用以增強陽極鍵合蒸氣室中的壓力均勻性的制造技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用以增強陽極鍵合蒸氣室中的壓力均勻性的制造技術(shù)。一種制造一個或多個蒸氣室的方法，所述方法包括：在具有第一直徑的第一晶片中形成一個或多個蒸氣室管芯；和在所述蒸氣室管芯之上將第二晶片陽極鍵合至所述第一晶片的第一側(cè)，所述第二晶片具有第二直徑。將第三晶片定位在所述蒸氣室管芯之上在所述第一晶片的與所述第二晶片相對的第二側(cè)上面，所述第三晶片具有第三直徑。將犧牲性晶片放置在所述第三晶片之上，所述犧牲性晶片具有大于所述第一直徑、第二直徑和第三直徑的直徑。在所述犧牲性晶片之上設(shè)置金屬化鍵合板。在所述犧牲性晶片已就位的情況下向所述金屬化鍵合板施加電壓時，將所述第三晶片陽極鍵合至所述第一晶片的所述第二側(cè)。
【專利說明】用以增強陽極鍵合蒸氣室中的壓力均勻性的制造技術(shù)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請是2010年9月10日提交的美國申請序列號12/879，394的部分繼續(xù)申請，該申請要求2010年2月4日提交的美國臨時專利申請序列號61/301，497的利益，這兩個申請都通過引用并入本文。
[0002]政府許可權(quán)益
美國政府可對本發(fā)明享有如根據(jù)與美國空軍的主政府合同號FA8650-07-C-1125的條款所提供的某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0003]芯片級原子鐘(CSAC)包括蒸氣室(vapor cell),所述蒸氣室容納比如銣(Rb)等堿金屬的蒸氣。蒸氣室一般還容納緩沖氣體，比如氬-氮緩沖氣體共混物等。用于制造蒸氣室的標準技術(shù)涉及在具有限定出空腔的多個室結(jié)構(gòu)的硅晶片的相對側(cè)上面陽極鍵合(anodically bonding)兩個玻璃晶片。堿金屬蒸氣和緩沖氣體被俘獲在兩個玻璃晶片之間的室結(jié)構(gòu)的空腔中。
[0004]陽極鍵接合在晶片之間最初接觸的位置處開始，并隨著靜電電位使表面接在一起而擴展。從一個區(qū)域向下一區(qū)域的鍵合前端(bond front)的該滯后可能導致在蒸氣室中產(chǎn)生壓力差。此外，如銣等低沸點溫度材料的存在要求鍵合在盡可能低的溫度進行，否則所生成的蒸氣可能污染鍵合表面。因此，隨著晶片被加熱，有必要施加高電壓，以允許鍵合盡快地形成。這可能導致蒸氣室在不同時間從而在不同溫度密封，其可能導致在蒸氣室中，甚至是在同一晶片上并排制得的室上，產(chǎn)生壓力差。
[0005]此外，兩個玻璃晶片中的總厚度變化使蒸氣室的一部分在同一組晶片上的其它蒸氣室之前形成密閉密封。該問題進一步被加劇，因為溫度在鍵合器設(shè)備中被逐漸提高，從而將一部分被俘獲的氣體驅(qū)趕到較晚鍵合的蒸氣室外。另外，對于被俘獲在較晚鍵合的區(qū)域中的緩沖氣體來說沒有容易逸出的路徑，其可能導致蒸氣室中的壓力差。
[0006]最后，由于緩沖氣體的存在，被施加來實現(xiàn)陽極鍵合的電壓可能造成氣體的擊穿，引起穿過氣體向地面的放電或者電弧，從而實質(zhì)上使鍵合工藝短路。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]一種制造一個或多個蒸氣室的方法，所述方法包括:在具有第一直徑的第一晶片中形成一個或多個蒸氣室管芯(die);和在所述蒸氣室管芯之上將第二晶片陽極鍵合至所述第一晶片的第一側(cè)，所述第二晶片具有第二直徑。將第三晶片定位在所述蒸氣室管芯之上在所述第一晶片的與所述第二晶片相對的第二側(cè)上面，所述第三晶片具有第三直徑。將犧牲性晶片放置在所述第三晶片之上，所述犧牲性晶片具有大于所述第一直徑、第二直徑和第三直徑的直徑。在所述犧牲性晶片之上設(shè)置金屬化鍵合板。在所述犧牲性晶片已就位的情況下向所述金屬化鍵合板施加電壓時，將所述第三晶片陽極鍵合至所述第一晶片的所述第二側(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]本發(fā)明的特征將從以下參考附圖的描述中對本領(lǐng)域的技術(shù)人員變得清楚明了。應當理解的是附圖僅示出了典型實施例，因此不應被認為是對范圍的限制，將以附加的特征和細節(jié)通過使用附圖來描述本發(fā)明，附圖中:
圖1是根據(jù)一個實施例的包括蒸氣室的芯片級原子鐘的物理封裝的示意性截面圖；
圖2是已形成在晶片層上的芯片級原子鐘的蒸氣室管芯的一個實施例的示意圖；
圖3是根據(jù)一個實施例的具有多個蒸氣室管芯和排氣通路的晶片的局部俯視圖；
圖4是根據(jù)另一實施例的包括蒸氣室的芯片級原子鐘的物理封裝的示意性截面圖；
圖5示出了用于采用犧牲性晶片的陽極鍵合工藝的晶片構(gòu)造；
圖6是已形成在晶片層上的芯片級原子鐘的蒸氣室管芯的另一實施例的示意圖；和 圖7是根據(jù)另一實施例的具有多個蒸氣室管芯和排氣通路的晶片的局部俯視圖。
【具體實施方式】
[0010]在以下詳細描述中，實施例得到足夠詳細地描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應該明白的是，可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下采用其它實施例。因此，以下詳細描述不被認為具有限制的意義。
[0011]本發(fā)明提供了一種用于增強在芯片級原子鐘(CSAC)中使用的陽極鍵合蒸氣室中的氣體壓力均勻性的制造技術(shù)。一般而言，蒸氣室被制造成具有一對光學透明的玻璃晶片，所述玻璃晶片被陽極鍵合至具有多個室結(jié)構(gòu)的比如硅晶片等基板的相對側(cè)。在組裝于用于CSAC的物理封裝內(nèi)之前，制造蒸氣室。
[0012]在用于增強蒸氣室制造期間的氣體壓力均勻性的一個途徑中，向晶片表面中加入設(shè)計特征，其形成互連的排氣通路，所述排氣通路提供從晶片中的每個蒸氣室管芯到晶片的周緣的路徑。排氣通路允許接近晶片的內(nèi)部的氣體在陽極鍵合期間與晶片外的氣體處于大致連續(xù)的壓力平衡。在用于增強氣體壓力均勻性的另一途徑中，陽極鍵合工藝被改進以隨著溫度被提高而連續(xù)地提高壓力。
[0013]前述途徑可以進行組合，從而使得在硅晶片表面中采用排氣通路連同壓力提高一起允許在工藝中被較晚密封從而處于較高溫度的蒸氣室也具有較高的氣體壓力。當被冷卻至室溫時，在較高溫度被密封的蒸氣室在壓力上的下降將大于那些在較低溫度被密封的蒸氣室在壓力上的下降。通過較高的氣體壓力，較晚密封的蒸氣室能夠得到補償，因此所有蒸氣室的最終壓力在室溫時大致相同。
[0014]以下參考附圖描述本制造技術(shù)的更多細節(jié)。
[0015]圖1示出了根據(jù)一個實施例的CSAC物理封裝100，其可以采用根據(jù)本途徑制造的蒸氣室。物理封裝100包括外罩102，所述外罩102容納物理封裝100的各種機械和電子部件。這些部件可以在組裝于外罩102中之前被制造為晶片級微電子機械系統(tǒng)(MEMS)裝置。一般而言，物理封裝100中的CSAC部件包括比如垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)等激光管芯110、與激光管芯110光學通信的四分之一波片120、與四分之一波片120光學通信的蒸氣室130、和與蒸氣室130光學通信的光學檢測器140。[0016]在物理封裝100的操作期間，從激光管芯110發(fā)出的激光束112被引導穿過四分之一波片120和蒸氣室130至光學檢測器140。如圖1所不，四分之一波片120、蒸氣室130和光學檢測器140可以相對于激光束112的光路以各種傾斜角安裝在封裝102內(nèi)。傾斜這些部件降低了回到VCSEL中的反射耦合，從而增強CSAC的穩(wěn)定性。
[0017]物理封裝100中的各種部件通過一組臺架結(jié)構(gòu)定位在外罩102內(nèi)的不同水平。如圖1所示，下臺架150被附接至外罩102中的基底表面104。下臺架150包括支承激光管芯110的下層階152、在激光管芯110上方支承四分之一波片120的中間層階154和在四分之一波片120上方支承蒸氣室130的上層階156。上臺架結(jié)構(gòu)160被附接至外罩102中的頂表面106。光學檢測器140在蒸氣室130上方被固定至上臺架結(jié)構(gòu)160。
[0018]蒸氣室130包括一對光學透明晶片132和134 (比如玻璃晶片)，它們陽極鍵合至比如硅晶片等基板136的相對側(cè)。示例性玻璃晶片包括Pyrex玻璃或者相似的玻璃。被限定于蒸氣室130內(nèi)的至少一個腔室138在激光管芯110與光學檢測器140之間為激光束112提供光路。
[0019]在用于在組裝到物理封裝100內(nèi)之前制造蒸氣室130的一個途徑中，最初將晶片132陽極鍵合至基板136的基底側(cè)，之后將銣或者其它堿金屬(呈液體或者固體形態(tài))沉積到腔室138中。然后將晶片134陽極鍵合至基板136的相對側(cè)以形成蒸氣室130。這種鍵合一般在大約250°C?大約400°C的溫度下實現(xiàn)。在晶片132、134和基板136處于高真空或者回充有比如氬-氮氣體混合物等緩沖氣體的條件下進行鍵合工藝。當緩沖氣體被使用時，包含用于蒸氣室130的部件的制造設(shè)備被抽空，之后將緩沖氣體回充到腔室138中。因此，當鍵合完成以密封蒸氣室130時，堿金屬和任何可選的緩沖氣體被俘獲在腔室138內(nèi)。
[0020]在陽極鍵合工藝期間，使包含比如鈉等流動離子的玻璃晶片與硅晶片發(fā)生接觸，對玻璃和硅晶片兩者都有電接觸。玻璃和硅晶片兩者都被加熱至至少大約200°C，并且相對于硅晶片，玻璃晶片電極的電壓為負，達至少大約200V。這使玻璃中的鈉朝負電極移動，并且橫跨玻璃與硅之間的空隙允許電壓下降更多，從而導致更密切的接觸。同時，氧離子從玻璃中被釋放出并流向硅，從而有助于在玻璃中的硅與硅晶片中的硅之間形成橋，其形成非常強的鍵合?？梢杂酶鞣N各樣的背景氣體和在從遠高于大氣壓到高真空的壓力下來操作陽極鍵合工藝。較高的氣壓改善傳熱，并使工藝加速。對于銣蒸氣室的情況而言，希望的是在存在緩沖氣體的情況下以盡可能低的溫度來形成鍵合。
[0021]陽極鍵合工藝可以通過在鍵合工藝期間施加較高電壓得到增強，但是存在氣體時的較高電壓可能引起電弧放電。電弧放電根據(jù)氣體類型、壓力和電極之間的距離而變化?？梢酝ㄟ^形成通向地面的較大路徑從而增大引起電弧所需的電位來減少電弧放電。
[0022]如果氣體類型和壓力不能被改變，則增大電極之間的距離能夠提供用于施加較高電壓的方法。這可以通過使用被插入蒸氣室的上玻璃晶片與高電壓源之間的犧牲性玻璃晶片來完成。比起蒸氣室晶片，犧牲性玻璃晶片具有更大的直徑。這允許外加電壓在工藝開始時顯著更高，從而提供顯著改善的鍵合環(huán)境。例如，外加的較高電壓可以為大約800伏特?大約1200伏特。
[0023]犧牲性玻璃晶片與用于鍵合硅的蒸氣室玻璃晶片為相同類型，因此允許經(jīng)由流動離子通過電流。通過對犧牲性晶片使用較大的直徑，自高電壓電極和接近接地電位的硅晶片的頂表面的距離被增大。這允許在沒有電弧放電的情況下實現(xiàn)較高電壓鍵合。另外，由于鈉離子具有進入犧牲性玻璃晶片的能力，使通常會積聚在蒸氣室的上玻璃晶片頂面上的多余鈉減少到最低限度。這幾乎消除了通常在玻璃晶片上看到的凹坑(pitting)，從而形成穿過玻璃的更清晰的光路。相對于犧牲性玻璃晶片的更多細節(jié)在以下相對于圖5來描述。
[0024]圖2示出了用于已形成在晶片層上的CSAC物理封裝的蒸氣室管芯200的一個實施例。蒸氣室管芯200包括硅基板205，在其中已形成有第一腔室210、第二腔室220和至少一個連接路徑215。使用如上所述的陽極鍵合，腔室210、220和路徑215被密封在蒸氣室管芯200內(nèi)處于玻璃晶片(比如玻璃晶片132、134)之間。
[0025]對于圖2所示的實施例而言，腔室210包括用于物理封裝的光路的一部分，且有必要保持沒有污染物和淀積物。銣或者其它堿金屬(大體以235示出)作為液體或者固體被沉積到腔室220中。連接路徑215形成“曲折路徑”(大體以230示出)供堿金屬蒸氣分子從第二腔室220行進至第一腔室210。由于氣體分子的動力學，堿金屬蒸氣分子不是平穩(wěn)地流動通過路徑215，而是從路徑215的壁反彈，并且常常粘附至壁。在一個實施例中，第二腔室220與路徑215隔離開但淺溝槽245除外，以進一步減慢堿金屬蒸氣從第二腔室220的遷移。
[0026]與制造用于CSAC物理封裝中的適當蒸氣室有關(guān)的更多細節(jié)在2010年9月I日提交并公開為
【發(fā)明者】D.W.楊格納, J.A.里德萊, S.T.魯 申請人:霍尼韋爾國際公司