在片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(dòng)臨時(shí)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(shí)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(dòng)臨時(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有吸收泡的同時(shí)密封。優(yōu)點(diǎn)：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(shí)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(jí)原子鐘氣泡批量化生產(chǎn)。
【專利說明】在片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(cè)繪等等工作都離不開時(shí)間。時(shí)間的計(jì)量涉及兩個(gè)量一歷元和時(shí)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(cè)量時(shí)間。3500年來，隨著人類的不斷進(jìn)步，計(jì)時(shí)的工具也在不斷的發(fā)展，人類對(duì)于計(jì)時(shí)的精度要求也越來越高，人類的計(jì)時(shí)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(shí)間的變化，到后來出現(xiàn)的沙漏計(jì)時(shí)、水運(yùn)儀象臺(tái)、機(jī)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(cè)量時(shí)間的。
[0003]原子鐘作為現(xiàn)在最為精確的計(jì)時(shí)工具之一，從最先的上世紀(jì)30年代理論提出，到實(shí)物的出現(xiàn)，逐漸的在國(guó)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(jí)微型原子鐘己經(jīng)開始發(fā)展,這將突破接收者時(shí)鐘的性能，更加廣泛的應(yīng)用到各種計(jì)時(shí)頻標(biāo)中，將對(duì)社會(huì)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(xì)能級(jí)間的躍遷輻射頻率來實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)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(shì)，而其中的核心芯片堿金屬蒸汽腔的微型化制造對(duì)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(huì)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(shí)反應(yīng)殘留的雜質(zhì)會(huì)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(diǎn)在于每個(gè)吸收泡需逐一填充，難以實(shí)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)填充和局部反應(yīng)的方法，實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種在片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動(dòng)臨時(shí)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(dú)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(qiáng)度，實(shí)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(dòng)臨時(shí)微通道，利用對(duì)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(jí)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(dòng)臨時(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有吸收泡的同時(shí)密封。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):工藝簡(jiǎn)單，能夠快速低成本的實(shí)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(jí)陽極鍵合工藝，形成流動(dòng)臨時(shí)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(dòng)臨時(shí)微通道，并對(duì)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(shí)現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體密封的示意圖。
[0013]圖2是單個(gè)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(dòng)臨時(shí)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(shí)施方式】
[0015]在片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動(dòng)臨時(shí)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(dú)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(qiáng)度，實(shí)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(dòng)臨時(shí)微通道，利用對(duì)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(jí)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(dòng)臨時(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有吸收泡的同時(shí)密封。
[0016]所述的利用玻璃-硅-玻璃三層圓片級(jí)陽極鍵合工藝，分兩步實(shí)施，第一步形成堿金屬蒸汽的流動(dòng)臨時(shí)微通道，第二步再次鍵合實(shí)現(xiàn)對(duì)堿金屬化合物的密封。
[0017]通過單獨(dú)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(qiáng)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(dòng)通道是堿金屬蒸汽通過硅-玻璃流動(dòng)臨時(shí)微通道，擴(kuò)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(dòng)臨時(shí)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(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體的密封。
實(shí)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(jí)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(jì)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(jí)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(dòng)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(dú)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(dòng)臨時(shí)微通道108擴(kuò)散至包括堿金屬吸收泡腔體104在內(nèi)的整個(gè)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(jí)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(dòng)臨時(shí)微通道108，實(shí)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(jí)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(gè)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)陽極鍵合工藝，形成預(yù)制的流動(dòng)臨時(shí)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(dú)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(qiáng)度，實(shí)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(dòng)臨時(shí)微通道，利用對(duì)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(jí)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(dòng)臨時(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有吸收泡的同時(shí)密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)陽極鍵合工藝，分兩步實(shí)施，第一步形成堿金屬蒸汽的流動(dòng)臨時(shí)微通道，第二步再次鍵合實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(dú)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(dòng)通道是堿金屬蒸汽通過硅-玻璃流動(dòng)臨時(shí)微通道，擴(kuò)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(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(jí)陽極鍵合工藝，將帶有流動(dòng)臨時(shí)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(shí)微通道，實(shí)現(xiàn)所有堿金屬吸收泡腔體的密封。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103864007SQ201410067976
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所