具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件及其制造方法。所述的原子氣體腔器件由一層底部設有反射鏡的具有凹槽的硅片和一層內部設有反射鏡的玻璃片通過鍵合圍成的腔體結構構成。所述的凹槽的橫截面為倒梯形結構，由（100）型的單晶硅片通過硅各向異性濕法腐蝕形成，凹槽的側壁為硅片的{111}晶面。玻璃片內部和硅片凹槽的底部各有一個反射鏡，用于激光的多次反射。本發明所述的原子氣體腔器件可用于原子鐘和磁強計等系統中，激光在雙反射鏡間進行多次反射，從而增加激光與原子氣體間的相互作用空間長度，使相干布局囚禁效應信號的信噪比增強，有利于提高系統的穩定度。
【專利說明】具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子機械系統(MEMS)器件制作與封裝【技術領域】，以及原子物理器件【技術領域】，具體涉及一種基于MEMS工藝的微型原子腔結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]原子鐘測量時間的精確度可以達到十億分之一秒甚至更高，原子鐘是目前最精準的人造鐘，其相關研究具有重要的意義。CPT (Coherent Population Trapping,相干布局囚禁效應)原子鐘是利用雙色相干光與原子作用將原子制備成相干態，利用CPT信號作為微波鑒頻信號而實現的原子鐘頻率源。由于具有易于微型化、低功耗和高頻率穩定度等特點，CPT原子鐘一經提出就受到各國研究機構的重視，并開展了深入的研究。
[0003]CPT原子鐘是一個復雜的系統，其核心部件就是原子氣體腔。利用現在成熟的MEMS技術制作微型原子氣體腔體，可以將被動型CPT原子鐘尺寸縮小到芯片級。芯片級CPT原子鐘能夠大幅度減小原子鐘體積與功耗，實現電池供電，并且可以批量、低成本生產，在軍用、民用的各個領域具有巨大市場，因此成為原子鐘的重要發展方向。
[0004]目前，芯片級CPT原子鐘的原子氣體腔結構通常是中間為硅片兩邊為玻璃的三明治結構。先在單晶硅片上制作通孔，然后與Pyrex玻璃片鍵合形成半腔結構，待堿金屬與緩沖氣體充入后，再與另外一片Pyrex玻璃片鍵合形成密封結構。這種結構的堿金屬原子氣體腔結構的腔內光與原子作用光路長度受到硅片厚度及硅加工工藝的限制，通常為Imm?2mm，進一步增加厚度困難且昂貴，因此限制了光與原子相互作用光程，CPT信號的信噪比較低，影響了 CPT原子鐘的頻率穩定度。
【發明內容】
[0005]在現有研究基礎上，為了進一步提高光與原子相互作用的光程，增大CPT信號信噪比、增加頻率穩定度，本發明提供一種具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件及其制造方法。
[0006]具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件包括娃片和玻璃片，所述娃片的一側面設有凹槽，凹槽內底部設有下反射鏡；所述玻璃片的一側面設有上反射鏡；硅片和玻璃片通過鍵合形成原子氣體腔器件，玻璃片上的上反射鏡對應位于硅片的凹槽內，且與下反射鏡對應。
[0007]所述凹槽的橫截面為倒梯形，凹槽為濕法腐蝕形成，硅片的類型為(100)型硅片，且腐蝕形成的凹槽的側壁和玻璃片的夾角為54.7度。
[0008]所述凹槽的寬度W為倒梯形的橫截面的底面寬度，且為硅片厚度H的兩倍以上。
[0009]具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件的具體制備操作步驟如下:
I).在硅片上制作凹槽
選擇(100)型的硅片，利用二氧化硅作為掩膜層進行各向異性濕法腐蝕，在硅片的一側面上形成一百個以上橫截面為倒梯形的凹槽；
2).在玻璃上制作反射鏡
采用蒸發工藝或濺射工藝，利用硬掩模或剝離技術，在玻璃片的一側面上制作一百個以上的金屬膜反射鏡，即上反射鏡；在硅片上的每個凹槽的底部制作一百個以上的金屬膜反射鏡，即下反射鏡；
3).硅-玻璃鍵合
進行硅-玻璃鍵合，同時通入堿金屬蒸汽和緩沖氣體，使硅片和玻璃片密封形成原子氣體腔器件；
4).劃片
以硅片上的凹槽為單元，將整個硅片進行劃分，形成一百個以上單個的原子氣體腔器件。
[0010]所述堿金屬蒸汽為銣蒸汽或銫蒸汽，所述的緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳的混合氣體。
[0011]本發明的有益技術效果體現在以下方面:
1.本發明的原子氣體腔器件使得激光與堿金屬原子之間作用光程主要由凹槽的底部寬度決定，因此可以不局限于硅片厚度，通過改變原子腔體尺寸設計易于增加激光與原子氣體間的相互作用空間長度，使相干布局囚禁效應信號的信噪比增強，有利于提高系統的穩定度；
2.本發明的原子氣體腔器件的制造技術主要基于硅的各向異性濕法腐蝕工藝和硅-玻璃陽極鍵合等成熟MEMS工藝，因此成本低，易于實現；
3.基于MEMS批量加工的特點，在同一批次的流片中，可以完成不同尺寸的原子氣體腔的制造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明結構橫剖圖。
[0013]圖2為本發明原子氣體腔器件的關鍵尺寸標識圖。
[0014]圖3為激光在本發明的原子氣體腔器件中的光路示意圖。
[0015]圖4為激光在傳統原子氣體腔中的光路示意圖。
[0016]上圖中:硅片1、玻璃片2、原子氣體腔3、上反射鏡4、下反射鏡5、H為硅片的厚度，W為凹槽底部寬度，α為凹槽的側壁和玻璃片之間的夾角。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地說明。
[0018]實施例1
參見圖1和圖2，具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件包括硅片I和玻璃片
2。硅片I的一側面設有凹槽，凹槽的橫截面為倒梯形，凹槽內底部設有下反射鏡5 ;玻璃片2的一側面設有上反射鏡4 ;硅片I和玻璃片2通過鍵合形成原子氣體腔3器件，玻璃片2上的上反射鏡4對應位于硅片I的凹槽內，且與下反射鏡5對應。
[0019]如圖3所示，激光在原子氣體腔3器件中的光程主要由凹槽底部的寬度W決定，通過調節W的大小即可改變光程。參見圖4，在傳統的原子氣體腔器件中，激光直接從頂端射入，底端射出，光程由硅片的厚度H決定。
[0020]具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件的具體制備操作步驟如下:
1.選取厚度為0.5?Imm的N (100)型的硅片1，利用二氧化硅做掩模，利用氫氧化鉀溶液進行各向異性濕法腐蝕工藝，在硅片I上形成二百個橫截面為倒梯形的凹槽，凹槽的側壁即為{111}晶面，凹槽的底部寬度為3mm。氫氧化鉀腐蝕的溫度為60°C ；
2.采用蒸發工藝，利用剝離技術，在玻璃片2的一側面上制作二百個金屬膜反射鏡，即上反射鏡4 ;在硅片I的每個凹槽的底部制作二百個金屬膜反射鏡，即下反射鏡5 ；
3.進行硅-玻璃鍵合，同時通入銣蒸汽和緩沖氣體，使硅片I和玻璃片2密封形成原子氣體腔器件；緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳組成的混合氣體。陽極鍵合的工藝條件為:溫度400°C，電壓600V ；
4.劃片
以硅片I上的凹槽為單元，將整個硅片I進行劃分，形成二百個單個的原子氣體腔3器件。
[0021]實施例2
本實施例的原子氣體腔的結構如圖1所示，具體實施方案如下:
1.選取厚度為0.5?Imm的P (100)型的硅片I，利用氮化硅做掩模，通過TMAH溶液進行各向異性濕法腐蝕，在硅片I上形成橫截面為倒梯形的一百五十個凹槽，凹槽的側壁即為{111}晶面，通孔的橫向寬度為5mm。TMAH溶液腐蝕的溫度為80°C ；
2.采用濺射工藝，利用硬掩模技術，分別在玻璃片2的一側面上制作一百五十個金屬膜反射鏡，即上反射鏡4 ;在硅片I的每個凹槽的底部制作一百五十個金屬膜反射鏡，即下反射鏡5 ；
3.進行硅-玻璃鍵合，同時通入銫蒸汽和緩沖氣體，使硅片I和玻璃片2形成密封的原子氣體腔器件；緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳組成的混合氣體，陽極鍵合的工藝條件為:溫度400°C，電壓600V ；
4.劃片，以硅片I上的凹槽為單元，將整個硅片I進行劃分，形成一百五十個單個的原子氣體腔3器件。
【權利要求】
1.具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件，其特征在于:包括硅片和玻璃片，所述硅片的一側面設有凹槽，凹槽內底部設有下反射鏡；所述玻璃片的一側面設有上反射鏡；硅片和玻璃片通過鍵合形成原子氣體腔器件，玻璃片上的上反射鏡對應位于硅片的凹槽內，且與下反射鏡對應。
2.如權利要求1所述的具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件，其特征在于:所述凹槽的橫截面為倒梯形，凹槽為濕法腐蝕形成，硅片的類型為(100)型硅片，且腐蝕形成的凹槽的側壁和玻璃片的夾角為54.7度。
3.如權利要求2所述的具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件，其特征在于:所述凹槽的寬度W為倒梯形的橫截面的底面寬度，且為硅片厚度H的兩倍以上。
4.制備如權利要求1所述的具有雙反射鏡和凹槽形結構的原子氣體腔器件的制造方法，其特征在于具體制備操作步驟如下: 1).在硅片上制作凹槽 選擇(100)型的硅片，利用二氧化硅作為掩膜層進行各向異性濕法腐蝕，在硅片的一側面上形成一百個以上橫截面為倒梯形的凹槽； 2).在玻璃上制作反射鏡 采用蒸發工藝或濺射工藝，利用硬掩模或剝離技術，在玻璃片的一側面上制作一百個以上的金屬膜反射鏡，即上反射鏡；在硅片上的每個凹槽的底部制作一百個以上的金屬膜反射鏡，即下反射鏡； 3).硅-玻璃鍵合 進行硅-玻璃鍵合，同時通入堿金屬蒸汽和緩沖氣體，使硅片和玻璃片密封形成原子氣體腔器件； 4).劃片 以硅片上的凹槽為單元，將整個硅片進行劃分，形成一百個以上單個的原子氣體腔器件。
5.如權利要求4所述的制造方法，其特征在于:步驟3)所述堿金屬蒸汽為銣蒸汽或銫蒸汽，所述的緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳的混合氣體。
【文檔編號】B81B1/00GK103941577SQ201410141911
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】許磊, 王光池, 鄭林華, 劉建勇 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所