[发明专利]一种MEMS原子蒸气腔室的制备方法及原子蒸气腔室

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用MEMS技术的原子蒸气腔室及其制备方法，属于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域，特别涉及一种微纳米结构的原子蒸气腔室制备与封装工艺。原子蒸气腔室可用于MEMS原子钟、MEMS原子陀螺仪、MEMS原子磁强计等MEMS原子器件。

背景技术

集成电路工艺以及电子器件的小型化和多功能集成推动了微机电系统技术的迅猛发展。微机电系统采用先进的半导体工艺和技术，将机械、电子甚至系统集成在一块芯片中，在军事国防、航空航天、信息通信、生物医疗等领域有着巨大的应用前景。近年来，随着原子物理学、半导体激光器和微纳米制造技术的发展，高精度、微体积的MEMS原子器件不断涌现，其中主要包括MEMS原子钟、MEMS原子陀螺仪以及MEMS原子磁强计等。

在数字通讯、导航定位、航空航天等领域，原子钟的低功耗、微型化制作成为其广泛应用的瓶颈。随着MEMS技术的发展，原子钟的微型化成为可能。目前国际上除美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)、哈佛大学、迅腾公司，德国的波恩大学、日本的东京都立大学等都开展了基于相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)原理和MEMS技术的芯片级原子钟研究。国内的中科院武汉物理与数学研究所、清华大学、北京大学和北京航空航天大学等多家机构也开展了CPT原子钟研究。2002年，NIST开展了芯片级原子钟(Chip-Scale Atomic Clock，CSAC)研究计划，并在2004年研制出原子蒸气腔室积＜10mm³，物理功耗＜75mW，1秒频率稳定度达到2.5×10^-10的CSAC实体。自2007年，NIST又开展了芯片级原子磁强计(Chip-Scale Atomic Magnetometer，CSAM)、芯片级原子陀螺仪(Chip-Scale Atomic Gyroscope，CSAG)、直接耦合实验(Direct coupling experiment，DC)等相关领域的项目研发工作。受制于原子蒸气腔室，我国开展的特别涉及使用MEMS技术的相关研究尚属空白。

基于MEMS技术的原子蒸气腔室是MEMS原子钟、MEMS原子陀螺仪及MEMS原子磁强计等MEMS原子器件的核心部分。目前国内外涉及原子蒸气腔室的专利主要有：中国北京大学：一种微型原子气室封装设备及工艺技术方法(CN 2008/101439843A)；中国北京航空航天大学：一种MEMS原子腔芯片及其制备方法(CN 2010/101774529A)；美国NIST：MICROMACHINED ALKALI-ATOM VAPOR CELLS AND METHOD OF FABRICATION(US2005/0007118A1)。NIST和北京大学的专利所涉及的原子蒸气腔室均采用阳极键合技术，碱金属单质由叠氮化钡和碱金属氯化物原位反应生成。虽然原子蒸气腔室能够做到很微小，然而这种现场制作方式，即叠氮化钡和碱金属氯化物按质量比混合均匀的混合物在阳极键合过程中原位反应生成碱金属单质的制作方式，会在腔室中产生残留物，导致长期的谱线漂移。

MEMS原子蒸气腔室的关键问题之一是：阳极键合过程中，极其活泼的碱金属和缓冲气体的注入。首先、碱金属熔点低(铷：39.3℃；铯：28.2℃)，容易气化。在几百度的阳极键合温度下，碱金属气化导致其大量从腔室中溢出。同时，溢出沉积在键合界面上的原子影响键合质量，可能最终导致键合失败。其次、碱金属原子的化学性质极其活泼，很容易与氧气和水蒸气等氧化剂反应。向腔室注入极易反应、熔点低的微量碱金属，充入合适的缓冲气体，并能精确控制碱金属的注入量，给MEMS原子蒸气腔室的制作带来很大的困难。

发明内容

本发明提出了一种使用MEMS技术的原子蒸气腔室的制备方法及原子蒸气腔室，解决了原子态制备需要封装碱金属原子的关键问题，同时解决了化学活泼的碱金属与原子蒸气腔室制作的工艺兼容性问题，使原子蒸气腔室与其他物理部分集成成为可能。

本发明的MEMS原子蒸气腔室的制备方法之一，其特征在于：是一种单腔室结构的MEMS原子蒸气腔室的制备方法，依次含有以下步骤：

步骤(1)、样片选取

一块4寸硅片，是厚度在500μm～1mm之间的N型<100>硅片；

一块尺寸与所述硅片一致的Pyrex玻璃片，并双面抛光，作为原子蒸气单腔室的窗口；