[發(fā)明專利]一種芯片原子鐘的MEMS原子腔的制作方法

有效

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• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107840305B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設計）人: 張振偉;陳星;楊仁福
• 申請（專利權）人: 北京無線電計量測試研究所
• 主分類號: B81C3/00
• 分類號: B81C3/00;B81C1/00;G04F5/14
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 付生輝

本發(fā)明公開了一種芯片原子鐘的MEMS原子腔的制作方法，利用槽型蓋板與硅片形成一個密封腔體，使疊氮化鋇BaN₆和氯化銣RbCl反應生成的銣蒸汽與反應殘渣分離，得到純凈的銣原子MEMS腔，提高了MEMS原子腔的透光性；通過對陽極鍵合機內(nèi)的壓強進行精確控制，使陽極鍵合機內(nèi)的壓強略高于MEMS腔體內(nèi)壓強，保證了在第二層硅?玻璃陽極鍵合的過程中銣蒸汽不會泄漏，既保證了MEMS腔體內(nèi)的充銣量又防止銣原子對鍵合界面的污染，提高了陽極鍵合的強度，同時提升了MEMS原子腔的性能。通過采用本發(fā)明的制作方法，可以去除MEMS原子腔內(nèi)的雜質(zhì)，透光性好，并提高MEMS原子腔的成品率。

技術領域

本發(fā)明涉及原子鐘技術領域，具體涉及一種芯片原子鐘的MEMS原子腔的制作方法。

背景技術

芯片原子鐘是一種精密時間計量儀器，由于其體積小、重量輕、功率消耗小、啟動速度快等優(yōu)點，可廣泛應用于定位、導航、通信、軍事等多個領域。

芯片原子鐘的物理系統(tǒng)微型化設計采用微機電加工(MEMS)工藝，將物理系統(tǒng)的微型原子氣室、微光學系統(tǒng)、微型磁場線圈、磁屏蔽結構及保溫結構作為整體進行加工。MEMS工藝制作的微型物理系統(tǒng)，利用熱量集中的優(yōu)勢降低功耗。

在CPT原子頻標的微型化設計中，微型物理系統(tǒng)是決定性因素。物理系統(tǒng)體積受限于原子腔，因此制作微尺寸的原子腔是減小物理部分體積的關鍵。而MEMS原子腔的研制也是最核心、研究難點最大的部分。原子氣室越小，它加熱到指定溫度所需要的能量就越小，可以大大降低芯片原子鐘的功耗。

目前制造微型原子氣室的主流技術是硅-玻璃陽極鍵合技術，其主要制作工藝為：KOH腐蝕厚硅片刻蝕出通孔并與Pyrex玻璃鍵合，腔體中充入堿金屬和混合緩沖氣體，再在硅片的另一面與Pyrex玻璃二次鍵合，最后劃片分離出微型原子氣室。

MEMS原子腔制作的關鍵是充銣充氣技術。由于銣原子的熔點低，只有39.3℃，在幾百度的陽極鍵合溫度下，氣化的堿金屬會大量的從硅片小孔中溢出，造成氣室中殘留堿金屬原子數(shù)目不足；同時沉積在鍵合界面上的原子還可能對鍵合效果產(chǎn)生不良的影響。此外堿金屬的化學性質(zhì)極其活潑，容易和大氣中的氧氣和水蒸汽發(fā)生反應。這就對鍵合環(huán)境的含氧度和濕度提出了更高的要求。

比較常用的充銣技術是采用疊氮化鋇BaN6和氯化銣RbCl原位化學反應法來生成銣，其化學反應式如下：

但反應生產(chǎn)的BaCl₂和Ba雜質(zhì)會吸附在玻璃表面，遮擋了入光口，影響MEMS原子腔的透光性能。

發(fā)明內(nèi)容

為解決以上至少之一的技術問題，本發(fā)明提供一種芯片原子鐘的MEMS原子腔的制作方法，可有效解決充銣充氣過程中產(chǎn)生的銣蒸汽泄漏問題以及透光率低的問題，大大提高MEMS原子腔的成品率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種芯片原子鐘的MEMS原子腔的制作方法，包括以下步驟：

S1、對硅片進行打孔并清洗；

S2、將硅片和第一玻璃片放入陽極鍵合機進行第一層硅-玻璃鍵合，形成硅-玻璃片；

S3、將疊氮化鋇(BaN₆)和氯化銣(RbCl)的混合溶液滴入硅片最外圈的孔內(nèi)，并將溶液烘干放入陽極鍵合機；在所述硅-玻璃片上蓋上槽型蓋板，并在槽型蓋板與硅-玻璃片之間墊上墊片，加熱并抽真空，使疊氮化鋇分解，同時將分解生成的N₂抽走；

S4、撤掉墊片，下降頂層壓力頭，施加壓力使硅-玻璃片與槽型蓋板緊密接觸形成密封腔體；

S5、向陽極鍵合機腔體內(nèi)充入氮氣，使得硅-玻璃片與槽型蓋板形成的密封腔體內(nèi)壓強小于密封腔體外壓強；加熱生成銣單質(zhì)，并使銣蒸汽充滿所述密封腔體；