Page 146 - 《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 417

下降至 4 mA，并在此后长达 4 h 的键合过程中基本 已存在的键合面，削弱键合质量，甚至可能产生解键
不再变化。 合。提出边缘薄膜导电创新技术，实现中间电极引
出，减少反向电场解键合面的产生，提高键合质量。
35 20
30 键合电流/mA 15 边缘薄膜导电技术避免了点电极引出方法对键合
键合电流/mA 20 5 0 0 5 10 15 用于实现更多层复杂结构。基于反向电场削弱键
设备的特殊要求，以及对键合层数的限制，可扩展
25
10
15
合分析进行工艺优化，提出先强后缓的变参数键合
10
5 时间/t 组合模式，保障新键合面强度的同时不过度削弱已
0 形成键合面，实现了高质量五层玻璃-硅键合结构。
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
时间/t
基于上述结果，后续研究于聚焦微腔室封装及
图 10 五层（3+2）结构键合电流-时间曲线 部件装填，包括碱金属源、吸气剂、吸收剂等，实现
Fig. 10 Bonding current-time plot for five-layer 器件原型结构和基本功能。更进一步，开展芯片原
（3+2） structure 子束钟结构优化设计，探索规避解键合效应的新结

构和新工艺，以期提供更稳定的高真空环境，实现
无反向电场结构采用强键合提高键合强度，有
更好的器件频率稳定性。
反向电场结构采用弱键合兼顾多层界面的组合方
法，实现了玻璃-硅五层键合结构，划片后端面 50 倍 参考文献：
显微照片如图 11 所示。尽管在 4 h 的键合过程中，
电流并未下降至峰值电流的 10% （2.8 mA）以下， [1] 王义遒. 原子钟及其进展 [J]. 物理教学，2003，25（4）：2−4.
该结构承受划片冲击后并无损伤，各键合面处硅片 [2] KNAPPE S， SCHWINDT P， SHAH V， et al. A chip-scale
87
和玻璃均紧密接触无缝隙，表明了良好的键合结果。 atomic clock based on Rb with improved frequency stabili-
ty[J]. Optics Express，2005，13（4）：1249−1253.
[3] EKLUND E J，SHKEL A M，KNAPPE S，et al. Glass-blown
硅 硅
片 片 spherical microcells for chip-scale atomic devices[J]. Sensors
& Actuators a Physical，2008，143（1）：175−180.
玻 玻 玻 [4] BLOOM B J，NICHOLSON T L，WILLIAMS J R，et al. An
璃 璃 璃
optical lattice clock with accuracy and stability at the 10 −18
level[J]. Nature，2013，7488（506）：71−75.
图 11 多层硅-玻璃键合结构端面放大照片 [5] 杨巧会，潘多，陈景标. 芯片级原子钟研究进展 [J]. 真空电
Fig. 11 Magnification photo of the cross-section of multi-layer 子技术，2023（1）：1−11.
silicon-glass bonding structure
[6] KNAPPE S，SHAH V，SCHWINDT P D D，et al. A micro-
fabricated atomic clock[J]. Applied Physics Letters， 2004，
4 结论
85（9）：1460−1462.
针对芯片级原子束钟的真空腔结构，设计了工 [7] MARTINEZ G D，LI C，STARON A，et al. A chip-scale ato-
艺流程，并进行相应制备研究，为实现芯片级原子 mic beam clock[J]. Nature Communications，2023（14）：3501.
束钟奠定良好的工艺基础。 [8] ELWENSPOEK M，JANSEN H. 硅微机械加工技术 [M].
采用 DRIE 工艺，在硅基片制备了束源腔孔、 北京：化学工业出版社，2007：1−348.
漂移区孔、微型准直通道等芯片原子束钟的关键 [9] WU B，KUMAR A，PAMARTHY，S. High aspect ratio sili-
结构，表面光滑、边缘陡直，准直通道阵列规则一 con etch：A review[J]. Journal of Applied Physics，2010，108：
致，满足后续多层键合要求。激光烧蚀玻璃通孔简 051101.
单方便，但其热效应导致的微米级边缘微凸会影响 [10] HILTON A，TEMPLE D S. Wafer level vacuum packaging
键合效应，需要通过结构设计优化避免。 of smart sensors[J]. Sensors，2016（16）：1819−1851.
不存在反向电场的结构键合相对容易，玻璃- [11] WANG H Y， FOOTE R S， JACOBSON S C， et al. Low
硅孔-玻璃键合微空腔，可实现 10 MPa 量级的键合 temperature bonding for microfabrication of chemical ana-
3
−13
强度和 10 Pa·m /s 量级的漏率。反向电场会影响 lysis devices[J]. Sensors and Actuators： Chemical， 1997，