基于旋转跃迁的时钟、旋转光谱室及其制作方法与流程

本发明大体上涉及蒸汽室，且更特定来说涉及基于旋转跃迁的时钟、其蒸汽室及制造方法。

背景技术：

原子时钟使用碱金属蒸汽的电子跃迁的频率作为频率参考。碱金属气体(例如铯、铷或具有在外壳中的单个电子的其它原子)在几百ghz(约800到900nm的光学波长)的非常高的离散频率下经历光学跃迁。原子时钟通过在包含跃迁频率的带宽上光学询问气体来确定汽化的碱性原子的电子跃迁的频率，其中在跃迁频率下检测的吸收识别时钟的绝对频率参考。芯片级碱性蒸汽原子时钟通常使用光学透明度峰值(例如，相干群体捕集)与吸收无效(非相干微波泵浦)相抵消，以锁定参考频率。然而，此类电子跃迁时钟需要激光光源的热稳定性，并且电子跃迁蒸汽室本身需要稳定的气体温度，因此通常包含加热电路。电子跃迁时钟包含调制器来调制激光信号，且操作具有多个复杂的电子控制环路。此外，电子跃迁原子时钟通常具有围绕室或其它磁屏蔽的线圈以屏蔽外部磁场，借此在屏蔽内的物理室处提供相对恒定的磁场，以破坏基态塞曼电平的简并性。因此，电子跃迁时钟遭受用于包含激光器、调制器、光电检测器及其它光学组件(例如准直器、隔离器、偏振器及透镜)的所需电路的相对较高的电力消耗及额外成本及空间。

技术实现要素：

在所描述的实例中，毫米波原子时钟设备使用偶极分子蒸汽的旋转跃迁及芯片级蒸汽室设备及其制造技术，其中偶极分子气体密封在具有形成波导的导电内部表面的腔中，并且室包含允许到腔的电磁入口及离开腔的出口的第一及第二非导电孔。在孔附近的蒸汽室外表面上的导电耦合结构将电磁场耦合到腔的内部。这有助于使用收发器电路进行子太赫兹电磁询问，以识别使腔中的偶极分子气体的电磁吸收最大化的量子旋转跃迁频率，以提供参考时钟信号。

附图说明

图1是基于旋转跃迁的时钟设备的部分透视图，其具有偶极分子蒸汽室及用于提供参考时钟信号的相关联收发器电路。

图2是偶极水分子的三种旋转模式的简化图。

图3是随频率变化的各种气体的旋转模式的图，其具有在可识别的量子跃迁频率下的针对低压力水蒸汽的高相对吸收。

图4是通过室的传输系数与室内不同压力水平的询问频率的图。

图5是制造蒸汽室的方法的流程图。

图6是经历蚀刻工艺以形成腔的第一衬底的部分侧视图。

图7是经历沉积操作以在腔底部及侧壁上形成导电材料的第一衬底的部分侧视图。

图8是具有导电内部腔表面的第一衬底的透视图。

图9是经历沉积工艺以在其底部侧上形成导电材料的第二衬底的部分侧视图。

图10是经历蚀刻工艺以形成通过底部侧上的导电材料的非导电孔的第二衬底的部分侧视图。

图11是经历沉积工艺以在其顶部侧上形成导电材料的第二衬底的部分侧视图。

图12是经历蚀刻工艺以在顶部侧上形成第一及第二导电耦合结构及电子带隙结构的第二衬底的部分侧视图。

图13是在与第一衬底结合之前的第二衬底的部分侧视图。

图14是在与第一衬底结合之前的第二衬底的透视图。

图15是经历晶片结合工艺以在受控的低压力环境中密封腔并在密封腔内提供具有偶极分子气体的芯片级蒸汽室的第一及第二衬底的部分侧视图。

图16是在腔内具有电磁场的蒸汽室的俯视图。

图17是具有非线性腔的另一蒸汽室的俯视图。

图18是具有多个非导电孔及相关联导电耦合结构的另一基于旋转跃迁的原子时钟设备的部分透视图。

具体实施方式

在图式中，相似参考数字贯穿全文指代相似元件，且不一定按比例绘制各种特征。可采用新颖、紧凑、节能的旋转跃迁时钟系统以及简单的低成本封装及制造工艺来促进在用于原子时钟及其它应用的基于硅的工艺中的晶片级或芯片级旋转光谱室或蒸汽室的实施。偶极气体分子(例如水或h2o)已界定量子旋转状态跃迁，并且当在旋转状态之间跃迁时，此类分子以非常可重复的频率吸收能量。举例来说，水吸收基于183.31ghz的量子旋转状态跃迁的能量。在至少一个实例中，时钟设备100包含以基于硅的工艺制造的蒸汽室101，其不需要激光器，调制器，光电检测器及其它光学组件以及相关联的温度稳定(例如，加热)组件，如有时用在常规基于电子跃迁的原子时钟中。此外，芯片级蒸汽室101可与简单收发器电路组合或互连，以实施基于成本效率及电力有效跃迁的原子时钟，其可比使用单个相对简单的控制环路的电子跃迁原子时钟设计低得多的频率操作，借此减轻常规原子时钟架构的复杂控制技术。

图1展示时钟设备或系统100，其包含在此实例中由第一及第二衬底102及106形成的本文称为物理室的蒸汽室结构101。室101包含腔室或腔103，其具有围封偶极分子材料气体(例如水(h2o))或以腔103内的相对低气体压力的任何其它偶极分子气体的密封内部。合适的电偶极材料气体的实例包含水、乙腈(ch3cn)及氰化氢(hcn)。如图1中所示，时钟100进一步包含具有用于向蒸汽室101提供电传输信号(tx)的传输输出133的收发器130，以及用于从蒸汽室101接收电输入信号(rx)的接收器输入138。不同于电子跃迁蒸汽室，旋转跃迁蒸汽室结构101不需要光学询问，而是通过经由收发器130所提供的传输及接收信令tx、rx的电磁询问来操作。

密封腔103包含导电内部腔表面，以及形成在内部腔表面中用于分别提供电磁场入口及电磁场出口的第一及第二非导电孔108a及108b。在一个实例中，孔108磁耦合到波导腔103的te10模式中。在其它实例中，孔108激发更高阶模式。第一导电耦合结构110a形成在蒸汽室101的外表面106a上接近第一非导电孔108a处。在实例100中，第一耦合结构110a是形成在上衬底106的上表面106a上的导电条，其覆盖(例如且横越)对应第一非导电孔108a以提供电磁接口以基于来自收发器输出133的传输信令tx将磁场耦合到腔103的内部中。第二耦合结构110b接近第二非导电孔108b形成，用于提供离开腔103的电磁场出口以将电磁场与收发器rx输入138耦合。导电耦合结构110及对应非导电孔108的接近位置有利地提供穿过第二或上衬底106的电磁传输路径，其可为任何电磁传输材料。在一些实例中，一或多个导电电子带隙(ebg)结构120形成在蒸汽室101的外表面106a上，与导电耦合结构110间隔。在操作中，ebg结构120使分别沿蒸汽室外表面106a在传输及接收耦合结构110a及110b之间耦合的电磁波衰减。在其它实例中，可省略ebg结构120。

第二衬底106的下侧106b大体上或完全镀有导电材料(例如，如下文图9到12中所示的铜94)，并且孔108经蚀刻以提供下第二侧106b中的非导电窗或孔108，其中耦合结构110及任何所包含的ebg结构120由第二衬底106的上侧106a上的导电材料(例如铜)形成。一个实例包含两个ebg结构图案120a及120b，其可为在蒸汽室101的上表面106a上的用于电磁衰减的任何合适的形状及配置。室腔103由上衬底106的下侧106b以及由侧壁104及在第一(下)衬底102中形成的腔底部103b界定，其可为任何合适材料，例如硅，如下文在图8中进一步展示。

在图1的实例中，第一或下衬底102包含顶部或第一侧102a，腔侧壁104及腔底部103b例如通过蚀刻(例如，下文图6)形成于顶部或第一侧102a中。在此实例中，室腔130沿大体上线性轴从第一端延伸到第二端，其中第一孔108a接近第一端，且第二孔108b接近第二端。下文结合图18进一步描述的另一实例具有形成在腔导电表面中的多于两个孔108。

在其它实例中可使用各种不同的腔大小及形状。一个合适实例提供顶部宽度为大约1.5mm且蚀刻深度为0.5mm的大致矩形的腔形状，其中第一模式以120ghz开始，第二模式以230ghz开始，且第三模式以290ghz开始。室腔103的其它形状、大小及配置是可能的。举例来说，下文图17说明具有曲折的腔形状的另一蒸汽室实例101，其具有沿非线性轴从接近第一孔108a的第一端延伸到接近第二孔108b的第二端的长度尺寸l。

如图1中所示，第二衬底106的第二侧106b安装到第一衬底102的第一侧102a以形成腔103。腔103包含密封内部，其中导电内部腔表面至少部分沿一或若干腔侧壁104、腔底部103b及第二衬底106的下侧106b延伸。第二衬底106的下第二侧106b为腔顶部提供导电表面94(下文图15)。在一些实例中，唯一的非导电腔表面是上衬底106的底部106b上的非导电孔108。在一些实例中，其它非导电部分在腔103内是可能的。在所说明的实例中，导电内部腔表面镀有或以其它方式提供有铜或其它金属材料，其具有大于以传输输出信号tx的频率的表层深度的厚度。在具有受控的低压力环境的处理腔室中，第一及第二衬底102及106在某些实例中通过晶片结合处理(例如，下文图15)接合在一起，以在以大约1毫巴或更小的压力下进行晶片结合期间在腔103中提供偶极分子气体(例如，h2o)。在某些实例中，偶极分子气体在腔103的密封内部内处于约0.1毫巴或更小及约0.01毫巴或更大的低压力。一般来说，压力可针对给定的设计来定制，其中跃迁宽度主要取决于压力展宽及多普勒展宽。压力展宽因子与压力呈线性关系，而多普勒展宽随压力变化是恒定的。因此，在一种所需的压力下，归因于多普勒效应，进一步压力减小不会提供进一步跃迁频率宽度减小，且进一步压力减小将减小峰值跃迁的量值，并且宽度将相同，借此使检测及跃迁跟踪降级。

可在晶片结合期间引入吸气剂以在所得蒸汽腔103内包含吸气剂，以用吸气剂去除在晶片结合工艺期间可能存在的任何污染物及/或可随时间泄漏到腔103中的任何污染物。

在某些实例中，室101可包含图案加热器，其具有形成在室底部102b上或其中的用于稳定室温度的温度传感器。此加热元件可以可操作地将吸收在腔室侧壁104上的任何蒸汽煮沸，借此促进操作中的压力稳定性。

在某些实施方案中的收发器电路130在集成电路(未展示)上或集成电路中实施，蒸汽室101电耦合到所述电路，以经由输出133传输tx信号，并且经由输入138接收rx信号。收发器130在被供电时可操作用于向第一导电耦合结构110a提供交替电输出信号tx以用于将电磁场耦合到腔103的内部，并且用于从第二导电耦合结构110b接收表示从腔103接收的电磁场的交替电输入信号rx。收发器电路130可操作以：(a)选择性地调整电输出信号tx的频率以通过询问减小电输入信号rx以在大体上最大化通过旋转电动机状态跃迁的分子吸收的频率下操作时钟100；以及(b)以tx输出信号的频率向时钟电路140提供参考时钟信号refclk。

在某些实例中，收发器130包含信号产生器132，其中输出133与第一导电耦合结构110a电耦合，用于提供交替电输出信号tx，并用于以对应传输输出频率提供参考时钟信号refclk。收发器130还包含锁定放大器电路134，其中输入138与第二导电耦合结构110b耦合以用于接收rx信号，并且锁定放大器操作用于提供表示rx信号与电输出信号tx之间的差的误差信号err。在一个实例中，锁定放大器电路134将误差信号err提供为同相输出，且误差信号err用作环路滤波器或控制器电路136的输入，用于向信号产生器132提供控制输出信号co，用于选择性地调整tx输出信号频率，以将此频率维持在腔103的密封内部内的偶极分子气体的峰值吸收频率。在一些实例中，tx及rx环路的rf电力被控制以避免或减轻严重的偏移影响。

经由非导电孔108及对应导电耦合结构110的电磁耦合促进对室腔103内的偶极气体的电磁询问，并且系统100避免与常规电子跃迁原子时钟蒸汽室相关联的成本、复杂性、电力消耗及光学传输问题。在一种操作形式中，时钟系统100与信号产生器132一起操作，信号产生器132以围绕可疑量子吸收频率的界定频带内的各种频率以全传输电力传输交替信号tx，在所述可疑量子吸收频率下，蒸汽室101的传输效率最小(吸收最大)。举例来说，与偶极水分子相关联的量子吸收频率为183.31ghz。当系统以量子频率操作时，经由锁定放大器134在接收器处检测到零或最小值，锁定放大器134向环路滤波器136提供误差信号err，用于经由提供到信号产生器132的控制输出co信号来调节tx输出信号频率。蒸汽室腔103中的偶极分子气体的旋转量子频率通常相对于时间是稳定的(不随时间而降级或漂移)，并且在很大程度上独立于温度及大量的其它变量。因此，时钟系统100不需要包含在基于电子跃迁的原子时钟中发现的热或其它稳定电路。

在一个实例中，收发器系统130操作信号产生器132以通过已知包含室101的量子频率的频带来初始地扫掠传输输出频率(例如，从初始频率向上转移到可疑量子频率以下，或最初从高于可疑量子频率的初始频率向下跃迁，或其它合适扫掠技术或方法)。收发器电路130经由与第二导电耦合结构110b耦合(例如，电连接到)的输入138监测所接收的能量，以识别与由室腔103中的气体的峰值吸收相关联的传输频率(例如，接收器处的最小接收)。在识别出量子吸收频率之后，环路滤波器或控制器136使源信号产生器传输频率接近所述吸收频率(例如，183.31ghz)，并且以非常低的频率(例如沿在图4中的频率轴左及右)来调制信号以调节围绕表示接收能量与传输能量的比率的传输效率中的零或最小值的操作，其中环路滤波器136在闭合环路操作中提供负反馈以维持信号产生器132以与对应于腔偶极分子气体的量子频率的tx频率操作。

与使用碱金属气体蒸汽室的光学询问的电子跃迁型原子时钟不同，所揭示的基于旋转跃迁的原子时钟100使用偶极分子(例如水)的旋转跃迁，其中此类型的量子跃迁的频率在次thz范围。在此方面，虽然电子跃迁型原子时钟需要以数百thz(数百纳米的波长)操作的激光器激发碱金属气体，但毫米波时钟100用由rf收发器电路130诱发的毫米波辐射来询问气体。在某些实例中，时钟100可锁定到旋转量子分子跃迁，其中典型的艾伦(alan)偏差为在平均为100秒的1e-10到1e-11。在一些实例中，所揭示的基于旋转跃迁的原子时钟设备100以次thz频率工作，且因此是用于提供稳定参考时钟信号的更简单、更低成本及更低电力的解决方案。

在稳态操作中，锁定放大器134及环路滤波器136将传输器频率维持在室气体的峰值吸收频率。在一个实例中，环路滤波器136使用频率误差的导数来提供pid控制，作为锁定检测及闭合环路调整的控制因素。在图4的传输系数曲线的零点的底部，导数为零，且环路滤波器136将导数作为dc控制输出信号co馈送回到信号产生器132。此闭合环路操作以使用基于从室101接收到的rx信号的锁定区分来使信号产生器传输输出频率保持在室气体的峰值吸收频率。如图1中所展示，另一时钟电路140接收参考时钟信号refclk供分频器使用以在主机系统(未展示)中产生系统时钟。

也参考图2到4，图2提供分别展示沿三个正交轴的偶极水分子的三种旋转模式的图解200、202及204，且图3展示随电磁波频率变化的各种气体的旋转模式的相对吸收的图300。如图3中所示，对应于水的吸收线302指示此偶极分子h2o在可识别的量子跃迁频率(183.31ghz)下对于低压力水蒸汽具有高的相对吸收，并且在相同频率范围下具有比剩余气体高得多的吸收。

图4中的图400说明随室内的不同压力水平的询问频率变化的通过室的传输系数，其中曲线402、404、406、408、410及412对应于各种腔压力，其包含大于10毫巴(曲线402)的压力，10毫巴(404)、1.0毫巴(曲线406)、0.1毫巴(曲线408)、0.01毫巴(曲线410)的腔压力，及低于0.01毫巴(曲线412)的压力。腔103中的偶极水分子气体的具体实施方案有利地促进在时钟系统100的操作中以峰值吸收频率识别及锁定。举例来说，大约1毫巴或更小(例如大约0.1毫巴或更小且大约0.01毫巴或更多)的腔压力在水蒸汽的情况下提供特定操作优点。在某些实施方案中，腔压力在结合工艺期间被控制，同时将第二衬底106安装到图1中的第一衬底102的顶部侧以在低压力处理腔室中提供密封腔103。如图4中所示，通过峰值吸收(图4的吸收效率曲线中的零或相对最小值)识别的量子跃迁频率随着腔压力的增加而增加(例如变宽)。在更高腔压力(例如，室内压力)下的操作可能导致识别效率最小值的困难，且因此难以锁定室气体的量子频率。因此，具体实例减小腔103内的压力，以增加吸收峰值的品质因数，例如图4中的曲线406、408及410。然而，压力的进一步减小导致归因于多普勒及与分子撞击腔侧壁104有关的其它因素的普遍性增加而引起的回报减少，并且吸收峰值的量值归因于较小偶极分子的询问而随着减小的压力而减少。

图5到15展示晶片级或芯片级制造技术，可通过所述技术使用硅或其它基于半导体的集成电路工艺生产蒸汽室101及原子时钟系统100用于紧凑、低电力及成本有效的解决方案。图5展示用于制造蒸汽室101的工艺或方法500，其中各种互连技术可能用于随后将生产的蒸汽室101与收发器电路130集成以提供时钟系统100，且图6到15展示根据方法500的制造处理的各种阶段的室101。实例工艺500促进将紧凑的芯片级蒸汽室101或具有低压力偶极分子气体的物理室直接封装在毫米波波导腔103中，其可经由线结合、倒装芯片或其它封装技术与收发器裸片封装在一起。

图5中的工艺500从502开始，在第一衬底102的第一(例如，顶部)侧102a中形成腔103。在一个实例中，第一衬底是硅晶片。其它衬底材料可用于不同的实例，例如玻璃。任何合适的湿式或干式蚀刻处理602(如图6中所展示)可用于图5中502处的腔形成。在一些实例中，多个腔103可形成在单个衬底102中，例如用于产生多个蒸汽室101，其中最终的裸片分离用于将个别蒸汽室101彼此分离(在图5中的514处)。如图6中所示，通过使用硬掩模604进行图案化，在502处形成腔103的形状。在其它实例中，可使用聚合物抗蚀剂，其特别配制以抵抗蚀刻剂(例如，brewerscienceprotek抗蚀剂系列)以及经由工艺602对硅衬底102的体各向异性蚀刻，例如使用强碱性蚀刻剂(例如koh或tmah)。

蚀刻工艺602与具有大致平滑表面的腔底部103b一起形成至少一个侧壁104，在某些实例中，工艺602提供低于约5μmrms的腔底部及侧壁粗糙度，用于减小蒸汽室101的操作中的电磁诱发的电流损耗。在另一实例中，蚀刻工艺602蚀刻穿过硅衬底102向下到掩埋的蚀刻停止层(未展示)，其可通过将包含硅的第一衬底直接结合到第二衬底(未展示)来形成，其可为硅或另一材料(例如玻璃)，其间具有电介质层(例如，二氧化硅或氮化硅)。此直接结合可通过若干晶片结合方法来实现，其中一个实例使用低温等离子体激活的熔融结合来实现最低成本及高处理量。在图5中的502处的腔形成及图6中的蚀刻工艺602之后，去除任何所需掩模604并可执行清理处理。

在一些实例中，电介质层可形成在腔壁104上及腔底部103b上，用于使用任何合适沉积工艺(例如气相沉积、溅射，化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)等)增强随后沉积的金属材料的粘合，其中一个合适电介质层是用于与铜的良好粘合的五氧化二钽(ta2o5)。

在图5中的504处，使用如图7中所示的任何合适沉积工艺702将导电材料904直接形成在侧壁104及腔底部103b上或在任何沉积电介质层上方。图8展示遵循图7的导电材料沉积工艺702的所得到的第一衬底102，其中导电材料形成在第一衬底102的侧壁104、腔底部103b及顶部侧102a上。在一个实例中，沉积的导电材料是铜，并且表面粗糙度为大约100nm或更小用于最小化归因于由腔103内的电磁场诱发的电流所引起的损耗。

一种合适的沉积工艺702是将铜金属溅射到沉积的电介质层上以提供高导电性，不存在远程磁顺序、对ta2o5的良好粘合性以及低成本。其它金属材料可用于不同的实例中，例如具有类似组合特性的实例。在一个实施例中溅射沉积之后，可用铜或任何其它可能需要的金属(例如使用电镀降低沉积成本)将金属层生长到所需的均匀厚度。在一些实例中，形成的金属层可经由气相沉积或其它合适工艺用电介质材料涂覆，其中可选择某些实例中的任选电介质材料以减轻在预期产品寿命期间蒸汽室101的气相分子与金属层的反应。可通过对第一衬底102的顶部表面102a的全部或目标结合部分进行图案化及蚀刻来去除任何所包含的电介质，以促进与第二衬底106结合以关闭腔103，如下文进一步描述。在此实例中，在图5中的504处，导电材料形成在侧壁104及腔底部103b上到大于在成品蒸汽室101的操作频率下的表层深度的厚度，例如大约100nm或更多及大约1μm或更少以提供大约50nm或更少的表面粗糙度用于减轻在一个实例中的腔103中的信号损耗。

在图5中的506处，提供具有第一或顶部侧106a及第二或底部侧106b的第二衬底106。使用如图9中所示的沉积工艺902在第二衬底106的底部侧106b上形成导电材料904。稍后将使用第二衬底106通过与第一衬底102结合而形成腔顶部，并且可为任何合适材料，例如具有小于蒸汽室操作频率的波长的厚度(例如，在一个实例中小于0.5mm)的玻璃或陶瓷晶片。在实践中合适第二衬底106足够薄以促进微波能量通过孔108到腔103的良好电磁耦合，或通过孔108离开腔103的良好电磁耦合，并且足够厚以减轻或避免在结合到第一衬底102以在真空下密封腔103时的结构变形。在此方面，第二衬底材料优选通过形成在材料904中的随后经图案化的非导电孔108提供良好的电磁传输率，如下文所描述。一种合适的实例材料是康宁鹰(corningeagle)xg玻璃，一种可用的低碱性硼硅酸盐玻璃，其晶片厚度范围为0.2到3.0mm。在某些实例中，第二衬底106在每一侧106a及106b上涂覆有电介质(例如，ta2o5)以改进稍后在电介质上方形成的金属膜的粘合性。

如图9到13中所示，可单独对第一及第二侧106a及106b进行导电材料沉积及图案化。在一个替代实例中，顶部及底部侧106a及106b可在一个步骤中完全金属化，随后进行后续选择性图案化以在两侧106a及106b上留下所要的导电及非导电区域。在所说明的实例中，经由蚀刻工艺1002使用如图10中所示的掩模1004在图5的508处蚀刻底部侧106b以通过底部侧106b上的导电材料904分别形成第一及第二间隔孔108a及108b，底部侧106b的剩余部分保持涂覆有导电材料904。这些孔或槽108形成电磁耦合结构的部分，其将允许电磁场进入或离开成品蒸汽室101中的腔103，如上文结合图1所描述。

在图5中的510处继续，第一及第二导电耦合结构110a及110b形成在第二衬底106的第一侧106a上，接近沿底部侧106b形成的对应孔108a及108b，如图11到14中所展示。在图11中，沉积工艺1102用于用铜或其它合适导电材料1104来镀第一侧106a，且蚀刻工艺1202与图12中的蚀刻掩模1204一起使用以形成图13中所示的第一及第二铜耦合结构110a及110b。如图14中进一步展示，一个实例中的导电耦合结构110a及110b形成为导电条，其分别跨越下伏孔108a及108b纵向延伸，用于与波导腔103的内部电磁耦合。在与主机收发器130(例如图1)的后续封装中，耦合结构110可使用任何合适倒装芯片、线结合或其它电互连技术与输入133及138电耦合，以提供简单且具成本效益的封装组合件，其中成品蒸汽室结构101安装到主机集成电路封装或印刷电路板(未展示)。在操作中，第一耦合结构110a从收发器130的输出133接收传输信号tx，并产生磁场，所述磁场通过孔108a被引导到密封腔103内的偶极分子气体。

如图12到14中进一步展示，此实例还包含经由图12中的蚀刻掩模1204形成在蒸汽室101的外表面106a上的图案化导电电子带隙(ebg)结构120(图13及14)，其中ebg结构120与导电耦合结构110间隔以避免或减轻杂散表面波的传播。在图14的实例中，第一及第二ebg结构120a及120b各自包含导电材料1104的三行若干重复图案，其中任何合适图案可用于使沿给定目标带隙范围的频率的第二衬底106的第一侧106a耦合的电磁波衰减，其中ebg结构120与传输及接收耦合结构110a及110b间隔，并安置在传输及接收耦合结构110a及110b之间。在其它实例中，仅使用单个ebg结构120，其与耦合结构110a及110b间隔并在耦合结构110a及110b之间。其它可能的实例包含用于使沿第一侧106a耦合的电磁遗传波衰减的多于两个ebg结构120。在其它实施例中省略ebg结构120。

如图14的实例第二衬底106所示，孔108及耦合结构110都是延伸的矩形形状，但在其它实例中可使用其它形状及相对位置。在各种实例中，孔108可垂直或平行于腔103内的te01模式的传播方向。因为收发器电路130向蒸汽室101提供高频tx信号(例如，在各种实例中为100到1000ghz)，并且因为第二衬底106在某些实例中具有波长分数的厚度，所以表面波可沿接地电介质板或沿室101的顶部表面106a传播，并且耦合在波导的输入及输出孔108之间，借此产生不行进通过蒸汽室腔103的信号的第二路径，且此外腔传输可在操作中遮蔽腔103内的偶极分子气体的吸收。

因此，一些实例包含通过作为光子带隙结构的操作来减轻此类表面波的一或多个ebg结构120。在一个实例中，ebg结构120具有在频率的预期操作范围中的带隙，以减轻或防止表面波传播，被调谐到用于询问蒸汽室101的频率范围中。ebg是调谐滤波器，其包含第二衬底106的第二或底部侧106b上的导电层904与第一或顶部侧106a上的重复单位室120的图案化阵列的并联组合。在所说明的实例中，不需要通孔，但可在其它实例中使用通孔。在一个实例中，以1.5mm的顶部宽度及0.5mm的蚀刻深度蚀刻波导腔103，以提供第一个三个模式的传播常数及截止，其中以120ghz开始的第一模式，以230ghz开始的第二模式，及以290ghz开始的第三模式，并且在一个实例中设计腔103用于在仅第一模式可传播的频率范围(其可通过改变其它实例中的波导尺寸来调谐)中的操作。在此实例中，存在频率范围为从160到195ghz的带隙，其中没有模式可沿顶部侧106a传播，其中ebg阵列120放置在波导的两个端口之间以防止所关注的带隙中的电磁信号的第二路径。

继续在图5中的512处，第二衬底106的底部侧106b经由包含在低周围压力下的偶极分子气体的周围环境中的图15的结合工艺1500结合到第一衬底102的第一侧102a以形成包含低压力偶极分子气体h2o的密封腔103。结合工艺1500可为在腔103内不引入任何非所要气体并用低压力偶极分子蒸汽来密封腔103的任何合适晶片结合步骤。合适金属结合工艺实例1500包含形成固-液互扩散(slid)键或瞬态液相(tlp)键，例如在一个较低的温度下形成并具有比其形成的温度更高的重熔温度。常见的tlp结合金属对包含au/in、cu/sn、sn/au、sn/ag，其中可出于便利及与最终装置几何形状的整体兼容性来选择金属对。在某些实例中，腔压力在微托到毫托的范围中，且因此衬底102及106在能够提供及控制热量及真空度两者的处理腔室中在512处被结合及密封。用于结合工艺1500的合适处理腔室可从例如奥地利电子视觉集团(electronicvisionsgroup(evg),austria)的供应商购得。将衬底102及106放置在腔室中，并且建立具有所要偶极分子蒸汽(水、乙腈或甲基氟)的小分压力的合适的真空顶部空间。衬底102及106然后根据对应合适温度分布结合，用于产生经处理的晶片的每一分离腔103的不可渗透的密封，其中所有腔基本上在晶片水平同时结合。在替代实施方案中，腔103可由设备循序密封，所述设备使用激光辐射以将结合区域局部加热到合适温度，同时维持周围裸片的较低温度以减轻挥发性物种的降解及损耗。

在图5中的514处，使用合适的半导体切片技术对含有所要浓度的低压力偶极分子气体的装置进行扣合。成品蒸汽室101(物理室)然后可用于进一步处理，例如拾取及放置或经由线结合到其它微波装置用于完全集成系统解决方案的连接。

图16展示在询问期间经由相关联的收发器电路130(例如，图1)的操作中的成品单个蒸汽室设备101的简化俯视图。经由收发器输出133将交替电输出信号tx提供给第一导电耦合结构110a，用于经由输入孔108a将电磁场1600耦合到腔103的内部。场1600沿腔103的纵向长度l延伸到出口孔108b，以经由第二耦合结构110b将交替电输入信号rx提供给收发器输入138。如上文所提及，成品蒸汽室101可包含沿室结构101的顶部侧安置的一或多个ebg结构120(例如，图1)用于使电磁波衰减，为便于说明腔103的内部内的电磁场1600而将其从图16省略。

图17展示使用上文详细描述的原理构造的另一个蒸汽室实例101，其中室腔沿非线性路径曲折以增加长度，且因此增加吸收以提供紧凑的装置101，其中图11中的吸收长度l比图16中的室101的长度更长，尽管室结构101的总长度较短。其它实例是可能的，其包含沿线性或非线性路径(包含线性及非线性部分的组合、曲线部分、逐步线性部分及其组合)延伸的室腔103，但实例实施例不限于所说明的实例。

图18说明另一个蒸汽室实例101，其中腔103包含第三及第四导电孔108c及108d，每一导电耦合结构110接近一对非导电孔。在此实例中，孔108a及108c彼此平行且对应传输耦合结构110a大致垂直跨越一对平行孔108a及108c延伸。类似地，非导电底部侧孔108b及108d大体上彼此平行，其中相关联的接收导电耦合结构110b垂直于对应接收器孔108b及108d延伸或在对应接收器孔108b及108d上方延伸。在此实例中，第三孔108c提供到腔103的第二电磁场入口，且第四非导电孔108d提供离开腔103的另一电磁场出口。在其它实例中，一或多个孔108与一或多个相关联导电耦合结构110的其它组合可用于与腔103的内部的电磁耦合。

因此，实例实施例提供毫米波原子时钟100及旋转跃迁蒸汽室101，因此使用低压力气体分子的旋转量子跃迁来提供参考时钟信号refclk的简单成本效益及低电力操作，同时避免使用电子跃迁来建立参考的常规原子时钟的复杂性、电力消耗、成本及大小缺点。所揭示的基于旋转跃迁的原子时钟概念在温度变化方面是稳定的，并且可使用芯片级或晶片级处理技术来制造。此外，所揭示的时钟100以比电子跃迁装置低得多的频率操作，以确定及锁定低压力偶极分子蒸汽的旋转量子态，并且所揭示的技术避免与如在常规光学询问蒸汽室中提供清晰的光学传输路径相关联的问题。此外，所揭示的蒸汽室101可用于各种低成本的毫米波cmos收发器电路130，以在覆盖跃迁的带宽上询问物理室101中的低压力偶极分子气体。此外，水及其它偶极分子气体在跃迁频率处表现出可检测的吸收变化，以促进锁定以提供稳定的参考时钟信号，且在某些实例中蒸汽室101及整个原子时钟系统100可在硅制造及封装工艺内构造及封装。此外，所揭示的芯片级偶极分子蒸汽室101可用于涉及旋转光谱的原子时钟及其它应用中，并提供比其它旋转光谱解决方案更紧凑的设计。

在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求书的范围内其它实施例是可能的。