KR101824789B1 - 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법 - Google Patents

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Abstract

일종의 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 방법으로, 다음을 포함한다. (1) 실리콘 웨이퍼(101)에서 마이크로 홈(102), 흡수셀 그루브, 및 수용 그루브를 형성한다. (2) 알카리 금속 화합물(106)을 웨이퍼 중앙의 수용 캐비티(103) 내로 밀봉주입하고, 임시 유동 마이크로 통로, 흡수셀 캐비티과 알카리 금속 수용 캐비티(103)을 포함하는 웨이퍼 내 진공 환경을 형성한다. (3) 알카리 금속 화합물의 분해를 실현하여 필요한 양의 루비듐 또는 세슘 금속을 생성하고, 이를 기화하여 휘발시킨다. (4) 기체상태 알카리 금속를 흡수셀 캐비티(104)에서 응고시킨다. (5) 유리편으로 하여금 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하게 하고, 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로(108)를 제거하여 모든 흡수셀의 동시 밀봉을 실현한다. 이 방법은 알카리 금속이 쉽게 산화됨으로 인해 초래되는 충전 난이도가 크고 공법이 복잡한 등 난제를 해결할 수 있고, 흡수셀에 남아 있을 수 있는 반응 불순물(reaction impurities)을 제거하며, 알카리 금속의 웨이퍼에서 모든 흡수셀의 일차 충전을 실현할 수 있어 칩 레벨 원자시계의 대량 양산을 실현할 수 있다.

Description

칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법{METHOD FOR FILLING, ON WAFER, CHIP-LEVEL ATOMIC CLOCK ABSORPTION BUBBLES WITH HIGH-PURITY ALKALI METAL}
본 발명은 일종의 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 방법에 관한 것이다.
인류의 일상생활에서 과학연구, 내비게이션 및 측량 등 업무는 모두 시간을 떠날 수 없다. 시간 표시는 두 개의 양, 즉 역기점 및 시간 간격과 관련된다. 임의의 주기성 변화 규칙이 있는 자연현상은 모두 시간 측량에 이용할 수 있다. 3500년간 인류의 지속적인 진보와 더불어 시간을 계산하는 도구 역시 끊임없이 발전해 왔고 인류의 시간 표시에 대한 정밀도 요구 역시 점점 더 높아져 왔다. 인류의 크로노그래프는 지구 자전의 주기변화 규칙을 이용하여 코로나를 발명하여 시간의 변화를 확정하였고, 후에 와서 나타난 모래시계를 이용한 시간 표시, 수운의상대, 기계추시계, 석영시계, 원자시계, 나아가서 빛을 이용한 광종 등에 이르기까지 모두 주기변화 규칙이 있는 자연 현상으로 시간을 측량하였다.
원자시계는 제일 정확한 시간 표시 도구 중 하나로 제일 앞선 30년대 이론 제출로부터 실물이 나타나기까지, 점차적으로 국방, 과학연구 영역에서 점점 많이 이용되고 있다. 최근 몇 년간 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제작한 칩 레벨 마이크로 원자시계가 발전하기 시작하였는바 이는 접수자 시계 성능을 돌파, 각종 시간 표시 프리퀀시에 이용됨에 따라 사회에 혁명성적인 영향을 발생하게 될 전망이다.
원자시계는 원자 기저상태의 초정밀 에너지 레벨 사이의 전이 방사선 주파수를 통해 정확한 시간 표시를 실현할 수 있는 도구이다. CPT(Coherent Population Trapping) 현상에 기반한 마이크로 원자시계는 원자시계 마이크로화 발전의 필요한 추세로서 그중의 핵심 칩 알카리 금속 증기 캐비티의 마이크로화 제조는 원자시계를 제조하는 마이크로화에서 핵심적인 역할을 한다.
현재 마이크로 흡수셀 중의 알카리 금속 충전 공법 수단은 주로 두 가지로 나눈다: 한가지 방법은 알카리 금속(루비듐 또는 세슘)을 직접 흡수셀에 주입하는데 이와 같은 방법은 복잡한 대형 진공 공법 설비와 엄격한 진공 환경을 필요로 하는데 캐비티 내에 잔류한 미량의 산소는 알카리 금속을 산화시킴으로써 원자시계의 사용 수명을 저하시킬 수 있다. 두 번째 방법은 알카리 금속 화합물을 직접 흡수셀 캐비티에 주입하는 것으로 화학반응을 통해 상응한 알카리 금속을 발생하는데 이와 같은 방법은 주입 폼의 화합물 양을 엄격히 제한함과 동시에 반응 후 잔류한 불순물은 흡수셀에 남아 있어 원자시계의 성능에 영향을 준다. 그외 상기 2가지 방법의 공통된 단점은 매개 흡수셀을 차례로 충전해야 하는 것으로 대량화 생산이 힘들다는 점이다.
CN 103864007 A US 2007034809
본 발명은 일종의 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 방법으로, 그 목적은 종래 기술로 원자시계 흡수셀을 제작하는 과정에서 알카리 금속이 쉽게 산화됨으로 인해 초래되는 난제를 해결하기 위함이다. 본 발명은 웨이퍼 레벨 충전과 국부 반응의 방법을 통해 웨이퍼 위의 모든 흡수셀을 동시에 충전하는 것을 통해 원자시계의 양산 요구를 만족할 수 있는바 원가가 낮고 효율이 높은 등 장점이 있다.
본 발명의 기술 해결방안: 일종의 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 것으로서, 그 특징은 이 방법에는 아래의 공법 단계를 포함한다:
(1) MEMS ICP 식각기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼에서 마이크로 홈, 흡수셀 그루브와 수용 그루브를 형성한다.
(2) 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩 공정을 이용하여 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로, 흡수셀 캐비티과 수용 캐비티을 형성하고, 아울러 알카리 금속 화합물을 웨이퍼 중앙의 수용 캐비티 내에 밀봉 주입한다.
(3) 수용 캐비티의 온도를 단독으로 조절하는 것을 통해 알카리 금속 화합물 화학반응 강도를 통제하여 알카리 금속 화합물의 분해를 실현하고 필요한 양의 루비듐 또는 세슘 금속을 생성한 후 이를 기화하여 휘발시킨다.
(4) 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 통해 흡수셀 캐비티 국부 냉각을 이용하여 기체상태 알카리 금속을 흡수셀 캐비티 내에서 응고시킨다.
(5) 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩 공정을 2차로 이용하여 유리편을 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하여 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 제거하여 모든 흡수셀의 동시 밀봉을 실현한다.
본 발명은 웨이퍼 레벨 충전과 국부 반응의 방법을 통해 웨이퍼 위의 모든 흡수셀을 동시에 충전하는 것을 통해 원자시계의 양산 요구를 만족할 수 있는바 원가가 낮고 효율이 높은 등 장점이 있다.
본 발명의 장점은 공법이 간단하여 빠르고 저렴하게 원자시계 알카리 금속 흡수셀의 대규모 양산을 실현할 수 있다.
도 1a는 MEMS ICP식각기술을 이용하여 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)에서 마이크로 홈(102), 알카리 금속 수용 그루브(103) 및 흡수셀 그루브(104)를 형성하는 표시도이다.
도 1b는 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩공정을 이용하여 임시 유동 마이크로 통로(108), 흡수셀 그루브(104) 및 알카리 금속수용 그루브(103)를 형성하는 표시도이다.
도 1c는 알카리 금속 수용 캐비티(103)의 온도 조절을 통해 알카리 금속 화합물 분해로 발생하는 기체상태의 알카리 금속을 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 통해 흡수셀 캐비티 국부 냉각을 이용하여 기체상태의 알카리 금속을 흡수셀 캐비티 내에 응고시키는 표시도이다.
도 1d는 모든 알카리 금속 흡수셀 캐비티 밀봉 실현 표시도이다.
도 2는 단일 원자시계 알카리 금속 흡수셀 표시도이다.
칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 방법으로, 그 특징은 이 방법에는 아래의 공법 단계를 포함한다:
(1) MEMS ICP 식각기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼에서 마이크로 홈(micro groove), 흡수셀 그루브(absorption bubble cavity groove)와 수용 그루브(accommodation cavity groove)를 형성한다.
(2) 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩 공정을 이용하여 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로(temporary flowing micro channel), 흡수셀 캐비티(absorption bubble cavity), 및 수용 캐비티(accommodation cavity)을 형성하고, 또한 알카리 금속 화합물을 웨이퍼 중앙의 수용 캐비티 내에 밀봉 주입한다.
(3) 수용 캐비티의 온도를 단독으로 조절하는 것을 통해 알카리 금속 화합물 화학반응 강도를 통제하여 알카리 금속 화합물의 분해를 실현하고 필요한 양의 루비듐 또는 세슘 금속을 생성한 후 이를 기화하여 휘발시킨다.
(4) 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 통해 흡수셀 캐비티 국부 냉각을 이용하여 기체상태 알카리 금속을 흡수셀 캐비티 내에서 응고시킨다.
(5) 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩공정을 2차로 이용하여 유리편을 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하여 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 제거하여 모든 흡수셀의 동시 밀봉을 실현한다.
상술한 유리-실리콘-유리 3층 웨이퍼 레벨 양극을 이용한 본딩공정은 두개의 단계로 나누어 실시한다. 첫 단계에서 알카리 금속 증기의 임시 유동 마이크로 통로를 형성하고, 두 번째 단계에서 다시 본딩을 통해 알카리 금속 화합물의 밀봉을 실현한다.
수용 캐비티의 온도를 단독으로 조절하는 것을 통해 캐비티 내의 알카리 금속 화합물에 화학 반응을 발생시키고, 분해를 통해 고순도 알카리 금속을 생성한다. 분해 반응 강도는 알카리 금속 수용 캐비티 온도를 통해 제어할 수 있다.
상술한 알카리 금속 증기의 유동 통로는 알카리 금속 증기가 실리콘-유리 임시 유동 마이크로 통로를 통해 흡수셀로 확산되어 주입되고 국부 냉각 작용을 통해 흡수셀에 응고된다.
임시 유동 마이크로 통로가 있는 실리콘 칩을 통해 유리편과 다시 본딩을 실현한다. 본딩과정에서 압력 또는 전압 증가 방식으로 유리편을 정전기력의 작용하에서 만곡을 발생하게 하고, 사전 제작한 임시 유동 마이크로 통로를 제거하는 것을 통해 모든 알카리 금속 흡수셀 캐비티의 밀봉을 실현한다.
실시예
도 1a를 참조하면, 4인치 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)의 한쪽면 에서 깊이 1～2μm, 지름 80～90mm의 얇은 마이크로 홈(102, micro groove)를 파고, 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)의 중앙에 지름 20mm의 알카리 금속 화합물 수용 캐비티(103)를 판다. 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)에서의 얇은 마이크로 홈(102) 부분에는 2mm 평방의 다수의 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104)을 판다. 금속 화합물 수용 캐비티(103)와 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104)는 모두 구멍이 뚫린 구조로 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)을 통과한다.
도 1b를 참조하면, 실리콘-유리 웨이퍼 레벨 양극 본딩 방식을 적용하여 양면 폴리싱 실리콘 칩 (101)에 얇은 마이크로 홈(102)이 없는 한면과 A 유리편(105)를 함께 본딩한다. 계산한 일정량의 알카리 금속 화합물(106)을 알카리 금속 화합물 수용 캐비티(103)에 위치하고, 실리콘-유리웨이퍼 레벨 양극 본딩 방식으로 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)과 얇은 마이크로 홈(102)이 있는 한 면을 B 유리편(107)과 함께 가본딩을 한다. 얇은 마이크로 홈(102)과 B 유리편(107)에 의하여 알카리 금속 증기의 마이크로 유동 통로(108)와 작은 진공환경이 형성된다.
도 1c를 참조하면, 반응장치(106)를 통해 알카리 금속 화합물 수용 캐비티 (103)의 온도를 단독으로 조절하여 알카리 금속 화합물(106)을 분해하여 알카리 금속 증기(109)를 발생한다. 알카리 금속 증기(109)는 임시 유동 마이크로 통로(108)을 통해 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104)를 포함한 전체 캐비티로 확산된다. 국부 냉각 수단(110)은 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)에서 금속 화합물 수용 캐비티(103)이외의 부분 온도를 조절할 수 있고, 알카리 금속 증기(109)는 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104) 하부에서 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104) 내에서 고순도 고체상태 알카리 금속(111)으로 응고된다.
도 1d를 참조하면, 실리콘-유리 웨이퍼 레벨 양극 본딩 방식으로 양면 폴리싱 실리콘 칩(101)과 유리편(107)을 다시 본딩한다. 본딩 과정에서 압력(1800 mbar～2000 mbar) 또는 전압(-800V～-1000V)을 증가하는 등 방식을 통해 유리편(107)을 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하고, 상기 임시 유동 마이크로 통로(108)을 제거함으로써 모든 알카리 금속 흡수셀 캐비티(104)의 밀봉을 실현한다.
도 1a 내지 도 1d에서 웨이퍼 레벨 공법을 참고하여 제작한 원자시계 금속 흡수셀은 소잉 방식으로 단일 원자시계 알카리 금속 흡수셀로 절단한다. 도 2를 참조하면, 고순도 알카리 금속(201)은 실리콘 알카리 금속 흡수셀 캐비티(202)에 수용되고, 상부 유리(203) 및 하부 유리(204)를 통해 밀봉된다.
101: 양면 폴리싱 실리콘 칩 102: 얇은 마이크로 홈
103: 알카리 금속 화합물 수용 캐비티 104: 알카리 금속 흡수셀 캐비티
105: A 유리편 106: 알카리 금속 화합물
107: B 유리편 108: 임시 유동 마이크로 통로
109: 알카리 금속 증기 110: 국부 냉각 장치
111은 고순도 고체상태 알카리 금속 201: 고순도 알카리 금속
202는 실리콘 알카리 금속 흡수셀 캐비티 203: 상부 유리
204: 하부 유리

Claims (5)

  1. 칩에서 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법을 실현하는 방법으로서,
    (1) MEMS ICP 식각기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 한쪽 면에 마이크로 홈과 구멍이 뚫린 구조인 다수의 흡수셀 그루브와 수용 그루브를 형성하는 단계;
    (2) 상기 실리콘 웨이퍼의 상하로 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩 공정을 1차 실시하여 상기 마이크로 홈, 다수의 흡수셀 그루브, 및 수용 그루브는 각각 임시 유동 마이크로 통로, 다수의 흡수셀 캐비티과 수용 캐비티를 형성하되, 상기 웨이퍼 중앙의 수용 캐비티 내에 알카리 금속 화합물을 주입하여 밀봉하는 단계;
    (3) 상기 수용 캐비티의 온도를 단독으로 조절하는 것을 통해 상기 알카리 금속 화합물 화학반응 강도를 통제하여 알카리 금속 화합물의 분해를 실현하여 루비듐 또는 세슘 금속을 생성한 후 이를 기화하여 휘발시켜서 기체상태의 알카리 금속을 형성하는 단계;
    (4) 상기 임시 유동 마이크로 통로를 통해 이동한 기체상태의 알카리 금속증기를 다수의 흡수셀 캐비티 국부 냉각을 이용하여 기체상태 알카리 금속을 흡수셀 캐비티 내에서 응고시키는 단계; 및
    (5) 상기 3층 웨이퍼 레벨 양극 본딩공정을 2차로 실시하여 유리편을 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하여 상기 임시 유동 마이크로 통로를 제거하여 모든 다수의 흡수셀을 동시에 밀봉하는 단계를 포함하며,
    상기 3층 웨이퍼 레벨 양극을 이용하는 본딩공정은 유리-실리콘-유리로서 두 개의 단계를 통해 실시하는바,
    첫 번째 단계는 기체상태 알카리 금속 증기의 임시 유동 마이크로 통로를 실현하는 것이고,
    두 번째 단계는 다시 본딩을 통해 알카리 금속 화합물의 밀봉을 실현하되, 본딩 과정에서 압력 또는 전압을 증가하는 방식으로 유리편이 정전기력의 작용하에 만곡을 발생하고, 사전 제작된 상기 임시 유동 마이크로 통로를 제거하는 것을 통해 모든 알카리 금속 흡수셀 캐비티의 밀봉을 실현하는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용 캐비티의 온도를 단독으로 조절하는 것을 통하여 캐비티 내의 알카리 금속 화합물에 화학반응을 일으키고, 분해를 통해 고순도 알카리 금속을 생성하며, 분해 반응 강도는 알카리 금속 수용 캐비티 온도 제어를 통해 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기체상태 알카리 금속의 유동 통로는 기체상태 알카리 금속이 실리콘-유리 임시 유동 마이크로 통로를 통하여, 흡수셀에 확산되어 주입된 후 국부 냉각 작용으로 흡수셀에 응고되는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 원자시계 흡수셀의 고순도 알카리 금속 충전방법.
  5. 삭제
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