專利名稱：Mems微型原子腔、微型原子鐘芯片及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))芯片及其制造技術(shù)，尤其涉及一種MEMS 微型原子腔、微型原子鐘芯片及制備方法。
背景技術(shù)：
原子鐘是測(cè)量時(shí)間最精準(zhǔn)的人造鐘，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(chǎng)和核外電子磁場(chǎng)的相互作用。原子鐘發(fā)展的主要方向有兩個(gè)方面高精度和微型化。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)。在微型原子鐘的設(shè)計(jì)中，原子腔體積需要大大縮小，因此將會(huì)導(dǎo)致有效信號(hào)減弱， 從而影響探測(cè)的精度、靈敏度和可靠性。信號(hào)的強(qiáng)度將大大影響原子鐘芯片的靈敏度、耐久性等，因此，在微型原子鐘設(shè)計(jì)過程中，如何盡量增大信號(hào)強(qiáng)度，至關(guān)重要。光透過凹透鏡的壁面進(jìn)入玻璃微腔，散射較大，入射光與腔內(nèi)原子作用的信號(hào)強(qiáng)度將會(huì)大大削弱。因此，需要在原子腔上形成一個(gè)能夠光平行入射的平面。如何能夠采用低成本的方法制備具有平行光入射的玻璃微腔，是目前的一大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高性能、體積小的MEMS微型原子腔、微型原子鐘芯片及制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種MEMS微型原子腔，包括在硅襯底上刻蝕形成平面成型槽和原子槽，平面成型槽與原子槽相鄰且具有相等的口徑，在所述平面成型槽內(nèi)放置氫化鈦粉末，在原子槽內(nèi)放入放置原子鐘所必須的物質(zhì)和氫化鈦，再將上述硅襯底與硼硅玻璃組裝圓片在氮?dú)鈿夥蘸褪覝叵逻M(jìn)行預(yù)鍵合將兩片圓片疊放并施加壓力使得兩圓片緊密的貼合在一起，然后再進(jìn)行陽極鍵合，形成密封腔體；在空氣中加熱至820°C、00°C使硼硅玻璃組裝圓片軟化，保溫 15 25min，氫化鈦放出氣體與腔內(nèi)膨脹的氮?dú)馐箤?duì)應(yīng)于平面成型槽和原子槽的玻璃分別形成平面成型玻璃微腔和原子腔并相互擠壓，從而在平面成型玻璃微腔和原子腔之間形成光入射平面，冷卻，去除平面成型玻璃微腔，得到帶有光入射平面的微型原子腔。所述微型原子腔所必需的物質(zhì)為銣或銫。所述微型原子腔在冷卻后，要將平面成型玻璃微腔去掉。所述的微型原子腔可以在平面成型玻璃微腔對(duì)應(yīng)的硅襯底的背面打孔，并在平面成型玻璃微腔中填充入純水。一種微型原子鐘芯片，包括激光發(fā)生器、濾波器、四分之一波片、激光探測(cè)器和所述的具有光入射平面的MEMS微型原子腔，激光發(fā)生器、濾波器、四分之一波片和激光探測(cè)器均組裝于硼硅玻璃組裝圓片上，它們的中心與玻璃微腔的中心位于同一根光軸上，激光發(fā)生器位于密閉玻璃原子腔設(shè)有光入射平面的一側(cè)，在激光發(fā)生器與光入射平面之間還依次設(shè)有濾波器和四分之一波片，激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器、四分之一波片，通過光入射平面進(jìn)入密閉玻璃原子腔，再出射后，被激光探測(cè)器探測(cè)到，玻璃微腔周圍還設(shè)有加熱器，上述加熱器、激光發(fā)生器和激光探測(cè)器均設(shè)有與外界連接的引腳。一種所述微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟 第一步，采用所述方法制備具有光入射平面的MEMS微型原子腔；
第二步，在所述玻璃微腔周圍的硼硅玻璃組裝圓片上制備加熱器，所述的加熱器是金屬電阻絲；
第三步，將激光發(fā)生器，激光探測(cè)器，濾波器和四分之一波片分別組裝到硼硅玻璃組裝圓片相應(yīng)的位置上并與密閉玻璃原子腔位于同一條光軸上，激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器、四分之一波片和密閉玻璃原子腔后能夠被激光探測(cè)器所探測(cè)到；
第四步，制備加熱器、激光發(fā)生器和激光探測(cè)器的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。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。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。所述硅片模具的表面為拋光表面。本發(fā)明獲得如下效果
1.本發(fā)明利用平面成型玻璃微腔和相同尺寸的原子腔在熱成型過程中的相互擠壓，從而在相鄰的界面上形成光入射平面，供激光平行入射(在去掉平面玻璃微腔后裸露出光入射平面)，進(jìn)入密閉玻璃原子腔的過程中很少被散射，因而能夠充分地與密閉玻璃原子腔內(nèi)部的銣或者銫等物質(zhì)進(jìn)行相互作用，能夠得到較高的信號(hào)強(qiáng)度，因此提高了芯片的可靠性和靈敏度。本發(fā)明利用了氣泡之間相互擠壓形成的平面，形成的光學(xué)通道為自然成型，不需要額外的模具，因此具有方法簡單，成本低的特點(diǎn)。2.本發(fā)明還通過在平面成形玻璃微腔中加入純水的方法，使得平面玻璃微腔成為凸透鏡，使激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光先進(jìn)行匯聚，再入射到原子腔中，將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)光信號(hào)與銣、銫等原子的作用。方法較為簡單，采用凸透鏡代替了光入射平面的作用，同樣可以充分利用激光，使其能夠與銣、銫原子進(jìn)行充分的相互作用。3.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平面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將原子鐘的所需的所有光學(xué)部件組裝在玻璃平面上，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(cè)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(cè)器探測(cè)到，激光探測(cè)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(shì)，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(cè)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(cè)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。4.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)。而現(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。5.加熱器設(shè)置于玻璃微腔周圍，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。將加熱器采用金屬電阻絲，例如采用金覆蓋的銅絲，設(shè)置于球形玻璃微腔上，使得玻璃熱成型時(shí)同時(shí)形成加熱器。6.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)。7.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(shì)；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。8.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 ；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(chǎng)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(cè)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(cè)精度。9.本發(fā)明中緩沖氣體和銣或者銫原子是在玻璃微腔制備過程中加入的，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)采用在硼硅玻璃圓片上進(jìn)行組裝，因此減小了原子鐘的體積。10.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。11.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。12.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。圖6為去除平面微型玻璃微腔后帶有光入射平面的原子微腔截面示意圖。圖7為硅圓片與玻璃圓片鍵合片加熱成型后玻璃微腔填充滿純水的截面示意圖。圖8為平面微型玻璃微腔填充滿純水的原子鐘整體設(shè)計(jì)的截面示意圖。圖9為平面微型玻璃微腔填充滿純水的原子鐘整體設(shè)計(jì)的俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
一種MEMS微型原子腔的制備方法，包括如下步驟在硅襯底上刻蝕形成平面成型槽和原子槽，平面成型槽與原子槽相鄰且具有相等的口徑，在所述平面成型槽內(nèi)放置氫化鈦粉末，在原子槽內(nèi)放入放置原子鐘所必須的物質(zhì)和氫化鈦，再將上述硅襯底與硼硅玻璃組裝圓片在氮?dú)鈿夥蘸褪覝叵逻M(jìn)行預(yù)鍵合將兩片圓片疊放并施加壓力使得兩圓片緊密的貼合在一起，然后再進(jìn)行陽極鍵合，形成密封腔體；在空氣中加熱至820°C、00°C使硼硅玻璃組裝圓片軟化，保溫15 25min，氫化鈦放出氣體與腔內(nèi)膨脹的氮?dú)馐箤?duì)應(yīng)于平面成型槽和原子槽的玻璃分別形成平面成型玻璃微腔和原子腔并相互擠壓，從而在平面成型玻璃微腔和原子腔之間形成光入射平面，冷卻，去除平面成型玻璃微腔，得到帶有光入射平面的微型原子腔。所述MEMS微型原子腔，包括硅襯底和硼硅玻璃組裝圓片(采用Pyrex7740玻璃)， 兩片均為4英寸圓片，硼硅玻璃組裝圓片上形成于其表面的玻璃微腔與硅襯底鍵合形成密閉玻璃原子腔，密閉玻璃原子腔中充有原子鐘所必須的物質(zhì)，譬如銣或者銫。實(shí)施例2
一種MEMS微型原子腔的制備方法，包括如下步驟在硅襯底上刻蝕形成微槽陣列，微槽的尺寸在100微米-1厘米，在所述微槽陣列內(nèi)放置原子鐘所必須的物質(zhì)和氫化鈦，均采用300目以上的粉末，例如500目，再將上述刻有微槽的硅襯底與硼硅玻璃組裝圓片在氮?dú)鈿夥蘸褪覝?譬如25攝氏度)下進(jìn)行預(yù)鍵合將兩片圓片疊放并施加壓力使得兩圓片緊密的貼合在一起，接觸壓力可以為lMPa-5MPa，從而使得氮?dú)夂臀⒉蹆?nèi)含有的原子中所必須的物質(zhì)不會(huì)在后面的陽極鍵合過程中泄漏出來，然后再進(jìn)行陽極鍵合，氮?dú)獾膲毫梢詾橐粋€(gè)大氣壓，也可以根據(jù)成型的需要和緩沖氣氛壓力的需要進(jìn)行計(jì)算來設(shè)定，譬如為2個(gè)大氣壓，陽極鍵合的條件為溫度為400攝氏度，電壓為600伏特，使硼硅玻璃組裝圓片與上述刻蝕有所述微槽陣列形成密封腔體；將上述鍵合好的圓片的硼硅玻璃組裝圓片在空氣中加熱至820°C 900°C，例如850攝氏度，保溫l(T20min，例如15分鐘，氫化鈦放出氣體與腔內(nèi)膨脹的氮?dú)庖黄鹗沟密浕蟮牟ＡС尚托纬刹Ａ⑶粡亩玫絻?nèi)部含有原子鐘所必須物質(zhì)的密閉玻璃原子腔，同時(shí)，平面成型槽和原子槽的玻璃分別形成平面成型玻璃微腔和原子腔并相互擠壓，從而在平面成型玻璃微腔和原子腔之間形成光入射平面，冷卻，去除玻璃微腔，得到帶有光入射平面得微型原子腔。所述原子鐘所必需的物質(zhì)為銣或銫。實(shí)施例3
一種微型原子鐘芯片，包括激光發(fā)生器、濾波器、四分之一波片、激光探測(cè)器和所述的具M(jìn)EMS微型原子腔，激光發(fā)生器、濾波器、四分之一波片激光探測(cè)器均組裝于硼硅玻璃組裝圓片上，它們的中心與玻璃微腔的中心位于同一根光軸上，激光發(fā)生器位于密閉玻璃原子腔設(shè)有光入射平面的一側(cè)，在激光發(fā)生器與光入射平面之間還依次設(shè)有濾波器和四分之一波片，激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器、四分之一波片，通過光入射平面進(jìn)入密閉玻璃原子腔，再出射后，被激光探測(cè)器探測(cè)到，玻璃微腔周圍還設(shè)有加熱器，上述加熱器、激光發(fā)生器和激光探測(cè)器均設(shè)有與外界連接的引腳。實(shí)施例4
一種實(shí)施例3所述微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟 第一步，采用所述方法制備具M(jìn)EMS微型原子腔；
第二步，在所述玻璃微腔周圍的硼硅玻璃組裝圓片上制備加熱器，所述的加熱器是金屬電阻絲，如覆蓋有50納米厚度金的2微米厚的鎳鐵導(dǎo)線；
第三步，將激光發(fā)生器，激光探測(cè)器，濾波器和四分之一波片分別組裝到硼硅玻璃組裝圓片相應(yīng)的位置上并與密閉玻璃原子腔位于同一條光軸上，激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過濾波器、四分之一波片和密閉玻璃原子腔后能夠被激光探測(cè)器所探測(cè)到；
第四步，制備加熱器、激光發(fā)生器和激光探測(cè)器的引腳，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(chǎng)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)施實(shí)例5
一種MEMS微型原子腔的制備方法，在平面成型玻璃微腔對(duì)應(yīng)的硅襯底的背面打孔，并在平面成型玻璃微腔中填充滿純水，用硅膠將硅襯底背面的通孔膠封。所述硅襯底背面打孔的技術(shù)為利用25%的TMAH溶液濕法腐蝕方法，在硅襯底的背面相應(yīng)于玻璃微腔的地方刻蝕形成特定圖案，并且刻蝕為通孔。上述步驟使得平面玻璃微腔成為凸透鏡，使激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光先進(jìn)行匯聚， 再入射到原子腔中，將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)光信號(hào)與銣、銫等原子的作用。方法較為簡單，采用凸透鏡代替了光入射平面的作用，同樣可以充分利用激光，使其能夠與銣、銫原子進(jìn)行充分的相互作用。實(shí)施例6 圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，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)刻蝕工藝、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)，
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(chǎng)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。實(shí)施例7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(chǎng)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15min， 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。
熔融態(tài)玻璃具有很低的粗糙度，通?？蛇_(dá)到1納米以下，因此玻璃具有良好的透光性能。
權(quán)利要求
1.一種MEMS微型原子腔的制備方法，其特征在于包括如下步驟在硅襯底(32)上刻蝕形成平面成型槽(13)和原子槽(13)，平面成型槽與原子槽相鄰且具有相等的口徑，在所述平面成型槽內(nèi)放置氫化鈦粉末(11)，在原子槽內(nèi)放入放置原子鐘所必須的物質(zhì)和氫化鈦的混合粉末(12)，再將上述硅襯底(3 與硼硅玻璃組裝圓片(4)在氮?dú)鈿夥蘸褪覝叵逻M(jìn)行預(yù)鍵合將兩片圓片疊放并施加壓力使得兩圓片緊密的貼合在一起，然后再進(jìn)行陽極鍵合， 形成密封腔體；在空氣中加熱至820°C、00°C使硼硅玻璃組裝圓片軟化，保溫15 25min，氫化鈦放出氣體與腔內(nèi)膨脹的氮?dú)馐箤?duì)應(yīng)于平面成型槽和原子槽的玻璃分別形成平面成型玻璃微腔(31)和原子腔(34)并相互擠壓，從而在平面成型玻璃微腔(31)和原子腔(34)之間形成光入射平面，冷卻，去除平面成型玻璃微腔(31)，得到帶有光入射平面(312)的微型原子腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS微型原子腔的制備方法，其特征在于原子鐘所必需的物質(zhì)為銣或銫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS微型原子腔的制備方法，其特征在于在冷卻后，將平面成型玻璃微腔(31)去掉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS微型原子腔的制備方法，其特征在于在平面成型玻璃微腔(31)對(duì)應(yīng)的硅襯底的背面打孔(14)，并在平面成型玻璃微腔(31)中填充滿純水(15)。
5.一種微型原子鐘芯片，其特征在于包括激光發(fā)生器(1)、濾波器(5)、四分之一波片 (6)、激光探測(cè)器( 和權(quán)利要求1所述的具有光入射平面的MEMS微型原子腔，其特征在于，激光發(fā)生器(1)、濾波器(5)、四分之一波片(6)激光探測(cè)器( 均組裝于硼硅玻璃組裝圓片(4)上，它們的中心與玻璃微腔(31)的中心位于同一根光軸上，激光發(fā)生器(1)位于密閉玻璃原子腔C3)設(shè)有光入射平面(312)的一側(cè)，在激光發(fā)生器與光入射平面之間還依次設(shè)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)、四分之一波片(6)，通過光入射平面(31 進(jìn)入密閉玻璃原子腔(3)，再出射后，被激光探測(cè)器 (2)探測(cè)到，玻璃微腔(31)周圍還設(shè)有加熱器(33)，上述加熱器(3 、激光發(fā)生器和激光探測(cè)器均設(shè)有與外界連接的引腳。
6.一種微型原子鐘芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，采用權(quán)利要求2所述方法制備具M(jìn)EMS微型原子腔；第二步，在所述玻璃微腔(31)周圍的硼硅玻璃組裝圓片(4)上制備加熱器(33)；第三步，將激光發(fā)生器(1)，激光探測(cè)器(2)，濾波器(5)和四分之一波片(6)分別組裝到硼硅玻璃組裝圓片(4)相應(yīng)的位置上并與密閉玻璃原子腔C3)位于同一條光軸上，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)和密閉玻璃原子腔C3)后能夠被激光探測(cè)器( 所探測(cè)到；第四步，制備加熱器(33)、激光發(fā)生器(1)和激光探測(cè)器(2)的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的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。
全文摘要
本發(fā)明公開一種MEMS微型原子腔、微型原子鐘芯片及制備方法，微型原子腔包括硅襯底和硼硅玻璃組裝圓片，硼硅玻璃組裝圓片上形成于其表面的玻璃微腔與硅襯底鍵合形成密閉玻璃原子腔，密閉玻璃原子腔中充有原子鐘所必須的物質(zhì)，在玻璃微腔側(cè)面上設(shè)有光入射平面，所述光入射平面的法線方向與硼硅玻璃組裝圓片的法向垂直。本發(fā)明還公開了該微型原子腔的制備方法，還公開了利用其制作微型原子鐘芯片及其制備方法。它采用片上封裝方法，具有體積小的優(yōu)點(diǎn)；它可以采用圓片級(jí)封裝，因而成本低；它具有光入射平面，因而信號(hào)強(qiáng)。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102491259SQ20111045579
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, 尚金堂, 王亭亭, 秦順金, 蒯文林, 魏文龍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)