[发明专利]具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

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，本发明提供一种具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件及其制造方法。

具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件包括硅片和玻璃片，所述硅片的一侧面设有凹槽，凹槽内底部设有下反射镜；所述玻璃片的一侧面设有上反射镜；硅片和玻璃片通过键合形成原子气体腔器件，玻璃片上的上反射镜对应位于硅片的凹槽内，且与下反射镜对应。

所述凹槽的横截面为倒梯形，凹槽为湿法腐蚀形成，硅片的类型为（100）型硅片，且腐蚀形成的凹槽的侧壁和玻璃片的夹角为54.7度。

所述凹槽的宽度W为倒梯形的横截面的底面宽度，且为硅片厚度H的两倍以上。

具有双反射镜和凹槽形结构的原子气体腔器件的具体制备操作步骤如下：

1）.在硅片上制作凹槽

选择（100）型的硅片，利用二氧化硅作为掩膜层进行各向异性湿法腐蚀，在硅片的一侧面上形成一百个以上横截面为倒梯形的凹槽；

2）.在玻璃上制作反射镜

采用蒸发工艺或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在玻璃片的一侧面上制作一百个以上的金属膜反射镜，即上反射镜；在硅片上的每个凹槽的底部制作一百个以上的金属膜反射镜，即下反射镜；

3）.硅-玻璃键合

进行硅-玻璃键合，同时通入碱金属蒸汽和缓冲气体，使硅片和玻璃片密封形成原子气体腔器件；

4）.划片

以硅片上的凹槽为单元，将整个硅片进行划分，形成一百个以上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，所述的缓冲气体为85%的氮气、10%的氢气和5%的二氧化碳的混合气体。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明的原子气体腔器件使得激光与碱金属原子之间作用光程主要由凹槽的底部宽度决定，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.本发明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和硅-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，可以完成不同尺寸的原子气体腔的制造。

附图说明

图1为本发明结构横剖图。

图2为本发明原子气体腔器件的关键尺寸标识图。

图3为激光在本发明的原子气体腔器件中的光路示意图。

图4为激光在传统原子气体腔中的光路示意图。

上图中：硅片1、玻璃片2、原子气体腔3、上反射镜4、下反射镜5、H为硅片的厚度，W为凹槽底部宽度，α为凹槽的侧壁和玻璃片之间的夹角。

具体实施方式