CN101439843A - 一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法 - Google Patents

Abstract

一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法，包括：样品室、压力杆、样片、样品台、加热丝与测温探头、真空泵连接口、充气进口、直流高压电源、电压表、电阻和其它测控装置，包括步骤1材料的选取，步骤2材料的加工，步骤3样片的清洗，步骤4第一面键合，步骤5第二面键合，步骤6样品检测，将采用原位化学反应法生成的金属铷封闭在微型气室中的方法。本发明的有益效果具体如下：本发明涉及的专用设备是基于阳极键合技术原理的，采用了相对廉价的机械泵—分子泵抽气机组的普通高真空系统，同时用惰性气体对真空系统反复充气“清洗”以及对样片局部进行高温烘烤除气等措施来尽可能地减轻残余气体和吸附气体的影响，特别是减轻铷的氧化问题。

Description

一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法

技术领域

本发明涉及一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法，属于微机电系统(MEMS)制造领域，涉及一套基于阳极键合原理的微型气室封装专用设备的设计与制造以及微型气室封装的相关工艺技术，特别涉及微型铷(Rb)原子气室封装的专有工艺技术。微型铷原子气室是制造微型原子钟、微型磁力计等新概念器件的核心部件；这些器件在现代高科技领域有广泛的应用前景。

背景技术

现代制造技术的发展，使得“微系统”的概念早已被提出来。信息传感、存储与处理器件的尺寸和能耗越来越小。作为在许多现代高技术发展领域不可或缺的原子钟，无论在军用还是普及到民用，其小体积，低功耗的微型化制作是必然的发展趋势。MEMS等相关技术的进步也使得原子钟微型化成为可能。为此，美国国防部先进研究计划署(DARPA)于2002年开始了一项芯片级原子钟的专项研究计划，设定的研究目标是：体积小于1cm³，功耗小于30mW，短期稳定度优于σ_y(τ＝1hour)<1×10^-11。而作为对照，走时准确的NIST-F1原子钟体积庞大，要占地3.7立方米，耗电功率达500瓦。与通常的原子钟相比，微型原子钟在稳定度方面一般还不是很高，但它的突出优点是可用于以电池为动力的便携式无线通信装置及导航定位系统，而且价格大幅降低，在民用普及方面有不可替代的优势。它安装在无线通讯装置中，可改善网络的同步性和频道选择，有助于增强通讯安全性和防干扰能力。在全球定位系统接收器上安装微型计时器后，能改善诸如商用和军用车辆及紧急反应网络使用的卫星导航系统的精确性。

微型原子钟的研制涉及几个核心的关键技术。目前，国际上在VCSEL激光器、RF电路、光电探测器及其反馈电路的微型化方面都已经有了很大进展。但是最核心、也是研究难度最大的微型碱金属原子气室的研制还在继续。原子气室越小，它加热到指定温度所需的能量就越少。通过MEMS技术使气室体积小于10mm³时，保持碱金属原子处于蒸气状态所需的能量可以降到10mW，大大低于加热通常的玻璃气室所需的能量。也就是说，降低原子钟功耗的关键在于使原子气室尽可能小。芯片级原子钟要求原子气室体积仅为1mm³量级。显然，在整个原子钟微型化方面，微型碱金属原子气室的制作是其中的关键。

这么小的体积，传统的玻璃吹制技术已经无法实现。近年来，以美国NIST为代表的一些研究机构开发出一种基于硅微机电技术的原子气室制作方法。采用阳极键合技术，将打有小孔的硅片的两面用玻璃片封装起来。其中填充有碱金属原子和缓冲气体。这样封装的小孔就可以成为一个微型原子气室。同时，这样的三层结构气室还有可能集成各种控制检测器件。与传统方式相比，这种气室制作方式成本低，便于大批量生产，并且基于与微电子和微机电一样的平台，从而便于集成传感器和相应控制系统。

但是碱金属原子的封装是极端困难，主要是因为：一、碱金属熔点低(铷：39.3℃；铯：28.2℃)，容易气化，而阳极键合工艺又需要在较高温度下进行。在几百度的阳极键合温度下，碱金属会气化，在第二面键合还未完成前就大量从硅片上的小孔中溢出，造成气室中残留的碱金属原子的数目太少；同时，沉积在键合界面上的原子还对阳极键合的效果有不良影响。二、碱金属原子的化学性质极其活泼，很容易被大气中的氧气和水蒸汽氧化。甚至在低真空条件下，这种氧化反应就已经在进行了。这就给碱金属原子的封装工艺带来极大困难。正因为如此，到目前为止，国际上主要还是以美国NIST为代表的少数几个实验室在探索微型原子气室的制作方法，核心就是碱金属原子气体的填充技术。

在微型碱金属原子气室封装的研究中，国际上已有了一些成功的报道，如2004年8月，美国标准技术研究院(NIST)首次制作出微型铯(Cs)原子气室，气室体积仅为9.5mm³，由此研制出首台微型原子钟系统。他们使用的是“玻璃-打孔硅片-玻璃”构成的“三明治”型的铯气室，其中的铯原子由叠氮化钡和氯化铯原位反应生成。2007年，他们改进了原位反应制铯的技术，使得微型铯原子气室的封装工艺有所简化。从公开发表的文献来看，国际上相关研究主要集中在微型铯(Cs)原子气室的研制，而与微型铷(Rb)原子钟直接相关的研究还未见报道。国内在微型碱金属(铷、铯等)原子气室封装技术领域尚属空白。

与传统玻璃吹制法制作原子气室的技术相比较，上述制作“三明治”型微型原子气室的阳极键合技术有很大的优势：

(1)普通玻璃吹制技术制作的玻璃气室，其体积受到工艺的限制，无法做到足够小来满足芯片级原子气室的需要。而基于阳极键合工艺的微型原子气室封装则可以在硅片上打制足够小的孔，使得气室可以做得极其微小。

(2)普通玻璃吹制技术在批量生产方面还比较困难，制作效率很低。而本发明涉及的微型原子气室封装技术可以实现大批量生产，即可以在硅片上打制足够多的小孔，充入所需的物质后，在硅片两面采用阳极键合的工艺键合上玻璃片。这样制作成功的玻璃-带孔硅片-玻璃三层结构，其中每一个小孔在裁切以后就成为一个微型原子气室，使得生产效率大大提高。

(3)由于微型原子气室应用在很多领域时都需要透过光，如微型原子钟设备中的微型铷室，而普通玻璃吹制技术制作的玻璃气室，其表面的平整度较低(即表面的曲率半径太小)，这样，光在透过时损失较严重。而基于阳极键合技术的微型原子气室，由于其使用的玻璃片都是经过双面抛光处理的，故光损失会大大减小。

除了在微型原子钟领域的应用之外，微型碱金属(铯Cs，铷Rb等)原子气室在微型磁力计、光谱参比池等领域都有广泛的应用前景，目前以NIST为主的几个美国实验室正在进行相关研究。

发明内容

为了克服上述现有技术结构的不足，本发明提供一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下，

本发明的第一目的是提供基于阳极键合原理设计制造了一种微型原子气室封装设备。

使用该设备能够实现小尺寸的硅片-玻璃、钛片-玻璃以及其它可键合材料对偶之间的键合；特别是能够实现“玻璃-打孔硅片-玻璃”这种具有气密性要求的“三明治”结构的微型气室的封装。

一种微型原子气室封装设备包括：样品室、压力杆、样片(如Pyrex玻璃、硅片)、样品台、加热丝与测温探头、真空泵连接口、充气进口、直流高压电源、电压表、电阻和其它测控装置，连接关系为：样品室为真空室，其下部有真空泵连接口和充气进口；其顶部通过波纹管连接有压力杆，允许从真空室外部调节真空室内部压头的高低位置；真空室内部有样品台，样品台下方有加热丝和测温探头，样品台上方可放置样片；真空室还有多个馈电端子，用于连接真空室内外的各种测控装置，其中直流高压电源连接在压头和样品台之间，回路中串联一个定值电阻，电阻两端并联一个电压表；加热丝与测温探头则与温控仪表相连；此外还有真空规管与真空测量仪表相连。

本发明的第二目的是提供是使用上述设备实现具有气密性要求的“玻璃-打孔硅片-玻璃”结构的一种微型原子气室封装工艺技术方法。

采用上述发明内容一所述的微型气室封装设备，实现“玻璃-打孔样片-玻璃”结构的微型气室封装的工艺技术主要包括材料选取、样片加工与清洗、第一面键合、第二面键合、相关测试等几个步骤，其中核心步骤如图3所示。

一种微型原子气室封装工艺技术方法，包括步骤如下：

步骤1、材料的选取：

阳极键合材料的选择原则主要是对偶材料的热膨胀系数要尽可能匹配，同时要易于加工，本发明内容所涉及的材料对偶包括“玻璃-硅片-玻璃”、“玻璃-可伐合金-玻璃”、“玻璃-钛片-玻璃”，其中玻璃片一般选择Pyrex玻璃；

步骤2、材料的加工：

对选取的材料首先要进行必要的加工，包括剪切成合适的尺寸、表面整平与刨光、中间样片打孔；

样片的剪裁可以使用手工法、光刻法或者机械法；样片表面的整平与刨光需要采用专门的抛光工艺；金属片可以用机械法打孔，硅片打孔则可以采用光刻法、超声打孔法和激光打孔法等；

步骤3、样片的清洗：

样片(玻璃片和打孔样片)清洗的主要目的是去除表面灰尘和有机物等杂质；可采用下述两种方法之一：

(1)丙酮和无水乙醇超声清洗法，首先，将样片放入丙酮溶液超声清洗2-20分钟；然后用无水乙醇超声清洗2-20分钟；接着用去离子水超声清洗5分钟左右；最后，将样片浸泡在无水乙醇中脱水；

(2)硫酸-双氧水溶液和氢氟酸浸泡清洗，先把样片在温度为120摄氏度比例为10：1的硫酸-双氧水溶液中浸泡10分钟；然后，在室温下，用比例为1：100的氢氟酸水溶液中浸泡1分钟左右；最后，用去离子水清洗并用无水乙醇说脱水处理；

步骤4、第一面键合：

第一步骤，将打孔样片20放在样品台(阳极)上，把玻璃片19置于打孔样片20上并盖住小孔18。

第二步骤，在玻璃片19和打孔样片20之间施加一定压力使之紧密结合。

第三步骤，给玻璃片19和打孔样片20加热使之达到最佳键合温度范围(200-500摄氏度)。

第四步骤，在玻璃片19和打孔样片20之间施加最佳键合电压(200-1500伏)，同时监测阳极键合回路的电流随时间变化情况。一般情况下，回路电流先快速上升，然后缓慢下降。当回路电流降到其峰值的十分之一以下时，认为键合完成。

第五步骤，断开电压，停止加热，撤除压力，让玻璃片19和打孔样片20自然降温至室温。

如图4所示。

步骤5、第二面键合：

第一步骤，将单面键合好的玻璃片19和打孔样片20放在特制样品台上，使打孔样片20接高压电源的阳极。把玻璃片21置于小孔18正上方的升降台上，二者之间保留2-10毫米的空隙。

第二步骤，在小孔18中填充被封装物(固体或气体，气体如惰性气体(如氦、氩或氖)、氮气及其混合气等，固体如化学药剂粉末(如叠氮化钡、氯化铷或氯化铯等))。

第三步骤，放下升降台上的玻璃片21，使其盖住小孔18。在玻璃片21与玻璃片19和打孔样片20之间施加一定的接触压力。

第四步骤，给玻璃片21与玻璃片19和打孔样片20构成的体系加热使之达到最佳键合温度范围(200-500摄氏度)。

第五步骤，在玻璃片21和打孔样片20之间施加最佳键合电压(200-1500伏)，同时监测阳极键合回路的电流随时间变化情况。一般情况下，回路电流先快速上升，然后缓慢下降。当回路电流降到其峰值的十分之一以下时，认为键合完成。

第六步骤，断开电压，停止加热，撤除压力，让玻璃片21与玻璃片19和打孔样片20自然降温至室温。

如图5所示。

步骤6、样品检测：

完成双面封装的样品，可以根据被封装物质的特性选用相应得方法进行检测。如目测法、气体检漏法、光电法等。

本发明的第三目的是提供是一种微型铷原子气室封装工艺技术方法中，将采用原位化学反应法生成的金属铷封闭在微型气室中的相关工艺技术方法。

采用上述发明内容所述的一种微型原子气室封装设备和一种微型原子气室封装工艺技术方法(“玻璃-打孔样片-玻璃”结构的微型气室封装方法)，实现微型铷气室封装的工艺技术的核心部分主要是解决铷的物理化学性质与阳极键合工艺要求之间相冲突的矛盾。其它相关工艺步骤都与发明内容二相同。

本发明内容的核心部分是：采用叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)原位化学反应法来生成铷。化学反应式如下：

BaN₆+2RbCl→BaCl₂+3N₂↑+2Rb↑

其原理是在一定温度下，反应混合物中的BaN₆分解，产生Ba单质和N₂，Ba和RbCl发生置换反应后生成铷。

一种微型铷原子气室封装工艺技术方法，包括如下步骤：

第一，叠氮化钡(BaN₆):氯化铷(RbCl)为：1:1.91(质量比)

按照上述化学反应配平式的质量比，称取一定的量的叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)化学药剂。

第二，将叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)均匀混合。其方法主要有两种：(1)将二者混合后加入去离子水制成溶液，烘烤使得水份完全蒸发后得到白色固体物质就是反应混合物。(2)将二者放入研钵中，直接研磨得到它们的反应混合物。

第三，按照第一面键合的方法制作一个单面封装的样片。在样品小孔中放入微量(0.1毫克~10毫克)的反应混合物。然后采用上述用于第二面键合的特殊装置，将用于第二面键合的玻璃片置于样片小孔正上方的升降台上，二者之间保留2-10毫米的空隙。

第四，在一定的真空环境和一定的温度下，使得反应混合物充分反应得到金属铷，同时加高压进行阳极键合。当键合回路的电流降到峰值的十分之一以下时，认为封装完成。设备停止工作，系统自然降温。

第五，采用目测法观察是否有金属铷生成并被成功封装。如果在玻璃内表面上存在银白色的金属滴(或膜)，可初步判断样品成功。进一步可采用光电法检测是否有铷的特征吸收峰产生。

阳极键合技术与原理：

阳极键合，又叫场助键合或静电键合，是1969年George Wallis等人发明的一种将玻璃、陶瓷等介质材料与硅片、金属等材料在较低温度下无需中间层直接结合起来的技术。图1是阳极键合技术的示意图(以玻璃-硅片的阳极键合为例)。首先，将Pyrex玻璃5和硅片4如图所示叠置在一起，在玻璃5和硅片4之间施加一定的压力(通过压力杆1)使之紧密相贴。然后，给玻璃片-硅片体系加热(通过加热丝3)至200至500摄氏度并保持此温度。然后在玻璃片和硅片两端加200V至1500V的高压(通过直流高压源2)，使得玻璃5连接负极，硅片4连接正极。经过适当的时间后断开高压并降温，玻璃5和硅片4即可键合在一起。

阳极键合过程实质上是固体电化学反应过程。在加热到一定温度后，玻璃中的碱金属受到热离解；在强电场作用下，玻璃中的阳离子(主要是Na离子)发生迁移，在阴极表面处被中和而析出，在玻璃-硅片界面附近形成大约几微米厚的阳离子耗尽层；同时大量的负氧离子留在与硅片相临的玻璃界面，形成了较强的空间电荷区，其中电场强度可高达10⁶V/cm，产生巨大的静电吸引力，将界面处的硅离子、氧离子吸引到足够近的距离，形成—Si—O—Si—结构，从而形成永久键合。

影响阳极键合的因素主要有键合温度、键合电压、键合时间、样片表面光洁度、样片材料的热胀系数等，而且各个因素又会互相影响。

本发明的有益效果具体如下：

本发明涉及的微型气室封装设备主要考虑了如下五个方面：

首先，本发明涉及的专用设备是基于上述阳极键合技术原理的，因此必须具备一般阳极键合工艺所需的加热与温度控制、直流高压调节以及施加键合压力的相关装置。设备的设计参数为：(1)加热和温度控制范围为室温到500摄氏度；(2)电压范围为0-1500V连续可调；(3)采用弹性波纹管施加键合压力。

第二，本发明涉及的微型碱金属原子气室的封装需要对打孔硅片的双面均键合上玻璃，特别是第二面的阳极键合(即在硅片第一面已经键合了玻璃片的基础上再进行第二面的键合)更为关键。所以本设备还特别设计了给打孔硅片第二面键合玻璃的装置。为了给气室充入各种气体的需要，用于第二面键合的玻璃在键合前必须是能够与硅片分开的，最好还能够单独被加热。键合进行前还必须能原位运动使得玻璃和硅片压紧接触。此外，第二面键合时硅片上电极的引入也需要特殊设计。

第三，本发明涉及的微型气室封装设备必须设计真空系统，使得上述阳极键合过程在足够好的真空环境下进行。国际上目前进行此项研究的实验室(如NIST)多采用超高真空系统。本发明采用了相对廉价的机械泵—分子泵抽气机组的普通高真空系统，同时用惰性气体对真空系统反复充气“清洗”以及对样片局部进行高温烘烤除气等措施来尽可能地减轻残余气体和吸附气体的影响，特别是减轻铷的氧化问题。

第四，本发明涉及的微型气室封装设备还必须设计所需的进气装置。主要包括气瓶、阀门、流量计、连接管道等。该设备一般需要多个进气装置以实现多种气体的同时充入。

第五，本发明涉及的微型气室封装设备还包括对阳极键合过程进行监测的装置。主要是通过监测阳极键合回路的电流变化情况来判断阳极键合过程的进展。

附图说明

图1玻璃片-硅片阳极键合原理示意图；

图2阳极键合设备示意图；

图3图3微型原子气室的封装流程示意图；

图3(a)样片材料选取与裁切；图3(b)中间样片打孔；图3(c)第一面键合；图3(d)填充被封装物质；图3(e)第二面键合；图3(f)成品及其检测；

图4单面键合样品示意图；

图5双面键合样品示意图；

图6微型气室封装设备示意图；

图7微型铷原子气室中铷的特征吸收峰(80℃下测得)。

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细地描述本发明的实施例。

实施例一：

下面实施例详细说明微型气室封装设备的组成部分及其设计参数。

本设备主要是由样品室(即真空室)、真空机组、加热与温控装置、直流高压装置、进气装置及键合过程监测装置组成。如图6所示，连接关系为：真空室与真空机组、进气装置相连，后者用于给真空室抽真空或充气；加热与温控装置包括真空室内的加热丝和测温探头，以及真空室外与之相连的温控仪表；直流高压装置包括真空室内的绝缘压头和接地样品台，以及真空室外与之相连的直流高压电源；键合过程监测装置则连接在真空室外的高压回路中。

样品室24主要由玻璃罩(或带玻璃观察窗的不锈钢罩)、上法兰25、下法兰40、样品台23(含加热器与温控探头22)、压力杆装置由可上下旋进的压力杆(含旋进手柄27、波纹管26、压头29)构成，连接关系为：玻璃罩的两端分别由上法兰25和下法兰40封闭；上法兰25与样品台23及压力杆装置固连在一起，其中样品台23位于样品室24内，弹性波纹管26则连接样品室24内的压头29和样品室24外的旋进手柄27。

样品室24的下法兰40通过阀门37与真空机组(含分子泵36、机械泵35与真空测量规管34，连接关系为：阀门37-分子泵36-机械泵35，真空测量规管34设置在阀门37的样品室24一侧)和进气装置(含针阀38、气瓶39、管道，连接关系为：气瓶39-管道-针阀38，针阀38直接与样品室24相连)相连。上法兰25上设置有真空馈电端子28，用于连接外部测控装置(温控、高压、回路电流监测)。

直流高压电源30通过真空馈电端子28与样品室24内的绝缘压头29和接地样品台相连；固定电阻31串联在样品室24外的高压回路中；电压表32并联在电阻31两端；温控仪表33与样品室24内的加热器与温控探头22相连。

本设备的真空系统，其极限真空度可达到10^-4帕。

本设备的样品台温控范围可从室温到500摄氏度设定。

本设备的高压部分设计，使得压头上的电压可在0至-1500V之间连续调节，样品台接地。

本设备预留有三路进气装置，可以满足多种气体同时充入的需要。

键合电流监测是通过测量串联在键合回路中的固定电阻31两端的电压来实现的。

实施例二：

下面的实施例详细说明，利用上述实施例一所述设备，实现在“玻璃-打孔硅片-玻璃”三层结构的微型气室中封入一定压强的惰性气体(如氦、氩或氖)，并保证其漏率足够小。步骤如下：

第一，材料选择与准备：上述“玻璃-打孔硅片-玻璃”三层结构中，两边的玻璃片采用富含碱金属氧化物的Pyrex耐热玻璃(厚度0.2mm-0.5mm)，中间样片采用双面抛光的P型<100>单晶硅片(厚度0.5mm-5mm)。玻璃与硅片均采用光刻法剪切成小片，硅片规格为15mm×15mm；玻璃规格有8mm×8mm和20mm×10mm两种，分别用来封装打孔硅片的第一面和第二面。硅片打孔采用超声打孔法或激光打孔技术来实现，小孔直径为1-3mm。实验用的Pyrex玻璃表面粗糙度均小于1μm，硅片表面粗糙度均小于10nm。

第二，样片清洗：将打孔硅片和Pyrex玻璃放入丙酮溶液里面浸泡，除去样品表面的光刻胶；更换丙酮后放入超声清洗机，设定温度60℃，清洗10分钟；然后，将样品放入无水乙醇溶液中超声振荡清洗10分钟，去除其上残留的丙酮；接着，再将样品放入去离子水中超声振荡清洗5分钟，去除残留的化学试剂；最后，将样品浸泡在无水乙醇中脱水。

第三，第一面键合：将硅片用吹风机吹干后放置在样品台上，接高压正极，再将较小规格的Pyrex玻璃片盖在硅片小孔的正上方。压力杆下旋将压头紧顶在玻璃上表面；开机械泵抽真空，在0.1-10Pa的真空度下，样品台即开始按照设定温度(200℃-500℃)加热；当达到预设温度时，开高压电源，调到合适电压(200V-1500V)。同时监测键合回路电流的变化。当监测值降到其峰值的十分之一以下时，关闭高压和温控装置，旋高压力杆。自然降温后取出样品。

第四，充惰性气体和第二面键合：将单面键合的样片用第二步所述方法再清洗一遍，可适当缩短超声清洗时间；然后将样品室中的样品台更换为第二面键合专用样品台，将清洗后的单面键合样片的硅片朝上放入样品台，确保下面的玻璃嵌在样品台的凹槽中，同时将第一步中尺寸较大的Pyrex玻璃片固定在压力杆压头的平板电极上，使得该玻璃处于硅片小孔的正上方，二者之间保留2-10毫米的空隙。将它们一起放入样品室中；开机械泵抽真空，并用惰性气体多次对气室进行“清洗”，以保证样品室足够的清洁。样品台即开始按照设定温度(200℃-500℃)加热；当达到预设温度时，向样品室里冲入一定压强(0.2×10⁵Pa-1×10⁵Pa)的高纯氦气(或氩气或氖气或氮气)，保持几分钟后旋下压力杆，使玻璃和硅片接触，样品室内保持氦气(或氩气或氖气或氮气)压强不变；开高压电源，调到合适电压(200V-1500V)。同时监测键合回路电流的变化。当监测值降到其峰值的十分之一以下时，关闭高压和温控装置，旋高压力杆。自然降温后取出样品。

第五，样品检漏：对使用高纯氦气的样品进行了高灵敏度(氦灵敏度Q<2.0×10^-11Pam³/s)的检漏。结果未探测到样品有可检测的氦泄漏。用检漏仪器的灵敏度极限来保守估算，气室中所封装的氦气，至少需要经过41天才能泄漏完。证明所封装的样品具有较好的气密性。

对使用氩气、氖气或氮气及其混合气的检漏，采用四极质谱仪对这些气体进行检漏。

实施例三：

下面的实施例详细说明，利用上述实施例一所述设备和实施例二所述双面键合封装工艺，采用叠氮化钡和氯化铷原位化学反应法，实现在“玻璃-打孔硅片-玻璃”三层结构的微型气室中封入金属铷的工艺过程。步骤如下：

第一，材料的选择与准备、样片清洗以及第一面键合的实施步骤与上述实施例二对应的工艺步骤完全一样。

第二，按照化学反应(BaN₆+2RbCl→BaCl₂+3N₂↑+2Rb↑)配平式的质量比，称取一定的量的叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)。将二者混合后加入去适量的离子水中，制成溶液。烘烤使得水份完全蒸发后得到反应混合物。

第三，在单面封装样品小孔中放入微量(0.1毫克～10毫克)的反应混合物。然后采用上述用于第二面键合的特殊装置，将用于第二面键合的玻璃片置于样片小孔正上方，二者之间保留2-10毫米的空隙。

第四，在10^-1Pa～10^-8Pa真空环境和100～350摄氏度温度下，使得反应混合物充分反应得到金属铷，同时加高压进行阳极键合。当键合回路的电流降到峰值的十分之一以下时，认为封装完成。设备停止工作，系统自然降温。

第五，样品检验：采用目测法观察到在玻璃内表面上存在银白色的金属滴，初步判断样品成功。进一步采用光电法检测，发现明显的铷的特征吸收峰，如图7。证明铷已经被成功封装到微气室中。

实施例四：

下面的实施例详细说明，利用上述实施例一所述设备和实施例二所述双面键合封装工艺，采用叠氮化钡(BaN₆)和氯化铯(CsCl)原位化学反应法，实现在“玻璃-打孔硅片-玻璃”三层结构的微型气室中封入金属铯的工艺过程。步骤如下：

第一，材料的选择与准备、样片清洗以及第一面键合的实施步骤与上述实施例二对应的工艺步骤完全一样。

第二，按照化学反应(BaN₆+2CsCl→BaCl₂+3N₂↑+2Cs↑)配平式的质量比(叠氮化钡:氯化铯＝1:2.72)，称取一定的量的叠氮化钡(BaN₆)和氯化铯(CsCl)。将二者混合后加入去适量的离子水中，制成溶液。烘烤使得水份完全蒸发后得到反应混合物。

第三，在单面封装样品小孔中放入微量(0.1毫克～10毫克)的反应混合物。然后采用上述用于第二面键合的特殊装置，将用于第二面键合的玻璃片置于样片小孔正上方，二者之间保留2-10毫米的空隙。

第四，在一定的真空环境和一定的温度下，使得反应混合物充分反应得到金属铯，同时加高压进行阳极键合。当键合回路的电流降到峰值的十分之一以下时，认为封装完成。设备停止工作，系统自然降温。

第五，样品检验：采用目测法观察，在玻璃内表面上存在银白色的金属滴，可初步判断样品成功。进一步可采用光电法检测，探测铯的特征吸收峰。

Claims (8)

1、一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征在于包括步骤如下：步骤1、材料的选取：

阳极键合材料的选择原则是对偶材料的热膨胀系数要能匹配，同时要易于加工，选取的材料对偶包括“玻璃-硅片-玻璃”、“玻璃-可伐合金-玻璃”或“玻璃-钛片-玻璃”，其中玻璃片选择Pyrex玻璃；

步骤2、材料的加工：

对选取的材料首先要进行加工，包括剪切成合适的尺寸、表面整平与刨光、中间样片打孔；

样片的剪裁使用手工法、光刻法或者机械法；样片表面的整平与刨光采用抛光工艺；金属片用机械法打孔，硅片打孔采用光刻法、超声打孔法和激光打孔法；

步骤3、样片的清洗：

样片即玻璃片和打孔样片清洗采用下述两种方法之一：

(1)丙酮和无水乙醇超声清洗法，首先，将样片放入丙酮溶液超声清洗2-20分钟；然后用无水乙醇超声清洗2-20分钟；接着用去离子水超声清洗5分钟左右；最后，将样片浸泡在无水乙醇中脱水；

(2)硫酸-双氧水溶液和氢氟酸浸泡清洗，先把样片在温度为120摄氏度比例为10：1的硫酸双氧水溶液中浸泡10分钟；然后，在室温下，用比例为1：100的氢氟酸水溶液中浸泡1分钟左右；最后，用去离子水清洗并用无水乙醇说脱水处理；

步骤4、第一面键合：

第一步骤，将打孔样片放在样品台阳极上，把玻璃片置于打孔样片上并盖住小孔；

第二步骤，在玻璃片和打孔样片之间施加一定压力使之紧密结合；

第三步骤，给玻璃片和打孔样片加热使之达到最佳键合温度范围200-500摄氏度；

第四步骤，在玻璃片和打孔样片之间施加最佳键合电压200-1500伏，同时监测阳极键合回路的电流随时间变化情况，一般情况下，回路电流先快速上升，然后缓慢下降，当回路电流降到其峰值的十分之一以下时，认为键合完成；

第五步骤，断开电压，停止加热，撤除压力，让玻璃片和打孔样片自然降温至室温；

步骤5、第二面键合：

第一步骤，将单面键合好的玻璃片和打孔样片放在特制样品台上，使打孔样片接高压电源的阳极。把第二玻璃片置于小孔正上方的升降台上，二者之间保留2-10毫米的空隙；

第二步骤，在小孔中填充被封装物固体或气体；

第三步骤，放下升降台上的第二玻璃片，使其盖住小孔，在第二玻璃片与玻璃片和打孔样片之间施加一定的接触压力；

第四步骤，给第二玻璃片与玻璃片和打孔样片构成的体系加热使之达到最佳键合温度范围200-500摄氏度；

第五步骤，在第二玻璃片和打孔样片之间施加最佳键合电压200-1500伏，同时监测阳极键合回路的电流随时间变化情况，一般情况下，回路电流先快速上升，然后缓慢下降，当回路电流降到其峰值的十分之一以下时，认为键合完成；

第六步骤，断开电压，停止加热，撤除压力，自然降温至室温；

步骤6、样品检测：

完成双面封装的样品，根据被封装物质的特性选用相应得方法进行检测，如目测法、气体检漏法、光电法。

2、根据权利要求1所述的一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征包括如下步骤：

第一步骤，按照化学反应式如下：

BaN₆+2RbCl→BaCl₂+3N₂↑+2Rb↑

叠氮化钡(BaN₆)∶氯化铷(RbCl)为：1∶1.91的质量比；

化学反应配平式的质量比，按质量比比例称取叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)化学药剂；

第二步骤，将叠氮化钡(BaN₆)和氯化铷(RbCl)均匀混合；其方法主要有两种：(1)将二者混合后加入去离子水制成溶液，烘烤使得水份完全蒸发后得到白色固体物质就是反应混合物；

(2)将二者放入研钵中，直接研磨得到它们的反应混合物；

第三步骤，按照权利要求1的步骤4制作一个单面封装的样片；在样品小孔中放入微量0.1毫克～10毫克的反应混合物；然后采用权利要求1的步骤5，将用于第二面键合的玻璃片置于样片小孔正上方的升降台上，

第四步骤，在10^-1Pa～10^-8Pa真空环境和100～350摄氏度温度下，使得反应混合物充分反应得到金属铷，同时加高压进行阳极键合；当键合回路的电流降到峰值的十分之一以下时，认为封装完成；设备停止工作，系统自然降温；

第五步骤，采用目测法观察是否有金属铷生成并被成功封装；如果在玻璃内表面上存在银白色的金属滴或膜，可判断样品成功；进一步可采用光电法检测是否有铷的特征吸收峰产生。

3、根据权利要求1所述的一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步骤，按照化学反应BaN₆+2CsCl→BaCl₂+3N₂↑+2Cs↑配平式的质量比叠氮化钡∶氯化铯＝1∶2.72，按质量比比例称取一定的量的叠氮化钡(BaN₆)和氯化铯(CsCl)，

第二步骤，将叠氮化钡(BaN₆)和氯化铯(CsCl)均匀混合；其方法主要有两种：(1)将二者混合后加入去离子水制成溶液，烘烤使得水份完全蒸发后得到反应混合物；

(2)将二者放入研钵中，直接研磨得到它们的反应混合物；

第三步骤，按照权利要求1的步骤4制作一个单面封装的样片；在样品小孔中放入微量0.1毫克～10毫克的反应混合物；然后采用权利要求1的步骤5，将用于第二面键合的玻璃片置于样片小孔正上方的升降台上，

第四步骤，在10^-1Pa～10^-8Pa真空环境和100～350摄氏度温度下，使得反应混合物充分反应得到金属铯，同时加高压进行阳极键合；当键合回路的电流降到峰值的十分之一以下时，认为封装完成；设备停止工作，系统自然降温；

第五步骤，采用目测法观察是否有金属铯生成并被成功封装；如果在玻璃内表面上存在银白色的金属滴或膜，判断样品成功。

4、根据权利要求1所述的一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征在于，在权利要求1中的步骤1中有，采用“玻璃打孔硅片玻璃”三层结构，两边的玻璃片采用富含碱金属氧化物的Pyrex耐热玻璃，厚度0.2mm-0.5mm，中间样片采用双面抛光的P型100单晶硅片，厚度0.5mm-5mm；玻璃与硅片均采用光刻法剪切成小片，硅片规格为15mm×15mm；玻璃规格有8mm×8mm或20mm×10mm两种，分别用来封装打孔硅片的第一面和第二面，硅片打孔采用超声打孔法或激光打孔技术来实现，小孔直径为1-3mm，Pyrex玻璃表面粗糙度均小于1μm，硅片表面粗糙度均小于10nm；

在权利要求1中的步骤3样片的清洗步骤中有：将打孔硅片和Pyrex玻璃放入丙酮溶液里面浸泡，除去样品表面的光刻胶；更换丙酮后放入超声清洗机，设定温度60℃，清洗10分钟；然后，将样品放入无水乙醇溶液中超声振荡清洗10分钟，去除其上残留的丙酮；接着，再将样品放入去离子水中超声振荡清洗5分钟，去除残留的化学试剂；最后，将样品浸泡在无水乙醇中脱水；

在权利要求1中的步骤4中有：将硅片用吹风机吹干后放置在样品台上，有开机械泵抽0.1-10Pa真空的步骤；

在权利要求1中的步骤5中第二步骤中，在小孔中填充被封装物为惰性气体。

5、根据权利要求1所述的一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征在于，在权利要求1中的步骤5中有：开机械泵抽真空，并用惰性气体多次对气室进行清洗，向样品室里冲入一定压强0.2×10⁵Pa-1×10⁵Pa的高纯氦气，保持几分钟后旋下压力杆，使玻璃和硅片接触，样品室内保持氦气压强不变。

6、根据权利要求1所述的一种微型原子气室封装工艺技术方法，其特征在于，在权利要求1中的步骤6中有高灵敏度为氦灵敏度Q<2.0×10^-11Pam³/s的检漏的步骤。

7、一种微型原子气室封装设备，包括：样品室、压力杆、样片含Pyrex玻璃和硅片、样品台、加热丝与测温探头、真空泵连接口、充气进口、直流高压电源、电压表、电阻和其它测控装置，其特征在于，样品室为真空室，其下部有真空泵连接口和充气进口；其顶部通过波纹管连接有压力杆，允许从真空室外部调节真空室内部压头的高低位置；真空室内部有样品台，样品台下方有加热丝和测温探头，样品台上方放置样片；真空室还有多个馈电端子，用于连接真空室内外的各种测控装置，其中直流高压电源连接在压头和样品台之间，回路中串联一个定值电阻，电阻两端并联一个电压表；加热丝与测温探头则与温控仪表相连；真空规管与真空测量仪表相连。

8、根据权利要求7所述的一种微型原子气室封装设备，其特征在于，样品室由玻璃罩或带玻璃观察窗的不锈钢罩、上法兰、下法兰、样品台含加热器与温控探头、压力杆装置由可上下旋进的压力杆含旋进手柄、波纹管、压头构成，玻璃罩的两端分别由上法兰和下法兰封闭；上法兰与样品台及压力杆装置固连在一起，其中样品台位于样品室内，弹性波纹管则连接样品室内的压头和样品室外的旋进手柄；

样品室的下法兰通过阀门与真空机组含分子泵、机械泵与真空测量规管连接，阀门连接分子泵连接机械泵，真空测量规管设置在阀门的样品室一侧和进气装置含针阀、气瓶、管道连接关系为：气瓶连接管道连接针阀，针阀直接与样品室相连，上法兰上设置有真空馈电端子，用于连接外部测控装置；

直流高压电源通过真空馈电端子与样品室内的压头和接地样品台相连；固定电阻串联在样品室外的高压回路中；电压表并联在电阻两端；温控仪表与样品室内的加热器与温控探头相连。

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