RU2819863C1 - Method of making small-size atomic cell with alkali metal vapours - Google Patents
Method of making small-size atomic cell with alkali metal vapours Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819863C1 RU2819863C1 RU2023132265A RU2023132265A RU2819863C1 RU 2819863 C1 RU2819863 C1 RU 2819863C1 RU 2023132265 A RU2023132265 A RU 2023132265A RU 2023132265 A RU2023132265 A RU 2023132265A RU 2819863 C1 RU2819863 C1 RU 2819863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- level
- mask
- etching
- silicon
- silicon wafer
- Prior art date
Links
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 119
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 119
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 118
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 61
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 56
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 29
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 16
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 15
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 15
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 claims description 4
- 239000005354 aluminosilicate glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910001854 alkali hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 110
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 27
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 21
- 239000002585 base Substances 0.000 description 14
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 13
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 13
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 5
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 5
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 5
- -1 thermal Chemical class 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009623 Bosch process Methods 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 4
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- SOCTUWSJJQCPFX-UHFFFAOYSA-N dichromate(2-) Chemical compound [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O SOCTUWSJJQCPFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 3
- PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N trichloro(octadecyl)silane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC[Si](Cl)(Cl)Cl PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical class CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001486 SU-8 photoresist Polymers 0.000 description 2
- GACQBOJYMXJNSQ-UHFFFAOYSA-N [Ce].[Cr] Chemical compound [Ce].[Cr] GACQBOJYMXJNSQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001282 organosilanes Chemical class 0.000 description 2
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QLOKJRIVRGCVIM-UHFFFAOYSA-N 1-[(4-methylsulfanylphenyl)methyl]piperazine Chemical compound C1=CC(SC)=CC=C1CN1CCNCC1 QLOKJRIVRGCVIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N Rubidium-87 Chemical compound [87Rb] IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000002173 cutting fluid Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- AQWIYQPYXQGBQU-UHFFFAOYSA-N dicesium;oxido-(oxido(dioxo)chromio)oxy-dioxochromium Chemical compound [Cs+].[Cs+].[O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O AQWIYQPYXQGBQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012407 engineering method Methods 0.000 description 1
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000007511 glassblowing Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001853 inorganic hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к области микросистемной техники и микроэлектромеханических систем (МЭМС), а именно к практике создания малогабаритной атомной ячейки с парами атомов щелочных металлов, которая является ключевым элементом миниатюрных систем квантовой спектроскопии, ядерного гироскопа, квантового стандарта частоты и магнитометра с оптической накачкой.The invention relates to the field of microsystem technology and microelectromechanical systems (MEMS), namely to the practice of creating a small-sized atomic cell with pairs of alkali metal atoms, which is a key element of miniature quantum spectroscopy systems, a nuclear gyroscope, a quantum frequency standard and an optically pumped magnetometer.
Уровень техникиState of the art
Атомная ячейка - это полый объем в прозрачном материале, заполненный газом (H2, He и др.) или насыщенным паром металла (Hg, K, Cs, Rb и др.). Такие ячейки изготавливаются при помощи стеклодувной технологии, лазерной сварки стекол и керамик, или методов микросистемной техники, и используются в квантовых устройствах в качестве камеры поглощения оптического излучения на длинах волн, соответствующих переходам между энергетическими уровнями в атомах [Kitching J. Chip-scale atomic devices // Applied Physics Reviews. - 2018. - Т. 5. - №. 3. https://doi.org/10.1063/1.5026238]. Так, в квантовом стандарте частоты (КСЧ) на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) атомная ячейка с парáми изотопов цезия-133 или рубидия-87 располагается между лазерным источником и фотодиодом [US6806784, дата публикации 19.10.2004]. С помощью внешнего магнитного поля и оптической накачки поляризованным светом в полости оптической камеры ячейки формируется когерентный ансамбль поляризованных атомов щелочного металла (их магнитные моменты выстроены в одном направлении). Благодаря когерентному состоянию атомов, ячейка обеспечивает высокостабильное узкополосное поглощение света на резонансной частоте, определяемой линиями D1 или D2 в энергетическом спектре щелочного элемента, что регистрируется фотодиодом. Данная резонансная частота является эталоном для подстройки частоты кварцевых генераторов, а устройство в целом называется атомными часами и характеризуется такими параметрами, как кратковременная и долговременная нестабильность частоты.An atomic cell is a hollow volume in a transparent material filled with gas (H 2 , He, etc.) or saturated metal vapor (Hg, K, Cs, Rb, etc.). Such cells are made using glassblowing technology, laser welding of glasses and ceramics, or microsystem engineering methods, and are used in quantum devices as a chamber for absorbing optical radiation at wavelengths corresponding to transitions between energy levels in atoms [Kitching J. Chip-scale atomic devices // Applied Physics Reviews. - 2018. - T. 5. - No. 3. https://doi.org/10.1063/1.5026238]. Thus, in a quantum frequency standard (QFS) based on the coherent population trapping (CPT) effect, an atomic cell with pairs of cesium-133 or rubidium-87 isotopes is located between a laser source and a photodiode [US6806784, publication date 10/19/2004]. With the help of an external magnetic field and optical pumping with polarized light, a coherent ensemble of polarized alkali metal atoms is formed in the cavity of the optical chamber of the cell (their magnetic moments are aligned in the same direction). Due to the coherent state of the atoms, the cell provides highly stable narrow-band absorption of light at the resonant frequency determined by the D1 or D2 lines in the energy spectrum of the alkali element, which is recorded by a photodiode. This resonant frequency is the standard for adjusting the frequency of quartz oscillators, and the device as a whole is called an atomic clock and is characterized by such parameters as short-term and long-term frequency instability.
Кратковременная нестабильность частоты непосредственно зависит от объема и конструкции атомной ячейки, так как она обратно пропорциональна фактору качества резонансного сигнала в оптической камере ячейки, под которым понимают отношение сигнал/шум, деленное на ширину резонансной линии. Из-за упругих столкновений щелочных атомов с внутренними стенками оптической камеры происходит деполяризации атомных спинов, т.е. уменьшается время жизни когерентного состояния. Вероятность этого процесса пропорциональна площади внутренней поверхности ячейки и обратно пропорциональна ее линейным размерам. Поэтому для уменьшения кратковременной нестабильности частоты требуется увеличивать объем оптической камеры ячейки и уменьшать шероховатость ее внутренних стенок. Для той же цели на внутренние стенки оптической камеры наносят антирелаксационные покрытия (алканы, алкены, органосиланы) или заполняют ее внутренний объем буферным газом (He, N2, Ar, Ne и др.), что уменьшает вероятность упругого рассеяния щелочных атомов на стенках. Вариант с буферным газом технологически более прост, но приводит к некоторому уширению резонансной линии, т.е. к уменьшению фактора качества резонансного сигнала.Short-term frequency instability directly depends on the volume and design of the atomic cell, since it is inversely proportional to the quality factor of the resonant signal in the optical chamber of the cell, which is understood as the signal-to-noise ratio divided by the width of the resonant line. Due to elastic collisions of alkali atoms with the inner walls of the optical chamber, depolarization of atomic spins occurs, i.e. the lifetime of the coherent state decreases. The probability of this process is proportional to the area of the inner surface of the cell and inversely proportional to its linear dimensions. Therefore, to reduce short-term frequency instability, it is necessary to increase the volume of the optical chamber of the cell and reduce the roughness of its internal walls. For the same purpose, anti-relaxation coatings (alkanes, alkenes, organosilanes) are applied to the inner walls of the optical chamber or its internal volume is filled with a buffer gas (He, N2, Ar, Ne, etc.), which reduces the likelihood of elastic scattering of alkali atoms on the walls. The option with a buffer gas is technologically simpler, but leads to some broadening of the resonance line, i.e. to reduce the quality factor of the resonant signal.
Долговременная нестабильность частоты главным образом определяется неизменностью состава внутренней атмосферы и процессами, происходящими в ячейке при колебаниях температуры - изменением давления буферного газа и концентрации щелочных атомов в газовой фазе, а также конденсацией и миграцией микрокапель цезия или рубидия на внутренней поверхности оптической камеры, если в ячейке находится избыточное количество этих щелочных элементов. Все упомянутые выше факторы оказывают влияние на стабильность эксплуатационных параметров не только атомных часов, но и других квантовых устройств.Long-term frequency instability is mainly determined by the unchanged composition of the internal atmosphere and the processes occurring in the cell with temperature fluctuations - changes in the pressure of the buffer gas and the concentration of alkali atoms in the gas phase, as well as the condensation and migration of microdroplets of cesium or rubidium on the inner surface of the optical chamber, if in the cell there is an excess amount of these alkaline elements. All the factors mentioned above affect the stability of the operating parameters not only of atomic clocks, but also of other quantum devices.
Для создания портативных квантовых устройств требуются малогабаритные ячейки с характерными размерами оптической камеры от одного до десяти миллиметров. Воспроизводимость их конструктивных параметров трудно обеспечить при помощи классических методов обработки стекла. Поэтому для изготовления малогабаритных ячеек все чаще применяют групповые технологии кремниевой микроэлектроники и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Их преимуществом является одновременное изготовление десятков и сотен одинаковых атомных ячеек из одной микроэлектронной кремниевой пластины. Это открывает перспективы крупносерийного выпуска квантовых устройств с низкой себестоимостью и энергопотреблением на уровне сотен милливатт [Knappe S. A. Emerging topics: MEMS atomic clocks. Elsevier (Netherlands), NL, [online] - 2007. https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=50424 (дата обращения 25.10.2023].To create portable quantum devices, small-sized cells with characteristic optical chamber dimensions from one to ten millimeters are required. The reproducibility of their design parameters is difficult to achieve using classical glass processing methods. Therefore, group technologies of silicon microelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) are increasingly being used to manufacture small-sized cells. Their advantage is the simultaneous production of tens and hundreds of identical atomic cells from a single microelectronic silicon wafer. This opens up prospects for large-scale production of quantum devices with low cost and power consumption at the level of hundreds of milliwatts [Knappe S. A. Emerging topics: MEMS atomic clocks. Elsevier (Netherlands), NL, [online] - 2007. https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=50424 (accessed 10.25.2023].
Конструктивно МЭМС ячейки представляют собой плоский кремниевый чип площадью несколько квадратных миллиметров, содержащий в центре газонаполненную полость, загерметизированную сверху и снизу прозрачными стеклами. Высота оптической камеры такой ячейки определяется толщиной кремниевой пластины, т.е. составляет порядка одного миллиметра. Поэтому, для обеспечения высокого отношения сигнал/шум, ячейку нагревают до рабочих температур порядка 100 °С чтобы повысить концентрацию щелочных атомов в газовой фазе, а общее энергопотребление КСЧ на эффекте КПН определяется электрической мощностью, затрачиваемой на этот нагрев. Очевидно, что для увеличения фактора качества резонансного сигнала и снижения энергопотребления необходимо увеличивать высоту и диаметр сквозной полости, но при этом уменьшать горизонтальные размеры чипа, т.е. теплоемкость ячейки.Structurally, MEMS cells are a flat silicon chip with an area of several square millimeters containing a gas-filled cavity in the center, sealed at the top and bottom with transparent glass. The height of the optical chamber of such a cell is determined by the thickness of the silicon wafer, i.e. is about one millimeter. Therefore, to ensure a high signal-to-noise ratio, the cell is heated to operating temperatures of the order of 100 °C to increase the concentration of alkali atoms in the gas phase, and the total energy consumption of the CSC effect is determined by the electrical power spent on this heating. Obviously, to increase the quality factor of the resonant signal and reduce power consumption, it is necessary to increase the height and diameter of the through cavity, but at the same time reduce the horizontal dimensions of the chip, i.e. heat capacity of the cell.
Известна атомная ячейка с одной полостью, выполняющей роль оптической камеры, впервые выполненная по технологиям МЭМС [US2005/0007118, дата публикации 13.01.2005]. Технология ее изготовления содержит четыре основных этапа: выполняют сквозное отверстие (полость) в кремниевой пластине, проводят соединение нижней плоскости кремниевой пластины с дном, выполненным в виде пластины из стекла Пирекс, помещают в полость цезий или рубидий или их источник в виде реагента, из которого пары щелочных атомов выделяются в результате химической реакции, затем в вакууме или инертной атмосфере проводят соединение верхней плоскости кремниевой пластины с крышкой, выполненной в виде пластины из стекла Пирекс, тем самым герметизируя полость. При этом, для соединения кремниевой пластины с дном и крышкой используют термо-электродиффузионную сварку кремния и стекла (анодную сварку), а для формирования полости в кремнии используют либо физические методы обработки (пескоструйное или механическое сверление), либо более технологичные методы - анизотропное щелочное травление или вертикальное ионно-плазменное травление кремния.An atomic cell with one cavity acting as an optical camera is known, first made using MEMS technologies [US2005/0007118, publication date 01/13/2005]. Its manufacturing technology contains four main stages: a through hole (cavity) is made in the silicon wafer, the bottom plane of the silicon wafer is connected to the bottom, made in the form of a Pyrex glass plate, cesium or rubidium or their source in the form of a reagent is placed into the cavity, from which pairs of alkali atoms are released as a result of a chemical reaction, then in a vacuum or inert atmosphere the upper plane of the silicon wafer is connected to a lid made in the form of a Pyrex glass plate, thereby sealing the cavity. At the same time, to connect the silicon wafer with the bottom and lid, thermal-electrodiffusion welding of silicon and glass (anodic welding) is used, and to form a cavity in the silicon, either physical processing methods (sandblasting or mechanical drilling) or more technological methods - anisotropic alkaline etching are used or vertical ion plasma etching of silicon.
Главным недостатком однокамерных МЭМС ячеек является невозможность обеспечить высокоточное заполнение оптической камеры ровно тем количеством щелочного элемента, которое необходимо для его полного перехода в газообразное состояние при оптимальной рабочей температуре ячейки, особенно при некотором технологическом разбросе в объеме ячеек по площади пластины. При его недостатке наблюдается уменьшение отношения сигнал/шум, при переизбытке происходит конденсация микрокапель щелочного металла на стеклянных окнах ячейки.The main disadvantage of single-chamber MEMS cells is the inability to ensure high-precision filling of the optical chamber with exactly the amount of alkali element that is necessary for its complete transition to the gaseous state at the optimal operating temperature of the cell, especially with some technological variation in the volume of the cells over the area of the wafer. With its deficiency, a decrease in the signal-to-noise ratio is observed; with an excess, condensation of microdroplets of alkali metal occurs on the glass windows of the cell.
Известен способ изготовления атомной ячейки, выполненной в виде двухкамерной конструкции для решения проблемы дозированного заполнения оптической камеры атомами цезия, который является аналогом предлагаемому изобретению [US9864340, дата публикации 9.01.2018]. Ячейку изготавливают следующим образом. В плоском основании формируют полостную структуру, содержащую две полости, соединенные между собой каналами, при этом предпочтительный материал основания - кремний, а предпочтительный метод формирования полостной структуры - ионно-плазменное травление. Соединяют нижнюю плоскость основания с дном, выполненным из прозрачного материала. Помещают в одну из полостей полостной структуры источник щелочного металла, выполненный в виде металлической таблетки, содержащей цезий. Заполняют полостную структуру буферным газом, состоящем из смеси неона и гелия. Соединяют верхнюю плоскость основания с крышкой, выполненной из прозрачного материала, тем самым герметизируя полостную структуру. Выполняют локальный нагрев источника щелочного металла для выделения из него атомов цезия и их диффузии через каналы во вторую полость, при этом форма каналов изначально выбирается такой, чтобы поток атомов цезия за время диффузии от нагретого источника успевал полностью остыть до комнатной температуры, рассеивая тепловую энергию на молекулах буферного газа и боковых стенках каналов. Изготовленная по описанному способу ячейка содержит две камеры, одна из которых является нерабочей и содержит остатки источника и продукты его распада из-за нагрева, т.е. металлические частицы и избыток цезия в виде жидких капель, при этом остатки источника выполняют функцию геттера активных газов в течение всего срока эксплуатации ячейки. Вторая же камера выполняет роль оптической камеры атомной ячейки и содержит только неон, гелий и атомы цезия в газовой фазе. А длина соединяющих каналов прямо пропорциональна площади их поперечного сечения и обратно пропорциональна давлению буферного газа.There is a known method for manufacturing an atomic cell made in the form of a two-chamber design to solve the problem of dosed filling of an optical chamber with cesium atoms, which is analogous to the proposed invention [US9864340, publication date 01/09/2018]. The cell is made as follows. A cavity structure is formed in a flat base, containing two cavities connected by channels, with the preferred base material being silicon, and the preferred method of forming the cavity structure is ion plasma etching. Connect the lower plane of the base with a bottom made of transparent material. An alkali metal source made in the form of a metal tablet containing cesium is placed in one of the cavities of the cavity structure. The cavity structure is filled with a buffer gas consisting of a mixture of neon and helium. The upper plane of the base is connected to a lid made of transparent material, thereby sealing the cavity structure. Local heating of the alkali metal source is performed to release cesium atoms from it and their diffusion through channels into the second cavity, while the shape of the channels is initially selected such that the flow of cesium atoms has time to completely cool down to room temperature during diffusion from the heated source, dissipating thermal energy into buffer gas molecules and side walls of channels. A cell manufactured according to the described method contains two chambers, one of which is non-working and contains remnants of the source and products of its decay due to heating, i.e. metal particles and excess cesium in the form of liquid drops, while the remains of the source act as a getter for active gases throughout the entire life of the cell. The second chamber acts as an optical chamber of an atomic cell and contains only neon, helium and cesium atoms in the gas phase. And the length of the connecting channels is directly proportional to their cross-sectional area and inversely proportional to the buffer gas pressure.
Главный недостаток аналога заключается в том, что при формировании такой полостной структуры в кремнии одним из ранее указанных методов, применяемых для изготовления однокамерных ячеек, выполнение по данному способу малогабаритных атомных ячеек возможно только при относительно высоких давлениях буферного газа, что приводит к уширению резонансной линии и, как следствие, к ухудшению фактора качества резонансного сигнала квантовых устройств. При давлении буферного газа менее 10 мм.рт.ст. или изготовлении ячеек с антирелаксационными покрытиями, содержащими пары щелочного металла в вакууме, требуются длинные каналы, значительно увеличивающие горизонтальные размеры ячеек и, как следствие, их энергопотребление на нагрев до рабочей температуры [Maurice V. Design, microfabrication and characterization of alkali vapor cells for miniature atomic frequency references : дис. - Université de Franche-Comté, 2016. https://theses.hal.science/view/index/identifiant/tel-02154818 (дата обращения 25.10.2023)]. The main disadvantage of the analogue is that when such a cavity structure is formed in silicon using one of the previously indicated methods used for the manufacture of single-chamber cells, the production of small-sized atomic cells using this method is possible only at relatively high pressures of the buffer gas, which leads to broadening of the resonance line and , as a consequence, to the deterioration of the quality factor of the resonant signal of quantum devices. When the buffer gas pressure is less than 10 mmHg. or the manufacture of cells with anti-relaxation coatings containing alkali metal vapor in a vacuum, long channels are required that significantly increase the horizontal dimensions of the cells and, as a consequence, their energy consumption for heating to operating temperature [Maurice V. Design, microfabrication and characterization of alkali vapor cells for miniature atomic frequency references: dis. - Université de Franche-Comté, 2016. https://theses.hal.science/view/index/identifiant/tel-02154818 (accessed October 25, 2023)].
В качестве прототипа выбран способ изготовления малогабаритной атомной ячейки, имеющей аналогичную описанной выше двухкамерную конструкцию, т.е. содержащей полостную структуру в виде двух соединенных каналами полостей, в котором формирование полостной структуры в кремнии проводят поэтапным ионно-плазменным травлением под защитой двухуровневой металлической маски [Kazakin A. et al. Fabrication of Cesium Vapor Cells for Chip-Scale Atomic Clock Based on Coherent Population Trapping // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). - IEEE, 2022. - С. 268-271. https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950855].As a prototype, we chose a method for manufacturing a small-sized atomic cell having a two-chamber structure similar to that described above, i.e. containing a cavity structure in the form of two cavities connected by channels, in which the formation of a cavity structure in silicon is carried out by step-by-step ion-plasma etching under the protection of a two-level metal mask [Kazakin A. et al. Fabrication of Cesium Vapor Cells for Chip-Scale Atomic Clock Based on Coherent Population Trapping // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). - IEEE, 2022. - pp. 268-271. https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950855].
Ячейку изготавливают следующим образом:The cell is made as follows:
- наносят на обе плоскости окисленной кремниевой пластины толщиной 1,5 мм покрытие первого уровня из хрома толщиной 1 мкм; - a first-level chromium coating of 1 micron thickness is applied to both planes of the oxidized silicon wafer with a thickness of 1.5 mm;
- формируют рисунок первого уровня маски в покрытии из хрома на верхней плоскости кремниевой пластины, при этом рисунок содержит открытые поля, соответствующие расположению полостей и каналов;- a pattern of the first level of the mask is formed in the chromium coating on the upper plane of the silicon wafer, wherein the pattern contains open fields corresponding to the location of the cavities and channels;
- наносят на верхнюю плоскость кремниевой пластины с маской первого уровня покрытие второго уровня из алюминия толщиной не менее 2 мкм;- apply a second-level coating of aluminum with a thickness of at least 2 microns to the upper plane of the silicon wafer with a first-level mask;
- формируют рисунок второго уровня маски в покрытии из алюминия, при этом рисунок содержит открытые поля, соответствующие только расположению полостей;- form a pattern of the second level of the mask in the aluminum coating, while the pattern contains open fields corresponding only to the location of the cavities;
- выполняют несквозные полости в кремниевой пластине под защитой второго уровня маски методом ионно-плазменного травления «в смешанном режиме» газов SF6 и C4F8, при этом глубина полостей составляет 1,2 мм, а поверхность стенок полостей содержит шероховатости, вызванные ионным перераспылением алюминиевой маски;- non-through cavities are made in the silicon wafer under the protection of the second level of the mask using the method of ion-plasma etching “in mixed mode” of the gases SF 6 and C 4 F 8 , while the depth of the cavities is 1.2 mm, and the surface of the walls of the cavities contains roughness caused by ion overspraying an aluminum mask;
- удаляют покрытие второго уровня жидкостным травлением алюминия;- remove the second level coating by liquid etching of aluminum;
- выполняют сквозные полости и несквозные каналы в кремниевой пластине под защитой первого уровня маски методом ионно-плазменного травления «в смешанном режиме» газов, причем травление проводят с передержкой по времени для гарантированного достижения полостями покрытия из хрома, нанесенного на нижнюю плоскость кремниевой пластины, при этом глубина каналов составляет от 400 до 500 мкм;- through cavities and non-through channels are made in the silicon wafer under the protection of the first level of the mask using the method of ion-plasma etching “in mixed mode” of gases, and the etching is carried out with a time overexposure to ensure that the cavities reach the chromium coating deposited on the lower plane of the silicon wafer, at In this case, the channel depth ranges from 400 to 500 µm;
- уменьшают шероховатость поверхности стенок выполненных полостей жидкостным щелочным травлением кремния, ширина выполненных каналов при этом увеличивается;- reduce the surface roughness of the walls of the cavities made by liquid alkaline etching of silicon, the width of the made channels increases;
- удаляют покрытие первого уровня с обеих плоскостей кремниевой пластины жидкостным травлением хрома;- remove the first level coating from both planes of the silicon wafer by liquid etching of chromium;
- соединяют нижнюю плоскость пластины с дном, выполненным из пластины стекла ЛК5, при этом используют метод анодной сварки кремния и стекла при температуре 450 °С и напряжении 800 В;- connect the lower plane of the plate with the bottom made of an LK5 glass plate, using the method of anodic welding of silicon and glass at a temperature of 450 °C and a voltage of 800 V;
- размещают в одной из полостей источник щелочного металла, выполненный в виде таблетки из титана с добавкой бихромата цезия;- a source of alkali metal is placed in one of the cavities, made in the form of a titanium tablet with the addition of cesium dichromate;
- проводят герметизацию ячейки соединением верхней плоскости пластины с крышкой в атмосфере буферного газа - неона при 400 мм.рт.ст., при этом крышка выполнена из пластины стекла ЛК5, а для герметизации используют анодную сварку при температуре 300 °С и напряжении 500 В;- the cell is sealed by connecting the upper plane of the plate with the lid in an atmosphere of a buffer gas - neon at 400 mmHg, while the lid is made of a glass plate LK5, and for sealing they use anodic welding at a temperature of 300 ° C and a voltage of 500 V;
- проводят локальный нагрев источника щелочного металла до температуры не менее 500 °С, при этом используют лазер мощностью 0,5 Вт.- carry out local heating of the alkali metal source to a temperature of at least 500 °C, using a laser with a power of 0.5 W.
Недостатками прототипа являются большая площадь поперечного сечения каналов и низкая воспроизводимость формы полостной структуры при ее глубине более одного миллиметра, что влечет за собой необходимость использовать каналы длиной более миллиметра и высокие давления буферного газа, а также накладывает ограничение на высоту оптической камеры ячейки, и, как следствие, не позволяет уменьшить горизонтальные размеры и энергопотребление атомной ячейки и повысить фактор качества резонансного сигнала за счет уменьшения ширины резонансной линии и увеличения отношения сигнал/шум.The disadvantages of the prototype are the large cross-sectional area of the channels and the low reproducibility of the shape of the cavity structure with a depth of more than one millimeter, which entails the need to use channels longer than a millimeter and high buffer gas pressures, and also imposes a limitation on the height of the optical chamber of the cell, and, as Consequently, it does not allow reducing the horizontal dimensions and energy consumption of an atomic cell and increasing the quality factor of the resonant signal by reducing the width of the resonance line and increasing the signal-to-noise ratio.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение воспроизводимости внутренней формы полостной структуры малогабаритной атомной ячейки, содержащей по меньшей мере две камеры, при одновременном увеличении ее высоты и уменьшении горизонтальных размеров.The technical problem to be solved by the present invention is to ensure the reproducibility of the internal shape of the cavity structure of a small-sized atomic cell containing at least two chambers, while simultaneously increasing its height and decreasing its horizontal dimensions.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что предложен способ изготовления малогабаритной атомной ячейки с парами атомов щелочного металла, включающий формирование в кремниевой пластине полостной структуры, содержащей по меньшей мере две соединенные каналами полости, соединение нижней плоскости пластины с дном, размещение в одной из полостей источника щелочного металла, герметизацию ячейки соединением верхней плоскости пластины с крышкой в вакууме или атмосфере буферного газа, а также локальный нагрев источника щелочного металла, в котором для формирования внутренней полостной структуры в кремниевой пластине последовательно:The solution to this technical problem is achieved by proposing a method for manufacturing a small-sized atomic cell with pairs of alkali metal atoms, which includes forming a cavity structure in a silicon wafer containing at least two cavities connected by channels, connecting the lower plane of the wafer to the bottom, and placing it in one of the source cavities alkali metal, sealing the cell by connecting the upper plane of the wafer with the lid in a vacuum or a buffer gas atmosphere, as well as local heating of the alkali metal source, in which to form an internal cavity structure in the silicon wafer, sequentially:
- наносят на обе плоскости кремниевой пластины покрытие первого уровня из диоксида кремния SiO2 и/или нитрида кремния Si3N4 и/или оксинитрида кремния SiOxNy;- a first-level coating of silicon dioxide SiO 2 and/or silicon nitride Si 3 N 4 and/or silicon oxynitride SiO x N y is applied to both planes of the silicon wafer;
- формируют рисунок первого уровня маски жидкостным или плазменным травлением покрытия первого уровня верхней плоскости кремниевой пластины;- forming a pattern of the first level of the mask by liquid or plasma etching of the coating of the first level of the upper plane of the silicon wafer;
- наносят на верхнюю плоскость кремниевой пластины с маской первого уровня покрытие второго уровня из хрома и/или фоторезиста;- a second-level coating of chromium and/or photoresist is applied to the upper plane of the silicon wafer with a first-level mask;
- формируют рисунок второго уровня маски жидкостным травлением покрытия второго уровня;- form a pattern of the second level of the mask by liquid etching of the second level coating;
- выполняют сквозные полости в кремниевой пластине под защитой маски второго уровня методом вертикального ионно-плазменного травления или механического сверления;- through cavities are made in the silicon wafer under the protection of a second-level mask using vertical ion-plasma etching or mechanical drilling;
- удаляют маску второго уровня жидкостным травлением покрытия второго уровня;- remove the second level mask by liquid etching the second level coating;
- проводят формирование каналов со стороны верхней плоскости кремниевой пластины и уменьшают шероховатость поверхности стенок выполненных полостей анизотропным щелочным травлением;- channels are formed from the side of the upper plane of the silicon wafer and the surface roughness of the walls of the cavities is reduced by anisotropic alkaline etching;
- удаляют жидкостным травлением покрытие первого уровня.- remove the first level coating by liquid etching.
Дополнительная особенность заключается в том, что кремниевая пластина имеет ориентацию поверхности (100).An additional feature is that the silicon wafer has a (100) surface orientation.
Дополнительная особенность заключается в том, что дно и крышка выполнены из пластины боросиликатного или алюмосиликатного стекла или стеклокерамики, а соединение плоскостей кремниевой пластины с дном и крышкой выполняется методом анодной сварки.An additional feature is that the bottom and lid are made of a plate of borosilicate or aluminosilicate glass or glass ceramics, and the connection of the planes of the silicon wafer with the bottom and lid is performed by anodic welding.
Дополнительная особенность заключается в том, что формирование рисунка первого и второго уровня маски на верхней плоскости пластины проводят методом прямой фотолитографии с использованием фоторезиста, при этом нижнюю плоскость пластины защищают слоем фоторезиста.An additional feature is that the patterning of the first and second mask levels on the upper plane of the wafer is carried out by direct photolithography using photoresist, while the lower plane of the wafer is protected with a layer of photoresist.
Дополнительная особенность заключается в том, что жидкостное травление покрытия первого уровня проводят в водных растворах на основе фтористоводородной кислоты.An additional feature is that liquid etching of the first-level coating is carried out in aqueous solutions based on hydrofluoric acid.
Дополнительная особенность заключается в том, что анизотропное щелочное травление для формирования каналов проводят в растворах на основе гидроокисей органических или неорганических щелочей в течение времени, необходимого для полного смыкания кремниевых граней (111) на дне каналов.An additional feature is that anisotropic alkaline etching to form channels is carried out in solutions based on organic or inorganic alkali hydroxides for the time required for complete closure of the silicon faces (111) at the bottom of the channels.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении фактора качества резонансного сигнала и воспроизводимости характеристик малогабаритных атомных ячеек для квантовых стандартов частоты, магнитометров и других квантовых устройств при одновременном уменьшении их энергопотребления.The technical result of the claimed invention is to increase the quality factor of the resonant signal and the reproducibility of the characteristics of small-sized atomic cells for quantum frequency standards, magnetometers and other quantum devices while simultaneously reducing their energy consumption.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря изменению процедуры формирования внутренней полостной структуры атомной ячейки, а именно тем, что сквозные полости и соединяющие их каналы в кремниевой пластине формируются независимо друг от друга с использованием принципиально отличающихся технологических методов: полости - с помощью высокоанизотропной ионно-плазменной или физической обработки, не накладывающей ограничений на высоту полостей, а каналы - с помощью химического анизотропного травления, обеспечивающего высокую воспроизводимость формы и малое сечение каналов. Большая высота полостей позволяет повысить фактор качества резонансного сигнала за счет увеличения отношения сигнал/шум и снизить рабочую температуру ячейки, а с ней и энергопотребление, за счет увеличения длины оптического пути. Малое сечение каналов позволяет повысить фактор качества резонансного сигнала за счет уменьшения ширины резонансной линии из-за возможности использовать более низкое давление буферного газа и уменьшить горизонтальные размеры ячейки, а с ними и энергопотребление, за счет сокращения необходимой длины каналов.This technical result is ensured by changing the procedure for forming the internal cavity structure of an atomic cell, namely, by the fact that through cavities and the channels connecting them in the silicon wafer are formed independently of each other using fundamentally different technological methods: cavities - using highly anisotropic ion plasma or physical processing that does not impose restrictions on the height of the cavities, and the channels - using chemical anisotropic etching, which ensures high shape reproducibility and a small cross-section of the channels. The large height of the cavities makes it possible to increase the quality factor of the resonant signal by increasing the signal-to-noise ratio and reduce the operating temperature of the cell, and with it the power consumption, by increasing the length of the optical path. The small cross-section of the channels makes it possible to increase the quality factor of the resonant signal by reducing the width of the resonance line due to the possibility of using a lower pressure of the buffer gas and reducing the horizontal dimensions of the cell, and with them the energy consumption, by reducing the required length of the channels.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на Фиг. 1-8.The essence of the proposed invention is illustrated in Fig. 1-8.
На Фиг. 1 представлены общая схема малогабаритной атомной ячейки с двухкамерной полостной структурой (Фиг. 1а) и разрез ячейки по центру оптической камеры (не в масштабе) (Фиг. 1б).In FIG. Figure 1 shows a general diagram of a small-sized atomic cell with a two-chamber cavity structure (Fig. 1a) and a section of the cell along the center of the optical chamber (not to scale) (Fig. 1b).
На Фиг. 2 представлены варианты топологии полостной структуры ячейки и ее расположения по отношению к направлениям кристаллических граней кремния, обозначенных индексами Миллера [100] и [110].In FIG. Figure 2 shows variants of the topology of the cavity structure of the cell and its location in relation to the directions of the crystalline faces of silicon, designated by the Miller indices [100] and [110].
На Фиг. 3 представлены топологии первого и второго уровней маски.In FIG. Figure 3 shows the topology of the first and second mask levels.
На Фиг. 4 представлена схема процесса формирования двухуровневой маски на кремниевой пластине с ориентацией поверхности (100). In FIG. Figure 4 shows a diagram of the process of forming a two-level mask on a silicon wafer with the surface orientation (100).
На Фиг. 5 представлена схема процесса формирования полостной структуры в кремниевой пластине.In FIG. Figure 5 shows a diagram of the process of forming a cavity structure in a silicon wafer.
На Фиг. 6 показано поперечное сечение канала шириной w, расположенного вдоль направления [110] на верхней плоскости кремниевой пластины ориентации (100), после анизотропного щелочного травления на глубину h, определяемую смыканием граней (111) и равную 0,5w⋅tg(54,7).In FIG. Figure 6 shows a cross section of a channel of width w located along the [110] direction on the upper plane of a silicon wafer with a (100) orientation, after anisotropic alkaline etching to a depth h determined by the closure of the (111) faces and equal to 0.5 w⋅ tg(54.7 ).
На Фиг. 7 показана топология сформированных щелочным травлением каналов, длина которых с каждой стороны уменьшена на величину l из-за растрава кремния вблизи внешних углов маски (Фиг. 7а), а также приведена фотография кремниевого рельефа глубиной h t вблизи внешнего угла маски после травления в течение заданного времени t, полученная с помощью электронного микроскопа (Фиг. 7б), на которой грани с максимальной скоростью растворения в щелочном травителе обозначены как (mlk). Пунктирными линиями обозначены контуры маски на верхней плоскости кремниевой пластины.In FIG. Figure 7 shows the topology of channels formed by alkaline etching, the length of which on each side is reduced by an amount l due to silicon etching near the outer corners of the mask (Fig. 7a), and also shows a photograph of a silicon relief with a depth h t near the outer corner of the mask after etching for a given period time t , obtained using an electron microscope (Fig. 7b), on which the faces with the maximum dissolution rate in the alkaline etchant are designated as (mlk). The dotted lines indicate the contours of the mask on the upper plane of the silicon wafer.
На Фиг. 8 представлена схема процесса герметизации полостной структуры.In FIG. Figure 8 shows a diagram of the process of sealing the cavity structure.
На чертежах используются следующие обозначения:The following symbols are used in the drawings:
1 - малогабаритная атомная ячейка;1 - small-sized atomic cell;
2 - кремниевая пластина;2 - silicon wafer;
3 - верхняя плоскость кремниевой пластины;3 - upper plane of the silicon wafer;
4 - дно ячейки;4 - bottom of the cell;
5 - крышка ячейки;5 - cell cover;
6 - оптическая камера;6 - optical camera;
7 - камера для размещения источника щелочного металла;7 - chamber for placing a source of alkali metal;
8 - источник щелочного металла;8 - source of alkali metal;
9 - каналы;9 - channels;
10 - боковые стенки полостей в кремниевой пластине;10 - side walls of cavities in the silicon wafer;
11 - боковые стенки каналов в кремниевой пластине;11 - side walls of channels in the silicon wafer;
12 - топология полостной структуры, соответствующая ячейке на Фиг. 1;12 - topology of the cavity structure corresponding to the cell in FIG. 1;
13 - пример топологии с изогнутыми каналами;13 is an example of a topology with curved channels;
14 - пример топологии с зигзагообразным каналом; 14 is an example of a topology with a zigzag channel;
15 - пример топологии многокамерной конструкции;15 - example of the topology of a multi-chamber structure;
16 - окружность, определяющая характерный размер оптической камеры;16 - circle defining the characteristic size of the optical camera;
17 - прямые участки каналов.17 - straight sections of channels.
18 - рисунок первого уровня маски;18 - drawing of the first level of the mask;
19 - рисунок второго уровня маски;19 - drawing of the second level of the mask;
20 - открытые поля фотошаблона; 20 - open fields of the photomask;
21 - внешние углы маски;21 - outer corners of the mask;
22 - пластина после нанесения покрытия первого уровня; 22 - plate after applying the first level coating;
23 - пластина после формирования рисунка первого уровня маски (в разрезе, идущем вдоль одного из каналов); 23 - plate after forming the pattern of the first level of the mask (in a section running along one of the channels);
24 - пластина после нанесения покрытия второго уровня; 24 - plate after applying the second level coating;
25 - пластина после формирования рисунка второго уровня маски; 25 - plate after forming the pattern of the second level of the mask;
26 - покрытие первого уровня;26 - first level coating;
27 - покрытие второго уровня;27 - second level coating;
28 - пластина после выполнения сквозных полостей; 28 - plate after making through cavities;
29 - пластина после удаления покрытия второго уровня;29 - plate after removing the second level coating;
30 - пластина после формирования каналов (в разрезе, идущем вдоль одного из каналов);30 - plate after the formation of channels (in a section running along one of the channels);
31 - кремниевая пластина с выполненной полостной структурой;31 - silicon wafer with a cavity structure;
32 - сквозные полости в кремнии;32 - through cavities in silicon;
33 - шероховатость поверхности стенок полостей;33 - surface roughness of cavity walls;
34 - дно канала (линия смыкания граней (111) при щелочном травлении);34 - channel bottom (line of closure of edges (111) during alkaline etching);
35 - заготовка ячейки после соединения кремниевой пластины с дном;35 - cell blank after connecting the silicon wafer to the bottom;
36 - ячейка после размещения источника щелочного металла и соединения кремниевой пластины с крышкой;36 - cell after placing the alkali metal source and connecting the silicon wafer to the lid;
37 - заполнение оптической камеры парами атомов щелочного металла;37 - filling the optical chamber with pairs of alkali metal atoms;
38 - луч лазера;38 - laser beam;
39 - поток атомов щелочного металла;39 - flow of alkali metal atoms;
40 - насыщенные пары атомов щелочного металла.40 - saturated pairs of alkali metal atoms.
Осуществление изобретения Carrying out the invention
Заявленный технический результат достигается тем, что предлагается способ изготовления малогабаритной атомной ячейки 1 с парами щелочного металла (Фиг.1а), выполненной из пластины монокристаллического кремния 2, к нижней и верхней плоскости 3 которой герметично присоединены дно 4 и крышка 5, выполненные из материала, прозрачного для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн, определяемом энергетической структурой атома используемого щелочного металла. Кремниевая пластина содержит полостную структуру, состоящую из оптической камеры 6, камеры 7 с размещенным в ней источником щелочного металла 8 и каналов 9, соединяющих обе камеры. Боковые стенки 10 камер 6 и 7 вертикальны (Фиг.1б). Боковые стенки 11 каналов 9 наклонены к верхней плоскости 3 пластины 2 под углом 54,7 ° и сомкнуты на дне каналов (тангенс угла наклона стенок к поверхности называется анизотропией). Оптическая камера 6 выполнена в виде сквозной полости в кремниевой пластине 2 и содержит насыщенные пары щелочного металла, т.е. газ из его атомов, парциальное давление которого строго задано значением окружающей температуры, а также опционально может содержать благородный газ/газы в качестве буферной атмосферы или органическое антирелаксационное покрытие на своих внутренних стенках. Камера 7, помимо источника 8, может содержать некоторое количество щелочного металла в чистом виде, а также геттер активных газов.The claimed technical result is achieved by the fact that a method is proposed for manufacturing a small-sized atomic cell 1 with alkali metal vapor (Fig. 1a), made from a plate of monocrystalline silicon 2, to the lower and upper plane 3 of which a bottom 4 and a lid 5, made of a material, are hermetically attached. transparent to electromagnetic radiation in the wavelength range determined by the energy structure of the atom of the alkali metal used. The silicon wafer contains a cavity structure consisting of an optical chamber 6, a chamber 7 with a source of alkali metal 8 placed in it, and channels 9 connecting both chambers. The side walls of 10 chambers 6 and 7 are vertical (Fig. 1b). The side walls of 11 channels 9 are inclined to the upper plane 3 of plate 2 at an angle of 54.7 ° and are closed at the bottom of the channels (the tangent of the angle of inclination of the walls to the surface is called anisotropy). The optical chamber 6 is made in the form of a through cavity in the silicon wafer 2 and contains saturated alkali metal vapors, i.e. a gas of its atoms, the partial pressure of which is strictly determined by the value of the ambient temperature, and may also optionally contain a noble gas/gases as a buffer atmosphere or an organic anti-relaxation coating on its internal walls. Chamber 7, in addition to source 8, may contain a certain amount of alkali metal in pure form, as well as a getter of active gases.
Топология полостной структуры 12, соответствующая изображенной выше ячейке 1, показана на Фиг. 2. Приведенная топология весьма условна и необходима лишь для пояснения предлагаемого способа изготовления, т.е. количество и формы камер и каналов в горизонтальной плоскости могут отличаться от изображенных на ней. Так, помимо прямых каналов, допустимо использование изогнутых каналов 13 или зигзагообразных каналов 14, а помимо камер с круглым основанием, допустимо использование камер, имеющих основание в виде многоугольника 15, описанного вокруг окружности 16 определенного диаметра (далее - диаметр камеры). Возможные топологии полостной структуры ячейки, изготовленной по предлагаемому способу, не ограничиваются приведенными на Фиг. 2 примерами, но для достижения заявленного технического результата необходимо их соответствие следующим критериям: The topology of the cavity structure 12 corresponding to the cell 1 shown above is shown in FIG. 2. The given topology is very conditional and is necessary only to explain the proposed manufacturing method, i.e. the number and shape of cameras and channels in the horizontal plane may differ from those shown on it. Thus, in addition to straight channels, it is permissible to use curved channels 13 or zigzag channels 14, and in addition to chambers with a round base, it is permissible to use chambers having a base in the form of a polygon 15 circumscribed around a circle 16 of a certain diameter (hereinafter referred to as the chamber diameter). Possible topologies of the cavity structure of a cell manufactured using the proposed method are not limited to those shown in Fig. 2 examples, but to achieve the stated technical result, they must meet the following criteria:
1) Количество камер не должно быть меньше двух, количество каналов - не менее одного.1) The number of cameras should not be less than two, the number of channels should not be less than one.
2) Диаметр оптической камеры должен быть не менее ее высоты (т.е. толщины кремниевой пластины).2) The diameter of the optical chamber must be no less than its height (i.e., the thickness of the silicon wafer).
3) Все стороны 17 каналов в горизонтальной проекции, т.е. на верхней плоскости 3 кремниевой пластины 2, должны быть ориентированы по направлениям [110], а сама верхняя плоскость 3 при этом должна иметь ориентацию (100), где [110] и (100) - индексы Миллера кристаллографических направлений и плоскостей монокристаллического кремния.3) All sides of 17 channels in horizontal projection, i.e. on the upper plane 3 of the silicon wafer 2, must be oriented along the [110] directions, and the upper plane 3 itself must have the (100) orientation, where [110] and (100) are the Miller indices of the crystallographic directions and planes of single-crystal silicon.
4) Минимально допустимая длина каждого прямого участка канала 17 составляет 1,4⋅w⋅U, где w - ширина канала, а U - безразмерный параметр, точное значение которого зависит от технологических условий операции формирования каналов и находится в пределах 1,3 - 4,2.4) The minimum permissible length of each straight section of channel 17 is 1.4⋅ w⋅U , where w is the channel width, and U is a dimensionless parameter, the exact value of which depends on the technological conditions of the channel formation operation and is in the range of 1.3 - 4 ,2.
Предлагаемый способ изготовления ячейки 1 заключается в проведении трех этапов: формировании двухуровневой маски на поверхности кремниевой пластины (Фиг. 4), формировании полостной структуры в кремниевой пластине под защитой двухуровневой маски (Фиг. 5) и герметизации полостной структуры с обеспечением нужной рабочей атмосферы (Фиг. 8). Эти этапы реализуются при помощи групповых методов планарной микроэлектроники и МЭМС технологий, подразумевающих, что из одной кремниевой пластины изготавливается не одна атомная ячейка, а множество таких ячеек. Поэтому приведенное ниже описание способа содержит ряд специфических терминов, таких как ориентация и базовый срез пластины, нанесение покрытия, осаждение, фотолитография, фотошаблон, фоторезист, маска и травление, которые требуют пояснения.The proposed method for manufacturing cell 1 consists of three stages: forming a two-level mask on the surface of a silicon wafer (Fig. 4), forming a cavity structure in a silicon wafer under the protection of a two-level mask (Fig. 5) and sealing the cavity structure to ensure the desired working atmosphere (Fig. . 8). These stages are implemented using group methods of planar microelectronics and MEMS technologies, which imply that not one atomic cell, but many such cells are made from one silicon wafer. Therefore, the following description of the method contains a number of specific terms, such as wafer orientation and base cut, coating, deposition, photolithography, photomask, photoresist, mask and etching, which require explanation.
Ориентация пластины - это термин, указывающий к какому именно семейству кристаллических граней (mlk) монокристаллического кремниевого слитка принадлежат верхняя и нижняя плоскости пластины (в кристаллографии для обозначения ориентации граней приняты т.н. индексы Миллера). Базовый срез - это специальная метка на пластине, ориентированная вдоль какой-либо грани (mlk), пересекающей поверхность кремниевой пластины в направлении [ml0]. Пример взаимной ориентации некоторых кремниевых граней и их направлений по отношению к верхней плоскости пластины приведен на Фиг. 7б.Wafer orientation is a term that indicates which family of crystalline faces (mlk) of a single-crystalline silicon ingot the upper and lower planes of the wafer belong to (in crystallography, the so-called Miller indices are used to indicate the orientation of the faces). A base cut is a special mark on the wafer, oriented along any edge (mlk) intersecting the surface of the silicon wafer in the direction [ml0]. An example of the relative orientation of some silicon faces and their directions with respect to the upper plane of the wafer is shown in Fig. 7b.
Под нанесением или осаждением покрытия подразумевается процесс создания на поверхности кремниевой пластины сплошного тонкопленочного слоя какого-либо материала, который проводится с помощью стандартного микроэлектронного оборудования. Для достижения технического результата изобретения не является принципиальным какое именно оборудование используется для нанесения покрытий.Coating or deposition refers to the process of creating a continuous thin-film layer of any material on the surface of a silicon wafer, which is carried out using standard microelectronic equipment. To achieve the technical result of the invention, it is not important what kind of equipment is used for applying coatings.
Фотолитография - это стандартный комплекс операций, применяемых в микроэлектронике для формирования на поверхности пластины заданного рисунка из материала нанесенного покрытия. Для этого на поверхность материала наносят слой фоторезиста, т.е. полимера, который при засветке его ультрафиолетовым излучением становится растворимым в специальных реактивах (проявителях). Засветку фоторезиста проводят через фотошаблон, т.е. стеклянную пластину со слоем металла, в котором имеются открытые поля с топологией, соответствующей будущему рисунку на пластине. Фоторезисты подразделяются на позитивные и негативные, а фотолитография - на прямую и взрывную. На Фиг. 3 в качестве примера приведены фрагменты топологии фотошаблонов для прямой фотолитографии с использованием позитивного фоторезиста, которые содержат открытые поля 20, соответствующие рисунку 12 полостной структуры ячейки 1, и которые будут использованы при описании предлагаемого способа. Однако для достижения технического результата изобретения не является принципиальным, какая именно марка фоторезиста и какой тип фотолитографии применяются в предлагаемом способе, как и конкретная спецификация оборудования для фотолитографии. После засветки и проявления фоторезиста, материал нанесенного на пластину покрытия подвергается локальному травлению под защитой незасвеченного фоторезиста, после чего незасвеченный фоторезист удаляется в стандартных для микроэлектроники реагентах (растворителях). Если сформированный таким образом рисунок в нанесенном покрытии используется для дальнейшего травления кремниевой пластины, то такое покрытие называется маской.Photolithography is a standard set of operations used in microelectronics to form a specified pattern from the applied coating material on the surface of a wafer. To do this, a layer of photoresist is applied to the surface of the material, i.e. a polymer that, when illuminated by ultraviolet radiation, becomes soluble in special reagents (developers). The photoresist is illuminated through a photomask, i.e. a glass plate with a layer of metal in which there are open fields with a topology corresponding to the future pattern on the plate. Photoresists are divided into positive and negative, and photolithography is divided into direct and explosive. In FIG. Figure 3 shows, as an example, fragments of the topology of photomasks for direct photolithography using positive photoresist, which contain open fields 20 corresponding to Figure 12 of the cavity structure of cell 1, and which will be used in the description of the proposed method. However, to achieve the technical result of the invention, it is not important which brand of photoresist and what type of photolithography are used in the proposed method, as well as the specific specification of equipment for photolithography. After exposure and development of the photoresist, the coating material applied to the wafer is subjected to local etching under the protection of unexposed photoresist, after which the unexposed photoresist is removed in standard reagents (solvents) for microelectronics. If the pattern formed in this way in the applied coating is used for further etching of the silicon wafer, then such a coating is called a mask.
Под травлением подразумевается локальное удаление материала путем химического растворения в стандартных для микроэлектроники жидких реагентах (травителях), или путем плазменной обработки (ионной, плазмохимической, ионно-плазменной) с помощью стандартного микроэлектронного оборудования. Поэтому далее конкретный тип и параметры травления указываются только в том случае, если от этого зависит достижение технического результата изобретения.By etching is meant the local removal of material by chemical dissolution in liquid reagents (etchants) standard for microelectronics, or by plasma treatment (ionic, plasma-chemical, ion-plasma) using standard microelectronic equipment. Therefore, further the specific type and parameters of etching are indicated only if the achievement of the technical result of the invention depends on this.
Далее в тексте, для краткости, используется выражение «формируют», которое включает в себя всю совокупность операций, принятых в микроэлектронике для очистки поверхности пластины, проведения фотолитографии и травления.Further in the text, for brevity, the expression “form” is used, which includes the entire set of operations adopted in microelectronics for cleaning the wafer surface, performing photolithography and etching.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is carried out as follows.
На первом этапе формируют двухуровневую маску на поверхности кремниевой пластины с ориентацией (100) и базовым срезом [110] (Фиг. 4). Для этого выполняют следующие операции.At the first stage, a two-level mask is formed on the surface of the silicon wafer with orientation (100) and base cut [110] (Fig. 4). To do this, perform the following operations.
На обе плоскости кремниевой пластины 2 наносят покрытие первого уровня 26 из диоксида кремния SiO2, и/или нитрида кремния Si3N4, и/или оксинитрида кремния SiOxNy, т.к. эти материалы обладают химической стойкостью в сильнощелочных растворах, применяемых при последующем формировании каналов. При этом используют только те методы нанесения, которые обеспечивают получение беспористых покрытий, а именно термическое окисление кремния в сухом или влажном кислороде, газофазное или плазмохимическое осаждение. Толщину покрытия 26 выбирают исходя из его стойкости в конкретном щелочном травителе и необходимой глубины каналов. Результатом данной операции является структура 22 (Фиг. 4).A first-level coating 26 of silicon dioxide SiO 2 and/or silicon nitride Si 3 N 4 and/or silicon oxynitride SiO x N y is applied to both planes of the silicon wafer 2. these materials are chemically resistant in highly alkaline solutions used in the subsequent formation of channels. In this case, only those application methods are used that ensure the production of non-porous coatings, namely thermal oxidation of silicon in dry or moist oxygen, gas-phase or plasma-chemical deposition. The thickness of the coating 26 is selected based on its resistance to a particular alkaline etchant and the required depth of the channels. The result of this operation is structure 22 (Fig. 4).
Формируют рисунок первого уровня маски 18 на верхней плоскости кремниевой пластины травлением покрытия первого уровня 26, для чего используют стандартные микроэлектронные технологические процессы травления SiO2, или Si3N4, причем, в случае использования жидкостного травления, покрытие первого уровня на нижней плоскости пластины предварительно защищают слоем фоторезиста. На стадии фотолитографии фотошаблон по отношению к пластине ориентируют так, чтобы каналы на рисунке 18 были параллельны или перпендикулярны базовому срезу пластины. Только при таких ориентациях рисунка первого уровня маски обеспечивается последующее формирование каналов с минимальным сечением и заранее заданной глубиной, а также воспроизводимость их формы по всей площади пластины. Результатом данной операции является структура 23 (Фиг. 4).A pattern of the first level of the mask 18 is formed on the upper plane of the silicon wafer by etching the coating of the first level 26, for which standard microelectronic technological processes of etching SiO 2 or Si 3 N 4 are used, and, in the case of using liquid etching, the first level coating on the lower plane of the wafer is preliminarily protected with a layer of photoresist. At the photolithography stage, the photomask is oriented in relation to the wafer so that the channels in Figure 18 are parallel or perpendicular to the base cut of the wafer. Only with such orientations of the pattern of the first level of the mask is the subsequent formation of channels with a minimum cross-section and a predetermined depth ensured, as well as the reproducibility of their shape over the entire area of the plate. The result of this operation is structure 23 (Fig. 4).
На верхнюю плоскость пластины с маской первого уровня наносят покрытие второго уровня 27 из хрома и/или фоторезиста. При этом для нанесения фоторезиста используют метод центрифугирования, а для нанесения хрома - любой из методов вакуумного распыления металлов, таких, как термическое, магнетронное, ионное или электронно-лучевое распыление. Толщину покрытия второго уровня выбирают так, чтобы обеспечить защиту поверхности пластины при последующем формировании в ней сквозных полостей. В случае формирования полостей методом сверления, для защиты покрытия первого уровня от повреждения образующейся кремниевой крошкой толщина хрома должна составлять не менее 0,5 мкм, но не превышать 1,5 мкм, так как при большей толщине пластина становится хрупкой из-за механических напряжений в покрытии. В случае сквозного ионно-плазменного травления толщину покрытия 27 выбирают исходя из его стойкости при конкретном режиме травления и толщины пластины. В отличие от алюминия, который был использован в прототипе в качестве покрытия второго уровня, ионное перераспыление хрома и фоторезиста приводит к на порядок меньшей шероховатости стенок полостей, чем и обусловлен выбор этих материалов. Результатом данной операции является структура 24 (Фиг. 4).A second level coating 27 of chromium and/or photoresist is applied to the upper plane of the plate with a first-level mask. In this case, to apply photoresist, the centrifugation method is used, and to apply chromium, any of the methods of vacuum sputtering of metals, such as thermal, magnetron, ion or electron beam sputtering, is used. The thickness of the second-level coating is chosen so as to protect the surface of the plate during the subsequent formation of through cavities in it. In the case of forming cavities by drilling, in order to protect the first-level coating from damage by the resulting silicon chips, the chromium thickness should be at least 0.5 microns, but not exceed 1.5 microns, since with a greater thickness the wafer becomes brittle due to mechanical stresses in coating. In the case of through ion-plasma etching, the thickness of the coating 27 is selected based on its resistance under a specific etching mode and the thickness of the plate. Unlike aluminum, which was used in the prototype as a second-level coating, ion sputtering of chromium and photoresist leads to an order of magnitude lower roughness of the cavity walls, which explains the choice of these materials. The result of this operation is structure 24 (Fig. 4).
Формируют рисунок второго уровня маски 19 на верхней плоскости кремниевой пластины травлением покрытия второго уровня 27, для чего используют любой стандартный для микроэлектроники травитель хрома и/или зависящий от марки фоторезиста проявитель. При этом, на стадии фотолитографии фотошаблон с рисунком 19 совмещают с уже сформированным на пластине рисунком первого уровня маски 18. Результатом данной операции является структура 25 (Фиг. 4).A pattern of the second level of the mask 19 is formed on the upper plane of the silicon wafer by etching the coating of the second level 27, for which any chromium etchant standard for microelectronics and/or a developer depending on the brand of photoresist are used. In this case, at the photolithography stage, the photomask with pattern 19 is combined with the pattern of the first level of mask 18 already formed on the plate. The result of this operation is structure 25 (Fig. 4).
На втором этапе выполняют полостную структуру в кремниевой пластине (Фиг. 5). Для этого проводят следующие операции.At the second stage, a cavity structure is created in the silicon wafer (Fig. 5). To do this, carry out the following operations.
Выполняют сквозные полости 32 в кремниевой пластине 2 со стороны верхней ее плоскости 3 под защитой второго уровня маски 19, используя для этого вертикальное ионно-плазменное травление или механическое сверление. При этом, для механического сверления используют станок с ЧПУ, оснащенный поворотным двухкоординатным столиком с системой высокоточного перемещения и высокооборотным шпинделем с трубчатым сверлом, а для ионно-плазменного травления используют любую установку глубокого реактивного ионного травления кремния в смеси фторсодержащего газа с фреоном и/или кислородом, оснащенную опцией Bosch-процесса, и/или крио-травления, и/или травления в смешанном режиме газов. Следует отметить, что сверлением можно выполнить полости только с круглой топологией, а ионно-плазменным травлением - с любой из представленных на Фиг. 2. Результатом данной операции является пластина со структурой 28 (Фиг. 5), содержащей сквозные полости 32, боковые стенки которых не гладкие, а имеют шероховатую поверхность 33, причем средний размер шероховатостей по порядку величины может составлять, в зависимости от используемого метода, от 100 нм (в случае Bosch-процесса) до 10 мкм (в случае механического сверления). Выбор данных методов обусловлен высокоанизотропным характером обработки кремния, т.е. их способностью формировать полости с вертикальными стенками, что позволяет изготавливать наиболее компактные в горизонтальной плоскости атомные ячейки.Through cavities 32 are made in the silicon wafer 2 from the side of its upper plane 3 under the protection of the second level of the mask 19, using vertical ion-plasma etching or mechanical drilling. At the same time, for mechanical drilling, a CNC machine is used, equipped with a rotary two-coordinate table with a high-precision movement system and a high-speed spindle with a tubular drill, and for ion-plasma etching, any installation for deep reactive ion etching of silicon in a mixture of fluorine-containing gas with freon and/or oxygen is used , equipped with the option of Bosch process and/or cryo-etching and/or mixed gas mode etching. It should be noted that drilling can only produce cavities with a circular topology, and ion plasma etching can produce cavities with any of those shown in Fig. 2. The result of this operation is a plate with a structure 28 (Fig. 5), containing through cavities 32, the side walls of which are not smooth, but have a rough surface 33, and the average size of the roughness in order of magnitude can be, depending on the method used, from 100 nm (in case of Bosch process) to 10 µm (in case of mechanical drilling). The choice of these methods is due to the highly anisotropic nature of silicon processing, i.e. their ability to form cavities with vertical walls, which makes it possible to produce the most compact atomic cells in the horizontal plane.
Удаляют маску второго уровня 19 жидкостным травлением покрытия второго уровня 27, для чего используют любой стандартный для микроэлектроники травитель хрома и/или зависящий от марки фоторезиста растворитель. При этом, в случае выполнения сквозных полостей механическим сверлением, перед удалением маски второго уровня проводят предварительную ультразвуковую очистку пластины в водно-спиртовых растворах. Использование жидкостного травления для удаления маски является единственно возможным, т.к. только в этом случае вместе с материалом покрытия с поверхности пластины удаляются нерастворимые загрязнения, образовавшиеся в процессе формирования полостей, такие как полимеры от плазменных реакций или механические частицы от сверления. Результатом данной операции является структура 29 (Фиг. 5).The second level mask 19 is removed by liquid etching of the second level coating 27, for which any chromium etchant standard for microelectronics and/or a solvent depending on the brand of photoresist is used. In this case, in the case of making through cavities by mechanical drilling, before removing the second-level mask, preliminary ultrasonic cleaning of the plate is carried out in aqueous-alcohol solutions. The use of liquid etching to remove the mask is the only possible option, because... only in this case, along with the coating material, insoluble contaminants formed during the formation of cavities, such as polymers from plasma reactions or mechanical particles from drilling, are removed from the surface of the plate. The result of this operation is structure 29 (Fig. 5).
Выполняют каналы со стороны верхней плоскости 3 кремниевой пластины 2 под защитой первого уровня маски 18 и одновременно с этим уменьшают шероховатость поверхности 33 стенок выполненных полостей 32, используя для этого анизотропное щелочное травление кремния в растворах на основе гидроокисей органических или неорганических щелочей при весовых концентрациях 15 - 50 % и температурах 60 - 90 °С (диапазон концентраций ограничен снизу отсутствием полирующего действия травителя, а сверху - незначительными скоростями растворения кремния; диапазон температур ограничен снизу незначительными скоростями растворения кремния, а сверху - быстрым изменением состава травителя в результате выкипания жидкостей). Выбранный способ обеспечивает высокую воспроизводимость формы каналов, что связано с анизотропией химических свойств кремния, а именно с тем, что разные грани монокристаллического кремния имеют существенно различные скорости растворения в щелочных гидроксидах - большую для граней (100) и практически нулевую для граней (111) (угол между этими гранями составляет 54,7°). Поэтому, при правильной ориентации рисунка маски 18 на пластине, независимо от выбранного состава щелочного травителя и удаленности полостной структуры от центра пластины, поперечное сечение каналов по окончании травления всегда имеет одну и ту же форму равнобедренного треугольника (Фиг. 6), а их глубина h и площадь поперечного сечения S определяются только шириной каналов w и составляют: h = 0,7w, S = 0,35w 2. Для выполнения каналов с такой формой используют кремниевые пластины с ориентацией поверхности (100), маску 18 располагают так, чтобы каналы были ориентированы вдоль направления [110], а щелочное травление проводят в течение времени, необходимого для полного смыкания кремниевых граней (111) на дне каналов 34. При той же ширине каналов, что и в прототипе, выбранный способ обеспечивает выполнение каналов с меньшей в 15 раз площадью поперечного сечения, что кратно увеличивает их фильтрующую способность по отношению к перегретому потоку атомов щелочного металла ячейки.Channels are made from the side of the upper plane 3 of the silicon wafer 2 under the protection of the first level of the mask 18 and at the same time the roughness of the surface 33 of the walls of the cavities 32 is reduced, using for this purpose anisotropic alkaline etching of silicon in solutions based on hydroxides of organic or inorganic alkalis at weight concentrations of 15 - 50%. The chosen method ensures high reproducibility of the shape of the channels, which is associated with the anisotropy of the chemical properties of silicon, namely, with the fact that different faces of single-crystalline silicon have significantly different dissolution rates in alkaline hydroxides - large for the (100) faces and practically zero for the (111) faces ( the angle between these faces is 54.7°). Therefore, with the correct orientation of the mask pattern 18 on the wafer, regardless of the selected composition of the alkaline etchant and the distance of the cavity structure from the center of the wafer, the cross-section of the channels at the end of etching always has the same shape of an isosceles triangle (Fig. 6), and their depth h and cross-sectional area S are determined only by the width of the channels w and are: h = 0.7 w , S = 0.35 w 2 . To make channels with this shape, silicon wafers with surface orientation (100) are used, mask 18 is positioned so that the channels are oriented along the [110] direction, and alkaline etching is carried out for the time required for complete closure of the silicon faces (111) at the bottom 34 channels. With the same channel width as in the prototype, the chosen method ensures the implementation of channels with a cross-sectional area 15 times smaller, which multiplies their filtering ability with respect to the superheated flow of alkali metal atoms of the cell.
В то же время выбранный способ обеспечивает эффективное сглаживание шероховатостей на стенках выполненных полостей, т.к. шероховатая поверхность кремния представляет собой набор кристаллических граней с высокими индексами Миллера ((221), (331), (441), (771) и т.д.), которые в щелочных травителях растворяются с еще большими скоростями, чем поверхность (100). Полирующая способность органических гидроокисей, таких как гидроксид тетраметиламмония (ТМАН), существенно выше, чем у гидроксида калия (КОН) и других неорганических гидроокисей. Поэтому, в случае полостей с высокой шероховатостью стенок, выполненных механическим сверлением, для формирования каналов используют растворы ТМАН.At the same time, the chosen method ensures effective smoothing of roughness on the walls of the cavities, because the rough silicon surface is a set of crystalline faces with high Miller indices ((221), (331), (441), (771), etc.), which dissolve in alkaline etchants at even higher rates than the (100) surface . The polishing power of organic hydroxides, such as tetramethylammonium hydroxide (TMAN), is significantly higher than that of potassium hydroxide (KOH) and other inorganic hydroxides. Therefore, in the case of cavities with high wall roughness made by mechanical drilling, TMAN solutions are used to form channels.
Однако те же обстоятельства являются причиной сильного растрава кремния под внешними углами 21 маски 18, т.е. в тех областях, где каналы соединяются с полостями (Фиг. 7). В результате, при формировании канала глубиной h, его первоначальная длина, заданная топологией фотошаблона первого уровня маски, с каждой стороны сокращается на величину l, которая зависит от состава щелочного травителя и может быть определена только экспериментально (Фиг. 7а). Это накладывает ограничение на минимально допустимую длину каналов, которая, в зависимости от ширины канала w и параметров щелочного травления, составляет 1,4U⋅w, где U - безразмерный технологический параметр, определяемый как l t /h t , где h t - глубина канала при травлении в течение заданного времени t, а l t - сокращение длины канала за то же время, при этом h t < h (Фиг. 7б). В Таблице 1 приведены экспериментальные значения параметра U для наиболее распространенных травителей при 80 °С (его изменение с температурой незначительно, так как он определяется ориентацией кремниевых граней с максимальной скоростью растворения в том или ином травителе). Установлено, что наименьшее сокращение длины канала обеспечивает раствор «1 об.ч. 30%-ного КОН : 1 об.ч. изопропилового спирта (ИЗП)», для которого U = 1,3, наибольшее - 15%-ный водный раствор ТМАН, для которого U = 4,2. Приведенные значения учитывают при проектировании длины каналов в топологии первого уровня маски. Для достижения заявленного технического результата необходимо, чтобы длина канала была больше 1,4U⋅w, иначе поперечное сечение в центре канала не будет соответствовать форме, показанной на Фиг. 6. Результатом проведенной операции анизотропного щелочного травления является структура 30 (Фиг. 5).However, the same circumstances cause strong silicon etching at the outer corners 21 of the mask 18, i.e. in those areas where the channels connect to the cavities (Fig. 7). As a result, when a channel of depth h is formed, its initial length, specified by the topology of the photomask of the first level of the mask, is reduced on each side by an amount l , which depends on the composition of the alkaline etchant and can only be determined experimentally (Fig. 7a). This imposes a limitation on the minimum permissible channel length, which, depending on the channel width w and alkaline etching parameters, is 1.4 U⋅w , where U is a dimensionless technological parameter defined as l t / h t , where h t is the depth channel during etching for a given time t , and l t is the reduction in channel length over the same time, with h t < h (Fig. 7b). Table 1 shows the experimental values of the parameter U for the most common etchants at 80 °C (its change with temperature is insignificant, since it is determined by the orientation of the silicon faces with the maximum dissolution rate in a particular etchant). It has been established that the smallest reduction in channel length is provided by a solution of “1 volume part. 30% KOH: 1 volume. isopropyl alcohol (IPA)", for which U = 1.3, the highest is a 15% aqueous solution of TMAN, for which U = 4.2. The given values are taken into account when designing the length of channels in the topology of the first level of the mask. To achieve the stated technical result, it is necessary that the channel length be greater than 1.4 U⋅w , otherwise the cross section at the center of the channel will not correspond to the shape shown in Fig. 6. The result of the anisotropic alkaline etching operation is structure 30 (Fig. 5).
Далее, удаляют жидкостным травлением покрытие первого уровня 26 с обеих плоскостей кремниевой пластины, для чего используют любой стандартный для микроэлектроники травитель SiO2 и/или Si3N4. Выбор способа определен тем, что только жидкостное травление позволяет удалить покрытие 26 с полированной кремниевой пластины, не повреждая ее поверхность, что является важным для последующего присоединения дна и крышки ячейки к обеим плоскостям пластины.Next, the first level coating 26 is removed by liquid etching from both planes of the silicon wafer, for which any standard SiO 2 and/or Si 3 N 4 etchant is used for microelectronics. The choice of method is determined by the fact that only liquid etching allows you to remove the coating 26 from a polished silicon wafer without damaging its surface, which is important for the subsequent attachment of the bottom and lid of the cell to both planes of the wafer.
Результатом выполненной последовательности операций является кремниевая пластина с полостными структурами 31 (Фиг. 5), содержащими вертикальные сквозные полости с гладкими стенками и гораздо более тонкие, чем в прототипе, каналы, причем воспроизводимость их внутренних размеров по площади пластины обеспечена выбранными методами для раздельного формирования полостей и каналов.The result of the performed sequence of operations is a silicon wafer with cavity structures 31 (Fig. 5), containing vertical through cavities with smooth walls and much thinner channels than in the prototype, and the reproducibility of their internal dimensions over the wafer area is ensured by the selected methods for the separate formation of cavities and channels.
На третьем этапе, выполняют герметизацию полостной структуры с обеспечением нужной рабочей атмосферы (Фиг. 8). Для этого проводят следующие операции, по своей сути аналогичные используемым в прототипе.At the third stage, the cavity structure is sealed to ensure the required working atmosphere (Fig. 8). To do this, carry out the following operations, which are essentially similar to those used in the prototype.
Соединяют нижнюю плоскость кремниевой пластины 2 с дном 4 методом анодной сварки, либо иным способом, выбираемым из таких методов, как соединение через эвтектические сплавы или легкоплавкие стекла, соединение методом термодиффузии металлов, пайка металлическими припоями, лазерная сварка, склейка органическим связующим, соединение методом оптического контакта или прямое гидрофильное сращивание. Выбор конкретного метода соединения не оказывает прямого влияния на заявленный технический результат при условии обеспечения им неразрывного герметичного соединения пластин и отсутствия газовыделения, необратимо изменяющего рабочую атмосферу внутри ячейки. С этой точки зрения предпочтение отдают методу анодной сварки кремния с боросиликатными или алюмосиликатными стеклами, как в прототипе. Результатом проведенной операции является заготовка 35 (Фиг. 8).The bottom plane of the silicon wafer 2 is connected to the bottom 4 by anodic welding, or by another method selected from such methods as connection through eutectic alloys or fusible glass, connection by thermal diffusion of metals, soldering with metal solders, laser welding, gluing with an organic binder, connection by optical contact or direct hydrophilic splicing. The choice of a specific connection method does not have a direct impact on the stated technical result, provided that it ensures an inextricably sealed connection of the plates and the absence of gas evolution, which irreversibly changes the working atmosphere inside the cell. From this point of view, preference is given to the method of anodic welding of silicon with borosilicate or aluminosilicate glasses, as in the prototype. The result of the operation is a workpiece 35 (Fig. 8).
Размещают в заготовку 38 источник щелочного металла 8, выполненный в виде таблетки, содержащей в чистом виде один или несколько металлов, таких как Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Fe, Cr, Mo, W, Sc, Y, La, Ce, Mg, Ca, Sr, Ba, а также хромат и/или бихромат цезия, или рубидия, или калия. (При этом, в зависимости от технологических режимов метода, выбранного для последующей герметизации ячейки, на дно и стенки полостей заготовки 35, а также на крышку 5, предварительно наносят или не наносят антирелаксационное покрытие из алканов, или алкенов, или полиэтиленов, или органосиланов.)A source of alkali metal 8 is placed in the workpiece 38, made in the form of a tablet containing in pure form one or more metals, such as Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Fe, Cr, Mo, W, Sc, Y, La , Ce, Mg, Ca, Sr, Ba, as well as cesium, or rubidium, or potassium chromate and/or dichromate. (In this case, depending on the technological modes of the method chosen for subsequent sealing of the cell, an anti-relaxation coating of alkanes, or alkenes, or polyethylenes, or organosilanes is pre-applied or not applied to the bottom and walls of the cavities of the workpiece 35, as well as to the lid 5. )
Проводят герметизацию ячейки соединением верхней плоскости 3 пластины 2 с крышкой 5 в атмосфере буферного газа, состоящего из одного или нескольких газов, таких как He, Ne, Ar, Kr, Xe, или в вакууме, используя для этого один из методов, перечисленных выше при описании соединения кремниевой пластины с дном. Результатом проведенной операции является ячейка с герметичной полостной структурой 36 (Фиг. 8), заполненной буферным газом или вакуумом.The cell is sealed by connecting the upper plane 3 of the plate 2 with the lid 5 in an atmosphere of a buffer gas consisting of one or more gases, such as He, Ne, Ar, Kr, Xe, or in a vacuum, using one of the methods listed above for describing the connection between the silicon wafer and the bottom. The result of the operation is a cell with a sealed cavity structure 36 (Fig. 8), filled with a buffer gas or vacuum.
Проводят локальный нагрев источника щелочного металла согласно схеме 37 (Фиг. 8) при помощи сфокусированного луча лазера 38, контролируя интенсивность лазерного воздействия по визуальному появлению жидких капель щелочного металла в камере 7 и их отсутствию в камере 6. По сравнению с прототипом, необходимые для этого мощность и длительность лазерного излучения могут варьироваться в более широких пределах ввиду меньшего по площади сечения каналов полостной структуры ячейки, изготовленной по предлагаемому способу. Благодаря этому, и при условии, что каналы имеют длину, много большую, чем 1,4U⋅w, где w - их ширина, а технологический параметр U = 1,3 - 4,2, горячий поток атомов 39 от источника остывает до достижения камеры 6 вне зависимости от величины давления в ячейке и интенсивности лазерного нагрева. В результате оптическая камера 6 ячейки 1 непосредственно после проведения данной процедуры содержит атомы щелочного металла 40, находящиеся при комнатной температуре только в газовой фазе.Local heating of the alkali metal source is carried out according to scheme 37 (Fig. 8) using a focused laser beam 38, controlling the intensity of the laser effect by the visual appearance of liquid drops of alkali metal in chamber 7 and their absence in chamber 6. Compared with the prototype, the required for this The power and duration of laser radiation can vary within wider limits due to the smaller cross-sectional area of the channels of the cavity structure of the cell manufactured using the proposed method. Due to this, and provided that the channels have a length much greater than 1.4 U⋅w , where w is their width, and the technological parameter U = 1.3 - 4.2, the hot flow of atoms 39 from the source cools down to reaching chamber 6 regardless of the pressure in the cell and the intensity of laser heating. As a result, the optical chamber 6 of cell 1 immediately after this procedure contains alkali metal atoms 40, which are at room temperature only in the gas phase.
Ниже приведены конкретные примеры использования предлагаемого способа.Below are specific examples of using the proposed method.
Пример 1.Example 1.
Круглую полированную кремниевую пластину толщиной 1,5 мм и диаметром 100 мм, имеющую ориентацию (100) и базовый срез в направлении [110], подвергают термическому окислению в сухом кислороде при 1200 °С до образования слоя диоксида кремния SiO2 толщиной 50 нм, затем на обе ее плоскости наносят слой нитрида кремния Si3N4 толщиной 100 нм, для чего используют газофазное осаждение по реакции взаимодействия моносилана и аммиака при 1050 °С. Наносят на верхнюю плоскость пластины слой фоторезиста ma-P 1275 толщиной 7 мкм и проводят по нему фотолитографию фотошаблоном с массивом прямоугольных чипов с топологией 18 (Фиг. 3), содержащей открытые поля 20 в виде двух окружностей диаметром 3 и 1,2 мм, как в прототипе, и соединенные прямыми каналами шириной 20 мкм и длиной 300 мкм, при этом фотошаблон ориентируют по базовому срезу пластины. Проводят плазмохимическое травление нитрида и оксида кремния в эле газе SF6, затем удаляют фоторезист в смеси диметилформамида и моноэтаноламина и проводят очистку пластины в перекисно-аммиачном растворе. Наносят на верхнюю плоскость пластины фоторезист AZ 9260 толщиной 30 мкм и проводят по нему фотолитографию фотошаблоном с топологией 19 (Фиг. 3), содержащей открытые поля 20 в виде двух аналогичных окружностей, при этом фотошаблон ориентируют по ранее сформированному на пластине рисунку маски из SiO2/Si3N4. Выполняют сквозные отверстия в кремниевой пластине вертикальным ионно-плазменным травлением в режиме Bosch-процесса со стороны верхней ее плоскости с маской из фоторезиста AZ 9260, для чего используют установку PlasmaPro 100 Estrelas с программной регулировкой параметров Bosch-процесса и автоматической остановкой травления, осуществляемой ее встроенным программным обеспечением. Удаляют фоторезист и проводят очистку пластины, как ранее. Выполняют каналы со стороны верхней плоскости кремниевой пластины под защитой маски из SiO2/Si3N4 обработкой пластины в щелочном травителе «1 об.ч. 30% р-ра КОН/вода : 1 об.ч. изопропилового спирта» при температуре 80 °С в течение 15 минут. Удаляют покрытие SiO2/Si3N4 кипячением в ортофосфорной кислоте с последующей обработкой в буферном травителе диоксида кремния (8,3%HF : 33%NH4F : H2O) при комнатной температуре. Проводят пятиминутную обработку кремниевой пластины с выполненными полостными структурами, а также двух плоских круглых стеклянных пластин из боросиликатного стекла ЛК5, в растворе Каро (5 об.ч. H2SO4 : 2 об.ч. H2O2) при 100 °С для подготовки их поверхностей к соединению. Проводят анодную сварку нижней плоскости кремниевой пластины с поверхностью первой стеклянной пластины при температуре 450 °С и положительном напряжении 800 вольт, приложенном к кремниевой пластине. Локально наносят антирелаксационное покрытие октадецилтрихлосилана (OTS) на дно и стенки оптической камеры 6 в сформированной заготовке «стекло-кремний» и поверхность второй стеклянной пластины, используя для этого накладную маску с отверстиями диаметром 3 мм и пульверизатор с 0,1%-ным раствором OTS в толуоле. Помещают в камеру 7 титановую таблетку, содержащую 7% бихромата цезия-133, используя для этого накладную маску с отверстиями диаметром 1,2 мм. Проводят анодную сварку верхней плоскости кремниевой пластины с поверхностью второй стеклянной пластины в вакууме при 250 °С и напряжении 1500 вольт, для чего используют установку AML AWB 04, обеспечивающую совмещение пластин при зазоре между ними во время откачки и нагрева и последующее их сжатие во время сварки. Проводят локальный нагрев титановой таблетки непрерывным лазером с длиной волны 850 нм и предельной мощностью 1 Вт. Пластину «стекло-кремний-стекло» диаметром 100 мм разрезают на отдельные ячейки методом алмазной дисковой резки. По сравнению с прототипом, ввиду более тонких и коротких каналов, выполненных в данном примере, энергопотребление такой ячейки снижается за счет ее меньших габаритов, а фактор качества резонансного сигнала увеличивается за счет сужения ширины резонансной линии из-за использования вместо буферного газа антирелаксационного покрытия.A round polished silicon wafer with a thickness of 1.5 mm and a diameter of 100 mm, having a (100) orientation and a base cut in the [110] direction, is subjected to thermal oxidation in dry oxygen at 1200 °C until a layer of silicon dioxide SiO 2 50 nm thick is formed, then a layer of silicon nitride Si 3 N 4 with a thickness of 100 nm is applied to both of its planes, for which gas-phase deposition is used by the reaction of monosilane and ammonia at 1050 ° C. A layer of ma-P 1275 photoresist 7 μm thick is applied to the upper plane of the wafer and photolithography is carried out on it using a photomask with an array of rectangular chips with topology 18 (Fig. 3), containing open fields 20 in the form of two circles with a diameter of 3 and 1.2 mm, as in the prototype, and connected by straight channels 20 μm wide and 300 μm long, while the photomask is oriented along the base cut of the plate. Plasma-chemical etching of silicon nitride and oxide is carried out in SF 6 ale gas, then the photoresist is removed in a mixture of dimethylformamide and monoethanolamine and the wafer is cleaned in an ammonia peroxide solution. Photoresist AZ 9260 with a thickness of 30 μm is applied to the upper plane of the wafer and photolithography is carried out on it with a photomask with topology 19 (Fig. 3), containing open fields 20 in the form of two similar circles, while the photomask is oriented according to the SiO 2 mask pattern previously formed on the wafer /Si 3 N 4 . Through holes are made in a silicon wafer by vertical ion-plasma etching in the Bosch process mode from the side of its upper plane with a mask of AZ 9260 photoresist, for which they use a PlasmaPro 100 Estrelas installation with software adjustment of Bosch process parameters and automatic stoppage of etching carried out by its built-in software. Remove the photoresist and clean the wafer as before. Channels are made from the side of the upper plane of the silicon wafer under the protection of a mask of SiO 2 /Si 3 N 4 by treating the wafer in an alkaline etchant “1 vol.h. 30% KOH/water solution: 1 volume part. isopropyl alcohol" at a temperature of 80 ° C for 15 minutes. The SiO 2 /Si 3 N 4 coating is removed by boiling in orthophosphoric acid, followed by treatment in a buffer etchant of silicon dioxide (8.3% HF: 33% NH 4 F: H 2 O) at room temperature. A five-minute treatment of a silicon wafer with cavity structures, as well as two flat round glass plates made of borosilicate glass LK5, is carried out in Caro solution (5 parts by volume H 2 SO 4 : 2 parts by volume H 2 O 2 ) at 100 °C to prepare their surfaces for joining. Anodic welding is carried out on the bottom plane of the silicon wafer with the surface of the first glass wafer at a temperature of 450 °C and a positive voltage of 800 volts applied to the silicon wafer. An anti-relaxation coating of octadecyltrichlorosilane (OTS) is applied locally to the bottom and walls of the optical chamber 6 in the formed glass-silicon preform and the surface of the second glass plate, using an overhead mask with holes 3 mm in diameter and a spray bottle with a 0.1% OTS solution. in toluene. A titanium tablet containing 7% cesium-133 dichromate is placed in chamber 7, using an overhead mask with holes with a diameter of 1.2 mm. Anodic welding of the upper plane of the silicon wafer with the surface of the second glass wafer is carried out in a vacuum at 250 °C and a voltage of 1500 volts, for which an AML AWB 04 installation is used, which ensures alignment of the plates with a gap between them during pumping and heating and their subsequent compression during welding . Local heating of a titanium tablet is carried out using a continuous laser with a wavelength of 850 nm and a maximum power of 1 W. A glass-silicon-glass wafer with a diameter of 100 mm is cut into individual cells using a diamond disk cutting method. Compared to the prototype, due to the thinner and shorter channels made in this example, the power consumption of such a cell is reduced due to its smaller dimensions, and the quality factor of the resonant signal increases due to the narrowing of the resonance line width due to the use of an anti-relaxation coating instead of a buffer gas.
Пример 2.Example 2.
Круглую полированную кремниевую пластину толщиной 3 мм и диаметром 100 мм, имеющую ориентацию (100) и базовый срез в направлении [110], подвергают термическому окислению в сухом кислороде при 1200 °С до образования на обеих ее поверхностях слоя диоксида кремния SiO2 толщиной 300 нм. Наносят на верхнюю плоскость пластины слой фоторезиста 9120 толщиной 1 мкм и проводят по нему фотолитографию фотошаблоном с массивом прямоугольных чипов с топологией 13 (Фиг. 2), содержащей открытые поля в виде двух окружностей диаметром 3,2 и 2,2 мм, разделенные расстоянием 0,6 мм и соединенные изогнутыми под прямым углом каналами, шириной 100 мкм и длиной 3 мм, при этом фотошаблон ориентируют по базовому срезу пластины. Защищают нижнюю плоскость пластины таким же слоем фоторезиста 9120. Проводят жидкостное травление диоксида кремния в буферном травителе (8,3%HF : 33%NH4F : H2O) при комнатной температуре, затем удаляют фоторезист в смеси диметилформамида и моноэтаноламина и проводят очистку пластины в перекисно-аммиачном растворе. Наносят на верхнюю плоскость пластины хром толщиной 1 мкм методом магнетронного напыления в среде аргона. Наносят на поверхность хрома слой негативного фоторезиста SU-8 толщиной 10 мкм и проводят по нему фотолитографию фотошаблоном с топологией 19 (Фиг. 3), содержащей закрытые поля в виде двух окружностей меньшего диаметра (3 и 2 мм), при этом фотошаблон ориентируют так, чтобы центры этих окружностей совпадали с центрами ранее сформированных окружностей в рисунке маски из SiO2. Проводят жидкостное травление хрома в цериевом травителе хрома (10% Ce(SO4)2 : 10% HNO3 : 1% H2SO4 : H2O) при комнатной температуре. Приклеивают кремниевую пластину нижней плоскостью к жертвенной подложке при помощи парафина, жертвенную пластину закрепляют на плоском двухкоординатном столике станка с ЧПУ. Выполняют просверливание трех- и двухмиллиметровых отверстий в кремниевой пластине со стороны верхней ее плоскости трубчатыми сверлами с гальванически закрепленным алмазным абразивом фракции 5/3 при 10000 об./мин, при этом позиционирование осуществляют по центрам отверстий в рисунке маски, а для предотвращения перегрева пластины и выноса продуктов обработки из зоны реза используют смазочно-охлаждающую жидкость. Отделяют кремниевую пластину от жертвенной подложки растворением парафина в бензине и очищают ее от кремниевой крошки в ультразвуковой ванне с азеотропным раствором изопропилового спирта в воде, после чего удаляют маску последовательной обработкой пластины в растворителе фоторезиста SU-8 и цериевом травителе хрома, а также проводят финальную очистку кипячением в растворе Каро. Выполняют каналы со стороны верхней плоскости кремниевой пластины под защитой маски из SiO2 обработкой пластины в 15%-ном растворе ТМАН при температуре 80 °С в течение 110 минут. Удаляют покрытие SiO2 в буферном травителе (8,3%HF : 33%NH4F : H2O) при комнатной температуре. Аналогично примеру 1 проводят подготовку поверхностей кремниевой и стеклянных пластин, анодную сварку нижней плоскости кремниевой пластины с первой стеклянной пластиной и размещение в малой полости титановой таблетки с бихроматом цезия-133 (нанесение антирелаксационного покрытия не проводят). Проводят анодную сварку верхней плоскости кремниевой пластины с поверхностью второй стеклянной пластины в атмосфере неона при давлении 200 мм.рт.ст., температуре 350 °С и напряжении 400 вольт, для чего используют указанное в примере 1 оборудование. Аналогично примеру 1 проводят локальный нагрев титановой таблетки одноваттным лазером с длиной волны 850 нм и разрезают пластину «стекло-кремний-стекло» на отдельные ячейки. Выполненные таким образом ячейки, при сравнимых с прототипом горизонтальных размерах, имеют вдвое большие высоту и объем оптической камеры, что увеличивает фактор качества резонансного сигнала за счет повышения отношения сигнал/шум и снижает энергопотребление за счет более низкой рабочей температуры.A round polished silicon wafer with a thickness of 3 mm and a diameter of 100 mm, having a (100) orientation and a base cut in the [110] direction, is subjected to thermal oxidation in dry oxygen at 1200 °C until a layer of silicon dioxide SiO 2 with a thickness of 300 nm is formed on both its surfaces . A layer of photoresist 9120 1 μm thick is applied to the upper plane of the wafer and photolithography is carried out on it using a photomask with an array of rectangular chips with topology 13 (Fig. 2), containing open fields in the form of two circles with a diameter of 3.2 and 2.2 mm, separated by a distance of 0 .6 mm and connected by channels bent at a right angle, 100 μm wide and 3 mm long, while the photomask is oriented along the base cut of the plate. Protect the bottom plane of the wafer with the same layer of photoresist 9120. Liquid etching of silicon dioxide is carried out in a buffer etchant (8.3% HF : 33% NH 4 F : H 2 O) at room temperature, then the photoresist is removed in a mixture of dimethylformamide and monoethanolamine and cleaned plates in ammonia peroxide solution. Chromium with a thickness of 1 micron is applied to the upper plane of the plate using magnetron sputtering in an argon environment. A layer of negative SU-8 photoresist 10 μm thick is applied to the chromium surface and photolithography is carried out on it using a photomask with topology 19 (Fig. 3), containing closed fields in the form of two circles of smaller diameter (3 and 2 mm), while the photomask is oriented so so that the centers of these circles coincide with the centers of the previously formed circles in the SiO 2 mask pattern. Liquid etching of chromium is carried out in a cerium chromium etchant (10% Ce(SO 4 ) 2 : 10% HNO 3 : 1% H 2 SO 4 : H 2 O) at room temperature. The silicon wafer is glued with its bottom plane to the sacrificial substrate using paraffin, and the sacrificial wafer is fixed on a flat two-axis table of a CNC machine. Three- and two-millimeter holes are drilled in the silicon wafer from the side of its upper plane using tubular drills with galvanically fixed diamond abrasive of fraction 5/3 at 10,000 rpm, while positioning is carried out along the centers of the holes in the mask pattern, and to prevent overheating of the wafer and To remove processing products from the cutting zone, a cutting fluid is used. The silicon wafer is separated from the sacrificial substrate by dissolving paraffin in gasoline and cleaned of silicon chips in an ultrasonic bath with an azeotropic solution of isopropyl alcohol in water, after which the mask is removed by sequentially treating the wafer in SU-8 photoresist solvent and chromium cerium etchant, and final cleaning is carried out. boiling in Caro solution. Channels are made from the side of the upper plane of the silicon wafer under the protection of a SiO 2 mask by treating the wafer in a 15% TMAN solution at a temperature of 80 °C for 110 minutes. Remove the SiO 2 coating in a buffer etchant (8.3%HF:33% NH4F : H2O ) at room temperature. Similar to example 1, the surfaces of silicon and glass wafers are prepared, anodic welding of the lower plane of the silicon wafer with the first glass wafer is carried out, and a titanium tablet with cesium-133 dichromate is placed in a small cavity (anti-relaxation coating is not applied). Anodic welding of the upper plane of the silicon wafer with the surface of the second glass wafer is carried out in a neon atmosphere at a pressure of 200 mmHg, a temperature of 350 °C and a voltage of 400 volts, for which the equipment specified in example 1 is used. Similar to example 1, local heating of a titanium tablet is carried out with a one-watt laser with a wavelength of 850 nm and the glass-silicon-glass plate is cut into individual cells. Cells made in this way, with horizontal dimensions comparable to the prototype, have twice the height and volume of the optical chamber, which increases the quality factor of the resonant signal by increasing the signal-to-noise ratio and reduces power consumption due to lower operating temperature.
Реализация предлагаемого способа не ограничивается приведенными примерами, однако они наглядно демонстрируют достижимость заявленного технического результата.The implementation of the proposed method is not limited to the examples given, however, they clearly demonstrate the achievability of the stated technical result.
Claims (14)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819863C1 true RU2819863C1 (en) | 2024-05-28 |
Family
ID=
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6320472B1 (en) * | 1999-01-26 | 2001-11-20 | Kernco, Inc. | Atomic frequency standard |
| US6806784B2 (en) * | 2001-07-09 | 2004-10-19 | The National Institute Of Standards And Technology | Miniature frequency standard based on all-optical excitation and a micro-machined containment vessel |
| US20050007118A1 (en) * | 2003-04-09 | 2005-01-13 | John Kitching | Micromachined alkali-atom vapor cells and method of fabrication |
| JP2010245805A (en) * | 2009-04-06 | 2010-10-28 | Seiko Epson Corp | Buffer gas mixing ratio setting method, frequency adjusting method of atomic oscillator, and atomic oscillator |
| RU2511282C1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of making micro-electromechanical structures and apparatus for realising said method |
| US20140139294A1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-22 | Ricoh Company, Ltd. | Alkali metal cell, atomic oscillator, and alkali metal cell fabricating method |
| US20150277386A1 (en) * | 2012-10-12 | 2015-10-01 | Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs | Alkali-Metal Vapour Cell, Especially for an Atomic Clock, and Manufacturing Process |
| US9864340B2 (en) * | 2014-10-17 | 2018-01-09 | Thales | Caesium atomic micro-clock microcell buffer gas mixture |
| RU2757169C1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-10-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method for manufacturing sensitive elements of mems sensors |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6320472B1 (en) * | 1999-01-26 | 2001-11-20 | Kernco, Inc. | Atomic frequency standard |
| US6806784B2 (en) * | 2001-07-09 | 2004-10-19 | The National Institute Of Standards And Technology | Miniature frequency standard based on all-optical excitation and a micro-machined containment vessel |
| US20050007118A1 (en) * | 2003-04-09 | 2005-01-13 | John Kitching | Micromachined alkali-atom vapor cells and method of fabrication |
| JP2010245805A (en) * | 2009-04-06 | 2010-10-28 | Seiko Epson Corp | Buffer gas mixing ratio setting method, frequency adjusting method of atomic oscillator, and atomic oscillator |
| US20150277386A1 (en) * | 2012-10-12 | 2015-10-01 | Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs | Alkali-Metal Vapour Cell, Especially for an Atomic Clock, and Manufacturing Process |
| RU2511282C1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method of making micro-electromechanical structures and apparatus for realising said method |
| US20140139294A1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-22 | Ricoh Company, Ltd. | Alkali metal cell, atomic oscillator, and alkali metal cell fabricating method |
| US9864340B2 (en) * | 2014-10-17 | 2018-01-09 | Thales | Caesium atomic micro-clock microcell buffer gas mixture |
| RU2757169C1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-10-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method for manufacturing sensitive elements of mems sensors |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kazakin A. et al. Fabrication of Cesium Vapor Cells for Chip-Scale Atomic Clock Based on Coherent Population Trapping // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). - IEEE, 2022. - С. 268-271. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6315423B1 (en) | Micro machined mirror | |
| US5804314A (en) | Silicon microstructures and process for their fabrication | |
| US7396741B2 (en) | Method for connecting substrate and composite element | |
| US8585220B2 (en) | Optical element and method of producing same | |
| JP2006072364A (en) | Improvement in surface formation of metal fluoride excimer optical element | |
| Ahamed et al. | Study of high aspect ratio NLD plasma etching and postprocessing of fused silica and borosilicate glass | |
| US6821901B2 (en) | Method of through-etching substrate | |
| JP2020531921A (en) | Single crystal diamond diffractive optical element and method for manufacturing the single crystal diamond diffractive optical element. | |
| Golovanov et al. | Diamond microstructuring by deep anisotropic reactive ion etching | |
| JP3347203B2 (en) | Method for forming microcavities and microdevice having microcavities | |
| RU2819863C1 (en) | Method of making small-size atomic cell with alkali metal vapours | |
| Shi et al. | Ultrafast laser in fabrication of micro hemispherical resonators with quality factor over millions | |
| JP2011523466A (en) | Fabrication of thin pellicle beam splitter | |
| Zhang et al. | Modified inductively coupled plasma reactive ion etch process for high aspect ratio etching of fused silica, borosilicate and aluminosilicate glass substrates | |
| Ahamed et al. | Deep NLD plasma etching of fused silica and borosilicate glass | |
| JPH09257748A (en) | Liquid circuit | |
| US6617098B1 (en) | Merged-mask micro-machining process | |
| US20110006400A1 (en) | Handle wafer having viewing windows | |
| US20050085053A1 (en) | Method of activating a getter structure | |
| Steingoetter et al. | Deep fused silica wet etching using an Au-free and stress-reduced sputter-deposited Cr hard mask | |
| EP4243225A1 (en) | Metal gas-sealed cell and method for manufacturing same | |
| CN112269223B (en) | Silicon-based wedge-shaped waveguide micro-ring cavity and preparation method thereof | |
| JPH07212159A (en) | Manufacture of package | |
| Pedersen et al. | Development of process recipes for maximum mask etch selectivity and maximum etch rate having vertical sidewalls for deep, highly-anisotropic inductively-coupled plasma (ICP) etching of fused silica | |
| Zhang et al. | Micro-fabrication process of vapor cells for chip-scale atomic clocks |