一种反射型原子气室制作方法及其光路结构

本发明属于微机电系统mems(micro-electro-mechanical-systems)领域，涉及原子钟、磁强计、原子陀螺仪等原子器件，具体涉及一种基于mems工艺的碱金属原子气室结构及其制作方法。

背景技术：

1、碱金属原子气室是原子钟、磁强计、原子陀螺仪等原子器件的核心部件，碱金属气室的性能好坏深刻影响着原子器件的整体性能，原子器件尺寸的缩小化也依赖于对碱金属原子气室的微型化。

2、传统的碱金属原子气室制备工艺有玻壳熔接、玻璃吹制等，这种这种制造方法制造的原子气室尺寸大，成本高，集成化效率低，难以适应大规模的工业化生产，基于mems工艺的碱金属原子气室具有微型化、批量化制造的优势，是大规模工业化生产原子气室的最佳选择。

3、主流的mems原子气室通常是由玻璃-硅-玻璃三层结构构成，从光路上看，常采用透射型气室结构，激光直射入气室腔后与碱金属原子相互作用，之后射出，激光在进入气室前后的方向没有改变，仍然在一条直线上，对这种结构而言，光学长度取决于硅片的厚度，常采用深硅刻蚀工艺进行正反面刻蚀，在硅片上形成贯穿腔室，然而随着刻蚀深度的增加，刻蚀难度将逐渐增大，当刻蚀达到一定的深度以后将很难继续进行下去，这限制了用于制作气室的硅片的厚度，同时也限制了碱金属气室的光学长度和光与原子相互作用的时间，使原子器件的探测信号大小受到限制，信噪比也难以提升。如何改进原子气室的制作方法，使得其能够批量生产，是现阶段需要研发的问题。针对以上问题，以下提出一种解决方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于mems工艺的反射型原子气室的制造方法及其光路设计，该方法在光路上采用反射型结构，使用湿法腐蚀工艺使气室的侧壁呈现一定角度，通过外部调整使入射气室的激光呈现一定角度，进入气室的激光经过气室内壁的二次反射射出，通过调整角度后由光电探测器检测，反射型气室极大的延长了光与原子相互作用的距离，使其不受硅片厚度的限制，改善了原子器件的灵敏度和稳定性。

2、为实现上述目的，首先介绍反射型原子气室的制作方法，具体包括腔室制作、沟道制作、气室键合、激光照射激活四个阶段。

3、其中，腔室制作的具体流程为：

4、s1：在硅片上下表面生长一层氮化硅层。

5、s2：在硅片的上表面涂覆一层光刻胶，通过光刻将掩膜图形转移至硅片的上表面。

6、s3：使用干法刻蚀工艺去除硅片上表面光刻图形处的氮化硅层，形成窗口。

7、s4：在丙酮溶液中进行超声清洗，去除光刻胶。

8、s5：对窗口处的硅片表面进行湿法腐蚀，形成气室的存储腔和光学腔室。

9、s6：将硅片浸泡在氢氟酸溶液或其他溶液中除去氮化硅层。

10、沟道制作的具体流程为：

11、s7：在硅片上表面涂覆一层光刻胶层，通过光刻工艺将设计的掩膜版图转移至硅片上表面。

12、s8：通过深硅刻蚀工艺在硅片表面形成连接存储腔和光学腔室的沟道。

13、s9：在丙酮溶液中进行超声清洗，去除光刻胶。

14、s10：使用金属掩膜压印在硅片表面，进行磁控溅射，溅射完成后移除掩膜。

15、其中，气室键合和激光激活的具体流程为：

16、s11：将碱金属释放剂填充入气室的存储腔中，充入缓冲气体12，将玻璃片放置在硅片上，进行阳极键合。

17、s12：使用激光照射碱金属释放剂产生碱金属原子。

18、在上述湿法腐蚀过程中，由于<111>方向的腐蚀速度最慢，所以会在硅片上腐蚀出一个表面相对光滑的侧壁取向为<111>的腔室，即反射腔室的两个侧壁倾角β为54.74°。

19、其次介绍反射型原子气室的光路设计，由激光器射出的激光通过透镜、滤光片、1/4波片后垂直射向第一反射镜，第一反射镜将激光方向调整为水平射出，射向反射棱镜，反射棱镜使激光与水平呈2倍γ角度射入原子气室，激光在气室的反射腔中经过两次反射射出，由反射棱镜将激光方向调整为水平，射向第二反射镜，第二反射镜将激光调整为垂直方向射向光电探测器。

20、本发明具有以下优点：

21、(1)采用反射型气室结构，反射型气室极大的延长了光与原子相互作用的距离，增加了光与原子相互作用的时间，改善了原子器件的灵敏度和稳定性，使原子器件信噪比得到提升。

22、(2)在原子气室的反射侧壁上溅射了一层高反射率金属层，如au等，这减小了激光在反射过程中的损耗。

技术特征：

1.一种反射型原子气室的制作方法，包括腔室制作、沟道制作、气室键合和激光照射激活四个阶段；

2.s2：在硅片的上表面涂覆一层光刻胶（10），通过光刻将掩膜图形移至硅片的上表面。

3.s3：使用干法刻蚀工艺去除硅片上表面光刻图形处的氮化硅层，形成窗口。

4.s4：将硅片在丙酮溶液中进行超声清洗，去除光刻胶。

5.s5：采用湿法腐蚀对窗口处的硅片表面进行腐蚀，形成气室的存储腔（3）和光学腔室（6）。

6.s6：将硅片浸泡在氢氟酸溶液中除去氮化硅层。

7.所述沟道制作的具体流程为：

8.s8：通过深硅刻蚀工艺在硅片表面形成连接存储腔（3）和光学腔室（6）的沟道(5)。

9.s9：将硅片在丙酮溶液中进行超声清洗，去除光刻胶。

10.s10：使用金属掩膜固定在硅片表面，进行磁控溅射，溅射完成后移除金属掩膜。

11.所述气室键合和激光激活的具体流程为：

12.s12：使用激光照射碱金属释放剂(4)，以产生碱金属原子。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储腔(3)和光学腔(6)均为单面腐蚀形成的非贯穿腔室。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储腔(3)的宽度大于碱金属释放剂(4)的直径。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储腔(3)的高度大于碱金属释放剂(4)的高度。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s11中所述阳极键合的次数为一次。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学腔室(6)内部设有第一侧壁(7)和第二侧壁(8)，所述第一侧壁(7)和第二侧壁(8)表面溅射有一层高反射率金属层。

18.一种光路结构，包括垂直腔面反射vcsel激光器(20)、反射型原子气室第一侧壁(7)和第二侧壁(8)、光电探测器(24)，其特征在于，还包括滤光片(22)、透镜(21)和1/4波片(23)、第一反射镜(17)和第二反射镜(19)和反射棱镜(18)。

技术总结本发明公开了一种反射型原子气室制作方法及其光路结构，设计的气室结构属于双腔室结构，在硅片中湿法腐蚀形成存储腔室和光学腔室，两腔室之间由沟道连接，碱金属释放剂填充入存储腔室中，通过与玻璃片阳极键合实现密封，为提高反射率，在光学腔反射侧壁上溅射金属。之后，基于该气室结构设计了一种光路结构，激光器射出的激光由第一反射镜调整，射入探测器的激光由第二反射镜调整，射入和射出气室的激光由反射棱镜调整。与传统的透射型气室相比，反射型气室极大地延长了光与原子相互作用的距离，使其不受硅片厚度的限制，改善了原子器件的灵敏度和稳定性。技术研发人员：车录锋,李晨啸受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17