激光与光电子学进展, 2018, 55 (4): 040201, 网络出版: 2018-09-11   

应用于芯片原子钟的微碱金属气室制备与研究 下载: 1154次

Fabrication and Study of Micro Alkali-Metal Vapor Cell Applied to Chip Scale Atomic Clock
作者单位
中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
图 & 表

图 1. ICP刻蚀系统示意图

Fig. 1. Diagram of ICP etching system

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图 1. 所示为整个系统结构示意图。通常ICP刻蚀系统存在两个独立的射频源(rf1与rf2),频率均为13.56 MHz,一个与反应腔室外的电感线圈相连,另一个与反应室内的电极相连。给rf1施加电压,气体放电产生等离子体,同时交变电磁场使得等离子体聚焦。在反应室内的偏压作用下,等离子体被加速垂直射向基片,反应生成气体物质,从而达到刻蚀硅的目的,反应生成物通过机械泵抽离腔室。

Fig. 1.

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图 2. 深硅刻蚀机。(a)实物图;(b)内部原理

Fig. 2. Deep silicon etching machine. (a) Picture; (b) schematic of inside

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图 3. 待刻蚀结构

Fig. 3. Structures to be etched

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图 4. 刻蚀工艺流程

Fig. 4. Flow chart of etching process

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图 5. 刻蚀循环数与刻蚀深度间的关系

Fig. 5. Relationship between etching loop number and etching depth

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图 6. 硅孔结构三维示意图

Fig. 6. 3D schematic of silicon pore structure

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图 7. 刻蚀结果示意图

Fig. 7. Schematic of etching results

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图 8. 键合后的碱金属气室实物图

Fig. 8. Picture of bonded alkali-metal vapor cell

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图 9. 饱和吸收实验原理装置图

Fig. 9. Schematic of experimental principle for saturated absorption

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图 10. 不同温度下的气室饱和吸收。(a) 50 ℃;(b) 60 ℃;(c) 70 ℃;(d) 80 ℃

Fig. 10. Saturated absorption of micro alkali-metal vapor cell under different temperatures. (a) 50 ℃; (b) 60 ℃; (c) 70 ℃; (d) 80 ℃

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图 11. (a) 87Rb原子D2线跃迁原理图;(b) 80 ℃时MEMS气室饱和吸收曲线

Fig. 11. (a) Schematic of D2 line transition in 87Rb atom; (b) saturated absorption curve of MEMS vapor cell at 80 ℃

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表 1深硅刻蚀主要参数

Table1. Main parameters of deep silicon etching

ProcessDurationtime /sPower 1 /WPower 2 /WNumber ofloopsFlow rate of SF6 /(mL·min-1)Flow rate of C4F8 /(mL·min-1)
Deactivation125001601300
Etching ofdeactivation layers1.5250022404001
Main etching53500523009961

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汤跃, 任子明, 李云超, 胡旭文, 张彦军, 闫树斌. 应用于芯片原子钟的微碱金属气室制备与研究[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(4): 040201. Yue Tang, Ziming Ren, Yunchao Li, Xuwen Hu, Yanjun Zhang, Shubin Yan. Fabrication and Study of Micro Alkali-Metal Vapor Cell Applied to Chip Scale Atomic Clock[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(4): 040201.

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