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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hermetisch dichten Kammer mit einem Hohlraum und zur anschließenden Beschichtung des Hohlraums mit einer Anti-Relaxationsbeschichtung unter Verwendung des Laser-Reseal-Verfahrens. Darüber hinaus beinhaltet die Erfindung ein Rechengerät, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen. Weiterhin wird eine Dampfzelle vorgeschlagen, die eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte beschichtete Kammer enthält. Zudem wird ein Zeitmessgerät vorgeschlagen, welches eine solche Dampfzelle aufweist.
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Stand der Technik
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Ultragenaue Zeit- bzw. Frequenzgeber sind ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen zur Übertragung von Daten. Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit und eine hohe Qualität der übertragenen Daten ist die Bereitstellung einer möglichst präzisen Zeitreferenz am jeweiligen Informationsempfänger. Um diese Präzision zu erreichen kommen häufig Chip-Scale-Atomuhren mit darin enthaltenen miniaturisierten Dampfzellen zur Anwendung. Dabei werden sogenannte atomare Uhrenübergänge, d.h. definierte Übergänge zwischen Energieniveaus in Alkali-Atomen genutzt, um die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators zu stabilisieren.
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Nach aktuellem Stand der Technik werden miniaturisierte Dampfzellen hergestellt, indem geätzte strukturierte Kammern mit einer Pufferschicht beschichtet werden. Diese Pufferschicht bzw. Beschichtung, die häufig aus Paraffin oder anderen organischen Materialien besteht, soll vermeiden, dass Alkali-Atome beim Auftreffen auf die Kammerwand ihre Spin-Kohärenz verlieren und damit die Besetzung der atomaren Energieniveaus mit Elektronen gestört wird. In der Folge wird die für den jeweiligen Dampfdruck benötigte Menge des verwendeten Alkalimetalls in die Kammern eingebracht und diese im Anschluss daran beispielsweise mittels eines Bondingverfahrens hermetisch verschlossen. Das in den Kammern miteingeschlossene Schutzgas, häufig Argon oder Stickstoff, dient während des späteren Einsatzes in der Dampfzelle gleichzeitig als Puffergas. Die Genauigkeit der Atomuhr hängt dabei in hohem Maße von der Stabilität und damit von der Dichtheit der hergestellten Dampfzellen ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer hermetisch dichten Kammer vorgeschlagen. Diese Kammer umfasst einen Hohlraum, dessen Wände bei diesem Verfahren mit einer Anti-Relaxationsbeschichtung beschichtet werden und in den ein Alkalimetall eingebracht wird. Im Rahmen dieses Herstellungsverfahrens kommt ein aus der
DE 10 2011 103 516 B4 an sich bekanntes Laser-Reseal-Verfahren zur Anwendung.
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In dem vorgeschlagenen Verfahren wird zur Herstellung der Kammer zunächst der Hohlraum in einem Substrat ausgebildet. Dieser Hohlraum wird dann mit einer Kappe mittels eines Bondingverfahrens verschlossen. In der Mikrosystemtechnik werden Bondingverfahren dazu genutzt um Kavitäten für mikroelektronischen Bauteilen herzustellen. Hierfür werden die Oberflächen zweier Materialien mittels Pressung bei hohen Temperaturen in Kontakt gebracht. Die entstehenden Wasserstoffbrücken und Van-der-Walls-Wechselwirkungen bilden die Grundlage für die mechanische Verbindung zwischen den Oberflächen. Im vorgeschlagenen Verfahren werden die Außenkanten des Hohlraums mittels des Bondingverfahrens mit der Kappe verbunden und die Kammer damit hermetisch versiegelt.
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In einem nächsten Schritt wird mithilfe eines Lasers zumindest eine Öffnung in der Kappe erzeugt. Über diese zumindest eine Öffnung wird unter einer kontrollierten Atmosphäre ein Alkalimetall eingebracht, wobei sich die erforderliche Menge nach dem später gewünschten Gasdruck in der Kammer richtet. Ebenfalls wird über die zumindest eine Öffnung ein Ausgangsmaterial für die Anti-Relaxationsbeschichtung eingebracht. Die Befüllung der Kammer im Anschluss an das Bondingverfahren stellt sich als besonders vorteilhaft gegenüber der im Vorhinein durchgeführten Befüllung der Kammer gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für eine Dampfzelle dar, da beim Bondingverfahren Temperaturen entstehen, welche zu einer Beschädigung oder sogar zur Zerstörung der im Vorhinein eingebrachten temperaturempfindlichen Beschichtung führen kann. Indem man die Kammer erst im Anschluss an das Bondingverfahren befüllt können auch Hochtemperatur-Bondingverfahren zum Einsatz kommen, die eine zuverlässige hermetische Versiegelung der Kammer ermöglichen. Im Anschluss an das Einbringen des Alkalimetalls und des Ausgangsmaterials der Anti-Relaxationsbeschichtung wird die Kammer mithilfe des Laser-Reseal-Verfahrens versiegelt. Bei diesem Verfahren kommt zum Verschließen der Kammer ein Laser zum Einsatz.
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Optional kann als Bondingverfahrens ein Laserschweißverfahren mit einem transparenten Material als Bindungspartner verwendet werden. Der Bindungspartner kann hierbei beispielsweise Glas sein. Im Rahmen des Laserschweißprozesses wird der Laser durch das transparente Material auf ein intransparentes Material eines zweiten Bindungspartners fokussiert. Der Laserstrahl schmilzt das intransparente Material auf, wobei sich die entstehende Schmelze mit dem transparenten Material des ersten Bindungspartners zu einer hermetisch dichten Schweißnaht verbindet. Durch das Laserschweißen wird das Material nur lokal erwärmt, wodurch die Temperatur in dem Hohlraum stabil bleibt und eine mögliche Beschädigung des temperaturempfindlichen Ausgangsmaterials der Anti-Relaxationsbeschichtung verhindert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die zumindest eine Öffnung in der Kappe durch den Einsatz des Laser-Reseal-Verfahrens aufgeschmolzen. Hierbei wird die Intensität des Lasers auf einen Wert eingestellt, der zwar hoch genug ist, um zumindest eine Öffnung in die Kappe zu schmelzen, jedoch nicht so hoch ist, um das Material zu verdampfen. Die Schmelzfronten verformen sich aufgrund der Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Materials und können sich bei geeigneter Geometrie der zu verschließenden zumindest einen Öffnung miteinander verbinden, so dass die zumindest eine Öffnung vom aufgeschmolzenen Material bedeckt ist. Nach Beendigung der Lasereinwirkung erstarrt das aufgeschmolzene Material und verschließt somit die zumindest eine Öffnung, wodurch der mit der Kappe verschlossene Hohlraum hermetisch abgedichtet wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zumindest eine Öffnung in der Kappe mittels eines Lasers erzeugt. Hierfür kann ein Laser mit optimiertem Energieeintrag verwendet werden, wobei es sich bei dem Laser um einen gepulsten Farbstofflaser handeln kann. Die Wellenlänge des Lasers wird im Hinblick auf die maximale Absorption des abzutragenden Materials ausgewählt. Die Pulsfrequenz und die Pulslängen werden so eingestellt, dass der Laser das Material der Kappe abträgt, um die zumindest eine Öffnung zu erzeugen. Mit einem gepulsten Laser, mit entsprechend kurzer Pulslängen, ist es möglich, dass der größte Teil des Energieeintrags zum Verdampfen des Materials verwendet wird, ohne die Umgebung der zumindest einen Öffnung unnötig stark zu erhitzen, wodurch Materialspannungen bzw. Materialermüdungen vermieden werden.
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Vorteilhafterweise kann für das Erzeugen der zumindest einen Öffnung mittels des Lasers und der Versiegelung der zumindest einen Öffnung mittels des Laser-Reseal-Verfahren derselbe Laser verwendet werden, dessen Parameter entsprechend angepasst werden. Hierdurch können die Fertigungsfixkosten verringert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die zumindest eine Öffnung in der Kappe geschaffen, bevor der Hohlraum ausgebildet wird oder bevor der Hohlraum mit der Kappe verschlossen wird. Folglich kann die Kappe mit der zumindest einen Öffnung im Vorhinein separat vom Hohlraum angefertigt werden. Die Fertigung der Kappe kann dabei unabhängig von der Atmosphäre durchgeführt werden. Zudem kann sich durch die damit verbundene Verringerung der Anzahl der Fertigungsschritte je Dampfzelle vorteilhaft auf die Fertigungsdauer einer Dampfzelle auswirken.
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Gemäß einem Aspekt wird zumindest eine Öffnung am Rand der Kappe erzeugt. Durch das Einfügen der zumindest einen Öffnung am Rand der Kappe werden die durch eine Materialunterbrechung auftretenden Oberflächenspannungen minimiert.
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Gemäß einem Aspekt wird die gewünschte Atmosphäre in der Kammer erzeugt, bevor die zumindest eine Öffnung versiegelt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass zum Zeitpunkt der Versiegelung die für den späteren Einsatz geeignete Atmosphäre der Kammer vorliegt.
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Bevorzugterweise wird die gewünschte Atmosphäre in der Umgebung um die Kammer herum eingestellt, wodurch sie sich über die zumindest eine Öffnung auch in der Kammer ausbreitet. Die gewünschte Atmosphäre wird über das Versiegeln der zumindest einen Öffnung hinweg aufrechterhalten. Hierdurch wird die prozessaufwendige Notwendigkeit umgangen bei der Fertigung jeder einzelnen Kammer die gewünschte Atmosphäre gesondert einstellen zu müssen und die Gefahr eines möglichen Entweichens dieser Atmosphäre aus der Kammer hinaus vor deren Versiegelung vermieden.
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Optional wird ein Alkalimetall in fester oder flüssiger Form mittels einer beispielsweise beheizten Mikropipette über die zumindest eine Öffnung in die Kammer eingebracht, um dort die gewünschte Atmosphäre zu erzeugen. Auf diese Weise ist das vorherige Erhitzen des Alkalimetalls um dieses zu verdampfen für die Befüllung der Kammer nicht erforderlich.
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Darüber hinaus wird die Verwendung eines elektronischen Rechengeräts vorgeschlagen. Dieses Rechengerät ist entsprechend eingerichtet, um jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen. Des Weiteren wird eine Dampfzelle vorgeschlagen, welche eine Kammer umfasst, die gemäß einem der vorstehend erläuterten Verfahren hergestellt wurde und deren Hohlraum beschichtet wurde. Zudem wird ein Zeitmessgerät vorgeschlagen, welches eine Dampfzelle umfasst. Die bereits erläuterten Vorteile in Form der einfacheren Produktion lassen sich ohne Weiteres auf die vorstehend genannten Gegenstände übertragen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Die 1a-i zeigen in einer schematischen Darstellung die Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Kammer.
- Die 2a-i zeigen in einer schematischen Darstellung die Schritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Kammer.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Fertigungsmaschine zur Herstellung einer Kammer unter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Fertigungsmaschine für die Herstellung der Kammer unter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Einsatz einer beheizbaren Mikropipette.
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Ausführungsbeispiele
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Die 1a-i zeigen in einer schematischen Darstellung die Schritte einer Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens zur Herstellung einer Kammer 5 unter Anwendung eines Laser-Reseal-Verfahrens. 1a zeigt ein Substrat 1, welches das Ausgangsmaterial der Kammer 5 bildet. Die Kammer 5 findet Verwendung in einer Dampfzelle eines Zeitmessgerätes (nicht abgebildet). Zunächst wird in 1b ein Hohlraum 2 in das Substrat 1 geätzt. In 1c wird auf den Hohlraum 2 eine Kappe 3 aufgelegt, wobei zwischen dem Substrat 1 und der Kappe 3 ein Bondingrahmen vorgesehen ist. Im Anschluss daran wird in 1d der Hohlraum 2 mit der Kappe 3 verschlossen und mittels eines Bondingverfahrens durch Anlegen eines Drucks und einer Temperatur eine hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Substrat 1 und der Kappe 3 hergestellt. In einer Ausführungform wird ein Hochtemperaturbondverfahren eingesetzt. In einer weiteren Ausführung wird ein Laserschweißverfahren mit einem transparenten Material als Bindungspartner verwendet. Der Bindungspartner ist hierbei beispielsweise Glas. Beim Laserschweißen wird ein Laser 6 durch das transparente Material auf ein intransparentes Material eines zweiten Bindungspartners fokussiert. Der Laser 6 schmilzt das intransparente Material auf, wobei sich die entstehende Schmelze mit dem transparenten Material des ersten Bindungspartners zu einer hermetisch dichten Schweißnaht verbindet. Im Anschluss werden in 1e durch die Verwendung des Lasers 6 mehrere Öffnungen 7 in der Kappe erzeugt. Durch die Öffnungen 7 wird werden in 1f über eine Beschichtung mit einem organischem Material 8, wie beispielsweise Paraffin, die inneren Wände des mittels der Kappe 3 verschlossenen Hohlraums 2 mit einer Anti-Relaxationsbeschichtung 9 beschichtet.
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In 1g wird das Erhitzen eines Alkalimetalls 11 mittels eines Tiegels mit Heizer 10 schematisch dargestellt, wobei das Alkalimetall 11 verdampft und der Dampf 12 über die Öffnungen 7 in den mit der Kappe 3 verschlossenen Hohlraum 2 gelangt. In 1h werden die Öffnungen 7 über ein Laser-Reseal-Verfahren mittels des vorher verwendeten Lasers 6 hermetisch verschlossen. Hierbei wird die Intensität des Lasers 6 auf einen Wert eingestellt, der zwar groß genug ist um die zumindest eine Öffnung 7 in die Kappe 3 aufzuschmelzen jedoch nicht ausreicht, um das Material verdampfen zu lassen. Die Schmelzfronten verformen sich aufgrund der Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Materials und können sich bei geeigneter Geometrie der zu verschließenden Öffnungen 7 miteinander verbinden, so dass die Öffnungen 7 von aufgeschmolzenen Material bedeckt sind. Nach Beendigung der Lasereinwirkung erstarrt das aufgeschmolzene Material und verschließt somit die Öffnungen 7, wodurch der mit der Kappe 3 verschlossene Hohlraum 2 hermetisch abgedichtet wird. Nach Beendigung der Lasereinwirkung erstarrt das aufgeschmolzene Material wieder wodurch ein Verschluss 13 gebildet wird und, der die Öffnungen 7 hermetisch verschließt und somit den mit der Kappe 3 verschlossenen Hohlraum 2 hermetisch abdichtet. 1i zeigt eine Möglichkeit die Hermetizität der versiegelten Laserlöcher 13 weiter zu erhöhen, indem eine weitere Beschichtung 14 auf die Kappe 3 aufgebracht wird.
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Die 2a-i zeigen in einer schematischen Darstellung die Schritte einer weiteren Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens zur Herstellung einer Kammer 5 unter Anwendung eines Laser-Reseal-Verfahrens. Die jeweiligen Schritte aus den 2a-f entsprechen den bereits beschriebenen Schritten aus den 1a-f. Abweichend zu 1g wird in 2g mittels einer beheizbaren Mikropipette 15 das Alkalimetall 11 in die Kammer 5 eingebracht. Die nachfolgenden Schritte aus den 2h und 2i entsprechen den bereits oben beschriebenen Schritten aus den 1h und 1i.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Fertigungsmaschine zur Herstellung einer Kammer 5 unter Verwendung des Laser-Reseal-Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Fertigungsmaschine verfügt über ein zentrales Rechengerät 16, welches zum einen mit einem Laser 6 und mit mehreren Heizern 10, 22 verbunden ist. Das Rechengerät 16 und der Laser 6 befinden sich außerhalb eines die Dampfzelle abschließenden luftdichten Raumes 20. Ein optischer Zugang 17, beispielsweise ein transparentes Fenster, ermöglicht ein Einwirken des Lasers auf die sich in dem luftdicht abgeschlossenen Raum 20 befindende Dampfzelle. Der Raum 20 verfügt über einen steuerbaren Gaseinlass 19 und einen steuerbaren Gasauslass 21, wobei auf der Seite des Gasauslasses 21 ein Vakuum vorgehalten wird. In dem luftdicht abgeschlossenen Raum 20 befindet sich ein Tiegel mit Heizer 10 und darauf liegend eine für die Einstellung eines gewünschten Gasdrucks erforderliche Menge eines Alkalimetalls 11. Des Weiteren befindet sich in der Kammer 5 ein Wafer-Chuck mit Heizer 22 auf dem eine Kammer 5 platziert ist. Durch das Erhitzen des Alkalimetalls 11 verdampft dieses, woraufhin sich in dem luftdicht abgeschlossenen Raum 20 eine gewünschte Gasatmosphäre aus dem Alkalimetalldampf und einem zugeleiteten Puffergas einstellt. Über die zumindest eine Öffnung 7 in der Kappe 3 der Kammer 5, stellt sich innerhalb dieser dieselbe Atmosphäre ein, die außerhalb der Kammer 5 herrscht. Im Anschluss daran werden den Öffnungen 7 in der Kappe 3 mittels des Lasers 6 verschlossen. Durch den Gasauslass 21 entweicht die in dem Raum 20 herrschende Atmosphäre aufgrund des Druckgefälles. Mithilfe einer nach dem Gasauslass 21 angeordneten Kühlfalle 23 wird das Alkalimetall 11 aus der Atmosphäre zurückgewonnen.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform der Fertigungsmaschine für die Herstellung einer Kammer 5 unter Verwendung des Laser-Reseal-Verfahrens und dem Einsatz einer beheizbaren Mikropipette 11. Die Fertigungsmaschine verfügt über ein zentrales Rechengerät 16, welches zum einen mit einem Laser 6 und mit mehreren Heizern 10, 22 verbunden ist. Das Rechengerät 16 und der Laser 6 befinden sich außerhalb eines die Dampfzelle luftdicht abschließenden Raumes 20. Ein optischer Zugang 17, beispielsweise ein transparentes Fenster, ermöglicht ein Einwirken des Lasers 6 auf die sich in dem luftdicht abgeschlossenen Raum 20 befindende Kammer 5. Der luftdicht abgeschlossene Raum 20 verfügt über einen steuerbaren Gaseinlass 19 und einen steuerbaren Gasauslass 21, wobei auf der Seite des Gasauslasses 21 ein Vakuum vorgehalten wird. Des Weiteren befindet sich in der Kammer 5 ein Wafer-Chuck mit Heizer 22 sich darauf befindenden Kammer 5. Über die Öffnungen 7 in der Kappe 3 der Kammer 5 wird mittels einer beheizbaren Mikropipette 15 ein flüssiges Alkalimetalls 11 in den Hohlraum 2 der Kammer 5 direkt eingebracht. Im Anschluss daran werden die Öffnungen 7 in der Kappe 3 mittels des Lasers 6 verschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103516 B4 [0004]
