[发明专利]一种基于低温热键合的芯片原子钟微型气室的制备方法

摘要

本发明属光学领域和微纳系统领域，具体为一种基于低温热键合的芯片原子钟微型气室的制备方法。一种基于低温热键合的芯片原子钟微型气室的制备方法，包括气室键合层基底的制作、半封闭气室的制作、碱金属原子的注入、缓冲气体的注入与气室的密封四个阶段。本发明与现有的技术相比，（1）避免了“玻璃‑硅‑玻璃”常规原子气室不同质造成原子退极化驰豫引起的噪声问题。（2）克服了不同质粘合层原子成键结合力弱造成气密性不佳的问题。（3）防止了常规阳极键合的温度过高（温度>300℃）使碱金属原子大量气化外溢导致碱金属原子密度低的问题。

主权项

一种基于低温热键合的芯片原子钟微型气室的制备方法，其特征在于包括气室键合层基底的制作、半封闭气室的制作、碱金属原子的注入、缓冲气体的注入与气室的密封四个阶段，其中气室键合层基底的制作包括以下步骤：（1）将PDMS硅橡胶与固化剂按8:1的比例分别使用注射器抽取并注入到烧杯中完全混合，使用玻璃棒均匀搅拌，使PDMS硅橡胶与固化剂充分混合，得到PDMS混合液；（2）将PDMS混合液静置30min后放入真空干燥箱，去除混合后产生的气泡，逐渐降低真空干燥箱中的气压，当气压降到‑0.05MPa时，等待30秒，然后继续降低真空干燥箱中的气压，当真空度达到‑0.01MPa 时，等待10分钟，抽真空完毕；（3）将抽好真空的 PDMS混合液浇铸在清洗干净的硅片上，厚度为2mm，静置10分钟；然后放到真空干燥箱里继续抽真空10分钟，直至完全去除掉倾倒的过程中产生的气泡；（4）将抽好真空的硅片放入烘箱，设定固化温度在70‑90℃之间，持续加热两小时并恒温保持至完全固化，得到所需的的PDMS键合层基底；半封闭气室的制作包括以下步骤：（1）匀胶：通过匀胶机将SU‑8光刻胶旋涂于PDMS键合层基底上，旋涂厚度700μm，匀胶机的工作参数设置为：旋涂时间9‑15s、转速800rad/min，旋涂完成后静置半小时以上，利用SU‑8光刻胶自平整能力使表面更加平整；（2）前哄：静置结束之后前烘，采用阶梯烘的方式缓慢升高温度，先将温度升高到 65℃，保持30min，然后将温度升高至 95℃保持6小时；前烘完之后降温，在65℃保持30min，然后随烘箱冷却，避免温度骤变导致SU‑8光刻胶应力过大；（3）曝光：采用400nm紫外光对SU‑8光刻胶进行分次曝光，曝光120s，间隔30s，每次曝光剂量不大于400mJ/cm2，光刻去除气室部分；（4）后烘：曝光结束后后烘，先将温度升高到65℃保持30min后升温至80℃保持2h，然后降低温度至65℃保持30min，进一步挥发掉溶剂，使已曝光的SU‑8光刻胶充分交联，然后随烘箱冷却，后烘结束后静置，使未充分交联的SU‑8光刻胶进一步交联；冷却结束后将PDMS键合层基底撕掉；（5）显影：最终在显影液中搅拌显影，同时利用超声波对气室结构进行处理，以减小气室的溶胀，提升气室的结构精度；显影后用去离子水冲洗干净，得到半封闭的微原子型气室；（6）提高SU‑8的表面能：利用氧等离子体处理SU‑8键合层表面，改善其表面粘接性，提升其键合界面分子的结合力，增强键合层键合强度；碱金属原子的注入：将半成型的半封闭气室放置在真空室中，然后利用微移液管将液态的碱金属移入半成型的半封闭气室中：缓冲气体的注入与气室的密封：在气室PDMS键合层基底上旋涂SU‑8光刻胶，在真空环境中向半封闭气室充入缓冲气体N2、Ar，将旋涂在PDMS上的SU‑8光刻胶放在充入缓冲气体与碱金属原子的半封闭气室键合层表面，采用低温热键合法将注入碱金属原子和缓冲气体的半封闭气室密封，键合温度50℃，压力为160MPa，键合时间是8min，键合完成后，将PDMS键合层基底撕下，最终实现高气密同质微型原子气室的制备。