Page 102 - 《真空与低温》2025年第3期

呼振宇等：基于厚硅片的 MEMS 碱金属原子气室的制备研究 373

厚度的刻蚀，分别在硅片上形成小圆槽和微通道。最
反应腔
后还需要对硅片进行双面研磨和抛光，清理掉激光切
割过程中产生的熔渣，保证硅片表面的平整度可以进
行后续的阳极键合。
玻璃
硅 2.2 第一次阳极键合
将 1 mm 厚的 BF33 高硼硅玻璃片和激光打孔
光学腔 后的硅片表面分别清洗干净，然后紧密地压在一起
并升温至 350 ℃，在硅片和玻璃片之间加 800 V 的
高压，其中硅片接正极，玻璃片接负极。在电场的
+
作用下，玻璃中的 Na 离子移动至玻璃与硅片接触
图 2 MEMS 原子气室结构示意图
2−
面的另一侧，而留下的 O 离子与硅中的电荷相互
Fig. 2 Schematic diagram of MEMS atomic vapor cell
吸引，形成静电场。同时在较高的温度下，硅和玻

2 加工过程 璃片接触面上的氧发生反应，形成牢固的硅-氧键，
完成键合，得到如图 3（b）所示的结构。使用氦质
原子气室的加工过程如图 3 所示，包含厚硅片
谱检漏仪对得到的玻璃-硅两层结构进行检漏，得
加工、第一次阳极键合、填充释放剂并充入缓冲气
到键合界面的漏率为 5×10 Pa·m ·s ，说明第一次
−10
−1
3
体、第二次阳极键合、激光激活释放剂几个步骤。 键合质量较好，可以满足原子气室的需求。

玻璃 铷释放剂 2.3 填充释放剂并充入缓冲气体
硅 铷蒸气 本实验中选用的铷释放剂是直径为 1 mm、高
为 0.6 mm 的圆柱体固体颗粒，由 Zr/Al 合金和钼酸
（a）准备基片 铷组成，在常温下和阳极键合的温度下都很稳定。
第一次 第二次
阳极键合 激光 阳极键合 将释放剂从干燥剂中取出并放入硅片的小孔反应
腔 中， 如 图 3（c）所 示 。 然 后 将 清 洗 好 的 另 一 片
1 mm 厚的 BF33 玻璃覆盖在硅片上方，并对整个键
−3
合腔室抽气至 10 Pa，之后关闭泵组，将腔室与氮
（b）两层预制体 （d）释放剂未激活的原子气室
气瓶相连并打开放气阀，控制 N 2 流速的同时观察
填充 激光激活
腔室真空计的示数，充入 7 kPa 的 N 2 后关闭气阀，
铷释放剂
准备进行第二次键合。

2.4 第二次阳极键合
（c）填充释放剂后的两层预制体 （e）制备完成的原子气室 在第二次键合的过程中，由于中间层的硅片不
与键合腔室的底面直接接触，需要使用相应尺寸的
图 3 MEMS 原子气室制备流程示意图
铝箔纸或铁片将硅片与底面连接起来，从而使键合
Fig. 3 Schematic diagram of MEMS atomic vapor cell
的电压差跨过底层的玻璃直接传递到硅片上。升
fabrication process
温后将硅片接正极，玻璃片接负极，施压 的
800 V
2.1 厚硅片加工 电压差，进行键合直到电流降为零，得到如图 3（d）
将 3 mm 厚的硅片加工成图 2 的形状，包含一个 所示的玻璃/硅/玻璃三层结构。

通孔光学腔、一个圆槽反应腔和一个微通道。首先要 2.5 激光激活释放剂
对硅片进行激光切割（合肥中科岛晶科技有限公司）， 键合完成后，使用高功率半导体激光器照射释
激光切割的过程是利用高功率密度激光束照射 3 mm 放剂，采用的激光波长为 980 nm，功率为 10 W，搭
厚的硅片，硅片快速升温至汽化温度，蒸发形成间隙， 建简易的光学平台使激光精准聚焦在气室反应腔
之后随着激光的移动，间隙扩大形成裂缝，将通孔中 内的释放剂上，照射 10 s。被照射的释放剂表面温
间部分的硅切下，从而在硅片上形成通孔。之后对硅 度可以达到 800 ℃ 以上，在高温下释放剂内的 Zr/Al
片进行两次喷砂处理，用压缩空气为动力，将喷料形 合金和钼酸铷会发生化学反应，释放出其中的铷原
成高速喷射束喷射到硅片表面。两次喷砂采用不同 子，如图 3（e）所示。关闭激光，冷却后完成原子气
形状的挡板并使用不同的参数，可以对硅片进行不同 室的加工，考虑到工艺的可行性和测试的稳定性，