JP6198522B2 - 陽極接合された蒸気セル内で圧力の均一性を高める製作技法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年９月１０日出願の米国特許出願第１２／８７９，３９４号の一部継続出願であり、同出願は、２０１０年２月４日出願の米国特許仮出願第６１／３０１，４９７号の利益を主張している。両出願は、参照により本明細書に組み込まれている。
政府の実施権
[0002]米国政府は、米国空軍との政府の契約番号ＦＡ８６５０−０７−Ｃ−１１２５の条項に規定される本発明の特定の権利を有するものとする。

[0003]チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）は、ルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属の蒸気を含有する蒸気セルを含む。通常、蒸気セルはまた、アルゴン窒素混合バッファガスなどのバッファガスを含有する。蒸気セルを製作する標準的な技法は、空胴を画定する複数のセル構造を有するシリコンウェーハの両側で２つのガラスウェーハを陽極接合することを伴う。アルカリ金属蒸気およびバッファガスは、２つのガラスウェーハ間でセル構造の空胴内に閉じ込められる。

[0004]陽極接合継手は、ウェーハ間で最初は接触している位置で始まり、表面が静電電位で互いに近づくにつれて広がっていく。このように領域ごとに接合の前面に遅れが出ると、蒸気セル内に圧力差が生じる可能性がある。さらに、Ｒｂのように沸騰温度が低い材料を用いるには、可能な限り低い温度で接合を行う必要があり、そうでない場合、生成される蒸気により接合表面が汚染される可能性がある。したがって、可能な限り速やかに接合の形成を可能にするには、ウェーハが熱くなるにつれて高い電圧を印加する必要がある。この結果、異なる時点で、したがって異なる温度で、蒸気セルが封止される可能性があり、それによって、蒸気セル内に、さらには同じウェーハ上で並列に製作されたセル上に、圧力差が生じる可能性がある。

[0005]さらに、２つのガラスウェーハの全体的な厚さ変動により、蒸気セルの一部は、同じ１組のウェーハ上の他の蒸気セルより先に気密封止されることになる。温度が接合機器内で徐々に上昇すると、閉じ込められた気体の一部が遅れて接合される蒸気セルから押し出されるため、この問題はさらに悪化する。さらに、遅れて接合された領域内に閉じ込められたバッファガスを容易に逃す経路がないため、蒸気セル内に圧力差が生じる可能性がある。

[0006]最後に、バッファガスが存在するため、陽極接合を実現するために印加される電圧によりガスの破壊が生じる可能性があり、ガスを通じて接地まで放電またはアークが発生し、接合処理を本質的に短絡させる可能性がある。

米国特許出願第１２／８７３，４４１号 米国特許出願公開第２０１１／０１８７４６４号

[0007]１つまたは複数の蒸気セルを製作する方法は、第１の直径を有する第１のウェーハ内に１つまたは複数の蒸気セルダイを形成するステップと、蒸気セルダイの上で第１のウェーハの第１の面に第２のウェーハを陽極接合するステップとを含み、第２のウェーハは第２の直径を有する。蒸気セルダイの上で、第１のウェーハのうち第２のウェーハとは反対側の第２の面上に第３のウェーハが位置決めされ、第３のウェーハは第３の直径を有する。第３のウェーハの上に犠牲ウェーハが配置され、犠牲ウェーハは第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する。犠牲ウェーハの上に、金属化接合板が配置される。第３のウェーハは、犠牲ウェーハが定位置にある間に金属化接合板に電圧が印加されるときに、第１のウェーハの第２の面に陽極接合される。

[0008]本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者には明らかになるであろう。図面が典型的な実施形態のみを示し、したがって範囲を限定すると見なされるべきでないと理解した上で、本発明について、添付の図面を使用することによって、さらなる特定性および詳細で記載することとする。

[0009]一実施形態による蒸気セルを含むチップスケール原子時計向けの物理パッケージの概略横断面図である。 [0010]ウェーハ層上に形成されたチップスケール原子時計向けの蒸気セルダイの一実施形態の概略図である。 [0011]一実施形態による複数の蒸気セルダイおよび通気チャネルを有するウェーハの部分平面図である。 [0012]別の実施形態による蒸気セルを含むチップスケール原子時計向けの物理パッケージの概略横断面図である。 [0013]犠牲ウェーハを用いる陽極接合処理向けのウェーハ構成を示す図である。 [0014]ウェーハ層上に形成されたチップスケール原子時計向けの蒸気セルダイの別の実施形態の概略図である。 [0015]別の実施形態による複数の蒸気セルダイおよび通気チャネルを有するウェーハの部分平面図である。

[0016]以下の詳細な説明では、当業者であれば本発明を実行できるように、実施形態について十分に詳細に説明する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も利用できることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

[0017]チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）内で使用される陽極接合された蒸気セル内で気体圧力の均一性を高める製作技法が提供される。通常、蒸気セルは、複数のセル構造を有するシリコンウェーハなどの基板の両側に１対の光学的に透明なガラスウェーハを陽極接合することによって製作される。これらの蒸気セルは、製作された後、ＣＳＡＣ向けの物理パッケージ内で組み立てられる。

[0018]蒸気セルの製作中に気体圧力の均一性を高める１つの手法では、相互接続された通気チャネルを形成する設計特徴をウェーハ表面内に組み込み、それによってウェーハ内の各蒸気セルダイからウェーハの外周への経路が提供される。これらの通気チャネルにより、陽極接合中にウェーハの内部付近の気体とウェーハの外側の気体とを実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる。気体圧力の均一性を高める別の手法では、陽極接合処理は、温度が上昇するにつれて圧力を絶えず上昇させるように修正される。

[0019]上記の手法を組み合わせることもでき、したがって、シリコンウェーハ表面内の通気チャネルを圧力上昇とともに利用することで、処理中に遅れて封止され、したがってより高い温度になる蒸気セルが、より高い気体圧力も有することが可能になる。室温まで冷却されたとき、より高い温度で封止されている蒸気セルでは、より低い温度で封止されている蒸気セルより圧力が低下することになる。気体圧力がより高い場合、すべての蒸気セルの最終圧力が室温でほぼ同じになるように、遅れて封止される蒸気セルを補償することができる。

[0020]本製作技法のさらなる詳細について、図面を参照して以下に説明する。
[0021]図１は、一実施形態によるＣＳＡＣ物理パッケージ１００を示し、物理パッケージ１００は、本手法によって製作された蒸気セルを用いることができる。物理パッケージ１００は筐体１０２を含み、筐体１０２は、物理パッケージ１００の様々な機械および電子構成要素を収容する。これらの構成要素は、ウェーハレベルの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスとして製作してから、筐体１０２内で組み立てることができる。通常、物理パッケージ１００内のＣＳＡＣ構成要素には、垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのレーザダイ１１０と、レーザダイ１１０と光通信する４分の１波長板１２０と、４分の１波長板１２０と光通信する蒸気セル１３０と、蒸気セル１３０と光通信する光学検出器１４０とが含まれる。

[0022]レーザダイ１１０から放出されるレーザビーム１１２は、物理パッケージ１００の動作中に４分の１波長板１２０および蒸気セル１３０を通って光学検出器１４０まで進むように誘導される。図１に示すように、４分の１波長板１２０、蒸気セル１３０、および光学検出器１４０は、パッケージ１０２内で、レーザビーム１１２の光路に対して様々な傾斜角度で取り付けることができる。これらの構成要素を傾斜させることで、再びＶＣＳＥＬ内へ反射結合するのを低減させ、それによってＣＳＡＣの安定性を高める。

[0023]物理パッケージ１００内の様々な構成要素は、１組の足場構造によって筐体１０２内の異なるレベルで位置決めされる。図１に示すように、筐体１０２内の底面１０４に下部足場１５０が取り付けられる。下部足場１５０は、レーザダイ１１０を支持する下部層１５２と、レーザダイ１１０より上で４分の１波長板１２０を支持する中間層１５４と、４分の１波長板１２０より上で蒸気セル１３０を支持する上部層１５６とを含む。筐体１０２内の上面１０６には、上部足場構造１６０が取り付けられる。光学検出器１４０は、蒸気セル１３０より上で上部足場構造１６０に取り付けられる。

[0024]蒸気セル１３０は、ガラスウェーハなどの１対の光学的に透明なウェーハ１３２および１３４を含み、ウェーハ１３２および１３４は、シリコンウェーハなどの基板１３６の両側に陽極接合される。例示的なガラスウェーハは、パイレックス（登録商標）ガラスまたは類似のガラスを含む。蒸気セル１３０内に画定される少なくとも１つのチャンバ１３８により、レーザダイ１１０と光学検出器１４０との間にレーザビーム１１２の光路が提供される。

[0025]蒸気セル１３０を製作してから物理パッケージ１００内で組み立てる１つの手法では、最初に基板１３６の底側にウェーハ１３２を陽極接合し、その後、ルビジウムまたは他のアルカリ金属（液体または固体状）をチャンバ１３８内へ堆積させる。次いで、基板１３６の反対側にウェーハ１３４を陽極接合して、蒸気セル１３０を形成する。通常、そのような接合は、約２５０℃〜約４００℃の温度で実現される。接合処理は、ウェーハ１３２、１３４および基板１３６が高真空下にある状態、またはアルゴン窒素混合気体などのバッファガスで埋め戻された状態で実行される。バッファガスが使用されるときは、蒸気セル１３０向けの成分を含有する製造機器が排気された後、バッファガスがチャンバ１３８内へ埋め戻される。したがって、接合が完了して蒸気セル１３０が封止されたとき、アルカリ金属および任意選択のバッファガスはチャンバ１３８内に閉じ込められている。

[0026]陽極接合処理中、ナトリウムなどの可動イオンを含有するガラスウェーハはシリコンウェーハに接触し、ガラスウェーハとシリコンウェーハの両方に対する電気接点が得られる。ガラスウェーハとシリコンウェーハはどちらも少なくとも約２００℃まで加熱され、ガラスウェーハ電極は、シリコンウェーハに対して少なくとも約２００Ｖ負になる。これにより、ガラス中のナトリウムが負の電極の方へ動き、ガラスとシリコンとの間の間隙の両端でさらなる電圧の降下が可能になり、より密接な接点が得られる。同時に、酸素イオンがガラスから解放されてシリコンの方へ流れ、ガラス中のシリコンとシリコンウェーハ中のシリコンとの間でブリッジの形成を促し、それによって非常に強い接合が形成される。陽極接合処理は、大気を優に上回って高真空まで多種多様な背景ガスおよび圧力で操作することができる。気体圧力が高くなればなるほど、熱伝達が改善されて処理が速くなる。Ｒｂ蒸気セルの場合、バッファガスの存在下で、可能な限り低い温度で接合を形成することが望ましい。

[0027]陽極接合処理は、接合処理中により高い電圧を印加することによって向上させることができるが、気体の存在下で電圧を高くするとアークが発生する可能性がある。アークは、気体のタイプ、圧力、および電極間の距離に応じて発生する。アークの発生は、接地への経路をより大きくし、したがってアークの発生に必要な電位を増大させることによって軽減することができる。

[0028]気体のタイプおよび圧力を変更できない場合、電極間の距離を増大させることで、より高い電圧を印加する方法を提供することができる。これは、蒸気セルの上部ガラスウェーハと高電圧源との間に挿入された犠牲ガラスウェーハを使用することによって行うことができる。犠牲ガラスウェーハは、蒸気セルウェーハより大きい直径を有する。これにより、処理の開始時に印加電圧をはるかに高くすることが可能になり、はるかに改善された接合環境が提供される。たとえば、より高い印加電圧は、約８００ボルト〜約１２００ボルトとすることができる。

[0029]犠牲ガラスウェーハは、シリコンへの接合に使用される蒸気セルガラスウェーハと同じタイプのものであり、したがって可動イオンに電流を流すことが可能になる。犠牲ウェーハに対してより大きい直径を使用することによって、高電圧電極と接地電位に近いシリコンウェーハの上面との距離が増大する。これにより、アークを発生させることなく、より高い電圧で接合をもたらすことが可能になる。さらに、ナトリウムイオンが犠牲ガラスウェーハに入ることができるため、普通なら蒸気セルの上部ガラスウェーハの上にたまるはずの余分なナトリウムが最小になる。これにより、普通ならガラスウェーハ上で見られる孔食がほとんどなくなり、ガラスを通る光路がよりはっきりする。犠牲ガラスウェーハに対するさらなる詳細は、図５に関して以下で説明する。

[0030]図２は、ウェーハ層上に形成されたＣＳＡＣ物理パッケージ向けの蒸気セルダイ２００の一実施形態を示す。蒸気セルダイ２００はシリコン基板２０５を含み、シリコン基板２０５内には、第１のチャンバ２１０、第２のチャンバ２２０、および少なくとも１つの接続経路２１５が形成されている。チャンバ２１０、２２０および経路２１５は、上記の陽極接合を使用してガラスウェーハ（ガラスウェーハ１３２、１３４など）間で蒸気セルダイ２００内に封止されている。

[0031]図２に示す実施形態の場合、チャンバ２１０は、物理パッケージ向けの光路の一部を構成しており、汚染物質および沈澱物がない状態で維持する必要がある。ルビジウムまたは他のアルカリ金属（全体として２３５で示す）は、液体または固体としてチャンバ２２０内に堆積する。接続経路２１５により、アルカリ金属蒸気分子が第２のチャンバ２２０から第１のチャンバ２１０へ進むための「曲がりくねった経路」（全体として２３０で示す）が確立される。気体分子の力学のため、アルカリ金属蒸気分子は経路２１５を平滑に流れるのではなく、経路２１５の壁に当たって跳ね返り、壁から動けなくなることが多い。一実施形態では、第２のチャンバ２２０は、アルカリ金属蒸気が第２のチャンバ２２０から移動するのをさらに遅くするために、浅いトレンチ２４５を除いて経路２１５から分離されている。

[0032]ＣＳＡＣ物理パッケージでの使用に適した蒸気セルの製作に関するさらなる詳細は、２０１０年９月１日出願の米国特許出願第１２／８７３，４４１号に記載されている。同出願は、米国特許出願公開第２０１１／０１８７４６４号として公開されており、その開示は、参照により本明細書に組み込まれている。

[0033]すでに論じたように、陽極接合継手は、ウェーハ間で最初は接触している位置で始まり、表面が静電電位で互いに近づくにつれて広がっていく。このように領域ごとに接合の前面に遅れが出ると、接合の前面がともに動いて気体がウェーハ間から出るための経路がなくなった場合、圧力差が生じる可能性がある。この結果、製作された蒸気セルにおいてバッファガスの均一性が不十分になる可能性がある。

[0034]さらに、Ｒｂのように融解温度が低い材料を使用するには、可能な限り低い温度で接合を行う必要があり、そうでない場合、生成される蒸気により接合表面が汚染される可能性がある。したがって、可能な限り速やかに接合の形成を可能にするには、ウェーハが熱くなるにつれて高い電圧を印加する必要がある。この結果、異なる時点で、したがって異なる温度で、蒸気セルが封止される可能性があり、またそれによって、製作された蒸気セル内に圧力差が生じる可能性がある。製作された蒸気セル内でバッファガスの均一性が不十分になるという問題は、以下に論じる技法を使用して解決することができる。

[0035]１つの手法では、シリコンウェーハの表面内に通気チャネルを形成して、陽極接合中に気体がウェーハの外周へ逃げるための経路を提供する。この手法を図３に示す。図３は、ＣＳＡＣ内で使用される蒸気セルを製作するウェーハ３００を示す。ウェーハ３００は、複数の蒸気セルダイ３０２と、蒸気セルダイ３０２を取り囲んで相互接続された通気チャネル３０４とを含む。蒸気セルダイ３０２および通気チャネル３０４は、ウェーハ３００の内部表面領域３０６内に位置する。通気チャネル３０４は、蒸気セルダイ３０２を形成するために使用されるのと同じ処理で形成することができる。

[0036]通気チャネル３０４により、各蒸気セルダイからの気体がウェーハ３００の外周３０８の外側へ進むための少なくとも１つの経路が提供される。通気チャネル３０４により、ガラスウェーハをウェーハ３００の両側に陽極接合する間、内部表面領域３０６への気体を外周３０８の外側の気体と実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる。

[0037]気体圧力の均一性を高める別の手法では、陽極接合処理は、温度（ケルビン度または絶対度で測定される）が上昇するにつれて圧力を絶えず上昇させるように修正される。この手法では、シリコンウェーハなどの第１のウェーハの陽極接合は、第１のウェーハをガラスウェーハなどの第２のウェーハに陽極接合する間に第１のウェーハの温度を所定の速度で増大させることによって実施される。シリコンウェーハは複数のダイを有し、各ダイは少なくとも１つのチャンバを有する。陽極接合中に温度が増大するにつれて、第１のウェーハと第２のウェーハとの間の気体圧力も所定の速度で増大する。

[0038]たとえば、一実装形態では、温度が陽極接合中に約１５０℃（４２３°Ｋ）から約２５０℃（５２３°Ｋ）に増大すると、圧力は約１００トルから約６００トルに増大する。別の例では、圧力の開始値を約１００〜３００トルとし、終了値を約５００〜６００トルとすることができる。

[0039]上記の手法を組み合わせることもでき、したがって、ウェーハ表面内の通気チャネルを圧力上昇とともに利用することで、処理中に遅れて封止され、したがってより高い温度になる蒸気セルが、より高い気体圧力も有することが可能になる。室温まで冷却されたとき、より高い温度で封止されている蒸気セルでは、より低い温度で封止されている蒸気セルより圧力が低下することになる。気体圧力がより高い場合、すべての蒸気セルの最終圧力が室温でほぼ同じになるように、遅れて封止される蒸気セルを補償することができる。圧力と温度の比を一定に保つことによって、理想気体の法則により、ｎ（セル内の気体のモル密度）がウェーハ全体で一定のまま維持されることになる。

[0040]図４は、別の実施形態によるＣＳＡＣ物理パッケージ４００を示す。物理パッケージ４００は筐体４０２を含み、筐体４０２は、ＣＳＡＣの様々な機械および電子構成要素を収容する。これらの構成要素は、ウェーハレベルの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスとして製作してから、物理パッケージ４００内で組み立てることができる。通常、物理パッケージ４００内のＣＳＡＣ構成要素には、垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのレーザダイ４１０と、レーザダイ４１０と光通信する４分の１波長板４２０と、４分の１波長板４２０と光通信する蒸気セル４３０と、蒸気セル４３０と光通信する第１の光学検出器４４０とが含まれる。レーザダイ４１０から放出されるレーザビーム４１２は、ＣＳＡＣの動作中に４分の１波長板４２０および蒸気セル４３０を通って光学検出器４４０まで進むように誘導される。

[0041]筐体４０２は本体４０３を含み、本体４０３は、物理パッケージ４００の構成要素を保持する空胴４０４を画定する。筐体４０２はまた、空胴４０４内の構成要素を密閉するために空胴４０４の上に嵌合するように構成された蓋４０５を含む。蓋４０５を本体４０３に封止するには、はんだ４０６を使用することができる。空胴４０４は、本体４０３内で側面４０７および底面４１１によって画定される。側面４０７は、下部ステップ４０８および上部ステップ４０９を有し、以下でさらに説明するように、これらのステップは底面４１１とともに、ＣＳＡＣの様々な構成要素を高くした位置で支持する。筐体４０２は、たとえば高温コファイヤセラミック（ＨＴＣＣ）材料などのセラミック材料から作ることができる。

[0042]物理パッケージ４００の様々な構成要素は、１組の足場構造によって筐体４０２内で異なるレベルに位置決めされる。これらの足場構造は通常、枠の間につるされたテザーなどの膜と、膜に取り付けられたダイなどの補強部材とを含む。たとえば、枠および補強部材はシリコンから構成することができ、膜はポリイミドから構成することができる。

[0043]図４に示すように、本体４０３内では底面４１１に下部足場構造４５０が取り付けられる。下部足場構造４５０は、枠４５５に取り付けられているテザー４５４に結合された足場ダイ４５２を含む。レーザダイ４１０は、第２の光学検出器４４２および表面実装技術（ＳＭＴ）による抵抗器などの抵抗器４４４を含む他の電子構成要素とともに、ダイ４５２の上面に取り付けられる。下部足場構造４５０およびその上の構成要素は、下部ステップ４０８上のそれぞれのパッドに接続された複数のワイアボンド４５６によって本体４０３に電気的に接続される。

[0044]中間足場構造４６０は、枠４６５に取り付けられているテザー４６４に結合された足場ダイ４６２を含む。足場ダイ４６２は、レーザビーム４１２の通過を可能にする開口を有する。中間足場構造４６０は傾斜特徴４６６を有し、傾斜特徴４６６上には、接着剤などによって４分の１波長板４２０が取り付けられる。図４に示すように、４分の１波長板４２０は傾斜特徴４６６上に、レーザビーム４１２の光路に対して事前に選択された傾斜角度で取り付けることができる。中間足場構造４６０は上面４６７を有し、上面４６７上には、接着剤などによって蒸気セル４３０が取り付けられる。中間足場構造４６０は、エポキシなどの接着剤または他の適した取付け方法によって、スペーサ４７０の下面４７２に取り付けられる。

[0045]上部足場構造４８０は、スペーサ４７０の上に位置決めされており、枠４８５に取り付けられているテザー４８４に結合された足場ダイ４８２を含む。光学検出器４４０は、蒸気セル４３０より上でダイ４８２に取り付けられる。蒸気セル４３０はまた、複数のはんだボール４８４によってダイ４８２に取り付けられており、はんだボール４８４は、光学検出器４４０と蒸気セル４３０を互いから隔置された状態で維持する。上部足場構造４８０は、エポキシなどの接着剤または他の適した取付け方法によって、スペーサ４７０の上面４７４に取り付けられる。

[0046]スペーサ４７０は、開口４７６を画定するワッシャの形状とすることができ、開口４７６内に蒸気セル４３０が位置する。スペーサ４７０は、上部足場構造４８０および中間足場構造４６０に対する電気接点を提供する相互接続配線４７７を含む。スペーサ４７０はまた、蒸気セル４３０にバイアス磁場を提供する磁気コイル巻線４７８を含む。スペーサ４７０は、エポキシなどの接着剤によって筐体４０２の上部ステップ４０９に取り付けられる。金のスタッドバンプなどの複数の金属スタッドバンプ４７９により、スペーサ４７０から筐体４０２および足場構造４６０、４８０への電気的接続が提供される。スペーサ４７０は、低温コファイヤセラミック（ＬＴＣＣ）材料などのセラミック材料から作ることができる。

[0047]蒸気セル４３０は、下部ガラスウェーハ４３２および上部ガラスウェーハ４３４を含む１対の光学的に透明なガラスウェーハを含み、下部ガラスウェーハ４３２および上部ガラスウェーハ４３４は、シリコンウェーハ４３６などの基板の両側に陽極接合される。蒸気セル４３０内の少なくとも１つのチャンバ４３８により、レーザダイ４１０と光学検出器４４０との間にレーザビーム４１２の光路が提供される。

[0048]蒸気セル４３０を製作してから筐体４０２内で組み立てるには、最初に基板４３６の底側に下部ガラスウェーハ４３２を陽極接合し、その後、ルビジウムまたは他のアルカリ金属をチャンバ４３８内へ堆積させる。次いで、基板４３６の反対側に上部ガラスウェーハ４３４を陽極接合して、蒸気セル４３０を形成する。接合処理は、ウェーハガラス４３２、４３４およびシリコンウェーハ４３６が高真空下にある状態、または任意選択でバッファガスで埋め戻された状態で実行される。接合が完了して蒸気セル４３０が封止されたとき、アルカリ金属および任意選択のバッファガスはチャンバ４３８内に閉じ込められている。

[0049]上記で論じたように、ガラスウェーハの陽極接合は、蒸気セルの上部ガラスウェーハと高電圧源との間に挿入された犠牲ガラスウェーハを使用することによって向上させることができる。図５は、向上させた陽極接合手法で使用されるウェーハ構成５００を示す。蒸気セル５０２が部分的に形成されており、シリコンウェーハなどの第１のウェーハ５０４と、第１のウェーハ５０４の片側に陽極接合されたガラスウェーハなどの第２のウェーハ５０６とを含む。第１のウェーハ５０４の反対側には、ガラスウェーハなどの第３のウェーハ５０８が位置決めされる。図５に示すように、第１のウェーハ５０４、第２のウェーハ５０６、および第３のウェーハ５０８はすべて、実質上同じ直径Ｄ−１を有する。

[0050]第３のウェーハ５０８と高電圧源に接続された金属化接合板５１２との間には、犠牲ガラスウェーハなどの犠牲ウェーハ５１０が挿入される。犠牲ウェーハ５１０は、直径Ｄ−１より大きい直径Ｄ−２を有する。犠牲ウェーハに対してより大きい直径を使用することによって、金属化接合板５１２の露出部分５１４から接地電位付近のシリコンウェーハの接合表面までの距離が増大する。犠牲ウェーハ５１０の直径Ｄ−２は、第３のウェーハ５０８が第１のウェーハ５０４に陽極接合されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど大きい。

[0051]図６は、ウェーハ層上に形成されたＣＳＡＣ物理パッケージ向けの蒸気セルダイ６００の一実施形態を示す。蒸気セルダイ６００は、シリコン基板などの基板６０５を含み、基板６０５内には、第１のチャンバ６１０、第２のチャンバ６１５、および少なくとも１つの接続経路６２０が形成されている。チャンバ６１０、６１５および経路６２０は、上記の陽極接合を使用してガラスウェーハ間で蒸気セルダイ６００内に封止することができる。第１のチャンバ６１０は、ＣＳＡＣ向けの光路の一部を構成する。接続経路６２０により、アルカリ金属蒸気分子が第２のチャンバ６１５から第１のチャンバ６１０へ進むための「曲がりくねった経路」が確立される。

[0052]前述のように、シリコンウェーハの表面内に通気チャネルを形成して、陽極接合中に気体がウェーハの外周へ逃げるための経路を提供することができる。図７は、この手法の別の実施形態を示す。この実施形態では、蒸気セルを製作するためにシリコンウェーハ７００が使用される。ウェーハ７００は、複数の蒸気セルダイ７０２と、蒸気セルダイ７０２を取り囲んで相互接続された通気チャネル７０４とを含む。蒸気セルダイ７０２および通気チャネル７０４は、ウェーハ７００の内部表面領域７０６内に位置する。通気チャネル７０４は、蒸気セルダイ７０２を形成するために使用されるのと同じ処理で形成することができる。

[0053]通気チャネル７０４により、各蒸気セルダイからの気体がウェーハ７００の外周７０８の外側へ進むための複数の経路が提供される。通気チャネル７０４により、ガラスウェーハをウェーハ７００の両側に陽極接合する間、内部表面領域７０６の気体と外周７０８の外側の気体とを実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる。

例示的実施形態
[0054]実施例１は、１つまたは複数の蒸気セルを製作する方法を含み、この方法は、内部表面領域および外周を有し、第１の直径を有する第１のウェーハ内に、１つまたは複数の蒸気セルダイを形成するステップと、蒸気セルダイの上で第１のウェーハの第１の面に、第２の直径を有する第２のウェーハを陽極接合するステップと、蒸気セルダイの上で、第１のウェーハのうち第２のウェーハとは反対側の第２の面上に、第３の直径を有する第３のウェーハを位置決めするステップと、第３のウェーハの上に、第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する犠牲ウェーハを配置するステップと、犠牲ウェーハの上に金属化接合板を配置するステップと、犠牲ウェーハが定位置にある間に金属化接合板に電圧が印加されるときに、第１のウェーハの第２の面に第３のウェーハを陽極接合するステップとを含む。

[0055]実施例２は、実施例１に記載の方法を含み、第１のウェーハはシリコンウェーハを構成し、第２および第３のウェーハはそれぞれガラスウェーハを構成する。
[0056]実施例３は、実施例１および２のいずれかに記載の方法を含み、犠牲ウェーハはガラスウェーハを構成する。

[0057]実施例４は、実施例１〜３のいずれかに記載の方法を含み、犠牲ウェーハの直径は、金属化接合板に電圧が印加されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど大きい。

[0058]実施例５は、実施例１〜４のいずれかに記載の方法を含み、第１のウェーハ内に１つまたは複数の相互接続された通気チャネルを形成するステップをさらに含み、これらの通気チャネルにより、１つまたは複数の蒸気セルダイからの気体が第１のウェーハの外周の外側へ進むための少なくとも１つの経路が提供される。

[0059]実施例６は、実施例５に記載の方法を含み、通気チャネルにより、第２および第３のウェーハを第１のウェーハに陽極接合する間、第１のウェーハの内部表面領域の気体と第１のウェーハの外周の外側の気体とを実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる。

[0060]実施例７は、実施例１〜６のいずれかに記載の方法を含み、１つまたは複数の蒸気セルは、チップスケール原子時計の物理パッケージ向けに構成される。
[0061]実施例８は、実施例１〜７のいずれかに記載の方法を含み、１つまたは複数の蒸気セルダイはそれぞれ基板を備え、この基板は、第１のチャンバと、第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバの間の少なくとも１つの接続経路とを有する。

[0062]実施例９は、実施例１〜８のいずれかに記載の方法を含み、陽極接合中、第１のウェーハの温度は所定の速度で上昇する。
[0063]実施例１０は、実施例９に記載の方法を含み、温度が上昇するにつれて気体圧力が所定の速度で上昇する。

[0064]実施例１１は、実施例１０に記載の方法を含み、気体圧力は、陽極接合中に約１００トルから約６００トルまで上昇する。
[0065]実施例１２は、複数の蒸気セルダイを備え、内部表面領域および外周を有し、第１の直径を有する第１のウェーハを備える蒸気セルを製作するウェーハ構成を含む。蒸気セルダイの上で第１のウェーハの第１の面に、第１の直径と実質上同じ第２の直径を有する第２のウェーハが陽極接合される。蒸気セルダイの上で、第１のウェーハのうち第２のウェーハとは反対側の第２の面上に、第１および第２の直径と実質上同じ第３の直径を有する第３のウェーハが配置される。第３のウェーハの上に、第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する犠牲ウェーハが配置される。犠牲ウェーハの直径は、第１のウェーハに第３のウェーハが陽極接合されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど大きい。

[0066]実施例１３は、実施例１２に記載のウェーハ構成を含み、第１のウェーハはシリコンウェーハを構成し、第２および第３のウェーハはそれぞれガラスウェーハを構成する。

[0067]実施例１４は、実施例１２および１３のいずれかに記載のウェーハ構成を含み、犠牲ウェーハはガラスウェーハを構成する。
[0068]実施例１５は、実施例１２〜１４のいずれかに記載のウェーハ構成を含み、第１のウェーハ内に複数の相互接続された通気チャネルをさらに備え、これらの通気チャネルにより、蒸気セルダイからの気体が第１のウェーハの外周の外側へ進むための少なくとも１つの経路が提供される。

[0069]実施例１６は、実施例１５に記載のウェーハ構成を含み、通気チャネルにより、第２および第３のウェーハが第１のウェーハに陽極接合されるとき、第１のウェーハの内部表面領域の気体と第１のウェーハの外周の外側の気体とを実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる。

[0070]実施例１７は、実施例１２〜１６のいずれかに記載のウェーハ構成を含み、第３のウェーハと金属化接合板との間に犠牲ウェーハが配置される。
[0071]実施例１８は、実施例１２〜１７のいずれかに記載のウェーハ構成を含み、蒸気セルダイは、チップスケール原子時計の物理パッケージ向けに構成される。

[0072]実施例１９は、実施例１２〜１８のいずれかに記載のウェーハ構成を含み、蒸気セルダイはそれぞれ基板を備え、この基板は、第１のチャンバと、第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバの間の少なくとも１つの接続経路とを有する。

[0073]実施例２０は、複数の蒸気セルを製作する方法を含み、この方法は、第１の直径を有するシリコンウェーハ内に複数の蒸気セルダイを形成するステップと、蒸気セルダイの上でシリコンウェーハの第１の面に、第１の直径と実質上同じ第２の直径を有する第１のガラスウェーハを陽極接合するステップと、蒸気セルダイの上で、シリコンウェーハのうち第１のガラスウェーハとは反対側の第２の面上に、第１および第２の直径と実質上同じ第３の直径を有する第２のガラスウェーハを位置決めするステップと、第２のガラスウェーハの上に、第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する犠牲ガラスウェーハを配置するステップと、犠牲ガラスウェーハの上に金属化接合板を配置するステップと、犠牲ガラスウェーハが定位置にある間に金属化接合板に電圧が印加されるときに、シリコンウェーハの第２の面に第２のガラスウェーハを陽極接合するステップとを含み、犠牲ガラスウェーハの直径は、金属化接合板に電圧が印加されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど大きい。

[0074]本発明は、本発明の本質的な特性から逸脱することなく、他の特有の形態で実施することができる。記載の実施形態は、あらゆる点で限定ではなく例示のみを目的とすると見なされるものとする。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味および範囲内に入るあらゆる変更は、特許請求の範囲内に包含されるものとする。
［形態１］
１つまたは複数の蒸気セルを製作する方法であって、
内部表面領域および外周を有する第１のウェーハ内に、１つまたは複数の蒸気セルダイを形成するステップであって、前記第１のウェーハが第１の直径を有するステップと、
前記蒸気セルダイの上で前記第１のウェーハの第１の面に第２のウェーハを陽極接合するステップであって、前記第２のウェーハが第２の直径を有するステップと、
前記蒸気セルダイの上で、前記第２のウェーハとは反対側の前記第１のウェーハの第２の面上に第３のウェーハを位置決めするステップであって、前記第３のウェーハが第３の直径を有するステップと、
前記第３のウェーハの上に犠牲ウェーハを配置するステップであって、前記犠牲ウェーハが前記第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有するステップと、
前記犠牲ウェーハの上に金属化接合板を配置するステップと、
前記犠牲ウェーハが定位置にある間に前記金属化接合板に電圧が印加されるときに、前記第１のウェーハの前記第２の面に前記第３のウェーハを陽極接合するステップと
を含む方法。
［形態２］
形態１に記載の方法において、前記第１のウェーハ内に１つまたは複数の相互接続された通気チャネルを形成するステップをさらに含み、前記通気チャネルにより、前記１つまたは複数の蒸気セルダイからの気体が前記第１のウェーハの前記外周の外側へ進むための少なくとも１つの経路が提供され、前記通気チャネルにより、前記第２および第３のウェーハを前記第１のウェーハに陽極接合する間、前記第１のウェーハの前記内部表面領域への気体を前記第１のウェーハの前記外周の外側の気体と実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる、方法。
［形態３］
蒸気セルを製作するウェーハ構成であって、
複数の蒸気セルダイを備える第１のウェーハであって、内部表面領域および外周を有し、第１の直径を有する第１のウェーハと、
前記蒸気セルダイの上で前記第１のウェーハの第１の面に陽極接合される第２のウェーハであって、前記第１の直径と実質上同じ第２の直径を有する第２のウェーハと、
前記蒸気セルダイの上で、前記第２のウェーハとは反対側の前記第１のウェーハの第２の面上に配置される第３のウェーハであって、前記第１および第２の直径と実質上同じ第３の直径を有する第３のウェーハと、
前記第３のウェーハの上に配置される犠牲ウェーハであって、前記第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する犠牲ウェーハと、
前記犠牲ウェーハの上の金属化接合板と
を備え、
前記第３のウェーハが前記第１のウェーハに陽極接合されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど前記犠牲ウェーハの前記直径が大きい、ウェーハ構成。

１００ ＣＳＡＣ物理パッケージ
１０２ 筐体
１０４ 底面
１０６ 上面
１１０ レーザダイ
１１２ レーザビーム
１２０ ４分の１波長板
１３０ 蒸気セル
１３２ ウェーハ
１３４ ウェーハ
１３６ 基板
１３８ チャンバ
１４０ 光学検出器
１５０ 下部足場
１５２ 下部層
１５４ 中間層
１５６ 上部層
１６０ 上部足場構造
２００ 蒸気セルダイ
２０５ シリコン基板
２１０ 第１のチャンバ
２１５ 接続経路
２２０ 第２のチャンバ
２３０ 曲がりくねった経路
２３５ ルビジウムまたは他のアルカリ金属
２４５ 浅いトレンチ
３００ ウェーハ
３０２ 蒸気セルダイ
３０４ 通気チャネル
３０６ 内部表面領域
３０８ 外周
４００ ＣＳＡＣ物理パッケージ
４０２ 筐体
４０３ 本体
４０４ 空胴
４０５ 蓋
４０６ はんだ
４０７ 側面
４０８ 下部ステップ
４０９ 上部ステップ
４１０ レーザダイ
４１１ 底面
４１２ レーザビーム
４２０ ４分の１波長板
４３０ 蒸気セル
４３２ 下部ガラスウェーハ
４３４ 上部ガラスウェーハ
４３６ シリコンウェーハ
４３８ チャンバ
４４０ 第１の光学検出器
４４２ 第２の光学検出器
４４４ 抵抗器
４５０ 下部足場構造
４５２ 足場ダイ
４５４ テザー
４５５ 枠
４５６ ワイアボンド
４６０ 中間足場構造
４６２ 足場ダイ
４６４ テザー
４６５ 枠
４６６ 傾斜特徴
４６７ 上面
４７０ スペーサ
４７２ 下面
４７４ 上面
４７６ 開口
４７７ 相互接続配線
４７８ 磁気コイル巻線
４７９ 金属スタッドバンプ
４８０ 上部足場構造
４８２ 足場ダイ
４８４ テザー
４８５ 枠
５００ ウェーハ構成
５０２ 蒸気セル
５０４ 第１のウェーハ
５０６ 第２のウェーハ
５０８ 第３のウェーハ
５１０ 犠牲ウェーハ
５１２ 金属化接合板
５１４ 露出部分
６００ 蒸気セルダイ
６０５ 基板
６１０ 第１のチャンバ
６１５ 第２のチャンバ
６２０ 接続経路
７００ シリコンウェーハ
７０２ 蒸気セルダイ
７０４ 通気チャネル
７０６ 内部表面領域
７０８ 外周

Claims (3)

1. １つまたは複数の蒸気セルを製作する方法であって、
   内部表面領域および外周を有する第１のウェーハ内に、１つまたは複数の蒸気セルダイを形成するステップであって、前記第１のウェーハが第１の直径を有するステップと、
   前記蒸気セルダイの上で前記第１のウェーハの第１の面に第２のウェーハを陽極接合するステップであって、前記第２のウェーハが第２の直径を有するステップと、
   前記蒸気セルダイの上で、前記第２のウェーハとは反対側の前記第１のウェーハの第２の面上に第３のウェーハを位置決めするステップであって、前記第３のウェーハが第３の直径を有するステップと、
   前記第３のウェーハの上に犠牲ウェーハを配置するステップであって、前記犠牲ウェーハが前記第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有するステップと、
   前記犠牲ウェーハの上に金属化接合板を配置するステップと、
   前記犠牲ウェーハが定位置にある間に前記金属化接合板に電圧が印加されるときに、前記第１のウェーハの前記第２の面に前記第３のウェーハを陽極接合するステップと
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記第１のウェーハ内に１つまたは複数の相互接続された通気チャネルを形成するステップをさらに含み、前記通気チャネルにより、前記１つまたは複数の蒸気セルダイからの気体が前記第１のウェーハの前記外周の外側へ進むための少なくとも１つの経路が提供され、前記通気チャネルにより、前記第２および第３のウェーハを前記第１のウェーハに陽極接合する間、前記第１のウェーハの前記内部表面領域への気体を前記第１のウェーハの前記外周の外側の気体と実質上連続する圧力平衡状態にすることが可能になる、方法。
3. 第１のウェーハと、前記第１のウェーハの第１面に陽極接合された第２のウェーハと、前記第２のウェーハとは反対側の前記第１のウェーハの第２面に陽極接合された第３のウェーハとを有する蒸気セルを製作するために使用するウェーハ構成であって、
   複数の蒸気セルダイを備える前記第１のウェーハであって、内部表面領域および外周を有し、第１の直径を有する前記第１のウェーハと、
   前記蒸気セルダイの上で前記第１のウェーハの前記第１の面に陽極接合された前記第２のウェーハであって、前記第１の直径と実質上同じ第２の直径を有する前記第２のウェーハと、
   前記蒸気セルダイの上で、前記第１のウェーハの前記第２の面上に配置される前記第３のウェーハであって、前記第１および第２の直径と実質上同じ第３の直径を有する前記第３のウェーハと、
   前記第３のウェーハの上に配置される犠牲ウェーハであって、前記第１、第２、および第３の直径より大きい直径を有する犠牲ウェーハと、
   前記犠牲ウェーハの上の金属化接合板と
   を備え、
   前記第３のウェーハが前記第１のウェーハに陽極接合されるときにアークの発生を防止するのに十分なほど前記犠牲ウェーハの前記直径が大きい、ウェーハ構成。

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