(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相セルを製造する方法であって、
内部表面領域および外周部を備える第１ウェハに複数の気相セルダイを形成するステップと、
前記第１ウェハに複数の相互接続される通気チャネルを形成するステップと、を有し、前記通気チャネルは、各気相セルダイからのガスが前記第１ウェハの前記外周部の外側に移動するための、少なくとも１つの通路を提供し、
前記方法はさらに、前記第１ウェハの一方の側部に第２ウェハを陽極接合するステップと、
前記第１ウェハの反対の側部に第３ウェハを陽極接合するステップと、を有し、前記通気チャネルは、前記第１ウェハの前記内部表面領域に向かうガスが、前記第１ウェハに前記第２ウェハおよび前記第３ウェハを陽極接合するときに、前記第１ウェハの前記外周部の外側のガスと、実質的に連続的に圧力平衡状態になることを可能にする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、陽極接合の間、前記第１ウェハの温度を所定の速度で上昇させ、温度が上昇するときにガス圧を所定の速度で上昇させる、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記気相セルダイの各々は、第１チャンバ、第２チャンバ、および前記第１チャンバと前記第２チャンバとの間の少なくとも１つの接続通路、を備える基板を有する、方法。
【請求項４】
気相セルを製造するためのウェハ構造であって、前記ウェハ構造は、
複数の気相セルダイを有する第１ウェハを有し、前記第１ウェハは内側表面領域および外周部を備え、
前記ウェハ構造は、前記第１ウェハ内に、相互接続される複数の通気チャネルを有し、前記通気チャネルは、前記第１ウェハの陽極接合中に、前記気相セルの各々から前記第１ウェハの前記外周部の外側にガスが移動するための少なくとも１つの通路を提供し、
前記通気チャネルは、第２ウェハを前記第１ウェハの一方の側部に、および、第３ウェハを前記第１ウェハの反対側の側部に陽極接合する間、前記第１ウェハの前記内側表面領域に向かうガスが、前記第１ウェハの前記外周部の外側のガスと、実質的に連続的な圧力平衡となることを可能にする、ウェハ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽極接合気相セル内の圧力均一性を増強する製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２０１０年２月４日に出願された米国仮出願第６１／３０１４９７号の利益を主張し、この出願内容は参照により本願明細書に組み込まれる。
米国空軍とのＦＡ８６５０−０１−Ｃ−１１２５による政府との契約条項により与えられるように、米国政府は本発明に関して一定の権利を有する。
【０００３】
チップスケール原子時計（Chip-Scale Atomic Clocks, ＣＡＳＡｓ）は、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金属の蒸気を含む気相セルを有する。また、気相セルは、典型的には、アルゴン−窒素バッファガスブレンドのようなバッファガスを含む。気相セルを製造する標準的な技術は、キャビティを画定する複数のセル構造を備えるシリコンウェハの両側に２つのガラスウェハを陽極接合することを含む。アルカリ金属蒸気およびバッファガスは、２つのガラスウェハの間のセル構造のキャビティ内にトラップされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
陽極接合は、最初に接触しているウェハの間の場所から始まり、静電ポテンシャルが表面を合わせるように広がる。１つの領域から次の領域への接合フロントの遅れは、気相セル内の圧力差を生じさせ得る。さらに、Ｒｂのような低い沸点の金属の存在は、できるだけ低い温度で接合することを必要とする。さもなくば、発生する蒸気が接合表面を汚すことになり得る。したがって、できるだけ迅速に接合を形成するために、ウェハが加熱されているときに高い電圧を付与する必要がある。これは、気相セルが異なる時間で、そのため異なる温度で、シールされることを生じさせる。これは、同一のウェハ上で隣り合って製造されるセルの場合にでも、気相セル内に圧力差を生じさせ得る。
【０００５】
さらに、２つのガラスウェハにおける全厚さの変動は、いくつかの気相セルが、同一のウェハセット上の他の気相セルより前に溶接シールされる原因となる。この問題は、さらに、接合装置内で温度が徐々に上昇し、いくらかのトラップされたガスが遅く接合される気相セルから追い出される、というように問題を悪化させる。さらに、遅く接合される領域にトラップされたバッファガスの容易な脱出通路がなく、これは、気相セル内の圧力差を生じさせ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
気相セルを製造する方法は、内部表面領域および外周部を備える第１ウェハに複数の気相セルダイを形成するステップと、第１ウェハ内に相互接続される複数の通気チャネルを形成するステップと、を有する。通気チャネルは、ガスが各気相セルダイから第１ウェハの外周部の外側へ移動するための少なくとも１つの通路を提供する。本方法は、さらに、第１ウェハの一方の側部に第２ウェハを陽極接合するステップと、第１ウェハの反対の側部に第３のウェハを陽極接合するステップと、を有する。通気チャネルは、第１ウェハの内部表面に向かうガスが、第２ウェハおよび第３ウェハを第１ウェハに陽極接合するときに、実質的に第１ウェハの外周部の外側のガスと連続的な圧力平衡になることを可能にする。
【０００７】
本発明の特徴は、添付図面を参照する以下の説明から当業者に明らかになるであろう。図面は典型的な実施形態だけを示したものであり、本発明を限定する意図ではないことを理解されたい。本発明が追加的な具体例とともに添付図面を利用して詳細に説明される。添付図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態による気相セルを含むチップスケール原子時計の物理パッケージの断面概略図である。
【図２】ウェハ層上に形成された、チップスケール原子時計の気相セルダイの一実施形態の概略図である。
【図３】一実施形態による、複数の気相セルダイおよび通気チャネルを備えるウェハの部分平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明において、当業者が本発明を実施できる程度に実施形態が十分に詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用できることを理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は限定する意図であると解釈されるべきではない。
【００１０】
チップスケール原子時計（Chip-Scale Atomic Clocks, ＣＳＡＣｓ）で用いられる陽極接合される気相セルにおいて、ガス圧力均一性を増強するための製造技術が提供される。一般に、気相セルは、複数のセル構造を備えるシリコンウェハのような基板の両側に陽極接合される光学的に澄んだ一対のガラスウェハから製造される。気相セルは、ＣＳＡＣのための物理パッケージ内に組み立てられる前に製造される。
【００１１】
気相セルの製造中にガス圧力均一性を増強するための１つのアプローチにおいて、ウェハ内の各気相セルダイからウェハの外周部への通路を提供する、相互接続される通気チャネル、を形成するという設計特徴をウェハ表面に導入する。通気チャネルは、ウェハの内部に近接するガスが、陽極接合中にウェハの外側のガスと実質的に連続的な圧力平衡になることを可能にする。圧力均一性を増強する他のアプローチにおいて、陽極接合プロセスは、温度が上昇するときに圧力を連続的に上昇させるように修正される。
【００１２】
上述のアプローチは組み合わせることができ、シリコンウェハ表面に通気チャネルを利用し、それとともに、圧力を上昇させることで、プロセス中に高い温度で後にシールされる気相セルが高いガスを備えることを可能にする。室温に冷却されたとき、高い温度でシールされた気相セルは、低い温度でシールされた気相セルよりも圧力が下がるであろう。高いガス圧を用いることで、後にシールされる気相セルが、気相セルの最終圧力が室温においてほぼ同一となるように補償することができる。
【００１３】
本製造技術のさらなる詳細が以下に図面とともに説明される。
図１は、一実施形態によるＣＳＡＣ１００を示し、これは、本アプローチにより製造された気相セルを採用することができる。ＣＳＡＣ１００は物理パッケージ１０２を含み、物理パッケージ１０２は、ＣＳＡＣ１００の様々な機械的および電子的部品を収容する。これらの部品は、物理パッケージ１０２を組み立てる前に、ウェハレベルで微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置として製造できる。一般に、パッケージ１０２内のＣＳＡＣ部品は、垂直共振器面発光レーザー（vertical-cavity surface-emitting laser, ＶＣＳＥＬ）のようなレーザーダイ１１０、レーザーダイ１１０に光学連通する４分の１波プレート（quarter wave plate, ＱＷＰ）１２０、ＱＷＰ１２０に光学連通する気相セル１３０、および気相セル１３０に光学連通する光学検出器１４０を有する。
【００１４】
レーザーダイ１１０から発されるレーザービーム１０４は、ＱＷＰ１２０および気相セル１３０を通って光学検出器１４０に導かれる。図１に示すように、ＱＷＰ１２０、気相セル１３０、および光学検出器１４０は、レーザービーム１０４の光学通路に対して様々な傾き角度でパッケージ１０２内に取り付けられる。これらの部品を傾けることで、ＶＣＳＥＬへの戻り反射カップリングを低減し、ＣＳＡＣの安定性を増強する。
【００１５】
気相セル１３０は、一対の光学的に澄んだガラスウェハ１３２、１３４を含み、これらはシリコンウェハ１３６のような基板の両側に陽極接合される。例示的なガラスウェハはパイレックス（登録商標）ガラスまたはそれ類似のガラスを含む。気相セル１３０内に画定される少なくとも１つのチャンバ１３８は、レーザーダイ１１０と光学検出器１４０との間にレーザービーム１０４のための光学通路１３９を提供する。
【００１６】
パッケージ１０２内に組み立てる前に気相セル１３０を製造する１つのアプローチにおいて、ガラスウェハ１３２が最初に基板１３６のベース側に陽極接合され、その後、ルビジウムまたは他のアルカリ金属（液体または固体の状態）がチャンバ１３８内に入れられる。ガラスウェハ１３４が、シリコンウェハ１３６の反対側に陽極接合されて気相セル１３０を形成する。このような接合は典型的には、約２５０℃から約４００℃の温度で行われる。接合プロセスは、高真空化でまたはアルゴン−窒素混合ガスのようなバッファガスの存在下でウェハ１３２、１３４、１３６に関して行われる。バッファガスが用いられる場合、気相セル１３０の部品を含む製造装置は排気され、その後、バッファガスがチャンバ１３８内に導入される。接合が完成して気相セル１３０がシールされると、アルカリ金属および補助的なバッファガスがチャンバ１３８内にトラップされる。
【００１７】
陽極接合プロセス中に、ナトリウムのような可動イオンを含むガラスウェハは、シリコンウェハと接触させられ、ガラスウェハとシリコンウェハとの両者の電気接続がなされる。ガラスウェハおよびシリコンウェハの両者は、少なくとも約２００℃に加熱され、ガラスウェハ電極はシリコンウェハに対して少なくとも約２００Ｖで負にされる。これは、ガラス内のナトリウムを負電極に向かって移動させ、ガラスとシリコンとの間のギャップにわたる電圧がより落ちることを可能にし、より緊密な接触をもたらす。同時に、酸素イオンがガラスから解放されてシリコンに向かって流れ、ガラス内のシリコンとシリコンウェハ内のシリコンとの間のブリッジを形成するのを助け、これが非常に強い接合を形成する。陽極接合プロセスは、大気圧よりかなり上から高真空までの広範囲なバックグラウンドガスおよび圧力とともに実行できる。高いガス圧は、熱伝達を改善し、プロセスを迅速にする。Ｒｂ気相セルの場合、バッファガスの存在下でできるだけ低い温度で接合を形成することが望ましい。
【００１８】
図２は、ＣＳＡＣのための気相セルダイ２００の一実施形態を示し、ウェハ層上に形成されている。気相セルダイ２００は、シリコン基板２０５を含み、シリコン基板２０５には、第１チャンバ２１０、第２チャンバ２２０、および少なくとも１つの接続通路２１５が形成されている。チャンバ２１０、２２０、および通路２１５は、気相セルダイ２００内で、上述の陽極接合用いて（ガラスウェハ１３２、２３４のような）ガラスウェハの間にシールされる。
【００１９】
図２に示される実施形態において、チャンバ２１０は、ＣＳＡＣのための光学通路の一部を有し、汚染および沈殿などが生じないように維持される必要がある。ルビジウムまたは他のアルカリ金属（符号２３５で全体を示す）が、液体または固定としてチャンバ２２０内に入れられる。接続通路２１５は、アルカリ金属気相分子が第２チャンバ２２０から第１チャンバ２１０へ移動するための「曲がりくねった経路」（符号２３０で全体を示す）を確立する。ガス分子のダイナミクスにより、アルカリ金属気相分子は、経路２１５を通って円滑に流れず、通路２１５の壁ではね返り、またしばしば壁にくっつく。一実施形態において、第２チャンバ２２０は、狭い溝２４５を除いて経路２１５から隔離され、第２チャンバ２２０からアルカリ金属気相の移動をさらに遅くする。
【００２０】
ＣＳＡＣで思量する好適な気相セルの製造に関するさらなる詳細は、２０１０年９月１日に出願された「APPARATUS AND METHOD FOR ALKALI VALOR CELLS」という表題の米国特許出願第１２／８７３４４１号明細書に記載されており、この開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
前述したように、陽極接合は、最初に接触しているウェハ間の位置から始まり、静電ポテンシャルが表面を結合するとともに広がる。この１つの領域から次の領域への接合フロントの時間差は、ウェハ間でガスが移動するための経路が無いならば、接合フロントが移動するときに圧力差を生じさせることがある。これは、製造される気相セル内のバッファガスの不十分な均一性を生じさせることがある。
【００２２】
さらに、Ｒｂのような低融点材料を用いることは、できるだけ低い温度で接合を行うことを必要とし、さもなくば、発生した蒸気が接合表面を汚すことになり得る。したがって、できるだけ迅速に接合を形成するために、ウェハを加熱しているときに高電圧が適用される必要がある。これにより、気相セルが異なる時間で、したがって異なる温度でシールされることになり、製造される気相セル無いの圧力差を生じさせる。
【００２３】
製造される気相セルにおけるバッファガスの不十分な均一性の問題は、以下で議論される技術を用いて解決し得る。
１つのアプローチにおいて、陽極接合中にガスがウェハの外周へ逃げるための通路を提供するために、シリコンウェハの表面に通気チャネルが形成される。このアプローチは、図３に示されており、図３は、ＣＳＡＣで使用される気相セルを製造するためのウェハ３００を示している。ウェハ３００は、複数の気相セルダイ３０２を含み、気相セルダイ３０２を囲む通気チャネル３０４に相互接続される。気相セルダイ３０２および通気チャネル３０４は、ウェハ３００の内側表面領域３０６に位置する。通気チャネル３０４は、気相セル３０２を形成するのに用いたプロセスと同様のプロセスで形成することができる。
【００２４】
通気チャネル３０４は、各気相セルダイからのガスがウェハ３００の外周部３０８の外側に移動するための少なくとも１つの通路を提供する。通気チャネル３０４は、ガラスウェハをウェハ３００の両側部に陽極接合しているときに、内側表面領域３０６に向かうガスが、外周部３０８の外側のガスと、実質的に連続的な圧力平衡状態になることを可能にする。
【００２５】
ガス圧の均一性を増強する他のアプローチにおいて、陽極接合プロセスは、温度（ケルビンまたは絶対温度で測定される）が上昇するとともに、圧力を連続的に上昇させるように修正される。このアプローチにおいて、シリコンウェハのような第１ウェハの陽極接合は、第１ウェハをガラスウェハのような第２ウェハに陽極接合するときに、第１ウェハの温度を所定の速度で上昇させることにより実行される。シリコンウェハは、それぞれが少なくとも１つのチャンバを備える複数のダイを備える。第１ウェハと第２ウェハとの間のガス圧も、陽極接合中に温度が増加するときに、所定の速度で上昇させる。
【００２６】
たとえば、一実施形態において、温度が陽極接合中に約１５０℃（４２３°Ｋ）から約３５０℃（６２３°Ｋ）まで上昇するときに、圧力は約２９６ｔｏｒｒから約４３６ｔｏｒｒまで上昇させる。
【００２７】
上述のアプローチは組み合わせることができ、通気チャネルをウェハ表面に用いるとともに圧力を上昇させることで、後のプロセスでシールされる気相セルが、高い温度において、高いガス圧を備えることになる。室温に冷却されると、高温でシールされた気相セルは、低温でシールされた気相セルの場合よりもより圧力が下がる。高いガス圧において、後でシールされる気相セルは、室温において全ての気相セルの最終的な圧力が同一になるように補償される。圧力と温度の比を一定に維持することにより、理想気体の法則は、ｎ（セル内のガスのモル密度）がウェハにわたって一定のままであることを確保する。
【００２８】
本発明は、本質的な特徴から逸脱することなく他の具体的な形態で実施することができる。説明された実施形態は、説明的なものであり限定するものではないことを理解されたい。それゆえ、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲により示される。請求項の趣旨および均等の範囲内において生じるあらゆる変形は、該請求項の範囲内にあるとされる。
【図１】
0005623876.tif 000002
【図２】
0005623876.tif 000003
【図３】
0005623876.tif 000004