CN103885325A

CN103885325A - 一种芯片级原子钟气室及其制备方法

Info

Publication number: CN103885325A
Application number: CN201410082524.XA
Authority: CN
Inventors: 张忠山; 乔东海; 汤亮; 韩胜男; 季磊; 栗新伟
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2014-03-08
Filing date: 2014-03-08
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-08
Also published as: CN103885325B

Abstract

本发明公开一种芯片级原子钟气室及其制备方法。具体为采用SOI硅片，在作为衬底的硅层上制备腔体，用以放置碱金属、充入惰性气体，并用玻璃封闭腔体，最后在作为器件层的硅层一侧设置支撑材料对器件进行保护，从而完成高稳定性的芯片级原子钟气室的制备；本发明只需通过一次关键的静电键合即可完成原子钟气室的制备，避免了因为静电键合的质量不好而导致气室稳定性差的问题；提高了产品成品率；本发明公开的气室结构简单合理，所以制得的气室体积小，使用简单，并且制备成本低，适于工业化生产。

Description

一种芯片级原子钟气室及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种芯片级原子钟气室及其制备方法，属于原子钟设备技术领域。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造时钟，根据报道，最新研制出的原子钟的精度达10的18次方。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。目前原子钟主要朝两个方面发展：一方面是提高原子钟的精度；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化，以适合GPS和通信卫星等对于原子钟的迫切需求。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，是目前原子钟遇到的主要技术挑战。

碱金属原子钟，比如铷、铯原子钟，体积小、重量轻、性能好，并且成本较低，是目前应用最广泛的一种原子钟。碱金属原子钟由物理封装部分和电路伺服部分构成，物理封装部分对碱金属原子钟的短期和长期稳定性起到决定性作用。物理部分的核心部件是气室，其一般为玻璃-硅片-玻璃的三明治结构，中间的硅片有部分被掏空而形成腔体，碱金属或者用于制备碱金属的原料置入腔体内，特殊调制的激光，通过四分之一波片变成圆偏振光，然后照射振腔，在蒸汽泡中发生CPT谐振，通过光电二极管探测光能量变化。构成气室的硅片与玻璃一般通过静电键合，为了增加产品的成品率，需要尽量减少静电键合的次数。要实现碱金属原子钟的微型化，关键是减小气室的体积；要实现原子钟的长期稳定性，关键是增加气室的稳定性。

中国专利申请CN102491259A 、CN102807188A都公开了一种 MEMS 微型原子腔；微型原子腔即气室，包括硅衬底和硼硅玻璃组装圆片，硼硅玻璃组装圆片上形成于其表面的玻璃微腔与硅衬底键合形成密闭玻璃原子腔，密闭玻璃原子腔中充有原子钟所必须的物质，在玻璃微腔侧面上设有光入射平面；但是该方法首先需要制备出所需的玻璃原子腔才能制备出气室，而且用此方案制作出来的气室体积较大。

中国专利申请CN102323738A公开了一种槽型原子气体腔，由设有槽的硅片和Pyrex玻璃片键合围成腔体结构构成；该腔体结构用于充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体；槽的横截面为倒梯形；该槽包括底面和与底面成夹角的侧壁；虽然该方法采用了一次关键性的静电键合，但是由其制备的气室在使用时光路曲折，增加了后续使用的复杂性，不利于原子钟的稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种芯片级原子钟气室及其制备方法，由此制备的气室不仅体积小，而且性能稳定；并且只需一次关键的静电键合步骤，简化了传统的气室制备工艺，提高了成品率。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种芯片级原子钟气室的制备方法，包括以下步骤：

（1）在清洗后的由衬底层、埋层以及器件层构成的SOI硅片的衬底层上制备作为腔体的凹槽；

（2）在手套箱中，氮气条件下，将碱金属或者用于制备碱金属的原料放入凹槽内；

（3）在键合设备中，惰性气体存在下，将SOI硅片的衬底层与玻璃进行静电键合；

（4）在SOI硅片的器件层一侧设置一透明的支撑层。

SOI硅片，即绝缘层上硅硅片，通过在体硅当中添加一层绝缘层（氧化硅等）实现器件有源层与衬底的全介质隔离，是一种具有硅-氧化硅-硅特殊结构的材料，功能上又可称为器件层-埋层-衬底层结构。本发明采用的SOI硅片，优选为衬底层的厚度为300～1000微米、埋层的厚度为0.1～4微米、器件层的厚度为2～10微米的SOI硅片，更符合气室体积要求和透光性的要求。

上述技术方案中，所述步骤（1）中，采用KOH湿法腐蚀或者DRIE干法刻蚀制备作为腔体的凹槽。

上述技术方案中，所述步骤（2）中，碱金属为铷或者铯；用于制备碱金属的原料为氯化铯和氮化钡或者氯化铷和氮化钡。当凹槽中放置用于制备碱金属的原料时，在将SOI硅片的衬底层与玻璃进行静电键合前，先对用于制备碱金属的原料进行加热，使其反应生成碱金属，加热温度为200～350度。受热时，氯化铯和氮化钡反应生成碱金属铯；氯化铷和氮化钡反应生成碱金属铷。

上述技术方案中，所述步骤（3）中，惰性气体可以是氮气、氩气，也可以是氮气、氩气的混合气体。氮气、氩气的体积比优选为1∶1～10。

上述技术方案中，所述步骤（3）中，通过一次静电键合将SOI硅片的衬底层与玻璃键合，从而完成气室的封闭。

上述技术方案中，所述步骤（4）中，支撑层材料为环氧树脂、有机玻璃或者玻璃。通过设置透明的支撑材料可以保护器件使用时不受损坏，并且不影响使用时的透光性。支撑材料可以通过粘接、旋涂、键合的方式与SOI硅片的器件层一侧相连。

本发明同时公开了一种芯片级原子钟气室，包括由衬底层、埋层以及器件层构成的SOI硅片，SOI硅片的衬底层上设有作为腔体的凹槽，凹槽内放有碱金属或者用于制备碱金属的原料并充入惰性气体；SOI硅片的衬底层与玻璃通过静电键合相连；SOI硅片的器件层一侧设有一透明的支撑层。

上述技术方案中，碱金属为铷或者铯；用于制备碱金属的原料为氯化铯和氮化钡或者氯化铷和氮化钡；惰性气体可以是氮气、氩气，也可以是氮气、氩气的混合气体，氮气、氩气的体积比优选为1∶1～10；支撑层材料为环氧树脂、有机玻璃或者玻璃。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首次采用SOI硅片，在作为衬底的硅层上制备腔体，用以放置碱金属、充入惰性气体，并用玻璃封闭腔体，最后在作为器件层的硅层一侧设置支撑材料对器件进行保护，从而完成高稳定性的芯片级原子钟气室的制备；

2、本发明只需通过一次关键的静电键合即可完成原子钟气室的制备，避免了因为静电键合的质量不好而导致气室稳定性差的问题；提高了产品成品率；

3、本发明公开的气室结构简单合理，所以制得的气室体积小，使用简单，并且制备成本低，适于工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中制备的芯片级原子钟气室的结构示意图；

其中，1、玻璃，2、SOI硅片的衬底层，3、SOI硅片的埋层，4、SOI硅片的器件层，5、SOI硅片，6、碱金属铷，7、支撑层。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：一种芯片级原子钟气室

附图1为本实施例提供的芯片级原子钟气室的结构示意图；参见附图1，芯片级原子钟气室包括玻璃1、SOI硅片5、碱金属铷6以及支撑层7，其为支撑层-SOI硅片-玻璃结构，SOI硅片5的衬底层2上具有作为腔体的凹槽，凹槽内放有碱金属铷6并充入惰性气体；SOI硅片的衬底层2与玻璃1通过静电键合相连；SOI硅片的器件层4一侧旋涂环氧树脂作为支撑层7。

具体制备方法如下：

（1）采用RCA标准清洗步骤清洗SOI硅片；在清洗后的硅片两面热氧化生长氧化层并在氧化层上通过LPCVD淀积氮化硅；根据所需腔体形状，在SOI硅片衬底层一面光刻刻蚀，刻蚀氮化硅和氧化硅，露出部分硅片，在利用单面KOH湿法腐蚀去除没有氮化硅和氧化硅保护的硅片，直至SOI硅片的埋层，从而制备出作为腔体的凹槽；

（2）在手套箱内，氮气气氛中，将碱金属铷放置在凹槽内；

（3）在键合设备中，氮气气氛中，通过静电键合方式对上述SOI硅片具有衬底的一侧进行硅-玻璃静电键合，至此腔体已经封闭完成；

（4）通过在上述SOI硅片器件层一侧旋涂环氧树脂进行保护，完成整个气室制作。

实施例2：一种芯片级原子钟气室的制备

（2）在手套箱内，氮气气氛中，将碱金属铯放置在凹槽内；

（3）在键合设备中，氩气气氛中，通过静电键合方式对上述SOI硅片具有衬底的一侧进行硅-玻璃静电键合，至此腔体已经封闭完成；

（4）通过在上述SOI硅片器件层一侧粘接玻璃进行保护，完成整个气室的制作。

实施例3：一种芯片级原子钟气室的制备

（2）在手套箱内，氮气气氛中，将氯化铯和氮化钡放置在凹槽内；

（3）在键合设备中，体积比1∶1.4的氩气/氮气混合气体中，通过静电键合方式对上述SOI硅片具有衬底的一侧进行硅-玻璃静电键合，至此腔体已经封闭完成；

（4）通过在上述SOI硅片器件层一侧粘接有机玻璃进行保护，完成整个气室制作。

Claims

1.一种芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）在键合设备中，惰性气体气氛中，将SOI硅片的衬底层与玻璃进行静电键合；

（4）在SOI硅片的器件层一侧设置一透明的支撑层。

2.根据权利要求1所述芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中， SOI硅片的衬底层的厚度为300～1000微米、埋层的厚度为0.1～4微米、器件层的厚度为2～10微米。

3.根据权利要求1所述芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，通过KOH湿法腐蚀或者DRIE干法刻蚀制备作为腔体的凹槽。

4.根据权利要求1所述芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述碱金属为铷或者铯；所述用于制备碱金属的原料为氯化铯和氮化钡或者氯化铷和氮化钡。

5.根据权利要求1所述芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，惰性气体是氮气、氩气中的一种或者氮气和氩气的混合气体。

6.根据权利要求1所述芯片级原子钟气室的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，支撑层材料为环氧树脂、有机玻璃或者玻璃。

7. 一种芯片级原子钟气室，其特征在于：包括由衬底层、埋层以及器件层构成的SOI硅片，SOI硅片的衬底层上设有作为腔体的凹槽，凹槽内放有碱金属或者用于制备碱金属的原料并充入惰性气体；所述SOI硅片的衬底层与玻璃通过静电键合相连；所述SOI硅片的器件层一侧设有一透明的支撑层。

8.根据权利要求7所述的芯片级原子钟气室，其特征在于：所述碱金属为铷或者铯；所述用于制备碱金属的原料为氯化铯和氮化钡或者氯化铷和氮化钡。

9.根据权利要求7所述的芯片级原子钟气室，其特征在于：所述惰性气体是氮气、氩气中的一种或者氮气和氩气的混合气体。

10.根据权利要求7所述的芯片级原子钟气室，其特征在于：所述支撑层材料为环氧树脂、有机玻璃或者玻璃。