微型量子頻標的MEMS堿蒸氣室技術開發(fā)

引言

本文介紹了用于微型量子頻標的MEMS堿蒸氣室技術開發(fā)的實驗結果。包含光學室、淺過濾通道和用于固態(tài)堿源的技術容器的兩室硅電池的經(jīng)典設計在濕法各向異性硅蝕刻的單步工藝中實現(xiàn)。為了防止在蝕刻穿透硅腔的過程中破壞過濾通道，計算氮化硅掩模的凸角處的補償結構的形狀，并且通過實驗找到硅蝕刻劑的成分。實驗結果用于制造含氖大氣中87Rb或133Cs同位素蒸汽的芯片級原子鐘單元。

介紹

在過去的幾十年中，深堿性硅蝕刻已經(jīng)廣泛用于微機電系統(tǒng)(MEMS)工業(yè)。有機和無機堿性溶液中硅微加工的各向異性本質是由于單晶硅不同刻面的溶解速率的顯著差異[1，2]。與硅的深度垂直等離子體蝕刻相比，堿性蝕刻不需要昂貴的設備，并且允許同時處理大量晶片。因此，優(yōu)選的是批量生產(chǎn)各種MEMS，這些MEMS包含具有不高縱橫比的簡單矩形拓撲的體結構。這些是壓力傳感器、熱傳感器、加速度計、微流體芯片等。同類型的MEMS包括用于芯片級原子鐘(CSAC)的氣室。

包含堿金屬蒸汽的MEMS原子單元是微型光泵量子器件[5]的關鍵元件，如衛(wèi)星導航中使用的磁力計或頻率標準。基于相干布居俘獲(CPT) 效應運行的CSAC體積小、能耗低，這是其在這一領域不可否認的優(yōu)勢。原子蒸汽室通常由夾在兩個透明硼硅酸鹽玻璃晶片之間的硅晶片制成。MEMS電池技術的主要過程是硅的穿透晶片蝕刻、填充堿金屬源以及在適當?shù)木彌_氣氛中真空密封電池。綜述中描述了密封電池和用堿蒸汽填充電池的方法。穿晶片干法或濕法蝕刻用于在硅中形成吸收腔。此外，根據(jù)，使用厚硅襯底(500-1000m)是可取的，因為用于光學探測的空腔深度對確定CSAC的短期相對頻率穩(wěn)定性起著重要作用。

最簡單的細胞設計包含一個單一的吸收室，然而，單室電池需要極其精確地計量液態(tài)或固態(tài)堿金屬源，因為過量會破壞透明度。為此，對于CSAC的大規(guī)模生產(chǎn)，使用雙室電池設計。這種電池由兩個密封的空腔組成體積為幾立方毫米，由狹窄的過濾通道連接。其中一個空腔用于用固體堿分配器填充電池。另一種僅包含純堿金屬蒸汽和惰性氣體，以在對應于133Cs、85Rb或87Rb的原子線D1的波長處提供光吸收。由于小的橫截面，過濾通道提供了堿原子到光腔中的轉移，而沒有在分配器[10]的激光激活期間形成的副產(chǎn)物。

所述設計的電池主要由硅的等離子體蝕刻制成。硅的堿性蝕刻非常適合單室電池制造。然而，由于在掩模的凸角處，即在過濾通道連接到空腔的地方的過度底切，很難通過堿性蝕刻形成光程長度約為1 mm的緊湊的兩室單元。通過堿性蝕刻形成電池的內(nèi)部體積可以分兩個階段進行，以分別形成貫穿晶片的空腔和淺溝道。然而，這種方法需要在具有深浮雕的表面上進行沉積和去除掩模涂層、精確的圖案對準和光刻的幾個操作。

為了降低原子電池技術的成本，已經(jīng)開發(fā)了用于同時形成貫穿晶片的空腔和過濾通道的單步堿性蝕刻。為了減少溝道欠蝕刻，已經(jīng)通過實驗確定了合適的蝕刻溶液，并且已經(jīng)開發(fā)了具有凸角欠蝕刻補償結構的掩模布局的設計。

結果和討論

在硅表面的各向異性堿性蝕刻過程中

方向并包含具有凹角的矩形孔，形成具有以54.7°的角度向表面傾斜的光滑壁的貫穿晶片的腔或V形槽溝，因為它們受到具有幾乎為零溶解速率的平面的限制。當使用TMAH或KOH等各向異性蝕刻劑在硅中蝕刻矩形凸角時，邊緣總是會發(fā)生變形(圖4)。這是由于具有高米勒指數(shù)的硅面的溶解速率增加。相對于面。凸角底切過程中形成的特定刻面取決于蝕刻劑的組成、濃度、溫度、蝕刻持續(xù)時間以及掩模圖案與方向匹配的精度。對于圖1所示的雙室原子池設計，掩模的凸角位于V形槽通道連接到晶片通孔的位置。結果，在正常條件下(80℃下30%的KOH水溶液)的深度Si蝕刻(> 400微米)期間，長度為1 mm的細胞過濾通道消失，光學和分配器腔完全轉變成一個大腔，如圖3所示。

但是通過合適的掩模設計來補償凸角的底切是可能的。在拐角補償方法中，在掩模布局設計中的所有凸角處添加稱為補償結構的額外特征，以消除硅的堿性蝕刻期間凸角處的變形。使用各種幾何形狀的補償結構——三角形、正方形，

大多數(shù)類型的已知補償結構不適合我們的電池幾何形狀的設計。將它們放置在靠近窄過濾通道的池腔中的有限空間不允許使用三角形、取向的梁、疊加正方形和不對稱梁形式的補償結構。只有兩種角底切補償器可供選擇——定向梁和方形。圖5(a)和圖6(a)分別示出了具有這些元素的氮化物掩模的設計。圖5(b)和6(b)示出了用于制造連接到電池腔的V形槽溝的補償方案。隨著蝕刻的進行，虛線表示結構的形狀。正方形的消耗是通過在其凸角處開始底切而發(fā)生的。補償圖案的逐漸形成的蝕刻輪廓清楚地表明放置在渠道的凸角處。根據(jù)光束的寬度，光束型補償設計呈現(xiàn)較小的斜角。在我們的設計中，寬度b選擇為50米。

結論

發(fā)展了一種用于在氖氣氛中制造包含銣-87或銫-133同位素蒸汽的雙室MEMS原子單元的硅的單步堿性蝕刻方法。為了防止在蝕刻晶片通孔的過程中破壞過濾通道計算氮化硅掩模凸角處的< 110 >取向的矩形補償結構，并使用30% KOH:IPA溶液作為硅蝕刻劑。發(fā)展的技術是芯片級原子鐘大規(guī)模生產(chǎn)的前景。

審核編輯：符乾江