晶圆级碱金属气室的制备方法及装置与流程

本发明涉及一种制备方法及装置，尤其是一种晶圆级碱金属气室的制备方法及装置。

背景技术：

1、碱金属气室是原子钟、原子磁力计和原子陀螺仪等量子仪表器具的核心部件，其质量直接决定器件性能。随着现代科技发展，对器件小型化、低功耗与高集成度要求的不断提高，微型碱金属气室的制备方法成为各国科学技术研究的热点课题。

2、传统的碱金属气室多采用玻璃泡型，而玻璃泡型的碱金属气室存在气室形状难以精确控制、无法实现批量化等缺陷，而应用mems技术实现晶圆级碱金属气室的制备已经成为可能。

3、目前，国外制备碱金属气室的主流技术为：在硅片上通过koh腐蚀或者深反应离子刻蚀工艺制作出通孔，并在制备通过后进行一次阳极键合，接着加入碱金属，最后在高真空或缓冲气体环境下进行第二次阳极键合完成气室密封。

4、微加工制作气室腔体的工艺已经成熟，而实现碱金属给予和气室封装则是两大关键步骤。由于碱金属活泼且易与水氧反应的化学特性，因此，在向气室槽内填装碱金属的制备过程中，需要提供易于人工操作的平台与必需的惰性气体氛围，而传统已有的阳极键合设备与工艺方法并不方便适用，并且价格昂贵。

5、因碱金属熔点低、易气化的特性，在气室阳极键合封装的过程中，气室槽内的碱金属容易受热逃逸从而引起气室腔内碱金属原子数量不足，导致碱金属气室性能变差和寿命减短等等问题。此外，碱金属氧化，均匀性差，导致工艺条件难以控制，无法满足碱金属气室的产业制备需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶圆级碱金属气室的制备方法及装置，其能有效实现碱金属气室的制备，避免了碱金属因高温而产生逃逸，同时保证了键合强度，提高了所制备碱金属气室的可靠性。

2、按照本发明提供的技术方案，一种晶圆级碱金属气室的制备方法，所述制备方法包括：

3、制备预气室晶圆单元，其中，所述预气室晶圆单元包括若干用于收纳碱金属的气室孔槽；

4、将上述制备的预气室晶圆单元与一用于产生碱金属蒸汽的碱金属蒸发装置正对准，其中，所述碱金属蒸发装置包括具有若干反应池槽的碱金属反应池，预气室晶圆单元内的气室孔槽与碱金属反应池的反应池槽呈一一正对准，以使得一气室孔槽与正对应的反应池槽形成一碱金属给予通道；

5、对预置于反应池槽内的碱金属物质加热蒸发，以在加热蒸发后，利用上述的碱金属给予通道将碱金属沉积在正对应的气室孔槽内，且在气室孔槽内沉积所需的碱金属后，将预气室晶圆单元冷却至常温；

6、提供气室封装晶圆，并将所述气室封装晶圆与上述冷却至常温的预气室晶圆单元进行低温预键合，以在低温预键合后，利用气室封装晶圆封闭预气室晶圆单元内的气室孔槽；

7、对上述低温与键合的气室封装晶圆与预气室晶圆单元进行高温阳极键合，其中，高温阳极键合时，键合气压处于分子泵本底真空状态。

8、所述预气室晶圆单元包括气室主晶圆以及与气室主晶圆一表面键合固定的气室辅晶圆，其中，

9、气室孔槽贯通气室主晶圆，利用气室辅晶圆封闭气室孔槽的一槽口；

10、气室封装晶圆与预气室晶圆单元预键合时，气室封装晶圆与气室主晶圆的另一表面键合固定，以利用气室封装晶圆以及气室辅晶圆封闭气室主晶圆内所有的气室孔槽。

11、所述气室主晶圆包括硅晶圆，气室辅晶圆以及气室封装晶圆均包括玻璃晶圆；

12、气室辅晶圆与气室主晶圆的键合固定方式包括阳极键合。

13、在气室主晶圆内还包括碱金属给予定位通道，其中，碱金属给予定位通道贯通气室主晶圆；

14、对碱金属蒸发装置，包括若干能伸入碱金属给予定位通道内的定位柱、用于提供热源的热台以及用于冷源的冷板，其中，

15、定位柱设置于碱金属反应池上，通过定位柱与碱金属给予定位通道的对准连接配合，以使得预气室晶圆单元与碱金属反应池的正对准；

16、利用热台提供碱金属反应池内的碱金属物质蒸发的热源，利用冷板将进入气室孔槽内的碱金属制冷，以使得碱金属沉积在气室孔槽内。

17、利用阳极键合机进行低温预键合，低温预键合时，气室封装晶圆位于预气室晶圆单元上；

18、在低温预键合时，阳极键合设备的键合压头温度为150℃～350℃，阳极键合的腔室处于高真空或充入缓冲气体压力状态；

19、预键合时，键合压力为0.2mpa～0.4mpa，阳极键合机的工作电压为0v～300v，以使得气室封装晶圆与预气室晶圆单元的键合界面产生预键合，且在键合界面产生预键合后，停止预键合状态。

20、利用阳极键合机进行高温阳极键合，其中，

21、在高温阳极键合时，阳极键合机的工作电压为800v～1000v，键合压头的温度为320℃～350℃。

22、高温阳极键合后，当阳极键合机键合压头的温度降至150℃～200℃时，撤去键合压头的压力，对阳极键合的腔室破真空，以得到气室晶圆封装单元；

23、对气室晶圆封装单元进行切割，以得到由一气室孔槽形成的单腔碱金属气室。

24、在预气室晶圆单元与碱金属蒸发装置正对准前，先对预气室晶圆单元进行抽真空加热除水气处理，以及

25、在气室封装晶圆与预气室晶圆单元低温预键合前，对气室封装晶圆进行抽真空加热除水气处理。

26、碱金属反应池内预置的碱金属物质包括碱金属液滴和/或碱金属合金。

27、一种晶圆级碱金属气室装置，所述晶圆级碱金属气室装置利用上述的制备方法制备得到。

28、本发明的优点：在气室孔槽内形成沉积碱金属时，即在碱金属物质热蒸发过程中，预气室晶圆单元内气室主晶圆的表面不受碱金属污染，从而提高了预气室晶圆单元在后续阳极键合封装工艺的成功率。同时，可以同时在多个气室孔槽内同步得到沉积碱金属，提高制备的效率。

29、气室封装晶圆与预气室晶圆单元键合时，先在低气压或真空环境中、低键合温度下，通过预键合将预气室晶圆单元的气室孔槽进行封闭，然后在键合腔室本底真空环境中、加热预气室晶圆单元至高温下进行第二次阳极键合，从而解决了碱金属易受热逃逸的问题，确保了所形成碱金属气室性能的同时，又保证了键合气密性和键合强度的需求。

技术特征：

1.一种晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是：所述预气室晶圆单元包括气室主晶圆(1)以及与气室主晶圆(1)一表面键合固定的气室辅晶圆(6)，其中，

3.根据权利要求2所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是：所述气室主晶圆(1)包括硅晶圆，气室辅晶圆(6)以及气室封装晶圆(8)均包括玻璃晶圆；

4.根据权利要求2所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是：在气室主晶圆(1)内还包括碱金属给予定位通道(5)，其中，碱金属给予定位通道(5)贯通气室主晶圆(1)；

5.根据权利要求1至4任一项所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，利用阳极键合机进行低温预键合，低温预键合时，气室封装晶圆(8)位于预气室晶圆单元上；

6.根据权利要求1至4任一项所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，利用阳极键合机进行高温阳极键合，其中，

7.根据权利要求6所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，高温阳极键合后，当阳极键合机键合压头的温度降至150℃～200℃时，撤去键合压头的压力，对阳极键合的腔室破真空，以得到气室晶圆封装单元；

8.根据权利要求1至4任一项所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，在预气室晶圆单元与碱金属蒸发装置正对准前，先对预气室晶圆单元进行抽真空加热除水气处理，以及

9.根据权利要求1至4任一项所述晶圆级碱金属气室的制备方法，其特征是，碱金属反应池(11)内预置的碱金属物质(17)包括碱金属液滴和/或碱金属合金。

10.一种晶圆级碱金属气室装置，其特征是，所述晶圆级碱金属气室装置利用上述权利要求1～权利要求9任一项的制备方法制备得到。

技术总结本发明涉及一种晶圆级碱金属气室的制备方法及装置。其包括制备预气室晶圆单元，将碱金属沉积在正对应的气室孔槽内，且在气室孔槽内沉积所需的碱金属后，将预气室晶圆单元冷却至常温；提供气室封装晶圆，并将所述气室封装晶圆与上述冷却至常温的预气室晶圆单元进行低温预键合，以在低温预键合后，利用气室封装晶圆封闭预气室晶圆单元内的气室孔槽；对上述低温与键合的气室封装晶圆与预气室晶圆单元进行高温阳极键合，其中，高温阳极键合时，键合气压处于分子泵本底真空状态。本发明能有效实现碱金属气室的制备，避免了碱金属因高温而产生逃逸，同时保证了键合强度，提高了所制备碱金属气室的可靠性。技术研发人员：王云翔受保护的技术使用者：苏州美图半导体技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/12