
之后，将微制造的原子磁力仪1520附连到引线框架的管芯附连支板(paddle)，并且在焊盘结构294B、734和936之间以及在原子磁力仪1520和引线框架之间添加焊线。之后，将引线框架放置到管芯模子中，并且使用模塑化合物来包封，模塑化合物还提供了针对光电检测器管芯和蒸汽单元管芯1300之间的空间的底部填充。
图16示出截面图，其示出形成下部透明晶圆的替换方法的示例。该方法利用厚度大约为200-300μm的透明晶圆1610。透明晶圆1610具有顶表面1610T和底表面1610B，并且可以使用例如，Corning EagleXGTM或PyrexTM玻璃产品或Schott BorofloatTM玻璃产品来实现。
如图16所示，该方法开始于淀积常规的四分之一波长板材料1612的薄膜，接下来淀积常规的偏振器材料1614的薄膜。在此之后，淀积常规的线性衰减器材料1616的薄膜，以形成下部透明晶圆1620。
四分之一波长板层1612具有例如，223.59nm、1117.94nm或2012.29nm的厚度(针对叠氮化铯的光的四分之一波长(894.35nm)加上针对叠氮化铯的光的波长的整数(包括0))。之后将底表面1610B阳极键合到晶圆742而不是晶圆516。下部透明晶圆1620的其中一个优势是，可以消除用于形成光学开口所需的掩膜和刻蚀步骤以及用于将光学封装件附连到下部透明晶圆所需的拾放步骤。
因此，已经描述了微制造的原子磁力仪以及形成微制造的原子磁力仪的方法。本发明的其中一个优势是，本发明提供了允许以常规的集成电路制造设施来量产原子磁力仪的形成原子磁力仪的方法。
因此，实现本发明显著减少了原子磁力仪的成本。本发明的另一个优势是原子磁力仪的小尺寸。因此，与常规的磁力仪相比，本发明允许将原子磁力仪整合到更多的应用中。
应当理解，上面的描述是本发明的示例，并且在实施本发明时可以采用在此描述的本发明的各种替换。因此，宗旨是，所附权利要求限定本发明的范围，且这些权利要求及其等价物的范围内的结构和方法由此被覆盖。

Claims (20)

1.一种磁力仪，其包含：
蒸汽单元管芯，其具有衬底以及接触所述衬底的蒸汽腔体，所述蒸汽腔体被气密密封；以及
附连到所述蒸汽单元管芯的基底管芯，所述基底管芯具有衬底、附连到所述基底管芯的所述衬底的激光源以及附连到所述基底管芯的所述衬底的集成电路，所述集成电路电气连接到所述激光源。
2.根据权利要求1所述的磁力仪，其包含附连到所述蒸汽单元管芯的光电检测管芯，所述光电检测管芯具有衬底以及接触所述光电检测管芯的所述衬底的光电二极管，
所述激光源、所述蒸汽腔体和所述光电二极管被垂直地对齐。
3.根据权利要求2所述的磁力仪，其进一步包含所述蒸汽腔体内的气体，所述气体包括碱金属原子和缓冲原子。
4.根据权利要去2所述的磁力仪，其进一步包含焊料区域，所述焊料区域将所述蒸汽单元管芯在物理上和电气上附连到所述光电检测管芯。
5.根据权利要求2所述的磁力仪，其中所述蒸汽单元管芯包括：
具有顶表面和底表面的下部透明结构；
具有顶表面和底表面的蒸汽单元结构，所述蒸汽单元结构的所述底表面键合到所述下部透明结构的所述顶表面，所述下部透明结构的所述顶表面形成所述蒸汽腔体的底表面；以及
上部透明结构，其具有被键合到所述蒸汽单元结构的顶表面的底表面，所述上部透明结构的所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
6.根据权利要求5所述的磁力仪，其进一步包含附连到所述下部透明结构的光学封装件。
7.根据权利要求5所述的磁力仪，其中所述下部透明结构包括：
玻璃层；
四分之一波长板材料层，其接触所述玻璃层；以及
偏振器材料层，其接触所述四分之一波长板材料。
8.根据权利要求7所述的磁力仪，其中所述下部透明结构进一步包括衰减器材料层，所述衰减器材料层接触所述偏振器材料层。
9.一种堆叠晶圆，其包括：
下部透明晶圆，其具有顶表面和底表面；
蒸汽单元晶圆，其具有顶表面、底表面、衬底和接触所述衬底的蒸汽腔体，所述蒸汽单元晶圆的所述底表面被键合到所述下部透明晶圆的所述顶表面，所述下部透明晶圆的所述顶表面形成所述蒸汽腔体的底表面；以及
上部透明晶圆，其具有被键合到所述蒸汽单元晶圆的所述顶表面的底表面，所述上部透明层的所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
10.根据权利要求9所述的堆叠晶圆，其进一步包含附连到所述下部透明层的光学封装件。
11.根据权利要求9所述的堆叠晶圆，其中所述下部透明层包括：
玻璃层；
四分之一波长板材料层，其接触所述玻璃层；以及
偏振器材料层，其接触所述四分之一波长板材料。
12.根据权利要求11所述的堆叠晶圆，其中所述下部透明层进一步包括接触所述偏振器材料层的衰减器材料层。
13.一种形成磁力仪的方法，其包括：
形成完全延伸穿过蒸汽单元晶圆的开口；以及
将下部透明晶圆键合到所述蒸汽单元晶圆，所述下部透明晶圆具有顶表面，所述顶表面形成所述开口的底表面。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含在所述开口中放置物质，使该物质接触所述开口的所述底表面。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包含将上部透明晶圆键合到所述蒸汽单元晶圆，以关闭所述开口并且形成具有蒸汽腔体的堆叠晶圆，所述上部透明晶圆具有底表面，所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包含照射所述蒸汽腔体以将所述物质分解为气体，所述气体具有碱金属原子和势垒原子。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含将光学封装件附连到所述下部透明晶圆。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含切割所述堆叠晶圆，以形成多个蒸汽单元结构。
19.根据权利要去18所述的方法，其进一步包含将基底管芯附连到蒸汽单元结构，所述基底管芯具有衬底、附连到所述基底管芯的所述衬底的激光源和附连到所述基底管芯的所述衬底的集成电路，所述激光源输出光，所述光进入到所述蒸汽腔体中，所述集成电路电气连接到所述激光源。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将光电检测管芯附连到所述蒸汽单元结构，所述光电检测管芯具有衬底以及接触所述衬底的光电二极管，所述光电二极管接收离开所述蒸汽腔体的光。
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