(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ウェハを陽極接合するときに、ガス圧の均一性を増強する方法であって、前記方法は、
前記第１ウェハを第２ウェハに陽極接合する間に、前記第１ウェハの温度を予め決定された速度で上昇させるステップと、
温度が増加しているときに、前記少なくとも１つのチャンバのガス圧力を予め決定された速度で増加させるステップと、
前記第１ウェハを、前記第２ウェハから反対側において、第３ウェハに陽極接合する間に、前記第１ウェハの温度を予め決定される速度で増加させるステップと、
前記第１ウェハを前記第３ウェハに陽極接合する間に前記温度が増加しているときに、前記少なくとも１つのチャンバのガス圧力を予め決定される速度で増加させるステップと、
を有する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１ウェハはシリコンウェハを有し、前記第２ウェハはガラスウェハを有し、
陽極接合の間に、前記温度は約１５０℃から約３５０℃に増加され、
陽極接合の間に、前記圧力は、約２９６ｔｏｒｒ（約３９．５ｋＰａ）から約４３６ｔｏｒｒ（約５８．１ｋＰａ）に増加される、
方法。
【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, ＶＣＳＥ
Ｌ）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、ＶＣ
ＳＥＬ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１
３０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２２
０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３
００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３
０２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４３６ｔｏ
ｒｒ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】
0006049666.tif 000002
【図２】
0006049666.tif 000003
【図３】
0006049666.tif 000004