基于mems技術(shù)的原子氣體腔器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件及其制造方法。所述原子氣體腔器件具有典型的三明治結(jié)構(gòu)，由一層具有通孔的硅片和兩層玻璃片鍵合圍成的腔體結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所述的通孔的橫截面為平行四邊形，由（100）型的單晶硅片通過硅各向異性濕法腐蝕形成，通孔的側(cè)壁為硅片的{111}晶面。兩層玻璃片與帶通孔的硅片通過硅-玻璃陽極鍵合后形成原子氣體腔。本發(fā)明所述的原子氣體腔器件可用于原子鐘和磁強計等系統(tǒng)中，通過改變原子腔體尺寸設計易于增加腔內(nèi)兩反射鏡之間的距離，從而增加激光與原子氣體間的相互作用空間長度，使相干布局囚禁效應信號的信噪比增強，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。
【專利說明】基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件及其制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件制作與封裝【技術(shù)領域】，以及原子物理器件【技術(shù)領域】，具體涉及一種基于MEMS工藝的微型原子腔結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]原子鐘測量時間的精確度可以達到十億分之一秒甚至更高，原子鐘是目前最精準的人造鐘，其相關(guān)研究具有重要的意義。CPT (Coherent Population Trapping,相干布局囚禁效應)原子鐘是利用雙色相干光與原子作用將原子制備成相干態(tài)，利用CPT信號作為微波鑒頻信號而實現(xiàn)的原子鐘頻率源。由于具有易于微型化、低功耗和高頻率穩(wěn)定度等特點，CPT原子鐘一經(jīng)提出就受到各國研究機構(gòu)的重視，并開展了深入的研究。
[0003]CPT原子鐘是一個復雜的系統(tǒng)，其核心部件就是原子氣體腔。利用現(xiàn)在成熟的MEMS技術(shù)制作微型原子氣體腔體，可以將被動型CPT原子鐘尺寸縮小到芯片級。芯片級CPT原子鐘能夠大幅度減小原子鐘體積與功耗，實現(xiàn)電池供電，并且可以批量、低成本生產(chǎn)，在軍用、民用的各個領域具有巨大市場，因此成為原子鐘的重要發(fā)展方向。
[0004]目前，芯片級CPT原子鐘的原子氣體腔結(jié)構(gòu)通常是中間為硅片兩邊為玻璃的三明治結(jié)構(gòu)。先在單晶硅片上制作通孔，然后與Pyrex玻璃片鍵合形成半腔結(jié)構(gòu)，待堿金屬與緩沖氣體充入后，再與另外一片Pyrex玻璃片鍵合形成密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的堿金屬原子氣體腔結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)光與原子作用光路長度受到硅片厚度及硅加工工藝的限制，通常為Imm?2mm，進一步增加厚度困難且昂貴，因此限制了光與原子相互作用光程，CPT信號的信噪比較低，影響了 CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在現(xiàn)有研究基礎上，為了進一步提高光與原子相互作用的光程，增大CPT信號信噪比、增加頻率穩(wěn)定度，本發(fā)明提供一種基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件及其制造方法。
[0006]基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件具有典型的三明治結(jié)構(gòu)，包括中間層為中部具有通孔的硅片，硅片的一側(cè)面設有頂層玻璃，另一側(cè)面設有底層玻璃，所述通孔的橫截面為平行四邊形，平行四邊形的通孔的兩側(cè)壁為平行的斜面；所述通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁上分別設有反射鏡。
[0007]所述通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁由硅的各向異性濕法腐蝕形成，通孔的側(cè)壁為硅片的{111}晶面，且與頂層玻璃或底層玻璃的夾角為54.7度。
[0008]基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件具體制造操作步驟如下:
0.制作通孔
選擇(100)型的硅片，進行雙面光刻形成腐蝕窗口，利用二氧化硅作為掩膜層進行雙面各向異性濕法腐蝕，形成橫截面為平行四邊形的通孔；
2).制作反射鏡
采用蒸發(fā)或濺射工藝，利用硬掩?；騽冸x技術(shù)，在所述通孔的兩側(cè)側(cè)壁上分別制作金屬膜反射鏡；
3).硅-玻璃鍵合
先進行一次硅-玻璃鍵合，完成帶有通孔的硅片和底層玻璃的鍵合；然后通入堿金屬蒸汽和緩沖氣體；再進行一次硅-玻璃鍵合，使頂層玻璃和硅片鍵合，完成原子氣體腔的密封；
4).劃片
以硅片上的通孔為單元，對整個硅片進行劃分，形成一百個以上的單個的原子氣體腔器件。
[0009]步驟3)所述堿金屬蒸汽為銣蒸汽或銫蒸汽，所述緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳的混合氣體。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
1.本發(fā)明的原子氣體腔器件使得激光與堿金屬原子之間作用光程由硅片上的通孔的橫向?qū)挾葲Q定，因此可以不局限于硅片厚度，通過改變原子腔體尺寸設計易于增加腔內(nèi)兩反射鏡之間的距離，從而增加激光與原子氣體間的相互作用空間長度，使相干布局囚禁效應信號的信噪比增強，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度；
2.本發(fā)明的原子氣體腔器件的制造技術(shù)主要基于硅的各向異性濕法腐蝕工藝和硅-玻璃陽極鍵合等成熟MEMS工藝，因此成本低，易于實現(xiàn)；
3.基于MEMS批量加工的特點，在同一批次的流片中，可以完成不同通孔寬度的原子氣體腔的制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)橫剖圖。
[0011]圖2為本發(fā)明原子氣體腔器件的關(guān)鍵尺寸標識圖。
[0012]圖3為激光在本發(fā)明原子氣體腔器件中的光路示意圖。
[0013]圖4為激光在傳統(tǒng)原子氣體腔器件中的光路示意圖。
[0014]上圖中序號:娃片1、原子氣體腔2、頂層玻璃3、底層玻璃4、金屬膜反射鏡5、H為硅片的厚度，W為窗口的橫向?qū)挾?，L為正反兩個窗口的水平距離，α為通孔與玻璃片的夾角。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進一步地說明。
[0016]實施例1
參見圖1和圖2，基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件具有典型的三明治結(jié)構(gòu)，包括中間層為中部具有通孔的硅片1，通孔的橫截面為平行四邊形。硅片I的一側(cè)面設有頂層玻璃3，另一側(cè)面設有底層玻璃4。平行四邊形的通孔的兩側(cè)壁為平行的斜面；通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁上分別設有金屬膜反射鏡5。通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁由硅的各向異性濕法腐蝕形成，通孔的側(cè)壁為硅片I的{111}晶面，且與頂層玻璃3或底層玻璃4的夾角為54.7度。
[0017]參見圖3，激光在原子氣體腔2器件中的光程主要由窗口的橫向?qū)挾萕決定，通過調(diào)節(jié)窗口的橫向?qū)挾萕的大小即可改變光程。參見圖4，而在傳統(tǒng)的原子氣體腔中，激光直接從頂端射入，底端射出，光程由硅片的厚度H決定。
[0018]基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件的具體制備操作步驟如下:
1.選取厚度為0.5mm的N (100)型的硅片1，利用二氧化硅做掩模，通過氫氧化鉀各向異性濕法腐蝕工藝進行雙面對穿腐蝕，在硅片I上形成橫截面為平行四邊形的二百個通孔，每個通孔的兩側(cè)側(cè)壁即為{111}晶面，每個通孔的橫向?qū)挾染鶠?_;
2.采用蒸發(fā)工藝，利用剝離技術(shù)，在硅片I的每個通孔的兩側(cè)側(cè)壁上分別制作金屬膜反射鏡5 ；
3.先進行第一次硅-玻璃陽極鍵合，完成硅片I和底層玻璃4的鍵合；同時充入銣蒸汽和85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳混合形成的緩沖氣體，最后進行第二次陽極鍵合，使頂層玻璃3和硅片I鍵合，完成原子氣體腔體的密封。陽極鍵合工藝條件為:溫度400°C，電壓 600V ；
4.劃片，以硅片I上的通孔為單元，將整個硅片I進行劃分，形成二百個單個的原子氣體腔器件。
[0019]實施例2:
基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件的結(jié)構(gòu)同實施例1。
[0020]具體制備操作步驟如下:
1.選取厚度為Imrn的P(100)型的娃片1，利用氮化娃做掩模，通過TMAH各向異性濕法腐蝕工藝進行雙面對穿腐蝕，在硅片上形成橫截面為平行四邊形的一百五十個通孔，每個通孔的兩側(cè)側(cè)壁即為{111}晶面，通孔的橫向?qū)挾葹?mm。TMAH腐蝕的溫度為80°C ；
2.采用濺射工藝，利用硬掩模技術(shù)，在每個通孔的兩側(cè)側(cè)壁上分別制作金屬膜反射鏡
5 ；
3.先進行第一次硅-玻璃陽極鍵合，完成硅片I和底層玻璃4的鍵合；同時充入銫蒸汽和85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳混合形成的緩沖氣體，最后進行第二次陽極鍵合，使頂層玻璃3和硅片I鍵合，完成原子氣體腔體的密封。陽極鍵合工藝條件為:溫度400°C，電壓 600V ；
4.劃片，以硅片I上的通孔為單元，將整個硅片I進行劃分，形成一百五十個單個的原子氣體腔器件。
【權(quán)利要求】
1.基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件，所述原子氣體腔器件具有典型的三明治結(jié)構(gòu)，包括中間層為中部具有通孔的硅片，硅片的一側(cè)面設有頂層玻璃，另一側(cè)面設有底層玻璃，其特征在于:所述通孔的橫截面為平行四邊形，平行四邊形的通孔的兩側(cè)壁為平行的斜面；所述通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁上分別設有反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件，其特征在于:所述通孔兩側(cè)斜面的側(cè)壁由硅的各向異性濕法腐蝕形成，通孔的側(cè)壁為硅片的{111}晶面，且與頂層玻璃或底層玻璃的夾角為54.7度。
3.制備權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件的制造方法，其特征在于具體制造操作步驟如下: 0.制作通孔 選擇(100)型的硅片，進行雙面光刻形成腐蝕窗口，利用二氧化硅作為掩膜層進行雙面各向異性濕法腐蝕，形成橫截面為平行四邊形的通孔； 2).制作反射鏡 采用蒸發(fā)或濺射工藝，利用硬掩?；騽冸x技術(shù)，在所述通孔的兩側(cè)側(cè)壁上分別制作金屬膜反射鏡； 3).硅-玻璃鍵合 先進行一次硅-玻璃鍵合，完成帶有通孔的硅片和底層玻璃的鍵合；然后通入堿金屬蒸汽和緩沖氣體；再進行一次硅-玻璃鍵合，使頂層玻璃和硅片鍵合，完成原子氣體腔的密封； 4).劃片 以硅片上的通孔為單元，對整個硅片進行劃分，形成一百個以上的單個的原子氣體腔器件。
4.如權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于:步驟3)所述堿金屬蒸汽為銣蒸汽或銫蒸汽，所述緩沖氣體為85%的氮氣、10%的氫氣和5%的二氧化碳的混合氣體。
【文檔編號】G04F5/14GK103941576SQ201410141880
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】許磊, 劉建勇, 王光池, 鄭林華, 齊步坤, 王曉東 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所