CN110890282B - 用于制作碱金属蜡封包的模具、及制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制作碱金属蜡封包的模具、及制备和使用方法，所述模具包括硅基底；硅基底包括：位于硅基底边缘位置的半结构隔离体；以及硅基底中央部；硅基底中央部上表面内陷形成有若干蜡封包承载腔；相邻蜡封包承载腔之间形成承载腔隔离体；硅基底上表面形成有释放牺牲层，释放牺牲层的远离硅基底的上表面形成有石蜡层；石蜡层的远离释放牺牲层的一侧形成有用于承载碱金属的腔体；半结构隔离体上包括有腐蚀释放孔。本发明能够可靠、可控地实现均匀一致碱金属蜡封包阵列的批量化制作，完全兼容MEMS及微电子工艺，工艺流程简单易实施，可操作性强；并且蜡封包模具可重复使用，利于避免原材料浪费，可有效降低批量化制作的成本。

Description

用于制作碱金属蜡封包的模具、及制备和使用方法
技术领域
本发明涉及真空电子技术领域。更具体地，涉及一种用于制作碱金属蜡封包的模具、及制备和使用方法。
背景技术
时间的计量技术对人类社会的进步与发展有着重要的作用，随着科学研究的深入和科学技术的发展，对时间计量要求越来越高，制造的时间计量设备越来越先进，目前原子钟是最精确的时间计量设备。原子钟是一种以量子跃迁频率为基准提供标准频率信号的装置，其最基础的应用，是作为时间频率的标准。此外，原子钟还广泛应用于全球导航卫星系统(GNSS)，基础科学研究，通信，武器精确制导，精密仪器校准和天文地理测量等众多领域。
高性能、小型化、低功耗是原子钟技术发展的一个重要方向，一个典型代表是相干布居囚禁(CPT)原子钟。与传统的原子钟相比，CPT原子钟体积小、功耗低、成本低，能在保证性能的情况下降低使用成本，扩展了原子钟的应用领域。
近年来微细加工技术的发展，使得CPT原子钟微型化成为可能。2001年，美国国防部高级研宄计划局正式启动了芯片原子钟计划；2002年NIST把微机电系统(MEMS)技术用于CPT原子钟，并于2004年实现了MEMS-CPT原子钟的芯片物理系统；2011年，Symmetricom公司发布了世界上首款芯片原子钟产品。芯片原子钟体积小、功耗低，并具有较好的长期频率稳定度，是未来高稳定度晶振的理想替代品，可以满足在体积和功耗受限而对频率稳定度有较高要求条件下的应用。
研制原子钟芯片物理系统的关键环节，是研制可以获得高质量CPT信号的微型原子气室。微型原子气室尺寸既要足够小，以利于集成在芯片物理系统内部；又要保证封装足够的碱金属原子，才能与激光作用获得高质量的CPT信号；另外在微型原子气室中充入惰性气体，可以降低碰撞引起的碱金属原子消相干效应并压窄CPT信号线宽。
在微型原子气室中填入低熔点活泼碱金属，以及合适气压和组分的缓冲气体对微封装技术提出极大挑战。目前微型原子气室制作使用阳极键合技术，将微加工的硅空腔和Pyrex玻璃封装形成。由于阳极键合需要大约400℃高温，而碱金属熔点大多在20-40℃之间(Rb为39.3℃，Cs为28.4℃)，因而很难在完成键合封装前可靠地处置碱金属。一些避免该问题的技术途径相继提出但各有缺点：利用碱金属氯化物和氮化钡原位化学反应生成碱金属的方法，会在气室内残留杂质，引起气室吸收能量，导致器件频率漂移，降低原子钟精度；利用微通道连通双腔，成型后装入碱金属方法，材料耗量大、可控性差、需要蜡封，导致效率和产额低；一些常用聚合物薄膜包裹碱金属形成封包方法，需要的专用设备和微加工工艺不兼容，导致批量化困难，并且聚合物会降低原子钟系统的长期稳定性。
使用石蜡作为包覆层制作微型碱金属封包，并将其整体填入微型原子气室中，在完成键合后通过高功率激光将碱金属释放到腔室中，是近年来一种优选的方法，其优势在于：石蜡是一种很好的封装碱金属材料，基本不与有机溶剂以外的其它物质反应，迄今为止，并未有任何石蜡材料会对碱金属以及微气室有影响的文献报道；使用石蜡制作微型碱金属封包，由于可以兼容MEMS微加工工艺，利于实现器件微型化、集成化和批量化；并且，石蜡也是一种腔壁镀层材料，使用石蜡封包装填碱金属，实际应用时熔化石蜡会在微气室内壁形成一层均匀的石蜡保护层，有效减缓碱金属原子与腔壁碰撞，显著减小相干布居囚禁谱线的线宽。
在前期技术中，已有利用一些MEMS技术制作微型蜡封包的报道，例如公开号为US20070034809的美国发明专利，其使用硅基底承载石蜡层制作封包，结合图1a-图1i所示，图中各部件标号分别表示为：01-硅基底，02-释放层，03-释放孔，04-石蜡层，05-碱金属承载腔，06-碱金属。其制作流程如下：1)在硅基底01上制作一层二氧化硅作为释放层02；2)从背面刻蚀硅基底01直达释放层02，形成释放孔03；3)在释放层02上平摊一层石蜡层04；4)在石蜡层04上利用硅针压印制作碱金属承载腔05，从而形成碱金属蜡封包下半模具101；5)同样流程制作碱金属蜡封包上半模具102；6)在碱金属承载腔05中装填适量碱金属06；7)将碱金属蜡封包上半模具102覆盖碱金属蜡封包下半模具101，同时加温加压力使两层石蜡层04合成一体，完全包覆碱金属06形成碱金属蜡封包阵列组件103；8)透过释放孔03腐蚀释放层02，将碱金属蜡封包阵列组件103从碱金属蜡封包下半模具101和碱金属蜡封包上半模具102脱离开来；9)切割分离碱金属蜡封包阵列组件103得到碱金属蜡封包104。该专利公开的方法，使用准MEMS工艺实现了微型碱金属蜡封包晶圆级批量制作，为实现芯片级原子钟制作奠定了工艺基础。然而该专利公开的方法，缺乏精准、有效的控制手段，在石蜡承载腔深度控制，碱金属蜡封包切割分离定位，以及微型蜡封包厚度均匀性方面可控性差。此外先做释放层，后开释放孔的工艺流程，以及释放孔位置和蜡封包位置未做有效隔离，使得制作蜡封包的硅基模具无法重复使用，会造成部分原材料的浪费以及微加工批量制造成本的提高。
针对上述专利，后续一些技术在碱金属承载腔制作方面做了改进，使用微加工刻蚀技术，制作硅基材微孔模具，并配合硅针阵列制作石蜡承载腔，一定程度上增强了蜡封包制作的可控性。然而这些技术，并没有解决碱金属蜡封包的硅基模具的有效分离。直接物理揭离，会导致制作蜡封包成品率降低；而腐蚀硅基底分离，则是彻底溶解了蜡封包模具，无法重复使用。
因此无论从科学研究，或是实用化的角度，都迫切需要一种低成本、实用可靠的、可批量化制作碱金属微型蜡封包的模具及方法，用于晶圆级制作碱金属微气室，以实现芯片级原子钟等器件。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于制作碱金属蜡封包的模具。该模具可重复使用，利于避免原材料浪费，可降低批量化制作的成本。且该模具在碱金属蜡封包制作区域和腐蚀释放孔区域做了有效隔离，熔化后的石蜡不会流入堵塞腐蚀释放孔，不会影响腐蚀释放工艺过程，利于实现碱金属蜡封包制作模具的重复使用。
本发明的另一个目的在于提供一种上述模具的制备方法。
本发明的再一个目的在于提供一种上述模具的使用方法，以实现利用上述模具制作碱金属蜡封包，通过上述模具制作碱金属蜡封包的方法完全兼容MEMS及微电子工艺，工艺流程简单易实施，适于批量制造，可操作性强。
根据本发明的一个方面，为实现上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种用于制作碱金属蜡封包的模具，所述模具包括封装模具，所述封装模具包括构成封装模具主体结构的硅基底；
所述硅基底包括：
位于硅基底边缘位置的半结构隔离体；以及
位于由半结构隔离体围纳所限定区域内的硅基底上表面内陷形成的硅基底中央部；
硅基底中央部上表面内陷形成有若干蜡封包承载腔；
相邻蜡封包承载腔之间形成承载腔隔离体；
所述硅基底上表面形成有释放牺牲层，所述释放牺牲层的远离硅基底的上表面形成有石蜡层；
所述石蜡层的远离释放牺牲层的一侧形成有用于承载碱金属的腔体；
所述半结构隔离体上包括有腐蚀释放孔；所述腐蚀释放孔被配置为可供腐蚀液通过腐蚀溶解释放牺牲层。
此外，优选地方案是，所述腐蚀释放孔贯通硅基底的上下两侧表面，直达释放牺牲层。
此外，优选地方案是，所述释放牺牲层完全覆盖所述硅基底上表面。
此外，优选地方案是，所述石蜡层覆盖所述硅基底中央部上表面。
此外，优选地方案是，位于硅基底中央部边缘位置的蜡封包承载腔与半结构隔离体之间包括有承载腔隔离体。
此外，优选地方案是，所述模具还包括硅针模具，所述硅针模具包括有构成硅针模具主体结构的硅基体；
所述硅基体包括：
基体；以及
由基体一侧表面向外凸起形成的，且与蜡封包承载腔对应配置的硅针；
所述硅针被配置为可在石蜡层的远离释放牺牲层的一侧上形成用于承载碱金属的腔体。
此外，优选地方案是，所述模具包括两个结构相同的所述封装模具；两个封装模具扣合，形成在石蜡层的腔体共同形成封装碱金属的蜡封腔。
此外，优选地方案是，所述半结构隔离体上表面与承载腔隔离体上表面之间的高度差为100-200μm。
根据本发明的另一个方面，为实现上述第二个目的，本发明还提供一种如上所述模具的制备方法，具体地，
包括如下步骤：
S1、在硅基底上形成半结构隔离体，以及由半结构隔离体围纳所限定区域形成的硅基底中央部；
S2、在硅基底中央部上形成若干蜡封包承载腔，相邻蜡封包承载腔之间形成承载腔隔离体；
S3、在半结构隔离体位置形成腐蚀释放孔；
S4、在硅基底上表面形成释放牺牲层；
S5、在释放牺牲层的远离硅基底的上表面形成石蜡层，石蜡层的远离牺牲释放层的一侧包括有用于承载碱金属的腔体。
根据本发明的再一个方面，为实现上述第三个目的，本发明还提供一种利用如上所述模具制作碱金属蜡封包的方法，具体地，
包括如下步骤：
S100、将一个所述封装模具作为下层模具，该下层模具的蜡封包承载腔中装填适量碱金属；
S200、将另一个所述封装模具作为上层模具，上层模具与下层模具扣合，使得形成在石蜡层的腔体共同形成封装碱金属的蜡封腔。
S300、通过加热以使上层模具的石蜡层与下层模具的石蜡层结合一体，形成碱金属包覆；
S400、通过腐蚀释放孔利用腐蚀液腐蚀释放牺牲层，上层模具与下层模具脱离，通过切割，得到若干内部具有碱金属的碱金属蜡封包。
本发明的有益效果如下：
1、利用本发明提供的模具在制作微型碱金属蜡封包时，利用封装模具结构上的承载腔隔离体高度可控制硅针模具硅针的压入深度，使得蜡封包承载腔的外形与与其对应的硅针模具硅针制作敷形的石蜡封包，制作的石蜡封包膜层厚度可控，成型的碱金属蜡封包外形均匀一致。
2、利用本发明提供的模具在制作微型碱金属蜡封包阵列时，利用承载腔隔离体自动分隔了阵列中各蜡封包承载腔个体，该隔离可作为后续切割基准，利于实现蜡封包批量化制作的高度一致性。
3、在本发明提供的模具制作微型碱金属蜡封包阵列时，由于是先在封装模具的半结构隔离体上形成腐蚀释放孔，后制作释放牺牲层，在释放牺牲层经过腐蚀释放后，可很容易的再在释放的具有腐蚀释放孔的模具上重新制作释放牺牲层，容易准确地实施结构复现，实现蜡封包制作模具的重复使用。
4、本发明提供的模具结构中碱金属蜡封包制作区域和腐蚀释放孔区域做了有效隔离，腐蚀释放孔位于半结构隔离体上，腐蚀释放孔的顶端高于蜡封包承载腔顶面，进而熔化后的石蜡不会流入堵塞腐蚀释放孔，不会影响腐蚀释放工艺过程，利于实现碱金属蜡封包制作模具的重复使用。避免了现有技术中碱金属蜡封包制作区域和腐蚀释放孔区域未做隔离，因腐蚀释放后模具留存腐蚀释放孔阵列，腐蚀释放孔阵列无法有效遮蔽，出现熔化后的石蜡流入腐蚀释放孔，堵塞释放孔，造成腐蚀释放工艺失败的情况出现。
5、本发明提供的用于制作微型碱金属蜡封包的模具，适用于微型碱金属蜡封包的批量制造，实现了晶圆级微气室的碱金属填充。使用石蜡封包在微气室中装填碱金属，实际应用时熔化石蜡会在微气室内壁形成一层均匀的石蜡保护层，有效减缓碱金属原子与腔壁碰撞，显著减小相干布居囚禁谱线的线宽，可用于高可靠芯片级原子钟器件。
此外，利用本发明提供的模具制作微型碱金属蜡封包，完全兼容MEMS及微电子工艺，工艺流程简单易实施，适于批量制造，可操作性强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1a至图1i示出现有技术中制作微型蜡封包的工艺模具及流程。
图2a示出本发明所提供碱金属蜡封包模具中封装模具的结构示意图。
图2b示出图2a所示封装模具的结构俯视图。
图2c示出本发明所提供碱金属蜡封包模具中硅针模具的结构示意图。
图3a至图3g示出本发明所提供封装模具的制作流程图。
图3h至图3l示出利用本发明所提供封装模具制作微型碱金属蜡封包的制作流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的一个方面，本发明首先提供用于制作碱金属蜡封包的模具，结合附图2a至附图2c所示，具体地，所述模具包括封装模具，所述封装模具包括构成封装模具主体结构的硅基底10；
所述硅基底10包括：
位于硅基底10边缘位置的半结构隔离体11；以及
位于由半结构隔离体11围纳所限定区域内的硅基底上表面内陷形成的硅基底中央部18；
硅基底中央部18上表面内陷形成有若干蜡封包承载腔12；
相邻蜡封包承载腔12之间形成承载腔隔离体13；
所述硅基底上表面形成有释放牺牲层15，所述释放牺牲层15的远离硅基底的上表面形成有石蜡层16；
所述石蜡层16的远离释放牺牲层15的一侧形成有用于承载碱金属的腔体121；
所述半结构隔离体11上包括有腐蚀释放孔14；所述腐蚀释放孔14被配置为可供腐蚀液通过腐蚀溶解释放牺牲层15。
本实施例中，所述腐蚀释放孔14贯通硅基底10的上下两侧表面，直达释放牺牲层15，该具体实施方式仅是一种优选地实施方式，在其它实施方式中不限于此结构形式。
本发明中，硅基底起承载结构的作用，硅基底材料优选<100>晶向硅片，主要考虑其工艺成熟，以及其各向异性湿法腐蚀能够形成倾斜角度，蜡封包承载腔12包括斜向侧壁，具有倾斜角度侧壁的蜡封包承载腔12有利于蜡封包成型及释放脱离。优选地，位于硅基底中央部18边缘位置的蜡封包承载腔12与半结构隔离体11之间包括有承载腔隔离体13。便于碱金属蜡封包成型以及从制作封装模具中释放出来。所述半结构隔离体11上表面与承载腔隔离体13上表面之间的高度差为100-200μm。
半结构隔离体11的作用在于，其一是可方便利用硅针模具控制硅针压入蜡封包承载腔12的深度，从而控制蜡封包的石蜡膜层厚度；其二是限定由若干蜡封包承载腔12形成的阵列结构的位置区域；其三是可通过与半结构隔离体11制作腐蚀释放孔14，使得腐蚀释放孔14位于远离蜡封包承载腔12的位置，利于模具的重复使用。
蜡封包承载腔12用于承载石蜡层16并制作成型石蜡包覆腔即蜡封腔，通过装填碱金属完成蜡封包工艺。蜡封包承载腔12的深度和边长，决定了其容积以及大致的碱金属装填量。
承载腔隔离体13是和蜡封包承载腔12同时形成的，用于隔离各蜡封包承载腔12使若干蜡封包承载腔12阵列化，以实现晶圆级碱金属蜡封包制作，并同时用作碱金属蜡封包阵列的切割定位基准。
腐蚀释放孔14用作腐蚀液到达释放牺牲层15的通道，其位置处于半结构隔离体11部位，远离蜡封包承载腔12阵列。
释放牺牲层15作用是在蜡封包形成工艺中隔离石蜡层16和硅基底10，半结构隔离体11，蜡封包承载腔12，承载腔隔离体13和腐蚀释放孔14，并在碱金属蜡封包阵列完成后，通过自身被腐蚀液完全溶解，将碱金属蜡封包阵列从制作封装模具中释放出来。优选地，所述释放牺牲层完全覆盖所述硅基底上表面。释放牺牲层15的重复生长，以及其被透过腐蚀释放孔14的腐蚀液的重复腐蚀溶解的循环过程，是实现碱金属蜡封包制造模具重复使用的关键。
石蜡层16是碱金属17的有效包覆材料，利用所述的封装模具完成碱金属蜡封包制作，并进一步在微气室中充当内壁保护层。进而优选地，所述石蜡层覆盖所述硅基底中央部上表面。
在一个实施例中，结合图2c所述模具还包括硅针模具，所述硅针模具包括有构成硅针模具主体结构的硅基体；
所述硅基体包括：
基体20；以及
由基体20一侧表面向外凸起形成的，且与蜡封包承载腔12对应配置的硅针21；
所述硅针21被配置为可在石蜡层16的远离释放牺牲层15的一侧上形成用于承载碱金属的腔体121。硅针21形状和蜡封包承载腔12形状严格配套，并依靠半结构隔离体11的高度控制，使得石蜡层16在蜡封包承载腔12中形成厚度可控、均匀敷形膜层。在实际制作微型碱金属蜡封包的过程中，所述模具包括两个结构相同的所述封装模具；两个封装模具扣合，形成在石蜡层16的腔体121共同形成封装碱金属的蜡封腔。具体地制作过程通过下述的利用本发明所提供封装模具制作微型碱金属蜡封包的工艺过程进行详细说明。
结合图3a至图3g所示出的，根据本发明的另一个方面，本发明提供一种如上所述模具的制备方法，包括如下步骤：
S1、在硅基底10上形成半结构隔离体11，以及由半结构隔离体11围纳所限定区域形成的硅基底中央部18；
S2、在硅基底中央部18上形成若干蜡封包承载腔12，相邻蜡封包承载腔12之间形成承载腔隔离体13；
S3、在半结构隔离体11位置形成腐蚀释放孔14；
S4、在硅基底10上表面形成释放牺牲层15；
S5、在释放牺牲层15的远离硅基底的上表面形成石蜡层16，石蜡层16的远离牺牲释放层15的一侧包括有用于承载碱金属的腔体121。
具体地，首先，第一步1)对硅基底10进行光刻和刻蚀，在硅基底10上形成半结构隔离体11，以及由半结构隔离体11围纳所限定区域形成的硅基底中央部18；半结构隔离体11限定了由若干蜡封包承载腔12形成的阵列结构的位置区域，如图3a所示。
作为基底的硅需要一定的厚度，以保证蜡封包承载腔12的刻蚀深度要求(关系到蜡封包容积即碱金属装填量)以及整体结构强度的要求；同时为降低刻蚀腐蚀释放孔14通孔的工艺难度，基底厚度上限也受到限制。硅基底10厚度具体可根据实际应用要求，主要是蜡封包容积等参数进行调整，优选为500μm-2000μm。
本步所述的刻蚀工艺，优选地使用深反应离子刻蚀，该工艺技术成熟，可以形成基本陡直的刻蚀侧壁，利于后续工艺步骤。
半结构隔离体11高度，也即本步工艺刻蚀深度，决定了硅针模具在制作封装模具时，硅针21压入蜡封包承载腔12的深度，从而控制蜡封包的石蜡膜层厚度。刻蚀深度优选为100-200μm。由于后续要在半结构隔离体11位置刻蚀腐蚀释放孔14，隔离体宽度主要受释放孔直径制约，半结构隔离体11宽度优选为200-600μm。在一个具体实施例中，选择<100>晶向厚度1000μm硅基底10，进行光刻和深反应离子刻蚀，在中心3600μm×3600μm区域刻蚀深度200μm，用于制作蜡封包承载腔12阵列，周围剩余部分为宽度400μm，高度200μm的半结构隔离体11。
随后，下一步2)对封装模具进行光刻和湿法腐蚀，在半结构隔离体11限定位置区域形成承载腔隔离体13和由若干蜡封包承载腔12形成的阵列结构，如图3b所示。
半结构隔离体11限定位置区域面积-即硅基底中央部，主要受该区域阵列蜡封包承载腔12数量，单个蜡封包承载腔12的边长，以及承载腔隔离体13的宽度共同确定。
蜡封包承载腔12数量受两个因素制约，实用角度希望阵列中蜡封包承载腔12数量尽量多，以增加批次产额；工艺角度则希望减少数量，以降低技术难度，因为蜡封包释放是腐蚀液通过腐蚀释放孔14进入接触释放牺牲层15，并主要通过侧向全部腐蚀溶解释放牺牲层15完成的，整个腐蚀路径不宜过长。蜡封包承载腔12数量优选为3×3阵列，或4×4阵列，或5×5阵列。
蜡封包承载腔12的形状和体积取决于基底材料及工艺参数设计。硅基底材料优选<100>晶向硅片，主要考虑其工艺成熟，使用KOH系统或者EPW(乙二胺，邻苯二酚，水)系统腐蚀液，可以实现<100>晶向硅片的快速腐蚀，得到光滑的倾斜侧壁和平整光滑的底面。光滑的内面有利于蜡封包表面规则，倾斜侧壁形成大开口小底面承载腔，有利于蜡封包成型以及释放脱离。蜡封包承载腔12的容积和碱金属装填量，取决于不同应用的微气室要求，承载腔容积基本由开口端口面积和腔深度决定。优选地，承载腔开口端口为正方形，边长优选为600-2000μm，承载腔深度优选为200-800μm。
承载腔隔离体13的宽度，主要控制阵列中蜡封包承载腔12的集成密度和有效隔离，以及蜡封包阵列完成后切割分离。承载腔隔离体13宽度优选为200-400μm。在一个具体实施例中，在中心3600μm×3600μm区域进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，形成3×3蜡封包承载腔12阵列和相应的承载腔隔离体13，承载腔隔离体13顶部宽度400μm，承载腔顶端正方形开口边长800μm，深度400μm，相应承载腔底部正方形边长约为240μm。
随后，下一步3)对封装模具进行光刻和刻蚀，在半结构隔离体11位置形成腐蚀释放孔14，腐蚀释放孔14穿通整个硅基底10，如图3c所示。
腐蚀释放孔14作为腐蚀液到达释放牺牲层15的通道，孔径越大越容易实现腐蚀液通过，而其尺寸上限受整个晶圆蜡封包集成度要求和工艺难度的制约。深反应离子刻蚀是制作这种大深宽比孔径的成熟工艺，刻蚀深宽比可以达到1:5-1:10。从工艺可靠性角度，设定工艺参数为1:5左右，考虑硅基底厚度为500μm-2000μm，腐蚀释放孔14直径优选为100-400μm。腐蚀释放孔14间距也影响腐蚀速率，优选地，沿所述半结构隔离体11的周向方向，所述半结构隔离体11上包括有若干腐蚀释放孔14；优选地，若干腐蚀释放孔等间距设置，所述间距间距优选地为500-1000μm。在一个具体实施例中，在半结构隔离体11位置，进行光刻和深反应离子刻蚀，形成腐蚀释放孔14，腐蚀释放孔14穿通整个硅基底10，腐蚀释放孔14直径200μm，孔中心间距1000μm，也即每条半结构隔离体11上有5个腐蚀释放孔14，这样得到封装模具。
随后，下一步4)进行真空镀膜，形成释放牺牲层15；释放牺牲层15完全覆盖所述硅基底10上表面，即释放牺牲层15完全覆盖硅基底中央部18上表面，以及半结构隔离体上表面，如图3d所示。
释放牺牲层15作为石蜡层16和硅基底10的隔离层及释放层，其基本要求是完全有效隔离，防止石蜡层16和硅基底10的粘连；以及对硅基底10有很好的腐蚀选择性，防止在释放过程中腐蚀液损伤硅基底10。释放牺牲层15的材料优选自SiO2或Si3N4，可以选用不同真空镀膜技术。
使用化学气相沉积真空镀膜技术，制作的释放牺牲层15，自然完全覆盖硅基底10上表面。由于释放牺牲层15膜层很薄，不会堵塞腐蚀释放孔14，并且不会影响到后续的腐蚀释放过程。在其它实施方式中，还可利用化学气相沉积方法制作释放牺牲层，本发明对此不做限制。
使用电子束蒸发镀膜方法，由于真空蒸发镀膜材料直线传播，为达到释放牺牲层15完全覆盖硅基底10上表面结构的目的，在制作过程中将封装模具沿平面法线方向自转，并对封装模具进行掠角蒸发镀膜。自转优选速度30-60RPM，蒸发掠角优选角度15-30度。
完全隔离性和腐蚀释放工艺要求加大释放牺牲层15厚度，而加大真空镀膜厚度增加了工艺难度，综合考虑释放牺牲层15厚度优选为0.2-1μm(为方便观察，图3系列中释放牺牲层15的厚度经人为放大)。在一个具体的实施例中，封装模具沿平面法线方向以60RPM速度自转，同时以30度掠角电子束蒸发SiO2制作释放牺牲层15，完全覆盖封装模具的整个上表面，释放牺牲层15厚度0.4μm。
随后，下一步5)对硅基底20进行光刻和湿法腐蚀，形成硅针模具305，所述硅针模具305包括有构成硅针模具主体结构的硅基体；所述硅基体包括基体20，以及由基体20一侧表面向外凸起形成的，且与蜡封包承载腔12对应配置的硅针21；如图3e所示。
硅基体基体20同样优选<100>晶向硅片，使用KOH系统或者EPW(乙二胺，邻苯二酚，水)系统腐蚀液。硅针模具的硅针21形成阵列结构和封装模具的若干蜡封包承载腔12阵列结构一一位置严格对应，硅针21形状、尺寸主要取决于蜡封包承载腔12。硅针21高度优选为200-800μm，硅针顶部边长优选为100-800μm。
随后，下一步6)在承载腔隔离体13和蜡封包承载腔12阵列区域放置适量石蜡，加热熔化平铺后冷却，如图3f所示。
石蜡层16的材料优选地选用软化温度52℃、熔点温度62℃牌号的石蜡。
根据蜡封包承载腔12容积和承载腔隔离体13表面积，严格控制石蜡层16石蜡的用量，例如放置大约2.8mg石蜡，使得通过硅针21下压形成石蜡层过程中，石蜡层能够完全覆盖蜡封包承载腔12和承载腔隔离体13，同时又没有多余的石蜡超过半结构隔离体11位置溢出，堵塞腐蚀释放孔14。
随后，下一步7)加热熔化石蜡温度超过其熔点62℃以上，使其彻底融化，在石蜡软化点温度，用硅针模具下压封装模具，硅针21使蜡封包承载腔12中石蜡形成均匀敷形膜层，石蜡层厚度大约200μm，得到发明所提供碱金属蜡封包模具中封装模具，如图3g所示。
该过程中硅针模具下压，直至和封装模具最高处也即半结构隔离体11顶端面接触。硅针21形状和蜡封包承载腔12形状严格配套，并依靠半结构隔离体11的高度控制，使得石蜡层在蜡封包承载腔12中形成厚度可控、均匀敷形膜层。
结合图3h至图3l所示出的，根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种利用如上所述模具制作碱金属蜡封包的方法，包括如下步骤：
S100、将一个所述封装模具作为下层模具303，该下层模具303的蜡封包承载腔12中装填适量碱金属17；
S200、将另一个所述封装模具作为上层模具304，上层模具304与下层模具303扣合，使得形成在石蜡层16的腔体121共同形成封装碱金属17的蜡封腔19。
S300、通过加热以使上层模具304的石蜡层16与下层模具303的石蜡层16结合一体，形成碱金属包覆；
S400、通过腐蚀释放孔14利用腐蚀液腐蚀释放牺牲层15，上层模具304与下层模具303脱离，通过切割，得到若干内部具有碱金属的碱金属蜡封包。
在具体制作微型碱金属蜡封包的过程中，所述模具包括两个结构相同的所述封装模具，即将一个封装模具作为下层模具303，将另一个结构与作为下层模具303的封装模具结构相同的封装模具作为上层模具304；两个封装模具扣合，形成在石蜡层16的腔体121共同形成封装碱金属的蜡封腔19。
上层模具304与下层模具303形状相同、平面对称，保证了二者封装时候能够严格对准。
首先在作为下层模具的封装模具的蜡封包承载腔122中装填适量碱金属17，碱金属17位于石蜡层16的腔体121中，如图3i所示。碱金属17装填量根据应用而不同，一般在μl和亚μl量级，不能超过腔体121容积。碱金属17装填过程在水、氧值分别低于0.1mg/l和0.4mg/l的手套箱中进行，液态碱金属装填使用微量进样器，装填精度可控制在0.1μl。
随后，将作为上层模具304的封装模具对准覆盖在作为下层模具303的封装模具上压紧，上层模具304石蜡层16的腔体121与下层模具石蜡层16的腔体121共同形成封装碱金属的蜡封腔19，并加热石蜡熔化，使上下两层石蜡层结合一体，形成碱金属蜡封包阵列306，其中加热石蜡温度优选为其熔点62℃，保持一定时间，不使石蜡彻底融化，防止其包覆变形；同时在压力和温度共同作用下，又能使上下两层石蜡紧密有效结合。透过腐蚀释放孔14腐蚀释放牺牲层15，完全溶解后将碱金属蜡封包阵列306和作为封装模具主体的硅基底之间脱离，如图3j以及图3k所示。在一个实施例中，SiO2，Si3N4的腐蚀，采用HF系统腐蚀液，为加速腐蚀脱离效果，该过程可以采用适当超声波振动辅助，超声功率优选在100W左右。
随后，将完成的碱金属蜡封包阵列306进行分割，即可得到若干单独的内部具有碱金属的碱金属蜡封包，如图3l所示。
制作碱金属蜡封包完成后得到的封装模具的硅基底结构，可继续通过在硅基底上形成释放牺牲层以及石蜡层为继续制作碱金属蜡封包所重复使用。
因而，相对于现有碱金属蜡封包制作模具和技术，本发明公开的制作模具及利用其制造碱金属蜡封包的方法能够可靠、可控地实现均匀一致碱金属蜡封包阵列的批量化制作；该制造方法，完全兼容MEMS及微电子工艺，工艺流程简单易实施，可操作性强；并且该制造方法中，蜡封包模具可重复使用，利于避免原材料浪费，可有效降低批量化制作的成本。
本发明适用于微型碱金属蜡封包的批量制造，实现晶圆级微气室的碱金属填充。使用石蜡封包在微气室中装填碱金属，实际应用时熔化石蜡会在微气室内壁形成一层均匀的石蜡保护层，有效减缓碱金属原子与腔壁碰撞，显著减小相干布居囚禁谱线的线宽。因而本发明公开的用于微型碱金属蜡封包制作模具及其制造方法，可用于高可靠的芯片级原子钟器件。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于制作碱金属蜡封包的模具，其特征在于，所述模具包括封装模具，所述封装模具包括构成封装模具主体结构的硅基底；
所述硅基底包括：
位于硅基底边缘位置的半结构隔离体；以及
位于由半结构隔离体围纳所限定区域内的硅基底上表面内陷形成的硅基底中央部；
硅基底中央部上表面内陷形成有若干蜡封包承载腔；
相邻蜡封包承载腔之间形成承载腔隔离体；
所述硅基底上表面形成有释放牺牲层，所述释放牺牲层的远离硅基底的上表面形成有石蜡层；
所述石蜡层的远离释放牺牲层的一侧形成有用于承载碱金属的腔体；
所述半结构隔离体上包括有腐蚀释放孔；所述腐蚀释放孔被配置为可供腐蚀液通过腐蚀溶解释放牺牲层。
2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述腐蚀释放孔贯通硅基底的上下两侧表面，直达释放牺牲层。
3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述释放牺牲层完全覆盖所述硅基底上表面。
4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述石蜡层覆盖所述硅基底中央部上表面。
5.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，位于硅基底中央部边缘位置的蜡封包承载腔与半结构隔离体之间包括有承载腔隔离体。
6.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具还包括硅针模具，所述硅针模具包括有构成硅针模具主体结构的硅基体；
所述硅基体包括：
基体；以及
由基体一侧表面向外凸起形成的，且与蜡封包承载腔对应配置的硅针；
所述硅针被配置为可在石蜡层的远离释放牺牲层的一侧上形成用于承载碱金属的腔体。
7.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具包括两个结构相同的所述封装模具；两个封装模具扣合，形成在石蜡层的腔体共同形成封装碱金属的蜡封腔。
8.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述半结构隔离体上表面与承载腔隔离体上表面之间的高度差为100-200μm。
9.一种如上述权利要求1至8任一项权利要求所述模具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在硅基底上形成半结构隔离体，以及由半结构隔离体围纳所限定区域形成的硅基底中央部；
S2、在硅基底中央部上形成若干蜡封包承载腔，相邻蜡封包承载腔之间形成承载腔隔离体；
S3、在半结构隔离体位置形成腐蚀释放孔；
S4、在硅基底上表面形成释放牺牲层；
S5、在释放牺牲层的远离硅基底的上表面形成石蜡层，石蜡层的远离牺牲释放层的一侧包括有用于承载碱金属的腔体。
10.一种利用如上述权利要求1至8任一项权利要求所述模具制作碱金属蜡封包的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、将一个所述封装模具作为下层模具，该下层模具的蜡封包承载腔中装填适量碱金属；
S200、将另一个所述封装模具作为上层模具，上层模具与下层模具扣合，使得形成在石蜡层的腔体共同形成封装碱金属的蜡封腔；
S300、通过加热以使上层模具的石蜡层与下层模具的石蜡层结合一体，形成碱金属包覆；
S400、通过腐蚀释放孔利用腐蚀液腐蚀释放牺牲层，上层模具与下层模具脱离，通过切割，得到若干内部具有碱金属的碱金属蜡封包。
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