CN113359404B - 碱金属原子气室的制作方法及碱金属原子气室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱金属原子气室的制作方法及碱金属原子气室，其制作方法包括：提供一硅片；在硅片上表面、下表面均生长硬掩模层；分别对每层硬掩膜层进行处理，形成第一窗口组和第二窗口组，第一窗口组为在硅片的第一区域的轴向上对应的两个第一窗口，第二窗口组为在硅片的第二区域的轴向上对应的两个第二窗口；将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室；采用激光刻蚀工艺，在第一腔室与第二腔室之间的硅片的上表面，形成内壁表面粗糙的V形微流道，使第一腔室与第二腔室连通；去除硬掩膜层；在第一腔室内放入碱金属叠氮化物；将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。

Description

碱金属原子气室的制作方法及碱金属原子气室
技术领域
本发明属于光学精密加工技术领域，具体地，涉及一种碱金属原子气室的制作方法及碱金属原子气室。
背景技术
基于相干布局囚禁(CPT)原理与微机电***(MEMS)制备工艺的芯片级原子钟无需微波谐振腔，且具有小尺寸、低功耗、高稳定度、批量化生产等特点，可广泛应用于定位、导航、授时等各项民用、军用领域中。原子气室为芯片级原子钟的核心部件，决定了原子钟的尺寸、功耗、稳定度等特性。
由于原子钟所用的碱金属单质熔点较低(铷39.3℃、铯28.4℃)，化学性质极活泼，易燃易爆，无法通过高温阳极键合的方式放入腔室内，通常选用铷或铯的叠氮化物替代金属单质，该叠氮化物熔点较高，化学性质稳定，以阳极键合的方式封入原子腔室后，以激光照射，将其分解为金属原子和缓冲气体(氮气)，形成碱金属的原子气室。
但碱金属的原子气室中激光分解的过程可能发生***，产生固体残渣颗粒，包括未分解完全的物料颗粒、物料表面的杂质颗粒、***破坏产生的腔体颗粒，从而降低了原子钟频率的稳定度和准确度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种碱金属原子气室的制作方法及碱金属原子气室，以期至少部分地解决上述技术问题。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种碱金属原子气室的制作方法，包括：提供一硅片；在硅片上表面、下表面均生长硬掩模层。通过光刻和刻蚀工艺分别对每层硬掩膜层进行处理，形成第一窗口组和第二窗口组，其中，第一窗口组为在硅片的第一区域的轴向上对应的两个第一窗口，第二窗口组为在硅片的第二区域的轴向上对应的两个第二窗口。将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室。采用激光刻蚀工艺，在第一腔室与第二腔室之间的硅片的上表面，形成内壁表面粗糙的V形微流道，使第一腔室与第二腔室连通。去除硬掩膜层；在第一腔室内放入碱金属叠氮化物；将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
根据本发明实施例，在硅片上表面、下表面均生长硬掩模层包括在硅片上表面、下表面分别生长第一氧化硅层、第二氧化硅层，然后在第一氧化硅层的上表面生长第一氮化硅层，在第二氧化硅层的下表面生长第二氮化硅层。
根据本发明实施例，将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室，包括采用湿法腐蚀工艺、深反应离子刻蚀、喷砂打孔中的任意一种方法将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室。
根据本发明实施例，将第一窗口组中两个第一窗口之间的所硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室，包括采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片形成第一腔室，采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀第二窗口组中的两个第二窗口之间的硅片形成第二腔室。
根据本发明实施例，去除硬掩膜层包括采用湿法腐蚀法去除硬掩膜层，其中，湿法腐蚀法包括稀磷酸湿法腐蚀法和缓冲氧化物刻蚀液湿法腐蚀法。
根据本发明实施例，将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接包括采用阳极键合工艺将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种碱金属原子气室，包括上述方法制作的碱金属原子气室。
根据本发明实施例，碱金属原子气室包括两个玻璃片与带有双孔道的硅片密封形成的双腔室结构，包括第一腔室和第二腔室，其中，第一腔室与第二腔室之间的硅片上设有V形微流道，第一腔室内设置碱金属叠氮化物。
根据本发明实施例，V形微流道的深度小于硅片的厚度。
根据本发明实施例，V形微流道的内壁粗糙。
本发明采用激光刻蚀的方式在第一腔室与第二腔室之间形成内表面粗糙的V形微流道，利用V形微流道内表面的粗糙结构吸附激光***产生的固体颗粒，达到过滤残渣颗粒的效果。
本发明采用先生长硬掩膜层然后激光刻蚀，再去除硬掩膜层的方法，克服了由于激光刻蚀在V形微流道附近区域的表面附着的固体残渣影响硅片表面光洁度的问题，保证了硅片表面的光洁度能够达到与玻璃片密封连接的要求。
附图说明
图1示意性地示出了碱金属原子气室的制作工艺流程图；
图2示意性地示出了形成硬掩膜层的硅片剖面结构示意图；
图3示意性地示出了形成第一窗口组、第二窗口组后的硅片剖面结构示意图；
图4a示意性地示出了形成第一腔室、第二腔室后的硅片剖面结构示意图；
图4b示意性地示出了形成第一腔室、第二腔室后的硅片结构俯视图；
图5a示意性地示出了形成V形微流道后的硅片剖面结构示意图；
图5b示意性地示出了形成V形微流道后的硅片结构俯视图；
图6示意性地示出了去除硬掩膜层后的硅片剖面结构示意图；
图7a示意性地示出了碱金属原子气室的剖面结构示意图；
图7b示意性地示出了碱金属原子气室的俯视图；
图8a示意性地示出了在本实施例的碱金属原子气室内碱金属原子分解剖面示意图；
图8b示意性地示出了在本实施例的碱金属原子气室内碱金属原子分解俯视图；
图9示意性地示出了V形微流道内壁的电子显微镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示意性地示出了本发明提供的一种碱金属原子气室的制作方法，包括：提供一硅片；在硅片上表面、下表面均生长硬掩模层；通过光刻和刻蚀工艺分别对每层硬掩膜层进行处理，形成第一窗口组和第二窗口组，其中，第一窗口组为在硅片的第一区域的轴向上对应的两个第一窗口，第二窗口组为在硅片的第二区域的轴向上对应的两个第二窗口；将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室；采用激光刻蚀工艺，在第一腔室与第二腔室之间的硅片的上表面，形成内壁表面粗糙的V形微流道，使第一腔室与第二腔室连通；去除硬掩膜层；在第一腔室内放入碱金属叠氮化物；将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
本发明实施例中，采用先生长硬掩膜层然后激光刻蚀，再去除硬掩膜层的方法，克服了由于激光刻蚀在V形微流道附近区域的表面附着的固体残渣影响硅片表面光洁度的问题，保证了硅片表面的光洁度能够达到与玻璃片密封连接的要求。
本发明实施例中，采用激光刻蚀的方式在第一腔室与第二腔室之间形成内表面粗糙的V形微流道，利用V形微流道内表面的粗糙结构吸附激光***产生的固体颗粒，达到过滤残渣颗粒的效果。
根据本发明实施例，在硅片上表面、下表面均生长硬掩模层包括在硅片上表面、下表面分别生长第一氧化硅层、第二氧化硅层，然后在第一氧化硅层的上表面生长第一氮化硅层，在第二氧化硅层的下表面生长第二氮化硅层。
图2示意性地示出了形成硬掩膜层的硅片剖面结构示意图。如图2所示，硅片1的上表面设置第一氧化硅层2，硅片的下表面设置第二氧化硅层3，第一氧化硅层2的上表面设置第一氮化硅层4，第二氧化硅层3的下表面设置第二氮化硅层5。
本发明实施例中，先生长氧化硅、氮化硅作为硬掩膜层，可以有效防止后续激光刻蚀形成V形微流道的过程中，V形微流道负极区域表面附着固体残渣影响硅片表面光洁度的问题。
图3示意性地示出了形成第一窗口组、第二窗口组后的硅片剖面结构示意图。如图3所示，第一窗口组为在硅片1的第一区域的轴向上对应的两个第一窗口6，第二窗口组为在硅片1的第二区域的轴向上对应的两个第二窗口7。
本发明实施例中，第一窗口、第二窗口包括但不限于正方形，第一窗口的边长小于第二窗口的边长。
图4a示意性地示出了形成第一腔室、第二腔室后的硅片剖面结构示意图，图4b示意性地示出了形成第一腔室、第二腔室后的硅片结构俯视图。如图4a、图4b所示，第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室8，第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室9。
根据本发明实施例，将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室，包括采用湿法腐蚀工艺、深反应离子刻蚀、喷砂打孔中的任意一种方法将第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室。
根据本发明实施例，将第一窗口组中两个第一窗口之间的所硅片打通形成第一腔室，将第二窗口组中两个第二窗口之间的硅片打通形成第二腔室，包括采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀第一窗口组中两个第一窗口之间的硅片形成第一腔室，采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀第二窗口组中的两个第二窗口之间的硅片形成第二腔室。
图5a示意性地示出了形成V形微流道后的硅片剖面结构示意图，图5b示意性地示出了形成V形微流道后的硅片结构俯视图。如图5a、图5b所示，在第一腔室8与第二腔室9之间形成的V形微流道10，其内壁表面是凹凸不平的粗糙面，其电子显微镜图如图9所示。
本发明实施例中，利用V形微流道使得携带固体颗粒的气体不能沿直线通过V形微流道，颗粒将撞击到V形微流道内壁和第一腔室的内壁，同时V形微流道内壁表面粗糙不平，起到隔离过滤颗粒的作用。
图6示意性地示出了去除硬掩膜层后的硅片剖面结构示意图。硅片1被分为：第一腔室8、第二腔室9，以及第一腔室8与第二腔室9之间的硅片，第一腔室8与第二腔室9之间的硅片上设置V形微流道10。
根据本发明实施例，去除硬掩膜层包括采用湿法腐蚀法去除硬掩膜层，其中，湿法腐蚀法包括稀磷酸湿法腐蚀法和缓冲氧化物刻蚀液湿法腐蚀法。
根据本发明实施例，将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接包括采用阳极键合工艺将硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种碱金属原子气室，包括上述方法制作的碱金属原子气室。
图7a示意性地示出了碱金属原子气室的剖面结构示意图，图7b示意性地示出了碱金属原子气室的俯视图。如图7a、图7b所示，碱金属原子气室包括两个玻璃片11与带有双孔道的硅片1密封形成的双腔室结构，包括第一腔室8和第二腔室9，其中，第一腔室8与第二腔室9之间的硅片上设有V形微流道10，第一腔室内设置碱金属叠氮化物12。
根据本发明实施例，V形微流道的深度小于硅片的厚度。
根据本发明实施例，V形微流道的内壁粗糙。
图8a示意性地示出了在本实施例的碱金属原子气室内碱金属原子分解剖面示意图，图8b示意性地示出了在本实施例的碱金属原子气室内碱金属原子分解俯视图。如图8a、图8b所示，由于第一腔室8中，激光***产生的固体颗粒13被V形微流道10阻隔无法进入第二腔室9中，确保第二腔室9中碱金属原子与缓冲气体结合物14的纯净度，从而提高原子钟频率的稳定度和准确度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碱金属原子气室的制作方法，包括：
提供一硅片；
在所述硅片上表面、下表面均生长硬掩膜层；
通过光刻和刻蚀工艺分别对所述硅片上表面的所述硬掩膜层和所述硅片下表面的所述硬掩膜层进行处理，形成第一窗口组和第二窗口组，其中，所述第一窗口组为在所述硅片的第一区域的轴向上对应的两个第一窗口，所述第二窗口组为在所述硅片的第二区域的轴向上对应的两个第二窗口；
将所述第一窗口组中两个第一窗口之间的所述硅片打通形成第一腔室，将所述第二窗口组中两个第二窗口之间的所述硅片打通形成第二腔室；
采用激光刻蚀工艺，在所述第一腔室与所述第二腔室之间的所述硅片的上表面，形成内壁表面粗糙的V形微流道，使所述第一腔室与所述第二腔室连通，其中，所述V形微流道的深度小于所述硅片的厚度；
去除所述硬掩膜层；
在所述第一腔室内放入碱金属叠氮化物；
将所述硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述硅片上表面、下表面均生长硬掩膜层包括在所述硅片上表面、下表面分别生长第一氧化硅层、第二氧化硅层，然后在所述第一氧化硅层的上表面生长第一氮化硅层，在所述第二氧化硅层的下表面生长第二氮化硅层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述第一窗口组中两个第一窗口之间的所述硅片打通形成第一腔室，将所述第二窗口组中两个第二窗口之间的所述硅片打通形成第二腔室，包括采用湿法腐蚀工艺、深反应离子刻蚀、喷砂打孔中的任意一种方法将所述第一窗口组中两个第一窗口之间的所述硅片打通形成第一腔室，将所述第二窗口组中两个第二窗口之间的所述硅片打通形成第二腔室。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述将所述第一窗口组中两个第一窗口之间的所述硅片打通形成第一腔室，将所述第二窗口组中两个第二窗口之间的所述硅片打通形成第二腔室，包括采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀所述第一窗口组中两个第一窗口之间的所述硅片形成第一腔室，采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵湿法腐蚀所述第二窗口组中的两个第二窗口之间的所述硅片形成第二腔室。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述去除所述硬掩膜层包括采用湿法腐蚀法去除硬掩膜层，其中，所述湿法腐蚀法包括稀磷酸湿法腐蚀法和缓冲氧化物刻蚀液湿法腐蚀法。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接包括采用阳极键合工艺将所述硅片的上表面、下表面均与玻璃片密封连接。
7.一种碱金属原子气室，包括采用权利要求1～6任意一项所述的方法制作的碱金属原子气室。
8.根据权利要求7所述的碱金属原子气室，包括两个玻璃片与带有双孔道的硅片密封形成的双腔室结构，包括第一腔室和第二腔室，其中，所述第一腔室与所述第二腔室之间的硅片上设有V形微流道，所述第一腔室内设置碱金属叠氮化物。
9.根据权利要求8所述的碱金属原子气室，其中，所述V形微流道的内壁粗糙。
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