CN104555905B - 一种晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS器件制造领域，具体公开一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，包括步骤：S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得通孔形成各自独立的预成型腔；S2在部分预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下将第二键合玻璃与硅晶圆的另一侧外环键合，形成气密的预腔室；S4升温以使碱金属蒸汽反应物反应产生碱金属蒸汽；S5通过阳极键合使第二键合玻璃与硅晶圆的另一侧表面键合，形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及S6划片，未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。本发明的封装方法，完全兼容传统制造工艺，兼具单腔室的体积优势和双腔室蒸汽纯度高的优势。

Description

一种晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法

技术领域

本发明涉及晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法，属于MEMS器件制造与原子物理器件领域。

背景技术

近年来，随着数字通讯技术的飞速发展，原子核磁共振陀螺仪、原子标频(原子钟)等原子物理系统在定位、导航、授时领域的作用日益重要，并逐渐走入人们的日常生活。例如：微型原子钟为全球定位系统、天文观测系统、雷达系统、交通控制系统，以及精密仪器仪表的校准等领域提供准确的时间标准；原子核磁共振陀螺仪由于其无机械旋转部件、测量精度高、对过载和震动不敏感等优势，目前已经成为惯性技术领域的新热点，并有望逐渐取代硅基MEMS陀螺仪成为未来微型陀螺仪的发展方向。

越来越多的领域对小型化原子物理系统也都表现出较旺盛的需求，但早期的原子陀螺、原子钟由于体积大、功耗高，限制了其在更多领域的大批量工程应用。新型原子物理系统研发提出了新的技术要求，包括：通过微制造技术，将所有必须组件封装成为一个小型化、低功耗、具有芯片级尺寸的高精度测量组合。

原子蒸汽泡是原子陀螺仪、原子钟物理系统的主要核心部件，其性能及物理尺寸直接影响到整个物理系统的小型化、低功耗，以及片上系统的实现。由于碱金属熔点低、易气化，而微纳制造技术大多需要100℃以上的温度，这给原子蒸汽小型化封装带来了极大的挑战。受限于原子蒸汽注入及缓冲气体注入密封方法限制，制作芯片级蒸汽泡成为整个物理系统组件实现小型化的主要瓶颈。

目前涉及微型原子蒸汽腔制造的主要方法有玻璃起泡法、MEMS(MicroElectromechanicalSystem，微电子机械系统)方法、MEMS与玻璃气泡混合法、空心光纤嵌套法。国内外也有不少关于微型原子蒸汽腔制造方面的专利文件，例如：东南大学的“MEMS微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法”(102491259A)；清华大学的“一种MEMS原子蒸汽腔室的制备方法及原子蒸汽腔室”(102259825A)；中科院上海微系统所的“基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装及方法”(102205941A)；美国NIST的“MICROMACHALKALI-ATOMVAPORCELLANDMETHODOFFIBRICATION”(US007118A1)等等。

玻璃气泡法和光纤嵌套法由于不能形成较理想的光学面，使得腔的性能受到影响，并且该方法难以实现大规模量产。现有的其他利用MEMS技术的方法多是采用叠氮化钡和氯化铷原位反应，加阳极键合技术。虽然腔室可以做的较微小，但该方法会在腔室内产生残留物，影响透光性且导致长期谱线漂移。

另一种报道的方法采用带附反应腔室结构，附反应腔室与主腔室通过微通道连接，键合后通过加热预先激活放入附腔室的反应物，碱金属通过微通道进入主腔室形成原子蒸汽腔。这种方法虽然保证了原子腔碱金属原子的纯度但浪费了较大的器件面积并导致消耗较高功耗。

因此，还需要一种改进的微型原子蒸汽腔的封装方法，以克服现有技术的以上缺陷。

发明内容

本发明至少解决现有微型原子蒸汽腔制造中腔室体积小型化与高纯度难以兼顾的缺陷，提供一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法。

本发明的技术方案包括一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，包括步骤：S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得所述通孔形成各自独立的预成型腔；S2在部分所述预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下，将第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧外环键合，所述第二键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形成气密的预腔室；S4升温，以使所述碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽；S5通过阳极键合，使所述第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧表面键合，所述通孔形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及S6将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。

一些实施例中，步骤S1的所述通孔内侧壁上还可以有化学性质稳定的高分子材料钝化层。所述高分子材料钝化层可以通过化学气相沉积或热蒸发技术蒸镀形成在所述通孔内侧壁上。并且可以为有机氟化物层，例如聚四氟乙烯层。

一些实施例中，所述第一键合玻璃和所述第二键合玻璃各自独立地可以为选自Pyrex7740或Borofloat33的阳极键合专用玻璃。

一些实施例中，所述碱金属蒸汽反应物可以为叠氮化钡碱金属氯化物的混合物，例如叠氮化钡与氯化铷的混合物、叠氮化钡与氯化铯的混合物。

一些实施例中，步骤S3的气密胶键合的键合温度低于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。其中使用的气密胶的玻璃态温度大于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。例如所述气密胶可以选自聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯，或它们的任意组合。

一些实施例中，步骤S3中的所述缓冲气体可以选自N₂、Ar、He、Ne、NH₃或他们任意组合。

本发明的晶圆级芯片尺寸原子腔制造方法，完全兼容传统制造工艺。封装后可获得单腔室结构，无浪费体积，既具备单腔室的体积小型化优势也具备双腔室的蒸汽纯度高的优势，成本低，且可实现大规模生产。

附图说明

图1为根据本发明的晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法的流程图。

图2为用于形成根据本发明的封装方法中使用的带通孔硅晶圆的单晶硅片剖面示意图。

图3为图2的单晶硅片在形成通孔之后的硅晶圆剖面示意图。

图4为通孔内侧壁上带有高分子钝化层的硅晶圆剖面示意图。

图5为第一键合玻璃与硅晶圆阳极键合之后的剖面结构示意图。

图6为在图5形成的部分预成型腔内置入碱金属蒸汽反应物的剖面示意图。

图7为带有气密胶的第二键合玻璃的剖面结构示意图。

图8为胶键合第二键合玻璃之后的剖面结构示意图。

图9为阳极键合第二键合玻璃之后形成独立封闭原子蒸汽腔的剖面结构示意图。

附图标记：1光刻胶；2硅晶圆；3钝化层；4第一键合玻璃；5碱金属蒸汽反应物；6气密胶；7第二键合玻璃

具体实施方式

本发明的设计原理为：首先通过图形化胶键合工艺，预先形成带缓冲气体、整片密闭可保持一定压强的气密腔室；预留相对独立的部分腔室，并放入所需碱金属蒸汽反应物；胶键合后加温，使得预腔室内反应物发生原位化学反应，产生纯净的碱金属，并使碱金属蒸汽扩散至周围腔室；再通过阳极键合技术，形成相对独立密封的原子蒸汽腔。其中，预先未置入碱金属蒸汽反应物的腔室中为高纯度的碱金属蒸汽和缓冲气体；而反应残留物则留在放置反应物的腔室。

本发明的封装方法采用采用半导体微纳加工技术，与现有半导体工艺相兼容，可实现晶圆级芯片尺寸器件小型化，整个原子腔截面积可做到百um以下；实现了高纯度碱金属的单腔室封装；成本低且可实现大规模生产。

下面结合附图和具体实施例，进一步详述本发明。

本发明的的原子蒸汽腔封装使用两片双面抛光的键合玻璃和一片双面抛光的硅晶圆。键合玻璃可以选用阳极键合专用玻璃，例如Pyrex7740或Borofloat33，其厚度可以为200um-500um。单晶硅片的厚度可以为500um-2mm。硅晶圆带有圆形或方形等的通孔，通孔尺寸可以介于几mm至100um之间。通孔的形成可以采用本领域常规方法形成，例如使用光刻胶的刻蚀法，具体参考图2和图3。采用双面对准曝光技术在硅片上形成刻蚀掩膜，并然后采用湿法或干法刻蚀形成通孔。

优选地，本发明的硅晶圆通孔的内侧壁上可以有钝化层3，参见图4。钝化层由化学性质稳定的高分子材料构成，可以为有机氟化合物层，例如聚四氟乙烯。其作用于在于钝化侧壁的粗糙表面，以期通过缓解碱金属原子与腔壁间的非弹性碰撞，提高碱金属原子共振线对比度，降低整个系统的信号噪声。可以通过化学气象沉积或热蒸发技术在硅晶圆通孔内蒸镀一层高分子材料层，形成钝化层。钝化层的厚度例如可以为10nm-1um。

蒸镀后硅晶圆正、反两侧表面上的高分子材料可通过化学机械研磨去除。或者也可以在蒸镀前，在硅晶圆正反两侧表面上使用光刻胶做保护，并在蒸镀之后，采用剥离技术去除正反面聚四氟乙烯及光刻胶。在图4所示的情况中，形成通孔时所使用的刻蚀掩膜同时也可以用作该操作的剥离掩膜。

参考图1，示出本发明的晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法的总体流程。

首先在步骤S1，将一片阳极键合玻璃(在该实施例中为Borofloat33)与带有通孔的硅晶圆的一侧表面通过阳极键合工艺键合在一起，形成各自独立的预成型腔(参见图5)。

之后在步骤S2，在特定的部分预成型腔中，放入碱金属蒸汽反应物(参见图6)。该碱金属蒸汽反应物为原位化学反应物，能够在升温时原位化学反应，生成碱金属蒸汽，其可以为叠氮化钡与碱金属氯化物的混合物，例如叠氮化钡与氯化铷的混合物，或叠氮化钡与氯化铯的混合物。该步骤例如可以使用点胶机进行，碱金属蒸汽反应物的剂量可调，并且可以根据实际需要，由本领域技术人员调整剂量和配比。

用于放置碱金属蒸汽反应物的部分预成型腔的具体数量和位置分布，也可以由本领域技术人员根据需要确定。例如，为了便于后续步骤中碱金属蒸汽的均匀扩散，可以使放置反应物的预成型腔均匀分布在整个硅晶圆上。

接着在步骤S3，在缓冲气体存在下，将另一块键合玻璃(其也可以为Borofloat33)通过气密胶键合，与硅晶圆的另一侧表面外环键合。键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形成气密的预腔室(参见图8)。该气密的预腔室中，每个独立的预成型腔通过键合玻璃与硅晶圆表面之间的间隙连通。

可以首先在键合玻璃上涂覆气密胶并图形化，形成气密胶环。例如旋涂光敏BCB，并然后通过曝光显影工艺，使BCB胶图形化，形成密封圈结构(参见图7)。气密胶环的厚度可以介于1um至100um，例如2um-100um之间，宽度可以介于10um至10mm之间。

为了避免碱金属蒸汽化合物在该步骤发生反应，气密胶键合的键合温度应低于碱金属蒸汽反应物的反应温度。低温胶键合所使用的气密胶的玻璃态温度应大于碱金属蒸汽反应物的反应温度。例如可以使用聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等，或是它们的任意组合作为该步骤的气密胶。

然后，将带有预成型腔，并在部分预成型腔中放置有碱金属蒸汽反应物的硅晶圆，与带有气密胶环的键合玻璃对准，放置在键合机内。两种晶圆需用卡具保持一定空隙。在键合机内充入缓冲气体，当缓冲气体达到预定压强后将卡具抽离，进行低温气密键合，形成气密的预腔室。如图8中所示。

充入缓冲气体的目的在于抑制多普勒增宽，缓冲气体例如可以为N₂、Ar、He、Ne、NH₃或他们任意组合。缓冲气体的压强可由本领域技术人员通过计算求得。

随后在步骤S4，升温以使碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽。该步骤可采用在键合机内升温，使温度达到反应物的反应温度；亦可将硅晶圆取出键合机，并采用激光局部聚焦加热或加热丝等其它方法，使反应物充分反应。反应完成后，可以适当放置一段时间，以使碱金属蒸汽均匀扩散至各个小腔室。

在步骤S5，再次通过阳极键合，使第二片键合玻璃与键合到硅晶圆的另一侧表面上，从而每个通孔均形成各自独立封闭的原子蒸汽腔。亦即，使硅晶圆通孔连接处与第二片键合玻璃阳极键合，形成独立封闭的原子蒸汽室，如图9所示。所形成的碱金属原子蒸汽腔内充有碱金属原子蒸汽及缓冲气体。

最后在步骤S6，将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。采用划片工艺将原子蒸汽腔分隔出来，制成最终所需的芯片尺寸原子蒸汽腔。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得所述通孔形成各自独立的预成型腔；

S2在部分所述预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；

S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下，将第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧外环键合，所述第二键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形成气密的预腔室；

S4升温，以使所述碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽；

S5通过阳极键合，使所述第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧表面键合，所述通孔形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及

S6将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。

2.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，步骤S1的所述通孔内侧壁上还有化学性质稳定的高分子材料钝化层。

3.如权利要求2所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述高分子材料钝化层通过化学气相沉积或热蒸发技术蒸镀形成在所述通孔内侧壁上。

4.如权利要求2所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述高分子材料钝化层为有机氟化合物层。

5.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述第一键合玻璃和所述第二键合玻璃各自独立地为选自Pyrex7740或Borofloat33的阳极键合专用玻璃。

6.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述碱金属蒸汽反应物为叠氮化钡与碱金属氯化物的混合物。

7.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，步骤S3的气密胶键合的键合温度低于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。

8.如权利要求7所述的原子蒸汽腔封装方法，其中步骤S3中使用的气密胶的玻璃态温度大于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。

9.如权利要求8所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述气密胶选自聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯，或它们的任意组合。

10.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述缓冲气体选自：N₂、Ar、He、Ne、NH₃或他们任意组合。