基于玻璃通孔填充技术的双腔室MEMS加热气室及其制作方法与流程

本发明属于光学精密加工，更具体地，涉及一种基于玻璃通孔填充技术的双腔室mems加热气室及其制作方法。

背景技术：

1、原子气室作为磁力计、原子钟等量子精密测量的核心器件，被广泛应用于航空磁测、海洋监测、地质勘探(矿产资源开发、考古)、地震预报、甚至医疗卫生系统等领域。随着现代技术的不断迭代和进步，对更低功耗、更小体积、更高精度、更强的恶劣环境耐受度的量子传感器件提出了更高的要求，因此，制作性能更加优良的原子气室对精密测量的影响至关重要。

2、玻璃通孔工艺(through glass via，tgv)应用于芯片高密度三维封装中的新兴互连技术，可实现芯片和芯片之间的垂直导通。当保持封装面积不变时，tgv技术能够使芯片体积在三维方向得到延伸，结构密度最大化，外形尺寸最小化，tgv技术可以使封装产品具有更高的结构密度，因此可实现更多的功能，拥有更好的性能，花费更低的成本。利用此项技术本文实现了对独立原子气室、加热器、热敏电阻的集成，可实现更高的结构密度，减小了封装器件的体积，减轻了封装器件的重量，降低了透过双腔室mems加热气室的激光在传播过程中的损失。

3、在近几年的国内外文献资料中，传统的的磁力计、原子钟等量子传感器件的物理封装采用粘合剂将独立原子气室与加热器贴合，加热器的焊盘接通电源后实现对原子气室的加热与温度探测监控。独立原子气室与加热器两个器件需要分开制备后再进行粘合，造成体积大、重量增加，且粘合过程由于采用粘合剂黏合，会导致激光在传输过程的损失。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于玻璃通孔填充技术的双腔室mems加热气室及其制作方法，其中结合mems加热气室自身的特征及其制备工艺特点，相应通过玻璃通孔填充技术集成了加热器、热敏电阻与原子气室，将传统的加热器和热敏电阻二者通过玻璃通孔填充技术集成于双腔室mems加热气室的硅-玻璃键合表面，加热器与热敏电阻不再以器件的形式存在，而是以双腔室mems加热气室的某一组成部分存在，由此减小了物理系统的体积，减轻了物理系统重量，具有了更高的结构密度，使得更易于实现物理系统的小型化与芯片化。本发明所制备的双腔室mems加热气室可实现小体积、低功耗的小型化以及微型化目标，适合用在磁力计、原子钟等量子精密测量等领域。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于玻璃通孔填充技术的双腔室mems加热气室，包括依次键合的顶部玻璃片、硅片以及底部玻璃片，其中，

3、所述顶部玻璃片上设有au-glass焊盘、电极引线和焊盘引线接触孔，所述au-glass焊盘与电极引线连接，所述焊盘引线接触孔贯穿所述顶部玻璃片，且与电极引线末端对应设置；

4、所述硅片上并列设置有光与原子相互作用腔和化学反应作用腔，所述光与原子相互作用腔和化学反应作用腔通过多个微通道连通；

5、所述光与原子相互作用腔顶部周向设有加热器和热敏电阻，所述加热器和热敏电阻分别与au-si焊盘电性连接，所述au-si焊盘与焊盘引线接触孔对应设置；

6、所述底部玻璃片用于封装所述光与原子相互作用腔和化学反应作用腔。

7、作为进一步优选的，所述顶部玻璃片与所述硅片键合的一面设有浅u槽，用于容纳所述加热器、热敏电阻以及所述au-si焊盘。

8、作为进一步优选的，所述化学反应作用腔内放置有碱金属释放剂。

9、作为进一步优选的，所述碱金属释放剂在加热到一定温度条件下可释放碱金属原子。

10、作为进一步优选的，所述加热器为依次沉积成形的ti、pt、au。

11、按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于玻璃通孔填充技术的双腔室mems加热气室的制备方法，包括以下步骤：

12、s1对硅片进行正反面套刻，形成光与原子相互作用腔和化学反应作用腔的硅通孔，所述光原子相互作用腔和化学反应作用腔的硅通孔通过所述硅片底部表面的多个微通道相连；

13、s2在硅片顶部表面制备加热器、热敏电阻以及au-si焊盘；

14、s3在顶部玻璃片上制备焊盘引线接触孔；

15、s4将硅片和顶部玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，形成两层预制键合片；

16、s5将碱金属释放剂填充入两层预制键合片的化学反应作用腔中；

17、s6将两层预制键合片和底部玻璃片进行硅-玻璃-硅阳极键合，形成三层密封腔键合片；

18、s7三层密封腔键合片的顶部玻璃片上沉积制备au-glass焊盘、电极引线，以制备完成预制双腔室mems加热气室；

19、s8用激光将预制双腔室mems加热气室中的碱金属释放剂加热至一定温度以释放出碱金属释放剂中的碱金属原子，对预制双腔室mems加热气室进行测试筛选，以获取满足要求的双腔室mems加热气室。

20、作为进一步优选的，步骤s1中，对硅片进行正反面套刻，形成光与原子相互作用腔和化学反应作用腔的硅通孔具体包括：

21、s11气相淀积膜：在硅片上涂布六甲基二硅胺烷改变硅片的表面状态，由亲水性改变为疏水性；

22、s12匀胶并前烘：疏水性的硅片表面旋涂光刻胶，完成后将硅片进行前烘充分，以蒸发掉光刻胶中的溶剂；

23、s13光刻曝光：利用光刻机对准曝光经步骤s12处理后的硅片，光刻机紫外光源发出的光透过第一掩模版照射到硅片顶层的光刻胶上，激活光刻胶中的光敏成分，在硅片顶部表面得到双腔室mems加热气室的基本形状；

24、s14显影及坚膜：将经步骤s13处理后的硅片浸泡的显影液中进行显影，并去除表面残余的光刻胶，然后将硅片进行后烘处理，以去除显影后光刻胶内残留的溶剂；

25、s15正面刻蚀：drie深反应离子刻蚀机中的c4f8和sf6气体轰击硅片表面，将光刻胶层上的图形转移到硅片上去；

26、s16背面刻蚀：重复步骤s11-s14，在光刻曝光时使用带有对准标记的第二掩模版定义硅片底部表面双腔室mems加热气室的形状，利用drie深反应离子刻蚀硅片表面直至刻蚀形成光与原子相互作用腔和化学反应作用腔的硅通孔。

27、作为进一步优选的，步骤s2具体包括：

28、s21对硅片顶部表面依次进行气相淀积膜、匀胶并前烘、光刻曝光、显影，将带有对准标记的第三掩模版上的图形转移到硅片顶部表面；

29、s22采用磁控溅射的方式在硅片顶部表面依次沉积ti、pt以制备加热器和热敏电阻，其中，ti层与pt层的磁控溅射采用剥离的方式进行；

30、s23对经步骤s22处理后的硅片顶部表面依次进行气相淀积膜、匀胶并前烘、光刻曝光、显影，将带有对准标记的第四掩模版上的图形转移到硅片顶部表面，采用磁控溅射的方式通过沉积au制备au-si焊盘。

31、作为进一步优选的，步骤s4具体包括以下步骤：将所述硅片和顶部玻璃片通过光学对准安装在键合托盘上送入键合腔内执行阳极键合以形成两层预制键合片，期间，键合真空度＜1×10-5mbar，键合电极电压为1000v，键合压力为1000n，键合面为硅片顶部表面和顶部玻璃片带浅u槽的一面；

32、优选的，步骤s6具体包括以下步骤：通过光学对准将两层预制键合片和底部玻璃片安装在键合机键合托盘上，其中，两层预制键合片与底部热板连接，底部玻璃片与顶部热板连接，同时利用键合托盘上的厚垫片在两层预制键合片和底部玻璃片之间形成缝隙使得缓冲气体能进入光与原子相互作用腔和化学反应作用腔中，将顶部热板以及底部热板均加热到键合温度，键合机内部键合腔抽真空，真空度＜1×10-5mbar，并保持30min真空后充入缓冲气体，保持一段时间使得缓冲气体扩散到光与原子相互作用腔和化学反应作用腔中，顶部热板对底部玻璃片施加压力1000n，键合电极电压为1000v，以形成三层密封腔键合片。

33、作为进一步优选的，步骤s7包括以下步骤：

34、s71三层密封腔键合片的顶部玻璃片上溅射粘附层金属cr以增强顶部玻璃片表面与种子层金属au之间的粘附性；

35、s72在粘附层金属cr上电镀种子层金属au作为电极引线以及au-glass焊盘的制备原料；

36、s73将经步骤s72处理后的顶部玻璃片进行气相淀积膜、匀胶并前烘、光刻曝光、显影操作，以将带有对准标记的第六掩模版上的图形转移到顶部玻璃片表面，使得电极引线以及au-glass焊盘图形化；

37、s74对图形化的电极引线以及au-glass焊盘进行刻蚀，以形成电极引线和au-glass焊盘；

38、s75将经步骤s74处理后的三层密封腔键合片进行退火处理，以实现电极引线和au-glass焊盘的金属合金化；

39、s76测试经步骤s75处理后的au-glass焊盘的是否形成良好的欧姆接触。

40、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

41、1.本发明通过玻璃通孔填充技术集成了加热器、热敏电阻与原子气室，将传统的加热器和热敏电阻二者通过玻璃通孔填充技术集成于双腔室mems加热气室的硅-玻璃键合表面，加热器与热敏电阻不再以器件的形式存在，而是以双腔室mems加热气室的某一组成部分存在，由此减小了物理系统的体积，减轻了物理系统重量，具有了更高的结构密度，使得更易于实现物理系统的小型化与芯片化。本发明所制备的双腔室mems加热气室可实现小体积、低功耗的小型化以及微型化目标，适合用在磁力计、原子钟等量子精密测量等领域。

42、2.本发明所述双腔室mems加热气室利用玻璃通孔填充技术实现了对独立原子气室、加热器、热敏电阻的集成，将传统的加热器、热敏电阻直接制备于双腔室mems加热气室的硅-玻璃键合表面，实现了更高的结构密度。

43、3.本发明双腔室mems加热气室与传统独立气室、加热器与热敏电阻相比较，本发明气室中的加热器与热敏电阻不再以器件的形式存在，而是以双腔室mems加热气室的某一组成部分存在，减小了封装器件的体积，减轻了封装器件的重量，更易于实现物理系统的小型化与芯片化。

44、4.本发明加热器与热敏电阻直接存在与双腔室mems加热气室的硅-玻璃键合表面，可实现直接对气室本身进行加热，减小了热耗散，节约了达到原定温度所需的时间。

45、5.传统物理封装使用粘合剂将原子气室与加热器贴合，本发明中的双腔室mems加热气室无胶贴合，降低了透过双腔室mems加热气室的激光在传播过程中的损失，提高了光传输效率。

46、6.本发明所制备的双腔室mems加热气室可实现小体积、低功耗的小型化以及微型化目标，适合用在磁力计、原子钟等量子精密测量等领域。