CN102807188A

CN102807188A - 负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法

Info

Publication number: CN102807188A
Application number: CN2011104578553A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 王亭亭; 魏文龙; 蒯文林; 秦顺金; 于慧
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明公开一种负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及其制备方法，刻蚀深槽形成硅模具；将硅模具与硼硅玻璃组装圆片在真空下进行阳极键合，形成密封腔体；加热至玻璃软化温度以上，并保温，冷却，将上述圆片退火消除应力；在上述成型好的玻璃微腔内放入原子钟所必须的物质，在氮气气氛和室温下与硅衬底进行预键合使玻璃微腔密封，然后保持压力再进行阳极键合，从而得到密封玻璃原子腔；腐蚀，去除硅模具，得到带有平直垂直侧面的微型原子腔；在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器，将各组件分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上；制备引脚，并分别与电源及处理电路相连接。该方法工艺简单、成本低廉。

Description

负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法

技术领域

本发明设计一种MEMS（微电子机械系统）制造技术，尤其涉及一种负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造钟，原子钟测量时间的精确度可以达到十亿分之一秒甚至更高。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。从原理上讲，原子钟的原理已经基本清楚，目前发展的主要方向有两个方面：一方面提高原子钟在精度方面的性能；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其微型化。目前，世界上最精准的原子钟在美国科罗拉多，其体积有一辆小汽车那么大。GPS和通信卫星等对于原子钟有迫切的需求，因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前的主要技术挑战。

现有部分芯片级原子钟设计，采用中间为通孔硅片两边为玻璃的三明治结构作为原子钟腔，然后在其上下设有原子钟的其它部件。这种方法的缺点在于，原子钟腔在光入射方向上长度为硅片厚度，不可控，也就不能让原子钟腔在光入射方向上相对加长，以使原子钟腔内的铷原子在入射光下充分的反应。另一方面这种方案采用堆叠式结构，组装较为困难，增加了设计的复杂性。

还有一种设计时在单面腐蚀的硅槽内设有反光面，因此激光进入玻璃腔内被反射出来，从而检测原子的超精细跃迁。这种方法设计的问题在于组装较为复杂，同时对于反光面的设计要求较高，因此成本较高。

微型原子钟腔的制备目前已经成为原子钟技术发展的瓶颈，因为首先原子钟腔需要密封活性很高的铷原子，原子钟腔本身要有很好的抗铷性，而且铷原子不能泄露，对原子钟腔的气密性要求也很高；其次，微型原子钟腔要有入射光平面，光线可以透射，并且不发生光路的弯曲，最大化利用铷腔的空间，尽可能让所有的铷原子在光入射后参与反应。低成本的GPS领域的发展需求，也亟需一种高性能的微型原子钟腔及其制备方法。

发明内容

本发明主要提供一种体积小、低成本、性能好的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种负压成型微型原子腔的制备方法，包括以下步骤：

第一步，利用干法在硅圆片上刻蚀四方形深槽形成硅模具；

第二步，将上述刻有微槽的硅模具与Pyrex硼硅玻璃组装圆片在真空下进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为400-800V，使硼硅玻璃圆片与上述深槽形成密封腔体；

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至玻璃软化温度以上，并在该温度下保温10-30分钟，腔内外压力差使软化后的玻璃与深槽的壁面和底部接触，从而在玻璃的背面形成带有平直垂直侧面的玻璃微腔，将上述圆片退火消除应力，退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温；

第四步，在上述成型好的玻璃微腔内放入原子钟所必须的物质，在氮气气氛和室温下与硅衬底进行预键合使玻璃微腔密封：将两圆片叠放并施加压力使得两圆片紧密的贴合在一起；然后保持压力再进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为600-1000V，从而得到密封玻璃原子腔；

第五步，采用单面腐蚀，去除硅模具，得到带有平直垂直侧面的微型原子腔；

第六步，在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器；

第七步，将激光发生器，激光探测器，滤波器和四分之一波片分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上并与密闭玻璃原子腔的平直垂直侧面的中心位于同一条光轴上，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片和密闭玻璃原子腔后能够被激光探测器所探测到；

第八步，制备加热器、激光发生器和激光探测器的引脚，并分别与电源及处理电路相连接，得到微型原子钟芯片。

上述技术方案中，第一步所述的微槽刻蚀方法为深反应离子刻蚀技术。第五步所述的去除硅模具的腐蚀液为25%TMAH溶液，在90°C的温度水浴中加热，直至完全去除硅层。第四步所述的原子钟所必须的物质为铷或铯。第六步到第八步所述的微型原子钟芯片包括激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器和所述方法制备的微型原子腔，激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器均组装于硼硅玻璃组装圆片上，它们的中心与玻璃微腔的中心位于同一根光轴上，激光发生器位于密闭玻璃原子腔设有平直垂直侧面的一侧，在激光发生器与平直垂直侧面之间还依次设有滤波器和四分之一波片，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片，通过平直垂直侧面进入密闭玻璃原子腔，再从玻璃微腔的另一个平直垂直侧面出射后，被激光探测器探测到，玻璃微腔周围还设有加热器，上述加热器、激光发生器和激光探测器均设有与外界连接的引脚。

本发明获得如下效果：

1. 本发明通过在硅上采用干法刻蚀四方形深槽，负压热成形玻璃微腔以后，在微腔的侧壁形成了平直垂直侧面，激光入射以后，光路不发生改变，也不发生散射，因此能够充分与玻璃微腔内的原子发生作用，使其发生相干布囚禁现象，信号强度较大。

2. 本发明采用负压热成形方法制备微型玻璃原子腔，方法简单，还可以实现圆片级制造，因此具有低成本的特点。

3. 本发明在玻璃热成形后，通过预键合施加压力使得玻璃微腔密封，同时使得铷（熔点只有39℃）、铯等原子钟所必需的物质以及缓冲气体氮气密封在玻璃微腔中，在后续的阳极键合中不容易发生泄漏，被保持在密闭玻璃原子腔中，具有方法简单，成本低的特点。

4. 本发明中的Pyrex玻璃有很好的抗铷性，用来密封活性很高的铷原子，不会跟铷反应，作为微型原子钟腔具有很高的可靠性。

5. 本发明中的微型原子钟腔的大小是由硅圆片上的微槽大小决定的，因此采用深反应离子刻蚀技术刻蚀不同大小的微槽，即可控制微型原子钟微腔的大小，包括其长、宽、高，满足原子钟腔在光入射方向上需要相对加长以使铷原子充分反应的要求。

6. 本发明中的入射光平面是Pyrex玻璃软化后与深反应离子刻蚀的硅微槽的壁面接触成型得到的，不存在因表面张力的问题而引起的弧度，平行光入射时不会造成光路的会聚或发散，从而有效利用铷腔的空间。

7. 本发明中的硅槽与玻璃的阳极键合具有很高的强度、密闭性好的特点，高活性的铷原子和缓冲气体在原子钟腔中不易发生泄漏。在温度400°C，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到最好的密封效果。

8. 本发明中制备与硅的热膨胀系数相当的Pyrex玻璃作为玻璃基板，在后续应用中不容易使芯片与基板因热失配产生损坏。

9. 本发明中采用的退火工艺可以有效的消除玻璃承受高温与金属阵列结合过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温。在该条件下退火，能有效退去应力，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。

10. 本发明中采用浓度为25%的TMAH溶液去除用于玻璃成型的硅模具，这样可以有效地去除硅片而不腐蚀玻璃，选择硅片、玻璃比为1000:1，可尽量减少对于玻璃的腐蚀。

11. 本发明具有原子钟腔入射面没有弧度、腔体大小可控、密封性好的特点，可以广泛应用于微型原子钟腔的制备。

12. 本发明利用了在平面玻璃上成型的玻璃微腔高出玻璃平面的结构特点，将原子钟的所需的所有光学部件组装在玻璃平面上，从而使得激光发生器产生的激光能够在依次通过滤波器和四分之一波片，再通过玻璃微腔后进入激光探测器中，结构更为简单，体积更小，实现了圆片级制作。通过调整激光发生器的频率使其与原子腔内原子的超精细跃迁频率相匹配，并被激光探测器探测到，激光探测器将得到的信号反馈给激光发生器使其调整频率以接近超精细跃迁频率。

13. 本发明将所有部件组装在平面玻璃上，充分利用了玻璃微腔的结构优势，避免了现有技术中间需要进行多层堆叠组装而体积较大而且密封性不好的缺点（多层堆叠的原子腔往往是三明治结构，需要两次键合，因此密封性较差；反射激光型原子钟也采用多层组装的方法，其体积较大，而且由于反射面制作困难，探测的效果并不理想），适合圆片级制作。此外，在平面上组装上述组件，可以充分利用MEMS（微机电）光刻技术，使得光路更容易对准，提高检测精度。通过本发明，可以实现封装级微型原子钟芯片的制作。

附图说明

图1为用于玻璃成型的硅模具截面示意图

图2为玻璃组装圆片与硅衬底阳极键合后的截面示意图

图3为原子钟芯片的截面示意图

图4为原子钟芯片的俯视示意图

具体实施方式

实施例1

一种负压成型微型原子腔的制备方法，包括以下步骤：

第一步，利用深反应离子刻蚀技术在硅圆片上刻蚀四方形深槽形成硅模具；

第二步，将上述刻有深槽的硅模具与Pyrex硼硅玻璃组装圆片在真空下进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，例如可选取为300℃、400℃、500℃，电压为400-800V，例如可选取为400V、600V、800V，使硼硅玻璃圆片与上述深槽形成密封腔体；

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至玻璃软化温度以上，例如可选取为1270℃，并在该温度下保温10-30分钟，例如可选取为10min、20min、30min，腔内外压力差使软化后的玻璃与深槽的壁面和底部接触，从而在玻璃的背面形成带有平直垂直侧面的玻璃微腔，将上述圆片退火消除应力，退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温；

第四步，在上述成型好的玻璃微腔内放入原子钟所必须的物质铷或铯，在氮气气氛和室温下与硅衬底进行预键合使玻璃微腔密封：将两圆片叠放并施加压力使得两圆片紧密的贴合在一起；然后保持压力再进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，例如可选取为300℃、400℃、500℃，电压为600-1000V，例如可选取为600V、800V、1000V，从而得到密封玻璃原子腔；

第五步，采用单面腐蚀，腐蚀液为25%TMAH溶液，在90°C的温度水浴中加热，直至完全去除硅层，得到带有平直垂直侧面的微型原子腔。

实施例2

一种微型原子钟芯片包括激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器和所述方法制备的微型原子腔，激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器均组装于硼硅玻璃组装圆片上，它们的中心与玻璃微腔的中心位于同一根光轴上，激光发生器位于密闭玻璃原子腔设有平直垂直侧面的一侧，在激光发生器与平直垂直侧面之间还依次设有滤波器和四分之一波片，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片，通过平直垂直侧面进入密闭玻璃原子腔，再从玻璃微腔的另一个平直垂直侧面出射后，被激光探测器探测到，玻璃微腔周围还设有加热器，上述加热器、激光发生器和激光探测器均设有与外界连接的引脚。

实施例3

一种微型原子钟芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用负压成型方法制备带有平直垂直侧面的微型原子腔；

第二步，在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器；

第三步，将激光发生器，激光探测器，滤波器和四分之一波片分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上并与密闭玻璃原子腔的平直垂直侧面的中心位于同一条光轴上，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片和密闭玻璃原子腔后能够被激光探测器所探测到；

第四步，制备加热器、激光发生器和激光探测器的引脚，并分别与电源及处理电路相连接，得到微型原子钟芯片。

Claims

1.一种负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用干法在硅圆片上刻蚀四方形深槽（7）形成硅模具（8）；

第二步，将上述刻有深槽的硅模具（8）与Pyrex硼硅玻璃组装圆片（4）在真空下进行阳极键合形成密封腔体，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为400-800V；

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至玻璃软化温度以上，并在该温度下保温10-30分钟，腔内外压力差使软化后的玻璃与深槽（8）的壁面和底部接触，从而在玻璃的背面形成带有平直垂直侧面（311）的玻璃微腔（31），将上述圆片退火消除应力，退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温；

第四步，在上述成型好的玻璃微腔内放入原子钟所必须的物质，在氮气气氛和室温下与硅衬底（32）进行预键合：将两圆片叠放并施加压力使得两圆片紧密的贴合在一起从而使玻璃微腔（31）密封；然后保持压力再进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为600-1000V，从而得到密封玻璃原子腔（3），

第五步，采用单面腐蚀，去除硅模具（8），得到带有平直垂直侧面（311）的微型原子腔；

第六步，在所述玻璃微腔（31）周围的硼硅玻璃组装圆片（4）上制备加热器（33）；

第七步，将激光发生器（1），激光探测器（2），滤波器（5）和四分之一波片（6）分别组装到硼硅玻璃组装圆片（4）相应的位置上并与密闭玻璃原子腔（3）的平直垂直侧面（311）的中心位于同一条光轴上，激光发生器（1）发出的激光经过滤波器（5）、四分之一波片（6）和密闭玻璃原子腔（3）后能够被激光探测器（2）所探测到；

第八步，制备加热器（33）、激光发生器（1）和激光探测器（2）的引脚，并分别与电源及处理电路相连接，得到微型原子钟芯片。

2.根据权利要求1所述的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片的制备方法，其特征在于，第一步所述的微槽刻蚀方法为深反应离子刻蚀技术。

3.根据权利要求1所述的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片的制备方法，其特征在于，第五步所述的去除硅模具的腐蚀液为25%TMAH溶液，在90°C的温度水浴中加热，直至完全去除硅层。

4.根据权利要求1所述的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片的制备方法，其特征在于，第四步所述的原子钟所必须的物质为铷或铯。

5.根据权利要求1所述的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片的制备方法，其特征在于，微型原子钟芯片包括激光发生器（1）、滤波器（5）、四分之一波片（6）、激光探测器（2）和由权利要求1所述方法制备的微型原子腔（3），其特征在于，激光发生器（1）、滤波器（5）、四分之一波片（6）、激光探测器（2）均组装于硼硅玻璃组装圆片（4）上，它们的中心与玻璃微腔（31）的中心位于同一根光轴上，激光发生器（1）位于密闭玻璃原子腔（3）设有平直垂直侧面（311）的一侧，在激光发生器与平直垂直侧面（311）之间还依次设有滤波器（5）和四分之一波片（6），激光发生器（1）发出的激光经过滤波器（5）、四分之一波片（6），通过平直垂直侧面（311）进入密闭玻璃原子腔（3），再从玻璃微腔（31）的另一个平直垂直侧面出射后，被激光探测器（2）探测到，玻璃微腔（31）周围还设有加热器（33），上述加热器（33）、激光发生器（1）和激光探测器（2）均设有与外界连接的引脚。