CN113371675A - 一种原子气室及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子气室的制作方法，该方法包括：在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层，第一通孔和第二通孔一一对应；在第一通孔或第二通孔中放置填充材料；将第一键合层和第二键合层进行键合。本发明还公开了利用上述制作方法制作的原子气室。本发明解决了原子气室的材料与碱金属之间的消耗反应和缓冲气体渗漏高，从而导致原子气室的使用寿命减少的问题。

Description

一种原子气室及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体微机电系统领域，尤其涉及一种原子气室及其制作方法。
背景技术
原子气室是众多量子传感器件中实现量子态调控和监测的敏感表头，它将原子蒸气存储在透光容器中，构成一个封闭体系，在此体系中，根据不同领域需求利用光、电、材料科学等技术手段对原子蒸气量子态进行精确调控与监测实现对物理量高精度测量。
传统以硅作为腔体，硼硅玻璃作为光学窗口的MEMS芯片原子气室内密封碱金属元素和缓冲气体，但是碱金属元素与腔壁通过物理扩散或者化学反应而被逐渐消耗，特别是随着使用温度提高这种消耗反应快速增加，根据我们前期实验结果研究发现在300摄氏度下烘烤一小时密封的碱金属基本被完全消耗。因此降低或避免原子气室内碱金属元素消耗成为高性能MEMS芯片原子气室制备控制关键。原子气室寿命变短的主要原因有：1、每个气室封入得碱金属量有限，量过少或消失则器件失效。2、碱金属元素会扩散进入硅体内部，或与硅和玻璃内部的游离态氧反应掉，这种消耗反应随温度升高加快。3、原子室内同时会封入一定压强的缓冲气体(如N2：Ar亦或Ne、He气)，压强必须维持恒定，但是缓冲气体，特别是惰性气体Ar、Ne、He等会渗透硅和玻璃，导致气压改变(内渗或外渗都可能)，导致芯片气室失效。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：
在本发明的一方面提供了一种原子气室的制作方法，所述制作方法包括：
在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层，所述第一通孔和所述第二通孔一一对应；
在所述第一通孔或所述第二通孔中放置填充材料；
将所述第一键合层和所述第二键合层进行键合。
优选地，所述第一键合层与所述第二键合层由铜制成。
优选地，在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层的步骤包括：
利用溅射工艺在所述第一蓝宝石基板上形成第一种子金属层，且利用溅射工艺在所述第二蓝宝石基板上形成第二种子金属层；
在所述第一种子金属层上形成具有镂空图案的第一牺牲层，且在所述第二种子金属层上形成具有镂空图案的第二牺牲层；所述第一牺牲层的镂空图案和所述第二牺牲层的镂空图案相同；
利用电镀工艺在所述第一牺牲层的镂空图案中形成第一金属层，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层的镂空图案中形成第二金属层；
将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层和部分的第二种子金属层；
将暴露的第一种子金属层和第二种子金属层去除。
优选地，所述第一金属层的厚度小于或等于所述第一牺牲层的厚度，所述第二金属层的厚度小于或等于所述第二牺牲层的厚度。
优选地，在将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层和所述第一牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理，且对所述第二金属层和所述第二牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述第一蓝宝石基板和所述第一键合层之间形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板和所述第二键合层之间形成第二粘附层；
其中，所述第一通孔贯穿所述第一粘附层，所述第二通孔贯穿所述第二粘附层。
优选地，在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层包括：
在所述第一蓝宝石基板上形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板上形成第二粘附层；
在所述第一粘附层上形成第一种子金属层，且在所述第二粘附层上形成第二种子金属层；
在所述第一种子金属层上形成具有镂空图案的第一牺牲层，且在所述第二种子金属层上形成具有镂空图案的第二牺牲层；所述第一牺牲层的镂空图案和所述第二牺牲层的镂空图案相同；
利用电镀工艺在所述第一牺牲层的镂空图案中形成第一金属层，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层的镂空图案中形成第二金属层；
将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层和部分的第二种子金属层；
将暴露的部分第一种子金属层以及所述部分第一种子金属层正下方的第一粘附层去除，且将暴露的部分第二种子金属层以及所述部分第二种子金属层正下方的第二粘附层去除。
优选地，所述第一金属层的厚度小于所述第一牺牲层的厚度，所述第二金属层的厚度小于所述第二牺牲层的厚度。
优选地，在将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层和所述第一牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理，且对所述第二金属层和所述第二牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理。
在本发明的另一方面提供了一种由上述的制作方法制作形成的原子气室。
与现有技术相比，本发明提供的原子气室的制作方法采用了在两个蓝宝石基板上分别形成铜制的键合层，且利用该铜制的键合层形成金属密封圈的方式，形成了原子气室的密封结构，以此避免了构成原子气室的材料与碱金属之间的化学反应，从而提高了原子气室的可靠性和稳定性，提高了原子气室的使用寿命。
附图说明
图1至图8为本发明实施例的原子气室的制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
为了解决现有技术的不足，本发明人经研究发现，氧化铝(Al2O3)薄膜能够阻挡碱金属的原子气体的扩散渗透。基于该事实，本发明提供了利用蓝宝石(主要成分为Al2O3)基板来形成原子气室的方法。以下结合具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供的原子气室的制作方法包括：
步骤1、在第一蓝宝石基板1a上形成具有第一通孔A的第一键合层1c，且在第二蓝宝石基板1b上形成具有第二通孔A'的第二键合层1d，所述第一通孔A和所述第二通孔A'一一对应，其中，所述第一通孔A和所述第二通孔A'至少形成有一对。需要说明的是，所述第一通孔A和所述第二通孔A'一一对应是指：所述第一通孔A在所述第二键合层1d上形成的投影区域与所述第二通孔A'重叠(如图7所示)，或者所述第二通孔A'在所述第一键合层1c上形成的投影区域与所述第一通孔A重叠。其中，所述第一通孔A的形状和所述第二通孔A'的形状相同，且彼此之间为中心对称。
步骤2、在所述第一通孔A或所述第二通孔A'中放置填充材料5(如图7所示)，所述填充材料5为碱金属原子气体，填充方法可采用现有的技术手段，因此不进行具体的描述。
步骤3、将所述第一键合层1c和所述第二键合层1d在真空度低于1×10-6mTorr、键合温度200℃～450℃的环境下，以键合压力3000N～25000N进行键合(如图8所示)，其中，为了防止键合层与碱金属的原子气体发生反应二消耗，所述第一键合层1c与所述第二键合层1d由铜制成。
具体地，结合图1至图6所示，在上述的步骤1中，形成所述第一键合层1c和所述第二键合层1d的步骤包括：
步骤1a、如图1所示，采用氧等离子体对所述第一蓝宝石基板1a和所述第二蓝宝石基板1b的表面进行处理2～5分钟，利用溅射工艺在所述第一蓝宝石基板1a上形成第一种子金属层2a，且利用溅射工艺在所述第二蓝宝石基板1b上形成第二种子金属层2b。
步骤1b、如图2所示，在所述第一种子金属层2a上形成具有镂空图案的第一牺牲层3a，且在所述第二种子金属层2b上形成具有镂空图案的第二牺牲层3b；所述第一牺牲层3a的镂空图案和所述第二牺牲层3b的镂空图案相同，其中，所述第一牺牲层3a和所述第二牺牲层3b为光刻胶，其厚度为10um～300um。
步骤1c、，如图3和4所示，利用电镀工艺在所述第一牺牲层3a的镂空图案中形成第一金属层4a，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层3b的镂空图案中形成第二金属层4b，其中，所述第一键合层1c或所述第二键合层1d具有多个所述第一通孔A或所述第二通孔A'的情形下，为了防止过度生长的两个相邻的所述第一金属层4a或两个相邻的所述第二金属层4b之间相互连接，导致键合之后所述第一通孔A和所述第二通孔A'之间无法连通，所述第一金属层4a的厚度应当小于所述第一牺牲层3a的厚度，所述第二金属层4b的厚度应当小于所述第二牺牲层3b的厚度。
步骤1d、如图5所示，将所述第一牺牲层3a和所述第二牺牲层3b剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层2a和部分的第二种子金属层2b。
步骤1e、如图6所示，将去除所述第一种子金属层2a的暴露部分，使所述第一蓝宝石基板1a部分暴露，其中，所述第一种子金属层2a和所述第一金属层4a的镂空部分共同形成了所述第一通孔A，剩余的所述第一种子金属层2a和所述第一金属层4a共同形成了所述第一键合层1c；同时，将去除所述第二种子金属层2b的暴露部分，使所述第二蓝宝石基板1b部分暴露，其中，所述第二种子金属层2b和所述第二金属层4b的镂空部分共同形成了所述第二通孔A'，剩余的所述第二种子金属层2b和所述第二金属层4b共同形成了所述第二键合层1d。
具体地，在将所述第一牺牲层3a和所述第二牺牲层3b剥离去除之前，为了使键合工序过程更加方便，对所述第一金属层4a和所述第一牺牲层3a的表面进行平坦化处理，由于电镀铜厚度均一性不足和表面粗糙度较大，不利于气密键合实施。采用平坦化处理可以极大改善厚度均一性，降低表面粗糙度至数纳米量级，从而改善微电铸铜厚度均一性和表面粗糙度，提高对准精度和键合气密性，且对所述第二金属层4b和所述第二牺牲层3b的表面也进行平坦化处理。所述平坦化处理可采用化学机械抛光(CMP：Chemical MechanicalPolishing)工艺。
本实施例提供的原子气室的制作方法采用了在两个蓝宝石基板上分别形成铜制的键合层，且利用该铜制的键合层形成金属密封圈的方式，形成了原子气室的密封结构，以此避免了构成原子气室的材料与碱金属之间的化学反应，从而提高了原子气室的可靠性和稳定性，提高了原子气室的使用寿命。
实施例2
本实施例基于实施例1，与实施例1不同的是，为了提高蓝宝石基板和键合层之间的牢固度，本实施例中，在所述第一蓝宝石基板1a和所述第一键合层1c之间还形成有第一粘附层(图中未示出)；在所述第二蓝宝石基板1b和所述第二键合层1d之间还形成有第二粘附层(图中未示出)。其中，所述第一通孔A贯穿所述第一粘附层，使部分所述第一蓝宝石基板1a暴露，所述第二通孔A'贯穿所述第二粘附层，使部分所述第二蓝宝石基板1b暴露。
具体地，本实施例的步骤1中，在第一蓝宝石基板1a上形成具有第一通孔A的第一键合层1c，且在第二蓝宝石基板1b上形成具有第二通孔A'的第二键合层1d的步骤包括：
步骤1a'、利用磁控溅射工艺在所述第一蓝宝石基板1a上形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板1b上形成第二粘附层。
步骤1b'、利用溅射工艺在所述第一粘附层上形成第一种子金属层2a，且在所述第二粘附层上形成第二种子金属层2b。
步骤1c'、在所述第一种子金属层2a上形成具有镂空图案的第一牺牲层3a，且在所述第二种子金属层2b上形成具有镂空图案的第二牺牲层3b；所述第一牺牲层3a的镂空图案和所述第二牺牲层3b的镂空图案相同，其中，所述第一牺牲层3a和所述第二牺牲层3b为光刻胶，其厚度为10um～300um。
步骤1d'、利用电镀工艺在所述第一牺牲层3a的镂空图案中形成第一金属层4a，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层3b的镂空图案中形成第二金属层4b，其中，所述第一键合层1c或所述第二键合层1d具有多个所述第一通孔A或所述第二通孔A'的情形下，为了防止过度生长的两个相邻的所述第一金属层4a或两个相邻的所述第二金属层4b之间相互连接，导致键合之后所述第一通孔A和所述第二通孔A'之间无法连通，所述第一金属层4a的厚度应当小于所述第一牺牲层3a的厚度，所述第二金属层4b的厚度应当小于所述第二牺牲层3b的厚度。
步骤1e'、将所述第一牺牲层3a和所述第二牺牲层3b剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层2a和部分的第二种子金属层2b。
步骤1f'、将暴露的部分第一种子金属层2a以及所述部分第一种子金属层2a正下方的第一粘附层去除，使所述第一蓝宝石基板1a部分暴露，其中，所述第一种子金属层2a、所述第一金属层4a和所述第一粘附层的镂空部分共同形成了所述第一通孔A，剩余的所述第一种子金属层2a和所述第一金属层4a共同形成了所述第一键合层1c；同时，将暴露的部分第二种子金属层2b以及所述部分第二种子金属层2b正下方的第二粘附层去除，使所述第二蓝宝石基板1b部分暴露，其中，所述第二种子金属层2b、所述第二金属层4b和所述第二粘附层的镂空部分共同形成了所述第二通孔A'，剩余的所述第二种子金属层2b和所述第二金属层4b共同形成了所述第二键合层1d。
实施例3
本实施例提供了一种原子气室，该原子气室是通过上述的实施例1或者实施例2提供的原子气室的制作方法来制备。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种原子气室的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在第一蓝宝石基板(1a)上形成具有第一通孔(A)的第一键合层(1c)，且在第二蓝宝石基板(1b)上形成具有第二通孔(A')的第二键合层(1d)，所述第一通孔(A)和所述第二通孔(A')一一对应；
在所述第一通孔(A)或所述第二通孔(A')中放置填充材料(5)；
将所述第一键合层(1c)和所述第二键合层(1d)进行键合。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一键合层(1c)与所述第二键合层(1d)由铜制成。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，在第一蓝宝石基板(1a)上形成具有第一通孔(A)的第一键合层(1c)，且在第二蓝宝石基板(1b)上形成具有第二通孔(A')的第二键合层(1d)的步骤包括：
利用溅射工艺在所述第一蓝宝石基板(1a)上形成第一种子金属层(2a)，且利用溅射工艺在所述第二蓝宝石基板(1b)上形成第二种子金属层(2b)；
在所述第一种子金属层(2a)上形成具有镂空图案的第一牺牲层(3a)，且在所述第二种子金属层(2b)上形成具有镂空图案的第二牺牲层(3b)；所述第一牺牲层(3a)的镂空图案和所述第二牺牲层(3b)的镂空图案相同；
利用电镀工艺在所述第一牺牲层(3a)的镂空图案中形成第一金属层(4a)，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层(3b)的镂空图案中形成第二金属层(4b)；
将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层(2a)和部分的第二种子金属层(2b)；
将暴露的第一种子金属层(2a)和第二种子金属层(2b)去除。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一金属层(4a)的厚度小于或等于所述第一牺牲层(3a)的厚度，所述第二金属层(4b)的厚度小于或等于所述第二牺牲层(3b)的厚度。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层(4a)和所述第一牺牲层(3a)的表面进行平坦化处理，且对所述第二金属层(4b)和所述第二牺牲层(3b)的表面进行平坦化处理。
6.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述第一蓝宝石基板(1a)和所述第一键合层(1c)之间形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板(1b)和所述第二键合层(1d)之间形成第二粘附层；
其中，所述第一通孔(A)贯穿所述第一粘附层，所述第二通孔(A')贯穿所述第二粘附层。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在第一蓝宝石基板(1a)上形成具有第一通孔(A)的第一键合层(1c)，且在第二蓝宝石基板(1b)上形成具有第二通孔(A')的第二键合层(1d)包括：
在所述第一蓝宝石基板(1a)上形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板(1b)上形成第二粘附层；
在所述第一粘附层上形成第一种子金属层(2a)，且在所述第二粘附层上形成第二种子金属层(2b)；
在所述第一种子金属层(2a)上形成具有镂空图案的第一牺牲层(3a)，且在所述第二种子金属层(2b)上形成具有镂空图案的第二牺牲层(3b)；所述第一牺牲层(3a)的镂空图案和所述第二牺牲层(3b)的镂空图案相同；
利用电镀工艺在所述第一牺牲层(3a)的镂空图案中形成第一金属层(4a)，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层(3b)的镂空图案中形成第二金属层(4b)；
将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层(2a)和部分的第二种子金属层(2b)；
将暴露的部分第一种子金属层(2a)以及所述部分第一种子金属层(2a)正下方的第一粘附层去除，且将暴露的部分第二种子金属层(2b)以及所述部分第二种子金属层(2b)正下方的第二粘附层去除。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述第一金属层(4a)的厚度小于所述第一牺牲层(3a)的厚度，所述第二金属层(4b)的厚度小于所述第二牺牲层(3b)的厚度。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层(4a)和所述第一牺牲层(3a)的表面进行化学机械抛光平坦化处理，且对所述第二金属层(4b)和所述第二牺牲层(3b)的表面进行化学机械抛光平坦化处理。
10.一种由权利要求1至9任一项所述的制作方法制作形成的原子气室。
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