一種堿金屬諧振器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開一種堿金屬諧振器及其制備方法。堿金屬諧振器是由玻璃-硅-玻璃，通過兩次靜電鍵合，形成的三明治結構。堿金屬通過諧振器側面預留通孔移植到堿金屬諧振腔內；然后，用低溫焊料，在手套箱中完成堿金屬諧振器的封閉操作。本發明采用了MEMS的工藝，可以進行批量生產，成本低；另外，堿金屬的移植是在靜電鍵合工藝過程之后進行的，不會影響靜電鍵合質量；堿金屬諧振腔內植入是純堿金屬，不含任何其余物質，不會影響信號質量；不需要對堿金屬做任何處理，有效的降低了堿金屬諧振器制造成本和制作周期。
【專利說明】一種堿金屬諧振器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種堿金屬諧振器及其制備方法，可用于芯片級原子鐘物理封裝用諧振腔的制作。
【背景技術】
[0002]目前原子鐘是最精準的人造時鐘，根據報道，最新研制出的原子鐘的精度達10的18次方。原子鐘量子躍遷的特殊類型是超精細躍遷，超精細躍遷涉及原子核磁場和核外電子磁場的相互作用。目前原子鐘主要朝兩個方面發展:一方面是提高原子鐘的精度；另一方面，就是在保證其性能的前提下將其小型化，以適合GPS和通信衛星等對于原子鐘的迫切需求。因此如何減小體積和重量，同時降低其功耗，并具有較高的準確度和穩定度，是目前原子鐘遇到的主要技術挑戰。
[0003]堿金屬原子鐘，比如銣、銫原子鐘，體積小、重量輕、性能好，并且成本較低，是目前應用最廣泛的一種原子鐘。堿金屬原子鐘由物理封裝部分和電路伺服部分構成，物理封裝部分對堿金屬原子鐘的短期和長期穩定性起到決定性作用。物理部分的核心部件是堿金屬諧振器，其一般為玻璃-硅-玻璃的三明治結構，中間的硅片有部分被掏空而形成腔體，稱為諧振腔，堿金屬或者用于制備堿金屬的原料置入腔體內，特殊調制的激光，通過四分之一波片變成圓偏振光，然后照射諧振腔，在堿金屬諧振腔中發生CPT諧振，通過光電二極管探測光能量變化。要實現堿金屬原子鐘的微型化，關鍵是減小堿金屬諧振器的體積；要實現原子鐘的長期穩定性，關鍵是增加堿金屬諧振器的穩定性。
[0004]目前原子鐘堿金屬諧振器的制造方法共有以下幾種:1、在玻璃-硅-玻璃的三明治結構中直接加入氯化銣和疊氮化鋇，再通過反應生成堿金屬銣；但是反應殘留物氯化鋇滯留在堿金屬諧振腔內，對化學窗口產生污染，會嚴重影響銣與光作用，因而獲得的原子鐘的性能不高；2、在玻璃-硅-玻璃的結構中，設計兩個腔室:一個腔室用于放置堿金屬(t匕如銣、銫)釋氣劑，一個腔室用于堿金屬諧振，釋氣劑在激活狀態下會釋放堿金屬蒸汽，進而擴散到這個腔體中；但是這種設計增加了堿金屬諧振器的總體面積，從而增加了原子鐘物理封裝的體積，不符合原子鐘小型化的發展趨勢；3、在玻璃-硅-玻璃的結構中，先在腔體中置入純的堿金屬，再通過靜電鍵合上玻璃，封閉腔體，但是，堿金屬的熔點低于靜電鍵合溫度，所以，靜電鍵合溫度會導致堿金屬的揮發，影響靜電鍵合質量，降低了堿金屬諧振器的穩定性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種堿金屬諧振器及其制備方法，由此制備的堿金屬諧振器體積小、性能穩定。
[0006]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:
一種制備堿金屬諧振器的方法，包括以下步驟:
(I)在清洗后的硅片中間制備出作為諧振腔的通孔，并在硅片的周邊制備一開口，所述開口的一端與諧振腔連通；
(2 )通過靜電鍵合方式對上述帶有通孔與開口的硅片進行玻璃-硅片-玻璃靜電鍵合，形成三明治結構；
(3)在開口兩側硅片的表面濺射金屬；
(4)在手套箱中，將堿金屬通過開口移植至諧振腔內；然后將緩沖氣體充入諧振腔內；再利用熔點為45?180°C的焊料將開口密封即完成堿金屬諧振器的制備。
[0007]上述技術方案中，所述步驟(I)中，采用KOH濕法腐蝕工藝或者深反應離子干法刻蝕工藝制備通孔與開口。
[0008]上述技術方案中，所述步驟(3)中，濺射的金屬為后面低溫焊料提供粘附作用，濺射的金屬可以是任何具有此作用的金屬；本發明優選為鈦或者鉻。
[0009]上述技術方案中，所述步驟(4)中，堿金屬為銣或者銫。
[0010]上述技術方案中，所述步驟(4)中，緩沖氣體為惰性氣體；熔點為45?180°C的焊料為銦錫合金。
[0011]本發明還公開了一種堿金屬諧振器，包括腔體與六個側面，其中一對相對的側面為玻璃，其余側面為硅片，所述硅片上設置一開口，開口的一端與諧振腔連通，另一端由熔點為45?180°C的焊料封閉；所述焊料與硅片之間設置金屬層；諧振腔內放置堿金屬并充入緩沖氣體。
[0012]上述技術方案中，所述金屬為鈦或者鉻；所述堿金屬為銣或者銫；所述緩沖氣體為惰性氣體。
[0013]由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1.本發明利用堿金屬諧振腔側面預留的開口將堿金屬移植到諧振腔內，此過程在通過靜電鍵合制備玻璃-硅-玻璃三明治結構之后，不會與靜電鍵合互相影響；
2.本發明在堿金屬諧振腔內植入純堿金屬，不含任何其余物質，不會影響光信號質量；并且不需要對堿金屬做任何處理，有效的降低了堿金屬諧振器的制造成本和制作周期；
3.本發明通過兩次靜電鍵合，形成玻璃-硅-玻璃的三明治結構，然后將堿金屬通移植到堿金屬諧振腔內，最后在手套箱中，用低溫焊料封閉即完成堿金屬諧振器的制備；制備方法簡單、成本低，適于工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例一中制備的堿金屬諧振器的結構示意圖；
其中，1、銦錫合金，2、鈦金屬，3、玻璃，4、玻璃，5、硅片，6、諧振腔，7、開口，8、堿金屬銫。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例以及附圖對本發明作進一步描述:
實施例一:堿金屬諧振器的制備
附圖1為本實施例制備的堿金屬諧振器的結構示意圖；參見附圖1，堿金屬諧振器包括銦錫合金1、鈦金屬2、玻璃3、玻璃4、硅片5、諧振腔6、開口 7以及堿金屬銫8，其中諧振腔為方形結構，腔體的一個硅片側面設置長方形開口，開口的一端與腔體連通，一端由低溫焊料(銦錫合金)封閉；開口兩側硅片的表面濺射鈦金屬。其具體制備方法如下: (I)采用RCA標準清洗步驟清洗硅片；在清洗后的硅片兩面熱氧化生長氧化層并在氧化層上通過LPCVD淀積氮化硅；根據所需腔體形狀，采用雙面光刻刻蝕，刻蝕氧化硅和氮化硅，露出部分硅片，再利用雙面KOH濕法腐蝕去除沒有氧化硅和氮化硅保護的硅片，從而制備出作為諧振腔的通孔以及開口 ；再采用雙面光刻刻蝕，刻蝕氧化硅和氮化硅，露出剩余的娃片;
(2 )通過靜電鍵合方式對上述帶有通孔與開口的硅片進行玻璃-硅片-玻璃靜電鍵合，形成三明治結構；至此諧振器的腔體已形成，其中的一個側面通過開口與外界連通；
(3)在開口兩側硅片的表面濺射鈦金屬；
(4)在手套箱中，將堿金屬銫通過開口移植至諧振腔內；然后將緩沖氣體氮氣充入諧振腔內；再利用低溫焊料銦錫合金將開口密封即完成堿金屬諧振器的制備。
[0016]實施例二:堿金屬諧振器的制備
(I)采用RCA標準清洗步驟清洗硅片；在清洗后的硅片兩面熱氧化生長氧化層并在氧化層上通過LPCVD淀積氮化硅；根據所需腔體形狀，采用雙面光刻刻蝕，刻蝕氧化硅和氮化硅，露出部分硅片，再利用雙面KOH濕法腐蝕去除沒有氧化硅和氮化硅保護的硅片，從而制備出作為諧振腔的通孔以及開口 ；再采用雙面光刻刻蝕，刻蝕氧化硅和氮化硅，露出剩余的娃片;
(2 )通過靜電鍵合方式對上述帶有通孔與開口的硅片進行玻璃-硅片-玻璃靜電鍵合，形成三明治結構；至此諧振器的腔體已形成，其中的一個側面通過開口與外界連通；
(3)在開口兩側硅片的表面濺射鉻金屬；
(4)在手套箱中，將堿金屬銣通過開口移植至諧振腔內；然后將緩沖氣體氬氣充入諧振腔內；再利用低溫焊料金錫焊料將開口密封即完成堿金屬諧振器的制備。
【權利要求】
1.一種制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)在清洗后的硅片中間制備出作為諧振腔的通孔，并在硅片的周邊制備一開口，所述開口的一端與諧振腔連通； (2 )通過靜電鍵合方式對上述帶有通孔與開口的硅片進行玻璃-硅片-玻璃靜電鍵合，形成三明治結構； (3)在開口兩側硅片的表面濺射金屬； (4)在手套箱中，將堿金屬通過開口移植至諧振腔內；然后將緩沖氣體充入諧振腔內；再利用熔點為45?180°C的焊料將開口密封即完成堿金屬諧振器的制備。
2.根據權利要求1所述制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于:所述步驟(I)中，采用KOH濕法腐蝕工藝或者深反應離子干法刻蝕工藝制備通孔與開口。
3.根據權利要求1所述制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于:所述步驟(3)中，金屬為鈦或者鉻。
4.根據權利要求1所述制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，堿金屬為銣或者銫。
5.根據權利要求1所述制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，緩沖氣體為惰性氣體。
6.根據權利要求1所述制備堿金屬諧振器的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，熔點為45?180°C的焊料為銦錫合金。
7.—種堿金屬諧振器，包括腔體與六個側面，其中一對相對的側面為玻璃，其余側面為硅片，其特征在于:所述硅片上設置一開口，開口的一端與諧振腔連通，另一端由熔點為45?180°C的焊料封閉；所述焊料與硅片之間設置金屬層；諧振腔內放置堿金屬并充入緩沖氣體。
8.根據權利要求7所述堿金屬諧振器，其特征在于:所述金屬為鈦或者鉻。
9.根據權利要求7所述堿金屬諧振器，其特征在于:所述堿金屬為銣或者銫。
10.根據權利要求7所述堿金屬諧振器，其特征在于:所述緩沖氣體為惰性氣體。
【文檔編號】G04F5/14GK103744283SQ201410037275
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】張忠山, 于連忠, 湯亮, 喬東海 申請人:蘇州大學