一种原子气室及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种原子气室的制作方法，该方法包括：在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层，第一通孔和第二通孔一一对应；在第一通孔或第二通孔中放置填充材料；将第一键合层和第二键合层进行键合。本发明专利技术还公开了利用上述制作方法制作的原子气室。本发明专利技术解决了原子气室的材料与碱金属之间的消耗反应和缓冲气体渗漏高，从而导致原子气室的使用寿命减少的问题。的使用寿命减少的问题。的使用寿命减少的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种原子气室及其制作方法


[0001]本专利技术涉及半导体微机电系统领域，尤其涉及一种原子气室及其制作方法。

技术介绍

[0002]原子气室是众多量子传感器件中实现量子态调控和监测的敏感表头，它将原子蒸气存储在透光容器中，构成一个封闭体系，在此体系中，根据不同领域需求利用光、电、材料科学等技术手段对原子蒸气量子态进行精确调控与监测实现对物理量高精度测量。
[0003]传统以硅作为腔体，硼硅玻璃作为光学窗口的MEMS芯片原子气室内密封碱金属元素和缓冲气体，但是碱金属元素与腔壁通过物理扩散或者化学反应而被逐渐消耗，特别是随着使用温度提高这种消耗反应快速增加，根据我们前期实验结果研究发现在300摄氏度下烘烤一小时密封的碱金属基本被完全消耗。因此降低或避免原子气室内碱金属元素消耗成为高性能MEMS芯片原子气室制备控制关键。原子气室寿命变短的主要原因有：1、每个气室封入得碱金属量有限，量过少或消失则器件失效。2、碱金属元素会扩散进入硅体内部，或与硅和玻璃内部的游离态氧反应掉，这种消耗反应随温度升高加快。3、原子室内同时会封入一定压强的缓冲气体(如N2：Ar亦或Ne、He气)，压强必须维持恒定，但是缓冲气体，特别是惰性气体Ar、Ne、He等会渗透硅和玻璃，导致气压改变(内渗或外渗都可能)，导致芯片气室失效。

技术实现思路

[0004]为了达到上述的目的，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0005]在本专利技术的一方面提供了一种原子气室的制作方法，所述制作方法包括：
[0006]在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层，所述第一通孔和所述第二通孔一一对应；
[0007]在所述第一通孔或所述第二通孔中放置填充材料；
[0008]将所述第一键合层和所述第二键合层进行键合。
[0009]优选地，所述第一键合层与所述第二键合层由铜制成。
[0010]优选地，在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层的步骤包括：
[0011]利用溅射工艺在所述第一蓝宝石基板上形成第一种子金属层，且利用溅射工艺在所述第二蓝宝石基板上形成第二种子金属层；
[0012]在所述第一种子金属层上形成具有镂空图案的第一牺牲层，且在所述第二种子金属层上形成具有镂空图案的第二牺牲层；所述第一牺牲层的镂空图案和所述第二牺牲层的镂空图案相同；
[0013]利用电镀工艺在所述第一牺牲层的镂空图案中形成第一金属层，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层的镂空图案中形成第二金属层；
[0014]将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层和
部分的第二种子金属层；
[0015]将暴露的第一种子金属层和第二种子金属层去除。
[0016]优选地，所述第一金属层的厚度小于或等于所述第一牺牲层的厚度，所述第二金属层的厚度小于或等于所述第二牺牲层的厚度。
[0017]优选地，在将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层和所述第一牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理，且对所述第二金属层和所述第二牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理。
[0018]优选地，所述制作方法还包括：
[0019]在所述第一蓝宝石基板和所述第一键合层之间形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板和所述第二键合层之间形成第二粘附层；
[0020]其中，所述第一通孔贯穿所述第一粘附层，所述第二通孔贯穿所述第二粘附层。
[0021]优选地，在第一蓝宝石基板上形成具有第一通孔的第一键合层，且在第二蓝宝石基板上形成具有第二通孔的第二键合层包括：
[0022]在所述第一蓝宝石基板上形成第一粘附层，且在所述第二蓝宝石基板上形成第二粘附层；
[0023]在所述第一粘附层上形成第一种子金属层，且在所述第二粘附层上形成第二种子金属层；
[0024]在所述第一种子金属层上形成具有镂空图案的第一牺牲层，且在所述第二种子金属层上形成具有镂空图案的第二牺牲层；所述第一牺牲层的镂空图案和所述第二牺牲层的镂空图案相同；
[0025]利用电镀工艺在所述第一牺牲层的镂空图案中形成第一金属层，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层的镂空图案中形成第二金属层；
[0026]将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层和部分的第二种子金属层；
[0027]将暴露的部分第一种子金属层以及所述部分第一种子金属层正下方的第一粘附层去除，且将暴露的部分第二种子金属层以及所述部分第二种子金属层正下方的第二粘附层去除。
[0028]优选地，所述第一金属层的厚度小于所述第一牺牲层的厚度，所述第二金属层的厚度小于所述第二牺牲层的厚度。
[0029]优选地，在将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层和所述第一牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理，且对所述第二金属层和所述第二牺牲层的表面进行化学机械抛光平坦化处理。
[0030]在本专利技术的另一方面提供了一种由上述的制作方法制作形成的原子气室。
[0031]与现有技术相比，本专利技术提供的原子气室的制作方法采用了在两个蓝宝石基板上分别形成铜制的键合层，且利用该铜制的键合层形成金属密封圈的方式，形成了原子气室的密封结构，以此避免了构成原子气室的材料与碱金属之间的化学反应，从而提高了原子气室的可靠性和稳定性，提高了原子气室的使用寿命。
附图说明
[0032]图1至图8为本专利技术实施例的原子气室的制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
[0033]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。
[0034]在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。
[0035]为了解决现有技术的不足，本专利技术人经研究发现，氧化铝(Al2O3)薄膜能够阻挡碱金属的原子气体的扩散渗透。基于该事实，本专利技术提供了利用蓝宝石(主要成分为Al2O3)基板来形成原子气室的方法。以下结合具体的实施例来进一步说明本专利技术的技术方案。
[0036]实施例1
[0037]本实施例提供的原子气室的制作方法包括：
[0038]步骤1、在第一蓝宝石基板1a上形成具有第一通孔A的第一键合层1c，且在第二蓝宝石基板1b上形成具有第二通孔A'的第二键合层1d，所述第一通孔A和所述第二通孔A'一一对应，其中，所述第一通孔A和所述第二通孔A'至少形成有一对。需要说明的是，所述第一通孔A和所述第二通孔A'一一对应是指：所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子气室的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：在第一蓝宝石基板(1a)上形成具有第一通孔(A)的第一键合层(1c)，且在第二蓝宝石基板(1b)上形成具有第二通孔(A')的第二键合层(1d)，所述第一通孔(A)和所述第二通孔(A')一一对应；在所述第一通孔(A)或所述第二通孔(A')中放置填充材料(5)；将所述第一键合层(1c)和所述第二键合层(1d)进行键合。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一键合层(1c)与所述第二键合层(1d)由铜制成。3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，在第一蓝宝石基板(1a)上形成具有第一通孔(A)的第一键合层(1c)，且在第二蓝宝石基板(1b)上形成具有第二通孔(A')的第二键合层(1d)的步骤包括：利用溅射工艺在所述第一蓝宝石基板(1a)上形成第一种子金属层(2a)，且利用溅射工艺在所述第二蓝宝石基板(1b)上形成第二种子金属层(2b)；在所述第一种子金属层(2a)上形成具有镂空图案的第一牺牲层(3a)，且在所述第二种子金属层(2b)上形成具有镂空图案的第二牺牲层(3b)；所述第一牺牲层(3a)的镂空图案和所述第二牺牲层(3b)的镂空图案相同；利用电镀工艺在所述第一牺牲层(3a)的镂空图案中形成第一金属层(4a)，且利用电镀工艺在所述第二牺牲层(3b)的镂空图案中形成第二金属层(4b)；将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除，以暴露部分的第一种子金属层(2a)和部分的第二种子金属层(2b)；将暴露的第一种子金属层(2a)和第二种子金属层(2b)去除。4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一金属层(4a)的厚度小于或等于所述第一牺牲层(3a)的厚度，所述第二金属层(4b)的厚度小于或等于所述第二牺牲层(3b)的厚度。5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在将所述第一牺牲层(3a)和所述第二牺牲层(3b)剥离去除之前，所述制作方法还包括：对所述第一金属层(4a)和所述第一牺牲层(3a)的表面进行平坦化处理，且对所述第二金属层(4b)和所述第二牺牲层(3b)的表面进行平坦化处理。6.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏先海，王逸群，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：