CN102241389A - 一种碱金属单质封装方法 - Google Patents

Abstract

一种碱金属单质微封装方法，应用于碱金属原子蒸汽反应腔室技术领域，其特征在于含有制作蜡封成型模具，在底模上涂覆石蜡层，在石蜡层上用阳模或是激光加工出微盲孔阵列，用微量进样装置把液态碱金属单质注入到石蜡层上的微盲孔阵列中，在顶模的台阶层涂覆一层石蜡，把顶模与底模沿台阶槽对准并压合，将压合好的顶模和底模均匀加热使得顶模和底模结合处的石蜡层处于熔化或临界熔化状态，把扣合好的顶模与底模用氢氧化钾溶液腐蚀去硅，得到蜡包阵列，分离后得到包覆有微量碱金属单质的蜡包。所述碱金属是铷(Rb)或铯(Cs)。本发明具有避免了碱金属单质变质、减少原子蒸气腔室中杂质以及便于批量制作、工艺简单、易于与后级系统集成等优点。

Description

一种碱金属单质封装方法

技术领域

本发明为一种微量碱金属单质的微封装方法，微量碱金属单质可以用于制作碱金属反应腔室，这种反应腔室可以应用于使用MEMS技术的原子钟、原子陀螺、原子磁强计等器件，涉及到了授时、测量、通信、导航等领域。

背景技术

随着诸如原子频标、原子陀螺等器件小型化的需求不断加强，这些器件的最关键部分——物理部分的小型化就显得至关重要，而物理部分中最核心的部分就是碱金属原子反应腔室。腔室中充有碱金属单质，在有激光穿过时可以结合后级的电路部分产生精准的频率。很多研究机构都进行了反应腔室小型化的研究。

在原子频标、原子陀螺等原子器件中使用的碱金属为铷或铯，铷的熔点为38.89℃，铯的熔点为28.4℃，同时两种金属的单质在空气中很容易与空气中的氧和水反应，造成单质的变质，所以碱金属单质不能暴露在空气中。

在进行碱金属反应腔室的加工时，需要没有变质的碱金属单质以保证器件的准确性，所以，碱金属单质向反应腔室的引入就成为了一个关键问题。

美国国家标准技术研究院(NIST)的工作人员用MEMS方法加工出了尺寸为1mm³的反应腔室，其碱金属单质注入的方法采用了直接注入的方法，从腔室的开口一侧注入碱金属蒸汽和缓冲气体的混合气体，再将一片玻璃通过阳极键合法键合到腔体开口一面，完全封闭腔体。

另一种更常见的碱金属单质注入的方法是原位化学反应法，是一种通过将碱金属化合物放入腔室中并诱发其反应生成碱金属单质的方法。原位化学反应法主要是通过[化学反应1]得到碱金属单质，这种方法不使用碱金属单质，这样在转移的过程中不会产生碱金属变质反应的现象；但是在生成碱金属单质的同时，还会产生氮原子、钡原子等杂质，而当原子泡被加热时，钡原子会和缓冲气体氮气反应，进而影响缓冲气体的压强，从而造成了原子钟产生频移。

BaN6+CsCl→BaCl+3N2+Cs[化学反应1]

直接注入的方法实现起来较为困难，碱金属原子的直接注入需要实现精确的控制。原位反应法如前所述虽然较为方便，但是会造成器件的误差。

发明内容

本发明提出了一种通过石蜡包覆微量碱金属形成微小的碱金属蜡封包的方法。主要目的是通过将微量碱金属包覆起来，达到方便碱金属的转移和注入，减少原子蒸气反应腔室中杂质的目的。

本发明的特征在于依次包含以下步骤：

步骤(1)加工出基于硅基的蜡封成型模具，包括底模、顶模和阳模，其中：底模为基于硅基的双层台阶结构，以第一层台阶下层面为基加工有第二层台阶；顶模为基于硅基的双层台阶结构，与所述底模的尺寸一致；

阳模为基于硅基的具有矩形微针阵列的高低台阶结构，长度方向的图形分布与所述底模一致，尺寸与底模实现嵌套，通过与所述底模第二层台阶内侧面的尺寸差实现蜡层壁厚；

步骤(2)在所述底模上涂覆一层石蜡，充满台阶使得所述蜡层上表面与所述底模上表面平齐；

步骤(3)在所述石蜡层上对应所述底模深台阶处用所述阳模加工出与所述矩形微针阵列对应的微盲孔阵列，然后再脱去所述阳模；或是在所述蜡层上对应底模深台阶处用激光加工出微盲孔阵列。

步骤(4)使用微量进样装置把0.1微升至0.5微升的液态碱金属铷(Rb)或铯(Cs)的单质注入到所述石蜡层上的微盲孔阵列中；

步骤(5)在所述顶模的台阶槽中，涂覆一层石蜡，充满所述顶模的台阶槽；

步骤(6)把所述顶模与底模中具有石蜡层的两个面对准并压合；

步骤(7)对所述顶模进行均匀加热，使所述顶模中的石蜡与所述顶模、底模结合处的石蜡层处于熔化或临界熔化状态，并保持设定的时间；

步骤(8)把扣合好的所述底模和顶模置于氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到蜡包阵列；

步骤(9)对所述蜡包阵列的每个蜡包进行分离，得到包覆有微量碱金属单质的微蜡包。

将碱金属单质进行微量碱金属蜡封的方法具有以下几个优点。首先，通过将碱金属包覆起来，可以有效地避免碱金属单质在空气中容易变质的问题，可以方便地将碱金属单质注入腔室，减少了腔室中原子杂质的含量，其次，方便了微型原子钟、微型原子陀螺、原子磁强计等器件的大规模生产。同时采用了结合硅基的MEMS工艺进行碱金属微量蜡封的制作，这种方法具有批量制作、工艺简单、成本低廉、易于与后端物理部分集成的特点。

加工底模为双层台阶结构主要有以下几点优点，首先，双层台阶结构的浅层大台阶有助于熔融态的石蜡涂覆，防止石蜡的自由流动。其次，双层台阶结构的深层小台阶保证了蜡包的壁厚，同时也起到了蜡片切割时的定位作用。

将阳模设计为这种结构具有以下几点好处，首先，通过设计阳模阵列的尺寸和位置，可以很好地与底模结合，实现微盲孔与底模深层台阶处的位置对应。同时，结合高低不同的阳模，能够更好地实现脱模，使得阳模和底模对合后阳模台阶槽处与石蜡之间仍然有一定的空隙，减小了脱模时的阻力，防止了脱模时造成蜡层的变形或断裂。

附图说明

图1：碱金属微量蜡封的制作流程：准备具有硅基双层台阶结构的底模和顶模；

图2：碱金属微量蜡封的制作流程：将石蜡熔融后涂覆在底模和顶模的台阶中；

附图3：碱金属微量蜡封的制作流程：使用激光或阳模压塑成型的方法在底模石蜡层上形成微盲孔阵列；

图4：碱金属微量蜡封的制作流程：将微量碱金属单质注入到微盲孔阵列之中；

图5：碱金属微量蜡封的制作流程：将底模和顶模对准、键合，加热，使石蜡贴合；

图6：碱金属微量蜡封的制作流程：将扣合好的底模和顶模置于氢氧化钾溶液中进行腐蚀，腐蚀去除硅，得到蜡包阵列；

图7：碱金属微量蜡封的制作流程：对蜡包阵列进行分离，得到包覆有微量碱金属单质的微蜡包；

图8：硅基双层台阶结构底模加工工艺：清洗硅片；

图9：硅基双层台阶结构底模加工工艺：热氧化一层氧化硅；

图10：硅基双层台阶结构底模加工工艺：LPCVD沉积一层氮化硅，厚度1500埃；

图11：硅基双层台阶结构底模加工工艺：旋涂光刻胶；

图12：硅基双层台阶结构底模加工工艺：光刻，曝光，显影，转移大的台阶轮廓图案；

图13：硅基双层台阶结构底模加工工艺：RIE(深层离子反应刻蚀，下同)刻蚀氮化硅，BHF腐蚀氧化硅，至硅表面脱水；

图14：硅基双层台阶结构底模加工工艺：去除光刻胶；

图15：硅基双层台阶结构底模加工工艺：LPCVD一层氧化硅；

图16：硅基双层台阶结构底模加工工艺：LPCVD一层氮化硅；

图17：硅基双层台阶结构底模加工工艺：旋涂光刻胶；

图18：硅基双层台阶结构底模加工工艺：光刻，曝光，显影，转移小的深层台阶图案；

图19：硅基双层台阶结构底模加工工艺：干法刻蚀氮化硅、湿法腐蚀氧化至硅表面脱水；

图20：硅基双层台阶结构底模加工工艺：去胶；

图21：硅基双层台阶结构底模加工工艺：氢氧化钾腐蚀，形成小台阶；

图22：硅基双层台阶结构底模加工工艺：干法刻蚀正面最上层氮化硅，湿法腐蚀二氧化硅，露出下面一层氮化硅；

图23：硅基双层台阶结构底模加工工艺：以氮化硅为掩膜，湿法腐蚀出大台阶；

图24：硅基双层台阶结构底模加工工艺：去除氮化硅，氧化硅掩膜，形成双层台阶结构；

图25：硅基双层台阶结构底模加工工艺：去除底部的氮化硅与氧化硅，仅保留双层台阶的硅结构；

图26：硅基阳模加工工艺：清洗硅片；

图27：硅基阳模加工工艺：热氧化一层氧化硅；

图28：硅基阳模加工工艺：LPCVD沉积一层氮化硅；

图29：硅基阳模加工工艺：旋涂光刻胶；

图30：硅基阳模加工工艺：光刻，曝光，显影，转移整体下降部分的形状；

图31：硅基阳模加工工艺：RIE刻蚀氮化硅，BHF腐蚀氧化硅，至硅表面脱水；

图32：硅基阳模加工工艺：去除光刻胶；

图33：硅基阳模加工工艺：LPCVD一层二氧化硅；

图34：硅基阳模加工工艺：LPCVD一层氮化硅；

图35：硅基阳模加工工艺：旋涂光刻胶；

图36：硅基阳模加工工艺：光刻，曝光，显影，转移微针阵列的形状；

图37：硅基阳模加工工艺：干法刻蚀上表面氮化硅；

图38：硅基阳模加工工艺：干法刻蚀下表面氮化硅；

图39：硅基阳模加工工艺：湿法腐蚀氧化硅，再一次干法刻蚀上表面氮化硅、湿法腐蚀氧化硅至硅表面脱水；

图40：硅基阳模加工工艺：去胶；

图41：硅基阳模加工工艺：湿法刻蚀硅至一定深度，形成微针形状；

图42：硅基阳模加工工艺：干法刻蚀上表面最表层氮化硅；

图43：硅基阳模加工工艺：干法刻蚀下表面氮化硅；

图44：硅基阳模加工工艺：湿法腐蚀二氧化硅，露出下面一层氮化硅；

图45：硅基阳模加工工艺：湿法刻蚀硅，硅片边缘部分下降，使得微针阵列顶端与硅片边缘产生高度差；

图46：硅基阳模加工工艺：RIE、BHF去掉剩余的氮化硅和氧化硅，生成阳模；

图47：控温对准平台机械部分截面图；

图48：微量进样平台结构部分截面图；

附图标志说明：1，硅基底模；2，石蜡；3，碱金属(铷或铯)单质；4，硅基顶模；5，底模上第一层氧化硅；6，底模上第一层氮化硅；7，底模光刻胶；8，底模第二层氧化硅；9，底模第二层氮化硅；10，阳模硅基板；11，阳模第一层氧化硅；12，阳模第一层氮化硅；13，阳模光刻胶；14，阳模第二层氧化硅；15，阳模第二层氮化硅；16-18，温控对准平台控温加热部分；19，压合好的顶模和底模；20-21，温控对准平台定位加紧部分；22，微量进样平台上支撑部分；23，微量进样器；24，微量进样平台后挡板；25，加热板；26，微量进样平台下支撑部分；27，温度传感器，后级连接温控电路。

具体实施方式

本专利所阐述的碱金属单质微封装的方法的具体实现方法如下：

(1)选取n型<100>硅片，清洗硅片，加工基于硅基的蜡封成形模具(包括底模、顶模、阳模)，其中，底模为基于硅基的双层台阶结构，顶模为基于硅基的双层台阶结构，也可以为基于硅基的单层台阶结构，阳模为具有微针阵列的高低台阶结构；

(2)选取石蜡作为碱金属封装材料，其主要物理性质为：白色颗粒；熔点58℃～62℃；沸点：322℃；密度：0.880g/cm3～0.915g/cm3。将石蜡熔融，在底模上涂覆石蜡，使石蜡充满台阶槽；

(3)在石蜡层上对应底模深台阶的地方加工出微盲孔整列，使用的方法为阳模压孔脱模的方法。使用阳模压孔的方法是基于硅基的大规模加工方式，可以同时生成一个整硅片上全部设定的微盲孔。具体的方法是加工出硅基阳模。阳模和底模通过对准、贴合、脱模等步骤实现了在底模石蜡上的微盲孔阵列加工，其中，贴合一步主要是将石蜡加热至临界软化状态时，将对准的阳模微针阵列送入到石蜡中，脱模的关键仍然是在临界温度条件下，将阳模从上面拔出，使得脱模步骤在阻力较小的同时也能够保证石蜡空腔的形状和尺寸；在石蜡层上加工微盲孔阵列也可以使用二氧化碳激光器打孔的方式，使用二氧化碳激光器进行加工为单工序单孔加工，通过编辑激光头的轨迹，在石蜡上加工出预先设定的微盲孔阵列

(4)使用微量进样装置将微量(0.1-0.5微升)的液态碱金属单质滴入到石蜡层上的微槽中；在滴入的过程中，要使用微量进样平台保证微滴管中的碱金属单质处于熔融状态；

(5)通过与步骤(1)相同的方法在顶模上均匀涂覆一层石蜡，使石蜡充满台阶槽；

(6)将顶模与底模具有蜡层的两个面对准、压合；

(7)对顶模进行均匀加热，使得顶模中的蜡和两模结合处的蜡层处于熔化或临界熔化状态，保持一段时间，以使顶模和底模的蜡层接触部分融化、键合，通过冷却使得石蜡完全凝固。在此过程中，保证石蜡以及内部的碱金属隔绝氧气和水蒸气，防止碱金属单质变质。

(8)将底模和顶模夹牢后放入氢氧化钾中微热，腐蚀掉硅，得到蜡包阵列；

(9)沿蜡包阵列上的漕形形状对蜡包阵列进行分离，最终得到包覆有微量碱金属单质的微封装蜡包。蜡包的壁厚控制在200微米至300微米。

具有双层台阶结构的底模和顶模的加工工艺使用了基于硅基的双掩膜方法，具体工艺步骤如下：(1)清洗硅片；(2)热氧化一层氧化硅；(3)LPCVD一层氮化硅，厚度1500埃；(4)旋涂光刻胶；(5)光刻，曝光，显影，转移大的台阶轮廓图案；(6)RIE(深层离子反应刻蚀，下同)刻蚀氮化硅，BHF腐蚀氧化硅，至硅表面脱水；(7)去除光刻胶；(8)LPCVD一层氧化硅；(9)LPCVD一层氮化硅；(10)旋涂光刻胶；(11)光刻，曝光，显影，转移小的深层台阶图案；(12)干法刻蚀氮化硅、湿法腐蚀氧化至硅表面脱水；(13)去胶；(14)氢氧化钾腐蚀，形成小台阶；(15)干法刻蚀正面最上层氮化硅，湿法腐蚀二氧化硅，露出下面一层氮化硅；(16)以氮化硅为掩膜，湿法腐蚀出大台阶；(17)去除氮化硅，氧化硅掩膜，形成双层台阶结构；(18)去除底部的氮化硅与氧化硅，仅保留双层台阶的硅结构。

在蜡封的制作流程中，在完成了底模上石蜡涂覆的步骤之后，需要进行微盲孔阵列的加工。可以采用二氧化碳激光器进行加工或是通过阳模压塑成型的方法。

其中使用二氧化碳激光器进行加工为单工序单孔加工，通过编辑激光头的轨迹，在石蜡上加工出预先设定的微盲孔阵列。

使用阳模压孔的方法是基于硅基的大规模加工方式，可以同时生成一个整硅片上全部设定的微盲孔。具体的方法是加工出硅基阳模。阳模和底模通过对准、键合、脱模等步骤在底模石蜡层形成微盲孔阵列。

阳模的加工工艺采用了基于硅基的双掩膜方法，具体工艺步骤如下：(1)清洗硅片；(2)热氧化一层氧化硅；(3)LPCVD沉积一层氮化硅；(4)旋涂光刻胶；(5)光刻，曝光，显影，转移整体下降部分的形状；(6)RIE刻蚀氮化硅，BHF腐蚀氧化硅，至硅表面脱水；(7)去除光刻胶；(8)LPCVD一层二氧化硅；(9)LPCVD一层氮化硅；(10)旋涂光刻胶；(11)光刻，曝光，显影，转移微针阵列的形状；(12)干法刻蚀上表面氮化硅；(13)干法刻蚀下表面氮化硅；(14)湿法腐蚀氧化硅，再一次干法刻蚀上表面氮化硅、湿法腐蚀氧化硅至硅表面脱水；(15)去胶；(16)湿法刻蚀硅至一定深度，形成微针形状；(17)干法刻蚀上表面最表层氮化硅；(18)干法刻蚀下表面氮化硅；(19)湿法腐蚀二氧化硅，露出下面一层氮化硅；(20)湿法刻蚀硅，硅片边缘部分下降，使得微针阵列顶端与硅片边缘产生高度差；(21)RIE、BHF去掉剩余的氮化硅和氧化硅，生成阳模硅结构。

为了完成蜡封的工艺步骤，需要在完成硅基模具的基础上进一步设计键合平台。平台包括控温对准平台和微量进样平台，整合在一起后实现的功能主要有以下几点，(1)控温对准平台实现模具的对准和夹紧；(2)控温对准平台实现靠近顶模一侧进行加热的功能，同时使底模的温度低于石蜡的熔点；(3)控温对准平台实现顶模和底模的预紧；(4)微量进样平台实现微量进样器的温控功能；(5)整体平台能够实现样件相对微量进样器的多自由度高精度的移动或转动。

控温对准平台包括了定位夹紧部分和控温加热部分，其中，定位夹紧部分包括了位于底台20上的定位边和微量进给夹紧机构21，主要功能是通过晶向边实现硅基顶模和底模的对准；控温加热部分通过云母加热片17实现加热，云母加热片通过上板和16和下板18包裹支撑，通过温度传感器检测温度信号给控温电路，控制加热片温度，实现加热时的温度控制；控温加热部分位于和位于用于支撑、定位底模的定位加紧部分对底模-顶模扣合体19具实现了预紧压合。

微量进样平台的主要功能是结合现有的微量进样器23进行控温加热，保证微量进样器内的碱金属单质处于熔融状态。通过微量进样平台加热板25实现对微量进样器的加热，通过支撑台22实现对进样器的包覆，通过扣合板26实现加热板对支撑台的固定，通过限位板24实现进样器的限位，通过温度传感器27实现温度检测，结合控温台实现控温。

整体平台在控温对准平台和微量进样平台的基础上进一步整合而成，主要目的是实现控温对准平台和微量进样平台的X、Y、Z三轴相对移动以及X、Y、Z三轴相对转动，方便在手套箱中进行阵列微量注入操作。

Claims (1)

1.一种碱金属单质的封装方法，其特征在于，具有以下步骤：

步骤(1)加工出基于硅基的蜡封成型模具，包括底模、顶模和阳模，其中：

底模为基于硅基的双层台阶结构，以第一层台阶下层面为基加工有第二层台阶；

顶模为基于硅基的双层台阶结构，与所述底模的尺寸一致；

阳模为基于硅基的具有矩形微针阵列的高低台阶结构，长度方向的图形分布与所述底模一致，尺寸与底模实现嵌套，通过与所述底模第二层台阶内侧面的尺寸差实现蜡层壁厚；

步骤(2)在所述底模上涂覆一层石蜡，充满台阶使得所述蜡层上表面与所述底模上表面平齐；

步骤(3)在所述石蜡层上对应所述底模深台阶处用所述阳模加工出与所述矩形微针阵列对应的微盲孔阵列，然后再脱去所述阳模；或是在所述蜡层上对应底模深台阶处用激光加工出微盲孔阵列。

步骤(4)使用微量进样装置把0.1微升至0.5微升的液态碱金属铷(Rb)或铯(Cs)的单质注入到所述石蜡层上的微盲孔阵列中；

步骤(5)在所述顶模的台阶槽中，涂覆一层石蜡，充满所述顶模的台阶槽；

步骤(6)把所述顶模与底模中具有石蜡层的两个面对准并压合；

步骤(7)对所述顶模进行均匀加热，使所述顶模中的石蜡与所述顶模、底模结合处的石蜡层处于熔化或临界熔化状态，并保持设定的时间；

步骤(8)把扣合好的所述底模和顶模置于氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到蜡包阵列；

步骤(9)对所述蜡包阵列的每个蜡包进行分离，得到包覆有微量碱金属单质的微蜡包。

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