一种微型碱金属原子气室单元的制备方法
一种微型碱金属原子气室单元的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统(MEMS)领域，具体涉及一种微型碱金属原子气室单元的加工方法。
【背景技术】
[0002]随着微系统技术的进步，信息感知传感系统正向着微型化、集成阵列化方向发展。近年来，磁阵列成像技术被广泛应用到民用及军事医疗领域，如磁阵列脑磁成像、磁阵列心磁测量。采用微结构原子磁力仪组成的磁阵列成像系统具有体积小功耗低易便携等特点，成为替代传统核磁共振成像庞大设备的有效方法，其可形成低功耗便携式医疗设备，大大增加了磁成像设备的适用环境和范围。2009年，美国佛罗里达大学研宄基金会有限公司开发了较传统量子干涉器件更加经济、方便的磁成像技术，即将探测磁场诱导的亚原子进动用于磁共振成像领域。该磁探测器件具有低成本、低功率消耗的优点，这种基于原子磁传感器的磁成像系统利用磁传感器阵列可以快速对大脑成像。2011年，美国NIST提出了光纤耦合芯片级原子磁传感器阵列，该传感器阵列应用于远距离磁场探测或做成轻便头盔用于伤员脑部诊断的战场医疗领域。
[0003]微结构的原子气室单元是构成这种微结构原子磁成像阵列的关键部件。目前国际上在与微结构原子磁探测技术相关的微型激光器、电路、光电探测器等关键部件微型化方面都已经有了很大进展。但是微型碱金属原子气室方面，由于存在较大的研宄难度，其研制还在继续，不断有新的方法出现。如目前通过MEMS制备气室是微气室研宄领域的焦点，以美国NIST为代表的国外研宄机构开发出一种基于娃微机电技术的原子气室制作方法。米用阳极键合方法，将打有小孔的硅片的两面用玻璃片封装起来形成玻璃一硅一玻璃的“三明治”微气室单元结构。相较传统的吹玻璃气室技术，其优势是能够制作体积小于Imm3的气室单元，其保持碱金属原子处于蒸气状态所需的能量可以降至毫瓦量级，相较玻璃气室大大低于气室的加热能耗。微型化的气室结构使得高灵敏度原子磁力仪小型阵列化成为可能，具有良好的发展前景。
[0004]在微型气室内封装碱金属原子是其主要技术难点，主要是因为:(I)碱金属在常温下易气化，在较高的键合温度下，碱金属会气化，并从气室内部逃逸，当其沉积在键合硅片表面上会严重影响阳极键合的效果；(2)碱金属原子的化学性质活泼，容易被大气中的氧气和水蒸汽氧化，甚至在低真空条件下，这种氧化反应就已经在进行。这就给碱金属原子的封装工艺带来极大困难。因此到目前为止，国际上碱金属原子注入及封装仍是微气室研宄的核心技术。
[0005]在微型碱金属原子气室封装的研宄中，国内外上已有了一些成功的报道，如2004年8月，美国标准技术研宄院(NIST)首次制作出微型铯(Cs)原子气室，气室体积仅为9.5mm3。他们使用的是“玻璃-带孔硅片-玻璃”构成的三明治结构的铯气室，其中的铯原子由叠氮化钡和氯化铯原位反应生成。2008年，北京大学基于阳极键合工艺进行了微型气室封装，其采用铷原子注入是由叠氮化钡和氯化铷原位反应生成单质铷，是国内首家完成碱金属微气室封装的国内机构。2010年美国John Kitching小组对MEMS微结构原子气室进行分析，并采用MEMS方法实现双气室结构，将碱金属充入气室与工作气室分成相连通的两个气室，用以消除制备单质碱金属的原位反应生成残余物影响。从公开发表的文献来看，国际上相关微型原子气室的研制研宄主要采用的方法是，叠氮化钡和碱金属氯化原位反应生成，或采用石蜡封装单质碱金属方法实现。这种方法虽然能够避免碱金属单质灌封被氧化及加热逃逸问题，但其也存在如下技术缺陷以至其无法实用，其主要体现:
[0006](I)目前采用的叠氮化钡和碱金属氯化物反应不稳定，叠氮化钡分解时间较长，且叠氮化钡的分解温度和钡与碱金属氯化物原位反应温度接近，因此其反应温度控制偏差容易造成碱金属过早析出，影响气室封装成品率。
[0007](2)目前对叠氮化钡和碱金属氯化物混合配制，主要采用水溶或搅拌混合，而后采用微注射器注入微气室结构的方式。这种方式很难控制注入气室内药品量，且无法保证叠氮化钡和碱金属氯化物的配比及混合的充分，因此往往添加大量的混合物但析出的单质碱金属量却很少，大多数则为无法反应的残余物。
[0008](3)在单气室注入碱金属，无论采用叠氮化钡和碱金属氯化物反应制备单质碱金属，还是采用蜡封单质碱金属注入的方法，均无法精确控制碱金属元素的注入量，且会产生大量的反应残余物(如氯化钡或石蜡等)。这种残余物会阻挡气室的通光截面，影响气室的测试性能。为了保证残余的存放空间，造成微气室尺寸都较大，严重制约气室进一步小型化。
[0009](4)目前国内研宄方法还是采用真空静电键合单气室的方式，单气室单元封装工艺不能实现圆片级多气室单元的封装，且制备气室的一致性差、效率较低，已不能满足未来阵列化技术发展要求。
【发明内容】
[0010]本发明要解决现有无法向微型碱金属原子气室内精确注入碱金属元素以及大量残留物干扰的问题，而提供一种微型碱金属原子气室单元的制备方法。
[0011]本发明微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实现:
[0012]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0013]二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片；
[0014]三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的娃片;
[0015]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0016]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0017]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0018]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至I X 1-4Pa的真空环境下，对蒸发靶台加热至250°C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0019]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室；
[0020]九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单
J L.ο
[0021]本发明采用辅助气室一工作气室双气室结构作为气室单元，也可以采用一个辅助气室对应多个工作气室构成原子气室阵列。
[0022]与现有的微结构原子气室制作方法比较，本发明采用的微型碱金属原子气室单元结构，及其加工工艺技术具备以下优点:
[0023]采用一个辅助气室对应多个工作气室构成原子气室阵列的设计。在辅助气室与工作气室设计有微通道，保证其连通。碱金属存放于辅助气室内部，在加热条件下一个辅助气室可同时为多个工作原子气室提供铯蒸汽，由于同温度下铯饱和蒸汽压一致，可保证与辅助气室连通的各工作气室内铯原子量及缓冲气氛气压相同，因此气室可保证良好的一致性。这种设计有利于微型原子磁力计阵列应用。
[0024]采用叠氮化铯分解 方法，相对于传统的叠氮化钡和碱金属氯化物反应法而言，其反应更为稳定，叠氮化铯分解温度高达450°C左右，因此不需要担心键合时单质碱金属过早析出影响键合的问题。同时叠氮化铯分解只产生氮气与单质铯元素，相对而言其基本无残余物质。
[0025]采用蒸发沉积的方法在气室内部形成叠氮化铯镀膜，并通过控制可实现对叠氮化铯注入量的控制。同时，通过紫外光照射叠氮化铯分解，可通过时间控制单质铯的量。从而实现对碱金属注入量的控制，减小多余残留物。
[0026]本方法工艺较现有的叠氮化钡和氯化铷原位反应方式，操作更为简单，且更适合批量生产。
【附图说明】
[0027]图1为步骤二带有掩膜层的硅片的结构示意图，I一二氧化硅层，2—掩膜层；
[0028]图2为步骤三涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片的结构示意图，3—光刻胶；
[0029]图3为步骤五活化处理后的微原子气室框架基片的结构示意图；
[0030]图4为步骤六硅一玻璃半气室的结构示意图，4一玻璃片a ；
[0031]图5为步骤七镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室的结构示意图，5—叠氮化铯膜；
[0032]图6为步骤八玻璃一硅一玻璃微原子气室的结构示意图，6—玻璃片b ；
[0033]图7为步骤九微型碱金属原子气室单元的结构示意图，7—铯蒸汽；
[0034]图8为微型碱金属原子气室单元的俯视结构示意图；
[0035]图9为步骤八所述沉积装置的结构示意图，a—硅一玻璃半气室，b—蒸发靶台，c一晶体传感器，d一遮盖板，e一真空栗。
【具体实施方式】
[0036]【具体实施方式】一:本实施方式微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实施:
[0037]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0038]二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片；
[0039]三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的娃片;
[0040]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0041]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0042]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0043]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至I X 1-4Pa的真空环境下，对蒸发靶台加热至250°C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0044]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室；
[0045]九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单
J L.ο
[0046]本实施方式步骤九采用紫外线灯照射促使叠氮化铯分解成氮气和单质铯元素:
[0047]2CsN3—2Cs+6N2 ?
[0048]单质铯的析出速度与叠氮化铯膜的薄厚均匀性以及紫外光源性能有关。利用紫外光照的时间控制析出碱金属铯的量，进而完成单质碱金属铯元素的注入及密封。
[0049]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是步骤六和步骤八中所述的玻璃片为Pyrex玻璃或ΒΚ7系列玻璃。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0050]本实施方式键合光窗材料要与硅材料热膨胀系数相匹配，且具有良好光学特性的光学玻璃。
[0051]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是步骤二中二氧化硅层的厚度为300nm，氮化硅层的厚度为500nm。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0052]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是步骤三和步骤四中所述的BOE腐蚀液由质量比为1:6的HF和NH4F混合而成。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0053]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是步骤五中所述的RCA溶液由质量比分数为10% NH4OH,20% H2O2和余量的H2O组成。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0054]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是步骤六和步骤八键合时施加的压力为500?1500牛顿。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0055]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是步骤七将靶台加热至250°C以上，控制升温速度不大于每分钟2°C。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0056]本实施方式控制升温速度的作用是防止叠氮化铯升温速度过快产生爆炸现象。
[0057]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是步骤七中所述的叠氮化铯膜的厚度为10nm?500nm。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0058]本实施方式叠氮化铯膜的厚度由蒸发台内部的标准水晶感应器测量控制，从而精确控制注入气室内药品的量。
[0059]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是步骤八控制键合加热温度为230?300°C，控制升温的速度低于每分钟2°C。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至八之一相同。
[0060]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同的是步骤九采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至九之一相同。
[0061]本实施方式采用紫外线灯照射使叠氮化铯膜上的能量不小于每立方厘米2.3毫瓦。100nm-500nm叠氮化铯膜的分解时间为8小时到100小时。
[0062]实施例一:本实施例微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实施:
[0063]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室双气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0064]二、将步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，用电阻丝加热炉加热至800摄氏度，在硅片表面形成300nm的二氧化硅层，然后采用CVD沉积500nm氮化娃层，得到带有掩膜层的娃片；
[0065]三、在70°C下对步骤二带有掩膜层的硅片预热Imin除水后，在匀胶机旋胶，设置转速为3000转/分对硅片表面均匀涂抹光刻胶，通过前烘使光刻胶膜干燥与硅片产生良好的粘附性，然后使用标准光刻工艺对硅片进行光刻，再使用浓磷酸溶液(质量分数85%)及BOE腐蚀液(HF与NH4F以质量比1:6混合而成)去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的硅片； [0066]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸入质量浓度40%的氢氧化钾溶液中对硅片进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过BOE腐蚀液及浓磷酸(质量分数85%)浸泡分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0067]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液(由体积百分比为10% NH4OH,20% H2O2和70% H2O组成)和质量浓度为1% HF酸组成的混合液中浸泡lh，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0068]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为260°C，键合电压为1300伏，真空度为I X 10_4Pa，键合电流调节到1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0069]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，金属材料的遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，蒸发靶台由一个带有加热丝的矾土坩锅构成，然后通过真空泵将蒸发台抽至lX10_4Pa的真空环境下，通过加热丝以2°C /min升温速率将靶台加热至250°C，放置3小时后继续按2°C /min升温速率将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再按2V Mn升温速率将蒸发靶台的温度升至340°C，，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上相应通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有200nm叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0070]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C左右保持4小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至lOOTorr，以2°C /min的速度升温至键合温度为260°C，键合电压为1300伏，真空度为lX10_4Pa，键合施压力为1000牛顿，键合电流调节到1mA的峰值后下降，当回路电流降到0.1mA时，完成键合过程，形成玻璃一硅一玻璃微原子气室；
[0071]九、采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜10小时，加热至98°C辅助气室使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单元。
[0072]本实施例加热辅助气室使单质铯元素汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，进而得到仅含有铯蒸汽的纯净工作气室。一个辅助气室可以根据其析出碱金属量，同时为I个或多个工作原子气室提供铯蒸汽，由于同温度下饱和铯的饱和蒸汽压一致，保证与辅助气室连通的各工作气室内铯原子量及缓冲气氛气压相同，保证了气室良好的一致性。采用全新的碱金属叠氮化物蒸发沉积的方法在气室内部形成叠氮化铯镀膜方式替代现有的化学粉料注入或化学液体注入方式，并通过控制膜厚可实现对叠氮化铯注入量的控制。
[0073]本发明提出了一种新型微型碱金属原子气室单元结构的加工工艺。其形成的微型铯原子气室单元是微结构原子磁力仪、芯片原子钟、微型原子陀螺等新原理量子传感器件的核心部件。尤其在磁阵列成像系统中，本发明提供的工艺方法更容易实现稳定的多气室阵列，在现代高科技领域有广泛的应用前景。
【主权项】
1.一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于是按下列步骤实现: 一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片； 二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片； 三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的硅片; 四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片； 五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片； 六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为I X 10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室； 七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至_80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至lX10_4Pa的真空环境下，对靶台加热至2500C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室； 八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室； 九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单元。2.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤六和步骤八中所述的玻璃片为Pyrex玻璃或BK7系列玻璃。3.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤二中二氧化娃层的厚度为300nm，氮化娃层的厚度为500nm。4.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤三和步骤四中所述的BOE腐蚀液由质量比为1:6的HF和NH4F混合而成。5.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤五中所述的RCA溶液由质量分数为10% NH4OH,20% H2O2和余量的H2O组成。6.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤六和步骤八键合时施加的压力为500?1500牛顿。7.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤七将蒸发靶台加热至250°C以上，控制升温速度不大于每分钟2°C。8.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤七中所述的叠氮化铯膜的厚度为10nm?500nm。9.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤八控制键合加热温度为230?300°C，控制升温的速度低于每分钟2°C。10.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤九采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜。
【专利摘要】一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，本发明属于微机电系统领域，它为了解决现有无法向微型碱金属原子气室内精确注入碱金属元素以及大量残留物干扰的问题。本发明微型碱金属原子气室单元的制备方法首先在硅片上光刻出单个气室单元，沉积二氧化硅层和氮化硅层，涂抹光刻胶后光刻处理打开硅片窗口，然后制备活化的微原子气室框架基片，将基片与玻璃片进行键合，使用沉积装置在硅—玻璃半气室中蒸镀叠氮化铯膜，再在硅—玻璃半气室的上表面键合第二片玻璃片，最后紫外线灯照射加热使单质铯汽化，得到微型碱金属原子气室单元。本发明采用叠氮化铯分解方法，不会产生残余物质，并能实现对叠氮化铯注入量的精确控制。
【IPC分类】B81C3/00, B82Y15/00
【公开号】CN104891431
【申请号】CN201510212065
【发明人】孙立凯, 徐兴烨, 王辉, 张鹏, 王劲松, 陈海涛
【申请人】中国电子科技集团公司第四十九研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月25日
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统(MEMS)领域，具体涉及一种微型碱金属原子气室单元的加工方法。
【背景技术】
[0002]随着微系统技术的进步，信息感知传感系统正向着微型化、集成阵列化方向发展。近年来，磁阵列成像技术被广泛应用到民用及军事医疗领域，如磁阵列脑磁成像、磁阵列心磁测量。采用微结构原子磁力仪组成的磁阵列成像系统具有体积小功耗低易便携等特点，成为替代传统核磁共振成像庞大设备的有效方法，其可形成低功耗便携式医疗设备，大大增加了磁成像设备的适用环境和范围。2009年，美国佛罗里达大学研宄基金会有限公司开发了较传统量子干涉器件更加经济、方便的磁成像技术，即将探测磁场诱导的亚原子进动用于磁共振成像领域。该磁探测器件具有低成本、低功率消耗的优点，这种基于原子磁传感器的磁成像系统利用磁传感器阵列可以快速对大脑成像。2011年，美国NIST提出了光纤耦合芯片级原子磁传感器阵列，该传感器阵列应用于远距离磁场探测或做成轻便头盔用于伤员脑部诊断的战场医疗领域。
[0003]微结构的原子气室单元是构成这种微结构原子磁成像阵列的关键部件。目前国际上在与微结构原子磁探测技术相关的微型激光器、电路、光电探测器等关键部件微型化方面都已经有了很大进展。但是微型碱金属原子气室方面，由于存在较大的研宄难度，其研制还在继续，不断有新的方法出现。如目前通过MEMS制备气室是微气室研宄领域的焦点，以美国NIST为代表的国外研宄机构开发出一种基于娃微机电技术的原子气室制作方法。米用阳极键合方法，将打有小孔的硅片的两面用玻璃片封装起来形成玻璃一硅一玻璃的“三明治”微气室单元结构。相较传统的吹玻璃气室技术，其优势是能够制作体积小于Imm3的气室单元，其保持碱金属原子处于蒸气状态所需的能量可以降至毫瓦量级，相较玻璃气室大大低于气室的加热能耗。微型化的气室结构使得高灵敏度原子磁力仪小型阵列化成为可能，具有良好的发展前景。
[0004]在微型气室内封装碱金属原子是其主要技术难点，主要是因为:(I)碱金属在常温下易气化，在较高的键合温度下，碱金属会气化，并从气室内部逃逸，当其沉积在键合硅片表面上会严重影响阳极键合的效果；(2)碱金属原子的化学性质活泼，容易被大气中的氧气和水蒸汽氧化，甚至在低真空条件下，这种氧化反应就已经在进行。这就给碱金属原子的封装工艺带来极大困难。因此到目前为止，国际上碱金属原子注入及封装仍是微气室研宄的核心技术。
[0005]在微型碱金属原子气室封装的研宄中，国内外上已有了一些成功的报道，如2004年8月，美国标准技术研宄院(NIST)首次制作出微型铯(Cs)原子气室，气室体积仅为9.5mm3。他们使用的是“玻璃-带孔硅片-玻璃”构成的三明治结构的铯气室，其中的铯原子由叠氮化钡和氯化铯原位反应生成。2008年，北京大学基于阳极键合工艺进行了微型气室封装，其采用铷原子注入是由叠氮化钡和氯化铷原位反应生成单质铷，是国内首家完成碱金属微气室封装的国内机构。2010年美国John Kitching小组对MEMS微结构原子气室进行分析，并采用MEMS方法实现双气室结构，将碱金属充入气室与工作气室分成相连通的两个气室，用以消除制备单质碱金属的原位反应生成残余物影响。从公开发表的文献来看，国际上相关微型原子气室的研制研宄主要采用的方法是，叠氮化钡和碱金属氯化原位反应生成，或采用石蜡封装单质碱金属方法实现。这种方法虽然能够避免碱金属单质灌封被氧化及加热逃逸问题，但其也存在如下技术缺陷以至其无法实用，其主要体现:
[0006](I)目前采用的叠氮化钡和碱金属氯化物反应不稳定，叠氮化钡分解时间较长，且叠氮化钡的分解温度和钡与碱金属氯化物原位反应温度接近，因此其反应温度控制偏差容易造成碱金属过早析出，影响气室封装成品率。
[0007](2)目前对叠氮化钡和碱金属氯化物混合配制，主要采用水溶或搅拌混合，而后采用微注射器注入微气室结构的方式。这种方式很难控制注入气室内药品量，且无法保证叠氮化钡和碱金属氯化物的配比及混合的充分，因此往往添加大量的混合物但析出的单质碱金属量却很少，大多数则为无法反应的残余物。
[0008](3)在单气室注入碱金属，无论采用叠氮化钡和碱金属氯化物反应制备单质碱金属，还是采用蜡封单质碱金属注入的方法，均无法精确控制碱金属元素的注入量，且会产生大量的反应残余物(如氯化钡或石蜡等)。这种残余物会阻挡气室的通光截面，影响气室的测试性能。为了保证残余的存放空间，造成微气室尺寸都较大，严重制约气室进一步小型化。
[0009](4)目前国内研宄方法还是采用真空静电键合单气室的方式，单气室单元封装工艺不能实现圆片级多气室单元的封装，且制备气室的一致性差、效率较低，已不能满足未来阵列化技术发展要求。
【发明内容】
[0010]本发明要解决现有无法向微型碱金属原子气室内精确注入碱金属元素以及大量残留物干扰的问题，而提供一种微型碱金属原子气室单元的制备方法。
[0011]本发明微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实现:
[0012]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0013]二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片；
[0014]三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的娃片;
[0015]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0016]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0017]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0018]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至I X 1-4Pa的真空环境下，对蒸发靶台加热至250°C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0019]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室；
[0020]九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单
J L.ο
[0021]本发明采用辅助气室一工作气室双气室结构作为气室单元，也可以采用一个辅助气室对应多个工作气室构成原子气室阵列。
[0022]与现有的微结构原子气室制作方法比较，本发明采用的微型碱金属原子气室单元结构，及其加工工艺技术具备以下优点:
[0023]采用一个辅助气室对应多个工作气室构成原子气室阵列的设计。在辅助气室与工作气室设计有微通道，保证其连通。碱金属存放于辅助气室内部，在加热条件下一个辅助气室可同时为多个工作原子气室提供铯蒸汽，由于同温度下铯饱和蒸汽压一致，可保证与辅助气室连通的各工作气室内铯原子量及缓冲气氛气压相同，因此气室可保证良好的一致性。这种设计有利于微型原子磁力计阵列应用。
[0024]采用叠氮化铯分解 方法，相对于传统的叠氮化钡和碱金属氯化物反应法而言，其反应更为稳定，叠氮化铯分解温度高达450°C左右，因此不需要担心键合时单质碱金属过早析出影响键合的问题。同时叠氮化铯分解只产生氮气与单质铯元素，相对而言其基本无残余物质。
[0025]采用蒸发沉积的方法在气室内部形成叠氮化铯镀膜，并通过控制可实现对叠氮化铯注入量的控制。同时，通过紫外光照射叠氮化铯分解，可通过时间控制单质铯的量。从而实现对碱金属注入量的控制，减小多余残留物。
[0026]本方法工艺较现有的叠氮化钡和氯化铷原位反应方式，操作更为简单，且更适合批量生产。
【附图说明】
[0027]图1为步骤二带有掩膜层的硅片的结构示意图，I一二氧化硅层，2—掩膜层；
[0028]图2为步骤三涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片的结构示意图，3—光刻胶；
[0029]图3为步骤五活化处理后的微原子气室框架基片的结构示意图；
[0030]图4为步骤六硅一玻璃半气室的结构示意图，4一玻璃片a ；
[0031]图5为步骤七镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室的结构示意图，5—叠氮化铯膜；
[0032]图6为步骤八玻璃一硅一玻璃微原子气室的结构示意图，6—玻璃片b ；
[0033]图7为步骤九微型碱金属原子气室单元的结构示意图，7—铯蒸汽；
[0034]图8为微型碱金属原子气室单元的俯视结构示意图；
[0035]图9为步骤八所述沉积装置的结构示意图，a—硅一玻璃半气室，b—蒸发靶台，c一晶体传感器，d一遮盖板，e一真空栗。
【具体实施方式】
[0036]【具体实施方式】一:本实施方式微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实施:
[0037]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0038]二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片；
[0039]三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的娃片;
[0040]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0041]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0042]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0043]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至I X 1-4Pa的真空环境下，对蒸发靶台加热至250°C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0044]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室；
[0045]九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单
J L.ο
[0046]本实施方式步骤九采用紫外线灯照射促使叠氮化铯分解成氮气和单质铯元素:
[0047]2CsN3—2Cs+6N2 ?
[0048]单质铯的析出速度与叠氮化铯膜的薄厚均匀性以及紫外光源性能有关。利用紫外光照的时间控制析出碱金属铯的量，进而完成单质碱金属铯元素的注入及密封。
[0049]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是步骤六和步骤八中所述的玻璃片为Pyrex玻璃或ΒΚ7系列玻璃。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0050]本实施方式键合光窗材料要与硅材料热膨胀系数相匹配，且具有良好光学特性的光学玻璃。
[0051]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是步骤二中二氧化硅层的厚度为300nm，氮化硅层的厚度为500nm。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0052]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是步骤三和步骤四中所述的BOE腐蚀液由质量比为1:6的HF和NH4F混合而成。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0053]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是步骤五中所述的RCA溶液由质量比分数为10% NH4OH,20% H2O2和余量的H2O组成。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0054]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是步骤六和步骤八键合时施加的压力为500?1500牛顿。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0055]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是步骤七将靶台加热至250°C以上，控制升温速度不大于每分钟2°C。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0056]本实施方式控制升温速度的作用是防止叠氮化铯升温速度过快产生爆炸现象。
[0057]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是步骤七中所述的叠氮化铯膜的厚度为10nm?500nm。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0058]本实施方式叠氮化铯膜的厚度由蒸发台内部的标准水晶感应器测量控制，从而精确控制注入气室内药品的量。
[0059]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是步骤八控制键合加热温度为230?300°C，控制升温的速度低于每分钟2°C。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至八之一相同。
[0060]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同的是步骤九采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至九之一相同。
[0061]本实施方式采用紫外线灯照射使叠氮化铯膜上的能量不小于每立方厘米2.3毫瓦。100nm-500nm叠氮化铯膜的分解时间为8小时到100小时。
[0062]实施例一:本实施例微型碱金属原子气室单元的制备方法按下列步骤实施:
[0063]一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室双气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片；
[0064]二、将步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，用电阻丝加热炉加热至800摄氏度，在硅片表面形成300nm的二氧化硅层，然后采用CVD沉积500nm氮化娃层，得到带有掩膜层的娃片；
[0065]三、在70°C下对步骤二带有掩膜层的硅片预热Imin除水后，在匀胶机旋胶，设置转速为3000转/分对硅片表面均匀涂抹光刻胶，通过前烘使光刻胶膜干燥与硅片产生良好的粘附性，然后使用标准光刻工艺对硅片进行光刻，再使用浓磷酸溶液(质量分数85%)及BOE腐蚀液(HF与NH4F以质量比1:6混合而成)去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的硅片； [0066]四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸入质量浓度40%的氢氧化钾溶液中对硅片进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过BOE腐蚀液及浓磷酸(质量分数85%)浸泡分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片；
[0067]五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液(由体积百分比为10% NH4OH,20% H2O2和70% H2O组成)和质量浓度为1% HF酸组成的混合液中浸泡lh，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片；
[0068]六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为260°C，键合电压为1300伏，真空度为I X 10_4Pa，键合电流调节到1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室；
[0069]七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至-80°C以下，金属材料的遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，蒸发靶台由一个带有加热丝的矾土坩锅构成，然后通过真空泵将蒸发台抽至lX10_4Pa的真空环境下，通过加热丝以2°C /min升温速率将靶台加热至250°C，放置3小时后继续按2°C /min升温速率将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再按2V Mn升温速率将蒸发靶台的温度升至340°C，，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上相应通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有200nm叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室；
[0070]八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C左右保持4小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至lOOTorr，以2°C /min的速度升温至键合温度为260°C，键合电压为1300伏，真空度为lX10_4Pa，键合施压力为1000牛顿，键合电流调节到1mA的峰值后下降，当回路电流降到0.1mA时，完成键合过程，形成玻璃一硅一玻璃微原子气室；
[0071]九、采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜10小时，加热至98°C辅助气室使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单元。
[0072]本实施例加热辅助气室使单质铯元素汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，进而得到仅含有铯蒸汽的纯净工作气室。一个辅助气室可以根据其析出碱金属量，同时为I个或多个工作原子气室提供铯蒸汽，由于同温度下饱和铯的饱和蒸汽压一致，保证与辅助气室连通的各工作气室内铯原子量及缓冲气氛气压相同，保证了气室良好的一致性。采用全新的碱金属叠氮化物蒸发沉积的方法在气室内部形成叠氮化铯镀膜方式替代现有的化学粉料注入或化学液体注入方式，并通过控制膜厚可实现对叠氮化铯注入量的控制。
[0073]本发明提出了一种新型微型碱金属原子气室单元结构的加工工艺。其形成的微型铯原子气室单元是微结构原子磁力仪、芯片原子钟、微型原子陀螺等新原理量子传感器件的核心部件。尤其在磁阵列成像系统中，本发明提供的工艺方法更容易实现稳定的多气室阵列，在现代高科技领域有广泛的应用前景。
【主权项】
1.一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于是按下列步骤实现: 一、采用光刻腐蚀法在硅片上光刻出具有辅助气室一工作气室结构的单个气室单元，在辅助气室与工作气室之间设置有微通道，得到光刻腐蚀处理后的硅片； 二、通过热量化法在步骤一得到的光刻腐蚀处理后的硅片表面形成二氧化硅层，然后采用CVD沉积氮化硅层，得到带有掩膜层的硅片； 三、对步骤二带有掩膜层的硅片进行预热除水后，在匀胶机上对硅片表面均匀涂抹光刻胶，得到涂有光刻胶的带有掩膜层的硅片，然后进行光刻处理，光刻处理后使用浓磷酸溶液及BOE腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，打开硅片窗口得到带有硅腐蚀窗口的硅片; 四、将带有硅腐蚀窗口的硅片浸泡到质量浓度为40%的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，得到微原子气室框架结构，然后通过浸泡的方式用BOE腐蚀液及浓磷酸溶液分别去除氮化硅层和二氧化硅层，得到微原子气室框架基片； 五、使用去离子水清洗步骤四得到的微原子气室框架基片，然后置于RCA溶液和HF酸组成的混合液中浸泡0.8?1.2h，用去离子水冲洗干净后再在室温下用N2烘干，得到活化处理后的微原子气室框架基片； 六、将活化处理后的微原子气室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度为200?400°C，键合电压为800?1500伏，真空度为I X 10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成硅一玻璃半气室； 七、将硅一玻璃半气室置于沉积装置中，控制硅一玻璃半气室中玻璃表面温度至_80°C以下，遮盖板垂直位于硅一玻璃半气室下方并安装在蒸发台上，将叠氮化铯研磨成粉末，填入蒸发靶台内，然后通过真空泵将蒸发台抽至lX10_4Pa的真空环境下，对靶台加热至2500C以上，放置2?4小时后继续将蒸发靶台的温度升至310°C，叠氮化铯熔化后再将蒸发靶台的温度升至340°C，蒸发的一部分叠氮化铯通过遮盖板上的通孔沉淀到硅一玻璃半气室中辅助气室内的玻璃表面上，其余的叠氮化铯沉淀到遮盖板上，取下遮盖板后，得到镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室； 八、将第二片玻璃片放置在镀有叠氮化铯膜的硅一玻璃半气室上，然后放入真空键合装置中，共同升温至250°C，保持4?8个小时，调节键合缓冲气体气氛的压力至10?300Torr，控制键合加热温度为230?300 °C，键合电压为800?1500伏，真空度为lX10_4Pa，键合电流调节到4?1mA的峰值后下降，当回路电流降到峰值电流的十分之一以下时，完成键合过程，形成玻璃一娃一玻璃微原子气室； 九、采用紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜，将辅助气室加热至98°C使单质铯汽化，铯蒸汽由辅助气室进入工作气室，得到微型碱金属原子气室单元。2.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤六和步骤八中所述的玻璃片为Pyrex玻璃或BK7系列玻璃。3.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤二中二氧化娃层的厚度为300nm，氮化娃层的厚度为500nm。4.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤三和步骤四中所述的BOE腐蚀液由质量比为1:6的HF和NH4F混合而成。5.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤五中所述的RCA溶液由质量分数为10% NH4OH,20% H2O2和余量的H2O组成。6.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤六和步骤八键合时施加的压力为500?1500牛顿。7.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤七将蒸发靶台加热至250°C以上，控制升温速度不大于每分钟2°C。8.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤七中所述的叠氮化铯膜的厚度为10nm?500nm。9.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤八控制键合加热温度为230?300°C，控制升温的速度低于每分钟2°C。10.根据权利要求1所述的一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，其特征在于步骤九采用254nm紫外线灯照射玻璃一硅一玻璃微原子气室中的叠氮化铯膜。
【专利摘要】一种微型碱金属原子气室单元的制备方法，本发明属于微机电系统领域，它为了解决现有无法向微型碱金属原子气室内精确注入碱金属元素以及大量残留物干扰的问题。本发明微型碱金属原子气室单元的制备方法首先在硅片上光刻出单个气室单元，沉积二氧化硅层和氮化硅层，涂抹光刻胶后光刻处理打开硅片窗口，然后制备活化的微原子气室框架基片，将基片与玻璃片进行键合，使用沉积装置在硅—玻璃半气室中蒸镀叠氮化铯膜，再在硅—玻璃半气室的上表面键合第二片玻璃片，最后紫外线灯照射加热使单质铯汽化，得到微型碱金属原子气室单元。本发明采用叠氮化铯分解方法，不会产生残余物质，并能实现对叠氮化铯注入量的精确控制。
【IPC分类】B81C3/00, B82Y15/00
【公开号】CN104891431
【申请号】CN201510212065
【发明人】孙立凯, 徐兴烨, 王辉, 张鹏, 王劲松, 陈海涛
【申请人】中国电子科技集团公司第四十九研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月25日
最新回复(0)