CN103955129A

CN103955129A - 具有双反射镜的微型原子气体腔器件及其制造方法

Info

Publication number: CN103955129A
Application number: CN201410141659.9A
Authority: CN
Inventors: 许磊; 郑林华; 刘建勇; 王光池; 王晓东; 齐步坤
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-07-30

Abstract

本发明涉及一种具有双反射镜的微型原子气体腔器件及其制造方法。所述的原子气体腔具有典型的三明治结构，由一层具有通孔的硅片和两层内部分别带有反射镜的玻璃片键合围成的腔体结构构成。所述的通孔由硅的干法刻蚀或湿法腐蚀工艺进行双面加工完成。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器件。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。

Description

具有双反射镜的微型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，本发明提供一种具有双反射镜的微型原子气体腔结构及其制造方法。

具体的技术解决方案如下：

具有双反射镜的微型原子气体腔器件具有典型的三明治结构，中间层为中部具有通孔的硅片；顶层玻璃和底层玻璃结构相同，均为一侧面具有反射镜的玻璃，且顶层玻璃上的上反射镜和底层玻璃上的下反射镜均位于所述通孔内；所述通孔的横截面为四边形，且通孔的横向宽度W大于硅片的厚度H。

所述通孔的横截面为矩形或倒梯形；当通孔的横截面为倒梯形时，所述通孔的横向宽度W为通孔底面的宽度。

所述通孔若为干法刻蚀制作，硅片的类型不受限制，形成的通孔的侧壁晶向也不受限制；通孔若为湿法腐蚀形成，硅片的类型为（100）型的硅片，且腐蚀形成的通孔的侧壁与底层玻璃的夹角为54.7度。

通孔的横向宽度W为硅片的厚度H的两倍以上。

制备具有双反射镜的微型原子气体腔器件的具体操作步骤如下：

1）制作通孔

利用干法刻蚀技术刻蚀穿透整个硅片，使硅片上形成一百个以上的横截面为矩形的通孔；

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，在顶层玻璃的一侧面和底层玻璃的一侧面分别制作一百个以上的金属膜反射镜；

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；同时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；且顶层玻璃上的上反射镜和底层玻璃上的下反射镜均位于通孔内；

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。

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。

步骤1）制作通孔，选择(100)型硅片，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，形成两个以上的倒梯形的通孔。

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通孔的横向宽度和反射镜的长度决定，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或干法刻蚀工艺，以及硅-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器件的制造。

附图说明

图1为本发明原子气体腔器件结构示意图。

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中的光路示意图。

图4为激光在传统原子气体腔中的光路示意图。

图5为实施例2中原子气体腔结构示意图。

上图中序号：硅片1、顶层玻璃2、原子气体腔3、上反射镜4、底层玻璃5、下反射镜6、H为硅片的厚度，W为通孔的横向宽度，L为反射镜的长度。

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，具有双反射镜的微型原子气体腔器件具有典型的三明治结构，中间层为中部具有通孔的硅片1；顶层玻璃2和底层玻璃5结构相同，均为一侧面具有反射镜的玻璃，且顶层玻璃2上的上反射镜4和底层玻璃5上的下反射镜6均位于通孔内；通孔的横截面为矩形，且通孔的横向宽度W为硅片1的厚度H的10倍。

具有双反射镜的微型原子气体腔器件的具体制备操作步骤如下：

1.选取厚度为0.5～1mm的N(100)型的硅片1，利用干法刻蚀工艺直接在硅片1上刻蚀出横截面为矩形的二百个通孔，每个通孔的横向宽度W均为3mm；

2.采用蒸发工艺，利用剥离技术，分别在顶层玻璃2的一侧面和底层玻璃5的一侧面制作二百个金属膜反射镜，即上反射镜4或下反射镜6；每个金属膜反射镜的面积为2mm²，小于通孔的面积；

3.先进行第一次硅-玻璃阳极键合，完成硅片1和底层玻璃5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2和硅片1键合，完成原子气体腔体的密封，且顶层玻璃2上的上反射镜4和底层玻璃5上的下反射镜6均位于通孔内。阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压600V；

4. 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。

参见图3，激光在原子气体腔3中的光程主要由通孔的横向宽度W和反射镜的长度L决定，通过调节硅片上通孔的横向宽度W的大小即可改变光程。参见图4，而在传统的原子气体腔3中，激光直接从顶端射入，底端射出，光程由硅片1的厚度H决定。

实施例2

具有双反射镜的微型原子气体腔器件，其中硅片1的通孔的横截面为倒梯形，其它同实施例1。

具体的制备操作步骤如下：

1.选取厚度为0.5～1mm的P（100）型的硅片1，利用二氧化硅或氮化硅做掩模，通过TMAH各向异性湿法腐蚀工艺进行双面对穿腐蚀，在硅片1上形成横截面为倒梯形的一百五十个通孔，见图5，每个通孔的侧壁即为{111}晶面，每个通孔的横向宽度W均为5mm；

2.采用溅射工艺，利用硬掩模技术，分别在顶层玻璃2的一侧面和底层玻璃5的一侧面制作一百五十个金属膜反射镜，即上反射镜4或下反射镜6；每个反射镜的面积为4mm²，小于通孔的面积；

3.先进行第一次硅-玻璃阳极键合，完成硅片1和底层玻璃5的键合；同时充入铯蒸汽和和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2和硅片1键合，完成原子气体腔体的密封，且顶层玻璃2上的上反射镜4和底层玻璃5上的下反射镜6均位于通孔内。阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压600V；

4.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

1.具有双反射镜的微型原子气体腔器件，所述原子气体腔器件具有典型的三明治结构，其特征在于：中间层为中部具有通孔的硅片；顶层玻璃和底层玻璃结构相同，均为一侧面具有反射镜的玻璃，且顶层玻璃上的上反射镜和底层玻璃上的下反射镜均位于所述通孔内；所述通孔的横截面为四边形，且通孔的横向宽度W大于硅片的厚度H。

2.如权利要求1所述的具有双反射镜的微型原子气体腔器件，其特征在于：所述通孔的横截面为矩形或倒梯形；当通孔的横截面为倒梯形时，所述通孔的横截面的宽度W为通孔底面的宽度。

3.如权利要求1或2所述的具有双反射镜的微型原子气体腔器件，其特征在于：所述通孔若为干法刻蚀制作，硅片的类型不受限制，形成的通孔的侧壁晶向也不受限制；通孔若为湿法腐蚀形成，硅片的类型为（100）型的硅片，且腐蚀形成的通孔的侧壁与底层玻璃的夹角为54.7度。

4.如权利要求1或2所述的具有双反射镜的微型原子气体腔器件，其特征在于：通孔的宽度W为硅片的厚度H的两倍以上。

5.制备权利要求1所述的具有双反射镜的微型原子气体腔器件的制造方法，其特征在于具体操作步骤如下：

1）制作通孔：利用干法刻蚀技术刻蚀穿透整个硅片，使硅片上形成一百个以上的横截面为矩形的通孔；

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，在顶层玻璃的一侧面和底层玻璃的一侧面分别制作一百个以上的金属膜反射镜；

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；同时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；且顶层玻璃上的上反射镜和底层玻璃上的下反射镜均位于通孔内；

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。

6.如权利要求5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。

7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于：步骤1）制作通孔，选择(100)型硅片，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，形成两个以上的倒梯形的通孔。