原子自旋陀螺氣室芯片工藝流片的設(shè)計(jì)與制造

原子自旋陀螺氣室芯片工藝流片的設(shè)計(jì)與制造

1深刻性研究中的原子自目前，國際上描述的原子器官可分為兩類：一類是基于物質(zhì)波干預(yù)的原子干預(yù)器官，包括重量梯度、螺母、加速等。另一種是基于原子旋轉(zhuǎn)化程度的原子螺旋平均值，包括原子鐘、原子磁強(qiáng)計(jì)、原子螺釘?shù)?。目前高精度光纖陀螺已經(jīng)進(jìn)入工程實(shí)用階段,精度提高的空間有限,原子陀螺逐漸成為慣性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。原子干涉陀螺的研究起步較早,1991年德國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局觀測到原子波Sagnac效應(yīng)之后,1997年斯坦福大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室得到有一定性能的原子干涉陀螺儀,分辨率為2×10-8rad/sHz1/2,2006年又實(shí)現(xiàn)了分辨率達(dá)到1×10-9rad/sHz1/2,漂移為1×10-4°/h的導(dǎo)航級陀螺儀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。原子自旋陀螺源于fT級超高精度原子磁強(qiáng)計(jì),2002年普林斯頓大學(xué)驗(yàn)證了無自旋交換弛豫(SelfExchangeRelaxationFree,SERF)態(tài),實(shí)現(xiàn)了0.54fT/Hz1/2的磁場分辨率,并設(shè)計(jì)了基于SERF態(tài)的伴同磁強(qiáng)計(jì)方案,用于電荷-宇稱-時(shí)間(charge-parity-time,CPT)對稱違背驗(yàn)證,該方案同時(shí)也可用于高精度陀螺儀。2005年普林斯頓大學(xué)實(shí)現(xiàn)了原子自旋陀螺儀的原理驗(yàn)證,并且得到5×10-7rad/sHz1/2的分辨率和0.04°/h的漂移性能。兩類原子器件都有芯片級研究,通常所說的原子芯片(Atomchip)大都指前者,芯片級原子器件(chip-scaleatomicdevice)指后者?；谠幼孕龢O化的芯片級原子器件主要包括芯片級原子鐘、芯片級原子磁強(qiáng)計(jì)和芯片級原子陀螺。不論是芯片級原子鐘、芯片級原子磁強(qiáng)計(jì)還是芯片級原子陀螺,其核心敏感部分都是采用MEMS工藝制備的原子氣室芯片。在氣室芯片的研究方面,最早見于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(nationalinstituteofstandardandtechnology,NIST),2003年Drapper實(shí)驗(yàn)室首次測得MEMS氣室芯片的相干布居囚禁(coherentpopulationtrap,CPT)信號,2004年NIST實(shí)現(xiàn)了具有一定性能的芯片級原子鐘,這些研究不僅驗(yàn)證了MEMS氣室方案的可行性,同時(shí)也讓人們看到原子自旋器件集成制造的希望。普林斯頓大學(xué)實(shí)現(xiàn)了基于原子自旋陀螺儀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后,Honeywell公司和NIST先后申請了芯片級原子陀螺的發(fā)明專利。但目前就作者所知,尚沒有關(guān)于芯片級原子陀螺的文獻(xiàn)報(bào)道,與芯片級原子鐘和芯片級原子磁強(qiáng)計(jì)相比,芯片級原子陀螺存在兩個(gè)方面的難點(diǎn),一是需要正交雙光束,一束圓偏振光用來抽運(yùn);一束線偏振光用來檢測;二是要有高濃度的補(bǔ)償氣體(普林斯頓大學(xué)采用的是7amagat的3He),該氣體通過自旋交換實(shí)現(xiàn)極化,其極化磁矩的指向跟蹤并抵消外界磁場的變化,從而使待測原子只敏感物體的旋轉(zhuǎn),得到高精度的陀螺儀。但是目前比較成熟的原子腔制備工藝在厭氧箱內(nèi)完成鍵合,或者采用高真空鍵合設(shè)備,無法在注入微量堿金屬的同時(shí)完成高濃度補(bǔ)償氣氛的沖入。作者曾就第一個(gè)問題做了斜向相交光路方案設(shè)計(jì)和理論分析,本文針對第二個(gè)問題設(shè)計(jì)并制造了原子自旋陀螺氣室芯片專用鍵合裝置,對開展了相關(guān)工藝的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究,在不充入堿金屬的情況下完成了高濃度氣室的制備,并進(jìn)行了檢漏實(shí)驗(yàn),漏率測試結(jié)果為3.0×10-8Pa·m3/s,考慮到加工環(huán)境潔凈度較低和芯片級鍵合的污染問題,該漏率還可以得到更大的提高。所制備的氣室芯片也首次集成了RF線圈,進(jìn)一步提高了原子器件的集成度。2鍵合設(shè)備的選擇原子自旋陀螺氣室芯片專用鍵合裝置的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素:一是要能充入高濃度的氣氛(如3He)和適量的熄滅(queching)氣體(如N2),7amagat的濃度在室溫下的壓力約7×101.325kPa,常規(guī)的鍵合設(shè)備不能承受如此高的壓力;二是必須同時(shí)能夠承受陽極鍵合所需的300℃的高溫環(huán)境和1200V左右的高電壓;三是要能夠完成銫的注入;從實(shí)驗(yàn)的角度,選擇芯片級鍵合方案,這樣鍵合箱的體積就可以做小,能通過厭氧箱的轉(zhuǎn)移倉移入?yún)捬跸?。鍵合箱箱體采用不銹鋼加工,設(shè)計(jì)承受壓力為20×101.325kPa,由于目前常用的橡膠密封墊都不能承受300℃的高溫,所以采用銅導(dǎo)管進(jìn)行散熱和降溫。在鍵合箱體內(nèi)設(shè)計(jì)了加熱絲、高壓輸入接口、壓力測量接口、溫度傳感器、加熱電源接口等。圖1(a)為裝置的整體結(jié)構(gòu)圖,圖1(b)為裝置內(nèi)部的照片,其中中心部位為芯片級鍵合的專用卡具,用來實(shí)現(xiàn)芯片級對準(zhǔn)和高壓電源的接入。3晶圓級鍵合實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)和加工完成原子自旋陀螺氣室芯片專用陽極鍵合設(shè)備之后,對氣室芯片的加工工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)流片,主要的工藝步驟包括:1)RF線圈的制備。襯底采用7740玻璃,光刻后先完成1000?的淺槽腐蝕,然后濺射Cr/Pt/Au,厚度分別為300?/300?/1000?,最后通過超聲剝離工藝完成線圈的制備;2)硅片的加工。采用雙拋N型(100)硅片,厚度分別為300μm和1000μm,通過熱氧化和LPCVD制備掩模層,然后采用雙面光刻在正面和背面開窗口,最后采用KOH腐蝕工藝腐蝕穿通,得到氣室的基本形狀。3)玻璃/硅一次鍵合,采用EVG520鍵合機(jī),完成玻璃片和硅片的圓片級鍵合。以上工藝在常規(guī)MEMS工藝間完成,加工結(jié)果如圖2所示。之后進(jìn)行劃片,得到芯片級的硅/玻璃鍵合片。在完成劃片后,采用上面介紹的專用鍵合裝置,進(jìn)行了玻璃/硅/玻璃三層氣室芯片的鍵合實(shí)驗(yàn),基本工藝流程如下:1)首先從藍(lán)膜上取下鍵合芯片,采用丙酮和乙醇超聲清洗。然后放置在專用鍵合卡具上,放置順序?yàn)椴ＡЧ桄I合片在上面,待鍵合玻璃片在下面,通過側(cè)面的頂桿加高電壓到硅片上,玻璃片上方的壓片接地;卡具兩邊的陶瓷立柱即用來絕緣,也用來進(jìn)行芯片的對準(zhǔn)定位。2)連接高壓引線,蓋好上蓋;3)將鍵合箱通過厭氧箱的轉(zhuǎn)移倉移入?yún)捬跸?并在厭氧箱內(nèi)完成金屬銫的注入,之后再完成相應(yīng)的對準(zhǔn)和裝配,封緊鍵合箱上蓋,然后將鍵合箱從厭氧箱中取出(本次實(shí)驗(yàn)主要用來驗(yàn)證高濃度鍵合,在實(shí)驗(yàn)中省略了該步工藝);4)將鍵合箱上的加熱電源、高壓電源、溫度傳感器、壓力傳感器與控制箱連接,通過一個(gè)四通連接件,將鍵合箱氣氛接口與真空泵和高壓氣瓶連接(本實(shí)驗(yàn)采用N2代替3He);5)氣體置換,先通過真空泵將鍵合箱內(nèi)和管路的氣體抽真空,然后通過多次置換提高氣體的純凈度,最后關(guān)閉真空泵閥門,開啟高壓氣源,通過壓力傳感器控制壓力為6×101.325kPa。關(guān)閉氣源閥門,開啟加熱電源和溫度傳感器電源,當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí),開啟高壓電源,同時(shí)觀測和記錄鍵合電流,直到鍵合完成。4器件加工—實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過上述實(shí)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了高濃度集成制造氣室芯片的制備,其中高濃度氣氛的沖入滿足了原子自旋陀螺中對補(bǔ)償氣氛的要求,對實(shí)現(xiàn)高精度檢測具有直接影響。實(shí)驗(yàn)所采用的氣體壓力為6×101.325kPa,氣體濃度約為6amagat,接近文獻(xiàn)所采用的7amgagt參數(shù),在氣室芯片上采用濺射剝離工藝集成制備了Ti/Pt/Au引線RF線圈。圖3為加工結(jié)果及其對比,圖3(a)為文獻(xiàn)所加工的氣室芯片,用于原子磁強(qiáng)計(jì),其中RF線圈為分立制造,采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行組件之間的粘結(jié),另外氣氛的濃度較低,主要用于原子磁強(qiáng)計(jì)等對氣氛濃度要求較低的場合。圖3(b)為本文制備的高濃度集成原子自旋陀螺氣室芯片,采用MEMS工藝,在芯片表面制備了RF線圈,同時(shí)采用前述的專用鍵合裝置,實(shí)現(xiàn)了高濃度補(bǔ)償氣體的充入,可用于原子自旋陀螺。圖4為三層鍵合氣室芯片的截面圖,三層結(jié)構(gòu)分別為玻璃、硅和玻璃,圖中標(biāo)出了兩次鍵合的鍵合面,另外兩處分界線為劃片的截止線。鍵合完成后,首先對器件進(jìn)行了密閉容器內(nèi)的搖晃振動(dòng)試驗(yàn),未見器件失效。之后采用北京科儀廠生產(chǎn)的ZH230D氦檢漏儀對所制備的芯片進(jìn)行了檢漏實(shí)驗(yàn),漏率為3.0×10-8Pa·m3/s,尚不能滿足器件長期工作的需求,考慮到最后一次鍵合是在劃片后完成,而且環(huán)境的潔凈度較差,該漏率還會(huì)有進(jìn)一步的提高。5實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果本文針對