專利名稱：圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))封裝技術(shù)，尤其涉及一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前原子鐘是最精準(zhǔn)的人造鐘，原子鐘測量時(shí)間的精確度可以達(dá)到十億分之一秒甚至更高。原子鐘量子躍遷的特殊類型是超精細(xì)躍遷，超精細(xì)躍遷涉及原子核磁場和核外電子磁場的相互作用。從原理上講，原子鐘的原理已經(jīng)基本清楚，目前發(fā)展的主要方向有兩個(gè)方面一方面提高原子鐘在精度方面的性能；另一方面，就是在保證其性能的前提下將其小型化。目前，世界上最精準(zhǔn)的原子鐘在美國科羅拉多，其體積有一輛小汽車那么大。GPS 和通信衛(wèi)星等對(duì)于原子鐘有迫切的需求，因此如何減小體積和重量，同時(shí)降低其功耗，并具有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，是目前的主要技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有部分芯片級(jí)原子鐘設(shè)計(jì)，采用中間為通孔硅片兩邊為玻璃的三明治結(jié)構(gòu)作為原子腔，然后在其上下設(shè)有原子鐘的其它部件。這種方法的缺點(diǎn)在于，原子腔需要兩次鍵合，因此其鍵合的密封效果將會(huì)降低，工藝也更加復(fù)雜，成本更高。另一方面這種方案采用堆疊式結(jié)構(gòu)，容易造成體積龐大，組裝較為困難，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。還有一種設(shè)計(jì)時(shí)在單面腐蝕的硅槽內(nèi)設(shè)有反光面，因此激光進(jìn)入玻璃腔內(nèi)被反射出來，從而檢測原子的超精細(xì)躍遷。這種方法設(shè)計(jì)的問題在于組裝較為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于反光面的設(shè)計(jì)要求較高，因此成本較高。由于低成本的GPS領(lǐng)域的發(fā)展需求，亟需一種低成本并具有高性能的微型原子鐘及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝方法簡單、成本低廉、密封性好、所有結(jié)構(gòu)都處于一個(gè)平面內(nèi)的圓片級(jí)微型原子鐘的玻璃微腔封裝方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，包括激光發(fā)生器1、濾波器5、四分之一波片6、密閉原子腔3和激光探測器2，其特征在于，硅襯底32與具有球形玻璃微腔31結(jié)構(gòu)的玻璃組裝圓片4通過鍵合形成密閉原子腔3，激光發(fā)生器1、濾波器5、四分之一波片6激光探測器2均設(shè)于玻璃組裝圓片4上，密閉原子腔3內(nèi)密封有原子鐘所必需的氣體，球形玻璃微腔31的兩邊組裝有激光發(fā)生器1與激光探測器2，激光發(fā)生器 1與球形玻璃微腔31之間還依次組裝有濾波器5和四分之一波片6，激光發(fā)生器1發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器5和四分之一波片6后能夠被激光探測器2所探測到，球形玻璃微腔31周圍設(shè)有加熱器33，上述加熱器33、激光發(fā)生器和激光探測器均設(shè)有與外界連接的引腳。至少設(shè)有2個(gè)激光探測器。所述反應(yīng)物為氫化鈦。一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟
第一步，采用正壓熱成型方法在玻璃4上制備球形玻璃微腔31，在制備球形玻璃微腔31的同時(shí)在刻有微槽的硅襯底32與球形玻璃微腔31形成的密閉原子腔3中形成原子鐘所必要的氣體；
第二步，在球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4上制備加熱器33 ；
第三步，將激光發(fā)生器1，激光探測器2，濾波器5和四分之一波片6分別組裝到球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4相應(yīng)的位置上；
第四步，制備加熱器33、激光發(fā)生器1和激光探測器2的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。所述制備第一步所述的密閉原子腔3的正壓熱成型方法為在硅圓片上刻蝕形成特定尺寸的微槽陣列，在微槽陣列內(nèi)放置能生成原子鐘所必需氣體的反應(yīng)物，將上述刻有微腔的硅圓片與硼硅玻璃圓片在特定氣氛條件下進(jìn)行陽極鍵合，使硼硅玻璃圓片與上述特定圖形形成密封腔體，將上述鍵合好的圓片在空氣中加熱至790°C、00°C，保溫3、min，所述反應(yīng)物放出氣體在腔內(nèi)外形成壓力差，使軟化后的玻璃成型形成球形玻璃微腔31，同時(shí)在密閉原子腔3內(nèi)反應(yīng)形成原子鐘所必要的氣體，冷卻，再在常壓下退火消除應(yīng)力，形成微型原子鐘的密閉原子腔3。所述硼硅玻璃為pyreX7740玻璃，所述的鍵合為陽極鍵合，工藝條件為溫度 400° C，電壓600V。第二步所述的加熱器是金屬電阻絲。硅圓片上微槽陣列的刻蝕方法為濕法腐蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。本發(fā)明獲得如下效果
1.本發(fā)明利用了在平面玻璃上成型的球形玻璃微腔高出玻璃組裝圓片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將原子鐘的所需的所有光學(xué)部件組裝在玻璃組裝圓片上，從而使得激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光能夠在依次通過濾波器和四分之一波片，再通過玻璃微腔后進(jìn)入激光探測器中，結(jié)構(gòu)更為簡單，體積更小，實(shí)現(xiàn)了圓片級(jí)制作。通過調(diào)整激光發(fā)生器的頻率使其與原子腔內(nèi)原子的超精細(xì)躍遷頻率相匹配，并被激光探測器探測到，激光探測器將得到的信號(hào)反饋給激光發(fā)生器使其調(diào)整頻率以接近超精細(xì)躍遷頻率。本發(fā)明將所有部件組裝在平面玻璃上，充分利用了玻璃微腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，避免了現(xiàn)有技術(shù)中間需要進(jìn)行多層堆疊組裝而體積較大而且密封性不好的缺點(diǎn)(多層堆疊的原子腔往往是三明治結(jié)構(gòu)，需要兩次鍵合，因此密封性較差；反射激光型原子鐘也采用多層組裝的方法，其體積較大，而且由于反射面制作困難，探測的效果并不理想)，適合圓片級(jí)制作。此外，在平面上組裝上述組件，可以充分利用MEMS(微機(jī)電) 光刻技術(shù)，使得光路更容易對(duì)準(zhǔn)，提高檢測精度。通過本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)封裝級(jí)微型原子鐘芯片的制作。2.本發(fā)明通過在成型球形玻璃微腔所需的硅槽內(nèi)預(yù)放置生成原子鐘所必需的工作氣體的反應(yīng)物，在形成球形玻璃微腔的同時(shí)，在原子腔內(nèi)生成原子鐘所必需的原子氣體 (工作氣體)，球形玻璃微腔成型、密封氣體一步完成，具有密封性好的特點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)往往需要在硅上打孔，放置銣，并充入必要的緩沖氣體，然后再進(jìn)行二次鍵合密封，因此密封性較差，容易造成泄漏。3.加熱器設(shè)置于球形玻璃微腔周圍，使得玻璃微腔能夠被有效的加熱，避免過多的熱損耗，因此降低了功耗。將加熱器設(shè)置于球形玻璃微腔上，使得玻璃熱成型時(shí)同時(shí)形成
4.本發(fā)明提供一種新型芯片級(jí)微型原子鐘加工技術(shù)，由于組成原子鐘的關(guān)鍵組件球形蒸汽腔的形狀和尺寸可調(diào)，因此可望進(jìn)一步減小原子鐘的體積，從而降低功耗。因而該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高密度集成加工，此外該技術(shù)還具有密封微腔制作過程簡單、封裝應(yīng)力較小、密封性較好、球形玻璃微腔本身具有很好的光信號(hào)通道的優(yōu)點(diǎn)。5.本法制備的玻璃微腔的尺寸從幾十微米至幾千微米的尺度范圍內(nèi)可控，可同時(shí)制備尺寸一致或者不同形狀微腔，具有低成本的優(yōu)勢；本發(fā)明制備的玻璃微腔所用的材料為PyreX7740玻璃，具有與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，用該密閉腔體封裝引入的應(yīng)力較小，氣體不容易泄露，具有更高的可靠性。6.本發(fā)明制備的玻璃微腔可通過密封性能較好的陽極鍵合工藝與襯底硅片進(jìn)行鍵合，適合于真空(或氣密性)封裝；本發(fā)明制備的球形玻璃微腔有較多的光學(xué)窗口，因此可以實(shí)現(xiàn)簡單的泵壓力配置和與其他的MEMS組件在垂直和水平方向集成，減小了原子鐘尺寸；本發(fā)明制備的原子鐘原子腔的球形結(jié)構(gòu)減小了原子自身所產(chǎn)生的磁場效應(yīng)，避免其對(duì)超精細(xì)躍遷效應(yīng)的影響，提高了檢測精度，降低了功耗。本發(fā)明制備的球形原子鐘蒸汽腔防止了原子被限制在腔的角落處，因此能夠獲得更多的躍遷原子信息，大大提高檢測精度。7.本發(fā)明中緩沖氣體和堿性原子是在玻璃球腔制備的過程中加入的，只用了一次陽極鍵合，工藝過程簡單，降低生產(chǎn)成本；本發(fā)明中整個(gè)系統(tǒng)采用二維結(jié)構(gòu)，減小了原子鐘的體積。8.本發(fā)明中制作的玻璃微腔采用濕法腐蝕或干法刻蝕，不需要刻蝕較大的深度， 這樣降低了制備時(shí)間，降低了成本。本發(fā)明中刻有微槽的硅片與玻璃的陽極鍵合具有很高的強(qiáng)度，密閉性好的特點(diǎn)，在加熱過程中不易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致成型失敗。在溫度400°C，電壓直流600V的鍵合條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。9.本發(fā)明中采用的退火工藝可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高溫正壓成型過程中形成的應(yīng)力，從而使其強(qiáng)度韌性更高。退火溫度為550°C 570°C范圍內(nèi)，保溫時(shí)間為30min，然后緩慢冷卻到室溫。在該條件下退火，既能有效退去應(yīng)力，還能夠使得微腔的形狀基本無改變，而退火溫度過高易導(dǎo)致微腔形狀發(fā)生變化不利于后道的封裝，而過低的退火溫度則無法有效去除玻璃內(nèi)部應(yīng)力。10.采用一次成型大于半球的玻璃微腔作為存儲(chǔ)工作物質(zhì)銣、銫等，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在于，相對(duì)于小于半球的玻璃微腔，大于半球的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其內(nèi)部的原子能夠與激光具有充分的相互作用，得到的信號(hào)更強(qiáng)，因而提高原子鐘的靈敏度。在MEMS制造技術(shù)領(lǐng)域，使用MEMS微加工技術(shù)可以在硅片上緊密加工出圓形微槽， 然后使用Pyrex7740玻璃(一種含有堿性離子的玻璃，Pyrex是Corning公司的產(chǎn)品品牌) 在真空條件下與刻有微槽(槽內(nèi)放置熱釋氣劑)的硅片進(jìn)行鍵合實(shí)現(xiàn)密封，加熱熔融制備玻璃，由于微腔內(nèi)釋放出氣體，所以玻璃被向腔外吹起，這樣就可以制備透光率很好的玻璃球腔結(jié)構(gòu)。玻璃作為無機(jī)材料，對(duì)可見光有很高的通過率，熱穩(wěn)定性很好，不易老化失效，防潮性能優(yōu)異。


圖1原子鐘整體設(shè)計(jì)的側(cè)面示意圖。圖2原子鐘整體設(shè)計(jì)的俯視示意圖。圖3為刻蝕有圖案的硅圓片截面示意圖。圖4為刻蝕有圖案的硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片鍵合后的圓片截面示意圖。
圖5為硅圓片與玻璃圓片鍵合片加熱成型后的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟第一步，采用正壓熱成型方法在玻璃4上制備球形玻璃微腔31，在制備球形玻璃微腔31的同時(shí)在刻有微槽的硅襯底32與球形玻璃微腔31形成的密閉原子腔3中形成原子鐘所必要的氣體；第二步， 在球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4上制備加熱器33 ；第三步，將激光發(fā)生器1，激光探測器 2，濾波器5和四分之一波片6分別組裝到球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4相應(yīng)的位置上； 第四步，制備加熱器33、激光發(fā)生器1和激光探測器2的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。上述技術(shù)方案中所提到的濾波器5的主要作用是將VCSEL(激光發(fā)生器)發(fā)射出的相干光中的噪聲畸變和污染過濾掉，提取原始信號(hào)所攜帶的信息。上述技術(shù)方案中所提到的四分之一波片6的主要作用是將VCSEL發(fā)射出的相干光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。上述技術(shù)方案中所提到的加熱器的主要作用是給密閉的原子鐘腔提供恒定的溫度，保證原子腔內(nèi)的堿金屬保持在汽化狀態(tài)，使得原子腔內(nèi)的原子處于特定的狀態(tài)，并保持穩(wěn)定，原子鐘的原理是相干布局囚禁原理(CPT)。上述技術(shù)方案中，至少設(shè)有2個(gè)激光探測器，激光探測器處于激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光穿過原子腔后的光路上。原子鐘所必需的氣體，或者稱之為工作氣體 (主要是堿金屬氣體和緩沖氣體)，例如是銣、銫的蒸汽和緩沖氣體，緩沖氣體主要是 8 5 %氮?dú)猓?0 %氫氣，5 % 二氧化碳。選擇可以產(chǎn)生堿金屬氣體和緩沖氣體的物質(zhì)(如 SoftTe + CtO ^ 13iV2 然后再加一部分氫化鈦和碳酸鈣釋氣劑)作為反應(yīng)物，將其
與發(fā)泡劑(氫化鈦或者碳酸鈣)同時(shí)加入，即在玻璃與帶有槽的硅鍵合前加入，也可以在熱成型后打開腔，再將上述反應(yīng)物加入?？梢詫⒎磻?yīng)物加熱到其所需要的溫度進(jìn)行反應(yīng)，從而獲得所需要的氣體。球形玻璃微腔熱成型過程中，氫化鈦和碳酸鈣熱分解產(chǎn)生的氣體和銣、 銫等氣體，以及緩沖氣體等全部氣體的壓力作為玻璃熱成型的動(dòng)力。因此，可以根據(jù)實(shí)際需成型的球形玻璃微腔的大小以及必需的銣、銫、緩沖氣體的體積來估算氫化鈦的用量。例如在硅腔中添加盜《^β 0. 1777mg, CsO :0. 1355mg,Iiff4 (). 007792mg, CoCC^ :0. 01419mg， 具體的添加方法見后面的實(shí)施例3-4。上述步驟為了制備原子鐘核心芯片部分，在制備原子鐘成品時(shí)，還需要將上述封裝級(jí)的芯片與原子鐘的其它部件，按照現(xiàn)有公開文獻(xiàn)的方案，與高頻磁場等原子鐘工作所需要的常規(guī)部件整合在一起，有時(shí)根據(jù)需要還對(duì)其進(jìn)行真空封裝，以將原子鐘芯片進(jìn)行熱隔離，從而使其消耗的功率更小。實(shí)施例2
一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟 第一步，采用正壓熱成型方法在玻璃4上制備球形玻璃微腔31，在制備球形玻璃微腔 3的同時(shí)在刻有微槽的硅襯底32與球形玻璃微腔31形成的密閉原子腔3中形成原子鐘所必要的氣體(例如銣蒸汽和緩沖氣體)，通過RbCl和M6反應(yīng)生成單質(zhì)銣，將RbCl加入到 15%的BaN6溶液中得到物色透明的液體，將液體滴入到硅腔陣列中，加熱蒸發(fā)掉水分得到
白色固體，然后再真空下將溫度調(diào)節(jié)到120° C以上使得AiWe分解得到Ba，同時(shí)生成氮?dú)忉尫?，持續(xù)一段時(shí)間后將溫度升高到400° C加電鍵合。第二步，在球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4上制備加熱器33，加熱器可由電阻絲 (例如鎳鉻絲)；
第三步，將激光發(fā)生器1，激光探測器2，濾波器5和四分之一波片6分別組裝到球形玻璃微腔周圍的平面玻璃4相應(yīng)的位置上；
第四步，制備加熱器33、激光發(fā)生器1和激光探測器2的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。上述技術(shù)方案中，制備第一步所述的密閉原子腔3的正壓熱成型方法為在硅圓片上刻蝕形成特定尺寸的微槽陣列，在微槽陣列內(nèi)放置能生成原子鐘所必需氣體的反應(yīng)物 (例如_和RbCl)，將上述刻有微腔的硅圓片與硼硅玻璃圓片在特定氣氛條件下進(jìn)行陽
極鍵合，使硼硅玻璃圓片與上述特定圖形形成密封腔體，將上述鍵合好的圓片在空氣中加熱至790°C、00°C，保溫;T8min，所述反應(yīng)物放出氣體在腔內(nèi)外形成壓力差，使軟化后的玻璃成型形成球形玻璃微腔31，同時(shí)在密閉原子腔3內(nèi)反應(yīng)形成原子鐘所必要的氣體，冷卻， 再在常壓下退火消除應(yīng)力，形成微型原子鐘的密閉原子腔3。所述反應(yīng)物為 M6 和RbCl。 反應(yīng)機(jī)理是
BsN6 = BaΛ Ν^,ΒαΛ 2RhCl =2Rb+BaCl7o 所述硼硅玻璃為 pyreX7740 玻璃，所述的鍵
合為陽極鍵合，工藝條件為溫度400° C，電壓600V。第二步所述的加熱器是金屬電阻絲。 所述的硅圓片上微槽陣列的刻蝕方法為濕法腐蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。上述步驟為了制備原子鐘核心芯片部分，在制備原子鐘成品時(shí)，還需要將上述封裝級(jí)的芯片與原子鐘的其它部件，通過引線鍵合等方式進(jìn)行互聯(lián)，并按照現(xiàn)有公開文獻(xiàn)的方案，與高頻磁場等整合在一起；有時(shí)還需要對(duì)其進(jìn)行真空封裝，以將原子鐘芯片進(jìn)行熱隔離，從而使其消耗的功率更小。
實(shí)施例3 圓片級(jí)玻璃透鏡微腔的制造方法一種圓片級(jí)玻璃透鏡微腔的制造方法，包括以下步驟
第一步，利用Si微加工工藝在Si圓片(例如4英寸圓片)上刻蝕形成特定圖案，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝、或者干法感應(yīng)耦合等離子體(ICP)亥Ij 蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種，該圖案可以是方形或圓形槽陣列，也可以是多個(gè)不同的圖形，(實(shí)際上三維上看，刻特定圖案是在硅片上刻槽，二維上是圖案)， 微槽的深寬比可以小于1 :1，也可以大于1 :1，例如2 :1，3 :1，4 1,7 :1，10 :1，15 :1，20 :1， 25 :1，深寬比較高的玻璃微腔將會(huì)給玻璃提供更多的流變空間，從而為封裝腔的尺寸提供更多的選擇，
第二步，將上述Si圓片的微槽內(nèi)放置一定量的熱釋氣劑(可以為氫化鈦、碳酸鈣等)，譬如質(zhì)量為0. Img, 0. 5mg, lmg, 1. 5mg, 2mg,再與Pyrex7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，通常已經(jīng)經(jīng)過拋光，其尺寸與Si圓片相同) 在真空條件下進(jìn)行鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面粗糙度。第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至740V、90°C，在該溫度下保溫 3 8min，例如溫度可以選取為 750 V，770 V，780 V，790 V，820 V，830 V，840 V， 845°C，850°C，855°C，860°C，870°C，880°C，890°C，保溫 3 8min，時(shí)間可以選取為3. 2min, 3. 5min,3. 8min,4min,4. 2min,4. 4min,4. 8min, 6min, 7min, 7. 5min,腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體外吹起形成球腔，從而形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的微腔結(jié)構(gòu)，冷卻到較低的溫度，如20-25°C，例如為22°C，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，該常壓是指一個(gè)大氣壓。上述技術(shù)方案中，所述的Si圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，典型工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在550 V 570 V中，退火溫度可以選取為550 V，555 V，560 V，565 V，退火保溫時(shí)間為 30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(例如25°C )。本發(fā)明的優(yōu)選方案如下上述技術(shù)方案中，所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝可以為濕法腐蝕工藝。所述Si圓片的硅圓片上刻槽的方法可以是用反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在 5500C飛70°C中，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第一步中刻蝕的圖案為大于1 :1的深寬比的圖案。第一步中刻蝕的圖案深寬比為20 :1。實(shí)施例4圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法
一種圓片級(jí)玻璃透鏡微腔的制造方法，包括以下步驟
第一步，利用25%的TMAH溶液濕法腐蝕方法，在4英寸Si圓片上刻蝕形成特定圖案 (實(shí)際上三維上看，是在硅片上刻槽，二維上是圖案)，該圖案是方形槽陣列，硅片經(jīng)過拋光，
第二步，將上述Si圓片的微槽內(nèi)放置一定量的熱釋氣劑，再與相同尺寸的G英寸) Pyrex7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，已經(jīng)經(jīng)過拋光)在真空條件下進(jìn)行鍵合，鍵合在EVG-501陽極鍵合機(jī)上進(jìn)行，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)陽極鍵合的要求，
第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至850°C，在該溫度下保溫％iin，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體外吹起形成球腔，從而形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的微腔結(jié)構(gòu)，冷卻到常溫25°C，將上述圓片在一個(gè)大氣壓下退火消除應(yīng)力，上述技術(shù)方案中，所述的Si原片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C， 電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在550°C飛70°C中，退火溫度可以選取為560°C，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫25°C。本發(fā)明通過MEMS加工制造技術(shù)Si片與Pyrex7740玻璃的陽極鍵合工藝，再利用真空正壓熱處理工藝，制造出具有原始玻璃表面粗糙度的圓片級(jí)Pyrex7740玻璃透鏡微腔，工藝成熟，技術(shù)可靠。熔融態(tài)玻璃具有很低的粗糙度，通常可達(dá)到1納米以下。
權(quán)利要求
1.一種圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，包括激光發(fā)生器(1)、濾波器(5)、四分之一波片(6)、密閉原子腔C3)和激光探測器O)，其特征在于，硅襯底(3 與設(shè)有球形玻璃微腔(31)的玻璃組裝圓片(4)形成密閉原子腔(3)，激光發(fā)生器(1)、濾波器(5)、四分之一波片(6)激光探測器(2)均設(shè)于玻璃組裝圓片(4)上，密閉原子腔(3)內(nèi)密封有原子鐘所必需的物質(zhì)，球形玻璃微腔(31)的兩邊組裝有激光發(fā)生器(1)與激光探測器O)，激光發(fā)生器 (1)與球形玻璃微腔(31)之間還依次組裝有濾波器( 和四分之一波片(6)，激光發(fā)生器 (1)發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器(5)、四分之一波片(6)和密閉原子腔C3)后被激光探測器O) 所探測到，球形玻璃微腔(31)周圍設(shè)有加熱器(33)，上述加熱器(33)、激光發(fā)生器和激光探測器均設(shè)有與外界連接的引腳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于所述加熱器 (33)、激光發(fā)生器和激光探測器與外部控制電路相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于至少設(shè)有2個(gè)激光探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于原子鐘所必需的物質(zhì)為銫和必要的緩沖氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于原子鐘所必需的物質(zhì)為銣和必要的緩沖氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于玻璃微腔為大于半球的玻璃微腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于所述必要的緩沖氣體為氮?dú)狻錃庵械囊环N或一種以上的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片，其特征在于原子鐘所必需的物質(zhì)為氫氣。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于，第一步，采用正壓熱成型方法在玻璃(4)上制備球形玻璃微腔(31)，在制備球形玻璃微腔(31)的同時(shí)在刻有微槽的硅襯底(3 與球形玻璃微腔(31)形成的密閉原子腔(3) 中形成原子鐘所必要的氣體；第二步，在球形玻璃微腔周圍的平面玻璃(4)上制備加熱器(33)；第三步，將激光發(fā)生器(1)，激光探測器0)，濾波器( 和四分之一波片(6)分別組裝到球形玻璃微腔周圍的平面玻璃(4)相應(yīng)的位置上，激光發(fā)生器(1)發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器(5)、四分之一波片(6)和密閉原子腔( 后能夠被激光探測器( 所探測到；第四步，制備加熱器(33)、激光發(fā)生器(1)和激光探測器O)的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于， 制備第一步所述的密閉原子腔(3)的正壓熱成型方法為在硅圓片上刻蝕形成特定尺寸的微槽陣列，在微槽陣列內(nèi)放置能生成原子鐘所必需物質(zhì)的反應(yīng)物，將上述刻有微腔的硅圓片與硼硅玻璃圓片在特定氣氛條件下進(jìn)行陽極鍵合，使硼硅玻璃圓片與上述特定圖形形成密封腔體，將上述鍵合好的圓片在空氣中加熱至790°C 900°C，保溫3 8min，所述反應(yīng)物放出氣體在腔內(nèi)外形成壓力差，使軟化后的玻璃成型形成球形玻璃微腔(31)，同時(shí)在密閉原子腔(3)內(nèi)反應(yīng)形成原子鐘所必要的氣體，冷卻，再在常壓下退火消除應(yīng)力，形成微型原子鐘的密閉原子腔(3)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于， 所述反應(yīng)物為氫化鈦。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于， 所述硼硅玻璃為pyrex7740玻璃，所述的鍵合為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓 600V。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于， 第二步所述的加熱器是金屬電阻絲。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓片級(jí)片上集成微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于， 所述球形玻璃微腔(31)大于半球。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圓片級(jí)微型原子鐘的玻璃微腔封裝方法，包括以下步驟第一步，利用刻有微槽的硅襯底，采用正壓熱成型方法在玻璃圓片上制備球形玻璃微腔,在熱成型玻璃微腔的同時(shí)在刻有微槽的硅襯底與球形玻璃微腔形成的密閉原子腔中形成原子鐘所必要的氣體；第二步，在球形玻璃微腔周圍的平面玻璃上制備加熱器；第三步，將激光發(fā)生器，激光探測器，濾波器和四分之一波片分別組裝到球形玻璃微腔周圍的平面玻璃相應(yīng)的位置上；第四步，制備加熱器、激光發(fā)生器和激光探測器的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。本發(fā)明利用了在平面玻璃上成型的球形玻璃微腔高出玻璃組裝圓片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將原子鐘的所有光學(xué)部件安裝在玻璃組裝圓片上，結(jié)構(gòu)更為簡單。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102495545SQ201110455258
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者于慧, 劉靖東, 尚金堂, 秦順金, 羅新虎, 魏文龍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)