1、2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国防技术基础科研项目(JCKY2016208A006)收稿日期:20220904基于 MEMS 技术的原子气室封装工艺李云超，党峰，辛红强，李璐，杜剑英(中国兵器工业试验测试研究院，陕西华阴714200)摘要:在基于 MEMS 技术原子气室的制备工艺中，难度较大的是碱金属的填充技术及阳极键合封装工艺，该工艺流程直接影响原子气室的质量。为进一步简化原子气室的制备工艺，设计了“双腔式”原子气室结构，采用先阳极键合，再化学反应的方法实现了原子气室批量化的封装。单个原子气
2、室体积为 6 mm4 mm25 mm，经氦气细检漏气率平均达到 5108Pam3s1，通过搭建实验平台，测得了不同温度下的原子气室 D1 线吸收谱线图，实验结果表明原子气室封装成功。关键词:芯片原子钟;原子气室;MEMS;阳极键合;吸收谱线中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02002205Atomic Vapor Cell Packaging Technology Based on MEMS TechnologyLI Yun-chao，DANG Feng，XIN Hong-qiang，LI Lu，DU Jian-ying(Weapon Industry
3、Test and Measuring Academy in China，Huayin 714200，China)Abstract:In the fabrication process of the atomic vapor cell based on the MEMS technology，the most difficult thing is thefilling of alkali metal and the anodic bonding packaging process，which directly affects the quality of the atomic vapor cel
4、lIn orderto further simplify the preparation process of the atomic vapor cell，a“dual-cavity”structure was designedBatch packaging of a-tomic vapor cell was realized by anodic bonding and then chemical reactionThe volume of a single atomic vapor cell was 6 mm4mm25 mm，and the average leakage rate reac
5、hed 5108Pam3s1through helium fine detectionBy building the experi-mental platform，the absorption spectra of D1 line of the atomic vapor cell at different temperatures were measured，the test resultsshow that the atomic vapor cell is successfully packagedKeywords:chip-scale atomic clock;vapor cell;MEM
6、S;anodic bonding;absorption spectra0引言随着量子传感技术和微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)加工技术的发展，磁力仪、陀螺仪、原子钟等原子传感器向微型化方向发展13。基于相干布居囚禁原理(coherent population trapping，CPT)的原子钟，其物理部分去掉了微波谐振腔，很好地解决了微波原子钟体积大、功耗高、难以集成化等问题，而成为原子钟微型化的发展方向46。CPT 原子钟的主要工作原理是通过相干双色光与原子气室内部碱金属原子相互作用产生标准的频率参考，因此原子气室是 CPT 原子钟的核心
7、物理部件，不仅要求能够耐高温、无磁性、不能与原子发生反应，还必须气密性极佳，其制作工艺直接决定了原子钟的体积与功耗79。因此，原子气室的封装及小型化是原子钟微型化的关键。由于碱金属在常温下是熔融的状态，其化学性质非常活泼，极易与周围环境中的氧气和水分子发生化学反应，因此碱金属的填充必须要在真空或密封厌氧的环境中进行10。此外，硅玻璃阳极键合温度通常在 300 以上，容易导致碱金属气化，气室中剩余的碱金属原子数目过少。同时，在高温阳极键合过程中，气化的碱金属容易粘结在硅片和进行第二面键合的玻璃之间，进而影响阳极键合的质量，因此原子气室制备的关键是碱金属填充工艺11。当前碱金属填充工艺主要包括:原
8、位化学反应法、碱金属单质直接填充法、光分解法、电化学分解法、石蜡包裹法等。其中，原位化学反应法操作虽简单，但在高温阳极键合过程中存在可逆反应，使碱金属含量减少，缩短气室寿命;碱金属单质直接填充法虽避免了杂质的干扰，但在高温条件下，碱金属原子容易气化粘结在气室内壁上，影响键合质量;光分解法虽避免了杂质的干扰，但存在反应时间较长的不足;电化学分解法与石蜡包裹法碱金属的质量和纯度很难控制，制作成本较高，工艺难度较大，不能广泛普及使用1216。为进一步简化原子气室的制备工艺，本文通过结合第 2 期李云超等:基于 MEMS 技术的原子气室封装工艺23原位化学反应法操作简单、易于集成化制作和光分解法无杂质
9、干扰的优点，设计了“双腔式”结构，采用先阳极键合，再光分解化学反应生成碱金属气体单质的方法实现了原子气室的批量化封装。实验结果分析表明，原子气室具有良好的气密性。同时通过搭建实验平台，测得原子气室在不同温度下的的 D1 谱线吸收信号，证明该工艺方案对批量化制备原子气室是可行的。1材料选择与结构设计11材料选择原子气室的结构材料不能与碱金属原子发生化学反应，还必须透光性好且具有一定的耐热性。此外，由于高温阳极键合过程中产生的热应力容易导致键合层面的破裂或断裂，因此气室材料选择的首要条件为 2 种材料的热膨胀系数是否匹配17。实验选用4 英寸 P 型100双面抛光硅片作为原子气室的结构材料，电阻率
10、为 110 m，厚度为 15 mm;玻璃采用与硅片热膨胀系数非常接近的 BF33 耐高温玻璃，厚度为 500 m。为保证阳极键合质量，玻璃和硅晶圆均具有良好的表面粗糙度和平整度。12结构设计原子气室结构设计如图 1 所示，采用“玻璃硅玻璃”三明治结构，气室结构由 2 个大小不同的空腔组成。其中，左边的空腔作为化学反应腔，用来填充b 释放剂，尺寸为 1 mm1 mm;右边的空腔作为光学作用腔，用来填充反应生成的铷碱金属单质，尺寸为2 mm2 mm。为避免反应腔与光学作用腔之间的通道容易被化学反应杂质堵塞，2 个腔室通过 3 条“梳齿式”微通道相连，微通道深度为 03 mm，宽度为 01 mm。原
11、子气室整体尺寸为 6 mm4 mm25 mm。图 1双腔式原子气室结构设计示意图基于 MEMS 工艺微型原子气室制作的关键工艺是如何将碱金属在真空环境下填充进反应腔室中。实验中，为避免碱金属 b 元素在高温阳极键合过程中容易气化的问题，通过结合原位化学反应法不需要直接对碱金属元素直接操作，具有工艺简单的优势和光分解法无反应杂质干扰的优点，利用 b 释放剂(al-kali metal dispensers，AMDs，SAES getters company，直径约1 mm，高度约1 mm)提前将铷化合物和还原剂封装，采用先阳极键合实现气室结构封装，再光学分解b 释放剂在高温条件下发生化学反应生成
12、碱金属气体的方式来实现原子气室的制备，反应原理如下18:b2CrO4+Zr3Al2 高温加热2b()+3ZrO2+Al2O3+nCrxOy其中，b 释放剂在 800(阳极键合温度为 500)的温度下具有很好稳定性，可有效避免原子气室第二面阳极键合过程中温度过高，碱金属原子气化导致碱金属原子数目较少及碱金属气化溢出粘附在阳极键合界面上造成气室键合强度较低的不足。同时，在该化学反应过程中，反应仅生成铷元素一种气体，铷气体可通过“梳齿式”微通道进入光学窗口中，其余反应生成物均为氧化物固体，在1 000 内均具有良好的稳定性，且该反应完成后几乎不存在可逆反应，可有效保证光学窗口中的碱金属原子纯度。2工
13、艺流程原子气室制造工艺流程如图 2 所示，主要包括 4个步骤:深硅离子刻蚀工艺、缓冲气体填充、阳极键合及激光分解 b 释放剂。21原子气室结构阵列的制备为保证刻蚀质量，实验中首先使用 CA 标准清洗法去除掉硅晶圆表面的颗粒及污染物，然后利用匀胶机在硅晶圆表面匀一层 12 m 厚的光刻胶(AZ4620正胶)，如图 2(b)所示，再经 120 前烘处理 3 min 使光刻胶固化后，利用光刻机(EVG 610)将原子气室掩膜版图形转移到光刻胶介质层上，经过后烘及显影后在硅晶圆表面得到原子气室阵列，显影结果如图 3(a)所示。随后对硅晶圆进行深硅离子刻蚀(SPTS LPXDSI)，如图 2(d)图 2
14、(g)工艺流程所示。为减小硅刻蚀负载效应，提高刻蚀效率并增加硅晶圆表面的均匀性，实验中采用了沟槽双面套刻工艺，主要进行正面刻蚀和背面刻蚀 2 个步骤。在硅晶圆正面刻蚀至1 000 m 后，清洗掉硅晶圆正表面残余的光刻胶，然后在硅晶圆背面匀一层 10 m 的光刻胶，经过前烘处理后，将掩模版置于光刻机托盘上，利用光刻机显微镜抓拍掩模版上的“双十字”对准标记，在确保掩膜板位置不再移动的前提下将硅晶圆置于光刻机上，调节硅晶圆的位置使正面图形上的对准标记与掩膜版上“双十字”对准标记完全重合后，实现掩模版和样片的24Instrument Technique and SensorFeb2023图 2基于深硅
15、刻蚀与阳极键合工艺的原子气室制备流程正面套刻对准，并完成对硅晶圆背面的曝光;随后继续重复前烘、光刻、显影、后烘操作，最后再经背面深硅离子刻蚀 500 m 深度。完成双面深硅刻蚀步骤后，去除掉硅晶圆上碎片残留，如图 2(f)所示。然后将刻蚀后硅晶圆清洗吹干，再利用喷胶机(SC500)在硅晶圆正表面上喷一层 8 m 的光刻胶，继续重复光刻、后烘、深硅离子刻蚀等步骤，在 2 个腔室之间得到3 条宽 1 m、深 300 m 微通道结构，如图 2(g)所示，刻蚀结果 SEM 图如图 3(b)所示;最终去除掉硅晶圆表面残存的光刻胶得到第1 次阳极键合之前的原子气室结构阵列，如图 4 所示。(a)显影后的硅
16、晶圆表面的原子气室阵列(b)单个原子气室结构 SEM 图图 3原子气室结构阵列及单个原子气室结构图 4深硅刻蚀完成后的原子气室阵列22第 1 次阳极键合将玻璃晶圆(BF33)与硅晶圆顺序放在阳极键合机的加热托盘上，并将键合腔内抽至真空(约 105Pa)，随后在晶片上施加约1 200 N 的压力使晶片紧密贴合，并加热至 400 左右保持 2 min。键合过程中，采用阶梯式的加压方式对键合晶片施加电压，从 200V 逐渐升至1 000 V，每次增加 200 V，持续时间约 100s，经过 3 个循环后在键合腔室注入冷却水使晶圆快速冷却，完成第 1 次阳极键合，如图 2(h)所示，阳极键合过程中的电流电压变化曲线图如图 5 所示。图 5阳极键合过程中的电流电压变化曲线图23放入 b 释放剂及冲入缓冲气体将 b 释放剂(常温下很稳定)逐个放置在反应腔内部，并将键合腔内部抽至真空(约 1 Pa)，随后将提前按照比例混合好的缓冲气体 Ar 与 N2的混合气体冲入键合腔室内部，待腔内内部压强约 10 kPa 后，进行第 2 次阳极键合，重复第 1 次阳极键合的操作，经过3 个循环后将晶圆在 450
