一种晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法技术

本发明专利技术涉及MEMS器件制造领域，具体公开一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，包括步骤：S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得通孔形成各自独立的预成型腔；S2在部分预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下将第二键合玻璃与硅晶圆的另一侧外环键合，形成气密的预腔室；S4升温以使碱金属蒸汽反应物反应产生碱金属蒸汽；S5通过阳极键合使第二键合玻璃与硅晶圆的另一侧表面键合，形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及S6划片，未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。本发明专利技术的封装方法，完全兼容传统制造工艺，兼具单腔室的体积优势和双腔室蒸汽纯度高的优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法，属于MEMS器件制造与原子物理器件领域。
技术介绍
近年来，随着数字通讯技术的飞速发展，原子核磁共振陀螺仪、原子标频（原子钟）等原子物理系统在定位、导航、授时领域的作用日益重要，并逐渐走入人们的日常生活。例如：微型原子钟为全球定位系统、天文观测系统、雷达系统、交通控制系统，以及精密仪器仪表的校准等领域提供准确的时间标准；原子核磁共振陀螺仪由于其无机械旋转部件、测量精度高、对过载和震动不敏感等优势，目前已经成为惯性
的新热点，并有望逐渐取代硅基MEMS陀螺仪成为未来微型陀螺仪的发展方向。越来越多的领域对小型化原子物理系统也都表现出较旺盛的需求，但早期的原子陀螺、原子钟由于体积大、功耗高，限制了其在更多领域的大批量工程应用。新型原子物理系统研发提出了新的技术要求，包括：通过微制造技术，将所有必须组件封装成为一个小型化、低功耗、具有芯片级尺寸的高精度测量组合。原子蒸汽泡是原子陀螺仪、原子钟物理系统的主要核心部件，其性能及物理尺寸直接影响到整个物理系统的小型化、低功耗，以及片上系统的实现。由于碱金属熔点低、易气化，而微纳制造技术大多需要100℃以上的温度，这给原子蒸汽小型化封装带来了极大的挑战。受限于原子蒸汽注入及缓冲气体注入密封方法限制，制作芯片级蒸汽泡成为整个物理系统组件实现小型化的主要瓶颈。目前涉及微型原子蒸汽腔制造的主要方法有玻璃起泡法、MEMS（Micro Electromechanical System，微电子机械系统）方法、MEMS与玻璃气泡混合法、空心光纤嵌套法。国内外也有不少关于微型原子蒸汽腔制造方面的专利文件，例如：东南大学的“MEMS微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法”（102491259A）；清华大学的“一种MEMS原子蒸汽腔室的制备方法及原子蒸汽腔室”（102259825A）；中科院上海微系统所的“基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装及方法”（102205941A）；美国NIST的“MICROMACH ALKALI-ATOM VAPOR CELL AND METHOD OF FIBRICATION”（US007118A1）等等。玻璃气泡法和光纤嵌套法由于不能形成较理想的光学面，使得腔的性能受到影响，并且该方法难以实现大规模量产。现有的其他利用MEMS技术的方法多是采用叠氮化钡和氯化铷原位反应，加阳极键合技术。虽然腔室可以做的较微小，但该方法会在腔室内产生残留物，影响透光性且导致长期谱线漂移。另一种报道的方法采用带附反应腔室结构，附反应腔室与主腔室通过微通道连接，键合后通过加热预先激活放入附腔室的反应物，碱金属通过微通道进入主腔室形成原子蒸汽腔。这种方法虽然保证了原子腔碱金属原子的纯度但浪费了较大的器件面积并导致消耗较高功耗。因此，还需要一种改进的微型原子蒸汽腔的封装方法，以克服现有技术的以上缺陷。
技术实现思路
本专利技术至少解决现有微型原子蒸汽腔制造中腔室体积小型化与高纯度难以兼顾的缺陷，提供一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法。本专利技术的技术方案包括一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，包括步骤：S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得所述通孔形成各自独立的预成型腔；S2在部分所述预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下，将第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧外环键合，所述第二键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形成气密的预腔室；S4升温，以使所述碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽；S5通过阳极键合，使所述第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧表面键合，所述通孔形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及S6将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。一些实施例中，步骤S1的所述通孔内侧壁上还可以有化学性质稳定的高分子材料钝化层。所述高分子材料钝化层可以通过化学气相沉积或热蒸发技术蒸镀形成在所述通孔内侧壁上。并且可以为有机氟化物层，例如聚四氟乙烯层。一些实施例中，所述第一键合玻璃和所述第二键合玻璃各自独立地可以为选自Pyrex7740或Borofloat33的阳极键合专用玻璃。一些实施例中，所述碱金属蒸汽反应物可以为叠氮化钡碱金属氯化物的混合物，例如叠氮化钡与氯化铷的混合物、叠氮化钡与氯化铯的混合物。一些实施例中，步骤S3的气密胶键合的键合温度低于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。其中使用的键合胶的玻璃态温度大于所述碱金属蒸汽反应物的反应温度。例如所述键合胶可以选自聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯，或它们的任意组合。一些实施例中，步骤S3中的所述缓冲气体可以选自N2、Ar、He、Ne、NH3或他们任意组合。本专利技术的晶圆级芯片尺寸原子腔制造方法，完全兼容传统制造工艺。封装后可获得单腔室结构，无浪费体积，既具备单腔室的体积小型化优势也具备双腔室的蒸汽纯度高的优势，成本低，且可实现大规模生产。附图说明图1为根据本专利技术的晶圆级芯片尺寸原子蒸汽腔封装方法的流程图。图2为用于形成根据本专利技术的封装方法中使用的带通孔硅晶圆的单晶硅片剖面示意图。图3为图2的单晶硅片在形成通孔之后的硅晶圆剖面示意图。图4为通孔内侧壁上带有高分子钝化层的硅晶圆剖面示意图。图5为第一键合玻璃与硅晶圆阳极键合之后的剖面结构示意图。图6为在图5形成的部分预成型腔内置入碱金属蒸汽反应物的剖面示意图。图7为带有键合胶的第二键合玻璃的剖面结构示意图。图8为胶键合第二键合玻璃之后的剖面结构示意图。图9为阳极键合第二键合玻璃之后形成独立封闭原子蒸汽腔的剖面结构示意图。附图标记：1光刻胶；2硅晶圆；3钝化层；4第一键合玻璃；5碱金属蒸汽反应物；6键合胶；7第二键合玻璃具体实施方式本专利技术的设计原理为：首先通过图形化胶键合工艺，预先形成带缓冲气体、整片密闭可保持一定压强的气密腔室；预留相对独立的部分腔室，并放入所需碱金属蒸汽反应物；胶键合后加温，使得预腔室内反应物发生原位化学反应，产生纯净的碱金属，并使碱金属蒸汽扩散至周围腔室；再通过阳极键合技术，形成相对独立密封的原子蒸汽腔。其中，预先未置入碱金属蒸汽反应物的腔室中为高纯度的碱金属蒸汽和缓冲气体；而反应残留物则留在放置反应物的腔室。本专利技术的封装方法采用采用半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，其特征在于，包括以下步骤：S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键合，使得所述通孔形成各自独立的预成型腔；S2在部分所述预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下，将第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧外环键合，所述第二键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形成气密的预腔室；S4升温，以使所述碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽；S5通过阳极键合，使所述第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧表面键合，所述通孔形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及S6将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔封装方法，其特征在于，包括以
下步骤：
S1通过阳极键合，将第一键合玻璃与带有通孔的硅晶圆的一侧表面键
合，使得所述通孔形成各自独立的预成型腔；
S2在部分所述预成型腔中，置入碱金属蒸汽反应物；
S3通过气密胶键合，在缓冲气体存在下，将第二键合玻璃与所述硅晶
圆的另一侧外环键合，所述第二键合玻璃与所述硅晶圆之间存在间隙，形
成气密的预腔室；
S4升温，以使所述碱金属蒸汽反应物原位反应，产生碱金属蒸汽；
S5通过阳极键合，使所述第二键合玻璃与所述硅晶圆的另一侧表面键
合，所述通孔形成各自独立封闭的原子蒸汽腔；以及
S6将所述独立封闭的原子蒸汽腔划片，其中未置入碱金属蒸汽反应物
的腔即为晶圆级芯片尺寸的原子蒸汽腔。
2.如权利要求1所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，步骤S1的所述
通孔内侧壁上还有化学性质稳定的高分子材料钝化层。
3.如权利要求2所述的原子蒸汽腔封装方法，其中，所述高分子材料
钝化层通过化学气相沉积或热蒸发技术蒸镀形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王逸群，姜春宇，付思齐，林文魁，王德稳，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32