用以增强阳极键合蒸气室中的压力均匀性的制造技术的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用以增强阳极键合蒸气室中的压力均匀性的制造技术。一种制造一个或多个蒸气室的方法，所述方法包括：在具有第一直径的第一晶片中形成一个或多个蒸气室管芯；和在所述蒸气室管芯之上将第二晶片阳极键合至所述第一晶片的第一侧，所述第二晶片具有第二直径。将第三晶片定位在所述蒸气室管芯之上在所述第一晶片的与所述第二晶片相对的第二侧上面，所述第三晶片具有第三直径。将牺牲性晶片放置在所述第三晶片之上，所述牺牲性晶片具有大于所述第一直径、第二直径和第三直径的直径。在所述牺牲性晶片之上设置金属化键合板。在所述牺牲性晶片已就位的情况下向所述金属化键合板施加电压时，将所述第三晶片阳极键合至所述第一晶片的所述第二侧。
【专利说明】用以增强阳极键合蒸气室中的压力均匀性的制造技术
[0001]相关申请的交叉引用
本申请是2010年9月10日提交的美国申请序列号12/879，394的部分继续申请，该申请要求2010年2月4日提交的美国临时专利申请序列号61/301，497的利益，这两个申请都通过引用并入本文。
[0002]政府许可权益
美国政府可对本发明享有如根据与美国空军的主政府合同号FA8650-07-C-1125的条款所提供的某些权利。
【背景技术】
[0003]芯片级原子钟(CSAC)包括蒸气室(vapor cell),所述蒸气室容纳比如铷(Rb)等碱金属的蒸气。蒸气室一般还容纳缓冲气体，比如氩-氮缓冲气体共混物等。用于制造蒸气室的标准技术涉及在具有限定出空腔的多个室结构的硅晶片的相对侧上面阳极键合(anodically bonding)两个玻璃晶片。碱金属蒸气和缓冲气体被俘获在两个玻璃晶片之间的室结构的空腔中。
[0004]阳极键接合在晶片之间最初接触的位置处开始，并随着静电电位使表面接在一起而扩展。从一个区域向下一区域的键合前端(bond front)的该滞后可能导致在蒸气室中产生压力差。此外，如铷等低沸点温度材料的存在要求键合在尽可能低的温度进行，否则所生成的蒸气可能污染键合表面。因此，随着晶片被加热，有必要施加高电压，以允许键合尽快地形成。这可能导致蒸气室在不同时间从而在不同温度密封，其可能导致在蒸气室中，甚至是在同一晶片上并排制得的室上，产生压力差。
[0005]此外，两个玻璃晶片中的总厚度变化使蒸气室的一部分在同一组晶片上的其它蒸气室之前形成密闭密封。该问题进一步被加剧，因为温度在键合器设备中被逐渐提高，从而将一部分被俘获的气体驱赶到较晚键合的蒸气室外。另外，对于被俘获在较晚键合的区域中的缓冲气体来说没有容易逸出的路径，其可能导致蒸气室中的压力差。
[0006]最后，由于缓冲气体的存在，被施加来实现阳极键合的电压可能造成气体的击穿，引起穿过气体向地面的放电或者电弧，从而实质上使键合工艺短路。
[0007]
【发明内容】
[0008]一种制造一个或多个蒸气室的方法，所述方法包括:在具有第一直径的第一晶片中形成一个或多个蒸气室管芯(die);和在所述蒸气室管芯之上将第二晶片阳极键合至所述第一晶片的第一侧，所述第二晶片具有第二直径。将第三晶片定位在所述蒸气室管芯之上在所述第一晶片的与所述第二晶片相对的第二侧上面，所述第三晶片具有第三直径。将牺牲性晶片放置在所述第三晶片之上，所述牺牲性晶片具有大于所述第一直径、第二直径和第三直径的直径。在所述牺牲性晶片之上设置金属化键合板。在所述牺牲性晶片已就位的情况下向所述金属化键合板施加电压时，将所述第三晶片阳极键合至所述第一晶片的所述第二侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]本发明的特征将从以下参考附图的描述中对本领域的技术人员变得清楚明了。应当理解的是附图仅示出了典型实施例，因此不应被认为是对范围的限制，将以附加的特征和细节通过使用附图来描述本发明，附图中:
图1是根据一个实施例的包括蒸气室的芯片级原子钟的物理封装的示意性截面图；
图2是已形成在晶片层上的芯片级原子钟的蒸气室管芯的一个实施例的示意图；
图3是根据一个实施例的具有多个蒸气室管芯和排气通路的晶片的局部俯视图；
图4是根据另一实施例的包括蒸气室的芯片级原子钟的物理封装的示意性截面图；
图5示出了用于采用牺牲性晶片的阳极键合工艺的晶片构造；
图6是已形成在晶片层上的芯片级原子钟的蒸气室管芯的另一实施例的示意图；和 图7是根据另一实施例的具有多个蒸气室管芯和排气通路的晶片的局部俯视图。
【具体实施方式】
[0010]在以下详细描述中，实施例得到足够详细地描述，以使本领域的技术人员能够实施本发明。应该明白的是，可以在不背离本发明的范围的情况下采用其它实施例。因此，以下详细描述不被认为具有限制的意义。
[0011]本发明提供了一种用于增强在芯片级原子钟(CSAC)中使用的阳极键合蒸气室中的气体压力均勻性的制造技术。一般而言，蒸气室被制造成具有一对光学透明的玻璃晶片，所述玻璃晶片被阳极键合至具有多个室结构的比如硅晶片等基板的相对侧。在组装于用于CSAC的物理封装内之前，制造蒸气室。
[0012]在用于增强蒸气室制造期间的气体压力均匀性的一个途径中，向晶片表面中加入设计特征，其形成互连的排气通路，所述排气通路提供从晶片中的每个蒸气室管芯到晶片的周缘的路径。排气通路允许接近晶片的内部的气体在阳极键合期间与晶片外的气体处于大致连续的压力平衡。在用于增强气体压力均匀性的另一途径中，阳极键合工艺被改进以随着温度被提高而连续地提高压力。
[0013]前述途径可以进行组合，从而使得在硅晶片表面中采用排气通路连同压力提高一起允许在工艺中被较晚密封从而处于较高温度的蒸气室也具有较高的气体压力。当被冷却至室温时，在较高温度被密封的蒸气室在压力上的下降将大于那些在较低温度被密封的蒸气室在压力上的下降。通过较高的气体压力，较晚密封的蒸气室能够得到补偿，因此所有蒸气室的最终压力在室温时大致相同。
[0014]以下参考附图描述本制造技术的更多细节。
[0015]图1示出了根据一个实施例的CSAC物理封装100，其可以采用根据本途径制造的蒸气室。物理封装100包括外罩102，所述外罩102容纳物理封装100的各种机械和电子部件。这些部件可以在组装于外罩102中之前被制造为晶片级微电子机械系统(MEMS)装置。一般而言，物理封装100中的CSAC部件包括比如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)等激光管芯110、与激光管芯110光学通信的四分之一波片120、与四分之一波片120光学通信的蒸气室130、和与蒸气室130光学通信的光学检测器140。[0016]在物理封装100的操作期间，从激光管芯110发出的激光束112被引导穿过四分之一波片120和蒸气室130至光学检测器140。如图1所不，四分之一波片120、蒸气室130和光学检测器140可以相对于激光束112的光路以各种倾斜角安装在封装102内。倾斜这些部件降低了回到VCSEL中的反射耦合，从而增强CSAC的稳定性。
[0017]物理封装100中的各种部件通过一组台架结构定位在外罩102内的不同水平。如图1所示，下台架150被附接至外罩102中的基底表面104。下台架150包括支承激光管芯110的下层阶152、在激光管芯110上方支承四分之一波片120的中间层阶154和在四分之一波片120上方支承蒸气室130的上层阶156。上台架结构160被附接至外罩102中的顶表面106。光学检测器140在蒸气室130上方被固定至上台架结构160。
[0018]蒸气室130包括一对光学透明晶片132和134 (比如玻璃晶片)，它们阳极键合至比如硅晶片等基板136的相对侧。示例性玻璃晶片包括Pyrex玻璃或者相似的玻璃。被限定于蒸气室130内的至少一个腔室138在激光管芯110与光学检测器140之间为激光束112提供光路。
[0019]在用于在组装到物理封装100内之前制造蒸气室130的一个途径中，最初将晶片132阳极键合至基板136的基底侧，之后将铷或者其它碱金属(呈液体或者固体形态)沉积到腔室138中。然后将晶片134阳极键合至基板136的相对侧以形成蒸气室130。这种键合一般在大约250°C?大约400°C的温度下实现。在晶片132、134和基板136处于高真空或者回充有比如氩-氮气体混合物等缓冲气体的条件下进行键合工艺。当缓冲气体被使用时，包含用于蒸气室130的部件的制造设备被抽空，之后将缓冲气体回充到腔室138中。因此，当键合完成以密封蒸气室130时，碱金属和任何可选的缓冲气体被俘获在腔室138内。
[0020]在阳极键合工艺期间，使包含比如钠等流动离子的玻璃晶片与硅晶片发生接触，对玻璃和硅晶片两者都有电接触。玻璃和硅晶片两者都被加热至至少大约200°C，并且相对于硅晶片，玻璃晶片电极的电压为负，达至少大约200V。这使玻璃中的钠朝负电极移动，并且横跨玻璃与硅之间的空隙允许电压下降更多，从而导致更密切的接触。同时，氧离子从玻璃中被释放出并流向硅，从而有助于在玻璃中的硅与硅晶片中的硅之间形成桥，其形成非常强的键合。可以用各种各样的背景气体和在从远高于大气压到高真空的压力下来操作阳极键合工艺。较高的气压改善传热，并使工艺加速。对于铷蒸气室的情况而言，希望的是在存在缓冲气体的情况下以尽可能低的温度来形成键合。
[0021]阳极键合工艺可以通过在键合工艺期间施加较高电压得到增强，但是存在气体时的较高电压可能引起电弧放电。电弧放电根据气体类型、压力和电极之间的距离而变化。可以通过形成通向地面的较大路径从而增大引起电弧所需的电位来减少电弧放电。
[0022]如果气体类型和压力不能被改变，则增大电极之间的距离能够提供用于施加较高电压的方法。这可以通过使用被插入蒸气室的上玻璃晶片与高电压源之间的牺牲性玻璃晶片来完成。比起蒸气室晶片，牺牲性玻璃晶片具有更大的直径。这允许外加电压在工艺开始时显著更高，从而提供显著改善的键合环境。例如，外加的较高电压可以为大约800伏特?大约1200伏特。
[0023]牺牲性玻璃晶片与用于键合硅的蒸气室玻璃晶片为相同类型，因此允许经由流动离子通过电流。通过对牺牲性晶片使用较大的直径，自高电压电极和接近接地电位的硅晶片的顶表面的距离被增大。这允许在没有电弧放电的情况下实现较高电压键合。另外，由于钠离子具有进入牺牲性玻璃晶片的能力，使通常会积聚在蒸气室的上玻璃晶片顶面上的多余钠减少到最低限度。这几乎消除了通常在玻璃晶片上看到的凹坑(pitting)，从而形成穿过玻璃的更清晰的光路。相对于牺牲性玻璃晶片的更多细节在以下相对于图5来描述。
[0024]图2示出了用于已形成在晶片层上的CSAC物理封装的蒸气室管芯200的一个实施例。蒸气室管芯200包括硅基板205，在其中已形成有第一腔室210、第二腔室220和至少一个连接路径215。使用如上所述的阳极键合，腔室210、220和路径215被密封在蒸气室管芯200内处于玻璃晶片(比如玻璃晶片132、134)之间。
[0025]对于图2所示的实施例而言，腔室210包括用于物理封装的光路的一部分，且有必要保持没有污染物和淀积物。铷或者其它碱金属(大体以235示出)作为液体或者固体被沉积到腔室220中。连接路径215形成“曲折路径”(大体以230示出)供碱金属蒸气分子从第二腔室220行进至第一腔室210。由于气体分子的动力学，碱金属蒸气分子不是平稳地流动通过路径215，而是从路径215的壁反弹，并且常常粘附至壁。在一个实施例中，第二腔室220与路径215隔离开但浅沟槽245除外，以进一步减慢碱金属蒸气从第二腔室220的迁移。
[0026]与制造用于CSAC物理封装中的适当蒸气室有关的更多细节在2010年9月I日提交并公开为
【发明者】D.W.杨格纳, J.A.里德莱, S.T.鲁 申请人:霍尼韦尔国际公司