Aufbau einer mit Reaktivgas gefüllten, hochgenauen Atomresonanzzelle mittels Ionenimplantation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Erstellung einer hermetisch dichten, beheizbaren, mikromechanisch gefertigten Zelle, die mit Cäsium oder Rubidium gefüllt ist um damit das Herzstück einer optisch betriebenen miniaturisierten Atomuhr nach dem Prinzip des „Coherent Population Trapping“ aufzubauen. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sollte als Befüllmethode die Ionenimplantation verwendet werden, um damit ein halbleiterkompatibles und kostengünstiges Verfahren zu etablieren. Es gelang in diesem Projekt, sowohl Cäsium als auch Rubidium in hohen Dosen zu implantieren und deren Ausdiffusion aus Silicium bei Temperaturen ab 500 °C nachzuweisen. Dabei konnte als neuartiger Effekt eine Segregation der Alkalielemente am Übergang zwischen amorphem und kristallinem Silicium nachgewiesen werden, welche während der epitaktischen Rekristallisation zu deren Umverteilung in Silicium führt. Dieser Effekt begünstigt die gewünschte Ausdiffusion aus den implantierten Siliciumbereichen heraus. Ferner gelang es, hermetisch dichte, optisch transparente Zellen mit innenliegenden implantierten Flächen aufzubauen. Diese Zellen wurden nachfolgend einem Ausdiffusionsschritt bei ca. 550 – 650 °C unterzogen. Entgegen den Erwartungen ließ sich trotz intensiver Versuche bisher kein freies Alkaligas in diesen Zellen nachweisen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zwei Effekte zu diesem Ergebnis beitragen könnten: zum einen gibt es Anzeichen, dass die verwendeten Borosilikatgläser selbst eine Senke für die Alkaliatome darstellen. Zwischenzeitlich bekannt gewordene Ergebnisse einer Schweizer Gruppe deuten ein ähnliches Ergebnis an. Zum anderen gibt es den Verdacht, dass der Sauerstoff des natürlichen Siliciumdioxides an den Oberflächen ebenfalls mit Cäsium oder Rubidium reagieren könnte und dieses bindet und wegfängt. Versuche mit siliciumnitridbedeckten Glasoberflächen führten bisher auch nicht zum erhofften Erfolg. Als Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen wird nach gegenwärtigem Stand eine glasfreie Zellenlösung angestrebt. Diese könnte entweder nur aus Silicium mit dünngeätzten optisch transparenten Si-Membranen bestehen oder aus den gleichen Materialien mit dünnen Siliciumnitridmembranen als optische Fenster. Diese Ansätze konnten im Rahmen des bisherigen Projektes nur in allerersten Versuchen verfolgt werden und könnten Gegenstand eines Verlängerungsvorhabens sein. Weiterhin gelang es in diesem Projekt, eine optisch transparente homogene Beheizung in den optischen Fenstern auf Basis von ITO aufzubauen. Die Geometrie der Widerstandsstruktur konnte im Sinne einer gleichmäßigen Temperaturverteilung optimiert werden. Um eine glasfreie hermetische Verbindung der Wafer realisieren zu können, wurden zwei Bondverfahren näher untersucht. Zum einen ein anodischer Bond mit vergrabenem Glas, das in vorher geätzte Kavitäten in Silicium eingesintert wurde. Zum anderen wurde ein sog. Trans-Liquid-Phase-Verfahren auf der Basis von Indium und Silber untersucht, das den Vorzug hat, bereits bei 200 °C einen hermetisch dichten Bond zu erlauben, der bis 650 °C stabil ist. Damit passt dieses Verfahren gut zu den benötigten Temperaturen für die Ausdiffusion der Alkaliatome. Letzteres Verfahren wird für zukünftige glasfreie Zellen nun favorisiert. Zur gezielten Befüllung der Zelle mit gewünschten Gasgemischen (typischerweise N 2/Ar) wurde an der Bondmaschine eine Gasmischanlage aufgebaut und erfolgreich getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DE 102007034963 A1 - Zelle mit einer Kavität und einer die Kavität umgebenden Wandung, Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zelle, deren Verwendung und Wandung mit einer darin ausbildbaren Ausnehmung; Anmeldung: 26.07.2007, Patenterteilung: 22.09.2011
Dr. Feili Dara, Dr. Schmid Ulrich, Prof. Schütze Andreas, Prof. Seidel Helmut, Henning Völlm
- Transparent ITO thin film heaters for spectroscopic microcells; Smart systems integration 2011 / 5th European Conference & Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems - MEMS, MOEMS, ICs and Electronic Components, Dresden, Germany, 22-23 March 2011; Berlin, VDE-Verl., S. 104
H. Völlm, J. Herrmann, D. Feili, H. Seidel
- Solidphase epitaxy of silicon amorphized by implantation of the alkali elements rubidium and cesium; AIP Conference Proceedings 1496, 276; 2012
R. Maier, V. Häublein, H. Ryssel, H. Völlm, D. Feili, H. Seidel, L. Frey
- Temperature controlled transparent micro chambers; Smart Systems Integration, Zürich, pp 93, ISBN 978-3-8007-3423-8; 2012
H. Völlm, D. Feili, H. Seidel
- Simulation and design optimization of transparent heaters for spectroscopic micro cells; Proc. SPIE 8763, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VI, 87632C, 2013
H. Völlm, J. Herrmann, R. Maier, D. Feili, V. Häublein, H. Ryssel, H. Seidel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2017166)
