一种原子气室的制造方法以及原子气室

本发明涉及量子精密测量，具体涉及一种原子气室的制造方法以及原子气室。

背景技术：

1、核磁共振陀螺仪是一种利用核磁共振原理进行导航和定位的高精度惯性导航系统。原子气室是核磁共振陀螺仪中的关键组成部分，通常由玻璃制成，用于容纳待测的原子气体。在原子气室中，原子气体会被极化，并通过核磁共振来进行载体角速度的测量。然而，在测量的过程中气态原子存在剧烈的热运动，会在极短的时间内与玻璃器壁发生多次碰撞，导致极化态原子的退极化，即壁弛豫，壁弛豫的强度决定了核磁共振陀螺仪的灵敏度极限。

2、目前常用的抵抗壁弛豫的方法有两种：第一种是在气室内充入缓冲气体，以抑制原子的扩散，在其碰撞器壁前完成测量过程；第二种方法是在气室的内壁镀膜，避免原子与玻璃壁的直接碰撞。第一种方法存在一些负面效应，如会发生磁共振信号的展宽、频移等。

3、相比之下，抗弛豫镀膜在线宽方面具有更大优势且有利于在较低的光功率下实现原子的高效极化；但是，现有的抗弛豫镀膜抗弛豫效果不理想，耐热性差，无法满足日益增长的精度需求，且制造工序繁琐，制造过程还存在有安全隐患。

技术实现思路

1、针对目前存在的抗弛豫镀膜抗弛豫效果不理想或耐热性差的问题，提出一种原子气室的制造方法以及原子气室，使原子气室具有良好的抗弛豫能力、耐热性，进一步提高测量的灵敏度，以得到更高精度的核磁共振陀螺仪；同时，制造工序相对简单，制造过程更加安全。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种原子气室的制造方法，包括以下步骤：

3、s1，在硅晶圆上表面光刻气室图形以得到正面原子气室轮廓，对硅晶圆上表面进行刻蚀；

4、s2，在硅晶圆下表面光刻气室图形以得到背面原子气室轮廓，对硅晶圆下表面进行刻蚀；

5、s3，在硅晶圆上表面光刻微通道图形，进行微通道刻蚀；

6、s4，将硅晶圆下表面与玻璃晶圆进行阳极键合；

7、s5，在硅晶圆和玻璃晶圆上镀过渡层，随后在硅晶圆和玻璃晶圆上镀膜；将镀膜后的硅晶圆上表面与玻璃晶圆进行阳极键合。

8、本技术方案中，首先对硅晶圆的上表面进行光刻气室图形，随后对硅晶圆上表面进行刻蚀，刻蚀至指定的深度之后；同样的，对硅晶圆的下表面进行与硅晶圆的上表面的处理方法相同；之后，在硅晶圆的表面进行关于微通道图形的光刻，随后进行微通道刻蚀；在完成刻蚀之后，分别进行硅晶圆上下表面与玻璃晶圆的阳极键合，在硅晶圆上表面与玻璃晶圆进行阳极键合之前，需对采用化学气相沉积法对硅晶圆和玻璃晶圆镀过渡层，随后采用微波等离子体化学气相沉积法进行抗弛豫镀膜；最终完成原子气室中的碱金属气体填充。

9、本发明还进一步设置为：所述步骤s1之前还包括对硅晶圆表面进行清洗过程：

10、采用rca标准清洗法，首先去除硅晶圆表面有机沾污，随后溶解氧化膜，最后去除硅晶圆表面的颗粒和金属并使硅晶圆钝化。

11、本技术方案中，在对硅晶圆进行正式处理之前，清洗硅晶圆表面，使其得到处理要求。

12、本发明还进一步设置为：所述步骤s1包括：

13、s11，在硅晶圆的上表面匀上一层光刻胶，形成光刻胶介质层；

14、s12，采用光刻机将原子气室掩膜版图形转移至光刻胶介质层上，得到原子气室轮廓；

15、s13，对硅晶圆上表面进行刻蚀，直至硅晶圆上表面刻蚀至第一深度，形成反应腔。

16、本技术方案中，首先在硅晶圆的上表面匀光刻胶，在其固化后形成有在硅晶圆表面的光刻胶介质层，随后利用光刻机进行气室图形的光刻，将图形转移至光刻胶介质层经过后烘及显影在硅晶圆表面得到原子气室轮廓；最后对硅晶圆进行刻蚀操作，并清理掉多余的光刻胶。

17、本发明还进一步设置为：所述步骤s3包括：首先，在硅晶圆上表面匀一层光刻胶，经过前烘处理后使光刻胶固化；随后，位置对齐后，进行微通道图形光刻操作；最后，对微通道图形进行刻蚀，刻蚀完成后洗去残留光刻胶。

18、本技术方案中，微通道图形的光刻操作与上述的硅晶圆光刻气室图形的光刻过程相同。

19、本发明还进一步设置为：所述步骤s4包括：

20、s41，将玻璃晶圆与硅晶圆叠加放在阳极键合机的加热托盘上，并将键合腔内抽至真空，

21、s42，随后在晶片上施加压力并加热；采用阶梯式的加压方式对键合晶片施加电压并多次循环；

22、s43，在键合腔室注入冷却水使硅晶圆快速冷却，完成硅晶圆下表面与玻璃晶圆的阳极键合。

23、本技术方案中，采用上述的方法将硅晶圆下表面与下方的玻璃晶圆进行阳极键合。

24、本发明还进一步设置为：所述步骤s5包括：

25、s51，采用化学气相沉积法在硅晶圆的反应腔内壁和玻璃晶圆上镀一层石墨烯过渡层；

26、s52，采用微波等离子体化学气相沉积法在硅晶圆反应腔内壁和玻璃晶圆上镀金刚石抗弛豫膜；

27、s53，将碱金属释放剂放置在反应腔内，完成硅晶圆上表面与玻璃晶圆的阳极键合。

28、本技术方案中，过渡层为石墨烯过渡层，在镀上改过渡层后又镀上一层金刚石抗弛豫膜。

29、本发明还进一步设置为：所述步骤s5之后还包括激光分解碱金属释放剂的过程，包括：

30、使用激光器透过微透镜使光束直径缩小到设定长度，以设定的功率局部加热碱金属释放剂表面，使碱金属释放剂受热分解，完成气室中的碱金属气体填充。

31、本技术方案中，在碱金属气体填充满原子气室后，随即完成原子气室的制造过程。

32、本发明还进一步设置为：所述硅晶圆上表面和下表面的光刻气室图形位置相对应，且均包括两个间隔有设定距离的正方形，光刻微通道图形为连接两个正方形的三条微通道。

33、本技术方案中，在经过硅晶圆上表面刻蚀、下表面刻蚀以及微通道刻蚀之后，得到有相应的反应腔和微通道。

34、一种原子气室，采用上述的一种原子气室的制造方法，包括硅晶圆以及设置在硅晶圆两侧的玻璃晶圆，所述硅晶圆与两侧的玻璃晶圆连接，所述硅晶圆上开设有经过刻蚀形成的反应腔，所述反应腔的内壁均镀有金刚石抗弛豫膜。

35、本技术方案中，硅晶圆能够与玻璃晶圆阳极键合，确保硅晶圆与两侧的玻璃晶圆的连接。

36、本发明还进一步设置为：所述反应腔包括光学腔和化学腔，所述光学腔和化学腔之间设置有微通道。

37、本技术方案中，光学腔、化学腔以及微通道均通过刻蚀形成。

38、本发明能够带来如下的有益效果：

39、本发明涉及的一种原子气室的制造方法，使原子气室具有良好的抗弛豫能力、耐热性，进一步提高测量的灵敏度，以得到更高精度的核磁共振陀螺仪；同时，制造工序相对简单，制造过程更加安全。

技术特征：

1.一种原子气室的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s1之前还包括对硅晶圆表面进行清洗过程：

3.根据权利要求1或2所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s1包括：

4.根据权利要求3所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s3包括：首先，在硅晶圆上表面匀一层光刻胶，经过前烘处理后使光刻胶固化；随后，位置对齐后，进行微通道图形光刻操作；最后，对微通道图形进行刻蚀，刻蚀完成后洗去残留光刻胶。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s4包括：

6.根据权利要求1或2或4所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s5包括：

7.根据权利要求1所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述步骤s5之后还包括激光分解碱金属释放剂的过程，包括：

8.根据权利要求1或2所述的一种原子气室的制造方法，其特征在于，所述硅晶圆上表面和下表面的光刻气室图形位置相对应，且均包括两个间隔有设定距离的正方形，光刻微通道图形为连接两个正方形的三条微通道。

9.一种原子气室，采用权利要求1-8任一项的一种原子气室的制造方法，其特征在于，包括硅晶圆以及设置在硅晶圆两侧的玻璃晶圆，所述硅晶圆与两侧的玻璃晶圆连接，所述硅晶圆上开设有经过刻蚀形成的反应腔，所述反应腔的内壁均镀有金刚石抗弛豫膜（7）。

10.根据权利要求9所述的一种原子气室，其特征在于，所述反应腔包括光学腔（3）和化学腔（5），所述光学腔（3）和化学腔（5）之间设置有微通道（4）。

技术总结
本发明公开一种原子气室的制造方法以及原子气室，涉及量子精密测量技术领域，旨在解决抗弛豫镀膜抗弛豫效果不理想或耐热性差的问题，方法包括：在硅晶圆上表面光刻气室图形以得到正面原子气室轮廓，对硅晶圆上表面进行刻蚀；在硅晶圆下表面光刻气室图形以得到背面原子气室轮廓，对硅晶圆下表面进行刻蚀；在硅晶圆上表面光刻微通道图形，进行微通道刻蚀；将硅晶圆下表面与玻璃晶圆进行阳极键合；在硅晶圆和玻璃晶圆上镀过渡层，随后在硅晶圆和玻璃晶圆上镀膜；将镀膜后的硅晶圆上表面与玻璃晶圆进行阳极键合；还包括对应的原子气室；本发明能够使原子气室具有良好的抗弛豫能力、耐热性，进一步提高测量的灵敏度。

技术研发人员：于会尧,潘思承,沈云涛,郑均成,李锦熠,郑文强,李衎
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23