[發明專利]在片實現芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法

有效

• 申請號: 201410067976.0
• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN103864007A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 朱健;何愛文
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術領域

本發明涉及的是一種在片實現芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法。

背景技術

?人類的日常生活、科研、導航及測繪等等工作都離不開時間。時間的計量涉及兩個量——歷元和時間間隔。任何具有周期性變化規律的自然現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律來發明日冕以確定時間的變化，到后來出現的沙漏計時、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律的自然現象來測量時間的。

原子鐘作為現在最為精確的計時工具之一，從最先的上世紀30?年代理論提出，到實物的出現，逐漸的在國防、科研領域得到越來越多的應用。近年來，用MEMS（Micro-Electro-Mechanical?Systems）技術制作的芯片級微型原子鐘己經開始發展，這將突破接收者時鐘的性能，更加廣泛的應用到各種計時頻標中，將對社會產生革命性的影響。

原子鐘是通過原子基態的超精細能級間的躍遷輻射頻率來實現精確計時的工具。基于CPT（Coherent?Population?Trapping）現象的微型原子鐘是原子鐘微型化發展的必然趨勢，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鍵性的作用。

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，這種方法需要復雜的大型真空工藝設備和嚴格的真空環境，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，通過化學反應產生相應的堿金屬，這種方法需要嚴格控制注入泡體的化合物量，同時反應殘留的雜質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，難以實現批量化生產。

發明內容

本發明提出一種在片實現芯片級原子鐘吸收泡的高純度堿金屬填充方法，其目的旨在克服現有技術制作原子鐘吸收泡過程中由于堿金屬極易氧化而導致的困難。本發明通過圓片級填充和局部反應的方法，實現同時填充晶圓上所有吸收泡，滿足原子鐘批量化生產的要求，具有成本低效率高等特點。

本發明的技術解決方案：一種在片實現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MEMS?ICP刻蝕技術，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；?

3）通過單獨調節放置腔的溫度來控制堿金屬化合物化學反應的強度，實現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；

4）經過預制的流動臨時微通道，利用對吸收泡腔局部冷卻將氣態堿金屬固化凝結在吸收泡腔體中；

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，發生彎曲，消除預制的流動臨時微通道，實現所有吸收泡的同時密封。

本發明的優點：工藝簡單，能夠快速低成本的實現原子鐘堿金屬吸收泡的大規模生產。

附圖說明

圖1a是利用MEMS?ICP刻蝕技術，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。

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。

圖1c是通過調節堿金屬放置腔103的溫度使堿金屬化合物分解產生氣態堿金屬，經過預制的流動臨時微通道，并對吸收泡腔局部冷卻將氣態堿金屬固化凝結在吸收泡腔體中的示意圖。

圖1d是實現所有堿金屬吸收泡腔體密封的示意圖。

圖2是單個原子鐘堿金屬吸收泡示意圖。

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

在片實現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:?