[发明专利]负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法

说明书

技术领域

本发明设计一种MEMS（微电子机械系统）制造技术，尤其涉及一种负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

 

背景技术

目前原子钟是最精准的人造钟，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。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。从原理上讲，原子钟的原理已经基本清楚，目前发展的主要方向有两个方面：一方面提高原子钟在精度方面的性能；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其微型化。目前，世界上最精准的原子钟在美国科罗拉多，其体积有一辆小汽车那么大。GPS和通信卫星等对于原子钟有迫切的需求，因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前的主要技术挑战。

现有部分芯片级原子钟设计，采用中间为通孔硅片两边为玻璃的三明治结构作为原子钟腔，然后在其上下设有原子钟的其它部件。这种方法的缺点在于，原子钟腔在光入射方向上长度为硅片厚度，不可控，也就不能让原子钟腔在光入射方向上相对加长，以使原子钟腔内的铷原子在入射光下充分的反应。另一方面这种方案采用堆叠式结构，组装较为困难，增加了设计的复杂性。

还有一种设计时在单面腐蚀的硅槽内设有反光面，因此激光进入玻璃腔内被反射出来，从而检测原子的超精细跃迁。这种方法设计的问题在于组装较为复杂，同时对于反光面的设计要求较高，因此成本较高。

    微型原子钟腔的制备目前已经成为原子钟技术发展的瓶颈，因为首先原子钟腔需要密封活性很高的铷原子，原子钟腔本身要有很好的抗铷性，而且铷原子不能泄露，对原子钟腔的气密性要求也很高；其次，微型原子钟腔要有入射光平面，光线可以透射，并且不发生光路的弯曲，最大化利用铷腔的空间，尽可能让所有的铷原子在光入射后参与反应。低成本的GPS领域的发展需求，也亟需一种高性能的微型原子钟腔及其制备方法。

 

发明内容

本发明主要提供一种体积小、低成本、性能好的负压成型微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种负压成型微型原子腔的制备方法，包括以下步骤：

第一步，利用干法在硅圆片上刻蚀四方形深槽形成硅模具；

第二步，将上述刻有微槽的硅模具与Pyrex硼硅玻璃组装圆片在真空下进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为400-800V，使硼硅玻璃圆片与上述深槽形成密封腔体；

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至玻璃软化温度以上，并在该温度下保温10-30分钟，腔内外压力差使软化后的玻璃与深槽的壁面和底部接触，从而在玻璃的背面形成带有平直垂直侧面的玻璃微腔，将上述圆片退火消除应力，退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温；

第四步，在上述成型好的玻璃微腔内放入原子钟所必须的物质，在氮气气氛和室温下与硅衬底进行预键合使玻璃微腔密封：将两圆片叠放并施加压力使得两圆片紧密的贴合在一起；然后保持压力再进行阳极键合，阳极键合的条件为：温度为300-500℃，电压为600-1000V，从而得到密封玻璃原子腔；

第五步，采用单面腐蚀，去除硅模具，得到带有平直垂直侧面的微型原子腔；

第六步，在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器；

第七步，将激光发生器，激光探测器，滤波器和四分之一波片分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上并与密闭玻璃原子腔的平直垂直侧面的中心位于同一条光轴上，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片和密闭玻璃原子腔后能够被激光探测器所探测到；

第八步，制备加热器、激光发生器和激光探测器的引脚，并分别与电源及处理电路相连接，得到微型原子钟芯片。