一种微型原子气室的制备方法与流程

本发明涉及一种微型原子气室的制备方法，属于原子气室制备。

背景技术：

1、原子气室是众多量子传感应用如cpt原子钟、原子磁力计、里德堡原子电场计、多普勒展宽测温等的核心器件，其参数一致性直接决定了诸多量子传感应用系统的一致性、稳定性和开发难度；其体积大小则直接影响诸多量子传感系统的集成难度以及总体积，进而影响其便携性。传统的基于硅基mems原子气室的制备方法中，随着原子气室体积的缩小，其填充难度会急剧上升。主要原因在于碱金属单质化学性质极其活泼，传统mems原子气室的填充大多使用碱金属叠氮化物溶液或者蜡封碱金属单质的形式。随着原子气室的尺寸的减小，直至需要用到显微镜操作的程度，填充本身都会变得极为困难。并且，由于原子气室尺寸的减小，碱金属气室的各项参数受填充剂量的影响越来越大，填充各个环节造成的参数波动难以抑制。

技术实现思路

1、本发明公开的一种微型原子气室的制备方法，采用cmos平台兼容的硅基mems制备方法，利用非对称的微通道连接双气室结构，采用深硅刻蚀的方法完成非对称原子气室的刻蚀，采用常规刻蚀工艺完成气室间微通道的套刻，使用键合工艺完成没有通道的一面硅与氧化硅晶圆的键合。在此基础上使用较大的气室完成碱金属填充，并在真空环境下完成另一面的硅与氧化硅键合。待完成碱金属气体的完全释放之后，使用激光退火的方式熔融氧化硅，完成微通道的闭合。通过划片将较大的气室与微型原子气室分离，从而获得目标微型原子气室。本发明利用不对称双气室的连通状态，使用工艺参数确定的较大的气室完成碱金属填充，在碱金属充分释放后，通过扩散的方式实现微型原子气室的碱金属填充，并引入局部激光退火的方法完成气室的封闭，本发明能够解决不同尺寸的微型原子气室填充难题，避免填充导致的气室内碱金属蒸汽和缓冲气体参数波动，为微型原子气室的制备提供一种稳定可靠的方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种微型原子气室的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤1：首先进行衬底准备，衬底进行炉前清洗。

5、步骤2，在衬底上进行涂胶，用光刻的方法进行图形转移，形成非对称双气室掩膜。

6、步骤3，使用深硅刻蚀的方法完成衬底的通孔刻蚀，并完成去胶和清洗。

7、步骤4，使用光刻的方法进行微通道的套刻，实现非对称气室的连通。

8、步骤5，首先对硅片进行清洗，然后使用键合的方法，实现没有通道一侧的硅与二氧化硅的键合。

9、步骤6，选用碱金属叠氮化物，在较大的原子气室内部完成碱金属的填充。

10、步骤7，在真空条件下，使用键合的方法在另一侧完成硅与二氧化硅的键合。

11、步骤8，在紫外灯辐照的条件下，对晶圆进行充分的足够长时间的加热，完成气室内碱金属蒸汽的扩散。

12、步骤9，采用激光退火的方法，对微通道区域进行局部退火，熔融微通道上方的二氧化硅，在重力作用下实现二氧化硅回流，完成双气室之间微通道的封闭。

13、步骤10，使用划片机进行裂片，并完成较大气室与微型原子气室的分离，完成微型原子气室的制备。

14、有益效果：

15、1、本发明公开的一种微型原子气室的制备方法，避免直接填充微型原子气室，改为填充剂量更容易控制、工艺更为稳定的较大的原子气室，并使用激光退火方法实现微通道局部熔融与封闭，进而能够规避微型原子气室的填充难题以及工艺波动问题，降低微型原子气室的制备难度，提升微型原子气室参数的均匀性。使得基于mems工艺的微型原子气室更容易实现量产。

16、2、本发明公开的一种微型原子气室的制备方法，在有益效果1基础上，利用不对称双气室的连通状态，采用深硅刻蚀的方法完成非对称原子气室的刻蚀，采用常规刻蚀工艺完成气室间微通道的套刻，使用键合工艺完成没有通道的一面硅与氧化硅晶圆的键合，使用工艺参数确定的较大的气室完成碱金属填充，在碱金属充分释放后，通过扩散的方式实现微型原子气室的碱金属填充，并引入局部激光退火的方法完成气室的封闭，能够解决不同尺寸的微型原子气室填充难题，避免填充导致的气室内碱金属蒸汽和缓冲气体参数波动。

技术特征：

1.一种微型原子气室的制备方法，其特征在于：使用cmos平台兼容的硅基mems工艺，采用非对称的微通道连通的双气室结构，在完成微型原子气室填充之后使用局部激光退火的方式完成微通道的封闭。

2.如权利要求1所述的一种微型原子气室的制备方法，其特征在于：采用cmos平台兼容的硅基mems制备方法，利用非对称的微通道连接双气室结构，采用深硅刻蚀的方法完成非对称原子气室的刻蚀，采用常规刻蚀工艺完成气室间微通道的套刻，使用键合工艺完成没有通道的一面硅与氧化硅晶圆的键合；在此基础上使用较大的气室完成碱金属填充，并在真空环境下完成另一面的硅与氧化硅键合；待完成碱金属气体的完全释放之后，使用激光退火的方式熔融氧化硅，完成微通道的闭合；通过划片将较大的气室与微型原子气室分离，从而获得目标微型原子气室。

3.如权利要求1所述的一种微型原子气室的制备方法，其特征在于：包含以下步骤，

4.如权利要求3所述的一种微型原子气室的制备方法，其特征在于：微通道需要与气室腔体进行套刻，微通道刻蚀深度不超过20μm。

5.如权利要求3所述的一种微型原子气室的制备方法，其特征在于：双气室为非对称结构，其中较大的气室用来做碱金属物质填充，小的气室是百微米乃至微米级别的结构。

技术总结本发明公开的一种微型原子气室的制备方法，属于原子气室制备技术领域。本发明主要基于CMOS平台兼容的MEMS深硅刻蚀方法实现微型原子气室腔体，采用键合的方式实现微型原子气室的封闭，采用微通道连通的非对称双气室结构避免微型原子气室的直接填充，采用加热和紫外光辐照的方式实现碱金属单质的充分释放。最后结合激光退火方法进行微通道局部熔融实现微通道的封闭，通过划片等方式实现较大气室与微型原子气室的分离。本发明能够规避微型原子气室的填充难题以及工艺波动问题；降低微型原子气室的制备难度，提升微型原子气室参数的均匀性，使得基于MEMS工艺的微型原子气室更容易实现量产。技术研发人员：李昱东,刘雅丽,李维,李小宽,冯梁森受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/12