一种原子气室及其制作方法

本发明属于微纳加工，具体涉及一种原子气室及其制作方法。

背景技术：

1、随着微纳加工技术的发展，半导体激光器技术的进步，在芯片尺度上实现激光与原子气室作用并进行探测和调控的技术也得到飞速的发展。以原子气室为核心部件的原子频标、原子磁强计、原子陀螺仪等器件、系统或仪器在定位导航、磁场探测、生物医疗大健康等领域均有实际应用前景，因此，如何实现高质量、微型化、高性能的原子气室的制备已成为现在研究的热点和方向。

2、目前，晶圆级原子气室制造技术已经日趋成熟，利用微机电系统制造技术(mems)制备原子气室已经逐步取代传统的玻璃吹制法，mems方法可实现在保证性能没有太大衰减的前提下，还能够兼容芯片级制造及封装工艺，为原子气室的工程化、批量化奠定了基础。

3、通过mems方法制备的原子气室结构为两面平面透光层和中间气壁层的三层结构，气室内充入了一定压强的缓冲气体以及一定量的碱金属元素。在加热恒温的环境中，激光透过原子气室的透光层与被加热的原子蒸汽作用实现光抽运。充入原子气室内的碱金属元素在工作温度下为液态，为确保气室内有足够的原子蒸汽压，液态的碱金属元素总量不能过少。当液态碱金属长期处于加热环境中，并且由于碱金属元素的饱和蒸汽压比其他金属元素更高，易使碱金属蒸汽弥散、凝结、迁移至气室内各处，导致碱金属蒸汽在透光窗口处凝结成液滴，从而遮挡住透光窗口，影响原子气室的透光率，从而导致实际上与激光作用的金属原子数发生变化，进而使探测信号发生波动或者漂移，影响整个系统工作的探测精度和稳定性。传统的玻璃吹制法制备获得的玻璃泡也会发生类似的情况。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种原子气室及其制作方法。

2、根据本发明实施例的一方面提供的一种原子气室，所述原子气室包括：第一玻璃片、第二玻璃片和硅晶圆，所述硅晶圆具有贯穿其彼此相对的第一硅晶圆表面和第二硅晶圆表面的通孔；所述第一玻璃片覆盖于所述第一硅晶圆表面上，且所述第二玻璃片覆盖于第二硅晶圆表面上，以使所述通孔形成密闭的空腔；所述硅晶圆还包括设置于所述第一硅晶圆表面上的沟槽以及设置于所述沟槽内的第一改性层，所述沟槽的一端与所述空腔相连通。

3、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，所述沟槽的数量为多个，各个所述沟槽的远离所述空腔的另一端相互连通。

4、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，所述沟槽沿着远离所述通孔的方向顺序包括相互连通的第1级沟槽单元、第2级沟槽单元、……、第n-1级沟槽单元、第n级沟槽单元，其中，n为正整数。

5、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，所有的第i级沟槽单元的截面内壁周长之和大于所有的第i-1级沟槽单元的截面内壁周长之和，其中，2≤i≤n。

6、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，所有的第i级沟槽单元的总截面面积等于所有的第i-1级沟槽单元的总截面面积，其中，2≤i≤n。

7、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，还包括邻近于所述第n级沟槽单元的远离所述通孔的一端处的凹槽，所述凹槽使各个所述第n级沟槽单元的远离所述通孔的一端相互连通。

8、在上述实施例的一方面提供的原子气室的一个示例中，所述第一玻璃片的面向所述沟槽的表面上设置有第二改性层，所述第二改性层的图案与所述第一改性层的图案相同，并且所述第二改性层和所述第一改性层彼此对准。

9、根据本发明实施例的另一方面提供的一种原子气室的制作方法，所述制作方法包括：在第一硅晶圆表面形成多个沟槽，并在所述沟槽内形成第一改性层；形成贯穿所述第一硅晶圆表面和第二硅晶圆表面的通孔，所述沟槽的一端与所述通孔相连通；将第二玻璃片与第二硅晶圆表面进行键合；在所述第一硅晶圆表面，和/或在第一玻璃片的面向所述沟槽的表面上刻蚀凹槽，以使各个所述沟槽的远离所述通孔的另一端通过所述凹槽相互连通；在所述通孔内充入液态碱金属和缓冲气体；将所述第一玻璃片与所述第一硅晶圆表面进行键合，以使所述通孔形成密闭的空腔，获得所述原子气室。

10、在上述实施例的另一方面提供的原子气室的制作方法的一个示例中，所述在第一硅晶圆表面形成多个沟槽，并在所述沟槽内形成第一改性层的方法具体包括：通过光刻技术在所述第一硅晶圆表面上形成多个所述沟槽的图案；利用刻蚀机根据所述沟槽的图案对所述硅晶圆进行刻蚀，以在所述第一硅晶圆表面刻蚀形成所述多个沟槽；利用溅射工艺，和/或低压化学气相沉积工艺在各个所述沟槽内生长所述第一改性层；将与所述沟槽区域之外的区域相对的所述第一改性层去除。

11、在上述实施例的另一方面提供的原子气室的制作方法的一个示例中，在所述第一硅晶圆表面，和/或在第一玻璃片上刻蚀凹槽之后，且在所述通孔内填充液态碱金属和缓冲气体之前，所述制作方法还包括：在所述第一玻璃片的面向所述沟槽的表面上形成第二改性层，所述第二改性层的图案与所述第一改性层的图案相同，并且所述第二改性层和所述第一改性层彼此对准；

12、所述将所述第一玻璃片与所述第一硅晶圆表面进行键合的方法包括：将所述第一玻璃片形成有所述第二改性层的表面与所述第一硅晶圆表面进行键合，并且将所述第二改性层的图案与所述第一改性层的图案进行对准。

13、有益效果：本发明提供的原子气室通过设置与密闭的空腔相连通的沟槽，所述沟槽包括多个分级沟槽单元且所述沟槽的内壁四周覆有表面浸润的改性层。金属蒸汽在该改性层表面具有更小的形核功，可使其更倾向于在沟槽的改性层表面进行凝结；并且，通过使沟槽单元的截面周长之和沿着远离所述空腔的方向逐级增大，可使得相邻级沟槽单元的表面张力差产生驱动力实现对液态金属的牵引效果，从而将凝聚的液态金属沿远离所述空腔的方向进行牵引，加之多级沟槽的设计可以加大驱动力形成对液态金属连续的牵引运输效果；此外，还通过设置凹槽使各个所述沟槽远离所述空腔的一端相互连通，以避免凝聚的液态金属在沟槽内发生堵塞。因此，该原子气室能够使金属蒸汽取向凝聚于所述沟槽内，避免了金属蒸汽在光学窗口内表面发生凝结从而影响原子气室的透光率，从而避免了探测信号发生波动或漂移，提高了原子磁强计系统长期工作的稳定性。

技术特征：

1.一种原子气室，其特征在于，所述原子气室包括：第一玻璃片、第二玻璃片和硅晶圆，所述硅晶圆具有贯穿其彼此相对的第一硅晶圆表面和第二硅晶圆表面的通孔；所述第一玻璃片覆盖于所述第一硅晶圆表面上，且所述第二玻璃片覆盖于第二硅晶圆表面上，以使所述通孔形成密闭的空腔；

2.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于，所述沟槽的数量为多个，各个所述沟槽的远离所述空腔的另一端相互连通。

3.根据权利要求1或2所述的原子气室，其特征在于，所述沟槽沿着远离所述通孔的方向顺序包括相互连通的第1级沟槽单元、第2级沟槽单元、……、第n-1级沟槽单元、第n级沟槽单元，其中，n为正整数。

4.根据权利要求3所述的原子气室，其特征在于，所有的第i级沟槽单元的截面内壁周长之和大于所有的第i-1级沟槽单元的截面内壁周长之和，其中，2≤i≤n。

5.根据权利要求3所述的原子气室，其特征在于，所有的第i级沟槽单元的总截面面积等于所有的第i-1级沟槽单元的总截面面积，其中，2≤i≤n。

6.根据权利要求3所述的原子气室，其特征在于，还包括邻近于所述第n级沟槽单元的远离所述通孔的一端处的凹槽，所述凹槽使各个所述第n级沟槽单元的远离所述通孔的一端相互连通。

7.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于，所述第一玻璃片的面向所述沟槽的表面上设置有第二改性层，所述第二改性层的图案与所述第一改性层的图案相同，并且所述第二改性层和所述第一改性层彼此对准。

8.一种权利要求1至7任一项所述的原子气室的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述在第一硅晶圆表面形成多个沟槽，并在所述沟槽内形成第一改性层的方法具体包括：

10.根据权利要求6～8任一所述的制作方法，其特征在于，在所述第一硅晶圆表面，和/或在第一玻璃片上刻蚀凹槽之后，且在所述通孔内填充液态碱金属和缓冲气体之前，所述制作方法还包括：在所述第一玻璃片的面向所述沟槽的表面上形成第二改性层，所述第二改性层的图案与所述第一改性层的图案相同，并且所述第二改性层和所述第一改性层彼此对准；

技术总结提供了一种原子气室及其制作方法，所述原子气室包括第一玻璃片、第二玻璃片和硅晶圆，硅晶圆具有贯穿其彼此相对的第一硅晶圆表面和第二硅晶圆表面的通孔；第一玻璃片覆盖于第一硅晶圆表面上，且第二玻璃片覆盖于第二硅晶圆表面上，以使通孔形成密闭的空腔；硅晶圆还包括设置于第一硅晶圆表面上的沟槽以及设置于沟槽内的第一改性层，沟槽的一端与空腔相连通。该原子气室能够使金属蒸汽取向凝结于沟槽内，并且相邻的分级沟槽单元的表面张力差产生的驱动力可将凝聚的液态金属牵引远离空腔的方向，避免了金属蒸汽在光学窗口内表面发生凝结从而影响原子气室的透光率，从而避免了探测信号发生波动或漂移，提高了原子磁强计系统长期工作的稳定性。技术研发人员：翟豪,王逸群,张宝顺,姜春宇受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/15