具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法。所述的原子气体腔器件由一层底部设有反射镜的具有凹槽的硅片和一层内部设有反射镜的玻璃片通过键合围成的腔体结构构成。所述的凹槽的横截面为倒梯形结构，由（100）型的单晶硅片通过硅各向异性湿法腐蚀形成，凹槽的侧壁为硅片的{111}晶面。玻璃片内部和硅片凹槽的底部各有一个反射镜，用于激光的多次反射。本发明所述的原子气体腔器件可用于原子钟和磁强计等系统中，激光在双反射镜间进行多次反射，从而增加激光与原子气体间的相互作用空间长度，使相干布局囚禁效应信号的信噪比增强，有利于提高系统的稳定度。
【专利说明】具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统(MEMS)器件制作与封装【技术领域】，以及原子物理器件【技术领域】，具体涉及一种基于MEMS工艺的微型原子腔结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]原子钟测量时间的精确度可以达到十亿分之一秒甚至更高，原子钟是目前最精准的人造钟，其相关研究具有重要的意义。CPT (Coherent Population Trapping,相干布局囚禁效应)原子钟是利用双色相干光与原子作用将原子制备成相干态，利用CPT信号作为微波鉴频信号而实现的原子钟频率源。由于具有易于微型化、低功耗和高频率稳定度等特点，CPT原子钟一经提出就受到各国研究机构的重视，并开展了深入的研究。
[0003]CPT原子钟是一个复杂的系统，其核心部件就是原子气体腔。利用现在成熟的MEMS技术制作微型原子气体腔体，可以将被动型CPT原子钟尺寸缩小到芯片级。芯片级CPT原子钟能够大幅度减小原子钟体积与功耗，实现电池供电，并且可以批量、低成本生产，在军用、民用的各个领域具有巨大市场，因此成为原子钟的重要发展方向。
[0004]目前，芯片级CPT原子钟的原子气体腔结构通常是中间为硅片两边为玻璃的三明治结构。先在单晶硅片上制作通孔，然后与Pyrex玻璃片键合形成半腔结构，待碱金属与缓冲气体充入后，再与另外一片Pyrex玻璃片键合形成密封结构。这种结构的碱金属原子气体腔结构的腔内光与原子作用光路长度受到硅片厚度及硅加工工艺的限制，通常为Imm?2mm，进一步增加厚度困难且昂贵，因此限制了光与原子相互作用光程，CPT信号的信噪比较低，影响了 CPT原子钟的频率稳定度。
【发明内容】
[0005]在现有研究基础上，为了进一步提高光与原子相互作用的光程，增大CPT信号信噪比、增加频率稳定度，本发明提供一种具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法。
[0006]具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件包括娃片和玻璃片，所述娃片的一侧面设有凹槽，凹槽内底部设有下反射镜；所述玻璃片的一侧面设有上反射镜；硅片和玻璃片通过键合形成原子气体腔器件，玻璃片上的上反射镜对应位于硅片的凹槽内，且与下反射镜对应。
[0007]所述凹槽的横截面为倒梯形，凹槽为湿法腐蚀形成，硅片的类型为(100)型硅片，且腐蚀形成的凹槽的侧壁和玻璃片的夹角为54.7度。
[0008]所述凹槽的宽度W为倒梯形的横截面的底面宽度，且为硅片厚度H的两倍以上。
[0009]具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件的具体制备操作步骤如下:
I).在硅片上制作凹槽
选择(100)型的硅片，利用二氧化硅作为掩膜层进行各向异性湿法腐蚀，在硅片的一侧面上形成一百个以上横截面为倒梯形的凹槽；
2).在玻璃上制作反射镜
采用蒸发工艺或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在玻璃片的一侧面上制作一百个以上的金属膜反射镜，即上反射镜；在硅片上的每个凹槽的底部制作一百个以上的金属膜反射镜，即下反射镜；
3).硅-玻璃键合
进行硅-玻璃键合，同时通入碱金属蒸汽和缓冲气体，使硅片和玻璃片密封形成原子气体腔器件；
4).划片
以硅片上的凹槽为单元，将整个硅片进行划分，形成一百个以上单个的原子气体腔器件。
[0010]所述碱金属蒸汽为铷蒸汽或铯蒸汽，所述的缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳的混合气体。
[0011]本发明的有益技术效果体现在以下方面:
1.本发明的原子气体腔器件使得激光与碱金属原子之间作用光程主要由凹槽的底部宽度决定，因此可以不局限于硅片厚度，通过改变原子腔体尺寸设计易于增加激光与原子气体间的相互作用空间长度，使相干布局囚禁效应信号的信噪比增强，有利于提高系统的稳定度；
2.本发明的原子气体腔器件的制造技术主要基于硅的各向异性湿法腐蚀工艺和硅-玻璃阳极键合等成熟MEMS工艺，因此成本低，易于实现；
3.基于MEMS批量加工的特点，在同一批次的流片中，可以完成不同尺寸的原子气体腔的制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明结构横剖图。
[0013]图2为本发明原子气体腔器件的关键尺寸标识图。
[0014]图3为激光在本发明的原子气体腔器件中的光路示意图。
[0015]图4为激光在传统原子气体腔中的光路示意图。
[0016]上图中:硅片1、玻璃片2、原子气体腔3、上反射镜4、下反射镜5、H为硅片的厚度，W为凹槽底部宽度，α为凹槽的侧壁和玻璃片之间的夹角。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
[0018]实施例1
参见图1和图2，具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件包括硅片I和玻璃片
2。硅片I的一侧面设有凹槽，凹槽的横截面为倒梯形，凹槽内底部设有下反射镜5 ;玻璃片2的一侧面设有上反射镜4 ;硅片I和玻璃片2通过键合形成原子气体腔3器件，玻璃片2上的上反射镜4对应位于硅片I的凹槽内，且与下反射镜5对应。
[0019]如图3所示，激光在原子气体腔3器件中的光程主要由凹槽底部的宽度W决定，通过调节W的大小即可改变光程。参见图4，在传统的原子气体腔器件中，激光直接从顶端射入，底端射出，光程由硅片的厚度H决定。
[0020]具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件的具体制备操作步骤如下:
1.选取厚度为0.5?Imm的N (100)型的硅片1，利用二氧化硅做掩模，利用氢氧化钾溶液进行各向异性湿法腐蚀工艺，在硅片I上形成二百个横截面为倒梯形的凹槽，凹槽的侧壁即为{111}晶面，凹槽的底部宽度为3mm。氢氧化钾腐蚀的温度为60°C ；
2.采用蒸发工艺，利用剥离技术，在玻璃片2的一侧面上制作二百个金属膜反射镜，即上反射镜4 ;在硅片I的每个凹槽的底部制作二百个金属膜反射镜，即下反射镜5 ；
3.进行硅-玻璃键合，同时通入铷蒸汽和缓冲气体，使硅片I和玻璃片2密封形成原子气体腔器件；缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳组成的混合气体。阳极键合的工艺条件为:温度400°C，电压600V ；
4.划片
以硅片I上的凹槽为单元，将整个硅片I进行划分，形成二百个单个的原子气体腔3器件。
[0021]实施例2
本实施例的原子气体腔的结构如图1所示，具体实施方案如下:
1.选取厚度为0.5?Imm的P (100)型的硅片I，利用氮化硅做掩模，通过TMAH溶液进行各向异性湿法腐蚀，在硅片I上形成横截面为倒梯形的一百五十个凹槽，凹槽的侧壁即为{111}晶面，通孔的横向宽度为5mm。TMAH溶液腐蚀的温度为80°C ；
2.采用溅射工艺，利用硬掩模技术，分别在玻璃片2的一侧面上制作一百五十个金属膜反射镜，即上反射镜4 ;在硅片I的每个凹槽的底部制作一百五十个金属膜反射镜，即下反射镜5 ；
3.进行硅-玻璃键合，同时通入铯蒸汽和缓冲气体，使硅片I和玻璃片2形成密封的原子气体腔器件；缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳组成的混合气体，阳极键合的工艺条件为:温度400°C，电压600V ；
4.划片，以硅片I上的凹槽为单元，将整个硅片I进行划分，形成一百五十个单个的原子气体腔3器件。
【权利要求】
1.具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件，其特征在于:包括硅片和玻璃片，所述硅片的一侧面设有凹槽，凹槽内底部设有下反射镜；所述玻璃片的一侧面设有上反射镜；硅片和玻璃片通过键合形成原子气体腔器件，玻璃片上的上反射镜对应位于硅片的凹槽内，且与下反射镜对应。
2.如权利要求1所述的具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件，其特征在于:所述凹槽的横截面为倒梯形，凹槽为湿法腐蚀形成，硅片的类型为(100)型硅片，且腐蚀形成的凹槽的侧壁和玻璃片的夹角为54.7度。
3.如权利要求2所述的具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件，其特征在于:所述凹槽的宽度W为倒梯形的横截面的底面宽度，且为硅片厚度H的两倍以上。
4.制备如权利要求1所述的具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件的制造方法，其特征在于具体制备操作步骤如下: 1).在硅片上制作凹槽 选择(100)型的硅片，利用二氧化硅作为掩膜层进行各向异性湿法腐蚀，在硅片的一侧面上形成一百个以上横截面为倒梯形的凹槽； 2).在玻璃上制作反射镜 采用蒸发工艺或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在玻璃片的一侧面上制作一百个以上的金属膜反射镜，即上反射镜；在硅片上的每个凹槽的底部制作一百个以上的金属膜反射镜，即下反射镜； 3).硅-玻璃键合 进行硅-玻璃键合，同时通入碱金属蒸汽和缓冲气体，使硅片和玻璃片密封形成原子气体腔器件； 4).划片 以硅片上的凹槽为单元，将整个硅片进行划分，形成一百个以上单个的原子气体腔器件。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于:步骤3)所述碱金属蒸汽为铷蒸汽或铯蒸汽，所述的缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳的混合气体。
【文档编号】B81B1/00GK103941577SQ201410141911
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】许磊, 王光池, 郑林华, 刘建勇 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所