阅读说明：本技术 一种原子磁光阱芯片及加工方法 (Atomic magneto-optical trap chip and processing method ) 是由 李德钊 史胜南 王子轩 王肖隆 王煜猛 祁云峰 林强 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种原子磁光阱芯片及加工方法。本发明包括硅晶片和三维磁场线圈,硅晶片顶面中心向下开设的球缺形凹槽,形成反射腔。三维磁场线圈包括嵌在硅晶片顶面的上磁场线圈组和嵌在硅晶片底面的下磁场线圈组；上磁场线圈组包括四个均布在反射腔周围的椭圆形金属环,椭圆形金属环相对反射腔的远端具有开口,形成四个对称布置的开放式椭圆形金属线圈；下磁场线圈组包括两个与反射腔同心的金属圆环,其中内环的投影在四个椭圆形金属环的最小围合空间范围内,内、外金属圆环在同一角度具有开口,形成两个同心布置的开放式圆形金属线圈。本发明在结构上具有光学反射效率高,集成度好,加工简单及使用方便稳定性好的特点。(The invention discloses an atomic magneto-optical trap chip and a processing method thereof. The invention comprises a silicon wafer and a three-dimensional magnetic field coil, wherein a spherical segment-shaped groove is formed downwards in the center of the top surface of the silicon wafer to form a reflecting cavity. The three-dimensional magnetic field coil comprises an upper magnetic field coil group embedded on the top surface of the silicon wafer and a lower magnetic field coil group embedded on the bottom surface of the silicon wafer; the upper magnetic field coil group comprises four elliptical metal rings uniformly distributed around the reflecting cavity, and the elliptical metal rings are provided with openings at far ends relative to the reflecting cavity to form four symmetrically-arranged open elliptical metal coils; the lower magnetic field coil group comprises two metal circular rings concentric with the reflection cavity, wherein the projection of the inner ring is in the minimum enclosed space range of the four elliptical metal rings, and the inner metal circular ring and the outer metal circular ring are provided with openings at the same angle to form two open circular metal coils concentrically arranged. The invention has the characteristics of high optical reflection efficiency, good integration level, simple processing, convenient use and good stability.)

一种原子磁光阱芯片及加工方法

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及到一种集成度高的一种原子磁光阱芯片及加工方法，其特点在于体积小，集成度高，功耗低。

背景技术

原子磁光阱已经被广泛应用于量子信息处理、原子干涉仪、芯片级原子钟、原子重力仪、芯片级原子磁力计等不同场景。传统的原子磁光阱，利用宏观光学与磁场组件，实现了磁光阱系统的光路与磁场构建，系统的结构复杂、装置笨重。原子磁光阱芯片是一种利用微纳加工技术，实现原子囚禁冷却的微型器件。这种器件能够在微尺度下产生可调控的磁场、电场或光场等实现对中性原子冷却，玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子云或带电粒子自由度的相关操控。

目前常见的原子磁光阱芯片，也有一些亟待解决的问题，如常用的平面镜原子磁光阱芯片，所产生的磁场势阱的深度有限，且产生的势阱一般情况下距离芯片表面比较近，很难在真空中实现原子囚禁。实际使用中需要先利用宏观磁光阱将原子冷却和囚禁，然后在转移装载到原子磁光阱芯片的微磁阱中，这种结构在实现方法上较为困难；

随着原子磁光阱芯片技术的发展，人们提出了诸如金字塔型、光栅型等多种原子磁光阱芯片结构。金字塔型的原子芯片磁光阱虽然能够简化系统结构，但是这种芯片对结构的加工要求高，且金字塔尖部的结构改变，使得其反射特性难以确定。光栅型的原子芯片磁光阱简化了光路与系统，然而由于其衍射结构设计加工困难，不容易得到理想偏振的衍射光结果。

发明内容

本发明的一个目的就是为了进一步优化提升原子磁光阱芯片的结构及性能，提供一种原子磁光阱芯片，具有结构简单、光路简单、加工方便且性能稳定的特点。

本发明包括硅晶片，硅晶片为多晶硅或单晶硅材料的正方形片材。

所述的硅晶片上布置有反射腔和三维磁场线圈；

所述的反射腔为硅晶片顶面中心向下开设的球缺形凹槽；

所述的三维磁场线圈包括嵌在硅晶片顶面的上磁场线圈组和嵌在硅晶片底面的下磁场线圈组。

所述的上磁场线圈组包括四个均布在反射腔周围的椭圆形金属环，椭圆形金属环相对反射腔的远端具有开口，形成四个对称布置的开放式椭圆形金属线圈。

所述的下磁场线圈组包括两个与反射腔同心的金属圆环，其中内环的投影在四个椭圆形金属环的最小围合空间范围内，内、外金属圆环在同一角度具有开口，形成两个同心布置的开放式圆形金属线圈。

本发明的另一个目的是提供该原子磁光阱芯片的加工方法。

该方法具体步骤是：

步骤(1)选用常规且能够利用微纳加工技术加工的硅晶材料作为样品晶体，清洗干净；所述的硅晶材料为多晶硅或单晶硅；

步骤(2)利用化学沉积的方法，在样品晶体的两面表面分别沉积厚度为200nm～350nm的抗腐蚀保护层；

步骤(3)按照设计，通过光刻方法在一面抗腐蚀保护层的中心位置刻出圆环；

步骤(4)利用离子束蚀刻的方法，去除圆环内的抗腐蚀保护层，露出样品晶体，形成圆形的刻蚀槽；

步骤(5)将具有刻蚀槽的样品晶体浸入HNA溶液中，HNA溶液对样本晶体各相同性腐蚀，形成球缺形的弧面槽；

步骤(6)取出具有弧面槽的样品晶体，放入ICP刻蚀机，弧面槽的球冠面在SF₆气氛中利用等离子体刻蚀方法进行抛光；

步骤(7)将样品晶体浸入抗腐蚀保护层材料的选择性腐蚀液，去除两面抗腐蚀保护层；

步骤(8)在结构原件具有弧面槽的一面，按照设计的上磁场线圈组形状，利用光刻方法刻在结构原件上表面蚀出四个具有缺口的椭圆环形凹槽，保留光刻胶；然后利用金属溅射方法在椭圆环形凹槽上制备出金属线条，剥离光刻胶，获得用于磁阱产生的上磁场线圈组；

步骤(9)在结构原件的另一面，按照设计的下磁场线圈组形状，利用光刻方法刻在结构原件上表面蚀出两个同心具有缺口的圆环形凹槽，保留光刻胶；然后利用金属溅射方法在圆环形凹槽上制备出金属线条，剥离光刻胶，获得用于磁阱产生的下磁场线圈组。

本发明在光学反射腔结构上采用了反射特性均一的球冠结构，具有光学反射效率高的特点，反射腔周边及磁光阱芯片底部具有能够产生高磁场梯度三维磁阱的金属导线结构，能够被用于在真空中的原子囚禁冷却。本发明利用芯片磁场导线的在芯片结构直接集成方法，使得该结构具有磁场线圈集成度好的特点；整体器件可以采用成熟的微纳芯片加工制造工艺，具有加工简单的优点，所制备的器件具有工作性能稳定的特点。

附图说明

图1为本发明芯片顶面结构示意图；

图2为本发明芯片底面结构示意图；

图3为图1的A-A向剖视图；

图4为本发明芯片的加工过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。

如图1、2和3所示，一种原子磁光阱芯片，包括硅晶片(1)以及布置在硅晶片上的反射腔(2)和三维磁场线圈。

硅晶片(1)为多晶硅或单晶硅材料的正方形片材。硅晶片(1)顶面中心向下设有球缺形凹槽，形成反射腔(2)。

三维磁场线圈包括嵌在硅晶片顶面的上磁场线圈组和嵌在硅晶片底面的下磁场线圈组。上磁场线圈组为四个均布在反射腔(2)周围的椭圆形金属环(3)，椭圆形金属环(3)相对反射腔(2)的远端具有开口，形成四个对称布置的开放式椭圆形金属线圈。下磁场线圈组为两个与反射腔(2)同心的金属圆环(4)，其中内环的投影在四个椭圆形金属环(3)的最小围合空间范围内(图1中虚线范围)。内、外金属圆环在同一角度具有开口，形成两个同心布置的开放式圆形金属线圈。

该原子磁光阱芯片加工方法如图4所示：

S1.选取厚度为2mm、边长为3cm的正方形的硅晶材料作为样品晶体(1)；硅晶材料为多晶硅或单晶硅；

S2.利用化学沉积(PECVD)的方法，在样品晶体的两面表面沉积厚度为250nm的氮化硅，作为后续的抗腐蚀保护层(5)；

S3.按照设计，通过光刻方法在一面抗腐蚀保护层(5)的中心位置刻出圆环(6)；

S4.利用离子束蚀刻的方法，去除圆环内的抗腐蚀保护层，露出样品晶体(1)，形成圆形的刻蚀槽(7)；

S5.将具有刻蚀槽的样品晶体浸入HNA溶液(8)中，HNA溶液对样本晶体各相同性腐蚀，形成球缺形的弧面槽；HNA溶液为按照2:5:2比例的氢氟酸、硝酸、醋酸混合液；

S6.取出具有弧面槽的样品晶体，放入ICP刻蚀机，弧面槽的球冠面(9)在SF₆气氛中利用等离子体刻蚀方法进行抛光，以减少球冠面的粗糙度；

S7.将样品晶体浸入氮化硅的选择性腐蚀液，去除两面抗腐蚀保护层，获得具有反射腔(2)的结构原件；选择性腐蚀液即只对氮化硅材料进行腐蚀，对其他材料不能腐蚀；

S8.在结构原件具有弧面槽的一面，按照设计的上磁场线圈组形状，利用光刻方法刻在结构原件上表面蚀出四个具有缺口的椭圆环形凹槽，保留光刻胶；然后利用金属溅射方法在椭圆环形凹槽上制备出金属线条，剥离光刻胶，获得用于磁阱产生的上磁场线圈组；

S9.在结构原件的另一面，按照设计的下磁场线圈组形状，利用光刻方法刻在结构原件上表面蚀出两个同心具有缺口的圆环形凹槽，保留光刻胶；然后利用金属溅射方法在圆环形凹槽上制备出金属线条，剥离光刻胶，获得用于磁阱产生的下磁场线圈组。

该原子磁光阱芯片的使用方法：

将所制备获得的磁光阱芯片与公知的封装方法结合，分别将所制备的原子磁光阱芯片的上磁场线圈组中每个椭圆形金属线圈开口的一端作为正极接入电流，四个椭圆形金属线圈的电流方向相同，为正时针方向或逆时针方向；将下磁场线圈组中每个圆形金属线圈开口的一端作为正极接入电流，两个圆形金属线圈的电流方向相同，为逆时针方向或正时针方向；上、下磁场线圈组的电流方向相反。最终形成具有一定势阱深度的磁势阱，将圆偏振激光正对反射腔，与磁势阱配合即形成用于囚禁原子的磁光阱。