一种反射式原子气室及其制备方法与流程

1.本发明属于微纳光学与量子传感器领域，更具体地，涉及一种反射式原子气室及其制备方法。


背景技术：

2.用于频率参考的微型原子钟为许多应用提供了基础，如无线基站的导航系统或智能电网的同步网络，随着传输数据量的增加和数据速率的加快，基准钟需要更加稳定和准确。
3.原子气室是原子钟性能提高的决定性量子器件，本身的小体积与低功耗对量子器件物理系统有着重要的意义。目前一般使用半导体相关工艺制备的原子气室均为对1.5mm厚的硅片进行垂直刻蚀，后将其与两片500μm的玻璃片键合成为玻璃-硅-玻璃的三明治型，总厚度为2.5mm。传统mems原子气室的物理系统重量和物理系统体积都相对较大，结构密度低，尤其是较厚的玻璃-硅-玻璃的三明治型结构限制了原子钟在体积受限的应用场景中的使用；此外，传统mems原子气室受尺寸所限，光与原子作用光程较短，可能会增加误差，影响原子气室的精度和稳定性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种反射式原子气室及其制备方法，在反射式原子气室在内部通过多个反射镜实现了vcsel入射激光的多次反射，增加光与原子作用光程，提高cpt共振测试中的信噪比，进一步提高了短期频率的稳定性。为了达到上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种反射式原子气室，包括第一玻璃片、第二玻璃片及设于第一玻璃片、第二玻璃片之间的硅片；其中，所述硅片与第二玻璃片键合形成两层预制键合片，硅片与第一玻璃片和第二玻璃片键合形成三层密封腔键合片；所述第一玻璃片、第二玻璃片及硅片内部形成腔室结构，该腔室结构内设有反射镜单元，反射镜单元包括设于所述腔室结构内壁的第一反射镜、及设于该腔室结构内部的第二反射镜和第三反射镜；vcsel发出的激光被第一反射镜反射并沿着水平方向移动，被第二反射镜反射并入射到第三反射镜表面，经第三反射镜反射回第一反射镜表面并入射到光电探测器上，从而增加光与原子作用光程，提高cpt共振测试中的信噪比。
5.进一步地，所述第二反射镜与结构腔体之间构成碱金属释放剂槽。
6.进一步地，所述碱金属释放剂槽内设有碱金属释放剂。
7.进一步地，所述碱金属释放剂为x2cro4/al/zr混合物或xn3或ban6和xcl的混合溶液，其中x为碱金属。
8.进一步地，所述第二反射镜、第三反射镜与第一反射镜之间构成光与原子相互作用腔。
9.进一步地，所述硅片为晶向为《100》厚度为100-500μm的硅片，第一玻璃片为厚度为100-300μm的玻璃片，第二玻璃片为厚度为100-500μm的玻璃片。
10.进一步地，所述第一玻璃片上设有加热温控器及加热温控器焊盘。
11.进一步地，所述加热温控器由ti、pt制备而成，所述加热温控器焊盘由ti、au制备而成。
12.按照本发明第二方面，提供一种反射式原子气室的制备方法，包括如下步骤：s1：用标准清洗工艺对硅片表面进行洁净处理；s2：制备第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；s3：在第二玻璃片表面刻蚀碱金属释放剂槽以及光与原子相互作用腔；s4：将硅片和第二玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，形成两层预制键合片，将碱金属释放剂填充入两层预制键合片的碱金属释放剂槽中；s5：将两层预制键合片和第一玻璃片进行玻璃-硅-玻璃阳极键合，形成三层密封腔键合片；s6：在第一玻璃片顶部制备加热温控器及加热温控器焊盘；s7：激光器照射碱金属释放剂至一定温度以释放出碱金属释放剂中的碱金属原子。
13.进一步地，步骤s1中，所述标准清洗工艺的步骤包括：分别使用丙酮和酒精对硅片进行浸泡并超声震荡，用去离子水喷淋清洗基片表面，经干燥的氮气吹干硅片表面，以去除硅片表面的有机物沾污；分别使用三号标准清洗液、一号标准清洗液、二号标准清洗液依次浸泡腐蚀硅片，以去除硅片表面的金属粒子、金属、有机物、湿气分子沾污；使用腐蚀液腐蚀以去除硅片表面自然氧化层。
14.进一步地，所述三号标准清洗液的组成为h2so4（98%）：h2o2（30%）= 3：1-4：1；和／或所述三号标准清洗液的温度范围包括：120℃-150℃；和／或使用该标准清洗液的浸泡时间为15min。
15.进一步地，所述一号标准清洗液的组成为nh4oh（28%）：h2o2（30%）：h2o = 1：1：5~1：2：7；和／或，所述一号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃；和／或，使用所述一号标准清洗液的浸泡时间为10min。
16.进一步地，所述二号标准清洗液的组成为hcl（37%）：h2o2（30%）：h2o = 1：1：6~1：2：8；和／或，所述二号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃；和／或，使用所述二号标准清洗液的浸泡时间为10min。
17.进一步地，所述去除硅片表面自然氧化层的腐蚀液为5%的hf或者hf：h2o2=1：50的溶液；和／或，所述腐蚀液的温度范围包括：20℃-25℃；和／或，使用腐蚀液的腐蚀时间为5s。
18.进一步地，步骤s2中，制备第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜步骤为：s21：在硅片表面生长一层氮化硅膜作为刻蚀掩膜；s22：使用第一掩模版（mask01-45）光刻曝光，形成各向异性湿法蚀刻形状，利用第一碱性蚀刻剂对硅片进行第一次各向异性湿法蚀刻，蚀刻方向为[011]方向，蚀刻角度为9.74
°
；s23：利用第二碱性蚀刻剂对硅片进行第二次各向异性湿法蚀刻，得到与硅片表面
形成45
°
角度的斜面，形成第一反射镜；s24：使用正性光刻胶或负性光刻胶做掩膜，利用第二掩模版（mask02-90）光刻曝光，显影后在硅片顶部表面得到第二反射镜、第三反射镜形状；s25：深反应离子刻蚀（drie）形成两面90
°
反射镜即第二反射镜和第三反射镜；s26：在1100℃下进行氢气退火30 min，将刻蚀过程中在硅侧壁上形成的扇贝状图形实现平面化。
[0019]
进一步地，步骤s3中，在第二玻璃片表面刻蚀碱金属释放剂槽以及光与原子相互作用腔步骤为：s31：在第二玻璃片表面匀正性光刻胶或负性光刻胶，利用第三掩模版（mask03-glass）光刻曝光，显影后在第二玻璃片顶部表面得到碱金属释放剂槽以及光与原子相互作用腔形状；s32：反应离子刻蚀（rie）形成碱金属释放剂槽以及光与原子相互作用腔。
[0020]
进一步地，步骤s4中，硅-玻璃阳极键合形成两层预制键合片以及碱金属释放剂填充步骤为：s41：将所述硅片和第二玻璃片通过光学对准，安装在键合托盘上送入键合腔内；s42：硅片接阳极，第二玻璃片接阴极，进行硅-玻璃阳极键合，键合面为硅片顶部表面和第二玻璃片带碱金属释放剂槽以及光与原子相互作用腔面；s43：将碱金属释放剂填充入两层预制键合片的碱金属释放剂槽中。
[0021]
进一步地，步骤s4中，所述硅-玻璃阳极键合条件为：真空度＜1
×
10-5
mbar，温度350℃，压力大小为1000n，键合电压1000v。
[0022]
进一步地，玻璃-硅-玻璃阳极键合形成三层密封腔键合片步骤为：s51：将两层预制键合片和第一玻璃片安装在键合托盘上，利用键合托盘上的厚垫片在两层预制键合片和第一玻璃片之间形成缝隙使得缓冲气体能进入光与原子相互作用腔中；s52：进行玻璃-硅-玻璃阳极键合，形成三层密封腔键合片。
[0023]
进一步地，步骤s6中，所述制备加热温控器及加热温控器焊盘步骤为：s61：匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第四掩模版（mask04-heater）进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片表面形成加热温控器形状；s62：采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、pt制备加热温控器，ti层与pt层磁控溅射后采用剥离的方式得到加热温控器；s63：匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第五掩模版（mask05-pad）进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片表面形成加热温控器焊盘形状；s64：采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、au制备加热温控器焊盘，ti层与au层磁控溅射后采用剥离的方式得到加热温控器焊盘。
[0024]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1．本发明中的反射式原子气室在内部通过三块反射镜实现了vcsel入射激光的多次反射，增加光与原子作用光程，提高cpt共振测试中的信噪比，进一步提高了短期频率的稳定性。
[0025] 2．本发明中的反射式原子气室结构简单，比传统mems气室的厚度更薄，不仅减小了物理系统的体积，还减轻了物理系统重量，具有了更高的结构密度，更易于实现物理系统的小型化与芯片化。
[0026] 3．本发明在制备反射式原子气室过程中，提出了一种硅片表面刻蚀45
°
反射镜的方法与表面平坦化方法，可形成高质量光学表面。
附图说明
[0027]
图1为本发明中一些实施例中提供的反射式原子气室的示意图；图2为本发明中一些实施例提供的两层预制键合片的示意图；图3为本发明中一些实施例中提供的第一玻璃片以及加热控温器示意图；图4为本发明中一些实施例中提供的反射式原子气室内部的光路图，为了方便示意，仅保留原子气室硅层。
[0028]
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：11-硅片、12-第一反射镜、13-第二反射镜、14-第三反射镜、21-第一玻璃片、31-碱金属释放剂、41-第二玻璃片、42-碱金属释放剂槽、43-光与原子相互作用腔、51-两层预制键合片、61-三层密封腔键合片、71-加热温控器、72-加热温控器焊盘。
实施方式
[0029]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030]
请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种反射式原子气室，其结构包括：第一玻璃片21、第二玻璃片41及设于第一玻璃片21、第二玻璃片41之间的硅片11。其中，硅片11与第二玻璃片41键合形成两层预制键合片51，硅片11与第一玻璃片21和第二玻璃片41键合形成三层密封腔键合片61。其中硅片11晶向为《100》厚度为100-500μm的硅片，第一玻璃片21为厚度为100-300μm的玻璃片，第二玻璃片41为厚度为100-500μm的玻璃片。第一玻璃片21、第二玻璃片41及硅片11内部形成腔室结构，在该腔室结构内设有反射镜单元，该反射镜单元包括设于所述腔室结构内壁的第一反射镜12、及设于该腔室结构内部的第二反射镜13和第三反射镜14，其中，第一反射镜12为45
°
反射镜，第二反射镜13与第三反射镜14为90
°
反射镜。如图1所示，本发明的一些实施例在实施过程中需要对原子气室进行加热，则三层密封腔键合片的第一玻璃片上还有通过磁控溅射与剥离的方式制备的加热温控器71及加热温控器焊盘72。此外，如图2所示，第二反射镜13结构腔体之间构成碱金属释放剂槽42，第二反射镜13、第三反射镜14与第一反射镜12之间构成光与原子相互作用腔43。在碱金属释放剂槽42内设有碱金属释放剂31。vcsel发出的激光被第一反射镜12反射并沿着水平方向移动，被第二反射镜13反射并入射到第三反射镜14表面，经第三反射镜14反射回第一反射镜12表面并入射到光电探测器上。该反射式原子气室在内部通过多块反射镜实现了vcsel入射激光的多次反射，增加光与原子作用光程，提高cpt共振测试中的信噪比，进一步提高了短期频率的稳定性，且反射式原子气室结构简单，比传统mems气室的厚度更薄，不仅减小了物理
系统的体积，还减轻了物理系统重量，具有了更高的结构密度，更易于实现物理系统的小型化与芯片化。
[0031]
此外，本发明另一个实施例提供一种反射式原子气室的制备方法，包括以下在洁净实验室内完成的步骤：s1：用标准清洗工艺对硅片11表面进行洁净处理；s2：在硅片11上通过各向异性湿蚀刻向[011]方向刻蚀9.74
°
，再进行各向异性湿法蚀刻，由各向异性刻蚀形成的《111》晶面与晶片表面形成角度45
°
，制备第一反射镜12；利用深反应离子刻蚀（drie）在硅片11制备第二反射镜13、第三反射镜14；在1100℃下进行氢气退火30 min，将刻蚀过程中在硅侧壁上形成的扇贝状图形实现平面化，得到高质量的光学表面，防止激光发生散射；s3：在第二玻璃片41表面刻蚀碱金属释放剂槽42以及光与原子相互作用腔43，通过蚀刻使腔深度更深，以抑制碰撞弛豫；s4：将硅11和第二玻璃片41进行硅-玻璃阳极键合，形成两层预制键合片51，将碱金属释放剂31填充入两层预制键合片51的碱金属释放剂槽42中；s5：将两层预制键合片51和第一玻璃片21进行玻璃-硅-玻璃阳极键合，形成三层密封腔键合片61；s6：三层密封腔键合片61的第一玻璃片21上依次沉积ti、pt、au制备加热温控器71以及加热温控器焊盘72；s7：激光器照射碱金属释放剂31至一定温度以释放出碱金属释放剂31中的碱金属原子。
[0032]
在一些实施例中，若在实施过程中无需对原子气室进行加热，则可按照省略s6的步骤制备所述的反射式原子气室。
[0033]
具体地，本发明包括以下用于反射式原子气室制备方法的操作步骤：步骤s1中，用标准清洗工艺对硅片11表面进行洁净处理的一般步骤为：首先分别使用丙酮和酒精对硅片11进行浸泡并超声震荡，用去离子水喷淋清洗基片表面，经干燥的氮气吹干硅片表面，以去除硅片11表面的有机物沾污等；分别使用三号标准清洗液、一号标准清洗液、二号标准清洗液依次浸泡腐蚀硅片11时间为 15min、10min或10min，以去除硅片11表面的金属粒子、金属、有机物、湿气分子等沾污；使用腐蚀液腐蚀5s以去除硅片11表面自然氧化层。
[0034]
示例地，三号标准清洗液的组成为h2so4（98%）：h2o2（30%）= 3：1~4：1。在一些实施例中，三号标准清洗液中h2so4（98%）与h2o2（30%）的比例例如可以为3：1。
[0035]
示例地，使用三号标准清洗液的温度范围包括120℃-150℃，例如可以为120℃、130℃、140℃或150℃。在一些实施例中，三号标准清洗液的温度例如可以为150℃。
[0036]
示例地，一号标准清洗液的组成为nh4oh（28%）：h2o2（30%）：h2o = 1：1：5~1：2：7。在一些实施例中，一号标准清洗液中nh4oh（28%）、h2o2（30%）与h2o的比例可以为1：2：7。
[0037]
示例地，一号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃，例如可以为75℃、80℃或85℃。在一些实施例中，一号标准清洗液的温度可以为80℃。
[0038]
示例地，二号标准清洗液的组成为hcl（37%）：h2o2（30%）：h2o = 1：1：6~1：2：8，在一些实施例中，二号标准清洗液中hcl（37%）、h2o2（30%）与h2o的比例可以为1：1：6。
[0039]
示例地，二号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃，例如可以为75℃、80℃或85℃.在一些实施例中，二号标准清洗液的温度可以为80℃。
[0040]
示例地，腐蚀液的组成为5%的hf或者hf：h2o2=1：50的溶液；腐蚀液的温度范围包括20℃-25℃，例如可以为20℃、22℃、23℃或25℃。在一些实施例中，腐蚀液的温度可以为25℃。
[0041]
步骤s2中，制备第一反射镜12、第二反射镜13以及第三反射镜14的一般步骤为：（1）化学气相沉积法在硅片11表面生长一层氮化硅膜作为刻蚀掩膜；（2）使用第一掩模版（mask01-45）光刻曝光，形成各向异性湿法蚀刻形状，利用第一碱性蚀刻剂对硅片11进行第一次各向异性湿法蚀刻，蚀刻方向为[011]方向，蚀刻角度为9.74
°
；（3）利用第二碱性蚀刻剂对硅片11进行第二次各向异性湿法蚀刻，由于通常，《111》晶面与硅片表面形成角度54.74
°
，上一步中已经将晶片的刻蚀角度向[011]方向倾斜角度9.74
°
，因此得到与硅片11表面形成45
°
（=54.74
°–
9.74
°
）角度的斜面，形成45
°
反射镜即第一反射镜12；（4）使用正性光刻胶或负性光刻胶做掩膜，利用第二掩模版（mask02-90）光刻曝光，显影后在硅片11顶部表面得到第二反射镜13、第三反射镜14形状；（5）深反应离子刻蚀（drie）形成两面90
°
反射镜即第二反射镜13和第三反射镜14；（6）在1100℃下进行氢气退火30 min，将刻蚀过程中在硅侧壁上形成的扇贝状图形实现平面化，得到高质量的光学表面，防止激光发生散射。
[0042]
步骤s3中，在第二玻璃片41表面刻蚀碱金属释放剂槽42以及光与原子相互作用腔43的一般步骤为：（1）在第二玻璃片41表面匀正性光刻胶或负性光刻胶，利用第三掩模版（mask03-glass）光刻曝光，显影后在第二玻璃片41顶部表面得到碱金属释放剂槽42以及光与原子相互作用腔43形状；（2）反应离子刻蚀（rie）形成碱金属释放剂槽42以及光与原子相互作用腔43。
[0043]
步骤s4中，硅-玻璃阳极键合形成两层预制键合片51以及碱金属释放剂31填充的一般步骤：（1）将所述硅片11和第二玻璃片41通过光学对准，安装在键合托盘上送入键合腔内；（2）硅片11接阳极，第二玻璃片41接阴极，硅-玻璃阳极键合条件如下：真空度＜1
×
10-5
mbar，温度350℃，压力大小为1000n，键合电压1000v，形成两层预制键合片51，键合面为硅片11顶部表面和第二玻璃片41带碱金属释放剂槽42以及光与原子相互作用腔43面；（3）将碱金属释放剂31填充入两层预制键合片51的碱金属释放剂槽42中。
[0044]
步骤s5中，玻璃-硅-玻璃阳极键合形成三层密封腔键合片61的一般步骤为：（1）将两层预制键合片51和第一玻璃片21安装在键合托盘上，利用键合托盘上的厚垫片在两层预制键合片51和第一玻璃片21之间形成缝隙使得缓冲气体能进入光与原子相互作用腔43中；（2）玻璃-硅-玻璃阳极键合条件如下：缓冲气体氛围下，温度350℃，压力大小为1000n，键合电压1000v，形成三层密封腔键合片61。
[0045]
步骤s6中，制备加热温控器71及加热温控器焊盘72的一般步骤为：（1）匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第四掩模版（mask04-heater）进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片21表面形成加热温控器71形状；（2）采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、pt制备加热温控器71，ti层与pt层磁控溅射后采用剥离的方式得到加热温控器71；（3）匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第五掩模版（mask05-pad）进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片21表面形成加热温控器焊盘72形状；（4）采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、au制备加热温控器焊盘72，ti层与au层磁控溅射后采用剥离的方式得到加
热温控器焊盘72。
[0046]
步骤s7中，激光器照射碱金属释放剂31至一定温度以释放出碱金属释放剂31中的碱金属原子。示例地，碱金属释放剂31一般为以下三种化学药品：（1）x2cro4/al/zr混合物；（2）xn3（叠氮化x）；（3）ban6和xcl的混合溶液，上述化学药品中x表示碱金属，一般为rb、cs。
[0047]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种反射式原子气室，其特征在于，包括第一玻璃片（21）、第二玻璃片（41）及设于第一玻璃片（21）、第二玻璃片（41）之间的硅片（11）；其中，所述硅片（11）与第二玻璃片（41）键合形成两层预制键合片（51），硅片（11）与第一玻璃片（21）和第二玻璃片（41）键合形成三层密封腔键合片（61）；所述第一玻璃片（21）、第二玻璃片（41）及硅片（11）内部形成腔室结构，该腔室结构内设有反射镜单元，反射镜单元包括设于所述腔室结构内壁的第一反射镜（12）、及设于该腔室结构内部的第二反射镜（13）和第三反射镜（14）；vcsel发出的激光被第一反射镜（12）反射并沿着水平方向移动，被第二反射镜（13）反射并入射到第三反射镜（14）表面，经第三反射镜（14）反射回第一反射镜（12）表面并入射到光电探测器上。2.根据权利要求1所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述第二反射镜（13）与结构腔体之间构成碱金属释放剂槽（42）。3.根据权利要求2所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述碱金属释放剂槽（42）内设有碱金属释放剂（31）。4. 根据权利要求3所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述碱金属释放剂（31）为x2cro
4 / al/zr混合物或xn
3 或ban6和xcl的混合溶液，其中x为碱金属。5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述第二反射镜（13）、第三反射镜（14）与第一反射镜（12）之间构成光与原子相互作用腔（43）。6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述硅片（11）为晶向为<100>厚度为100-500μm的硅片，第一玻璃片（21）为厚度为100-300μm的玻璃片，第二玻璃片（41）为厚度为100-500μm的玻璃片。7.根据权利要求6所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述第一玻璃片（21）上设有加热温控器（71）及加热温控器焊盘（72）。8.根据权利要求7所述的一种反射式原子气室，其特征在于，所述加热温控器（71）由ti、pt制备而成，所述加热温控器焊盘（72）由ti、au制备而成。9.一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：用标准清洗工艺对硅片（11）表面进行洁净处理；s2：制备第一反射镜（12）、第二反射镜（13）以及第三反射镜（14），其中，第一反射镜（12）为45
°
反射镜，第二反射镜（13）与第三反射镜（14）为90
°
反射镜；s3：在第二玻璃片（41）表面刻蚀碱金属释放剂槽（42）以及光与原子相互作用腔（43）；s4：将硅片（11）和第二玻璃片（41）进行硅-玻璃阳极键合，形成两层预制键合片（51），将碱金属释放剂（31）填充入两层预制键合片（51）的碱金属释放剂槽（42）中；s5：将两层预制键合片（51）和第一玻璃片（21）进行玻璃-硅-玻璃阳极键合，形成三层密封腔键合片（61）；s6：在第一玻璃片（21）顶部制备加热温控器（71）及加热温控器焊盘（72）；s7：激光器照射碱金属释放剂（31）至一定温度以释放出碱金属释放剂（31）中的碱金属原子。10.根据权利要求9所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述标准清洗工艺的步骤包括：
分别使用丙酮和酒精对硅片（11）进行浸泡并超声震荡，用去离子水喷淋清洗基片表面，经干燥的氮气吹干硅片表面，以去除硅片（11）表面的有机物沾污；分别使用三号标准清洗液、一号标准清洗液、二号标准清洗液依次浸泡腐蚀硅片（11），去除硅片（11）表面的金属粒子、金属、有机物、湿气分子沾污；使用腐蚀液腐蚀去除硅片（11）表面自然氧化层。11. 根据权利要求10所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，所述三号标准清洗液的组成为98%h2so4和30%h2o2，其中98% h2so4：30% h2o
2 = 3：1-4：1；和／或所述三号标准清洗液的温度范围包括：120℃-150℃；和／或使用该标准清洗液的浸泡时间为15min。12. 根据权利要求10所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，所述一号标准清洗液的组成为28% nh4oh、30% h2o2和h2o，其中28% nh4oh：30% h2o2：h2o = 1：1：5-1：2：7；和／或，所述一号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃；和／或，使用所述一号标准清洗液的浸泡时间为10min。13. 根据权利要求10所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，所述二号标准清洗液的组成为37% hcl、30% h2o2和h2o，其中37% hcl：30% h2o2：h2o = 1：1：6-1：2：8；和／或，所述二号标准清洗液的温度范围包括：75℃-85℃；和／或，使用所述二号标准清洗液的浸泡时间为10min。14.根据权利要求10所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，所述去除硅片（11）表面自然氧化层的腐蚀液为5%的hf或者hf：h2o2=1：50的溶液；和／或，所述腐蚀液的温度范围包括：20℃-25℃；和／或，使用腐蚀液的腐蚀时间为5s。15.根据权利要求9-14中任一项所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s2中，制备第一反射镜（12）、第二反射镜（13）以及第三反射镜（14）步骤为：s21：在硅片（11）表面生长一层氮化硅膜作为刻蚀掩膜；s22：使用第一掩模版光刻曝光，形成各向异性湿法蚀刻形状，利用第一碱性蚀刻剂对硅片（11）进行第一次各向异性湿法蚀刻，蚀刻方向为[011]方向，蚀刻角度为9.74
°
；s23：利用第二碱性蚀刻剂对硅片（11）进行第二次各向异性湿法蚀刻，得到与硅片（11）表面形成45
°
角度的斜面，形成第一反射镜（12）；s24：使用正性光刻胶或负性光刻胶做掩膜，利用第二掩模版光刻曝光，显影后在硅片（11）顶部表面得到第二反射镜（13）、第三反射镜（14）形状；s25：深反应离子刻蚀形成两面90
°
反射镜即第二反射镜（13）和第三反射镜（14）；s26：在1100℃下进行氢气退火30 min，将刻蚀过程中在硅侧壁上形成的扇贝状图形实现平面化。16.根据权利要求9-14中任一项所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s3中，在第二玻璃片（41）表面刻蚀碱金属释放剂槽（42）以及光与原子相互作用腔（43）步骤为：s31：在第二玻璃片（41）表面匀正性光刻胶或负性光刻胶，利用第三掩模版光刻曝光，显影后在第二玻璃片（41）顶部表面得到碱金属释放剂槽（42）以及光与原子相互作用腔（43）形状；s32：反应离子刻蚀形成碱金属释放剂槽（42）以及光与原子相互作用腔（43）。
17.根据权利要求9-14中任一项所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s4中，硅-玻璃阳极键合形成两层预制键合片（51）以及碱金属释放剂（31）填充步骤为：s41：将所述硅片（11）和第二玻璃片（41）通过光学对准，安装在键合托盘上送入键合腔内；s42：硅片（11）接阳极，第二玻璃片（41）接阴极，进行硅-玻璃阳极键合，键合面为硅片（11）顶部表面和第二玻璃片（41）带碱金属释放剂槽（42）以及光与原子相互作用腔（43）面；s43：将碱金属释放剂（31）填充入两层预制键合片（51）的碱金属释放剂槽（42）中。18.根据权利要求17所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，所述硅-玻璃阳极键合条件为：真空度＜1
×
10-5
mbar，温度350℃，压力大小为1000n，键合电压1000v。19.根据权利要求9-14中任一项所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s5中，玻璃-硅-玻璃阳极键合形成三层密封腔键合片（61）步骤为：s51：将两层预制键合片（51）和第一玻璃片（21）安装在键合托盘上，利用键合托盘上的厚垫片在两层预制键合片（51）和第一玻璃片（21）之间形成缝隙使得缓冲气体能进入光与原子相互作用腔（43）中；s52：进行玻璃-硅-玻璃阳极键合，形成三层密封腔键合片（61）。20.根据权利要求9-14中任一项所述的一种反射式原子气室的制备方法，其特征在于，步骤s6中，所述制备加热温控器（71）及加热温控器焊盘（72）步骤为：s61：匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第四掩模版进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片（21）表面形成加热温控器（71）形状；s62：采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、pt制备加热温控器（71），ti层与pt层磁控溅射后采用剥离的方式得到加热温控器（71）；s63：匀正性光刻胶或者负性光刻胶后，带有对准标记的第五掩模版进行正面对准曝光，显影后在第一玻璃片（21）表面形成加热温控器焊盘（72）形状；s64：采用磁控溅射的方式通过依次沉积ti、au制备加热温控器焊盘（72），ti层与au层磁控溅射后采用剥离的方式得到加热温控器焊盘（72）。

技术总结
本发明公开了一种反射式原子气室及其制备方法，原子气室包括第一玻璃片（21）、第二玻璃片（41）及设于第一玻璃片（21）、第二玻璃片（41）之间的硅片（11）；硅片（11）与第二玻璃片（41）键合形成两层预制键合片（51），硅片（11）与第一玻璃片（21）和第二玻璃片（41）键合形成三层密封腔键合片（61）；反射镜单元，其包括设于所述腔室结构内壁的第一反射镜（12）、及设于该腔室结构内部的第二反射镜（13）和第三反射镜（14）。本发明中的反射式原子气室在内部通过多个反射镜实现了VCSEL入射激光的多次反射，增加光与原子作用光程，提高CPT共振测试中的信噪比，进一步提高了短期频率的稳定性。进一步提高了短期频率的稳定性。进一步提高了短期频率的稳定性。


技术研发人员：张璐 谢礼杨 李强 武春风 胡黎明 胡金萌 吕亮 雷敏 王晓飞 成红 姬清晨
受保护的技术使用者：中国航天三江集团有限公司
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/5