引言

本文介紹了用于微型量子頻標(biāo)的MEMS堿蒸氣室技術(shù)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。包含光學(xué)室、淺過(guò)濾通道和用于固態(tài)堿源的技術(shù)容器的兩室硅電池的經(jīng)典設(shè)計(jì)在濕法各向異性硅蝕刻的單步工藝中實(shí)現(xiàn)。為了防止在蝕刻穿透硅腔的過(guò)程中破壞過(guò)濾通道，計(jì)算氮化硅掩模的凸角處的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的形狀，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到硅蝕刻劑的成分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于制造含氖大氣中87Rb或133Cs同位素蒸汽的芯片級(jí)原子鐘單元。

介紹

在過(guò)去的幾十年中，深堿性硅蝕刻已經(jīng)廣泛用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工業(yè)。有機(jī)和無(wú)機(jī)堿性溶液中硅微加工的各向異性本質(zhì)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(shè)備，并且允許同時(shí)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(jiǎn)單矩形拓?fù)涞捏w結(jié)構(gòu)。這些是壓力傳感器、熱傳感器、加速度計(jì)、微流體芯片等。同類型的MEMS包括用于芯片級(jí)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(guān)鍵元件，如衛(wèi)星導(dǎo)航中使用的磁力計(jì)或頻率標(biāo)準(zhǔn)。基于相干布居俘獲(CPT) 效應(yīng)運(yùn)行的CSAC體積小、能耗低，這是其在這一領(lǐng)域不可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)。原子蒸汽室通常由夾在兩個(gè)透明硼硅酸鹽玻璃晶片之間的硅晶片制成。MEMS電池技術(shù)的主要過(guò)程是硅的穿透晶片蝕刻、填充堿金屬源以及在適當(dāng)?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?yàn)橛糜诠鈱W(xué)探測(cè)的空腔深度對(duì)確定CSAC的短期相對(duì)頻率穩(wěn)定性起著重要作用。

最簡(jiǎn)單的細(xì)胞設(shè)計(jì)包含一個(gè)單一的吸收室，然而，單室電池需要極其精確地計(jì)量液態(tài)或固態(tài)堿金屬源，因?yàn)檫^(guò)量會(huì)破壞透明度。為此，對(duì)于CSAC的大規(guī)模生產(chǎn)，使用雙室電池設(shè)計(jì)。這種電池由兩個(gè)密封的空腔組成體積為幾立方毫米，由狹窄的過(guò)濾通道連接。其中一個(gè)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(duì)應(yīng)于133Cs、85Rb或87Rb的原子線D1的波長(zhǎng)處提供光吸收。由于小的橫截面，過(guò)濾通道提供了堿原子到光腔中的轉(zhuǎn)移，而沒(méi)有在分配器[10]的激光激活期間形成的副產(chǎn)物。

所述設(shè)計(jì)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(guò)濾通道連接到空腔的地方的過(guò)度底切，很難通過(guò)堿性蝕刻形成光程長(zhǎng)度約為1 mm的緊湊的兩室單元。通過(guò)堿性蝕刻形成電池的內(nèi)部體積可以分兩個(gè)階段進(jìn)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(jìn)行沉積和去除掩模涂層、精確的圖案對(duì)準(zhǔn)和光刻的幾個(gè)操作。

為了降低原子電池技術(shù)的成本，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于同時(shí)形成貫穿晶片的空腔和過(guò)濾通道的單步堿性蝕刻。為了減少溝道欠蝕刻，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了合適的蝕刻溶液，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有凸角欠蝕刻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的掩模布局的設(shè)計(jì)。

結(jié)果和討論

在硅表面的各向異性堿性蝕刻過(guò)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?yàn)樗鼈兪艿骄哂袔缀鯙榱闳芙馑俾实钠矫娴南拗?。?dāng)使用TMAH或KOH等各向異性蝕刻劑在硅中蝕刻矩形凸角時(shí)，邊緣總是會(huì)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(duì)于面。凸角底切過(guò)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(shí)間以及掩模圖案與方向匹配的精度。對(duì)于圖1所示的雙室原子池設(shè)計(jì)，掩模的凸角位于V形槽通道連接到晶片通孔的位置。結(jié)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(zhǎng)度為1 mm的細(xì)胞過(guò)濾通道消失，光學(xué)和分配器腔完全轉(zhuǎn)變成一個(gè)大腔，如圖3所示。

但是通過(guò)合適的掩模設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償凸角的底切是可能的。在拐角補(bǔ)償方法中，在掩模布局設(shè)計(jì)中的所有凸角處添加稱為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)——三角形、正方形，

大多數(shù)類型的已知補(bǔ)償結(jié)構(gòu)不適合我們的電池幾何形狀的設(shè)計(jì)。將它們放置在靠近窄過(guò)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(duì)稱梁形式的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。只有兩種角底切補(bǔ)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(shè)計(jì)。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(bǔ)償方案。隨著蝕刻的進(jìn)行，虛線表示結(jié)構(gòu)的形狀。正方形的消耗是通過(guò)在其凸角處開(kāi)始底切而發(fā)生的。補(bǔ)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(bǔ)償設(shè)計(jì)呈現(xiàn)較小的斜角。在我們的設(shè)計(jì)中，寬度b選擇為50米。

結(jié)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(guò)程中破壞過(guò)濾通道計(jì)算氮化硅掩模凸角處的< 110 >取向的矩形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并使用30% KOH:IPA溶液作為硅蝕刻劑。發(fā)展的技術(shù)是芯片級(jí)原子鐘大規(guī)模生產(chǎn)的前景。

審核編輯：符乾江