Page 144 - 《真空与低温》2025年第3期

仲子琪等：芯片级原子束钟真空腔技术研究 415

氦气 氦气 工艺试验片图形为毫米级方孔阵列，构成真空
上盖板 腔的图形包括束源腔孔、漂移腔孔以及连通二者的
多 多 准直通道。正式硅片图形加工采用 DRIE 工艺，
氦 键 键 氦
气 合 合 气 实现的图形表面光滑、边缘陡直，准直通道阵列规则
层 抽气 层
下盖板 下盖板 一致，其光学与扫描电镜局部放大图如图 6 所示。

连接模具 连接模具
漂移腔

束源腔
氦质谱检漏仪
准直通道

（a）真空腔硅孔 （b）准直通道放大图
图 4 微真空腔检漏方法示意图 图 6 DRIE 制备的正式硅片
Fig. 4 Schematic diagram of leakage detection method
Fig. 6 Formal silicon wafers prepared by DRIE process
for micro vacuum cavity
硅 图 形 和 玻 璃 的 阳 极 键 合 相 对 容 易， 由 玻

璃-孔硅阵列-玻璃经两次键合形成的真空腔阵列，
如图 7（a）所示，键合牢靠，无明显气泡，键合强度约
为 10 MPa，漏气率可达 10 Pa·m /s 量级。而玻璃
−13
3
图形和硅初步键合结果却不理想，如图 7（b）所示，
小孔附近和孔间均存在气泡，并出现轻微键合裂纹。
（a）未酸洗 （b）酸洗后
即使再次经过 400 ℃、1 000 V、50 kPa 的增强键合，
+
图 5 Na 析出玻璃表面
对气泡的改善效果有限。图 7（c）为增强键合样品，
+
Fig. 5 Na precipitation on glass surface
虽然孔间气泡消失，但小孔边缘处气泡依然存在。

气泡
裂纹

（a）玻璃-硅孔阵列-玻璃常规键合 （b）玻璃孔阵列-硅片常规键合（c）玻璃孔阵列-硅片二次加强键合
图 7 不同结构键合结果
Fig. 7 Bonding results of different structures

分析认为出现气泡和裂纹的原因是玻璃表面 碰触。

的平整性被破坏。激光烧蚀玻璃孔的热效应，会在 3.2 存在反向电场的键合
孔边缘导致凸起。表面轮廓仪检测表明，这种凸起 涉及反向电场的阳极键合较为复杂，反向电场
高度可达微米量级，使得玻璃和硅片不能紧密贴合。 会削弱已形成的键合面，甚至导致结构解键合。研
解决方法是在不改变加工工艺前提下，采用非等尺 究发现，使用统一参数键合得到的五层结构，在最
寸设计，将玻璃孔适当缩减，使得键合时玻璃孔边 终晶圆划切时部分芯片会分层脱开，表明键合面受
缘凸起收缩在硅孔内部区域，避免和硅片平面直接 到了破坏。