在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，包括：1）在硅圓片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；2）將堿金屬化合物密封入圓片中央的放置腔內(nèi)，并形成包含流動臨時微通道、吸收泡腔和堿金屬放置腔的圓片內(nèi)真空環(huán)境；3）實現(xiàn)堿金屬化合物的分解，生成所需量的銣或銫金屬，并使之汽化揮發(fā)；4）將氣態(tài)堿金屬固化凝結(jié)在吸收泡腔體中；5）使玻璃片在靜電力的作用下，發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的流動臨時微通道，實現(xiàn)所有吸收泡的同時密封。優(yōu)點：解決了因堿金屬極易氧化導(dǎo)致的填充難度大和工藝復(fù)雜等難題，消除了可能殘留在吸收泡中的反應(yīng)雜質(zhì)，并實現(xiàn)了堿金屬的圓片上所有吸收泡一次性填充，可用于芯片級原子鐘氣泡批量化生產(chǎn)。
【專利說明】在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的日常生活、科研、導(dǎo)航及測繪等等工作都離不開時間。時間的計量涉及兩個量一歷元和時間間隔。任何具有周期性變化規(guī)律的自然現(xiàn)象都可以用來測量時間。3500年來，隨著人類的不斷進步，計時的工具也在不斷的發(fā)展，人類對于計時的精度要求也越來越高，人類的計時儀器從利用地球自傳的周期變化規(guī)律來發(fā)明日冕以確定時間的變化，到后來出現(xiàn)的沙漏計時、水運儀象臺、機械擺鐘、石英鐘、原子鐘以至光鐘等等，無不可以看出都是以具有周期變化規(guī)律的自然現(xiàn)象來測量時間的。
[0003]原子鐘作為現(xiàn)在最為精確的計時工具之一，從最先的上世紀(jì)30年代理論提出，到實物的出現(xiàn)，逐漸的在國防、科研領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。近年來，用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)制作的芯片級微型原子鐘己經(jīng)開始發(fā)展,這將突破接收者時鐘的性能，更加廣泛的應(yīng)用到各種計時頻標(biāo)中，將對社會產(chǎn)生革命性的影響。
[0004]原子鐘是通過原子基態(tài)的超精細能級間的躍遷輻射頻率來實現(xiàn)精確計時的工具?；贑PT (Coherent Population Trapping)現(xiàn)象的微型原子鐘是原子鐘微型化發(fā)展的必然趨勢，而其中的核心芯片堿金屬蒸汽腔的微型化制造對原子鐘的微型化起著關(guān)鍵性的作用。
[0005]目前，微型吸收泡中堿金屬的填充工藝手段主要分為兩種:第一種方法是把純堿金屬(銣或銫)直接注入吸收泡，這種方法需要復(fù)雜的大型真空工藝設(shè)備和嚴(yán)格的真空環(huán)境，腔體中殘留的微量氧氣會使堿金屬氧化從而降低原子鐘的使用壽命；第二種方法是把堿金屬化合物直接注入吸收泡腔，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的堿金屬，這種方法需要嚴(yán)格控制注入泡體的化合物量，同時反應(yīng)殘留的雜質(zhì)會留在吸收泡中影響原子鐘的性能。此外，上述兩種方法的共同缺點在于每個吸收泡需逐一填充，難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)制作原子鐘吸收泡過程中由于堿金屬極易氧化而導(dǎo)致的困難。本發(fā)明通過圓片級填充和局部反應(yīng)的方法，實現(xiàn)同時填充晶圓上所有吸收泡，滿足原子鐘批量化生產(chǎn)的要求，具有成本低效率高等特點。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟:
1)利用MEMSICP刻蝕技術(shù)，在硅圓片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；
2)利用三層圓片級陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動臨時微通道、吸收泡腔和放置腔，并將堿金屬化合物密封入圓片中央的放置腔內(nèi)；
3)通過單獨調(diào)節(jié)放置腔的溫度來控制堿金屬化合物化學(xué)反應(yīng)的強度，實現(xiàn)堿金屬化合物的分解，生成所需量的銣或銫金屬，并使之汽化揮發(fā)；
4)經(jīng)過預(yù)制的流動臨時微通道，利用對吸收泡腔局部冷卻將氣態(tài)堿金屬固化凝結(jié)在吸收泡腔體中；
5)二次利用三層圓片級陽極鍵合工藝，使玻璃片在靜電力的作用下，發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的流動臨時微通道，實現(xiàn)所有吸收泡的同時密封。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點:工藝簡單，能夠快速低成本的實現(xiàn)原子鐘堿金屬吸收泡的大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1a是利用MEMS ICP刻蝕技術(shù)，在雙面拋光硅片101上形成微凹槽102、堿金屬放置腔槽103和吸收泡腔槽104的示意圖。
[0010]圖1b是利用三層圓片級陽極鍵合工藝，形成流動臨時微通道108、吸收泡腔槽104和堿金屬放置腔槽103的示意圖。
[0011]圖1c是通過調(diào)節(jié)堿金屬放置腔103的溫度使堿金屬化合物分解產(chǎn)生氣態(tài)堿金屬，經(jīng)過預(yù)制的流動臨時微通道，并對吸收泡腔局部冷卻將氣態(tài)堿金屬固化凝結(jié)在吸收泡腔體中的示意圖。
[0012]圖1d是實現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體密封的示意圖。
[0013]圖2是單個原子鐘堿金屬吸收泡示意圖。
[0014]圖中的101是雙面拋光硅片、102是淺微凹槽、103是堿金屬化合物放置腔體、104是堿金屬吸收泡腔體、105是A玻璃片、106是堿金屬化合物、107是B玻璃片、108是流動臨時微通道、109是堿金屬蒸汽、110是局部冷卻裝置、111是高純度固態(tài)堿金屬、201是高純度堿金屬、202是硅堿金屬吸收泡腔體、203是上層玻璃、204是下層玻璃。
【具體實施方式】
[0015]在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟:
1)利用MEMSICP刻蝕技術(shù)，在硅圓片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽；
2)利用三層圓片級陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動臨時微通道、吸收泡腔和放置腔，并將堿金屬化合物密封入圓片中央的放置腔內(nèi)；
3)通過單獨調(diào)節(jié)放置腔的溫度來控制堿金屬化合物化學(xué)反應(yīng)的強度，實現(xiàn)堿金屬化合物的分解，生成所需量的銣或銫金屬，并使之汽化揮發(fā)；
4)經(jīng)過預(yù)制的流動臨時微通道，利用對吸收泡腔局部冷卻將氣態(tài)堿金屬固化凝結(jié)在吸收泡腔體中；
5)二次利用三層圓片級陽極鍵合工藝，使玻璃片在靜電力的作用下，發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的流動臨時微通道，實現(xiàn)所有吸收泡的同時密封。
[0016]所述的利用玻璃-硅-玻璃三層圓片級陽極鍵合工藝，分兩步實施，第一步形成堿金屬蒸汽的流動臨時微通道，第二步再次鍵合實現(xiàn)對堿金屬化合物的密封。
[0017]通過單獨調(diào)節(jié)放置腔的溫度使腔內(nèi)的堿金屬化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解產(chǎn)生高純度堿金屬，分解反應(yīng)的強度可通過堿金屬放置腔體溫度控制。[0018]所述的堿金屬蒸汽的流動通道是堿金屬蒸汽通過硅-玻璃流動臨時微通道，擴散入吸收泡中，并通過局部冷卻作用，凝結(jié)于吸收泡中。
[0019]將帶有流動臨時微通道的硅片與玻璃片再次鍵合，鍵合過程中通過增加壓力或電壓的方式，使玻璃片在靜電力的作用下發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的臨時微通道，實現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體的密封。
實施例
[0020]在4寸雙面拋光硅片101的一面向下刻出深度I?2μπι直徑80?90mm的淺微凹槽102，在雙面拋光硅片101中部刻出直徑20mm的堿金屬化合物放置腔體103 ;在雙面拋光硅片101上的淺微凹槽102范圍內(nèi)的部分刻出2mm見方的堿金屬吸收泡腔體104陣列；金屬化合物放置腔體103和堿金屬吸收泡104均為通孔結(jié)構(gòu)，貫穿雙面拋光硅片101 ;如圖1a所示。
[0021]使用硅-玻璃圓片級陽極鍵合的方式，將雙面拋光硅片101不帶淺微凹槽102的一面與A玻璃片105鍵合在一起；將計算好劑量的堿金屬化合物106放置在堿金屬化合物腔體103中，使用硅-玻璃圓片級陽極鍵合的方式，將雙面拋光硅片101帶淺微凹槽102的一面與B玻璃片107預(yù)鍵合在一起；淺微凹槽102與B玻璃片107共同形成了堿金屬蒸汽的微流動通道，形成小真空環(huán)境，如圖1b所示。
[0022]通過反應(yīng)裝置106單獨調(diào)節(jié)堿金屬化合物放置腔體103的溫度，使堿金屬化合物106分解，析出堿金屬蒸汽109 ;堿金屬蒸汽109通過流動臨時微通道108擴散至包括堿金屬吸收泡腔體104在內(nèi)的整個腔體；局部冷卻手段110可以調(diào)節(jié)雙面拋光硅片101上金屬化合物放置腔體103以外部分的溫度，堿金屬蒸汽109在堿金屬吸收泡腔體104底部固化成為填充在堿金屬吸收泡腔體104中的高純度固態(tài)堿金屬111，如圖1c所示。
[0023]使用硅-玻璃圓片級陽極鍵合的方式，將雙面拋光硅片101與玻璃片107再次鍵合，鍵合過程中通過增加壓力(1800mbar?2000mbar)或電壓(-800V?-1000V)等方式,使玻璃片107在靜電力的作用下發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的流動臨時微通道108，實現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體104的密封，如圖1d所示。
[0024]在圖1a-圖1d所示圓片級工藝制作的原子鐘金屬吸收泡可通過劃片的方式切割成單個原子鐘堿金屬吸收泡。圖2中高純度堿金屬201被放置在硅堿金屬吸收泡腔體202中，通過上玻璃203、下玻璃204密封。
【權(quán)利要求】
1.一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟: 1)利用MEMSICP刻蝕技術(shù)，在硅圓片上形成微凹槽、吸收泡腔槽和放置腔槽； 2)利用三層圓片級陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動臨時微通道、吸收泡腔和放置腔，并將堿金屬化合物密封入圓片中央的放置腔內(nèi)； 3)通過單獨調(diào)節(jié)放置腔的溫度來控制堿金屬化合物化學(xué)反應(yīng)的強度，實現(xiàn)堿金屬化合物的分解，生成所需量的銣或銫金屬，并使之汽化揮發(fā)； 4)經(jīng)過預(yù)制的流動臨時微通道，利用對吸收泡腔局部冷卻將氣態(tài)堿金屬固化凝結(jié)在吸收泡腔體中； 5)二次利用三層圓片級陽極鍵合工藝，使玻璃片在靜電力的作用下，發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的流動臨時微通道，實現(xiàn)所有吸收泡的同時密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于所述的利用玻璃-硅-玻璃三層圓片級陽極鍵合工藝，分兩步實施，第一步形成堿金屬蒸汽的流動臨時微通道，第二步再次鍵合實現(xiàn)對堿金屬化合物的密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于所述的通過單獨調(diào)節(jié)放置腔的溫度使腔內(nèi)的堿金屬化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解產(chǎn)生高純度堿金屬，分解反應(yīng)的強度可通過堿金屬放置腔體溫度控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于所述的堿金屬蒸汽的流動通道是堿金屬蒸汽通過硅-玻璃流動臨時微通道，擴散入吸收泡中，并通過局部冷卻作用，凝結(jié)于吸收泡中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在片實現(xiàn)芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其特征在于所述的二次圓片級陽極鍵合工藝，將帶有流動臨時微通道的硅片與玻璃片再次鍵合，鍵合過程中通過增加壓力或電壓的方式，使玻璃片在靜電力的作用下發(fā)生彎曲，消除預(yù)制的臨時微通道，實現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體的密封。
【文檔編號】B81C1/00GK103864007SQ201410067976
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】朱健, 何愛文 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所