CN109282803A - 球形原子气室的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种球形原子气室及其制备方法，该制备方法包括：提供具有双面抛光的硅基圆柱体晶片；在硅基圆柱体晶片的第一抛光面上制备第一柱体开孔；将第一玻璃圆形晶片键合在硅基圆柱体晶片的第一抛光面上；对硅基圆柱体晶片加热，以使得第一柱体开孔内部的空气膨胀以形成和第一柱体开孔连通的球形玻璃泡；在硅基圆柱体晶片的第二抛光面上制备和第一柱体开孔连通的第二柱体开孔以得到球形原子气室。通过上述方式，本申请能够有效提高原子自旋弛豫时间和原子的利用效率。

Description

球形原子气室的制备方法

技术领域

本申请涉及气室制备工艺领域，特别是涉及一种球形原子气室及其制备方法。

背景技术

随着量子光学和原子物理的飞速发展，量子通信、量子计算、量子成像和量子传感技术等量子技术被逐渐应用于量子器件研制，其中作为核心器件的原子气室自然成为一个非常重要的研究热点。

原子气室制备工艺主要包括两部分，气室制备和气体填充。其中作为主要环节之一的气室制备工艺，近年来，研究人员开发出多种制备技术手段，例如玻壳熔接、玻璃纤维烧结、玻璃/硅片/玻璃阳极键合等，制备出的原子气室多为圆柱型和方形，对于球形气室的工艺水平还不算成熟。圆柱形和方形气室在具体应用时，不利于实现较高的原子极化效率和长弛豫时间，因此导致了量子器件不能广泛应用。

发明内容

本申请提供一种球形原子气室及其制备方法，能够有效提高原子自旋弛豫时间和原子的利用效率。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种球形原子气室的制备方法，所述制备方法包括：提供具有双面抛光的硅基圆柱体晶片；在所述硅基圆柱体晶片的第一抛光面上制备第一柱体开孔；将第一玻璃圆形晶片键合在所述硅基圆柱体晶片的所述第一抛光面上；对所述硅基圆柱体晶片加热，以使得所述第一柱体开孔内部的空气膨胀以形成和所述第一柱体开孔连通的球形玻璃泡；在所述硅基圆柱体晶片的第二抛光面上制备和所述第一柱体开孔连通的第二柱体开孔以得到所述球形原子气室。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种球形原子气室，所述球形原子气室上述所述的方法制备而成，所述球形原子气室包括：硅基圆柱体晶片，具有第一抛光面和第二抛光面，所述第一抛光面处开设有第一柱体开孔，所述第二抛光面处开设有和所述第一柱体开孔连通的第二柱体开孔；第一玻璃圆形晶片，贴设于所述硅基圆柱体晶片的所述第一抛光面，且和所述第一柱体开孔处设有和所述第一柱体开孔连通的球形玻璃泡。

本申请的有益效果是：提供一种球形原子气室及其制备方法，通过在具有双面抛光的硅基圆柱体晶片上制备球形原子气室，能够有效提高原子自旋弛豫时间和原子的利用效率。

附图说明

图1是本申请球形原子气室制备方法一实施方式的流程示意图；

图2是本申请球形原子气室一实施方式的制备示意图；

图3是本申请步骤S2一实施方式的流程示意图；

图4是本申请步骤S5一实施方式的流程示意图；

图5是本申请球形原子气室一实施方式的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请球形原子气室制备方法一实施方式的流程示意图，如图1本申请所提供的球形原子气室的制备方法包括如下步骤：

S1，提供具有双面抛光的硅基圆柱体晶片。

请结合图2，图2为本申请球形原子气室一实施方式的制备示意图。如图2，首先提供一基板，本申请中采用导热性能优良的硅基圆柱体晶片100作为制备球形原子气室的基板，且该硅基圆柱体晶片100可以直接用于球形原子气室的加热，操作方便。可选地，对该硅基圆柱体晶片100的第一面及第二面进行抛光处理，以得到第一抛光面A及第二抛光面B。

S2，在硅基圆柱体晶片的第一抛光面上制备第一柱体开孔。

请一并结合图3，图3为步骤S2一实施方式的流程示意图，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S21，在硅基圆柱体晶片的第一抛光面上涂覆光刻胶。

光刻胶主要是由树脂、感光剂、溶剂及添加剂等不同材料配制而成，其可以分为负性光刻胶及正性光刻胶，其正负性的选择可以根据实际情况而做相应的选择。本实施例中的光刻胶可以选用正性光刻胶，将其直接涂覆在第一抛光面A上。当然在其它实施例中，也可以选用负性光刻胶，此处不做进一步限定。

S22，将掩膜板放置涂覆光刻胶的第一抛光面上，以覆盖至少部分光刻胶。

步骤S22中将带有圆形小孔的掩膜板C放置在光刻胶上，当然在其他实施方式中，掩膜板的中心也可以方形或者多边形的小孔，此处不做具体限定。从掩膜板C朝着硅基圆柱体晶片俯视，没有被掩膜板C覆盖的圆形小孔中的光刻胶暴露在外面，其他地方的光刻胶都被掩膜板C覆盖。

S23，对硅基圆柱体晶片进行曝光显影处理，以使得在未被掩膜板覆盖的光刻胶处形成第一开孔。

采用紫外光照射掩膜板C，未被掩膜板C覆盖的圆心小孔处的光刻胶被曝光，再经过显影处理后，将掩膜板C移除，光刻胶未被掩膜板C覆盖的位置处会形成第一开孔a。

S24，在第一开孔处对硅基圆柱体晶片的第一抛光面进行蚀刻，以得到第一柱体开孔。

步骤S24中，采用蚀刻工艺在第一开孔a处对硅基圆柱体晶片100的第一抛光面A进行蚀刻，且在蚀刻过程中可以通过控制蚀刻液的浓度以及蚀刻时间来得到需要的蚀刻深度。

可选地，蚀刻完后除去涂覆在硅基圆柱体晶片100上多余的光刻胶，以得到第一柱体开孔101，其中，该第一柱体开孔101可以为圆柱开孔也可以方形的柱体开孔，此处不做进一步限定。

S3，将第一玻璃圆形晶片键合在硅基圆柱体晶片的第一抛光面上。

可选地，采用阳极键合工艺将一定厚度的第一玻璃圆形晶片110键合在所述在硅基圆柱体晶片100的第一抛光面A上。

S4，对硅基圆柱体晶片加热，以使得第一柱体开孔内部的空气膨胀以形成和第一柱体开孔连通的球形玻璃泡。

步骤S4中，在硅基圆柱体晶片100的外围通过绝缘导热硅脂并贴设一圈加热片对其进行加热。可选地，对该硅基圆柱体晶片100的加热温度不小于800℃，其加热时间范围为2-3分钟。其中，第一柱体开孔101内部的空气受热发生膨胀以使得第一玻璃圆形晶片110对应所述第一柱体开孔101处的位置形成和第一柱体开孔101连通的球形玻璃泡111。该球形玻璃泡111可以用于容纳原子气，例如碱金属原子、惰性气体以及缓冲气体等。

S5，在硅基圆柱体晶片的第二抛光面上制备和第一柱体开孔连通的第二柱体开孔以得到球形原子气室。

参见图4，步骤S5进一步包括如下子步骤：

S51，在硅基圆柱体晶片的第二抛光面上涂覆光刻胶。

和步骤S2中一样，本实施例中的光刻胶也可以选用正性光刻胶，将其直接涂覆在第二抛光面B上。

S52，将掩膜板放置涂覆光刻胶的所述第二抛光面上，以覆盖至少部分光刻胶。

步骤S52中采用的掩膜板其中心处也带有圆形小孔，且该圆形小孔的面积可以大于或者等于步骤S2中采用的掩膜板C中的圆心小孔的面积。当然，掩膜板的中心也可以方形或者多边形的小孔，此处不做具体限定。同理，直接将该掩膜板放置于光刻胶上，以覆盖至少部分光刻胶。其中掩膜板的圆形小孔的圆心位置应和第一柱体开孔101的中心位置在一条直线上。可选地，掩膜板圆形小孔处的光刻胶未被覆盖，其余地方的光刻胶均被掩膜板覆盖。

S53，对硅基圆柱体晶片进行曝光显影处理，以使得在未被掩膜板覆盖的光刻胶处形成第二开孔。

采用紫外光照射掩膜板，未被掩膜板覆盖的圆心小孔处的光刻胶被曝光，再经过显影处理后，将掩膜板移除，光刻胶未被掩膜板覆盖的位置处会形成第二开孔b。

S54，在第二开孔处对硅基圆柱体晶片的第二抛光面进行蚀刻，以得到和第一柱体开孔连通的第二柱体开孔。

步骤S54中，采用蚀刻工艺在第二开孔b处对硅基圆柱体晶片100的第二抛光面B进行蚀刻，且在蚀刻过程中可以通过控制蚀刻液的浓度以及蚀刻时间来得到需要的蚀刻深度。

可选地，蚀刻完后除去涂覆在硅基圆柱体晶片100上多余的光刻胶，以得到和第一柱体开孔101连通的第二柱体开孔102，从而形成该球形原子气室。其中，所述第二柱体开孔102用于通入原子气。可选地，该第二柱体开孔102可以为圆柱开孔也可以方形的柱体开孔，此处不做进一步限定。

其中，第一柱体开101的开口面积小于第二柱体开孔102的开口面积，在通入原子气时可以使得更多的原子气进入该球形原子气室，且可以防止原子气从球形玻璃泡111中溢出。

上述实施方式中，第一柱体开孔101和第二开孔柱体102的制备均采用成熟的光刻工艺和蚀刻工艺，其工艺实现简单，从而可以节省制备成本。

此外，本申请球形原子气室的制备方法还包括：

S6,在球形原子气室的第二抛光面上贴设第二玻璃圆形晶片，其中，第二玻璃圆形晶片用于在原子气充满球形原子气室时对球形原子气室进行封装。

步骤S6中，通过第二柱体开孔102将碱金属原子、惰性气体和缓冲气体等需要的原子种类填充到球形玻璃气室中后，采用阳极键合工艺将一定厚度的第二玻璃圆形晶片120键合在所述在硅基圆柱体晶片100的第二抛光面B上，以形成封闭的球形原子气室。

相比柱型气室和方形气室，本申请制备的球形原子气室，能有效提高原子自旋弛豫时间和原子的利用效率，能够广泛用于核磁共振陀螺、SERF陀螺、磁力仪和原子钟等技术领域。

参阅图5，图5为本申请球形原子气室一实施方式的结构示意图。如图5，本申请提供的球形原子气室由上述实施例中的方法制备而成，且具体包括硅基圆柱体晶片100以及第一玻璃圆形晶片110。

其中，硅基圆柱体晶片100具有第一抛光面A和第二抛光面B。其中，第一抛光面A处开设有第一柱体开孔101，第二抛光面B处和第一柱体开孔101对应的位置开设有第二柱体开孔102，其中，第一柱体开孔101和第二柱体开孔102连通。

可选地，第一柱体开孔101的开口面积小于第二柱体开孔102的开口面积，在通入原子气时可以使得更多的原子气进入该球形原子气室，且可以防止原子气从球形玻璃泡111中溢出。

第一玻璃圆形晶片110贴设于硅基圆柱体晶片100的第一抛光面A，且和第一柱体开孔101处设有和第一柱体开孔101连通的球形玻璃泡111。

可选地，该球形原子气室还包括第二玻璃圆形晶片120，该第二玻璃圆形晶片120贴设于球形原子气室的第二抛光面B，用于在原子气充满球形原子气室时对球形原子气室进行封装。

其中，上述球形原子气室的具体制备和实现原理请详见上述第一实施方式中该球形原子气室的具体制备方法，此处不再赘述。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供种球形原子气室及其制备方法，本申请制备的球形原子气室能有效提高原子自旋弛豫时间和原子的利用效率，能够广泛用于核磁共振陀螺、自旋交换弛豫交换自由能陀螺(Spin Exchange Relaxation Free，SERF)、磁力仪和原子钟等技术领域。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种球形原子气室的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供具有双面抛光的硅基圆柱体晶片；

在所述硅基圆柱体晶片的第一抛光面上制备第一柱体开孔；

将第一玻璃圆形晶片键合在所述硅基圆柱体晶片的所述第一抛光面上；

对所述硅基圆柱体晶片加热，以使得所述第一柱体开孔内部的空气膨胀以形成和所述第一柱体开孔连通的球形玻璃泡；

在所述硅基圆柱体晶片的第二抛光面上制备和所述第一柱体开孔连通的第二柱体开孔以得到所述球形原子气室。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述硅基圆柱体晶片的所述第一抛光面上制备第一圆柱体开孔包括：

在所述硅基圆柱体晶片的第一抛光面上涂覆光刻胶；

将掩膜板放置涂覆所述光刻胶的所述第一抛光面上，以覆盖至少部分所述光刻胶；

对所述硅基圆柱体晶片进行曝光显影处理，以使得在未被所述掩膜板覆盖的所述光刻胶处形成第一开孔；

在所述第一开孔处对所述硅基圆柱体晶片的第一抛光面进行蚀刻，以得到所述第一柱体开孔。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述硅基圆柱体晶片加热采用绝缘导热硅脂贴上加热片。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硅基圆柱体晶片的加热时间为2-3分钟，加热温度为不小于800℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述硅基圆柱体晶片的第二抛光面上制备和所述第一柱体开孔连通的第二柱体开孔以得到所述球形原子气室包括：

在所述硅基圆柱体晶片的所述第二抛光面上涂覆光刻胶；

将掩膜板放置涂覆所述光刻胶的所述第二抛光面上，以覆盖至少部分所述光刻胶；

对所述硅基圆柱体晶片进行曝光显影处理，以使得在未被所述掩膜板覆盖的所述光刻胶处形成第二开孔；

在所述第二开孔处对所述硅基圆柱体晶片的第二抛光面进行蚀刻，以得到和所述第一柱体开孔连通的所述第二柱体开孔。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一柱体开孔的开口面积小于所述第二柱体开孔的开口面积。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

在所述球形原子气室的所述第二抛光面上贴设第二玻璃圆形晶片，其中，所述第二玻璃圆形晶片用于在原子气充满所述球形原子气室时对所述球形原子气室进行封装。

8.一种球形原子气室，其特征在于，所述球形原子气室由权利要求1-7中任一所述的方法制备而成，所述球形原子气室包括：

硅基圆柱体晶片，具有第一抛光面和第二抛光面，所述第一抛光面处开设有第一柱体开孔，所述第二抛光面和所述第一柱体开孔对应的位置开设有第二柱体开孔，所述第二主体开孔和所述第一柱体开孔连通；

第一玻璃圆形晶片，贴设于所述硅基圆柱体晶片的所述第一抛光面，且和所述第一柱体开孔处设有和所述第一柱体开孔连通的球形玻璃泡。

9.根据权利要求8所述的球形原子气室，其特征在于，所述第一柱体开孔的开口面积小于所述第二柱体开孔的开口面积。

10.根据权利要求8所述的球形原子气室，其特征在于，所述球形原子气室还包括第二玻璃圆形晶片，所述第二玻璃圆形晶片贴设于所述球形原子气室的所述第二抛光面，用于在原子气充满所述球形原子气室时对所述球形原子气室进行封装。