[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

摘要

一种MEMS原子蒸气腔室的制备方法及原子蒸气腔室。腔室采用阳极键合技术，由Pyrex玻璃片-硅片-Pyrex玻璃片键合构成。Pyrex玻璃片作为腔室的窗口，硅片刻蚀或腐蚀出腔室空间。腔室中放入石蜡封装的碱金属铷或铯，同时充入适当压力的缓冲气体。石蜡作为碱金属的封装材料，实现活泼的碱金属与环境中的氧气、水蒸汽等氧化剂隔离；同时作为腔室的镀层材料，减缓了Rb或Cs原子与腔壁的碰撞。利用CO2激光器消融石蜡释放碱金属，在腔壁上形成均匀的石蜡镀层。本发明克服了现场制作方式产生的反应残留物所导致的长期漂移问题，并减缓了Rb或Cs原子与腔壁的碰撞，提高了碱金属原子共振线宽的对比度。

主权项

一种MEMS原子蒸气腔室的制备方法，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；步骤(2)、用硫酸‑双氧水溶液浸泡所述硅片和两块Pyrex玻璃片，再在室温下用氢氟酸水溶液浸泡，最后清洗并脱水；步骤(3)、用干法刻蚀或湿法腐蚀穿通所述硅片，形成一个原子蒸气单腔室空间；步骤(4)、按以下步骤把第一块所述Pyrex玻璃片与硅片进行阳极键合，形成预成型单腔室；步骤(4.1)、把刻蚀后的所述硅片放在作为阳极的样品台上，把所述第一块Pyrex玻璃片放在刻蚀后的所述硅片上，盖住所述原子蒸气腔室空间，并上、下对准，作为键合的阴极；步骤(4.2)、所述第一块Pyrex玻璃片和所述刻蚀后的硅片上施加压力，使之紧密结合；步骤(4.3)、键合加热，加热温度在200℃～500℃之间取值；步骤(4.4)、在所述第一块Pyrex玻璃片和所述刻蚀后的硅片之间加键合电压，一直到阳极键合回路的电流下降到峰值电流的十分之一以下时，键合完成，所述键合电压在200V～1500V之间取值；步骤(4.5)、断开电压，停止加热，撤除压力，使所述预成型单腔室自然冷却至室温；步骤(5)、在所述预成型单腔室中放入用石蜡封装的0.1μl～1μl的碱金属Rb或Cs，然后向所述预成型单腔室中充入100torr～1atm压力的氮气(N2)，作为缓冲气体；步骤(6)、按以下步骤使所述刻蚀后的硅片和所述第二块Pyrex玻璃片进行阳极键合；步骤(6.1)、把步骤(4)中单面键合好的所述预成型单腔室放在所述样片台上；步骤(6.2)、使第二块所述Pyrex玻璃片盖住所述预成型单腔室，在两者之间施加接触压力，以实现紧密结合；步骤(6.3)、以所述刻蚀后硅片的底侧作为阳极，以所述第二块Pyrex玻璃片的上端面作为阴极，施加400V～1500V之间的高压。进行键合加热，键合温度在200℃～300℃之间取值，一直到阳极键合回路的电流下降到电流值的十分之一以下时，键合完成；步骤(6.4)、断开电压，停止加热，撤除接触压力，自然冷却至室温；步骤(7)、用一个CO2激光器射出的激光消融石蜡，以释放其中所封装的碱金属Rb或Cs原子，并通过控制CO2激光器的消融时间，以调节原子蒸气腔壁石蜡镀层的厚度。