CN103941576A - 基于mems技术的原子气体腔器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MEMS技术的原子气体腔器件及其制造方法。所述原子气体腔器件具有典型的三明治结构，由一层具有通孔的硅片和两层玻璃片键合围成的腔体结构构成。所述的通孔的横截面为平行四边形，由（100）型的单晶硅片通过硅各向异性湿法腐蚀形成，通孔的侧壁为硅片的{111}晶面。两层玻璃片与带通孔的硅片通过硅-玻璃阳极键合后形成原子气体腔。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，通过改变原子腔体尺寸设计易于增加腔内两反射镜之间的距离，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。

Description

基于MEMS技术的原子气体腔器件及其制造方法

技术领域

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

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。

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。

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1mm～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

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，本发明提供一种基于MEMS技术的原子气体腔器件及其制造方法。

基于MEMS技术的原子气体腔器件具有典型的三明治结构，包括中间层为中部具有通孔的硅片，硅片的一侧面设有顶层玻璃，另一侧面设有底层玻璃，所述通孔的横截面为平行四边形，平行四边形的通孔的两侧壁为平行的斜面；所述通孔两侧斜面的侧壁上分别设有反射镜。

所述通孔两侧斜面的侧壁由硅的各向异性湿法腐蚀形成，通孔的侧壁为硅片的{111}晶面，且与顶层玻璃或底层玻璃的夹角为54.7度。

 基于MEMS技术的原子气体腔器件具体制造操作步骤如下：

1）.制作通孔

选择（100）型的硅片，进行双面光刻形成腐蚀窗口，利用二氧化硅作为掩膜层进行双面各向异性湿法腐蚀，形成横截面为平行四边形的通孔；

2）.制作反射镜

采用蒸发或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在所述通孔的两侧侧壁上分别制作金属膜反射镜；

3）.硅-玻璃键合

先进行一次硅-玻璃键合，完成带有通孔的硅片和底层玻璃的键合；然后通入碱金属蒸汽和缓冲气体；再进行一次硅-玻璃键合，使顶层玻璃和硅片键合，完成原子气体腔的密封；

4）.划片

以硅片上的通孔为单元，对整个硅片进行划分，形成一百个以上的单个的原子气体腔器件。

步骤3）所述碱金属蒸汽为铷蒸汽或铯蒸汽，所述缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳的混合气体。    

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由硅片上的通孔的横向宽度决定，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腔内两反射镜之间的距离，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；

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，可以完成不同通孔宽度的原子气体腔的制造。

附图说明

图1为本发明结构横剖图。

图2为本发明原子气体腔器件的关键尺寸标识图。

图3为激光在本发明原子气体腔器件中的光路示意图。

图4为激光在传统原子气体腔器件中的光路示意图。

上图中序号：硅片1、原子气体腔2、顶层玻璃3、底层玻璃4、金属膜反射镜5、H为硅片的厚度，W为窗口的横向宽度，L为正反两个窗口的水平距离，α为通孔与玻璃片的夹角。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图1和图2，基于MEMS技术的原子气体腔器件具有典型的三明治结构，包括中间层为中部具有通孔的硅片1，通孔的横截面为平行四边形。硅片1的一侧面设有顶层玻璃3，另一侧面设有底层玻璃4。平行四边形的通孔的两侧壁为平行的斜面；通孔两侧斜面的侧壁上分别设有金属膜反射镜5。通孔两侧斜面的侧壁由硅的各向异性湿法腐蚀形成，通孔的侧壁为硅片1的{111}晶面，且与顶层玻璃3或底层玻璃4的夹角为54.7度。

 参见图3，激光在原子气体腔2器件中的光程主要由窗口的横向宽度W决定，通过调节窗口的横向宽度W的大小即可改变光程。参见图4，而在传统的原子气体腔中，激光直接从顶端射入，底端射出，光程由硅片的厚度H决定。

基于MEMS技术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0.5mm的N（100）型的硅片1，利用二氧化硅做掩模，通过氢氧化钾各向异性湿法腐蚀工艺进行双面对穿腐蚀，在硅片1上形成横截面为平行四边形的二百个通孔，每个通孔的两侧侧壁即为{111}晶面，每个通孔的横向宽度均为3mm；

2.采用蒸发工艺，利用剥离技术，在硅片1的每个通孔的两侧侧壁上分别制作金属膜反射镜5；

3.先进行第一次硅-玻璃阳极键合，完成硅片1和底层玻璃4的键合；同时充入铷蒸汽和85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳混合形成的缓冲气体，最后进行第二次阳极键合，使顶层玻璃3和硅片1键合，完成原子气体腔体的密封。阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压600V；

4.划片，以硅片1上的通孔为单元，将整个硅片1进行划分，形成二百个单个的原子气体腔器件。

实施例2：

基于MEMS技术的原子气体腔器件的结构同实施例1。

具体制备操作步骤如下：

1.选取厚度为1mm的P（100）型的硅片1，利用氮化硅做掩模，通过TMAH各向异性湿法腐蚀工艺进行双面对穿腐蚀，在硅片上形成横截面为平行四边形的一百五十个通孔，每个通孔的两侧侧壁即为{111}晶面，通孔的横向宽度为5mm。TMAH腐蚀的温度为80℃；

2.采用溅射工艺，利用硬掩模技术，在每个通孔的两侧侧壁上分别制作金属膜反射镜5；

3.先进行第一次硅-玻璃阳极键合，完成硅片1和底层玻璃4的键合；同时充入铯蒸汽和85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳混合形成的缓冲气体，最后进行第二次阳极键合，使顶层玻璃3和硅片1键合，完成原子气体腔体的密封。阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压600V；

4.划片，以硅片1上的通孔为单元，将整个硅片1进行划分，形成一百五十个单个的原子气体腔器件。

Claims (4)

1.基于MEMS技术的原子气体腔器件，所述原子气体腔器件具有典型的三明治结构，包括中间层为中部具有通孔的硅片，硅片的一侧面设有顶层玻璃，另一侧面设有底层玻璃，其特征在于：所述通孔的横截面为平行四边形，平行四边形的通孔的两侧壁为平行的斜面；所述通孔两侧斜面的侧壁上分别设有反射镜。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的原子气体腔器件，其特征在于：所述通孔两侧斜面的侧壁由硅的各向异性湿法腐蚀形成，通孔的侧壁为硅片的{111}晶面，且与顶层玻璃或底层玻璃的夹角为54.7度。

3.制备权利要求1所述的基于MEMS技术的原子气体腔器件的制造方法，其特征在于具体制造操作步骤如下：

1）.制作通孔

选择（100）型的硅片，进行双面光刻形成腐蚀窗口，利用二氧化硅作为掩膜层进行双面各向异性湿法腐蚀，形成横截面为平行四边形的通孔；

2）.制作反射镜

采用蒸发或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在所述通孔的两侧侧壁上分别制作金属膜反射镜；

3）.硅-玻璃键合

先进行一次硅-玻璃键合，完成带有通孔的硅片和底层玻璃的键合；然后通入碱金属蒸汽和缓冲气体；再进行一次硅-玻璃键合，使顶层玻璃和硅片键合，完成原子气体腔的密封；

4）.划片

以硅片上的通孔为单元，对整个硅片进行划分，形成一百个以上的单个的原子气体腔器件。

4.如权利要求3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。