一种具有内壁保护层的微型原子气室及制备方法与流程

本发明涉及真空电子。更具体地，涉及一种具有内壁保护层的微型原子气室及制备方法。

背景技术：

1、当前制备微型化原子气室，一般采用微机电系统(mems)标准工艺：采用光刻、湿法或干法刻蚀形成硅片空腔结构，充入碱金属原子后，通过阳极键合实现玻璃-硅空腔-玻璃的封装。mems工艺制备碱金属原子气室，其实用化的一大技术挑战，是在工作寿命期内原子气室内部碱金属蒸气的足量维持。由于体积整体缩小的原因，mems微气室的碱金属充填量相对传统原子气室也相应大幅减少，并且这些碱金属还会随着器件工作不断消耗。一旦逐渐消耗的碱金属不足以维持气室内部的饱和蒸气压，就会显著影响原子气室的工作性能，或者可能导致器件失效。研究表明，微加工原子气室碱金属逐渐减少的原因有两个：一是原子直接向气室内壁层的扩散逃逸；二是碱金属与气室内壁材料发生化学反应产生消耗，具体地，制备原子气室的阳极键合技术，要求必须使用富含钠离子的硼硅玻璃和硅片作为器壁材料，而碱金属除了向玻璃内部扩散消失以外，也很容易和硼硅玻璃中的氧化钠发生置换反应，导致数量减少。

2、在原子气室内壁涂覆保护层，将碱金属与原子气室材料实现物理隔离，是防止气室内碱金属消耗的有效手段。理论上，氧化物能够很好实现致密薄膜，并且很多氧化物的gibbs自由能都大于碱金属氧化物，不易与碱金属发生反应，足以用作保护层材料。

3、现有文献公开的方法，通过mems技术在原子气室内壁制作保护层，有效地将气室内壁相对碱金属原子阻力提升100倍，有望大幅提升碱金属原子气室的寿命。然而这些文献保护层制备方法，存在两个重要缺陷，阻碍了原子气室质量及寿命的进一步提升。其一是：使用原子层、分子层沉积方法，需要匹配合适的材料前驱体，很大程度上限制了可使用保护层材料的种类；其二是该方法没有、并且也不适合对保护层进行图形化，会使得在上层玻璃和硅基底键合界面之间也有保护层存在，这个中间保护层严重影响阳极键合的效果，排除了很多潜在保护层材料(该材料存在于阳极键合界面会导致键合失败)的尝试。其导致的结果就是：现有文献方法保护层仅能采用氧化铝材料，并且由此得到的原子气室，由于氧化铝中间层的存在，在键合强度和气密性方面存在疑问，依然会影响器件的长期应用。

4、因此无论从科学研究，还是实用化的角度出发，都迫切需要一种实用可靠的微型原子气室制备工艺，以实现原子气室的高强度键合和高质量气密性能。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具有内壁保护层的微型原子气室的制备方法。该方法可用于多种保护层材料，保护层能够图形化，制得的微型原子气室的内壁保护层仅存在于气室内表面，既能有效阻隔碱金属和气室内壁接触，同时又不影响气室的键合界面。

2、本发明的另一个目的在于提供一种具有内壁保护层的微型原子气室。

3、为达到上述第一个目的，本发明提供一种具有内壁保护层的微型原子气室结构的制备方法，包括如下步骤：

4、1)提供具有通孔结构的硅基体；

5、2)将所述硅基体的下表面与第一玻璃层进行阳极键合，使所述通孔结构和所述第一玻璃层构成承载腔；

6、3)在所述硅基体的上表面以及所述通孔结构的侧壁上边缘沉积牺牲层；然后在所述牺牲层的表面以及所述承载腔的内表面沉积保护层；其中，所述侧壁上边缘的高度不超过所述保护层的厚度；

7、4)腐蚀去除所述牺牲层及所述牺牲层表面的保护层；

8、5)在包含保护层的承载腔内填充碱金属；

9、6)在第二玻璃层的表面制作图形化的保护层，使所述图形化的保护层与承载腔内的下表面相对应；

10、7)将所述硅基体的上表面与所述第二玻璃层进行阳极键合，使保护层和图形化的保护层完全覆盖原子气室内壁表面。

11、优选地，所述一次阳极键合是在真空环境中，键合电压为200v-1200v，键合温度为200℃-500℃，键合压力为1000n-1500n的条件下进行的。

12、优选地，所述二次阳极键合是在真空环境中，键合电压为200v-800v，键合温度为200℃-300℃，键合压力为1500n-2000n的条件下进行的。

13、优选地，所述第一玻璃层和第二玻璃层的材质为硼硅玻璃；优选为康宁pyrex7740玻璃或肖特bf33玻璃。

14、优选地，所述第一玻璃层或第二玻璃层的厚度在200μm-500μm范围内。

15、优选地，所述硅基体为双面抛光的p型掺杂硅片。

16、优选地，所述硅基体的厚度在1mm-5mm范围内。

17、优选地，所述保护层和所述图形化的保护层的材料相同，选自氧化硼、氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氮化硅中的一种。

18、优选地，所述保护层和所述图形化的保护层的相同，厚度在10nm-20nm范围内。

19、优选地，所述碱金属的填充量在1μg-50μg范围内。

20、为达到上述第二个目的，本发明提供一种具有内壁保护层的微型原子气室，其结构包括：从上到下依次设置的第二玻璃层、具有通孔结构的硅基体和第二玻璃层；所述通孔结构、第一玻璃层和第二玻璃层构成微型原子气室；所述微型原子气室内表面被保护层完全覆盖，碱金属被保护层隔离在微型原子气室的内部。

21、本发明的有益效果如下：

22、1、本发明的提供的制备方法具有普适性，适用于多种保护层材料，而且该制备方法完全兼容mems及微电子工艺，能可靠地实现原子气室的批量化制作，工艺流程简单易实施，可操作性强。

23、2、本发明提供的微型原子气室的内壁保护层可避免碱金属和原子气室内壁直接接触，防止碱金属原子因为扩散进入内壁或与内壁材料发生化学反应导致的数量减少，从而能够提高原子气室的寿命。

24、3、本发明提供的微型原子气室的保护层能够图形化，仅存在于气室的内表面，不影响原子气室键合工艺界面，利于实现高强度、高气密性原子气室。

技术特征：

1.一种具有内壁保护层的微型原子气室的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一次阳极键合是在真空环境中，键合电压为200v-1200v，键合温度为200℃-500℃，键合压力为1000n-1500n的条件下进行的；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一玻璃层和第二玻璃层的材质为硼硅玻璃；优选为康宁pyrex7740玻璃或肖特bf33玻璃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一玻璃层或第二玻璃层的厚度在200μm-500μm范围内。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基体为双面抛光的p型掺杂硅片。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基体的厚度在1mm-5mm范围内。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护层和所述图形化的保护层的材料相同，选自氧化硼、氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氮化硅中的一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护层和所述图形化的保护层的厚度相同，厚度在10nm-20nm范围内。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱金属的填充量在1μg-50μg范围内。

10.一种由权利要求1-9任一所述的制备方法制得的具有内壁保护层的微型原子气室，其特征在于，其结构包括：上到下依次设置的第二玻璃层、具有通孔结构的硅基体和第一玻璃层；所述通孔结构、第一玻璃层和第二玻璃层构成微型原子气室；所述微型原子气室的内表面被保护层完全覆盖，碱金属被保护层隔离在微型原子气室的内部。

技术总结本发明公开了一种具有内壁保护层的微型原子气室及制备方法：所述微型原子气室的结构包括：上到下依次设置的第二玻璃层、具有通孔结构的硅基体和第一玻璃层；所述通孔结构、第一玻璃层和第二玻璃层构成微型原子气室；所述微型原子气室内表面被保护层完全覆盖，碱金属被保护层封裹在微型原子气室内部。其中，本发明提供的微型原子气室中，保护层只存在原子气室内壁，不存在玻璃和硅基体的交界面，不会影响原子气室键合工艺界面，利于实现微型原子气室的高强度、高气密性；而且碱金属被保护层封裹在原子气室内部，防止碱金属原子因为扩散进入内壁或与内壁材料发生化学反应导致的数量减少，从而能够提高微型原子气室的寿命。技术研发人员：李兴辉,杜婷,韩攀阳,李洋,陈海军,蔡军,冯进军受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十二研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/12