[发明专利]基于“梳齿式”微流通道的SU‑8原子气室制备方法

摘要

本发明涉及芯片级原子钟原子气室的制备方法，具体为基于“梳齿式”微流通道的SU‑8原子气室制备方法。基于“梳齿式”微流通道的SU‑8原子气室制备方法，包括气室键合层基底的制作、“梳齿式”微流通道半封闭原子气室的制作、化学反应物的填充、气室热键合和化学反应生成元素。本发明为了解决“玻璃‑硅‑玻璃”常规原子气室信噪比差、密封性不佳、制作工艺复杂等技术瓶颈问题，提出一种基于低温热键合工艺的SU‑8聚合物制备同质原子气室的方法；同时，针对化学反应法制备铷单质时微流通道易堵塞的问题，提出“梳齿式”微流通道的设计思想。

主权项

基于“梳齿式”微流通道的SU‑8原子气室制备方法，其特征在于包括气室键合层基底的制作、“梳齿式”微流通道半封闭原子气室的制作、化学反应物的填充、气室热键合和化学反应生成元素，其中气室键合层基底的制作包括以下步骤：（1）将PDMS硅橡胶与固化剂按8:1的比例分别使用注射器抽取并注入到烧杯中完全混合，搅拌均匀，使PDMS硅橡胶与固化剂充分混合；（2）将充分混合的PDMS混合液静置30min后放入真空干燥箱，去除混合后产生的气泡，逐渐降低真空干燥箱中的气压，当气压降到‑0.05MPa时，等待30秒，然后继续降低真空干燥箱中的气压，当真空度达到‑0.01MPa 时，等待10分钟，抽真空完毕；（3）将抽好真空的 PDMS混合液缓慢浇铸在清洗干净的硅片上，静置10分钟；然后将硅片放到真空干燥箱里继续抽真空10分钟，直至完全去除掉倾倒的过程中产生的气泡；（4）将抽好真空的硅片放入烘箱，设定固化温度在70‑90℃之间，持续加热两小时并恒温保持至完全固化，等待至完全冷却后将PDMS从硅片上撕下即可得到所需的PDMS键合层基底（1）；“梳齿式”微流通道半封闭原子气室的制作包括以下步骤：（1）掩膜板的制作：利用L‑edit软件，设计气室的平面尺寸与梳齿式微流通道的几何参数；（2）匀胶：通过匀胶机将SU‑8光刻胶旋涂于PDMS键合层基底（1）上，旋涂厚度700μm，旋涂时间9‑15s、转速800rad/min；旋涂完成后静置半小时以上，利用SU‑8光刻胶自平整能力使表面更加平整，得到SU‑8光刻胶层（2），将SU‑8光刻胶层（2）和PDMS键合层基底（1）分离；（3）前哄：静置结束之后前烘，将SU‑8光刻胶层（2）置于烘箱中进行前烘处理，采用阶梯烘的方式升高温度，先将温度升高到 65℃，保持30min，然后将温度升高至 95℃保持6小时；前烘完之后降温，在65℃保持约30min，然后随烘箱冷却，避免温度骤变导致SU‑8光刻胶层（2）应力过大；（4）曝光：采用400nm紫外光通过掩膜版对SU‑8光刻胶层（2）进行分次曝光，每次曝光120s，间隔30s，每次曝光剂量不大于400mJ/cm2，光刻去除SU‑8光刻胶层（2）上气室与“梳齿式”微流通道部分的胶层，即在SU‑8光刻胶层（2）上得到第一气室、第二气室和连接第一气室与第二气室的“梳齿式”微流通道；（5）后烘：曝光结束后立即后烘，先将温度升高到 65℃，保持30min后升温至80℃保持2h，然后降低温度至65℃保持30min，进一步挥发掉溶剂，使已曝光的SU‑8光刻胶层（2）充分交联；然后随烘箱冷却，后烘结束后静置，使未充分交联的SU‑8光刻胶层（2）进一步交联；（6）显影：最终在显影液中搅拌显影，同时利用超声波对气室结构进行处理，以减小气室的溶胀，提升“梳齿式”微流通道的结构精度；显影后用去离子水冲洗干净，得到“梳齿式”双腔半封闭微型气室；（7）提高SU‑8的表面能：利用氧等离子体处理SU‑8光刻胶层（2）表面，改善其表面粘接性，提升其键合界面分子的结合力，增强键合层表面键合强度；化学反应物的填充包括以下步骤：将RbCl和BaN6溶液加入到其中一个气室内，加热蒸发掉溶液中水分得到BaN6固体；气室热键合包括以下步骤：采用热键合法将半封闭气室密封，密封采用另一SU‑8光刻胶层（2）；化学反应生成元素包括以下步骤：在真空环境下将温度调节到120℃使BaN6分解得到Ba，同时反应生成的N2经过“梳齿式”微流通道进入另一个气室内；然后将温度升高至200℃，使Ba与RbCl反应生成BaCl2和Rb元素，最终实现“梳齿式”微流通道SU‑8微型原子气室的制备。