微制造的原子磁力仪以及形成方法

微制造的原子磁力仪以及形成方法
【专利摘要】通过以下步骤减小原子磁力仪(图2,200)的成本和尺寸：将具有蒸汽单元腔体(242)的蒸汽单元结构(240)附连到具有激光源(286)的基底管芯(270)，该激光源(286)将光输出到蒸汽单元腔体；以及附连具有光电二极管(214)的光电检测管芯(210)，该光电二极管(214)与蒸汽单元结构垂直对齐以检测来自激光源的、穿过蒸汽单元腔体的光。
【专利说明】微制造的原子磁力仪W及形成方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及原子磁力仪，并且更具体地涉及微制造的原子磁力仪和形成该磁力仪 的方法。

【背景技术】
[0002] 原子磁力仪是通过确定称为拉莫（Larmor)频率的频率来测量磁场强度的设备。 拉莫频率是响应于磁场而旋进移动的碱金属原子所包含的一组同相自旋的外层电子的磁 矩的频率。磁场强度B由公式B = hvyy来定义，其中11是普朗克常数，1^^是拉莫频率， 且Y是磁旋比（例如，对于87化是7Hz/nT，而对于Cs是3.甜z/nT)。
[000引图1示出图解说明现有技术的原子磁力仪100的示例的框图。如图1所示，原子磁 力仪100包括垂直腔体表面发射激光器（VCS化)110 W及位于VCSELl 10之上的光学封装件 112。此外，原子磁力仪100还包括位于光学封装件112之上的蒸汽单元（vapor cell)114 W及位于蒸汽单元114之上的光电检测器116。
[0004] 此外，蒸汽单元114包含气体118,该气体包括碱金属原子和缓冲原子，该碱金属 原子在外层中具有单个电子，该缓冲原子减少碱金属原子与蒸汽单元114的内表面之间的 碰撞。例如，蒸汽单元气体通常用诸如 85化原子、87化原子、K和Cs原子的碱金属原子W及 诸如馬的缓冲原子来实现。此外，原子磁力仪100可选地包括位于蒸汽单元114之下的下 部线圈120和位于蒸汽单元114之上的上部线圈122。
[000引在操作中，VCS化110输出光，该光被光学封装件112衰减且圆偏振。之后，由光学 封装件112输出的圆偏振光被引导到蒸汽单元114中。由VCSEL110输出的光被调谐至一 频率，当被圆偏振时，该频率被包含在蒸汽单元114内的气体118中的碱金属原子的外层中 的单个电子吸收。
[000引例如，VCSEL110可W被调谐为输出具有794. 8nm的波长的光，在其被圆偏振之后， 由87化原子的外层中的单个电子吸收。VCSEL110可W替换地被调谐为输出具有894. 35nm 的波长的光，其在被圆偏振之后，由Cs原子的外层中的单个电子吸收。
[0007] 当碱金属原子的外层中的单个电子吸收光能时，电子跃迁到较高能级，并且接着 回落到与外层相关联的数个能级（超精细能级内的塞曼狂eeman)子能级）中的一个。量 子选择定则精确地定义：电子将产生哪一种状态。如果电子吸收右旋圆偏振光，则电子上升 到较高能级，同时电子的投影数量M上升+ 1。
[0008] 当回落时，电子沿任意方向发射光子，并且总是回落到与外层相关联的最高能级。 此外，当电子回落时，电子的投影数量M也W随机方式改变-1、0、+ 1。
[0009] 因此，如果数个该类事件发生于同一电子，则每次电子都去到较高状态，电子的投 影数量M总是+ 1。然而，平均来看，因为电子下落到基态，电子的投影数量M的改变为0。 结果，电子将最终落在基态的最高M能级上。在所考虑的气体中，基态Si/2和升高的Pi/2 (或 P2/3)状态具有相同数量的M个能级。因此，当电子达到基态的最高M能级时，因为在激发态 中不存在更高的M能级，因此电子不能被注入（pump)。
[0010] 为了再一次重吸收光，基态M个能级中的位置（population)必须被抽空 (de-pumped)。额外的能量（磁或光）必须W被称为拉莫频率的频率供应给电子。处于拉 莫频率的额外的能量使最高基态M能级的电子下降到与外层相关联的较低M能级，在该里 电子可W再次吸收光能。
[0011] 因此，从蒸汽单元114传到光电检测器116的光子包括；非吸收分量，其表示由 VCSEL110输出的、不被蒸汽单元114内的气体118的外层的电子吸收的光；W及发射分量， 其表示由下落的电子随机发射的光子。光电检测器116检测该些光子，并且产生输出信号， 该输出信号同时具有非吸收分量和发射分量。
[0012] 添加处于拉莫频率的额外的能量的常见方法中的两个是Bell-Bloom炬B)技术 和Mx技术。在BB技术中，由VCSEL110输出的光由在一频率范围上的频率来调制。当由 VCSEL110输出的光W拉莫频率进行频率调制时，电子下降到较低能级并且开始重新吸收光 能，该在由光电检测器116接收的光的强度中造成显著的下陷（dip)。因此，可W通过确定 使接收的光的强度下陷的调制频率来确定拉莫频率。
[001引在Mx技术中，RF信号被施加到下部线圈120和上部线圈122, W生成与由VCSEL110 发射的光的纵轴对齐的交替的磁场，同时RF信号的频率在一频率范围上进行扫面。当RF 信号的频率变为等于拉莫频率时，电子下降到较低能级并且开始重新吸收光能，该在由光 电检测器116接收的光的强度中造成显著的下陷。因此，可W通过确定使接收的光的强度 下陷的调制频率来确定拉莫频率。
[0014] 常规的原子磁力仪的缺点中的两个是尺寸和成本，该接下来限制了原子磁力仪可 W被商业使用的应用种类。因此，需要一种微制造的原子测量仪，其可W W常规的集成电路 制造设施量产，由此减少尺寸和成本两者，并且极大地增加了原子磁力仪可W被商业使用 的应用种类。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是示出现有技术的原子磁力仪100的示例的框图。
[0016] 图2是示出微制造的原子磁力仪200的示例的截面图。
[0017] 图3A-3F是示出形成光电检测器管芯的方法的示例的一系列截面图。
[0018] 图4是示出形成蒸汽单元管芯的方法的示例的流程图。
[0019] 图5A-5B是示出形成下部透明晶圆的方法的示例的一系列截面图。
[0020] 图6是下部透明晶圆516的俯视图。
[0021] 图7A-7F是示出形成蒸汽单元晶圆的方法的示例的一系列截面图。
[0022] 图8是示出蒸汽单元晶圆742的俯视图。
[0023] 图9A-9I是示出形成上部透明晶圆的方法的示例的一系列截面图。
[0024] 图10是示出上部透明晶圆940的俯视图。
[00巧]图11是示出中间晶圆1100的示例的截面图。
[0026] 图12是示出堆叠晶圆1200的截面图。
[0027] 图13是示出蒸汽单元管芯1300的示例的截面图。
[002引图14A-14N是示出形成基底管芯的方法的示例的一系列截面图。
[0029] 图15A-15B是示出形成微制造的原子磁力仪的方法的示例的一系列截面图。
[0030] 图16是示出形成下部透明晶圆的替换方法的示例的截面图。

【具体实施方式】
[0031] 图2示出微制造的原子磁力仪200的示例，如图2所示，原子磁力仪200包括光电 检测管芯210,该光电检测管芯210接收调制的光并且生成表示接收到的光的幅值的光信 号。
[003引如图2进一步所示，在图2中被倒置的光电检测管芯210包括半导体衬底212 W 及接触半导体衬底212的光电二极管214。在图2的示例中，半导体衬底212用常规的衬底 材料来实现，例如P单晶娃。
[0033] 光电二极管214继而包括接触半导体衬底212的P阱220 W及接触P阱220接触 的n区222。光电二极管214还包括接触P阱220的P +接触区224 W及接触n区222的 n +接触区226。此外，光电二极管214可W可选地包括薄P +表面区228,该薄P +表面区 228接触n区222, W减少表面复合。P阱220的惨杂剂浓度比P半导体衬底212的惨杂剂 浓度大。
[0034] 光电检测管芯210还包括数个电路元件230,该数个电路元件230形成在半导体衬 底212的顶表面中和其之上。电路元件230包括晶体管、电阻器、电容器、二极管W及类似 的电路器件。为了简化，只示出一个NMOS晶体管230来表示电路元件230。
[00巧]NMOS晶体管230具有由P型沟道230C间隔开的n型源极230S和n型漏极230D、 在沟道230C上方与半导体衬底212的顶表面接触的栅极氧化层230X、W及在沟道230C上 方与栅极氧化层230X接触的栅极230G。当被电气连接在一起时，该些电路元件230形成电 子电路230E，其控制光电二极管214并且将从光电二极管214输出的信号放大W生成光信 号。
[0036] 光电检测管芯210进一步包括互连结构232,该互连结构232与半导体衬底212的 顶表面W及电路元件230接触。互连结构232包括非导电结构232N W及接触件232C，接触 件232C延伸穿过非导电结构232N，从而与P+区224、n+区226 W及电路元件230的导电 区（例如，源极230S、漏极230D和栅极230G)电气连接。
[0037] 此外，互连结构232包括位于非导电结构232N上并且与接触件232C接触的数个 金属-1结构232M。在第一实施例中，金属-1结构232M可W只用作焊盘结构（用于外部电 气连接的位置），使得邻接的管芯结构提供了光电二极管214和电子电路230E的电路元件 230所需要的所有电气互连。
[0038] 替换地，在第二实施例中，金属-1结构232M可W用作焊盘结构和迹线。例如，例 女口，焊盘结构可W用于电源和地，并且可W用于将信号输入到电子电路230E并从电子电路 230E输出信号，而迹线可W用于将光电二极管214和电子电路230E的电路元件230电气互 连。（尽管只用单个金属层来示出互连结构232,但是还可W使用额外的金属层。）
[0039] 光电检测管芯210可W可选地进一步包括纯化层234,该纯化层234覆盖非导电结 构232N和金属-1迹线232M。纯化层234是非导电且防潮的，其具有数个开口 234P，该数 个开口 234P暴露了金属-1结构232M的焊盘。
[0040] 如图2进一步所示，原子磁力仪200还包括蒸汽单元管芯240,该蒸汽单元管芯 240接收光并且生成调制的光。蒸汽单元管芯240被附连到光电检测管芯210并且具有蒸 汽腔体242 W及气体244,蒸汽腔体242与光电二极管214垂直对齐，气体244被气密密封 于蒸汽腔体242内。气体244继而包括碱金属原子和缓冲原子。例如，气体244可W使用 诸如85化原子、 87化原子或Cs原子的碱金属原子W及诸如馬的缓冲原子来实现。
[0041] 蒸汽单元管芯240额外地具有透明结构246,该透明结构246具有顶表面246T、底 表面24她和开口 248,开口 248从透明结构246的底表面24她延伸到透明结构246中。透 明结构246的一部分顶表面246T形成了蒸汽腔体242的底表面。
[0042] 在本示例中，透明结构246使用玻璃来实现，该玻璃具有离子杂质，例如轴离子， 离子杂质使玻璃适合于阳极键合到单晶娃。例如，可W利用Corning Eagle XG?或Pyrex? 玻璃产品或Schott Borofloat?玻璃产品。玻璃是不导电的。开口 248位于蒸汽腔体242 的竖直正下方且与蒸汽腔体242间隔开，开口 248具有侧壁表面248S和顶表面248T，顶表 面248T位于透明结构246的顶表面246T的下方并与其间隔开。
[0043] 进一步，蒸汽单元管芯240包括光封装件250,该光封装件250被附连到开口 248 的顶表面248T。可W用放置在光封装件250的拐角处的常规胶合物或管芯附连粘合剂的液 滴250G来附连光封装件250。光封装件250响应于从光源接收到的光而输出圆偏振光，并 且可W用任何输出圆偏振光的布置来实现。
[0044] 在图2的示例中，光封装件250包括；衰减器250A，其减少输入光的强度；线性偏 振器25化，其将从衰减器250A输出的光线性偏振；W及四分之一波长板圆偏振器250C，其 将从线性偏振器25化输出的光圆形偏振。
[0045] 光封装件250可从数个来源商业获得，例如，Thorl油S (WWW. thorl油S. com)或CVI Melles GriotCwww. cvimellesgriot)，其提供满足特定用户对于层和外部尺寸的要求的光 封装件。（Thorl油S肥220B是衰减器、Thorl油S LPVIS100是线性偏振器，W及CVI Melles Griot QWP0-895-15-4 是圆偏振器）。
[0046] 蒸汽单元管芯240还具有蒸汽单元结构251，其附连到透明结构246。蒸汽单元 结构251具有衬底252和与衬底252接触的数个加热器，例如，加热器254A和254B。衬底 252在本示例中用常规的P单晶娃来实现，其具有穿过材料的开口 252p，该穿过材料的开口 25化完全穿过衬底252延伸W形成蒸汽腔体242的侧壁表面。
[0047] 在图2的示例中，加热器254A和254B各自被实现为与衬底252接触的n+电阻 器条带，其被布局成使流过n+条带的电流产生的磁场最小化。例如，加热器254A和254B 可W各自被布局成长的平行n+条带，其中交替的末端连接在一起W形成蛇形/婉艇图形 (serpentine pattern)。
[0048] 在操作中，电流流过加热器254A和254B，从而将蒸汽腔体242内的气体244加热。 如果磁场可W被足够地抵消，则电流可W连续地流动，或者电流可W在需要加热时开启，并 且被关闭W去除由加热器254A和254B中的电流提供的任何干扰。
[0049] 此外，蒸汽腔体管芯240具有温度传感器256,该温度传感器256与衬底252接触 并且相邻于穿过晶圆的开口 252P。在图2的示例中，温度传感器256被实现为与衬底252 接触的n+电阻器条带，n+电阻器条带被布局成使流过n+条带的电流产生的磁场最小化。 例如，温度传感器256可W被布局成两个长的平行n+条带，其中一对末端连接在一起W形 成长的U型图形。
[0050] 在操作中，电流流过温度传感器256,并且温度传感器256的电阻随着蒸汽腔体 242周围的温度的变化而变化。如果磁场可W被足够地抵消，则电流可W连续地流动，或者 电流可W在需要温度测量时开启并且被关闭W去除温度传感器256中的电流提供的任何 干扰。温度传感器256可W精确到实际温度的几度范围内。
[0051] 此外，蒸汽单元管芯240具有数个焊盘结构258，该焊盘结构258与加热器252A和 252B的n+条带的末端W及温度传感器256的n+条带的末端接触。焊盘结构258可W用 例如铅来实现，并且提供到加热器254A和254B W及温度传感器256的外部电气连接的点。 此外，位于焊盘结构258下方的加热器254A和254B的n+条带的末端W及温度传感器256 的n+条带的末端可选地可W被娃化。
[0052] 蒸汽单元管芯240还具有透明结构260,该透明结构260与蒸汽单元结构251的衬 底252接触。透明结构260具有底表面260B，一部分底表面260B形成蒸汽腔体242的顶表 面。在本示例中，透明结构260用玻璃来实现，该玻璃具有离子杂质，例如轴离子，离子杂质 使玻璃适合于阳极键合到单晶娃。例如，可W利用Corning Eagle XG?或Pyrex?玻璃产品 或 Schott Borof loat? 玻璃产品。
[0053] 进一步地，蒸汽单元管芯240还具有数个金属迹线262和纯化层264,金属迹线与 透明结构260的顶表面接触，纯化层264与透明结构260和金属迹线262接触。纯化层264 是非导电且防潮的，其具有将金属迹线262的焊盘区暴露的数个开口 264P。
[0054] 此外，蒸汽单元管芯240包括数个焊盘结构266 W及纯化层267,焊盘结构266与 纯化层264和金属迹线262接触，纯化层267与纯化层264和焊盘结构266接触。纯化层 267是非导电且防潮的，其具有将焊盘结构266的区域暴露的数个开口 267P。纯化层264 和267可选地可W被忽略。
[00巧]如图2进一步所示，原子磁力仪200还包括透明环氧树脂268 W及数个焊球269， 该透明环氧树脂268与纯化层234和267接触，该数个焊球269将金属-1结构232M电气 连接到焊盘结构266。当金属-1结构232M只用作焊盘时，那么金属迹线262提供光电二 极管214和电子电路230E的电路元件262所需要的所有电气互连，同时提供用于电子电路 230E的外部访问的点。当金属-1结构232M用作焊盘结构和迹线时，那么金属迹线262提 供用于W倒装芯片取向放置的电子电路230E的外部访问的点。
[0056] 如图2额外地所示，原子磁力仪200进一步包括基底管芯270,该基底管芯270生 成输出到蒸汽单元管芯240的光。基底管芯270附连到蒸汽单元管芯240,并且具有顶表面 270T、底表面270B和光开口 272,该光开口 272从管芯270的顶表面270T延伸到管芯270 中W将输出光束B的激光光源暴露。
[0057] 此外，基底管芯270的顶表面270T借助常规胶合物层或管芯附连粘合剂层273附 连到蒸汽单元管芯240的透明结构246。由激光光源输出的光束B的纵轴与光电二极管214 和蒸汽腔体242垂直对齐。
[0058] 如图2进一步所示，基底管芯270包括半导体衬底274,该半导体衬底274具有顶 表面274T和底表面274B，该底表面274B与基底管芯270的底表面270B -致。半导体衬底 274具有VCS化开口 276和管芯开口 278,它们各自从半导体衬底274的顶表面274T延伸 到半导体衬底274中。
[0059] VCS化开口 276具有底表面27她和侧壁表面276S，而管芯开口 278具有底表面 278B和侧壁表面278S。在图2的示例中，半导体衬底274用常规的衬底材料来实现，例如， P型单晶娃。
[0060] 此外，基底管芯270还包括与半导体衬底274接触的加热器280。在图2的示例 中，加热器280用绝缘氧化物外层2801和未惨杂的多晶娃28化的条带来实现，该未惨杂的 多晶娃28化的条带被布局成使流过加热器280的电流所产生的磁场最小化。例如，加热器 280可W被布局成长的平行条带，其中交替的末端连接在一起W形成蛇形图形。
[0061] 如所示，加热器280的顶表面位于与半导体衬底274的顶表面274T相同的平面以 而加热器280的底表面与半导体衬底274的底表面274B垂直地间隔开。（加热器280可 W随着加热器254A和254B被实现而交替实现，并且加热器254A和254B可W随着加热器 280被实现而交替实现。）
[0062] 基底管芯270进一步包括具有顶表面的温度传感器282,该顶表面位于与半导体 衬底274的顶表面274T相同的平面L中。在图2的示例中，温度传感器282用二极管来实 现，该二极管具有P型阱282W和n型区282R。此外，二极管还具有与P型阱282W接触的P+ 接触区282P W及与n型区282R接触的n+接触区282N。流过二极管的电流响应于二极管 的温度而变化。（尽管只示出了一个温度传感器282,但是也可W使用额外的温度传感器。）
[0063] 如图2进一步所示，基底管芯270包括常规制造的垂直腔体表面发射激光器 (VCSEL) 286,其通过粘合剂层288附连到VCS化开口 276的底表面27她。粘合剂层288可 W用例如常规的导热胶合物或管芯固定粘合剂来实现。VCSEL286可从数个来源商业获得， 例女口 Princeton Optronics (www. princetonoptronics. com)或 M-Com (www. m-com. com, tw/ m)，其提供满足特定客户针对光频率、调谐范围、额定功率W及外部尺寸的要求的VCSEL。 VCSEL286是提供具有纵轴B的光的激光光源。
[0064] 基底管芯270额外地具有集成电路290,该集成电路290通过粘合剂层292附连到 管芯开口 278的底表面278B。粘合剂层292可W用例如常规的导热胶合物或管芯固定粘 合剂来实现。集成电路290是常规制造的管芯，其包括一个或多个常规的电子电路，该些电 子电路控制流过加热器254A、254B和280的电流，检测温度传感器256和282的输出，控制 VCSEL286的操作，并且处理由电子电路230E输出的信号W提供原子磁力仪。
[0065] 进一步，基底管芯270具有互连结构294,该互连结构与半导体衬底274的顶表面 接触。互连结构294包括非导电结构294N W及接触件294C，接触件294C延伸穿过非导电 结构294N从而与加热器280、温度传感器282、VCSEL286和集成电路290电气连接。非导 电结构294N还具有激光开口 294G，该激光开口 294G将VCSEL286的激光输出暴露。
[0066] 此外，互连结构294包括数个金属-1结构294M，该些金属-1结构294M位于非导 电结构294N上并且与接触件294C接触。金属-1结构294M可W用作焊盘和迹线。例如， 焊盘可W用于电源和地，并且用于将信号输入到集成电路290且输出来自集成电路290的 信号，而迹线可W用于将加热器280、温度传感器282、VCSEL286和集成电路290电气互连。
[0067] 互连结构294还包括纯化层294P，该纯化层294P覆盖非导电结构294N和金属-1 迹线294M。纯化层294P是非导电且防潮的，其具有数个开口，该数个开口将金属-1迹线 294M的部分暴露W形成用于外部电气连接的焊盘结构294B，并且纯化层294P还包括激光 开口 294Z，该激光开口 294Z将VCSEL286的激光输出暴露。（尽管用单个金属层示出互连 结构294,但是还可W使用额外的金属层。）
[0068] 如图2进一步所示，原子磁力仪200额外地包括数个焊线296,该数个焊线296被 键合到焊盘结构258、焊盘结构266 W及焊盘结构294 W提供光电检测管芯210、蒸汽单元 管芯240和基底管芯270与外界的电气连接。
[0069] 在原子磁力仪200的操作中，VCS化286输出具有一波长的光束B，在该光束B被光 封装件250圆偏振之后，由气密密封的蒸汽腔体242内的气体244的碱金属原子的外层中 的单个电子吸收。因为电子吸收光能，所W电子跳跃到较高能级，并且接着回落，W随机方 向发射光子。在图2的示例中，Bell-Bloom炬B)技术用于对光进行频率调制W识别拉莫频 率并且使电子能够再次重新吸收光能。
[0070] 在本示例中，由光电二极管214检测从蒸汽腔体242离开的光，光电二极管214响 应于该检测而生成测量的光信号。离开蒸汽腔体进入到光电二极管214的光子包括；非吸 收性分量，其表示由VCSEL286输出的、没有被蒸汽腔体242内的气体244的碱金属原子的 外层中的电子吸收的光；W及发射分量，其表不由下落的电子随机发射的光子。因为发射分 量的随机性，平均来看，发射分量随时间是相等的。
[0071] 控制被置于光电二极管214上的电压的电子电路230E接收来自光电二极管214 的测量的光信号，并且生成放大的光信号，该放大的光信号被输出到集成电路290。因为电 子下降到较低能级并且开始重新吸收光能，所W该重新吸收在放大的光信号的强度中造成 显著的下陷。接着，集成电路290通过确定造成放大的光信号的强度下陷的调制频率来确 定拉莫频率。
[0072] 图3A-3F示出一系列截面图，其示出形成光电检测器管芯的方法的示例。如图3A 所示，该方法利用常规形成的P单晶娃晶圆310,并且开始于按照常规的方式在P单晶娃晶 圆310的顶表面上形成图形化的光刻胶层312。
[0073] 在形成图形化的光刻胶层312之后，用P型惨杂剂（例如，测）来注入单晶娃晶圆 310的暴露区，并且进行推进W在晶圆310中形成数个P阱314。晶圆310具有多行和多列 相同的管芯区，并且在每个管芯区中形成P阱314。为了简化，在图3A-3F中仅示出一个管 芯区。
[0074] P阱314的惨杂剂浓度大于P单晶娃晶圆310的惨杂剂浓度。一旦P阱314被形 成，就按照常规方式（例如，用丙丽）去除光刻胶层312。在此之后，清洗晶圆310 W去除有 机物，例如使用常规的食人鱼蚀液（Piranha etch)。
[0075] 如图3B所示，在晶圆310被清洗W去除有机物之后，按照常规方式在P单晶娃晶 圆310上形成图形化的光刻胶层316。在图形化的光刻胶层316被形成之后，用n型物质 (例如，磯）W较低注入能量来注入P单晶娃晶圆310的暴露区，并且进行推进W在每个P 阱中形成n型区318。
[0076] 在本示例中，接下来W较低注入能量来注入P型惨杂剂，并且进行推进W形成薄 的P+层320,该P+层320位于n型区318上方W减少表面复合。在薄P+层320被形成之 后，按照常规方式（例如，使用丙丽）去除图形化的光刻胶层316。在此之后，清洗晶圆310 W去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
[0077] 如图3所示，在清洗晶圆310 W去除有机物之后，按照常规方式在每个管芯区中在 P单晶娃晶圆310的顶表面之中和之上形成数个器件结构322。在图2的示例中，器件结 构322由W下来表示；轻惨杂n型源极322S、轻惨杂n型漏极322D、位于源极322S和漏极 322D之间的P型沟道322C、在沟道322C上方与P单晶娃晶圆310的顶表面接触的栅极氧 化层322X W及在沟道322C上方与氧化层322G接触的栅极322G。
[0078] 接下来，如图3D所示，按照常规方式形成图形化的光刻胶层324,使其与P单晶娃 晶圆310接触。在形成图形化的光刻胶层324之后，用n型惨杂剂（例如，磯）来注入P单 晶娃晶圆310的暴露区，并且进行推进W在每个n型区318中形成n+接触区326N。
[0079] 此外，该注入还形成了形成在每个管芯区中形成的电子电路（例如，电子电路 230巧的n型电路元件（例如，NMOS晶体管）所需的n+区。在图2的示例中，该注入还形 成了 n+源极326S和n+漏极区32抓。
[0080] 一旦形成了 n+区（例如，n+接触区326N、n+源极区326S和n+漏极区32抓），就 按照常规方式（例如，用丙丽）去除图形化的光刻胶层324。接下来，清洗晶圆310 W去除 有机物，例如用常规的食人鱼蚀液。
[0081] 如图3E所示，在清洗晶圆310 W去除有机物之后，按照常规方式形成图形化的光 刻胶层330,使其接触P型单晶娃晶圆310。在形成了图形化的光刻胶层330之后，用P型 惨杂剂（例如，测）来注入单晶娃晶圆310的暴露区，并且进行推进W在每个P阱314中形 成P+接触区332。
[0082] 进一步，该注入还形成了形成在每个管芯区中形成的电子电路的P型电路元件 (例如，PMOS晶体管）所需的P+区。在图2的示例中，电子电路可W包括晶体管、电阻器、 电容器、二极管W及类似的电路器件，其由NMOS晶体管334来表示，该NMOS晶体管334包 括n源极322S/n+源极326S、n漏极322D/n+漏极326D、P型沟道322C、栅极氧化层322X 和栅极322G。进一步，在每个管芯区中，P阱314、n型区318、薄P+层320、n+接触区326N 和P+接触区332形成该个管芯区的光电二极管214。
[008引在形成电子电路的P+区（包括P+接触区322)之后，W常规方式（例如，用丙丽） 去除图形化的光刻胶层330。在此之后，清洗晶圆310 W去除有机物，例如用常规的食人鱼 蚀液。
[0084] 如图3F所示，一旦清洗了晶圆310 W去除有机物，就在晶圆310的顶表面上常规 形成互连结构336。可W通过W下步骤常规形成互连结构336 ;淀积氧化层336X(在可选地 对n+和P+区W及多晶娃栅极娃化之后），接下来进行掩膜和刻蚀步骤W形成开口，该些开 口暴露电子电路的器件的n+接触区326N、n+源极326S、n+漏极区32抓、P+接触区332 W 及要被接触的n+和P+区和多晶娃栅极。在此之后，淀积金属层，并且接着进行平坦化W将 金属层从氧化层336X的顶表面去除，并且在开口中形成接触件336C。
[0085] 在形成了金属接触件336C之后，淀积金属层，接着进行掩膜和蚀刻，W形成数个 金属-1迹线336M。在此之后，形成纯化层340,使其与氧化层336X和金属-1迹线336M接 触。纯化层340可W用氧化物层和上覆的氮化物层来实现，纯化层340的区域被去除W暴 露金属-1迹线336M的焊盘区。在此之后，按照常规方式切割晶圆310, W将管芯区分开，形 成数个光电检测器管芯342。
[0086] 图4示出一流程图，该流程图示出形成蒸汽单元管芯的方法的示例。如图4所示， 该方法在410处开始于单独地形成下部透明晶圆、蒸汽单元晶圆和上部透明晶圆。
[0087] 图5A-5B示出一系列截面图，其示出形成下部透明晶圆的方法的示例。该方法利 用大约是Imm厚的透明晶圆510。例如，可W利用Corning Eagle XG?或Pyrex?玻璃产品 或 Schott Borof loat? 玻璃产品。
[0088] 如图5A所示，该方法开始于按照常规方式在透明晶圆510的顶表面上形成图形化 的光刻胶。在此之后，如图5B所示，按照常规方式刻蚀透明晶圆510的暴露区持续一预定 时间段，W在透明晶圆510中形成数个光学开口 514。
[0089] 晶圆510具有多行和多列相同的管芯区（例如，5mm2)，并且在每个管芯区中形成 光学开口 514。为了简化，在图5A-5B中仅示出一个管芯区。在当前的示例中，每个光学开 口 514大约是250-400微米宽。一旦形成了光学开口 514,就按照常规方式（例如，用丙丽） 去除图形化的光刻胶层512, W形成下部透明晶圆516。在此之后，清洗晶圆516 W去除有 机物，例如，用常规的食人鱼蚀液。（可选地，可W使用掩模和刻蚀步骤将浅胶合物沟道刻蚀 到光学开口 514的拐角中。）
[0090] 图6示出平面图，其示出下部透明晶圆516。如图6所示，下部透明晶圆516具有 按照行和列布置的多个管芯区610 W及多个光学开口 514,其中每个光学开口 514中也地位 于每个管芯区610中。
[0091] 图7A-7F示出一系列截面图，其示出形成蒸汽单元晶圆的方法。在当前的示例中， 该方法利用大约0. 725mm到1. OOmm厚的常规形成的P型单晶娃晶圆710。晶圆710具有多 行和多列相同的管芯区（例如，5mm2)。为了简化，在图7A-7F中仅示出一个管芯区。
[0092] 如图7A所示，该方法开始于按照常规方式在晶圆710的顶表面上形成图形化的光 刻胶层716。在形成了图形化的光刻胶层716之后，如图7B所示，用惨杂剂（例如，磯）来 注入晶圆710的暴露区，W在每个管芯区中形成n+电阻式加热器条带720、n+电阻式温度 传感器条带722 W及n+电阻式加热器条带724。（可W可选地通过W下步骤来将n+条带 720、722和724的末端进行娃化；淀积氧化物层，刻蚀氧化物层W暴露末端，将末端进行娃 化，并且去除氧化物层。）
[009引一旦形成了 n+条带720、722和724,就按照常规方式去除图形化的光刻胶层716。 例如，可W用丙丽来去除图形化的光刻胶层716。在此之后，清洗晶圆710 W去除有机物，例 女口，用常规的食人鱼蚀液。
[0094] 如图7C所示，在去除图形化的光刻胶层716,跟着清洗晶圆710之后，淀积金属层 730 (例如，铅），使其与晶圆710接触。在此之后，按照常规方式在金属层730的顶表面上 形成图形化的光刻胶层732。
[0095] 接下来，如图7D所示，刻蚀金属层730的暴露区，W形成数个焊盘结构734,该数 个焊盘结构与每个n+电阻式加热器条带720、n+电阻式温度传感器条带722和n+电阻式 加热器条带724的末端接触并且位于它们上方。一旦形成了焊盘结构734,就按照常规方 式（例如，用丙丽）去除图形化的光刻胶层732。在此之后，清洗晶圆710 W去除有机物，例 女口，用常规的食人鱼蚀液。
[0096] 如图7所示，在去除了图形化的光刻胶层732,跟着清洗了晶圆710之后，按照常规 方式在晶圆710、条带722和724 W及焊盘结构734上形成硬掩膜736。例如，可W通过W 下步骤来形成硬掩膜736 ;顺序地淀积氧化物层、氮化物层和图形化的光刻胶层，接着进行 在氧化物/氮化物层中形成开口的刻蚀步骤，并且去除图形化的光刻胶层。
[0097] 在形成了硬掩膜之后，按照常规方式暂时将晶圆710的底表面附连到操作晶圆 化andle wafer)728。例如，可W利用光刻胶材料层来将晶圆710暂时地附连到操作晶圆 738,该光刻胶材料层可W在后续的步骤中被容易地去除。
[0098] 在此之后，使用常规的深度反应离子刻蚀值Rffi)，例如Bosch工艺，刻蚀晶圆710 的暴露区和下面的操作晶圆738的一部分，从而在每个管芯区中形成蒸汽单元开口 740。每 个蒸汽单元开口 740完全延伸穿过晶圆710,并且具有基本上垂直的侧壁表面。在当前的示 例中，每个蒸汽单元开口 740具有大约Imm的宽度。
[0099] 对DRIE的替换选择是使用例如KOH或TMAH的湿法刻蚀，在晶圆710中形成蒸汽 单元开口 740。在该种情况下，侧壁不再是垂直的，而是倾斜54.7度。此外，每个蒸汽单元 开口 740的狭窄部分位于晶圆710的顶部。
[0100] 如图7F所示，在晶圆710中形成蒸汽单元开口 740的刻蚀之后，按照常规方式去 除硬掩膜736和操作晶圆738, W形成蒸汽单元晶圆742。
[0101] 图8示出平面图，其示出蒸汽单元晶圆742。如图8所示，蒸汽单元晶圆742具有 按照行和列布置的、与晶圆516的管芯区610对应的多个管芯区810, W及多个蒸汽单元开 口 740,其中每个蒸汽单元开口 740中也地位于每个管芯区810中。
[0102] 如图8进一步所示，n+条带720、722和724被布局成使流过n+条带720、722和 724的电流所产生的磁场最小化。例如，n+条带720、722和724可W各自被布局成长的平行 n+条带，其中末端连接在一起W形成单个n+条带720、单个n+条带722和单个n+条724。
[0103] 图9A-9I示出一系列截面图，其示出形成上部透明晶圆的方法的示例。该方法利 用厚度大约为300 y m的常规形成的透明晶圆910。例如，透明晶圆910可W用玻璃来实现， 例如Coring制造的Pyrex?。晶圆910具有多行和多列相同的管芯区（例如，5mm2)。为了简 化，在图9A-9I中仅示出一个管芯区。
[0104] 如图9A所示，该方法开始于按照常规方式形成巧晶层，使其接触透明晶圆910的 顶表面。例如，巧晶层920可W通过淀积300A的铁、3000A的铜和300A的铁来形成。一 旦形成了巧晶层920,就在巧晶层920的顶表面上形成电锻模子922。
[0105] 在形成电锻模子922之后，如图9所示，剥去顶端铁层并且电锻铜W形成数个金 属-1迹线924。如图9C所示，在电锻之后，去除电锻模子922和下面的巧晶层920的区域， W暴露金属-1迹线924。
[0106] 如图9D所示，在形成了金属-1迹线924之后，形成非导电层926,使其接触透明 晶圆910和金属-1迹线924的顶表面。可W按照数种方式来形成非导电层926。例如，可 W用氧化物层和上覆的氮化物层来实现非导电层926,接下来进行掩膜和刻蚀，W暴露金 属-1迹线924的焊盘区。
[0107] 替换地，可W淀积聚合物层，例如SU-8 (其为负光刻胶），借助图形进行暴露，并且 之后被固化W形成非导电层926。该图形在非导电层926中形成数个开口，包括暴露金属-1 迹线924的焊盘区的开口。
[0108] 在此之后，如图犯所示，淀积接合金属化onding metallic)层930,例如铅，使其 接触非导电层926 W及金属-1迹线924的焊盘区。接下来，按照常规方式在接合金属层 930的顶表面上形成图形化的光刻胶层932。
[0109] 在形成了图形化的光刻胶层932之后，如图9F所示，按照常规方式刻蚀接合金属 层930的暴露区W暴露非导电层926的顶表面，并且形成数个焊盘结构934。在形成了焊盘 结构934之后，按照常规方式（例如，用丙丽）去除图形化的光刻胶层932。在此之后，清洗 非导电层926和焊盘结构934 W去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
[0110] 如图9G所示，在去除图形化的光刻胶层932,跟着进行清洗W去除有机物之后，形 成纯化层936,使其接触非导电层926和焊盘结构934的顶表面。可W W数种方式形成纯 化层936。例如，纯化层936可W用氧化物层和上覆的氮化物层来实现，接着进行掩膜和刻 蚀，W暴露焊盘结构934的区域。
[0111] 替换地，可W淀积聚合物层（例如，SU-8)，用图形进行暴露，并且之后固化W形成 纯化层936。该图形在纯化层936中形成数个开口，包括将焊盘结构934的区域暴露的开 口。非导电层926和纯化层936提供了数个益处，例如防潮和应力释放，可W可选地省略非 导电层926和纯化层936。
[0112] 如图9H所示，在形成了纯化层936之后，按照常规方式在纯化层936和焊盘结构 934上形成硬掩膜937。例如，可W通过W下步骤形成硬掩膜937 ;顺序地淀积氧化物层、氮 化物层和图形化的光刻胶层，接下来是在氧化物/氮化物层中形成开口的刻蚀步骤，并且 去除图形化的光刻胶层。
[0113] 在形成了硬掩膜937之后，W常规方式将晶圆910的底表面暂时附连到操作晶圆 938。例如，可W利用光刻胶材料层将晶圆910暂时附连到操作晶圆938,该光刻胶材料层可 W在后续步骤中被容易地去除。
[0114] 在此之后，W常规方式（例如，用湿法刻蚀或喷砂工艺）刻蚀透明晶圆910的暴露 区，W在每个管芯区中形成完全延伸穿过透明晶圆910的数个穿过晶圆的开口 939。穿过晶 圆的开口 939必须足够宽W容纳焊线扫尾化ond wire sweep)(焊线的带角度的附连件） 和最小的焊盘到焊盘的水平间距。
[011引如图91所示，在进行了形成穿过晶圆的开口 939的刻蚀之后，W常规方式去除硬 掩膜937和操作晶圆938,从而形成上部透明晶圆940。（此外，代替硬掩膜937,可W替换 地使用厚的图形化的光刻胶层）。
[0116] 图10示出平面图，其示出上部透明晶圆940。如图10所示，上部透明晶圆940具 有按照行和列布置的、与蒸汽单元晶圆742的管芯区810 W及下部透明晶圆516的管芯区 610对应的数个相同的管芯区1010(例如，5mm2)。此外，透明晶圆910具有围绕在每个管芯 区1010外周的数个穿过晶圆的开口 939 W及将焊盘结构934暴露的数个焊盘开口 1012。
[0117] 再次参照图4,在单独地形成下部透明晶圆、蒸汽单元晶圆和上部透明晶圆之后， 该方法400移动到412,将下部透明晶圆阳极键合到蒸汽单元晶圆W形成中间晶圆。阳极 键合W常规方式在惰性气体环境中（例如，氮气）在标准温度和电压下（例如，40(TC和 1OOOV)执行。
[0118] 图11示出截面图，其示出中间晶圆1100的示例。如图11所示，可W从将下部透 明晶圆516阳极键合到蒸汽单元晶圆742得到的中间晶圆1100具有数个管芯区1110,该 数个管芯区1110按照行和列来布置且与蒸汽单元晶圆742的管芯区810和下部透明晶圆 516的管芯区610对应。为了简化，图11只示出一个管芯区1110。
[0119] 如图11进一步所示，中间晶圆1100具有与光学开口 514对应的数个光学开口 1112, W及与蒸汽单元开口 740对应的相应的数个蒸汽单元开口 1114。每个管芯区1110中 的光学开口 1112和蒸汽单元开口 1114被垂直地对齐。
[0120] 返回图4,在下部透明晶圆已经被阳极键合到蒸汽单元晶圆W形成中间晶圆之后， 该方法400移动到414,将可W被紫外线扣V)光分解成碱金属原子和势垒原子的物质（例 女口，叠氮化飽（CsNs))放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中。
[0121] 例如，可W通过W下步骤将叠氮化飽放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中；将叠 氮化飽溶解到水中W形成水溶液，在室温下使用例如微吸液管来将已测量的溶液（例如， IOuU放置到中间晶圆的每个蒸汽单元开口中，并且之后将中间晶圆加热W将液体蒸发， 留下叠氮化飽粉末。
[0122] 在该物质已经被放置到中间晶圆的蒸汽单元开口中之后，该方法400移动到416， 将中间晶圆阳极键合到上部透明晶圆W形成堆叠晶圆，该堆叠晶圆具有带有该物质的数个 蒸汽腔体，W及数个光学开口。叠氮化飽在40(TC是不稳定的，并且在35CTC扩散到玻璃中。 因此，W常规方式在减少的温度下（例如，30(TC)并且在惰性气体环境中（例如，氮气）W 增加的键合时间执行阳极键合。减少的温度要求较高的电压。然而，较薄的晶圆要求较低 的电压。因此，也可W使用标准电压1000V。
[0123] 图12示出截面图，其示出堆叠晶圆1200。如图12所示，可W从将上部透明晶圆 940阳极键合到中间晶圆1100而得到的堆叠晶圆1200具有数个管芯区1210,该数个管芯 区1210按照行和列来布置且与中间晶圆1100的管芯区1110 W及透明晶圆910的管芯区 1010对应。为了简化，在图12中只示出一个管芯区1210。
[0124] 如图12进一步所示，堆叠晶圆1200具有与光学开口 1112对应的数个光学开 口 1212, W及由于关闭蒸汽单元开口 1114而得到的对应的数个气密密封的蒸汽单元腔体 1214。在每个管芯区1210中的光学开口 1212和蒸汽单元腔体1214垂直地对齐。此外，物 质1216 (例如，叠氮化飽粉末）被气密密封在每个蒸汽单元腔体1214内。此外，对于175 y m 厚的管芯，最小的焊盘到焊盘的水平间距H大约是375-500 y m。
[0125] 返回参考图4,在中间晶圆已经被阳极键合到上部透明晶圆W形成堆叠晶圆之后， 该方法400移动到418,在室温下用紫外线照射堆叠晶圆大约10或更多小时，该将该物质分 解为具有飽（碱金属）原子和势垒原子的气体。在照射之后，每个腔体1214应具有每立方 厘米大约1〇12-10"个飽原子。
[0126] 如果氮原子被用作势垒原子，氮原子不充足，且在键合期间所使用的惰性气体是 氮气，则阳极键合可W在增加氮原子的数量的压力下进行。然而，最大压力是有限的，因为 太多的氮原子使信号退化（将表示通过外层电子吸收的点的波长的线宽变宽）。
[0127] 在每个蒸汽腔体中形成了气体之后，该方法400移动到420,用常规的拾放机使用 注射器（syringe)来将胶滴放置到每个光学开口的每个角落中。在此之后，该方法400移 动到422,用常规的拾放机将光学封装件（例如，光学封装件250)放置到堆叠晶圆中的每个 光学开口中。
[012引常规的拾放机可W处理最小管芯尺寸大约为200 U m的管芯，并且具有约为50 U m 的开口侧壁到管芯侧壁公差。在光学封装件已经被放置到每个光学开口中并且通过胶滴附 连之后，该方法400移动到424,将堆叠晶圆切割W形成数个蒸汽单元管芯。
[0129] 图13示出截面图，其示出蒸汽单元管芯1300的示例。如图13所示，通过切割堆 叠晶圆1200,使得晶圆银经过上部透明晶圆940的焊盘开口 914,由此形成蒸汽单元管芯 1300。因此，如图13进一步所示，该切割暴露了焊盘结构734,由此使焊盘结构734可用于 后续的引线键合。如图13进一步所示，气体1310位于每个蒸汽单元管芯1300的蒸汽单元 腔体1214内。
[0130] 图14A-14N示出一系列截面图，其示出形成基底管芯的方法的示例。如图14所示， 该方法利用常规形成的P单晶娃晶圆1400,其具有顶表面1400T和底表面1400B。在本示 例中，仅将晶圆1400的一侧抛光。
[0131] 如图14A进一步所示，该方法开始于按照常规方式在晶圆1400的顶侧1400T上形 成图形化的光刻胶层1410。在此之后，如图14B所示，刻蚀晶圆1400的暴露区持续一预定 时间段，W形成数个沟道1412。晶圆1400具有多行和多列相同的管芯区，并且在每个管芯 区中形成沟道1412。为了简化，图14A-14N只示出一个管芯区。
[0132] 每个沟道1412被布局成使在沟道1412N内流动的电流产生的磁场最小化。例如， 每个沟道1412可W各自被布局成长的平行条带，其中交替的末端连接在一起W形成蛇形 图形。一旦形成了沟道1412,按照常规方式（例如，用丙丽）去除图形化的光刻胶层1412。 在此之后，清洗晶圆1400 W去除有机物，例如，使用常规的食人鱼蚀液。
[0133] 在此之后，如图14C所示，在晶圆1400的顶表面1400T上形成氧化物层1414 W衬 垫（line)沟道1412,接着淀积未惨杂的多晶娃层1416。多晶娃层1416被淀积到填满沟道 1412的深度。如图14D所示，一旦形成了多晶娃层1416,就平坦化多晶娃层，直到晶圆1400 的顶表面被暴露W形成加热器元件1422,其可W实现加热器元件280。
[0134] 接下来，如图14E所示，在晶圆1400的顶表面1400T上且在加热器元件1422上形 成图形化的光刻胶层1424。在形成了图形化的光刻胶层1424之后，用P型惨杂剂（例如， 测）来注入P型晶圆1400的暴露区，接着进行推进W形成P阱1426。P阱1426的惨杂剂 浓度大于P晶圆1400的惨杂剂浓度。一旦形成了 P阱1426,就按照常规方式（例如，用丙 丽）去除图形化的光刻胶层1424。在此之后，清洗晶圆1400 W去除有机物，例如用常规的 食人鱼蚀液。
[0135] 如图14所示，在清洗晶圆1400 W去除有机物之后，按照常规方式在P单晶娃晶圆 1400上形成图形化的光刻胶层1428。在形成了图形化的光刻胶层1428之后，用n型材料 (例如，磯）W较低的注入能量来注入P单晶娃晶圆1400的暴露区，并且进行推进W在每个 P阱1426中形成n型区1430。
[0136] 在本示例中，接下来W较低的注入能量来注入n型惨杂剂，并且进行推进W形成 与n型区1430接触的n+接触区1432。在形成了 n+接触区1432之后，按照常规方式（例 女口，使用丙丽）去除图形化的光刻胶层1428。在此之后，清洗晶圆1400 W去除有机物，例如 使用常规的食人鱼蚀液。
[0137] 如图14G所示，在清洗了晶圆1400 W去除有机物之后，按照常规方式在P单晶娃 晶圆1400上形成图形化的光刻胶层1433。在形成了图形化的光刻胶层1433之后，使用P 型材料（例如，测）来注入P单晶娃晶圆1400的暴露区，并且进行推进W形成与P阱1426 接触的P+接触区1434, W及形成温度感测二极管1435,该温度感测二极管1435可W实现 温度传感器282。之后按照常规方式（例如，使用丙丽）去除图形化的光刻胶层1433。在 此之后，清洗晶圆1400 W去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。
[0138] 如图14H所示，在去除了图形化的光刻胶层1433之后，按照常规方式在晶圆1400、 加热器元件1422和二极管1435的顶表面1400T上形成图形化的光刻胶层1436。在形成了 图形化的光刻胶层1436之后，刻蚀P晶圆1400的暴露区持续一预定时间段，W形成第一开 口 1440 和第二开口 1442。
[0139] 之后按照常规方式（例如，使用丙丽）去除图形化的光刻胶层1436。在此之后， 清洗晶圆1400 W去除有机物，例如使用常规的食人鱼蚀液。如果第一开口 1440和第二开 口 1442要求不同的深度，则可W在分开的掩膜和刻蚀步骤中形成第一开口 1440和第二开 口 1442,而不是同时形成。
[0140] 在此之后，如图141所示，借助常规的拾放机使用注射器来将数个胶滴1446插入 到第一开口 1440和第二开口 1442中。在此之后，借助常规的拾放机将VCSEL286和集成电 路290分别放置到开口 1440和开口 1442中，并且通过胶滴1446将它们分别附连到开口 1440 和 1442。
[014。 如图14J所示，在将VCSEL286和集成电路290分别放置到并且附连到开口 1440 和开口 1442之后，形成聚合物层（例如，SU-8)，使其接触晶圆1400的顶表面1400T，填充 开口 1440和1442的剩下区域，并且位于VCSEL286和集成电路290上方。
[0142] 之后用图形来暴露聚合物层，并且将其固化W形成基本上平坦的非导电结构 1450。该图形在非导电结构1450中形成数个开口，包括加热器元件开口 1452-1、温度传感 器二极管开口 1452-2、用于由VCSEL286输出的光的激光开口 1452-3、将VCSEL286的外部 焊盘暴露的数个第一操作开口 1452-4、W及将集成电路290的外部焊盘暴露的数个第二操 作开口 1452-5。
[0143] 如图14K所示，在形成了非导电结构1450之后，淀积巧晶层1460,使其接触非导电 结构1450和加热器元件1422的暴露区、n+接触区1432、p+接触区1434、VCS化286的外部 焊盘W及集成电路290的外部焊盘。例如，巧晶层1460可W通过淀积300A的铁、3000A 的铜和300A的铁来形成。一旦形成了巧晶层1460,就在巧晶层1460的顶表面上形成电 锻模子1462。
[0144] 如图1化所示，在形成了电锻模子1462之后，顶部铁层被剥离并且电锻铜W形成 数个金属-1迹线1464。如图14M所示，在电锻之后，去除电锻模子1462和下面的巧晶层 1460 W暴露金属-1迹线1464。
[014引如图14N所示，在形成了金属-1迹线1464之后，在非导电结构1450和金属-1迹 线1464上形成纯化层1466。可W按照数种方式形成纯化层1466。例如，可W使用氧化物 层和上覆的氮化物层来实现纯化层1466,接着进行刻蚀W暴露VCSEL286的激光开口 W及 金属-1迹线1464的用作焊盘的区域。
[0146] 替换地，可W淀积聚合物层（例如，SU-8)，使用图形来暴露，并且之后进行固化W 形成纯化层1466。该图形在纯化层1466中形成数个开口，包括暴露VCSEL286的激光开口 W及金属-1迹线1464的用作焊盘的区域的开口。
[0147] 如图14N所示，纯化层1466的形成形成了基底晶圆1470。（可选地，可W使用掩 模和刻蚀步骤在纯化层1466的顶表面中刻蚀浅的胶合物沟道。）在此之后，按照常规方式 切割基底晶圆1470, W分离管芯区，并且形成数个基底管芯1472。
[0148] 图15A-15B示出一系列截面图，其示出形成微制造的原子磁力仪的方法的示例。 如图15A所示，该方法开始于将粘合剂1510液滴（例如，胶合物或管芯附连材料）放置到基 底管芯1472的顶表面1512上，接下来使用常规的拾放机将蒸汽单元管芯1300放置到粘合 剂1510上。粘合剂1510均不位于光学封装件250正下方，并且将蒸汽单元管芯1300附连 到基底管芯1472。如图15A进一步所示，VCS化286、光学封装件250和蒸汽单元腔体1214 被垂直对齐。
[0149] 如图15B所示，在已经将蒸汽单元腔体1214附连到基底管芯1476之后，在纯化层 926上在蒸汽单元腔体1214正上方放置透明环氧树脂1514,并且在焊盘结构934的暴露区 上放置焊球1516。透明环氧树脂1514具有高粘性，并且用于确保透明材料与纯化层340和 936接触，并且透明环氧树脂1514垂直地位于n型区328和蒸汽单元腔体1214之间。在此 之后，通过焊料回流将光电检测器管芯342附连到作为倒装芯片的蒸汽单元管芯1300, W 形成微制造的原子磁力仪1520。
[0150] 之后，将微制造的原子磁力仪1520附连到引线框架的管芯附连支板（paddle),并 且在焊盘结构294B、734和936之间W及在原子磁力仪1520和引线框架之间添加焊线。之 后，将引线框架放置到管芯模子中，并且使用模塑化合物来包封，模塑化合物还提供了针对 光电检测器管芯和蒸汽单元管芯1300之间的空间的底部填充。
[0151] 图16示出截面图，其示出形成下部透明晶圆的替换方法的示例。该方法利用厚度 大约为200-300 ym的透明晶圆1610。透明晶圆1610具有顶表面1610T和底表面1610B， 并且可W使用例如，Corning Eagle XG?或Pyrex?玻璃产品或Schott Borofloat?玻璃产 品来实现。
[0152] 如图16所示，该方法开始于淀积常规的四分之一波长板材料1612的薄膜，接下来 淀积常规的偏振器材料1614的薄膜。在此之后，淀积常规的线性衰减器材料1616的薄膜， W形成下部透明晶圆1620。
[0153] 四分之一波长板层1612具有例如，223. 59皿、1117. 94nm或2012. 29nm的厚度（针 对叠氮化飽的光的四分之一波长巧94. 35nm)加上针对叠氮化飽的光的波长的整数（包括 〇))。之后将底表面1610B阳极键合到晶圆742而不是晶圆516。下部透明晶圆1620的其 中一个优势是，可W消除用于形成光学开口所需的掩膜和刻蚀步骤W及用于将光学封装件 附连到下部透明晶圆所需的拾放步骤。
[0154] 因此，已经描述了微制造的原子磁力仪W及形成微制造的原子磁力仪的方法。本 发明的其中一个优势是，本发明提供了允许W常规的集成电路制造设施来量产原子磁力仪 的形成原子磁力仪的方法。
[0155] 因此，实现本发明显著减少了原子磁力仪的成本。本发明的另一个优势是原子磁 力仪的小尺寸。因此，与常规的磁力仪相比，本发明允许将原子磁力仪整合到更多的应用 中。
[0156] 应当理解，上面的描述是本发明的示例，并且在实施本发明时可W采用在此描述 的本发明的各种替换。因此，宗旨是，所附权利要求限定本发明的范围，且该些权利要求及 其等价物的范围内的结构和方法由此被覆盖。
【权利要求】
1 ?一种磁力仪，其包含： 蒸汽单元管芯，其具有衬底以及接触所述衬底的蒸汽腔体，所述蒸汽腔体被气密密封； 以及 附连到所述蒸汽单元管芯的基底管芯，所述基底管芯具有衬底、附连到所述基底管芯 的所述衬底的激光源以及附连到所述基底管芯的所述衬底的集成电路，所述集成电路电气 连接到所述激光源。
2. 根据权利要求1所述的磁力仪，其包含附连到所述蒸汽单元管芯的光电检测管芯， 所述光电检测管芯具有衬底以及接触所述光电检测管芯的所述衬底的光电二极管， 所述激光源、所述蒸汽腔体和所述光电二极管被垂直地对齐。
3. 根据权利要求2所述的磁力仪，其进一步包含所述蒸汽腔体内的气体，所述气体包 括碱金属原子和缓冲原子。
4. 根据权利要去2所述的磁力仪，其进一步包含焊料区域，所述焊料区域将所述蒸汽 单元管芯在物理上和电气上附连到所述光电检测管芯。
5. 根据权利要求2所述的磁力仪，其中所述蒸汽单元管芯包括： 具有顶表面和底表面的下部透明结构； 具有顶表面和底表面的蒸汽单元结构，所述蒸汽单元结构的所述底表面键合到所述下 部透明结构的所述顶表面，所述下部透明结构的所述顶表面形成所述蒸汽腔体的底表面； 以及 上部透明结构，其具有被键合到所述蒸汽单元结构的顶表面的底表面，所述上部透明 结构的所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
6. 根据权利要求5所述的磁力仪，其进一步包含附连到所述下部透明结构的光学封装 件。
7. 根据权利要求5所述的磁力仪，其中所述下部透明结构包括： 玻璃层； 四分之一波长板材料层，其接触所述玻璃层；以及 偏振器材料层，其接触所述四分之一波长板材料。
8. 根据权利要求7所述的磁力仪，其中所述下部透明结构进一步包括衰减器材料层， 所述衰减器材料层接触所述偏振器材料层。
9. 一种堆叠晶圆，其包括： 下部透明晶圆，其具有顶表面和底表面； 蒸汽单元晶圆，其具有顶表面、底表面、衬底和接触所述衬底的蒸汽腔体，所述蒸汽单 元晶圆的所述底表面被键合到所述下部透明晶圆的所述顶表面，所述下部透明晶圆的所述 顶表面形成所述蒸汽腔体的底表面；以及 上部透明晶圆，其具有被键合到所述蒸汽单元晶圆的所述顶表面的底表面，所述上部 透明层的所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
10. 根据权利要求9所述的堆叠晶圆，其进一步包含附连到所述下部透明层的光学封 装件。
11. 根据权利要求9所述的堆叠晶圆，其中所述下部透明层包括： 玻璃层； 四分之一波长板材料层，其接触所述玻璃层；以及 偏振器材料层，其接触所述四分之一波长板材料。
12. 根据权利要求11所述的堆叠晶圆，其中所述下部透明层进一步包括接触所述偏振 器材料层的衰减器材料层。
13. -种形成磁力仪的方法，其包括： 形成完全延伸穿过蒸汽单元晶圆的开口；以及 将下部透明晶圆键合到所述蒸汽单元晶圆，所述下部透明晶圆具有顶表面，所述顶表 面形成所述开口的底表面。
14. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包含在所述开口中放置物质，使该物质接 触所述开口的所述底表面。
15. 根据权利要求14所述的方法，其进一步包含将上部透明晶圆键合到所述蒸汽单元 晶圆，以关闭所述开口并且形成具有蒸汽腔体的堆叠晶圆，所述上部透明晶圆具有底表面， 所述底表面形成所述蒸汽腔体的顶表面。
16. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包含照射所述蒸汽腔体以将所述物质分解 为气体，所述气体具有碱金属原子和势垒原子。
17. 根据权利要求16所述的方法，其进一步包含将光学封装件附连到所述下部透明晶 圆。
18. 根据权利要求16所述的方法，其进一步包含切割所述堆叠晶圆，以形成多个蒸汽 单元结构。
19. 根据权利要去18所述的方法，其进一步包含将基底管芯附连到蒸汽单元结构，所 述基底管芯具有衬底、附连到所述基底管芯的所述衬底的激光源和附连到所述基底管芯的 所述衬底的集成电路，所述激光源输出光，所述光进入到所述蒸汽腔体中，所述集成电路电 气连接到所述激光源。
20. 根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将光电检测管芯附连到所述蒸汽单元 结构，所述光电检测管芯具有衬底以及接触所述衬底的光电二极管，所述光电二极管接收 离开所述蒸汽腔体的光。
【文档编号】G01R33/02GK104335060SQ201280060708
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月7日
【发明者】W·弗兰茨, P·林多弗, P·J·霍波, P·罗兹宾, A·J·韦斯特, B·J·R·舒勒尔 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司