CN101774529A - 一种mems原子腔芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS原子腔芯片及其制备方法。该芯片包含两片玻璃衬底和一片硅衬底，在玻璃衬底上集成制备出加热丝和射频线圈，并且通过激光穿孔和电镀工艺加工出连接正面和反面的金属引线。在硅衬底上集成制备出原子腔空间和热隔离环。在厌氧箱内完成碱金属的注入，之后再完成气氛的注入和键合，实现高浓度补偿气氛的注入。本发明具有高的集成度，实现了加热丝、射频线圈和热隔离结构的片上集成。除可用于MEMS原子钟和MEMS原子磁强计外，也可用于MEMS原子陀螺。

Description

一种MEMS原子腔芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统加工领域，尤其涉及一种可用于MEMS原子陀螺的集成原子腔芯片及其制备方法，可用于MEMS原子钟、MEMS原子磁强计和MEMS原子陀螺。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)作为新兴的高新技术领域，采用先进的半导体工艺技术，将整个机械结构集成在一块芯片中，在军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛的应用。近年来，随着原子物理学、激光二极管技术和微纳制造技术的发展，逐渐形成了原子MEMS这一新的研究领域。原子MEMS器件的特点是高精度和小体积兼容，目前的主要器件包括MEMS原子钟、MEMS原子磁强计和MEMS原子陀螺。MEMS原子腔是上述三种MEMS原子器件及其他MEMS原子器件的核心敏感部分，由于需要注入化学活性的碱金属和特定的气氛，MEMS原子腔的制备具有很大的难度。美国国家标准与技术研究院的John Kitching等人在这方面做了大量的研究，他们利用厌氧箱的低氧环境，采用微量移液管直接将碱金属注入到预制的模具中，然后通过阳极键合完成腔体的密封。原子腔内的气氛通过厌氧箱内的气氛控制。John Kitching等人利用这种方法成功实现了用于原子钟的MEMS原子腔芯片，但是所加工的原子腔芯片存在以下两个方面的缺点：一是MEMS原子腔集成度较低，加热丝和射频线圈采用组装工艺完成，没有实现片上集成；二是原子腔芯片为非热隔离结构，功耗较大。美国Draper实验室设计了一种热隔离岛结构，将原子腔用聚酰亚胺梁进行悬挂，热隔离度高。但是仍然没有实现加热丝等组件的片上集成，另外所设计的热隔离岛结构加工工艺复杂，需要单独制备悬挂部分，通过组装工艺完成结构的加工。

发明内容

本发明技术解决的问题：克服现有技术的不足，采用MEMS加工工艺，提供一种MEMS原子腔芯片及其制备方法，解决了目前MEMS原子腔中存在的两个关键技术问题，一是集成度低的问题，二是热隔离原子腔加工工艺复杂的问题。

本发明的技术方案如下：一种MEMS原子腔芯片，包括两片结构完全相同的玻璃衬底和位于两片结构完全相同的玻璃衬底之间的硅衬底，两片玻璃衬底和一片硅衬底键合在一起形成热隔离原子腔；

每片玻璃衬底的正面有射频线圈，反面有加热丝，射频线圈和加热丝采用MEMS工艺加工，实现片上集成；每片玻璃衬底上均有电连接通孔，通过电连接通孔内电镀的金属实现玻璃衬底正反面的电连接，通过金属表面的引线将电极引出到焊盘；每片玻璃衬底上有热隔离通孔，用于热隔离；

硅衬底的中间为腔体空间，腔体空间外为热隔离环；腔体空间内壁凝结碱金属，用来产生气态的碱金属原子。

制备MEMS原子腔芯片的方法步骤如下：

a.腔体空间的腐蚀和热隔离环的预加工

采用湿法或干法腐蚀工艺加工硅衬底正面，形成腔体空间和热隔离环，腐蚀不穿通，预留厚度和腐蚀厚度相等，各为硅片厚度的一半，非腐蚀区采用掩膜进行保护，在完成腐蚀后去除掩膜层；

b.玻璃衬底的制备

在玻璃衬底上进行激光穿孔，其中部分孔作为电连接通孔用于引线连接，部分孔作为增加热阻用的热隔离通孔；之后将玻璃衬底与另一片过渡衬底粘合，粘合面有预制的种子层，通过电镀工艺将玻璃衬底中的电连接通孔填满；最后在玻璃衬底正面和反面分别进行射频线圈和加热丝的淀积；

c.第一次键合

将一片玻璃衬底和硅衬底进行阳极键合；

d.腔体空间和热隔离环的二次加工

在硅衬底背面完成一次双面光刻，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺穿通腔体空间和热隔离环；

e.碱金属的注入

将上述玻璃衬底和硅衬底放入键合箱内，通过厌氧箱的转移仓将键合箱移入厌氧箱内；在厌氧箱内，采用移液管将碱金属注入到第一次键合后的腔体空间内，将第二片玻璃衬底盖在腔体空间上，连接好高压电极，闭合并锁紧键合箱，将键合箱通过厌氧箱的转移仓移出厌氧箱；

f.气氛的注入

在气氛注入前，做如下准备工作：将键合箱的真空接口、气体接口分别与相应的真空泵和气瓶相连，在关闭总阀的情况下将管道内的气体抽真空并进行置换，然后开启总阀进行键合箱内气体的抽真空和置换，最后进行一次抽真空，完成后关闭与真空泵连接的阀门；

在上述准备工作完成后，开启气瓶阀门进行气氛的注入，通过压力表的压力显示和温度传感器的温度显示进行气氛浓度的计算，当达到预定浓度时关闭气瓶阀门；

g.密封键合

密封键合箱，关闭压力表，接通键合箱的加热电源，当达到设定温度后，开启高压电源，观察键合电流直到小于10μA或者键合时间超过1小时后，关闭高压电源，关闭加热电源；自然冷却到室温，键合完成。

所述的射频线圈和加热丝采用MEMS工艺加工，实现片上集成。

所述的玻璃衬底的导热系数为0.013-0.015W/cm·K，比硅衬底的导热系数小两个数量级。

所述电连接通孔的直径为200-250微米。

所述热隔离通孔的直径为200-300微米，相邻热隔离通孔之间的最小距离为30-50微米。

本发明的基本原理如下：在原子腔的热平衡中，固态热传导是影响最大的热传播方式，固态热传导的基本方程如下：

$Q=-\mathrm{kA}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}$

其中Q为热传导率，k为导热系数，A为表面积，T为温度，x为距离；

从方程可看出，降低导热系数k是降低热传导率Q的有效途径，由于玻璃衬底的导热系数是硅衬底导热系数的两个数量级以上，因此通过设计悬浮硅岛结构，可以有效实现原子腔的热隔离。从加热的角度，要尽量将加热丝设计在原子腔内壁，以降低功耗，对于由此带来的键合质量问题，可以通过本发明相应的结构和工艺加以解决。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过双面溅射工艺、通孔电连接工艺实现了加热丝等组件的片上集成，具有高的集成度。加热丝在腔体内壁，缩短了加热时间，降低了功耗。通孔电连接工艺使键合面没有金属引线，从而保证了键合工艺的质量。

(2)本发明的热隔离环结构及其制备方法，通过片上加工，实现了硅岛的悬浮，不需额外的悬浮材料和结构，工艺简单可靠。由于硅的导热系数比玻璃的导热系统大两个数量级以上，所以悬浮硅岛有效地实现了原子腔的热隔离，再加上玻璃上的热隔离孔，隔离效果得到进一步提高。

总之，本发明具有高的集成度，实现了加热丝、射频线圈和热隔离结构的片上集成，解决了热隔离原子腔加工工艺复杂的问题，除可用于MEMS原子钟和MEMS原子磁强计外，也可用于MEMS原子陀螺。

附图说明

图1为本发明的MEMS原子腔芯片结构示意图；

图2a～图2g为本发明的MEMS原子腔芯片制造方法流程图，其中图2a为腔体空间8的腐蚀和热隔离环11的预加工后的结果图；图2b为玻璃衬底4制备后的结果图；图2c为第一次键合后的结果图；图2d为腔体空间8和热隔离环11的二次加工，即穿通腐蚀后的结果图；图2e为注入碱金属后的结果图；图2f为第二次密封键合后的结果图；图2g为密封键合后截面图；

图中：1为热隔离原子腔；2为射频线圈；3为引线；4为玻璃衬底；5为硅衬底；6为电连接通孔；7为碱金属；8为腔体空间；9为加热丝；10为热隔离通孔；11为热隔离环；12为焊盘。

具体实施方式

如图1所示，为本发明MEMS原子腔芯片的结构示意图，包括射频线圈2、电连接引线3、两片玻璃衬底4、一片硅衬底5、电连接通孔6、碱金属7、腔体空间8、电阻加热丝9、热隔离通孔10、热隔离环11、焊盘12，两片玻璃衬底4和一片硅衬底5键合在一起形成热隔离原子腔1，即图1中所指的方框部分为热隔离原子腔1；

两片玻璃衬底4结构完全相同，上下对称，在玻璃衬底4上有热隔离通孔10和电连接通孔6，电连接通孔6内注满金属镍，也可以是其他可电镀金属，如铜、银等。玻璃衬底正面有Cr/Au射频线圈2和电连接引线3，玻璃衬底背面有Pt电阻加热丝9；硅衬底5的结构包括腔体空间8和热隔离环11，腔体空间内有碱金属7，如铷、铯等。

玻璃衬底4为低导热系数的玻璃衬底，其导热系数约为0.014W/cm·K，而硅衬底的导热系数约为1.57W/cm·K，前者比后者小两个数量级。电连接通孔6的直径为200-250微米；热隔离通孔10的直径为200-300微米。

以下为本发明MEMS原子腔芯片制备方法的具体实施步骤：

(1)腔体空间8的腐蚀和热隔离环11的预加工

采用KOH溶液腐蚀硅衬底5，形成腔体空间8和热隔离环11，非腐蚀区采用SiO₂和Si₃N₄掩膜进行保护，厚度分别为

和

(在工艺许可的情况下采用这两个厚度参数可以保证KOH腐蚀时能实现硅衬底的保护)，在完成腐蚀后先用反应离子刻蚀方法去除Si₃N₄层，SiO₂层余厚大于

然后用BHF漂洗SiO₂层至脱水。加工结果如图2a所示。

(2)玻璃衬底4的制备

采用激光穿孔工艺在玻璃衬底4上进行穿孔，热隔离通孔10的直径为200-300微米，相邻热隔离通孔10之间的最小距离控制在30-50um，这样隔热效果最佳，热隔离孔10等间隔分布在腔体空间8周围，与腔体空间8外边缘的距离控制在30-50um，数量根据腔体空间8的大小决定。加工两个电连接通孔6，直径为200-250微米，两个通孔6之间的间距为2000微米。之后在另一硅过渡衬底上涂胶，固化后在其上蒸发

Cr和Cu作为种子层，将过渡衬底与玻璃衬底4直接键合，采用硫化镍、氯化镍和硼酸的混合液进行电镀，将电连接通孔6填满，各组分的浓度分别为：330g/l，45g/l和38g/l。之后在丙酮溶液中浸泡24小时，将过渡片与玻璃衬底4分离，采用化学机械抛光(CMP)工艺对表面进行抛光处理；最后在正面和反面分别进行Cr/Au线圈和Pt加热丝的淀积。加工结果如图2b所示。

(3)第一次键合

将步骤(2)制备的一片玻璃衬底4和步骤(1)制备的硅衬底5进行第一次键合，键合温度350℃，键合电压1200V，键合面为玻璃衬底4的反面和硅衬底5的正面。键合后的结果如图2c所示。

(4)腔体空间8和热隔离环11的二次加工

在硅衬底5的背面进行双面光刻，采用光刻胶掩膜，刻蚀穿通硅衬底5上的腔体空间8和热隔离环11，完成腔体空间8和热隔离环11二次加工。其结果如图2d所示。

(5)碱金属的注入

将上述键合片，即玻璃衬底4和硅衬底5放入键合箱内，通过厌氧箱的转移仓将键合箱移入厌氧箱内。通过厌氧箱的手套进行操作，采用移液管，将500nl碱金属的注入到第一次键合后的腔体空间内，将第二片玻璃衬底4盖在腔体上，连接好高压电极，闭合并锁紧键合箱，将键合箱从转移仓移出厌氧箱。其结果如图2e所示。

(6)气氛的注入

连接键合箱与真空泵、N₂气接口、He气接口、加热电源、热控单元、气压计、真空计。在关闭总阀的情况下将管道内的气体抽真空并进行置换，然后开启总阀采用N₂气进行键合箱内气体的抽真空和置换，最后关闭与真空泵连接的阀门，进行气氛的注入，先注入N₂气，压力为200torr，然后进行He气的注入，压力为7atm。

(7)密封键合

先关闭压力表，然后接通键合箱的加热电源，当温度达到350℃后，开启高压电源，高压电源的输出电压从1V到2000V，调节电压到1200V，观察键合电流直到小于10μA或者键合时间超过1小时后，关闭高压电源，关闭加热电源。自然冷却到室温，密封键合完成，从而完成了集成MEMS原子腔芯片的加工。最终的结果图如图2f所示，图2g是最终结果的截面图。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种MEMS原子腔芯片，其特征在于：

包括两片结构完全相同的玻璃衬底(4)和位于两片结构完全相同的玻璃衬底(4)之间的硅衬底(5)，两片玻璃衬底(4)和一片硅衬底(5)键合在一起形成热隔离原子腔(1)；

每片玻璃衬底(4)的正面有射频线圈(2)，反面有加热丝(9)，射频线圈(2)和加热丝(9)采用MEMS工艺加工，实现片上集成；每片玻璃衬底(4)上均有电连接通孔(6)，通过电连接通孔(6)内电镀的金属实现玻璃衬底(4)正反面的电连接，通过金属表面的引线(3)将电极引出到焊盘(12)；每片玻璃衬底(4)上有热隔离通孔(10)，用于热隔离；

硅衬底(5)中间为腔体空间(8)，腔体空间(8)外为热隔离环(11)；腔体空间(8)内壁凝结碱金属(7)，用来产生气态的碱金属原子。

2.根据权利要求1所述的MEMS原子腔芯片，其特征在于：所述的射频线圈(2)和加热丝(9)采用MEMS工艺加工，实现片上集成。

3.根据权利要求1所述的MEMS原子腔芯片，其特征在于：所述的玻璃衬底(4)的导热系数为0.013～0.015W/cm·K，比硅衬底的导热系数小两个数量级。

4.根据权利要求1所述的MEMS原子腔芯片，其特征在于：所述电连接通孔(6)的直径为200-250微米。

5.根据权利要求1所述的MEMS原子腔芯片，其特征在于：所述热隔离通孔(10)的直径为200-300微米，相邻热隔离通孔(10)之间的最小距离为30-50微米。

6.制备权利要求1所述的一种MEMS原子腔芯片的方法，其特征在于步骤如下：

a.腔体空间(8)的腐蚀和热隔离环(11)的预加工

采用湿法或干法腐蚀工艺加工硅衬底(5)正面，形成腔体空间(8)和热隔离环(11)，腐蚀不穿通，预留厚度和腐蚀厚度相等，各为硅衬底(5)厚度的一半，非腐蚀区采用掩膜进行保护，在完成腐蚀后去除掩膜层；

b.玻璃衬底(4)的制备

在玻璃衬底(4)上进行激光穿孔，其中部分孔作为电连接通孔(6)用于引线连接，部分孔作为增加热阻用的热隔离通孔(10)；之后将玻璃衬底(4)与另一片过渡衬底粘合，粘合面有预制的种子层，通过电镀工艺将玻璃衬底(4)中的电连接通孔(6)填满；最后在玻璃衬底(4)正面和反面分别进行射频线圈(2)和加热丝(9)的淀积；

c.第一次键合

将一片玻璃衬底(4)和硅衬底(5)进行阳极键合；

d.腔体空间(8)和热隔离环(11)的二次加工

在硅衬底(5)背面完成一次双面光刻，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺穿通腔体空间(8)和热隔离环(11)；

e.碱金属的注入

将上述玻璃衬底(4)和硅衬底(5)放入键合箱内，通过厌氧箱的转移仓将键合箱移入厌氧箱内；在厌氧箱内，采用移液管将碱金属(7)注入到第一次键合后的腔体空间(8)内，将第二片玻璃衬底(4)盖在腔体空间(8)上，连接好高压电极，闭合并锁紧键合箱，将键合箱通过厌氧箱的转移仓移出厌氧箱；

f.气氛的注入

在气氛注入前，做如下准备工作：将键合箱的真空接口、气体接口分别与相应的真空泵和气瓶相连，在关闭总阀的情况下将管道内的气体抽真空并进行置换，然后开启总阀进行键合箱内气体的抽真空和置换，最后进行一次抽真空，完成后关闭与真空泵连接的阀门；

在上述准备工作完成后，开启气瓶阀门进行气氛的注入，通过压力表的压力显示和温度传感器的温度显示进行气氛浓度的计算，当达到预定浓度时关闭气瓶阀门；

g.密封键合

密封键合箱，关闭压力表，接通键合箱的加热电源，当达到设定温度后，开启高压电源，观察键合电流直到小于10μA或者键合时间超过1小时后，关闭高压电源，关闭加热电源；自然冷却到室温，键合完成。

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