芯片原子气室胶键合系统及胶键合工艺制备方法与流程

本申请涉及本申请涉及原子气室领域，特别是涉及一种芯片原子气室胶键合系统及胶键合工艺制备方法。

背景技术：

集成电路工艺以及电子器件的小型化和多功能集成推动了微机电系统技术的发展。微机电系统采用先进的半导体工艺和技术，将机械、电子甚至系统集成在一块芯片中，在航空航天、信息通信、生物医疗等领域有着巨大的应用前景。近年来，随着原子物理学、半导体激光器和微纳米制造技术的发展，对高精度、微体积的微机电系统原子器件要求越来越高。在芯片级原子钟、芯片级磁力计等应用系统、芯片级计量基标准体系中，芯片原子气室都是关键部件。

然而，传统的芯片原子气室制备时通常使用阳极键合工艺，然后将碱金属源放到硅微孔里，再将上层玻璃采用阳极键合工艺结合上，形成芯片原子气室。同时，通过阳极键合工艺键合时，需要在无氧无水环境中进行。然而，用于芯片原子气室加工的无氧无水阳极键合系统操作复杂，降低了工作效率。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的芯片原子气室加工的无氧无水阳极键合系统操作复杂，工作效率低的问题，提供一种操作简单的芯片原子气室胶键合系统及胶键合工艺制备方法。

本申请提供一种芯片原子气室胶键合系统包括气体存储装置、减压控制装置、气体流量控制装置、键合室以及压力控制装置。所述气体存储装置用于储存气体。所述减压控制装置与所述气体存储装置连接，用于调节气体的压力获得稳定的气源动力。所述气体流量控制装置与所述减压控制装置连接，用于监测气体的流量。所述键合室与所述气体流量控制装置连接，用于提供胶键合环境。所述压力控制装置与所述键合室连接，用于调节控制所述键合室的压力。

在一个实施例中，所述气体存储装置包括第一气体储存装置、第二气体储存装置以及第三气体储存装置。所述第一气体储存装置与所述减压控制装置连接，用于储存第一缓冲气体。所述第二气体储存装置与所述减压控制装置连接，用于储存第二缓冲气体。所述第三气体储存装置与所述减压控制装置连接，用于储存第三缓冲气体。

在一个实施例中，所述减压控制装置包括第一减压控制器、第二减压控制器以及第三减压控制器。所述第一减压控制器的进口端与所述第一气体储存装置连接。所述第二减压控制器的进口端与所述第二气体储存装置连接。所述第三减压控制器的进口端与所述第三气体储存装置连接。

在一个实施例中，所述气体流量控制装置包括第一气体流量控制器、第二气体流量控制器以及第三气体流量控制器。所述第一气体流量控制器的进口端与所述第一减压控制器的出口端连接，所述第一气体流量控制器的出口端与所述键合室连接。所述第二气体流量控制器的进口端与所述第二减压控制器的出口端连接，所述第二气体流量控制器的出口端与所述键合室连接。所述第三气体流量控制器的进口端与所述第三减压控制器的出口端连接，所述第三气体流量控制器的出口端与所述键合室连接。

在一个实施例中，所述键合室包围形成一个键合室操作空间，还包括点胶操作台以及加热结构。所述点胶操作台设置于所述键合室操作空间内，用于在玻璃与硅片的边缘位置涂覆高温真空胶。所述加热结构设置于所述键合室操作空间内，用于加热所述点胶操作台(420)点胶后的玻璃与硅片。

在一个实施例中，所述键合室还包括电子干燥模块。所述电子干燥模块设置于所述键合室操作空间内，用于对所述键合室操作空间进行干燥。

在一个实施例中，所述键合室还包括传递结构。所述传递结构设置于所述键合室远离所述气体流量控制装置一侧。所述传递结构与所述键合室操作空间连通，用于传递玻璃与硅片。

在一个实施例中，所述电子干燥模块与所述点胶操作台相对设置于所述键合室操作空间内，所述加热结构与所述点胶操作台设置于同一侧。

在一个实施例中，所示压力控制装置包括压力控制阀以及机械泵。所述压力控制阀的一端与所述键合室连接。所述机械泵与所述压力控制阀的另一端连接。

在一个实施例中，一种胶键合工艺制备方法，包括：

s10，提供芯片原子气室胶键合系统、硅片、第一玻璃片以及第二玻璃片，所述硅片设置有通孔；

s20，将所述硅片、所述第一玻璃片以及所述第二玻璃片进行加热烘烤；

s30，在所述第一玻璃片的第一玻璃片表面四周边缘涂覆第一高温真空胶层；

s40，将所述硅片贴合放置于所述第一玻璃片表面，并在200℃～400℃环境温度下烘烤3.5小时～4.5小时，以使所述硅片与所述第一玻璃片胶键合，形成预成型气室，所述预成型气室具有所述通孔；

s50，通过所述通孔在所述预成型气室内加入碱金属和缓冲气体；

s60，在所述硅片远离所述第一玻璃片表面的硅片表面的四周边缘涂覆第二高温真空胶层；

s70，将所述第二玻璃片放置于所述硅片表面，并在200℃～400℃环境温度下烘烤3.5小时～4.5小时，以使所述第二玻璃片与所述硅片胶键合，形成芯片原子气室。

本申请提供一种上述芯片原子气室胶键合系统，通过所述芯片原子气室胶键合系统置换所述键合室里的空气，实现无氧环境。通过所述气体存储装置重复在所述键合室内通高纯ar气或者氮气，且抽真空至少三次，从而使得所述芯片原子气室胶键合系统非工作状态时，所述键合室保持真空状态。当所述芯片原子气室胶键合系统工作时，通入所需缓冲气体。同时，芯片原子气室内放入碱金属源与缓冲气体。缓冲气体可以为ne、ar、n2的混合气体。通过所述气体存储装置、所述减压控制装置以及所述气体流量控制装置实现工作时提供缓冲气体气氛。

所述芯片原子气室胶键合系统包括所述气体存储装置、所述减压控制装置、所述气体流量控制装置、所述键合室以及所述压力控制装置，涉及到的装置成本低。因此，通过所述芯片原子气室胶键合系统易于低成本搭建，可以低成本、更方便的实现芯片原子气室的制备。

附图说明

图1为本申请提供的芯片原子气室胶键合系统整体结构示意图；

图2为本申请提供的硅片结构示意图；

图3为本申请提供的第一高温真空胶层涂覆示意图；

图4为本申请提供的硅片与第一玻璃片贴合示意图；

图5为本申请提供的预成型气室的结构示意图；

图6为本申请提供的第二高温真空胶层涂覆示意图；

图7为本申请提供的芯片原子气室的结构示意图。

附图标记说明

芯片原子气室胶键合系统100、气体存储装置10、第一气体储存装置110、第二气体储存装置120、第三气体储存装置130、减压控制装置20、第一减压控制器210、第二减压控制器220、第三减压控制器230、气体流量控制装置30、第一气体流量控制器310、第二气体流量控制器320、第三气体流量控制器330、键合室40、键合室操作空间410、点胶操作台420、加热结构430、电子干燥模块440、传递结构450、压力控制装置50、压力控制阀510、机械泵520、硅片610、第一玻璃片620、第二玻璃片630、通孔611、硅片表面612、第一玻璃片表面621、第一高温真空胶层622、预成型气室640、第二高温真空胶层613、芯片原子气室650。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请提供一种芯片原子气室胶键合系统100包括气体存储装置10、减压控制装置20、气体流量控制装置30、键合室40以及压力控制装置50。所述气体存储装置10用于储存气体。所述减压控制装置20的进口端与所述气体存储装置10连接，用于调节气体的压力获得稳定的气源动力。所述气体流量控制装置30的进口端与所述减压控制装置20的出口端连接，用于监测气体的流量。所述键合室40与所述气体流量控制装置30的出口端连接，用于提供胶键合环境。所述压力控制装置50与所述键合室40连接，用于调节控制所述键合室40的压力。

所述气体存储装置10用于储存缓冲气体，如ne气体、ar气体或/n2气体等缓冲气体。所述减压控制装置20可以为减压阀。通过所述减压控制装置20可以调节将进口端压力减至所需出口端压力，使得出口端压力自动保持稳定。所述气体流量控制装置30可以为气体质量流量计。气体质量流量计由电路板、传感器、进出气管道接头、分流器通道机壳等部件组成，对所述气体存储装置10中的缓冲气体的质量流量进行测量。同时，通过所述气体流量控制装置30与所述减压控制装置20相连接，既可以实现对缓冲气体的质量流量进行测量，也可以实现缓冲气体的质量流量进行控制。所述键合室40用于为芯片原子气室胶键合时，提供无氧无水环境，实现玻璃与硅片的键合。所述键合室40可以为有机玻璃手套箱，可以方便实现硅片、玻璃的移动，操作简单方便。

通过所述芯片原子气室胶键合系统100置换所述键合室40里的空气，实现无氧环境。通过所述气体存储装置10重复在所述键合室40内通高纯ar气或者氮气，且抽真空至少三次，从而使得所述芯片原子气室胶键合系统100非工作状态时，所述键合室40保持真空状态。当所述芯片原子气室胶键合系统100工作时，通入所需缓冲气体。同时，芯片原子气室内放入碱金属源与缓冲气体。缓冲气体可以为ne、ar、n2的混合气体。因此，通过所述气体存储装置10、所述减压控制装置20以及所述气体流量控制装置30实现工作时提供缓冲气体气氛。

所述芯片原子气室胶键合系统100包括所述气体存储装置10、所述减压控制装置20、所述气体流量控制装置30、所述键合室40以及所述压力控制装置50，涉及到的装置成本低，易于实现。因此，通过所述芯片原子气室胶键合系统100易于低成本搭建，可以低成本、更方便的实现芯片原子气室的制备。

在一个实施例中，所述气体存储装置10包括第一气体储存装置110、第二气体储存装置120以及第三气体储存装置130。所述第一气体储存装置110与所述减压控制装置20连接，用于储存第一缓冲气体。所述第二气体储存装置120与所述减压控制装置20连接，用于储存第二缓冲气体。所述第三气体储存装置130与所述减压控制装置20连接，用于储存第三缓冲气体。

所述第一气体储存装置110用于储存高纯ar气体。所述第二气体储存装置120用于储存高纯ne气体。所述第三气体储存装置130用于储存高纯n2气体。优选地，所述第一气体储存装置110、所述第二气体储存装置120以及所述第三气体储存装置130可以为气瓶。

在一个实施例中，所述减压控制装置20包括第一减压控制器210、第二减压控制器220以及第三减压控制器230。所述第一减压控制器210的进口端与所述第一气体储存装置110连接。所述第二减压控制器220的进口端与所述第二气体储存装置120连接。所述第三减压控制器230的进口端与所述第三气体储存装置130连接。

所述第一减压控制器210、所述第二减压控制器220以及所述第三减压控制器230可以为减压阀。减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。通过减压阀可以调节将进口端压力减至所需出口端压力，使得出口端压力自动保持稳定。从而，通过所述第一减压控制器210、所述第二减压控制器220以及所述第三减压控制器230可以分别控制第一缓冲气体、第二缓冲气体以及第三缓冲气体的压力并保持稳定。

在一个实施例中，所述气体流量控制装置30包括第一气体流量控制器310、第二气体流量控制器320以及第三气体流量控制器330。所述第一气体流量控制器310的进口端与所述第一减压控制器210的出口端连接，所述第一气体流量控制器310的出口端与所述键合室40连接。所述第二气体流量控制器320的进口端与所述第二减压控制器220的出口端连接，所述第二气体流量控制器320的出口端与所述键合室40连接。所述第三气体流量控制器330的进口端与所述第三减压控制器230的出口端连接，所述第三气体流量控制器330的出口端与所述键合室40连接。

所述第一气体流量控制器310、所述第二气体流量控制器320以及所述第三气体流量控制器330可以为热式气体质量流量计。热式气体质量流量计既可进行气体流量计量工作，也可用于过程控制领域，无须温压补偿，直接测出流体的质量流量。并且，热式气体质量流量计具有压力损失小、量程比宽、精度高、可靠性高以及操作方便等优点。从而，通过所述气体流量控制装置30可以监控通入所述键合室40内的缓冲气体流量，还可以控制缓冲气体通入流量的多少，使得所述芯片原子气室胶键合系统100制备更加精确。

在一个实施例中，所述键合室40包围形成一个键合室操作空间410，还包括点胶操作台420以及加热结构430。所述点胶操作台420设置于所述键合室操作空间410内，用于在玻璃与硅片的边缘位置涂覆高温真空胶。所述加热结构430设置于所述键合室操作空间410内，用于加热所述点胶操作台420点胶后的玻璃与硅片。

所述点胶操作台420用于放置硅片、玻璃，并在硅片、玻璃表面涂覆高温真空胶，为胶键合做准备。在实际操作时，所述键合室40为有机玻璃手套箱，通过有机玻璃手套箱中的手套将硅片、玻璃进行移动，涂覆高温真空胶等操作。

有机玻璃手套箱内设置有多个电插座，通过电插座将所述加热结构430与电源连接。通过所述加热结构430可以将清洗后的硅片和玻璃进行加热烘烤。并且，通过所述加热结构430可以加热点胶后的玻璃/硅结构，加快胶固化。同时，在通过所述加热结构430加热过程中在玻璃/硅结构上施加一定的压力，使粘合更加平整。

所述加热结构430可以为加热板或加热器等。

所述点胶操作台420与所述加热结构430是相互独立设置于有机玻璃手套箱中，可以方便移动，操作起来比较方便。并且，所述点胶操作台420与所述加热结构430单独设置，相互之间不影响，有利于提高所述芯片原子气室胶键合系统100进行胶键合时的精确度。

在一个实施例中，所述键合室40还包括电子干燥模块440。所述电子干燥模块440设置于所述键合室操作空间410内，用于对所述键合室操作空间410进行干燥。

有机玻璃手套箱内设置有多个电插座，通过电插座将所述电子干燥模块440与电源连接。所述电子干燥模块440可以对所述键合室操作空间410进行干燥处理，实现无水环境，为后续制备芯片原子气室提供无水环境。

在一个实施例中，所述键合室40还包括湿度传感器，所述湿度传感器设置于所述键合室操作空间410内。所述湿度传感器可以实时监测所述键合室操作空间410内的湿度，确保可以为芯片原子气室的制备提供无水环境，提高制备精确度。

在一个实施例中，所述键合室40还包括传递结构450。所述传递结构450设置于所述键合室40远离所述气体流量控制装置30一侧。所述传递结构450与所述键合室操作空间410连通，用于传递玻璃与硅片。

所述传递结构450可以为传递窗口，方便传递所需的物体。所述传递结构450设置于所述键合室40远离所述气体流量控制装置30一侧，可以更加方便的将所需的物体传递到所述键合室操作空间410内，避免与所述气体流量控制装置30的管路碰撞。从而，在通过所述芯片原子气室胶键合系统100制备芯片原子气室时，更加方便、节省时间，提高制备效率。

所述传递结构450还可以为微型运输轨道，将所需物体放置于微型运输轨道，传递到所述键合室操作空间410内，方便快速，易操作、节省时间，提高制备效率。

在一个实施例中，所述电子干燥模块440与所述点胶操作台420相对设置于所述键合室操作空间410内，所述加热结构430与所述点胶操作台420设置于同一侧。

所述加热结构430与所述点胶操作台420设置于同一侧，可以方便硅片和玻璃加热和点胶时，方便传递移动，更加方便、节省时间，提高制备效率。

所述电子干燥模块440与所述点胶操作台420相对设置于所述键合室操作空间410内，可以方便硅片和玻璃的移动，更加方便、节省时间，提高制备效率。

在一个实施例中，所示压力控制装置50包括压力控制阀510、机械泵520。所述压力控制阀510的一端与所述键合室40连接。所述机械泵520与所述压力控制阀510的另一端连接。

通过所述机械泵520与所述压力控制阀510可以调节控制所述键合室操作空间410内的压力，为制备芯片原子气室时胶键合提供有利的环境条件。从而，高效的制备芯片原子气室，提高产品的质量。

请参见图2-7，在一个实施例中，一种胶键合工艺制备方法包括：

s10，提供芯片原子气室胶键合系统100、硅片610、第一玻璃片620以及第二玻璃片630，所述硅片610设置有通孔611；

s20，将所述硅片610、所述第一玻璃片620以及所述第二玻璃片630进行加热烘烤；

s30，在所述第一玻璃片620的第一玻璃片表面621四周边缘涂覆第一高温真空胶层622；

s40，将所述硅片610贴合放置于所述第一玻璃片表面621，并在200℃～400℃环境温度下热压烘烤3.5小时～4.5小时，以使所述硅片610与所述第一玻璃片620胶键合，形成预成型气室640，所述预成型气室640具有所述通孔611；

s50，通过所述通孔611在所述预成型气室640内加入碱金属和缓冲气体；

s60，在所述硅片610远离所述第一玻璃片表面621的硅片表面612的四周边缘涂覆第二高温真空胶层613；

s70，将所述第二玻璃片630放置于所述硅片表面612，并在200℃～400℃环境温度下烘烤3.5小时～4.5小时，以使所述第二玻璃片630与所述硅片610胶键合，形成芯片原子气室650。

在所述步骤s20中，对所述硅片610、所述第一玻璃片620以及所述第二玻璃片630进行加热烘烤1小时～2小时。从而将所述硅片610、所述第一玻璃片620以及所述第二玻璃片630内剩余的水分去除。

在所述步骤s30中，由于所述第一玻璃片620与所述硅片610胶键合时，既不能太靠近边缘位置，又不能太远离边缘位置。太靠近边缘位置容易导致高温真空胶受挤压，将高温真空胶挤压到芯片原子气室外侧边缘。太远离边缘位置，容易导致高温真空胶受挤压，将高温真空胶挤压到芯片原子气室内侧通孔内，影响芯片原子气室的质量。因此，本申请中在所述第一玻璃片表面621距离所述第一玻璃片620边缘1毫米范围位置处涂覆所述第一高温真空胶层622。从而，在所述第一玻璃片表面621距离所述第一玻璃片620边缘1毫米范围位置处涂覆所述第一高温真空胶层622，可以避免高温真空胶挤压到芯片原子气室外侧边缘或芯片原子气室内侧通孔内，且使得所述第一玻璃片620与所述硅片610胶键合更加稳固，更加可靠。所述第一高温真空胶层622的厚度范围可以为350微米～500微米，有利于所述第一玻璃片620与所述硅片610胶键合，使得所述第一玻璃片620与所述硅片610结合的更加稳固，性能更加可靠。

在所述步骤s40中，200℃～400℃环境温度下烘烤3小时以上。从而，可以通过温度的设置和烘烤时间的设置，使得所述第一玻璃片620与所述硅片610键合更加稳固。

同时，对所述第一玻璃片620与所述硅片610进行热压时，压力一般可以设置为1n～3n。从而使得所述第一玻璃片620与所述硅片610充分贴合接触，使得所述第一玻璃片620与所述硅片610结合更加稳固可靠。

在所述步骤s60中，所述第二高温真空胶层613的涂覆距离与所述第一高温真空胶层622涂覆距离相同。所述第二高温真空胶层613的厚度与所述第一高温真空胶层622的厚度也相同。

通过所述胶键合工艺制备方法与所述芯片原子气室胶键合系统100，低成本搭建、并且步骤简单、容易操作控制。同时，通过胶键合工艺制备方法可以使得所述芯片原子气室650的硅片和玻璃键合更加稳固，提高了芯片原子气室的良率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。