特許 6118814 微細加工された原子マグネトメータ及び形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6118814

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】微細加工された原子マグネトメータ及び形成方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/032 20060101AFI20170410BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/032

【請求項の数】15

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2014-546135(P2014-546135)

(86)(22)【出願日】2012年12月7日

(65)【公表番号】特表2015-500486(P2015-500486A)

(43)【公表日】2015年1月5日

(86)【国際出願番号】US2012068517

(87)【国際公開番号】WO2013086374

(87)【国際公開日】20130613

【審査請求日】2015年12月7日

(31)【優先権主張番号】13/314,097

(32)【優先日】2011年12月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390020248

【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】ウィリアム フレンチ

(72)【発明者】

【氏名】フィリップ リンドルファー

(72)【発明者】

【氏名】ピーター ジェイ ホッパー

(72)【発明者】

【氏名】パルサ ルーズベ

(72)【発明者】

【氏名】アンドリュー ジェイ ウエスト

(72)【発明者】

【氏名】ブリオン ジョン ロデリック シュルヴァー

【審査官】 永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第７８２６０６５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００９−１０５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１１０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６６２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１６７６１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０３２

Ｇ０１Ｒ ３３／２６

Ｇ０１Ｎ ２４／００

Ｈ０１Ｓ ５／０４

Ｈ０１Ｓ ５／２０

Ｈ０１Ｓ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マグネトメータであって、
頂部表面と底部表面とを有し、光を受信して変調するように構成される蒸気セルダイであって、蒸気キャビティを有し、前記蒸気キャビティ内に密閉するように封印される気体を収容する、前記蒸気セルダイと、
頂部表面と底部表面とを有するベースダイであって、前記ベースダイの前記頂部表面が前記蒸気セルダイの前記底部表面に結合され、前記ベースダイが光ビームを提供するレーザ光源を含むように構成され、光ビーム出力の縦軸がフォトダイオードと前記蒸気キャビティとに垂直に一直線上に揃えられる、前記ベースダイと、
頂部表面と底部表面とを有するフォト検出ダイであって、前記フォト検出ダイの前記底部表面が前記蒸気セルダイの前記頂部表面に結合され、変調された光を受信するように構成されてその後に受信光の振幅を示す光信号を発生するフォトダイオードを有する、前記フォト検出ダイと、
を含み、
前記蒸気セルダイが、
頂部表面と底部表面とを有する下側透明構造であって、前記下側透明構造の前記底部表面が前記下側透明構造の前記底部表面から延びる開口を有する、前記下側透明構造と、
頂部表面と底部表面とを有する蒸気セル構造であって、前記蒸気セル構造の前記底部表面が前記下側透明構造の前記頂部表面の一部に接合され、前記下側透明構造の前記頂部表面が前記蒸気キャビティの底部表面を形成し、前記蒸気キャビティの垂直なサイドウォール表面を実質的に形成するように前記蒸気キャビティが前記蒸気セル構造を通過して全面的に延びる、前記蒸気セル構造と、
頂部表面と底部表面とを有する上側透明構造であって、前記上側透明構造の前記底部表面の一部が前記蒸気セル構造の前記頂部表面に接合され、前記上側透明構造の前記底部表面が前記蒸気キャビティの頂部表面を形成する、前記上側透明構造と、
を更に含み、
前記上側透明構造が、
複数のボンドパッド領域を含み、前記上側透明構造の前記頂部表面に接する、複数の金属トレースと、
前記上側透明構造の前記頂部表面と前記金属トレースとに接し、非導電性で水分耐性であり、前記複数のボンドパッド領域を露出する複数の開口を有する、パッシベーション層と、
を更に含む、マグネトメータ。

【請求項2】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セルダイ内の前記気体が、窒素と、ルビジウムＲｂ又はセシウムＣｓのグループから選択されたアルカリ原子との混合物である、マグネトメータ。

【請求項3】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セルダイが前記蒸気セル構造に接する複数の加熱器ストリップを含み、前記加熱器ストリップが前記加熱器ストリップに流れる電流により発生される磁場を最小化するように構成される、マグネトメータ。

【請求項4】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記下側透明構造が、
前記下側透明構造内の前記開口の前記頂部表面に取り付けられる光学パッケージを更に含み、
前記光学パッケージが、前記ベースダイ内の前記レーザー光源から受信した光に応答して環状に偏光された光を出力するように構成され、前記光学パッケージが、減衰器と線形偏光器と４分の１波長板環状偏光器とを含む、マグネトメータ。

【請求項5】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セルダイが、前記蒸気セル構造に接して前記蒸気キャビティに隣接して横たわる温度センサストリップを有し、前記温度センサストリップが、前記温度センサストリップを介して流れる電流により発生される磁場を最小化するように構成される、マグネトメータ。

【請求項6】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記下側透明構造が、
ガラス層と、
前記ガラス層に接する４分の１波長プレート材料の層と、
前記４分の１波長プレート材料に接する偏光器材料の層と、
前記偏光器材料の層に接する減衰器材料の層と、
を含む、マグネトメータ。

【請求項7】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記ベースダイが、
頂部表面と底部表面とを有する半導体基板であって、前記頂部表面が垂直キャビティ表面放射レーザＶＣＳＥＬ開口とダイ開口とを有し、各開口が前記半導体基板の前記頂部表面から前記半導体基板の中に延び、前記ＶＣＳＥＬ及びダイ開口の各々が底部表面とサイドウォール表面とを有する、前記半導体基板と、
前記半導体基板の前記頂部表面に接する加熱器であって、
前記半導体基板の前記頂部表面に接する絶縁層と、
前記絶縁層の頂部表面に接する非ドープポリシリコンと、
を含み、
前記加熱器を介して流れる電流により発生される磁場を最小化するように構成される、前記加熱器と、
前記半導体基板の前記頂部表面に接し、ダイオードを用いて実装される温度センサであって、ダイオード電流が前記ダイオードの温度に応答して変化するように構成される、前記温度センサと、
前記ＶＣＳＥＬ開口の前記底部表面に取り付けられ、前記半導体基板の前記頂部表面から垂直に上方に延びるレーザ光を提供するように構成されるＶＣＳＥＬと、
前記ダイ開口の前記底部表面に取り付けられ、前記加熱器を介して流れる電流を制御し、前記温度センサの温度の出力を検出し、前記ＶＣＳＥＬを制御する、集積回路と、
前記半導体基板の前記頂部表面に接する相互接続と、
を更に含み、
前記相互接続が、
前記半導体基板の前記頂部表面に接し、前記ＶＣＳＥＬのレーザ光出力を露出する前記ＶＣＳＥＬ上に位置する開口を有する非導電性構造と、
前記加熱器と前記温度センサと前記ＶＣＳＥＬと前記集積回路との電気的接触を形成するために前記非導電性構造を介して延びる複数のコンタクトと、
前記非導電性構造上に横たわって前記複数のコンタクトに接する金属構造であって、前記加熱器と前記温度センサと前記ＶＣＳＥＬと前記集積回路とを相互接続し、複数のパッドを含む、前記金属構造と、
前記非導電性構造と前記金属構造とを覆うパッシベーション層であって、電気的接続のために前記複数のパッドを露出する複数の開口を含み、前記ＶＣＳＥＬの前記レーザ光出力を露出する開口を含む、前記パッシベーション層と、
を更に含む、マグネトメータ。

【請求項8】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記フォト検出ダイが、
頂部表面と底部表面とを有するｐ−型単結晶半導体基板と、
前記半導体基板の前記頂部表面に接するフォトダイオードであって、
前記半導体基板に接するｐ−ウェルと、
前記ｐ−ウェルに接するｎ−領域と、
前記ｐ−ウェルに接するｐ＋コンタクト領域と、
前記ｎ−領域に接するｎ＋コンタクト領域と、
を含み、前記ｐ−ウェルが、前記ｐ−半導体基板の不純物濃度よりも大きい不純物濃度を有する、前記フォトダイオードと、
前記半導体基板内の前記半導体基板上に形成される複数の回路要素であって、トランジスタと抵抗器とキャパシタとダイオードとを含み、光信号を発生するために前記フォトダイオードを制御して前記フォトダイオードに対する信号を増幅する電子回路を形成するように構成される、前記複数の回路要素と、
前記半導体基板の前記頂部表面と前記複数の回路要素とに接する相互接続構造と、
を更に含み、
前記相互接続構造が、
前記半導体基板の前記頂部表面に接し、複数のコンタクト開口を含む非導電性構造であって、前記コンタクト開口が前記非導電性構造を介して延びる、前記非導電性構造と、
前記フォトダイオードの前記ｐ＋領域及びｎ＋領域と前記回路要素の導電性領域との電気的接続を形成するために前記非導電性構造内の前記複数のコンタクト開口を介して延びる複数のコンタクトと、
前記非導電性構造上に横たわって前記複数のコンタクトに接する複数の金属構造であって、複数のパッドを含む、前記複数の金属構造と、
前記非導電性構造と前記複数の金属構造とを覆うパッシベーション層であって、前記パッシベーション層が非導電性で水分耐性であり、前記パッシベーション層が前記複数の金属構造上に含まれる前記複数のパッドを露出する複数の開口を有する、前記パッシベーション層と、
を更に含む、マグネトメータ。

【請求項9】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記下側及び上側透明構造がナトリウムイオン不純物を含むガラス内に実装され、前記ナトリウムイオン不純物が単結晶シリコンに対する陽極接合に適する前記ガラスを作るために含まれる、マグネトメータ。

【請求項10】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セルダイが、前記蒸気セルダイの前記頂部表面上のパッシベーション層と前フォト検出ダイの前記頂部表面上のパッシベーション層とに接する透明エポキシで前記フォト検出ダイに取り付けられ、複数の半田ボールが前記フォト検出ダイの金属構造を前記蒸気セルダイのボンドパッド構造に電気的に結合するように構成される、マグネトメータ。

【請求項11】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セルダイが、前記ベースダイの前記頂部表面上のパッシベーション層と開口を囲む前記蒸気セルダイの前記底部表面の一部とに接する従来のグルー又はダイ取り付け接着剤を用いて前記ベースダイに取り付けられる、マグネトメータ。

【請求項12】

請求項１に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セル構造が０．７２５から１ｍｍの間の厚さのｐ−型単結晶シリコンで構成される、マグネトメータ。

【請求項13】

請求項１２に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気セル構造の前記頂部表面の部分が、抵抗加熱器ストリップと抵抗温度センサストリップとを形成するためにｎ＋不純物を用いて実装される、マグネトメータ。

【請求項14】

請求項１３に記載のマグネトメータであって、
ボンドパッド構造が前記加熱器ストリップと前記温度センサストリップとの各々の端部に接してその上に横たわるように形成される、マグネトメータ。

【請求項15】

請求項１３に記載のマグネトメータであって、
前記蒸気キャビティがおよそ１ｍｍの幅を有する、マグネトメータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、原子マグネトメータに関し、より特定的には、微細加工された原子マグネトメータ及びそのマグネトメータの形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

原子マグネトメータは、ラーモア周波数として知られる周波数を決定することによって磁場の強度を測定するデバイスである。ラーモア周波数は、磁場に応答して歳差運動するアルカリ原子の同相のスピンする外殻電子を含む族の磁気モーメントの周波数である。磁場強度Ｂは、式Ｂ＝ｈｖ_L／γによって定義される。ここで、ｈはプランク定数、ｈｖ_Ｌはラーモア周波数、及びγは磁気回転比（例えば、^８７Ｒｂについては７Ｈｚ／ｎＴ、及びＣｓについては３．５Ｈｚ／ｎＴ）である。

【0003】

図１は、従来技術の原子マグネトメータ１００の例を示すブロック図を示す。図１に示すように、原子マグネトメータ１００は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１１０、及びＶＣＳＥＬ１１０の上に位置する光学パッケージ１１２を含む。また、原子マグネトメータ１００は、光学パッケージ１１２の上に位置する蒸気セル１１４、及び蒸気セル１１４の上に位置する光検知器１１６を含む。

【0004】

また、蒸気セル１１４は気体１１８を含み、気体１１８は、外殻に単一電子を有するアルカリ原子、及びアルカリ原子と蒸気セル１１４の内面との衝突を低減するバッファ原子を含む。例えば、蒸気セル気体は、一般的に、^８５Ｒｂ原子、^８７Ｒｂ原子、Ｋ、及びＣｓ原子等のアルカリ原子、及びＮ_２等のバッファ原子を用いて実装される。また、原子マグネトメータ１００は、蒸気セル１１４の下と上に位置する下側コイル１２０及び上側コイル１２２を随意的に含み得る。

【0005】

動作において、ＶＣＳＥＬ１１０は光を出力し、この光は、光学パッケージ１１２によって減衰及び円偏光される。光学パッケージ１１２によって出力された円偏光された光は、その後、蒸気セル１１４に向けられる。ＶＣＳＥＬ１１０によって出力された光は周波数に同調され、これは、円偏光されると、蒸気セル１１４内に含まれる気体１１８のアルカリ原子の外殻の単一電子によって吸収される。

【0006】

例えば、ＶＣＳＥＬ１１０は７９４．８ｎｍの波長で光を出力するように同調され得、この光は、円偏光された後、^８７Ｒｂ原子の外殻の単一電子によって吸収される。或いは、ＶＣＳＥＬ１１０は波長８９４．３５ｎｍの光を出力するように同調され得、この光は、円偏光された後、Ｃｓ原子の外殻の単一電子によって吸収される。

【0007】

アルカリ原子の外殻の単一電子が光エネルギーを吸収すると、電子がより高いエネルギー準位に遷移し、その後、外殻に関連する多くのエネルギー準位（超微細エネルギー準位内のゼーマンサブレベル）の１つに降下する。電子がどの状態となるのかが量子選択規則によって厳密に定義される。電子が右側の円偏光された光を吸収する場合、電子はより高いエネルギー準位まで上昇し、一方、電子の投射数Ｍは、＋１だけ上がる。

【0008】

降下するときに、電子は光子をランダム方向に放射し、常に、外殻に関連する最高のエネルギー準位まで降下する。また、電子が降下するとき、電子の投射数Ｍは、−１、０、又は＋１だけ、ランダムに変化する。

【0009】

従って、このような事象が同じ電子に多数発生する場合、電子がより高い状態に行く毎に電子の投射数Ｍは常に＋１である。しかしながら、電子は基底状態まで降下するので、平均して、電子の投射数Ｍの変化はゼロである。その結果、電子は結果的に基底状態の最高のＭ準位に到達する。検討下の気体では、基底状態Ｓ_１／２及び上昇されたＰ_１／２（又はＰ_３／２）状態はいずれもＭ準位について同じ数を有する。従って、電子が基底状態の最高のＭ準位に到達すると、励起された状態ではそれより高いＭ準位が存在しないので、電子を上昇（ｐｕｍｐ）させることができない。

【0010】

光を再び再吸収するためには、基底状態のＭ準位における母数を下げ（ｄｅｐｕｍｐ）0なければならない。付加的なエネルギー（磁気的又は光学的）は、ラーモア周波数と呼ばれる周波数で電子に供給されなければならない。ラーモア周波数の付加的なエネルギーは、最高の基底状態Ｍ準位の電子をより低いＭ準位へ降下させ、このより低いＭ準位は、電子が再び光エネルギーを吸収することができる準位である、外殻に関連する。

【0011】

このように、蒸気セル１１４を通過して出て光検知器１１６に入る光子は、ＶＣＳＥＬ１１０により出力され蒸気セル１１４内の気体１１８の外殻の電子によって吸収されなかった光を表す非吸収成分と、降下する電子によってランダムに放射された光子を表す発光成分とを含む。光検知器１１６は、これらの光子を検出し、非吸収成分及び発光成分の両方を有する出力信号を生成する。

【0012】

ラーモア周波数で付加的エネルギーを付加するための一般的なアプローチの２つは、Ｂｅｌｌ−Ｂｌｏｏｍ（ＢＢ）技法及びＭ_Ｘ技法である。ＢＢ技法では、ＶＣＳＥＬ１１０によって出力された光が、周波数帯域を横断してスイープされる周波数によって変調される。ＶＣＳＥＬ１１０により出力された光がラーモア周波数で周波数変調されると、電子は、より低いエネルギー準位に降下し、光エネルギーを再び吸収し始め、これは、光検知器１１６によって受け取られる光の強度に認識可能なディップを発生させる。このように、受け取られる光の強度をディップさせた変調周波数を決定することによってラーモア周波数が決定され得る。

【0013】

Ｍ_Ｘ技法では、ＲＦ信号が下側コイル１２０及び上側コイル１２２に印加されて、ＶＣＳＥＬ１１０によって放射される光の長軸に整合された交番磁場を生成し、ＲＦ信号の周波数は周波数帯域を横断してスイープされる。ＲＦ信号の周波数がラーモア周波数に等しくなると、電子は、より低いエネルギー準位に降下し、光エネルギーを再度吸収し始め、これは、光検知器１１６によって受け取られる光の強度に認識可能なディップを発生させる。このように、ラーモア周波数は、受け取られる光の強度をディップさせたＲＦ周波数を決定することによって決定され得る。

【発明の概要】

【0014】

従来の原子マグネトメータの欠点の２つはサイズとコストであり、それらは、原子マグネトメータが商用に利用され得る用途の種類を制限する。従って、従来の集積回路製造施設で大量生産可能であり、その結果サイズとコストの両方を低減し、原子マグネトメータが商用に利用され得る用途の種類を著しく増加させる、微細加工された原子マグネトメータが必要とされている。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来技術の原子マグネトメータ１００の例を示すブロック図である。

【0016】

【図2】微細加工された原子マグネトメータ２００の例を示す断面図である。

【0017】

【図3A】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図3B】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図3C】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図3D】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図3E】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図3F】光検知器ダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【0018】

【図4】蒸気セルダイを形成する方法の例を示すフローチャートである。

【0019】

【図5A】下側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図5B】下側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【0020】

【図6】下側透明ウエハ５１６を示す平面図である。

【0021】

【図7A】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図7B】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図7C】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図7D】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図7E】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図7F】蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【0022】

【図8】蒸気セルウエハ７４２を示す平面図である。

【0023】

【図9A】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9B】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9C】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9D】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9E】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9F】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9G】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9H】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【図9I】上側透明ウエハを形成する方法の例を示す断面図である。

【0024】

【図10】上側透明ウエハ９４０を示す平面図である。

【0025】

【図11】中間ウエハ１１００の例を示す断面図である。

【0026】

【図12】積層されたウエハ１２００を示す断面図である。

【0027】

【図13】蒸気セルダイ１３００の例を示す断面図である。

【0028】

【図14A】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14B】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14C】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14D】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14E】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14F】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14G】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14H】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14I】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14J】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14K】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14L】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14M】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【図14N】ベースダイを形成する方法の例を示す断面図である。

【0029】

【図15A】微細加工された原子マグネトメータの形成方法の例を示す断面図である。

【図15B】微細加工された原子マグネトメータの形成方法の例を示す断面図である。

【0030】

【図16】下側透明ウエハを形成する代替方法の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図２は、微細加工された原子マグネトメータ２００の例を示す。図２に示すように、原子マグネトメータ２００は、変調された光を受け取り、受け取った光の大きさを表す光信号を生成する光検知ダイ２１０を含む。

【0032】

図２に更に示すように、光検知ダイ２１０は、図２では反転されているが、半導体基板２１２、及び半導体基板２１２に接するフォトダイオード２１４を含む。図２の例では、半導体基板２１２はｐ−単結晶シリコン等の従来の基板材料を用いて実装される。

【0033】

フォトダイオード２１４は、半導体基板２１２に接するｐ−ウェル２２０、及びｐ−ウェル２２０に接するｎ−領域２２２を含む。また、フォトダイオード２１４は、ｐ−ウェル２２０に接するｐ＋コンタクト領域２２４、及びｎ−領域２２２に接するｎ＋コンタクト領域２２６を含む。また、フォトダイオード２１４は、表面再結合を低減するために、ｎ−領域２２２に接する薄いｐ＋表面領域２２８を随意的に含み得る。Ｐ−ウェル２２０は、ｐ−半導体基板２１２のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。

【0034】

また、光検知ダイ２１０は、半導体基板２１２の頂部表面内又は上に形成される多数の回路要素２３０を含む。回路要素２３０は、トランジスタ、レジスタ、キャパシタ、ダイオード、及び同様の回路デバイスを含む。簡略化のため、回路要素２３０を表すために１つのＮＭＯＳトランジスタ２３０のみが示されている。

【0035】

ＮＭＯＳトランジスタ２３０は、ｐ型チャネル２３０Ｃによって離間されたｎ型ソース２３０Ｓ及びｎ型ドレイン２３０Ｄ、チャネル２３０Ｃの上の半導体基板２１２の頂部表面に接するゲート酸化物層２３０Ｘ、及びチャネル２３０Ｃの上のゲート酸化物層２３０Ｘに接するゲート２３０Ｇを有する。回路要素２３０は電気的に接続されると電子回路２３０Ｅを形成し、電子回路２３０Ｅは、フォトダイオード２１４を制御し、且つフォトダイオード２１４から出力された信号を増幅して、光信号を生成する。

【0036】

光検知ダイ２１０は、半導体基板２１２の頂部表面と回路要素２３０とに接する相互接続構造２３２を更に含む。相互接続構造２３２は、非導電構造２３２Ｎ、及びコンタクト２３２Ｃを含む。コンタクト２３２Ｃは、非導電構造２３２Ｎを介して延びて、ｐ＋領域２２４と、ｎ＋領域２２６と、ソース２３０Ｓ、ドレイン２３０Ｄ、ゲート２３０Ｇ等の回路要素２３０の導電領域と電気的接続を作る。

【0037】

また、相互接続構造２３２は多数の金属−１構造２３２Ｍを含み、金属−１構造２３２Ｍは、非導電構造２３２Ｎ上に位置し、コンタクト２３２Ｃに接する。第１の実施形態において、金属−１構造２３２Ｍはボンドパッド構造（外部電気接続のための場所）としてのみ機能し得、そのため、隣接するダイ構造が、フォトダイオード２１４、及び電子回路２３０Ｅの回路要素２３０により要求される電気的相互接続の全てを提供する。

【0038】

或いは、第２の実施形態において、金属−１構造２３２Ｍは、ボンドパッド構造及びトレースとして機能し得る。例えば、ボンドパッド構造は電源及び接地のため、及び電子回路２３０Ｅへ信号を入力及び電子回路２３０Ｅから信号を出力するために用いられ得、トレースは、フォトダイオード２１４と、電子回路２３０Ｅの回路要素２３０とを電気的相互接続するために用いられ得る（相互接続構造２３２は単一の金属層を備えて示されているが、付加的な金属層も用いられ得る）。

【0039】

光検知ダイ２１０は、非導電構造２３２Ｎ及び金属−１構造２３２Ｍを覆うパッシベーション層２３４を随意的に更に含み得る。非導電性及び耐湿性であるパッシベーション層２３４は、金属−１構造２３２Ｍのパッドを露出させる多数の開口２３４Ｐを有する。

【0040】

図２に更に示すように、原子マグネトメータ２００は、また、光を受け取り変調された光を生成する蒸気セルダイ２４０を含む。光検知ダイ２１０に取り付けられる蒸気セルダイ２４０は、フォトダイオード２１４に垂直に整合される蒸気キャビティ２４２、及び蒸気キャビティ２４２内に密閉されている気体２４４を有する。気体２４４は、アルカリ原子及びバッファ原子を含む。例えば、気体２４４は、^８５Ｒｂ原子、^８７Ｒｂ原子、又はＣｓ原子等のアルカリ原子、及びＮ_２等のバッファ原子を用いて実装され得る。

【0041】

また、蒸気セルダイ２４０は透明構造２４６を有し、透明構造２４６は、頂部表面２４６Ｔと、底部表面２４６Ｂと、透明構造２４６の底部表面２４６Ｂから透明構造２４６内に延びる開口２４８とを有する。透明構造２４６の頂部表面２４６Ｔの一部は蒸気キャビティ２４２の底部表面を形成する。

【0042】

この例において、透明構造２４６は、ガラスを単結晶シリコンへの陽極接合に適するようにする、ナトリウムイオン等のイオン性不純物を有するガラスを用いて実装される。例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（商標）又はＰｙｒｅｘ（商標）ガラス製品、又はＳｃｈｏｔｔ Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（商標）ガラス製品が用いられ得る。ガラスは非導電性である。蒸気キャビティ２４２の垂直直下に位置し、蒸気キャビティ２４２から離間して位置する開口２４８は、側壁面２４８Ｓ、及び透明構造２４６の頂部表面２４６Ｔの下に透明構造２４６の頂部表面２４６Ｔから離間して位置する頂部表面２４８Ｔを有する。

【0043】

蒸気セルダイ２４０は更に、開口２４８の頂部表面２４８Ｔに取り付けられる光学パッケージ２５０を含む。光学パッケージ２５０は、光学パッケージ２５０の角に配置される従来のグルー又はダイ取付け接着剤のドロップ２５０Ｇを用いて取り付けられ得る。光学パッケージ２５０は、光源から受け取られた光に応答して、円偏光された光を出力する。光学パッケージ２５０は、円偏光された光を出力する任意の配置を用いて実装され得る。

【0044】

図２の例において、光学パッケージ２５０は、入力光の強度を低減する減衰器２５０Ａ、減衰器２５０Ａから出力された光を線形偏光する線形偏光器２５０Ｌ、及び線形偏光器２５０Ｌから出力された光を円偏光する四分の一波長プレート円偏光器２５０Ｃを含む。

【0045】

光学パッケージ２５０は、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社（www.thorlabs.com）又はＣＶＩ Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ社（www.cvimellesgriot）等の多数の供給元から市販されており、これらは層及び外部の寸法について顧客指定の要件に合わせて光学パッケージを提供している（Ｔｈｏｒｌａｂｓ ＮＥ２２０Ｂは減衰器、Ｔｈｏｒｌａｂｓ ＬＰＶＩＳ１００は線形偏光器、及びＣＶＩ Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ ＱＷＰＯ−８９５−１５−４は円偏光器である）。

【0046】

蒸気セルダイ２４０は更に、透明構造２４６に取り付けられる蒸気セル構造２５１を有する。蒸気セル構造２５１は、基板２５２、及び基板２５２に接する加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂ等の多数の加熱器を有する。基板２５２は、この例では従来のｐ−単結晶シリコンを用いて実装され、蒸気キャビティ２４２の側壁面を形成するように基板２５２を貫通して延びる材料貫通開口２５２Ｐを有する。

【0047】

図２の例において、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂは、各々、基板２５２に接するｎ＋レジスタストリップとして実装され、ｎ＋ストリップを介して流れる電流によって生成される磁場を最小化するようにレイアウトされる。例えば、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂは、蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）パターンを形成するように、交互端が共に接続された長い平行なｎ＋ストリップにレイアウトされ得る。

【0048】

動作において、蒸気キャビティ２４２内の気体２４４を加熱するように、電流が加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂを介して流れる。磁場が適切にキャンセルされる場合、電流は順次流れ得、或いは加熱が必要なときにオンにされ、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂの電流によって提供される干渉を除去するためにオフにされ得る。

【0049】

また、蒸気セルダイ２４０は、基板２５２に接し、ウエハ貫通開口２５２Ｐの近傍に位置する、温度センサ２５６を有する。図２の例において、温度センサ２５６は、基板２５２に接し、ｎ＋ストリップを介して流れる電流によって生成される磁場を最小化するようにレイアウトされる、ｎ＋レジスタストリップとして実装される。例えば、温度センサ２５６は、長いＵ形パターンを形成するように、一対の端部が共に接続された２つの長い平行なｎ＋ストリップにレイアウトされ得る。

【0050】

動作において、電流が温度センサ２５６を介して流れ、蒸気キャビティ２４２の辺りの温度が変動すると、温度センサ２５６の抵抗が変動する。磁場が適切にキャンセルされる場合、電流は順次流れ得、或いは温度測定が必要なときにオンにされ、温度センサ２５６の電流によって提供される干渉を除去するためにオフにされ得る。温度センサ２５６は、実温度の数度の範囲まで正確であり得る。

【0051】

また、蒸気セルダイ２４０は、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂのｎ＋ストリップの端部、及び温度センサ２５６のｎ＋ストリップの端部に接する、多数のボンドパッド構造２５８を有する。例えば、アルミニウムを用いて実装され得るボンドパッド構造２５８は、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂ及び温度センサ２５６への外部電気接続のポイントを提供する。また、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂのｎ＋ストリップの端部、及びボンドパッド構造２５８の下に位置する温度センサ２５６のｎ＋ストリップの端部は、随意的にケイ化され得る。

【0052】

また、蒸気セルダイ２４０は、蒸気セル構造２５１の基板２５２に接する透明構造２６０を有する。透明構造２６０は底部表面２６０Ｂを有し、その一部は、蒸気キャビティ２４２の頂部表面を形成する。この例において、透明構造２６０は、ガラスを単結晶シリコンへの陽極接合に適するようにするナトリウムイオン等のイオン性不純物を有するガラスを用いて実装される。例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（商標）又はＰｙｒｅｘ（商標）ガラス、又はＳｃｈｏｔｔ Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（商標）ガラスが用いられ得る。

【0053】

また、蒸気セルダイ２４０は、透明構造２６０の頂部表面に接する多数の金属トレース２６２、及び透明構造２６０及び金属トレース２６２に接するパッシベーション層２６４を有する。非導電性及び耐湿性であるパッシベーション層２６４は、金属トレース２６２のボンドパッド領域を露出させる多数の開口２６４Ｐを有する。

【0054】

また、蒸気セルダイ２４０は、パッシベーション層２６４及び金属トレース２６２に接する多数のボンドパッド構造２６６と、パッシベーション層２６４及びボンドパッド構造２６６に接するパッシベーション層２６７とを含む。非導電性及び耐湿性であるパッシベーション層２６７は、ボンドパッド構造２６６の領域を露出させる多数の開口２６７Ｐを有する。パッシベーション層２６４及び２６７は随意的に省かれ得る。

【0055】

更に図２に示すように、原子マグネトメータ２００は更に、パッシベーション層２３４及び２６７に接する透明エポキシ２６８と、金属−１構造２３２Ｍをボンドパッド構造２６６に電気的に接続する多数の半田ボール２６９とを含む。金属−１構造２３２Ｍがパッドとしてのみ機能するとき、金属トレース２６２はフォトダイオード２１４及び電子回路２３０Ｅの回路要素２３０によって要求される電気的接続の全てを提供し、更に電子回路２３０Ｅのための外部アクセスのポイントを提供する。金属−１構造２３２Ｍがボンドパッド構造及びトレースとして機能するとき、金属トレース２６２はフリップチップ配向（orientation）に配置される電子回路２３０Ｅのための外部アクセスのポイントを提供する。

【0056】

図２に更に示されるように、原子マグネトメータ２００は、蒸気セルダイ２４０への光出力を生成するベースダイ２７０を更に含む。蒸気セルダイ２４０に取り付けられるベースダイ２７０は、頂部表面２７０Ｔと、底部表面２７０Ｂと、光線Ｂを出力するレーザ光源を露出させるようにダイ２７０の頂部表面２７０Ｔからダイ２７０内に延びる光開口２７２とを有する。

【0057】

また、ベースダイ２７０の頂部表面２７０Ｔは、従来のグルー又はダイ取り付け接着剤の層２７３を用いて、蒸気セルダイ２４０の透明構造２４６に取り付けられる。レーザ光源によって出力される光線Ｂの長軸は、フォトダイオード２１４及び蒸気キャビティ２４２に垂直に整合される。

【0058】

図２に更に示されるように、ベースダイ２７０は、頂部表面２７４Ｔと、ベースダイ２７０の底部表面２７０Ｂに一致する底部表面２７４Ｂを有する半導体基板２７４とを含む。半導体基板２７４は、各々、半導体基板２７４の頂部表面２７４Ｔから半導体基板２７４へ延びる、ＶＣＳＥＬ開口２７６及びダイ開口２７８を有する。

【0059】

ＶＣＳＥＬ開口２７６は、底部表面２７６Ｂ及び側壁面２７６Ｓを有し、ダイ開口２７８は底部表面２７８Ｂ及び側壁面２７８Ｓを有する。図２の例において、半導体基板２７４は、ｐ型単結晶シリコン等の従来の基板材料を用いて実装される。

【0060】

また、ベースダイ２７０は、半導体基板２７４に接する加熱器２８０を含む。図２の例において、加熱器２８０は、絶縁酸化物外側層２８０Ｉと、加熱器２８０を介して流れる電流によって生成される磁場を最小化するようにレイアウトされる非ドープポリシリコン２８０Ｌのストリップとを用いて実装される。例えば、加熱器２８０は、蛇行パターンを形成するように、交互端が共に接続された長い平行なストリップにレイアウトされ得る。

【0061】

図示されるように、加熱器２８０の頂部表面は、半導体基板２７４の頂部表面２７４Ｔと同じ平面Ｌにあり、加熱器２８０の底部表面は、半導体基板２７４の底部表面２７４Ｂから垂直に離間される。（加熱器２８０は、代替的に、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂが実装されるように実装されてもよく、加熱器２５４Ａ及び２５４Ｂは、代替的に、加熱器２８０が実装されるように実装されてもよい。）

【0062】

ベースダイ２７０は、半導体基板２７４の頂部表面２７４Ｔと同じ平面Ｌにある頂部表面を有する温度センサ２８２を更に含む。図２の例において、温度センサ２８２は、ｐ型ウェル２８２Ｗ及びｎ型領域２８２Ｒを有するダイオードを用いて実装される。また、ダイオードは、ｐ型ウェル２８２Ｗに接するｐ＋コンタクト領域２８２Ｐと、ｎ型領域２８２Ｒに接するｎ＋コンタクト領域２８２Ｎとを有する。ダイオードを通る電流はダイオードの温度に応答して変動する。（１つの温度センサ２８２のみ図示されているが、付加的な温度センサも用いられ得る）。

【0063】

図２に更に示すように、ベースダイ２７０は、接着剤層２８８によってＶＣＳＥＬ開口２７６の底部表面２７６Ｂに取り付けられる、従来の方式で製造された垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）２８６を含む。接着剤層２８８は、例えば、従来の熱伝導グルー又はダイ取り付け接着剤を用いて実装され得る。ＶＣＳＥＬ２８６は、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ社（www.princetonoptronics.com）又はＭ−Ｃｏｍ社（www.m-com.com.tw/en）等の多数の供給元から市販されており、これらは、光周波数、同調範囲、電力定格、及び外部寸法について顧客指定要件に合うようにＶＣＳＥＬを提供している。ＶＣＳＥＬ２８６は長軸Ｂを備える光を提供するレーザ光源である。

【0064】

ベースダイ２７０は、接着剤層２９２によってダイ開口２７８の底部表面２７８Ｂに取り付けられる集積回路２９０を付加的に有する。接着剤層２９２は、例えば、従来の熱伝導グルー又はダイ取り付け接着剤を用いて実装され得る。集積回路２９０は、１つ又は複数の電子回路を含む従来の方式で製造されたダイである。これらの電子回路は、加熱器２５４Ａ、２５４Ｂ、及び２８０を介して流れる電流を制御し、温度センサ２５６及び２８２の出力を検出し、ＶＣＳＥＬ２８６の動作を制御し、電子回路２３０Ｅによって出力された信号を処理して、原子マグネトメータを提供する。

【0065】

また、ベースダイ２７０は、半導体基板２７４の頂部表面に接する相互接続構造２９４を有する。相互接続構造２９４は、非導電構造２９４Ｎ及びコンタクト２９４Ｃを含む。コンタクト２９４Ｃは、加熱器２８０、温度センサ２８２、ＶＣＳＥＬ２８６、及び集積回路２９０との電気的接続を作るように、非導電構造２９４Ｎを介して延びる。非導電構造２９４Ｎは、また、ＶＣＳＥＬ２８６のレーザ出力を露出させるレーザ開口２９４Ｇを有する。

【0066】

また、相互接続構造２９４は、非導電構造２９４Ｎの上に位置しコンタクト２９４Ｃに接する、多数の金属−１構造２９４Ｍを含む。金属−１構造２９４Ｍは、パッド及びトレースとして機能する。例えば、パッドは、電源及び接地のため、及び集積回路２９０に信号を入力及び集積回路２９０から信号を出力するために用いられ得、トレースは、加熱器２８０、温度センサ２８２、ＶＣＳＥＬ２８６、及び集積回路２９０を電気的相互接続するために用いられ得る。

【0067】

また、相互接続構造２９４は、非導電構造２９４Ｎ及び金属−１トレース２９４Ｍを覆うパッシベーション層２９４Ｐを含む。パッシベーション層２９４Ｐは、非導電性及び耐湿性であり、外部電気的接続のためのボンドパッド構造２９４Ｂを形成するように金属−１トレース２９４Ｍの一部を露出させる多数の開口と、ＶＣＳＥＬ２８６のレーザ入力を露出させるレーザ開口２９４Ｚとを有する。（相互接続構造２９４は単一金属層を備えて図示されているが、付加的な金属層が用いられ得る。）

【0068】

図２に更に示されるように、原子マグネトメータ２００は、光検知器ダイ２１０、蒸気セルダイ２４０、及びベースダイ２７０の間の、並びに外部世界との電気的接続を提供するように、ボンドパッド構造２５８、ボンドパッド構造２６６、及びボンドパッド構造２９４Ｂに接合される、多数のボンドワイヤ２９６を付加的に含む。

【0069】

原子マグネトメータ２００の動作において、ＶＣＳＥＬ２８６は、或る波長を有する光線Ｂを出力し、この波長は、光学パッケージ２５０によって円偏光された後、蒸気キャビティ２４２内に密閉されている気体２４４のアルカリ原子の外殻の単一電子によって吸収される。電子が光エネルギーを吸収するにつれて、電子は、より高いエネルギー準位へ上昇し、その後、ランダムな方向に光子を放射して降下する。図２の例では、ラーモア周波数を識別するように、及び電子を再び光エネルギーを再吸収可能にさせるように光を周波数変調するために、Ｂｅｌｌ−Ｂｌｏｏｍ（ＢＢ）技法が用いられる。

【0070】

この例において、蒸気キャビティ２４２を通って出る光は、フォトダイオード２１４によって検出される。フォトダイオード２１４は検出に応答して、測定された光信号を生成する。蒸気キャビティ２４２を通って出てフォトダイオード２１４に入る光子は、ＶＣＳＥＬ２８６によって出力され、蒸気キャビティ２４２内の気体２４４のアルカリ原子の外殻の電子によって吸収されなかった光を表す非吸収成分と、降下する電子によってランダムに放射される光子を表す発光成分とを含む。発光成分のランダム性のために、発光成分は長期間では平均して等しくなる。

【0071】

フォトダイオード２１４に印加される電圧を制御する電子回路２３０Ｅは、測定された光信号をフォトダイオード２１４から受け取り、集積回路２９０への出力である増幅された光信号を生成する。電子が、より低いエネルギー準位に降下し、光エネルギーを再度吸収し始めと、その再吸収によって、増幅された光信号の強度に認識可能なディップが生じる。その後、集積回路２９０は、増幅された光信号にディップを発生させた変調周波数を決定することによってラーモア周波数を決定する。

【0072】

図３Ａ〜図３Ｆは、光検知器ダイを形成する方法の例を示す一連の断面図を示す。図３Ａに示すように、この方法は、従来のように形成されたｐ−単結晶シリコンウエハ３１０を用い、パターニングされたフォトレジスト層３１２をｐ−単結晶シリコンウエハ３１０の頂部表面上に従来の方式で形成することにより開始する。

【0073】

パターニングされたフォトレジスト層３１２が形成された後、単結晶シリコンウエハ３１０の露出された領域は、ボロン等のｐ型ドーパントを注入され、ウエハ３１０に多数のｐ−ウェル３１４を形成するようにドライブされる。ウエハ３１０は、同一ダイ領域の行及び列を有し、各々のダイ領域にｐ−ウェル３１４が形成される。簡略化のために、図３Ａ〜図３Ｆには、１つのダイ領域のみが図示されている。

【0074】

Ｐ−ウェル３１４は、ｐ−単結晶シリコンウエハ３１０のドーパント濃度より高いドーパント濃度を有する。ｐ−ウェル３１４が形成されると、フォトレジスト層３１２が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。その後、ウエハ３１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0075】

有機物を除去するようにウエハ３１０が洗浄された後、図３Ｂに示すように、パターニングされたフォトレジスト層３１６がｐ−単結晶シリコンウエハ３１０上に従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層３１６が形成された後、ｐ−単結晶シリコンウエハ３１０の露出された領域は、リン等のｎ型材料を、より低い注入エネルギーで注入され、各ｐ−ウェル３１４にｎ型領域３１８を形成するようにドライブされる。

【0076】

この例において、次にｐ型ドーパントがより低い注入エネルギーで注入され、表面再結合を低減するようにｎ型領域３１８の上に位置する薄いｐ＋層３２０を形成するようにドライブされる。薄いｐ＋層３２０が形成された後、パターニングされたフォトレジスト層３１６が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。この後、ウエハ３１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0077】

有機物を除去するようにウエハ３１０が洗浄された後、図３Ｃに示すように、各ダイ領域のｐ−単結晶シリコンウエハ３１０の頂部表面内及び上に多数のデバイス構造３２２が従来の方式で形成される。図２の例において、デバイス構造３２２は、軽ドープｎ型ソース３２２Ｓ、軽ドープｎ型ドレイン３２２Ｄ、ソース３２２Ｓとドレイン３２２Ｄとの間に位置するｐ型チャネル３２２Ｃ、チャネル３２２Ｃの上のｐ−単結晶シリコンウエハ３１０の頂部表面に接するゲート酸化物層３２２Ｘ、及びチャネル３２２Ｃの上の酸化物層３２２Ｘに接するゲート３２２Ｇによって表されている。

【0078】

次に、図３Ｄに示すように、パターニングされたフォトレジスト層３２４が、ｐ−単結晶シリコンウエハ３１０に接するように従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層３２４が形成された後、ｐ−単結晶シリコンウエハ３１０の露出された領域は、リン等のｎ型ドーパントを注入され、各ｎ型領域３１８にｎ＋コンタクト領域３２６Ｎを形成するようにドライブされる。

【0079】

また、この注入は、各ダイ領域に形成される電子回路２３０Ｅ等の電子回路のＮＭＯＳトランジスタ等のｎ型回路要素を形成するために必要なｎ＋領域を形成する。図２の例において、この注入は、ｎ＋ソース３２６Ｓ及びｎ＋ドレイン領域３２６Ｄを形成する。

【0080】

ｎ＋コンタクト領域３２６Ｎ、ｎ＋ソース領域３２６Ｓ、及びｎ＋ドレイン領域３２６Ｄ等のｎ＋領域が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層３２４が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。その後、ウエハ３１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0081】

有機物を除去するようにウエハ３１０が洗浄された後、図３Ｅに示すように、ｐ型単結晶シリコンウエハ３１０に接するように、パターニングされたフォトレジスト層３３０が従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層３３０が形成された後、単結晶シリコンウエハ３１０の露出された領域は、ボロン等のｐ型ドーパントを注入され、各ｐ−ウェル３１４にｐ＋コンタクト領域３３２を形成するようにドライブされる。

【0082】

また、この注入は、各ダイ領域に形成される電子回路のＰＭＯＳトランジスタ等のｐ型回路要素を形成するために必要なｐ＋領域を形成する。図２の例において、トランジスタ、レジスタ、キャパシタ、ダイオード、及び同様の回路デバイスを含み得る電子回路は、ＮＭＯＳトランジスタ３３４によって表されており、ＮＭＯＳトランジスタ３３４は、ｎ−ソース３２２Ｓ／ｎ＋ソース３２６Ｓ、ｎ−ドレイン３２２Ｄ／ｎ＋ドレイン３２６Ｄ、ｐ型チャネル３２２Ｃ、ゲート酸化物層３２２Ｘ、及びゲート３２２Ｇを含む。また、各ダイ領域には、ｐ−ウェル３１４、ｎ型領域３１８、薄いｐ＋層３２０、ｎ＋コンタクト領域３２６Ｎ、及びｐ＋コンタクト領域３３２がそのダイ領域のためのフォトダイオード２１４を形成する。

【0083】

ｐ＋コンタクト領域３３２を含む、電子回路のｐ＋領域の形成に続き、パターニングされたフォトレジスト層３３０が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。その後、ウエハ３１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0084】

有機物を除去するためにウエハ３１０が洗浄された後、図３Ｆに示すように、相互接続構造３３６がウエハ３１０の頂部表面上に従来のように形成される。相互接続構造３３６は、（ｎ＋及びｐ＋領域、及びポリシリコンゲートの随意的なケイ化の後）酸化物層３３６Ｘを堆積し、その後ｎ＋コンタクト領域３２６Ｎ、ｎ＋ソース３２６Ｓ、ｎ＋ドレイン領域３２６Ｄ、ｐ＋コンタクト領域３３２、及び接触されるべきｎ＋及びｐ＋領域、及び電子回路のデバイスのポリシリコンゲートを露出させるための開口を形成するようにマスク及びエッチステップを行なうことによって、従来のように形成され得る。これに続いて、金属層が堆積され、その後、酸化物層３３６Ｘの頂部表面から金属層を除去するように及び開口内にコンタクト３３６Ｃを形成するように平坦化される。

【0085】

金属コンタクト３３６Ｃが除去された後、金属層が堆積され、その後、多数の金属−１トレース３３６Ｍを形成するように、マスキング及びエッチングされる。これに続いて、酸化物層３３６Ｘ及び金属−１トレース３３６Ｍに接するようにパッシベーション層３４０が形成される。酸化物の層及び窒化物のオーバーレイ層を用いて実装され得るパッシベーション層３４０の領域が、金属−１トレース３３６Ｍのボンドパッド領域を露出させるように除去される。これに続いて、ウエハ３１０は、ダイ領域を分割して多数の光検知器ダイ３４２を形成するように従来の方式でダイシングされる。

【0086】

図４は、蒸気セルダイの形成方法の例を示すフローチャートである。図４に示すように、この方法は、下側透明ウエハ、蒸気セルウエハ、及び上側透明ウエハを個別に形成することにより４１０で開始する。

【0087】

図５Ａ及び図５Ｂは下側透明ウエハを形成する方法の例を示す一連の断面図である。この方法は、厚み約１ｍｍの透明ウエハ５１０を用いる。例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ ＥａｇｌｅＸＧ（商標）又はＰｙｒｅｘ（商標）ガラス製品及びＳｃｈｏｔｔ Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（商標）ガラス製品が用いられ得る。

【0088】

図５Ａに示すように、この方法は、パターニングされたフォトレジスト層５１２を透明ウエハ５１０の頂部表面上に従来の方式で形成することにより開始する。この後、図５Ｂに示すように、透明ウエハ５１０の露出された領域が、所定の時間期間、従来の方式でエッチングされて、透明ウエハ５１０に多数の光学開口５１４が形成される。

【0089】

ウエハ５１０は、同一ダイ領域（例えば、５ｍｍ平方）の行及び列を有し、各ダイ領域に光学開口５１４が形成される。簡略化のために、図５Ａ及び５Ｂには１つのダイ領域のみが示されている。この例において、各光学開口５１４は、幅が約２５０〜４００ミクロンである。光学開口５１４が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層５１２が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去されて、下側透明ウエハ５１６が形成される。これに続いて、ウエハ５１６は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される（随意的に、マスキング及びエッチングステップを用いて光学開口５１４の角に浅いグルーチャネルがエッチングされ得る）。

【0090】

図６は下側透明ウエハ５１６を示す平面図を示す。図６に示すように、下側透明ウエハ５１６は行及び列に配置される多数のダイ領域６１０と、各々が各ダイ領域６１０の中央に配置される多数の光学開口５１４とを有する。

【0091】

図７Ａ〜図７Ｆは、蒸気セルウエハを形成する方法の例を示す一連の断面図を示す。この例において、この方法は、従来のように形成された厚み約０．７２５〜１．００ｍｍのｐ型単結晶シリコンウエハ７１０を用いる。ウエハ７１０は、同一ダイ領域（例えば、５ｍｍ平方）の行及び列を有する。簡略化のために、図７Ａ〜７Ｆには１つのダイ領域のみが図示されている。

【0092】

図７Ａに示すように、この方法は、ウエハ７１０の頂部表面上に、パターニングされたフォトレジスト層７１６を従来の方式で形成することにより開始する。パターニングされたフォトレジスト層７１６が形成された後、図７Ｂに示すように、ウエハ７１０の露出された領域にリン等のドーパントが注入されて、各ダイ領域に、ｎ＋抵抗性加熱器ストリップ７２０、ｎ＋抵抗性温度センサストリップ７２２、及びｎ＋抵抗性加熱器ストリップ７２４が形成される。（ｎ＋ストリップ７２０、７２２、及び７２４の端部を随意的にケイ化してもよく、これは、酸化物の層を堆積し、酸化物をエッチングして端部を露出させ、端部をケイ化し、酸化物層を除去することによって行なう。）

【0093】

ｎ＋ストリップ７２０、７２２、及び７２４が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層７１６が、従来の方式で除去される。例えば、パターニングされたフォトレジスト層７１６はアセトンを用いて除去され得る。これに続いて、ウエハ７１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0094】

パターニングされたフォトレジスト層７１６の除去に続いてウエハ７１０が洗浄された後、図７Ｃに示すように、アルミニウム等の金属層７３０が、ウエハ７１０に接するように堆積される。この後、パターニングされたフォトレジスト層７３２が金属層７３０の頂部表面上に従来の方式で形成される。

【0095】

次に、図７Ｄに示すように、金属層７３０の露出された領域がエッチングされて、各ｎ＋抵抗性加熱器ストリップ７２０、ｎ＋抵抗性温度センサストリップ７２２、及びｎ＋抵抗性加熱器ストリップ７２４の端部に接し且つそれらの上に位置する、多数のボンドパッド構造７３４が形成される。ボンドパッド構造７３４が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層７３２が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。この後、ウエハ７１０は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0096】

パターニングされたフォトレジスト層７３２の除去に続いてウエハ７１０が洗浄された後、図７Ｅに示すように、ウエハ７１０、ストリップ７２２及び７２４、及びボンドパッド構造７３４の上に、ハードマスク７３６が従来の方式で形成される。例えば、ハードマスク７３６は、酸化物の層、窒化物の層、及びパターニングされたフォトレジスト層を順次堆積し、その後、酸化物／窒化物層に開口を形成するエッチングステップ、及びパターニングされたフォトレジスト層の除去を行なうことによって、形成され得る。

【0097】

ハードマスク７３６が形成された後、ウエハ７１０の底部表面は、ハンドルウエハ７３８に従来の方式で一時的に取り付けられる。例えば、ウエハ７１０をハンドルウエハ７３８に一時的に取り付けるために、後続の工程で容易に除去できるフォトレジスト材料の層を用い得る。

【0098】

これに続き、ウエハ７１０の露出された領域、及び下にあるハンドルウエハ７３８の一部が、Ｂｏｓｃｈプロセス等の従来のディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いてエッチングされて、各ダイ領域に蒸気セル開口７４０が形成される。ウエハ７１０を貫通して延びる各蒸気セル開口７４０は、実質的に垂直の側壁面を有する。この例において、各蒸気セル開口７４０は約１ｍｍの幅を有する。

【0099】

ウエハ７１０に蒸気セル開口７４０を形成するためのＤＲＩＥの代替は、例えばＫＯＨ又はＴＭＡＨ等を用いるウェットエッチングであろう。この場合、側壁は垂直ではなく５４．７度傾斜している。また、各蒸気セル開口７４０の狭い部分は、ウエハ７１０の頂部にある。

【0100】

ウエハ７１０に蒸気セル開口７４０を形成するエッチングに続き、図７Ｆに示すように、ハードマスク７３６及びハンドルウエハ７３８が従来の方式で除去されて、蒸気セルウエハ７４２が形成される。

【0101】

図８は、蒸気セルウエハ７４２を示す平面図を示す。図８に示すように、蒸気セルウエハ７４２は、ウエハ５１６のダイ領域６１０に対応する行及び列に配置された多数のダイ領域８１０と、各々が各ダイ領域８１０の中心に配置される多数の蒸気セル開口７４０とを有する。

【0102】

図８に更に示すように、ｎ＋ストリップ７２０、７２２、及び７２４は、ｎ＋ストリップ７２０、７２２、及び７２４を介して流れる電流によって生成される磁場を最小化するようにレイアウトされる。例えば、ｎ＋ストリップ７２０、７２２、及び７２４は、各々、単一のｎ＋ストリップ７２０、単一のｎ＋ストリップ７２２、及び単一のｎ＋ストリップ７２４を形成するように端部が共に接続された、長い平行なｎ＋ストリップにレイアウトされ得る。

【0103】

図９Ａ〜図９Ｉは上側透明ウエハを形成する方法の例を示す一連の断面図を示す。この方法は、厚みが約３００μｍの従来のように形成された透明ウエハ９１０を用いる。例えば、透明ウエハ９１０は、Ｃｏｒｎｉｎｇ社製のＰｙｒｅｘ（登録商標）等のガラスで実装され得る。ウエハ９１０は、同一ダイ領域（例えば、５ｍｍ平方）の行及び列を有する。簡略化のために、図９Ａ〜図９Ｉには１つのダイ領域のみが示されている。

【0104】

図９Ａに示すように、この方法は、透明ウエハ９１０の頂部表面に接するようにシード層９２０を従来の方式で形成することにより開始する。例えば、シード層９２０は、３００Åのチタン、３０００Åの銅、及び３００Åのチタンを堆積することによって形成され得る。シード層９２０が形成されると、シード層９２０の頂部表面上にめっきモールド９２２が形成される。

【0105】

めっきモールド９２２の形成に続いて、図９Ｂに示すように、頂部のチタン層が剥離され、銅が電気めっきされて、多数の金属−１トレース９２４が形成される。図９Ｃに示すように、電気めっきの後、金属−１トレース９２４を露出させるように、めっきモールド９２２及び下にあるシード層９２０領域が除去される。

【0106】

金属−１トレース９２４が形成された後、図９Ｄに示すように、透明ウエハ９１０の頂部表面及び金属−１トレース９２４に接するように、非導電層９２６が形成される。非導電層９２６は多くの方式で形成され得る。例えば、非導電層９２６は、酸化物の層及び窒化物のオーバーレイ層を用いて実装され得、それに続いて、金属−１トレース９２４のボンドパッド領域を露出させるようにマスキング及びエッチングが行なわれる。

【0107】

或いは、非導電層９２６を形成するために、ＳＵ−８（ネガティブフォトレジスト）等のポリマー層が、堆積され、或るパターンを備えて露出され、その後、硬化され得る。パターンは、金属−１トレース９２４のボンドパッド領域を露出させる開口を含む多数の開口を非導電層９２６に形成する。

【0108】

これに続き、図９Ｅに示すように、非導電層９２６と金属−１トレース９２４のボンドパッド領域とに接するように、アルミニウム等の接合金属性層９３０が堆積される。次に、接合金属性層９３０の頂部表面上にパターニングされたフォトレジスト層９３２が従来の方式で形成される。

【0109】

パターニングされたフォトレジスト層９３２が形成された後、図９Ｆに示すように、接合金属性層９３０の露出された領域が従来の方式でエッチングされて、非導電層９２６の頂部表面が露出され、多数のボンドパッド構造９３４が形成される。ボンドパッド構造９３４が形成された後、パターニングされたフォトレジスト層９３２が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。これに続いて、非導電層９２６及びボンドパッド構造９３４は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0110】

パターニングされたフォトレジスト層９３２の除去に続く有機物を除去するための洗浄の後、図９Ｇに示すように、非導電層９２６の頂部表面及びボンドパッド構造９３４に接するようにパッシベーション層９３６が形成される。パッシベーション層９３６は多くの方式で形成され得る。例えば、パッシベーション層９３６は、酸化物の層及び窒化物のオーバーレイ層を用いて実装され得、それに続いて、ボンドパッド構造９３４の領域を露出させるように、マスキング及びエッチングが行われる。

【0111】

或いは、パッシベーション層９３６を形成するために、ＳＵ−８等のポリマー層が、堆積され、或るパターンを備えて露出され、その後、硬化され得る。このパターンは、ボンドパッド構造９３４の領域を露出させる開口を含む多数の開口をパッシベーション層９３６に形成する。非導電層９２６及びパッシベーション層９３６は、耐湿性及び応力軽減等の多くの利点を提供し得るが、随意的に省くこともできる。

【0112】

パッシベーション層９３６が形成された後、図９Ｈに示すように、パッシベーション層９３６及びボンドパッド構造９３４上にハードマスク９３７が従来の方式で形成される。例えば、ハードマスク９３７は、酸化物の層、窒化物の層、及びパターニングされたフォトレジスト層を順次堆積し、それに続いて、酸化物／窒化物層に開口を形成するエッチングステップ、及びパターニングされたフォトレジスト層の除去を行なうことによって、形成され得る。

【0113】

ハードマスク９３７が形成された後、ウエハ９１０の底部表面はハンドルウエハ９３８に従来の方式で一時的に取り付けられる。例えば、ウエハ９１０をハンドルウエハ９３８に一時的に取り付けるために、後続の工程で容易に除去できるフォトレジスト材料の層が用いられ得る。

【0114】

これに続き、透明ウエハ９１０の露出された領域がウェットエッチング又はサンドブラストプロセス等の従来の方式でエッチングされて、透明ウエハ９１０を貫通して延びる多数のウエハ貫通開口９３９が各ダイ領域に形成される。ウエハ貫通開口９３９は、ボンドワイヤスイープ（ボンドワイヤの角度取り付け）、及び最小のボンドパッド間水平間隔に適応するように、充分広くなければならない。

【0115】

ウエハ貫通開口９３９を形成するエッチングに続き、図９Ｉに示すように、ハードマスク９３７及びハンドルウエハ９３８が従来の方式で除去されて、上側透明ウエハ９４０が形成される。（また、ハードマスク９３７の代わりに、厚いパターニングされたフォトレジスト層が代替として用いられ得る。）

【0116】

図１０は上側透明ウエハ９４０を示す平面図を示す。図１０に示されるように、上側透明ウエハ９４０は多数の同一ダイ領域１０１０（例えば、５ｍｍ平方）を有し、多数の同一ダイ領域１０１０は、蒸気セルウエハ７４２のダイ領域８１０と、下側透明ウエハ５１６のダイ領域６１０とに対応する行及びに配置される。また、透明ウエハ９１０は、各ダイ領域１０１０の周囲の周りの多数のウエハ貫通開口９３９と、ボンドパッド構造９３４を露出させる多数のボンドパッド開口１０１２とを有する。

【0117】

再び図４を参照すると、下側透明ウエハ、蒸気セルウエハ、及び上側透明ウエハが個別に形成された後、方法４００は４１２に進み、中間ウエハを形成するように、下側透明ウエハを蒸気セルウエハに陽極接合する。陽極接合は、４００℃及び１０００Ｖ等の標準の温度及び電圧で、窒素ガス等の希ガス環境で、従来の方式で行なわれる。

【0118】

図１１は中間ウエハ１１００の例を示す断面図を示す。図１１に示すように、下側透明ウエハ５１６を蒸気セルウエハ７４２に陽極接合することから生じ得る中間ウエハ１１００は、多数のダイ領域１１１０を有し、多数のダイ領域１１１０は、蒸気セルウエハ７４２のダイ領域８１０と、下側透明ウエハ５１６のダイ領域６１０とに対応する行及び列に配置される。簡略化のために、１つのダイ領域１１１０のみが図１１に示されている。

【0119】

更に図１１に示すように、中間ウエハ１１００は、光学開口５１４に対応する多数の光学開口１１１２と、蒸気セル開口７４０に対応する、対応数の蒸気セル開口１１１４とを有する。各ダイ領域１１１０の光学開口１１１２及び蒸気セル開口１１１４は垂直に整列される。

【0120】

図４に戻ると、中間ウエハを形成するように下側透明ウエハが蒸気セルウエハに陽極接合された後、方法４００は４１４に進み、紫外（ＵＶ）光によってアルカリ及びバリア原子に分解し得るセシウムアザイド（ＣｓＮ_３）等の物質を中間ウエハの蒸気セル開口に置く。

【0121】

例えば、水性溶液を形成するようにセシウムアザイドを水に溶解し、測定された量（例えば、１０μＬ）の溶液を中間ウエハの各蒸気セル開口に、室温で、例えば、マイクロピペットを用いて配し、その後、水を蒸発させ、セシウムアザイドの粉末を残すように中間ウエハを加熱することによって、セシウムアザイドが中間ウエハの蒸気セル開口に置かれ得る。

【0122】

その物質が中間ウエハの蒸気セル開口に置かれた後、方法４００は４１６に進み、中間ウエハを上側透明ウエハに陽極接合して、その物質を備えた多数の蒸気キャビティと多数の光学開口とを有する積層されたウエハを形成する。セシウムアザイドは、４００℃で不安定であり、３５０℃でガラスに拡散する。そのため、陽極接合は、例えば３００℃等のより低い温度で、窒素ガス等の希ガス環境で、より長い接合時間を用いて、従来の方式で行なわれる。温度が低いと必要とする電圧は高くなる。しかしながら、ウエハが薄くなると必要とする電圧は低くなる。その結果、標準電圧の１０００Ｖが使用可能である。

【0123】

図１２は、積層されたウエハ１２００を示す断面図を示す。図１２に示すように、上側透明ウエハ９４０を中間ウエハ１１００に陽極接合することから生じ得る積層されたウエハ１２００は多数のダイ領域１２１０を有し、多数のダイ領域１２１０は、中間ウエハ１１００のダイ領域１１１０と透明ウエハ９１０のダイ領域１０１０とに対応する行及び列に配置される。簡略化のために、１つのダイ領域１２１０のみが図１２に示されている。

【0124】

図１２に更に示すように、積層されたウエハ１２００は、光学開口１１１２に対応する多数の光学開口１２１２と、蒸気セル開口１１１４を閉じることから生じる対応数の密閉された蒸気セルキャビティ１２１４とを有する。各ダイ領域１２１０の光学開口１２１２及び蒸気セルキャビティ１２１４は垂直に整列される。また、セシウムアザイド粉末等の物質１２１６が、各蒸気セルキャビティ１２１４内に密閉される。また、厚み１７５μｍのダイの場合の、最小のボンドパッド間水平間隔Ｈは約３７５〜５００μｍである。

【0125】

再び図４を参照すると、積層されたウエハを形成するように中間ウエハが上側透明ウエハに陽極接合された後、方法４００は４１８に進み、積層されたウエハにＵＶ光を約１０時間又はそれ以上室温で照射し、それによってこの物質を、セシウム（アルカリ）及びバリア原子を有する気体に分解する。各キャビティ１２１４は照射の後、１立方センチメートル当たり約１０^１２−１０^１３のセシウム原子を有するべきである。

【0126】

窒素原子がバリア原子として用いられ、不充分な窒素原子が存在し、接合の間用いられる希ガスが窒素である場合、窒素原子の数を増加させるように圧力下で陽極接合が行なわれる。しかしながら、窒素原子が多すぎると信号を劣化させる（外部の電子によって吸収されるポイントを示す波長のライン幅を拡大する）ので、最大圧力が限定される。

【0127】

各蒸気キャビティ内に気体が形成された後、方法４００は４２０に進み、従来のピックアンドプレース機を備えるシリンジを用いて各光学開口の各角にグルードロップを置く。これに続いて、方法４００は４２２に進み、光学パッケージ２５０等の光学パッケージを、積層されたウエハの各光学開口に、従来のピックアンドプレース機を用いて配する。

【0128】

従来のピックアンドプレース機は、約２００μｍの最小ダイサイズのダイを処理し得、約５０μｍのダイ側壁に対する開口側壁の許容差を有し得る。光学パッケージが各光学開口に置かれ、グルードロップによって取り付けられた後、方法４００は４２４に進み、多数の蒸気セルダイを形成するように積層されたウエハをダイシングする。

【0129】

図１３は、蒸気セルダイ１３００の例を示す断面図を示す。図１３に示すように、蒸気セルダイ１３００は、ウエハソーが上側透明ウエハ９４０のボンドパッド開口９１４を介して通過するように、積層されたウエハ１２００をダイシングすることによって形成される。その結果、図１３に更に示すように、ダイシングによってボンドパッド構造７３４が露出されて、ボンドパッド構造７３４を後続のワイヤ接合に使用できる。図１３に更に示すように、各蒸気セルダイ１３００の蒸気セルキャビティ１２１４内に気体１３１０がある。

【0130】

図１４Ａ〜図１４Ｎは、ベースダイを形成する方法の例を示す一連の断面図を示す。図１４Ａに示すように、この方法は、頂部表面１４００Ｔ及び底部表面１４００Ｂを有する従来のように形成されたｐ−単結晶シリコンウエハ１４００を用いる。この例において、ウエハ１４００は１方の側のみが研磨される。

【0131】

図１４Ａに更に示すように、この方法は、パターニングされたフォトレジスト層１４１０をウエハ１４００の頂部側１４００Ｔに従来の方式で形成することにより開始する。これに続き、図１４Ｂに示すように、ウエハ１４００の露出された領域が、予め定めされた時間期間エッチングされて、多数のチャネル１４１２が形成される。ウエハ１４００は、同一ダイ領域の行及び列を有し、各ダイ領域にチャネル１４１２が形成される。簡略化のために、図１４Ａ〜図１４Ｎには１つのダイ領域のみが示されている。

【0132】

各チャネル１４１２は、チャネル１４１２内を流れる電流によって生成される磁場を最小化するようにレイアウトされる。例えば、各チャネル１４１２は、各々、蛇行パターンを形成するように、交互端が共に接続された長い平行なストリップにレイアウトされ得る。チャネル１４１２が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層１４１０が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。この後、ウエハ１４００は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0133】

これに続いて、図１４Ｃに示すように、酸化物層４１４がウエハ１４００の頂部表面１４００Ｔ上にチャネル１４１２をライニングするように形成され、それに続いて、非ドープポリシリコン層１４１６の堆積が行なわれる。ポリシリコン層１４１６は、チャネル１４１２を充填する深さに堆積される。ポリシリコン層１４１６が形成されると、図１４Ｄに示すように、ウエハ１４００の頂部表面が露出されるまでポリシリコン層１４１６が平坦化されて、加熱要素２８０を実装し得る加熱要素１４２２が形成される。

【0134】

次に、図１４Ｅに示すように、パターニングされたフォトレジスト層１４２４が、ウエハ１４００の頂部表面１４００Ｔ上、及び加熱要素１４２２上に形成される。パターニングされたフォトレジスト層１４２４が形成された後、ｐ型ウエハ１４００の露出された領域は、ボロン等のｐ型ドーパントを注入され、その後、ｐ−ウェル１４２６を形成するようにドライブされる。Ｐ−ウェル１４２６は、ｐ−ウエハ１４００のドーパント濃度より高いドーパント濃度を有する。ｐ−ウェル１４２６が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層１４２４が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。これに続いて、ウエハ１４００は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0135】

有機物を除去するためにウエハ１４００が洗浄された後、図１４Ｆに示すように、パターニングされたフォトレジスト層１４２８が、ｐ−単結晶シリコンウエハ１４００上に従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層１４２８が形成された後、ｐ−単結晶シリコンウエハ１４００の露出された領域は、リン等のｎ型材料を、より低い注入エネルギーで注入され、各ｐ−ウェル１４２６にｎ型領域１４３０を形成するようにドライブされる。

【0136】

この例において、次にｎ型ドーパントがより低い注入エネルギーで注入され、ｎ型領域１４３０に接するｎ＋コンタクト領域１４３２を形成するようにドライブされる。ｎ＋コンタクト領域１４３２が形成された後、パターニングされたフォトレジスト層１４２８が、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。これに続いて、ウエハ１４００は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0137】

図１４Ｇに示すように、有機物を除去するためにウエハ１４００が洗浄された後、パターニングされたフォトレジスト層１４３３が、ｐ−単結晶シリコンウエハ１４００上に従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層１４３３が形成された後、ｐ−単結晶シリコンウエハ１４００の露出された領域は、ボロン等のｐ型材料を注入され、ｐ−ウェル１４２６に接するｐ＋コンタクト領域１４３４、及び温度センサ２８２を実装する温度検知ダイオード１４３５を形成するようにドライブされる。パターニングされたフォトレジスト層１４３３は、その後、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。これに続き、ウエハ１４００は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。

【0138】

パターニングされたフォトレジスト層１４３３の除去の後、図１４Ｈに示すように、ウエハ１４００の頂部表面１４００Ｔ、加熱要素１４２２、及びダイオード１４３５上に、パターニングされたフォトレジスト層１４３６が従来の方式で形成される。パターニングされたフォトレジスト層１４３６が形成された後、第１の開口１４４０及び第２の開口１４４２を形成するように、ｐ−ウエハ１４００の露出された領域が、所定の時間期間エッチングされる。

【0139】

パターニングされたフォトレジスト層１４３６は、その後、アセトンを用いる等の従来の方式で除去される。これに続き、ウエハ１４００は、有機物を除去するように従来のピラニアエッチング等を用いて洗浄される。第１及び第２の開口１４４０及び１４４２が異なる深さを必要とする場合、第１及び第２の開口１４４０及び１４４２は、同時に形成されるのではなく、別々のマスキング及びエッチングステップで形成され得る。

【0140】

これに続き、図１４Ｉに示すように、従来のピックアンドプレース機を備えるシリンジを用いて多数のグルードロップ１４４６が第１及び第２の開口１４４０及び１４４２に挿入される。これに続き、ＶＣＳＥＬ２８６及び集積回路２９０が、それぞれ、開口１４４０及び開口１４４２内に従来のピックアンドプレース機を用いて配され、グルードロップ１４４６によってそれぞれ開口１４４０及び開口１４４２に取り付けられる。

【0141】

図１４Ｊに示すように、ＶＣＳＥＬ２８６及び集積回路２９０が、それぞれ、開口１４４０及び開口１４４２内に配され取り付けられた後、ＳＵ−８等のポリマー層が、ウエハ１４００の頂部表面１４００Ｔに接し、開口１４４０及び１４４２の残部を充填し、ＶＣＳＥＬ２８６及び集積回路２９０の上に位置するように、形成される。

【0142】

ポリマー層は、その後、実質的に平坦な非導電構造１４５０を形成するように、或るパターンを備えて露出され、硬化される。このパターンは、多数の開口を非導電構造１４５０に形成し、この多数の開口は、加熱要素開口１４５２−１、温度センサダイオード開口１４５２−２、ＶＣＳＥＬ２８６による光出力用のレーザ開口１４５２−３、ＶＣＳＥＬ２８６の外部パッドを露出させる多数の第１の動作開口１４５２−４、及び集積回路２９０の外部パッドを露出させる多数の第２の動作開口１４５２−５を含む。

【0143】

非導電構造１４５０が形成された後、図１４Ｋに示すように、非導電構造１４５０と、加熱要素１４２２、ｎ＋コンタクト領域１４３２、ｐ＋コンタクト領域１４３４、ＶＣＳＥＬ２８６の外部パッド、及び集積回路２９０の外部パッドの露出された領域とに接するように、シード層１４６０が堆積される。例えば、シード層１４６０は、３００Åのチタン、３０００Åの銅、及び３００Åのチタンを堆積することによって形成され得る。シード層１４６０が形成されると、シード層１４６０の頂部表面上にめっきモールド１４６２が形成される。

【0144】

めっきモールド１４６２の形成に続き、図１４Ｌに示すように、頂部のチタン層が剥離され、銅が電気めっきされて、多数の金属−１トレース１４６４が形成される。電気めっきの後、図１４Ｍに示すように、金属−１トレース１４６４を露出させるように、めっきモールド１４６２及び下にあるシード層１４６０の領域が除去される。

【0145】

金属−１トレース１４６４が形成された後、図１４Ｎに示すように、パッシベーション層１４６６が、非導電構造１４５０及び金属−１トレース１４６４上に形成される。パッシベーション層１４６６は多くの方式で形成され得る。例えば、パッシベーション層１４６６は、酸化物の層及び窒化物のオーバーレイ層を用いて実装され得、その後、ＶＣＳＥＬ２８６のレーザ光開口とボンドパッドとして機能する金属−１トレース１４６４の領域とを露出させるためにエッチングが行なわれる。

【0146】

或いは、パッシベーション層１４６６を形成するために、ＳＵ−８等のポリマー層が、堆積され、或るパターンを備えて露出され、その後、硬化される。このパターンは多数の開口をパッシベーション層１４６６に形成し、この多数の開口は、ＶＣＳＥＬ２８６のレーザ光開口と、ボンドパッドとして機能する金属−１トレース１４６４の領域とを露出させる開口を含む。

【0147】

図１４Ｎに示すように、パッシベーション層１４６６の形成によって、ベースウエハ１４７０が形成される。（随意的に、マスキング及びエッチングステップを用いてパッシベーション層１４６６の頂部表面に浅いグルーチャネルが形成され得る。）これに続き、ダイ領域を分離し、多数のベースダイ１４７２を形成するために、ベースウエハ１４７０が従来の方式でダイシングされる。

【0148】

図１５Ａ及び図１５Ｂは、微細加工された原子マグネトメータの形成方法の例を示す一連の断面図を示す。図１５Ａに示すように、この方法は、グルー又はダイ取り付け材料等の接着剤１５１０のドロップをベースダイ１４７２の頂部表面１５１２上に置き、その後、従来のピックアンドプレース機を用いて蒸気セルダイ１３００を接着剤１５１０上に置くことにより開始する。接着剤１５１０は、光学パッケージ２５０の直接下には置かれず、蒸気セルダイ１３００をベースダイ１４７２に取り付ける。図１５Ａに更に示すように、ＶＣＳＥＬ２８６、光学パッケージ２５０、及び蒸気セルキャビティ１２１４は垂直に整列される。

【0149】

蒸気セルダイ１３００がベースダイ１４７６に取り付けられた後、図１５Ｂに示すように、蒸気セルキャビティ１２１４の直上のパッシベーション層９２６上に透明エポキシ１５１４が置かれ、ボンドパッド構造９３４の露出された領域上に半田ボール１５１６が置かれる。透明材料がパッシベーション層３４０及び９３６に接し、且つ、ｎ型領域３１８と蒸気セルキャビティ１２１４との間に垂直に位置することを確実にするために、粘性の高い透明エポキシ１５１４が用いられる。これに続き、フリップチップとして光検知器ダイ３４２が蒸気セルダイ１３００に半田リフローによって取り付けられて、微細加工された原子マグネトメータ１５２０が形成される。

【0150】

微細加工された原子マグネトメータ１５２０は、その後、リードフレームのダイ取り付けパドルに取り付けられ、ボンドパッド構造２９４Ｂ、７３４、及び９３６の間、及び原子マグネトメータ１５２０とリードフレームとの間に、ボンドワイヤが付加される。リードフレームは、その後、ダイモールド内に置かれ、モールド化合物で封入される。モールド化合物は、また、光検知器ダイ３４２と蒸気セルダイ１３００との間のスペースのためのアンダーフィルを提供する。

【0151】

図１６は、下側透明ウエハを形成するための代替方法の例を示す断面図を示す。この方法は、厚み約２００〜３００μｍの透明ウエハ１６１０を用いる。透明ウエハ１６１０は、頂部表面１６１０Ｔ及び底部表面１６１０Ｂを有し、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（商標）又はＰｙｒｅｘ（商標）ガラス製品、又はＳｃｈｏｔｔ Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（商標）ガラス製品を用いて実装され得る。

【0152】

図１６に示すように、この方法は、従来の四分の一波長プレート材料の薄膜１６１２を堆積させ、その後、従来の偏光器材料の薄膜１６１４を堆積させることにより開始する。この後、下側透明ウエハ１６２０を形成するように、従来の線形減衰器材料の薄膜１６１６が堆積される。

【0153】

四分の一波長プレート層１６１２は、例えば、２２３．５９ｎｍ、１１１７．９４ｎｍ、又は２０１２．２９ｎｍ（セシウムアザイドのための光（８９４．３５ｎｍ）の四分の一波長に、セシウムアザイドのための光の波長の（ゼロを含む）整数を加えたたもの）の厚みを有する。底部表面１６１０Ｂは、その後、ウエハ５１６の代わりに、ウエハ７４２に陽極接合される。下側透明ウエハ１６２０の利点の１つは、光学開口を形成するために必要なマスキング及びエッチングステップ、及び光学パッケージを下側透明ウエハに取り付けるために必要なピックアンドプレースステップが省かれ得ることである。

【0154】

このように、微細加工された原子マグネトメータ及び微細加工された原子マグネトメータを形成する方法を説明してきたが、本発明の利点の１つは、従来の集積回路製造施設における原子マグネトメータの大量生産を可能する、原子マグネトメータの形成方法を本発明が提供することである。

【0155】

その結果、本発明を実装することで、原子マグネトメータのコストが著しく低減される。本発明のもう１つの利点は、原子マグネトメータのサイズの小型化である。このように、本発明は、従来のマグネトメータで可能であった用途に比べ更に多くの用途に原子マグネトメータが組み込まれることを可能にする。

【0156】

なお、上述の説明は本発明の例であり、本発明の実施においては本明細書に記載した発明の種々の代替物が用いられ得ることが理解されるべきであろう。従って、以下の請求項が本発明の範囲を定義すること、及び、それらの請求の範囲内の構造及び方法及びそれらの同等物が本発明の範囲に包含されることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図9F】

【図9G】

【図9H】

【図9I】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図14E】

【図14F】

【図14G】

【図14H】

【図14I】

【図14J】

【図14K】

【図14L】

【図14M】

【図14N】

【図15A】

【図15B】

【図16】