微型碱金属原子气室MEMS制作技术*

李兴辉， 杜 婷， 韩攀阳， 陈海军， 蔡 军， 冯进军

(中国电子科技集团公司第十二研究所 微波电真空器件国家级重点实验室，北京 100015)

0 引 言

基于原子和光相互作用的原子传感器，包括原子钟、磁力计、干涉仪和陀螺仪，广泛用于精确测量、导航、计时和授时等众多领域[1～4]。碱金属原子气室是原子传感器的基础核心元件，其质量直接决定器件性能[5,6]。

现代科技发展迫切需要小型化、低功耗、低成本、高度集成的原子传感器，进而要求微型化原子气室。然而原子气室传统制作方法，包括玻璃管高温熔接[7]，玻璃泡吹制[8]，以及玻璃纤维激光诱导封接[9]等并不满足要求。腔室形状难以精准控制，无法实现批量化，并且不兼容微加工技术，不符合元件微型化、器件芯片化的趋势。

微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)技术，使碱金属原子气室微型化成为可能。2004年美国国家标准技术局依托该技术实现原子气室，并研制出小型化原子钟[10]。MEMS技术实现的碱金属原子气室是玻璃/硅/玻璃夹层结构，先加工硅片通孔，并将硅片和玻璃键合形成承载腔，承载腔装填碱金属后，键合顶层玻璃进行密封。

碱金属原子气室MEMS制作技术，可方便地将气室尺寸降至毫米(mm)量级，一经提出就广受关注，其关键技术包括硅孔成型、基片键合和碱金属填充等得到深入研究。

1 硅孔成型技术

常见的微硅孔成型，包括激光打孔、超声波研磨、湿法化学腐蚀、深反应离子刻蚀，或者上述技术的组合。

1.1 激光加工硅孔

激光打孔是利用高功率密度激光，使材料汽化蒸发直接形成孔洞，或者随光束移动形成切割效应成孔。……