[发明专利]一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型原子气室封装工艺方法，属于微机电系统(MEMS)制造领域，涉及一套基于阳极键合原理的微型气室封装专用设备的设计与制造以及微型气室封装的相关工艺技术，特别涉及微型铷(Rb)原子气室封装的专有工艺技术。微型铷原子气室是制造微型原子钟、微型磁力计等新概念器件的核心部件；这些器件在现代高科技领域有广泛的应用前景。

背景技术

现代制造技术的发展，使得“微系统”的概念早已被提出来。信息传感、存储与处理器件的尺寸和能耗越来越小。作为在许多现代高技术发展领域不可或缺的原子钟，无论在军用还是普及到民用，其小体积，低功耗的微型化制作是必然的发展趋势。MEMS等相关技术的进步也使得原子钟微型化成为可能。为此，美国国防部先进研究计划署(DARPA)于2002年开始了一项芯片级原子钟的专项研究计划，设定的研究目标是：体积小于1cm³，功耗小于30mW，短期稳定度优于σ_y(τ＝1hour)＜1×10^-11。而作为对照，走时准确的NIST-F1原子钟体积庞大，要占地3.7立方米，耗电功率达500瓦。与通常的原子钟相比，微型原子钟在稳定度方面一般还不是很高，但它的突出优点是可用于以电池为动力的便携式无线通信装置及导航定位系统，而且价格大幅降低，在民用普及方面有不可替代的优势。它安装在无线通讯装置中，可改善网络的同步性和频道选择，有助于增强通讯安全性和防干扰能力。在全球定位系统接收器上安装微型计时器后，能改善诸如商用和军用车辆及紧急反应网络使用的卫星导航系统的精确性。

微型原子钟的研制涉及几个核心的关键技术。目前，国际上在VCSEL激光器、RF电路、光电探测器及其反馈电路的微型化方面都已经有了很大进展。但是最核心、也是研究难度最大的微型碱金属原子气室的研制还在继续。原子气室越小，它加热到指定温度所需的能量就越少。通过MEMS技术使气室体积小于10mm³时，保持碱金属原子处于蒸气状态所需的能量可以降到10mW，大大低于加热通常的玻璃气室所需的能量。也就是说，降低原子钟功耗的关键在于使原子气室尽可能小。芯片级原子钟要求原子气室体积仅为1mm³量级。显然，在整个原子钟微型化方面，微型碱金属原子气室的制作是其中的关键。

这么小的体积，传统的玻璃吹制技术已经无法实现。近年来，以美国NIST为代表的一些研究机构开发出一种基于硅微机电技术的原子气室制作方法。采用阳极键合技术，将打有小孔的硅片的两面用玻璃片封装起来。其中填充有碱金属原子和缓冲气体。这样封装的小孔就可以成为一个微型原子气室。同时，这样的三层结构气室还有可能集成各种控制检测器件。与传统方式相比，这种气室制作方式成本低，便于大批量生产，并且基于与微电子和微机电一样的平台，从而便于集成传感器和相应控制系统。

但是碱金属原子的封装是极端困难，主要是因为：一、碱金属熔点低(铷：39.3℃；铯：28.2℃)，容易气化，而阳极键合工艺又需要在较高温度下进行。在几百度的阳极键合温度下，碱金属会气化，在第二面键合还未完成前就大量从硅片上的小孔中溢出，造成气室中残留的碱金属原子的数目太少；同时，沉积在键合界面上的原子还对阳极键合的效果有不良影响。二、碱金属原子的化学性质极其活泼，很容易被大气中的氧气和水蒸汽氧化。甚至在低真空条件下，这种氧化反应就已经在进行了。这就给碱金属原子的封装工艺带来极大困难。正因为如此，到目前为止，国际上主要还是以美国NIST为代表的少数几个实验室在探索微型原子气室的制作方法，核心就是碱金属原子气体的填充技术。

在微型碱金属原子气室封装的研究中，国际上已有了一些成功的报道，如2004年8月，美国标准技术研究院(NIST)首次制作出微型铯(Cs)原子气室，气室体积仅为9.5mm³，由此研制出首台微型原子钟系统。他们使用的是“玻璃-打孔硅片-玻璃”构成的“三明治”型的铯气室，其中的铯原子由叠氮化钡和氯化铯原位反应生成。2007年，他们改进了原位反应制铯的技术，使得微型铯原子气室的封装工艺有所简化。从公开发表的文献来看，国际上相关研究主要集中在微型铯(Cs)原子气室的研制，而与微型铷(Rb)原子钟直接相关的研究还未见报道。国内在微型碱金属(铷、铯等)原子气室封装技术领域尚属空白。

与传统玻璃吹制法制作原子气室的技术相比较，上述制作“三明治”型微型原子气室的阳极键合技术有很大的优势：