一种双四棱台结构的碱金属原子气室及其制作方法

本发明涉及量子光学、原子钟技术、原子陀螺仪领域，具体涉及一种双四棱台结构的碱金属原子气室及其制作方法。

背景技术：

1、量子物理技术和原子光学的快速发展，使基于碱金属能级跃迁量子原理的原子陀螺仪、原子钟、原子磁力仪得已被研制。碱金属原子气室是这些器件中的核心部件。目前，已有的气室主要采用玻璃泡吹制技术制备，但该方法制备效率低且制成的气室体积大、一致性差，难以实现工业的大规模生产。近年来，随着相关仪器越来越往集成化小型化发展，对碱金属气室的性能、结构提出更高要求。

2、原子陀螺仪及原子磁力计等设备对温度有较高要求，使用时气室温度要求达到80～120℃并且具有较高的均匀性。玻璃的导热性差，由其制成的气室对系统提出了更高的加热功率要求和热屏蔽要求，增加了系统的体积与功耗，不便于系统的小型化。同时小型化也要求气室能够配合微光学组件实现3轴光路的集成，而传统的透射型气室难以进一步压缩光路体积，且因为气室的透明要求而被限制了制作的材料。如何设计工艺更简单、温度均匀性更高、容易制备且满足三轴光路集成的碱金属气室成为现阶段研究的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述背景技术中所提出的问题，简化制作工艺，提高温度均匀性，实现三轴光路集成提出了一种双四棱台结构的碱金属气室。

2、本发明的所述双四棱台结构的碱金属原子气室，包括p型晶面双面抛光硅片、键合于硅片的上抛光面的上层玻璃片盖板和键合于所述硅片的下抛光面的下层玻璃片盖板；

3、p型晶面双面抛光硅片内刻蚀有工作气室、微通道和辅助气室，工作气室与辅助气室通过微通道进行连通，所述工作气室沿两片玻璃盖板连线方向贯穿所述p型晶面双面抛光硅片，所述工作气室由两个完全相同的正四棱台竖向拼接构成，两个正四棱台面积较小的底面相互拼接且完全重合；

4、所述辅助气室内设置有碱金属释放剂，所述碱金属释放剂用于释放碱金属蒸气；

5、所述工作气室为泵浦和探测过程所发生的气室，辅助气室为碱金属释放剂生成碱金属蒸气的反应空间，微通道为传递碱金属蒸气的通道。

6、进一步地，所述辅助气室呈立方体结构，且不贯穿所述p型晶面双面抛光硅片；所述辅助气室通过片上加热薄膜进行密封，所述片上加热薄膜对碱金属释放剂进行加热，使碱金属释放剂发生化学反应生成碱金属蒸气，碱金属蒸气通过微通道进入工作气室。

7、本发明还提供了一种制备所述的碱金属原子气室的制备方法，包括如下步骤：

8、1)清理p型晶面双面抛光硅片的表面，并对所述p型晶面双面抛光硅片进行烘烤预热；

9、所述清理p型晶面双面抛光硅片的表面为依次使用去离子水和丙酮清洗硅片表面，去除硅片表面杂物及水蒸汽；

10、所述烘烤预热的温度为100℃，烘烤预热的目的为去除硅片表面的去离子水以及丙酮并对p型晶面双面抛光硅片进行预热，增强增附剂的附着效果；

11、2)对p型晶面双面抛光硅片的两个抛光面涂抹增附剂，并进行前烘处理；将前烘处理后的p型晶面双面抛光硅片冷却至室温，并在p型晶面双面抛光硅片的两个抛光面多次涂抹光刻胶并多次进行烘烤；

12、3)对p型晶面双面抛光硅片的上抛光面进行光刻处理，形成工作气室的上半部分、辅助气室和微通道；再对p型晶面双面抛光硅片的下抛光面进行光刻处理，形成工作气室的下半部分，工作气室的上半部分和下半部分连通；

13、4)对步骤3)加工后的硅片进行清洗，并在p型晶面双面抛光硅片的下抛光面上键合下层玻璃片盖板；

14、5)在辅助气室中添加碱金属释放剂，且使用片上加热薄膜密封辅助气室；并在p型晶面双面抛光硅片的上抛光面上键合上层玻璃片盖板；且键合完成的辅助气室需预留有导线通道，所述导线通道用于通入给片上加热薄膜通电的导线；

15、6)对片上加热薄膜施加交流电，碱金属释放剂发生化学反应生成碱金属蒸气，并通过微通道进入工作气室，随后密封所述导线通道，所述双四棱台碱金属原子气室制备完成。

16、进一步地，步骤2)中，所述增附剂为六甲基二硅氮烷增附剂(10)，所述前烘处理的温度为90℃-110℃，涂抹的增附剂厚度为14nm-16nm。

17、进一步地，步骤3)中，所述光刻处理具体为：先对所述p型晶面双面抛光硅片(1)的抛光面进行曝光和刻蚀；所述刻蚀采用深硅刻蚀工艺，刻蚀时先使用c4f8等离子体覆盖p型晶面双面抛光硅片(1)的抛光面，再冲入sf6等离子体进行刻蚀；且刻蚀得到的工作气室(4)的内表面的粗糙度小于50nm。

18、进一步地，所述步骤4)和步骤5)中的键合均采用玻璃-硅-玻璃三层阳极键合方式，上层玻璃片盖板(2)和下层玻璃片盖板(3)均为bf33玻璃；

19、下层玻璃片盖板(3)的键合发生在小于1.5×10-5mbar的真空条件下，对下层玻璃片盖板(3)施加900-1100n压力使其紧密贴合硅片并加热至290-310℃，并在p型晶面双面抛光硅片(1)与下层玻璃片盖板(3)之间施加峰值大小为590-610v且峰值持续时间逐次减少的脉冲电压，完成键合；

20、上层玻璃片盖板(2)的键合在缓冲气体气氛中进行，缓冲气体的成分为n2、131xe和129xe，对上层玻璃片盖板(2)施加900-1100n压力使其紧密贴合硅片并加热至290-310℃，并在p型晶面双面抛光硅片(1)与上层玻璃片盖板(2)之间施加峰值大小为590-610v且峰值持续时间逐次减少的脉冲电压，完成键合。

21、与现有技术相比，本发明具备以下优点：

22、本发明所述的双四棱台碱金属气室，采用了辅助气室、工作气室分离的双气室结构，气室之间通过为微通道连接。碱金属原子释放剂反应位置与碱金属蒸气工作位置分离，避免激发反应所需高温破坏工作气室结构，同时避免残留反应物影响气室透明度与弛豫性能。与传统的气体注入法相比，先封闭气室再发生化学反应生成碱金属蒸气的制备流程降低了操作环境要求，减小了加工成本，也避免了预留注入通道对气室结构的破坏，同时避免了漏气风险。传统实现三轴光路的透射型气室由于基材透明性需求大多为玻璃气室，本发明所述气室形状为双四棱台，对应的光路为折射型光路，可以使用不透明的单晶硅材料作为基底实现三轴光路，单晶硅的导热系数远大于玻璃可以实现更高的气室温度均匀性。与玻璃气室相比，本发明所述气室采用工艺为刻蚀工艺、阳极键合工艺，结构简单，工艺成熟度高，重复性好更便于实现大规模制作。

技术特征：

1.一种双四棱台结构的碱金属原子气室，其特征在于，包括p型晶面双面抛光硅片(1)、键合于硅片的上抛光面的上层玻璃片盖板(2)和键合于所述硅片的下抛光面的下层玻璃片盖板(3)；

2.根据权利要求1所述的双四棱台结构的碱金属原子气室，其特征在于，所述p型晶面双面抛光硅片(1)的晶相为100。

3.根据权利要求1所述的双四棱台结构的碱金属原子气室，其特征在于，所述辅助气室(7)呈立方体结构，且不贯穿所述p型晶面双面抛光硅片(1)；所述辅助气室(7)通过片上加热薄膜(6)进行密封，所述片上加热薄膜(6)对碱金属释放剂(8)进行加热，使碱金属释放剂(8)发生化学反应生成碱金属蒸气，碱金属蒸气通过微通道(5)进入工作气室(4)。

4.根据权利要求1所述的双四棱台结构的碱金属原子气室，其特征在于，所述碱金属释放剂(8)为rb释放剂。

5.根据权利要求1所述的双四棱台结构的碱金属原子气室，其特征在于，所述微通道(5)有多条。

6.一种制备权利要求1所述的碱金属原子气室的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的碱金属原子气室的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述增附剂为六甲基二硅氮烷增附剂(10)，所述前烘处理的温度为90℃-110℃，涂抹的增附剂厚度为14nm-16nm。

8.根据权利要求6所述的碱金属原子气室的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述光刻处理具体为：先对所述p型晶面双面抛光硅片(1)的抛光面进行曝光和刻蚀；所述刻蚀采用深硅刻蚀工艺，刻蚀时先使用c4f8等离子体覆盖p型晶面双面抛光硅片(1)的抛光面，再冲入sf6等离子体进行刻蚀；且刻蚀得到的工作气室(4)的内表面的粗糙度小于50nm。

9.根据权利要求8所述的碱金属原子气室的制备方法，其特征在于，所述步骤4)和步骤5)中的键合均采用玻璃-硅-玻璃三层阳极键合方式，上层玻璃片盖板(2)和下层玻璃片盖板(3)均为bf33玻璃；

技术总结本发明公开了一种双四棱台结构的碱金属原子气室及其制作方法，属于量子光学、原子钟技术、原子陀螺仪领域。包括P型晶面双面抛光硅片、键合于硅片的上抛光面的上层玻璃片盖板和键合于所述硅片的下抛光面的下层玻璃片盖板；P型晶面双面抛光硅片内刻蚀有工作气室、微通道和辅助气室，工作气室与辅助气室通过微通道进行连通，工作气室为仪器工作时泵浦、探测过程所在气室，辅助气室为碱金属释放剂放置及反应空间，微通道为释放气体通道；与传统气室相比，本发明所述气室形状为双四棱台，采用工艺为刻蚀工艺、阳极键合等工艺，结构简单、工艺成熟度高、重复性好更便于实现大规模制作。技术研发人员：张登伟,郑裕杰,缪立军,张智航,杨建华,韩大鹏受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18