[发明专利]圆片级片上集成微型原子钟芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)封装技术，尤其涉及一种圆片级片上集成微型原子钟芯片及其制备方法。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造钟，原子钟测量时间的精确度可以达到十亿分之一秒甚至更高。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。从原理上讲，原子钟的原理已经基本清楚，目前发展的主要方向有两个方面：一方面提高原子钟在精度方面的性能；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化。目前，世界上最精准的原子钟在美国科罗拉多，其体积有一辆小汽车那么大。GPS和通信卫星等对于原子钟有迫切的需求，因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前的主要技术挑战。

现有部分芯片级原子钟设计，采用中间为通孔硅片两边为玻璃的三明治结构作为原子腔，然后在其上下设有原子钟的其它部件。这种方法的缺点在于，原子腔需要两次键合，因此其键合的密封效果将会降低，工艺也更加复杂，成本更高。另一方面这种方案采用堆叠式结构，容易造成体积庞大，组装较为困难，增加了设计的复杂性。

还有一种设计时在单面腐蚀的硅槽内设有反光面，因此激光进入玻璃腔内被反射出来，从而检测原子的超精细跃迁。这种方法设计的问题在于组装较为复杂，同时对于反光面的设计要求较高，因此成本较高。

由于低成本的GPS领域的发展需求，亟需一种低成本并具有高性能的微型原子钟及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、成本低廉、密封性好、所有结构都处于一个平面内的圆片级微型原子钟的玻璃微腔封装方法。

本发明采用如下技术方案：一种圆片级片上集成微型原子钟芯片，包括激光发生器1、滤波器5、四分之一波片6、密闭原子腔3和激光探测器2，其特征在于，硅衬底32与具有球形玻璃微腔31结构的玻璃组装圆片4通过键合形成密闭原子腔3，激光发生器1、滤波器5、四分之一波片6激光探测器2均设于玻璃组装圆片4上，密闭原子腔3内密封有原子钟所必需的气体，球形玻璃微腔31的两边组装有激光发生器1与激光探测器2，激光发生器1与球形玻璃微腔31之间还依次组装有滤波器5和四分之一波片6，激光发生器1发出的激光经过滤波器5和四分之一波片6后能够被激光探测器2所探测到，球形玻璃微腔31周围设有加热器33，上述加热器33、激光发生器和激光探测器均设有与外界连接的引脚。至少设有2个激光探测器。所述反应物为氢化钛。

一种圆片级片上集成微型原子钟芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用正压热成型方法在玻璃4上制备球形玻璃微腔31,在制备球形玻璃微腔31的同时在刻有微槽的硅衬底32与球形玻璃微腔31形成的密闭原子腔3中形成原子钟所必要的气体；

第二步，在球形玻璃微腔周围的平面玻璃4上制备加热器33；

第三步，将激光发生器1，激光探测器2，滤波器5和四分之一波片6分别组装到球形玻璃微腔周围的平面玻璃4相应的位置上；

第四步，制备加热器33、激光发生器1和激光探测器2的引脚，并分别与电源及处理电路相连接。

所述制备第一步所述的密闭原子腔3的正压热成型方法为：在硅圆片上刻蚀形成特定尺寸的微槽阵列，在微槽阵列内放置能生成原子钟所必需气体的反应物，将上述刻有微腔的硅圆片与硼硅玻璃圆片在特定气氛条件下进行阳极键合，使硼硅玻璃圆片与上述特定图形形成密封腔体，将上述键合好的圆片在空气中加热至790℃~900℃，保温3~8min，所述反应物放出气体在腔内外形成压力差，使软化后的玻璃成型形成球形玻璃微腔31，同时在密闭原子腔3内反应形成原子钟所必要的气体，冷却，再在常压下退火消除应力，形成微型原子钟的密闭原子腔3。

所述硼硅玻璃为pyrex7740玻璃，所述的键合为阳极键合，工艺条件为：温度400°C，电压600V。第二步所述的加热器是金属电阻丝。硅圆片上微槽阵列的刻蚀方法为湿法腐蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。

本发明获得如下效果：