[实用新型]具有双反射镜的微型原子气体腔器件

说明书

技术领域

本实用新型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。 

实用新型内容

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，本实用新型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，所述通孔的横截面的宽度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。 

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面： 

1.本实用新型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.本实用新型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