JP2012013671A - アルカリ気相セルのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）の光学通路の汚染物の存在を取り除く。
【解決手段】チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）のための気相セル２００は、シリコンウェハ２０５を有し、シリコンウェハ２０５内に、第１チャンバ２１０、第２チャンバ２２０、および第１チャンバ２１０を第２チャンバ２２０へ接続する経路２１５を有する。気相セル２００はさらに、シリコンウェハ２０５の第１表面に陽極接合される第１ガラスウェハと、シリコンウェハ２０５の反対側の第２表面に陽極接合される第２ガラスウェハと、を有する。第１チャンバ２１０は、気相セル２００を通る光学通路を画定する。気相セル２００は、第２チャンバ２２０内に入れられたアルカリ金属材料を有する。第１チャンバ２１０を第２チャンバ２２０へ接続する経路２１５は、アルカリ金属蒸気の流れを少なくとも部分的に禁止する幾何学形状を備えるように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルカリ気相セルのための装置および方法に関する。

本願は、２０１０年２月４日に出願された米国仮出願第６１／３０１４９７号の利益を主張する。この出願の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
米国空軍とのＦＡ８６５０−０１−Ｃ−１１２５による政府との契約条項により与えられるように、米国政府は本発明に関して一定の権利を有する。

チップスケール原子時計（Chip-Scale Atomic Clocks, ＣＳＡＣｓ）は、典型的にはルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属の蒸気を含む。２色（２波長）光学場は蒸気を通して送られ、コヒーレントポピュレイショントラッピング（coherent population trapping, ＣＰＴ）と呼ばれる現象を用いて超微細遷移を励起する。たとえば、ルビジウムベースのＣＳＡＣは、７９５ｎｍの広い吸収および３．４１７ＧＨｚ、正確にはＤ１遷移周波数の半分のラジオ周波数（ＲＦ）で変調されたｖｃｓｅｌを用いて、Ｄ１超微細遷移を励起することにより動作する。ＣＳＡＣｓの初期のころは、容易に入手できる８５２ｎｍのｖｃｓｅｌｓが_１３３Ｃｓ蒸気の超微細遷移を励起するのに用いられたので、ＣｓがＲｂよりも好まれた。より最近では、７９５ｎｍのｖｃｓｅｌｓが成熟してきており、Ｒｂが好まれるようになってきている。より簡単なゼーマン構造を備えるルビジウムは、ＣｓよりもよいＳ／Ｎを提供し、ＣＳＡＣｓがより低い蒸気圧を備え、より高温度で動作することを可能にする。

チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）の光学通路の汚染は、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比およびＣＳＡＣの温度敏感性に悪影響を与え得る。チップスケール原子時計の場合のような陽極接合されたアルカリ気相セルの製造中において、水、酸素、有機物を含む汚染物がセル内に入ることはまれではない。その後、陽極接合中に、アルカリ金属気相セルは、これらの汚染物と反応し、沈殿物および粒子を形成し、これらが部分的に光学通路をふさぐことがある。

上述の理由により、および当業者が読み理解することにより明らかになるであろう後述の他の理由により、当業界において、光学通路内の汚染物の存在を取り除くまたは有意に避ける設計および方法が求められる。

本発明の実施形態は、光学通路内における汚染物の存在を取り除きまたは有意に避ける設計およびプロセスのための方法およびシステムを提供し、これは、以下の明細書を読み学ぶことにより理解されるであろう。

一実施形態において、気相セルは、内部に第１チャンバ、第２チャンバ、および第１チャンバを第２チャンバに接続する経路が画定されるシリコンウェハと；第１ガラスシリコンウェハの第１表面に陽極接合される第１ガラスウェハと；シリコンウェハの反対側の第２表面に陽極接合される第２ガラスウェハと；を有する。第１チャンバは、気相セルを通る光学通路とを画定する。本実施形態はさらに、第２チャンバ内に入れられたアルカリ金属を有する。第１チャンバを第２チャンバに接続する経路は、アルカリ金属蒸気の流れに対して少なくとも部分的に抑制的な幾何学構造を備えるように構成される。

好ましい実施形態の説明および添付図面を参照することにより、本発明の実施形態はより容易に理解され、またその利点および使用形態がより明らかになるであろう。添付図面は以下の通りである。

本発明の一実施形態によるチップスケール原子時計の線図である。 本発明の一実施形態によるチップスケール原子時計の気相セルのシリコンウェハ層の線図である。 本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。

一般の実務慣行のように、様々な説明される特徴は寸法決めのために図示されているのではなく、本発明に関連する特徴を強調するために図示されている。図面および文章を通じて、参照符号は同様の要素を示す。

以下の説明において、本願の一部をなす添付図面が参照される、添付の図面は、本発明を実施化できる例示的な実施形態を示している。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できる程度に十分に詳細に説明される。他の実施形態を用いることができ、本発明の範囲から逸脱することなく論理的、機械的、電気的、および方法の変更が可能であることを理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は限定的な意図ではない。さらに、本明細書の様々な部分は、分離して読まれることを想定しておらず、全体としての記述の説明である。

図１は、本発明による一実施形態のＣＳＡＣ１００の図示である。ＣＳＡＣ１００は、垂直共振器面発光レーザー（vertical-cavity surface-emitting laser, ＶＣＳＥＬ）１１０、４分の１波プレート（quarter wave plate, ＱＷＰ）／減光フィルター（neutral density filter, ＮＤＦ）１２０、気相セル１３０、および光検出器１４０を有する。

本発明の一実施形態において、気相セル１３０の製造中に、光学的に澄んだガラスウェハ１３２、１３４（たとえば、パイレックス（登録商標）またはそれ類似のガラス）をシリコンウェハ基板１３６にシールするために陽極接合が用いられる。少なくとも１つのチャンバ１３８が気相セル１３０内に画定され、ｖｃｓｅｌ１１０と光検出器１４０との間のｖｃｓｅｌ１１０から伝達されるレーザー光１１２のための光学通路（符号１３９で示される）を提供する。パイレックス（登録商標）タイプのガラスをガラスウェハ１３２、１３４に用いることの１つの利点は、それらの構造が十分な量の可動ナトリウムイオンを含むことである。したがって、それぞれのパイレックス（登録商標）ガラスウェハ（１３２、１３４）がシリコンウェハ１３６に圧し当てられ、シリコンからパイレックスに正の電圧が付与されたときに、酸素イオンが各パイレックスウェハからシリコンウェハの表面に移動することになる。移動する酸素イオンは、シリコンと化学的に反応しＳｉＯ_２を形成する。これは、ウェハ１３２、１３４およびウェハ１３６を保持しシールする物質である。このような接合は典型的には、２５０℃から４００℃の間の温度で達成される。この接合プロセスは、高真空またはアルゴン−窒素混合ガスのようなバッファガスの存在下でウェハ１３２、１３４、１３６に関して行われる。

本発明の一実施形態において、第１ガラスウェハ１３２は、最初に、シリコンウェハ１３６のベース側に接合され、その後、ルビジウムまたは他のアルカリ金属（液体または固体の状態）が適切なチャンバ（以下で詳述する）内に入れられる。第２ガラスウェハ１３４がシリコンウェハ１３６の反対側の側部に接合されて気相セル１３０が形成される。バッファガスが用いられる場合、気相セル１３０の部品を含む製造装置は排気され、その後、選択されるバッファガスが導入される。したがって、接合が気相セル１３０をシールするためになされる場合、アルカリ金属および任意選択のバッファガスがシリコンウェハ１３６内に画定されるチャンバ内にトラップされる。

本明細書を読むことにより当業者に明らかなように、接合プロセスの間、移動する酸素イオンのいくらかは、アルカリ金属を保持する任意のチャンバ内にドリフトし、酸化金属（たとえば、ルビジウム酸化物またはセシウム酸化物）を形成するように反応する。結果として生じる酸化金属は、光を散乱またはブロックするクラストを形成する。したがって、光学通路１３９内の酸化金属の形成は、ＣＳＡＣ１００の性能を低下させ得る。

図２は、本発明の一実施形態によるＣＳＡＣのための気相セル２００の線図である。気相セル２００は、シリコンウェハ２０５を有し、ここに第１チャンバ２１０、第２チャンバ２２０、および少なくとも１つの接続経路２１５が画定される。本明細書を読むことにより当業者に理解されるように、チャンバ２１０、２２０および経路２１５は、図１で上述したように（ガラスウェハ１３２、１３４のような）ガラスウェハの間で気相セル２００内にシールされる。

図２に示される実施形態において、第１チャンバ２１０は、ＣＳＡＣ１００の光学通路の一部を形成し、上述の理由により清浄に保たなければならない。ルビジウムまたは他のアルカリ金属（全体を符号２３５で示す）は、第２チャンバ２２０内に液体または固体として入れられる。接続経路２１５は、アルカリ金属蒸気分子が第２チャンバから第１チャンバ２１０へ移動するための、「曲がりくねった経路」を確立する。図２の実施形態に示される具体的な接続経路２１５は、直線領域、直角部領域、および湾曲領域を有する。ガス分子の動力学により、アルカリ金属蒸気分子はこのような経路の幾何学形状を通ってスムーズには流れず、壁に衝突し、しばしば壁にくっつく。したがって、本明細書を読むことにより、アルカリ金属蒸気がシリコン材料を通して流れることを少なくとも部分的に禁止するものとして他の通路の幾何学形状も当業者に認識され、そのような幾何学形状は、本明細書では集合的に「曲がりくねった経路」と表現され、本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。

接続経路２１５は、アルカリ金属蒸気分子の第１チャンバ２１０への流れを遅くするので、陽極接合プロセスの間に、汚染物および沈殿物は、第２チャンバ２１０の近くに大部分が閉じ込められる。すなわち、光学的に活性の第１チャンバ２１０内に存在しうるあらゆる汚染物（たとえば、水、酸素、有機物）は、有る程度アルカリ金属蒸気に混ざり反応するが、その反応は、光学的に活性な第１チャンバ２１０ではなく、大部分が第２チャンバ２２０またはその付近で生じる。さらに、アルカリ原子がチャンバ壁に衝突したときに簡単にチャンバ壁にくっつくという事実は、第１チャンバ２１０から第２チャンバ２２０へ向かう酸素および水の正味の移動速度よりも、アルカリ原子が第２チャンバ２２０から第１チャンバ２１０へ向かう正味の移動速度をより遅くさせる。アルカリ原子の遅い移動速度はさらに、多くの沈積物が第２チャンバ２２０付近で閉じ込められることを確保するであろう。

一実施形態において、第２チャンバ２２０は、狭い溝２４５（たとえば５０μｍの深さ）を除いて接続経路２１５から隔離され、さらに第２チャンバ２２０からのアルカリ金属蒸気の移動を遅くする。

一実施形態において、第２チャンバ２２０は、第１チャンバ２１０から密封的に隔離される。したがって、陽極接合の間、アルカリ金属蒸気と反応し得る汚染物および沈積物は、大部分が第２チャンバ２２０に閉じ込められる。接合の後、接続経路２１５から第２チャンバ２２０を隔離する壁の一部は、レーザーを用いて抹消され、アルカリ金属蒸気が第１チャンバ２１０に移動できるようにする。

図３は、本発明の一実施形態による方法のフローチャートを示す。本方法は、３１０において始まり、シリコンウェハ内に、第１チャンバ、第２チャンバ、および第１チャンバを第２チャンバへ接続する経路を形成する。典型的には、シリコンウェハは、パイレックスまたは他の透明ウェハに陽極接合され、以下で３３０でより説明されるように、それにより、チャンバの床を形成する。第１チャンバを第２チャンバへ接続する経路は、アルカリ金属蒸気の流れを少なくとも部分的に禁止する幾何学形状を備えるように構成される。ここで用いられる「少なくとも部分的に禁止する」とは、この経路が、経路を通るアルカリ金属蒸気の移動を遅くさせることを意味するために用いられており、流れを完全に防止するものではない。一実施形態において、経路は、アルカリ金属蒸気の流れを少なくとも部分的に禁止する幾何学形状を提供するために、１つまたはそれ以上の直角部領域および／または湾曲領域を有する。一実施形態において、本方法はさらに、第２チャンバと経路との間に溝を形成するステップを有し、この溝の一実施形態では約５０μｍの深さである。経路はアルカリ金属蒸気の流れを少なくとも部分的に禁止するので、陽極接合の間、以下で議論されるように、汚染物および沈積物は大部分が第２チャンバ付近で閉じ込められ、したがって、第１チャンバ内における光をブロックする酸化汚染物の形成を避ける。

本方法はブロック３２０に進み、ここでアルカリ金属を第２チャンバ内にいれる。代替実施形態において、アルカリ金属材料は、ルビジウムまたはセシウムのいずれかを有することができ、また、固体または液体の形態とすることができる。

本方法はブロック３３０に進み、ここで、第１ガラスウェハをシリコンウェハの第１表面に陽極接合し、第２ガラスウェハをシリコンウェハの反対側の第２表面に陽極接合することにより、第１チャンバ、第２チャンバ、および経路をシールする。第１チャンバは、ＣＳＡＣの光学通路の一部を画定する。たとえば、図１の実施形態を参照すると、第１チャンバは、ｖｃｓｅｌ１１０から光検出器１４０までの光学通路を提供する。

一実施形態において、ブロック３３０で示されるシールプロセスにおいて、ナトリウムのような可動イオンを含むガラスウェハが、シリコンウェハに接触するようにされ、ガラスおよびシリコンの両者の電気接続がなされる。これにより、ガラス中のナトリウムが負の電極の方へ移動し、ガラスとシリコンとの間のギャップにわたり、さらに電位差をひろげ、より緊密な接触を生じさせる。同時に、酸素イオンがガラスから解放されて、シリコンの方へ流れ、ガラス内のシリコンとシリコンウェハ内のシリコンとの間のブリッジの形成を支援する。この結合は非常に強いものとなりえる。このプロセスは、大気圧のかなり上から高真空までの広範囲のバックグラウンドガスおよび圧力で実行できる。ウェハにエッチングされたキャビティがパターン形成されているなら、これらのキャビティは所望のガスを内部にシールすることができる。

一実施形態において、陽極接合の間、第１チャンバは密封的に第２チャンバから隔離される。したがって、陽極接合の間、アルカリ金属蒸気と反応し得る汚染物および沈積物は、多くが第２チャンバに閉じ込められる。接合の後、第２チャンバを接続径から隔離する壁の一部は、たとえばレーザーを用いて抹消される。これにより、接合後の、アルカリ金属蒸気の第１チャンバへの移動が完成され、第１チャンバ内の光をブロックする酸化物の形成を避けることができる。

上述の実施形態は、チップスケール原子時計において用いられるアルカリ気相セルの実施形態を説明しているが、本発明の実施形態は、チップスケール原子時計の用途に限定されない。アルカリ気相セルの他の用途は、本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。

具体的な実施形態が図示および説明されたが、図示の実施形態に代替できる同様の目的を達成するために計算される任意の構成が当業者に理解されるであろう。本願は、本発明のあらゆる適用例および変形例を包含することを意図している。本発明は、請求項およびその均等物によってのみ限定されることを意図している。

Claims (3)

1. 陽極接合アルカリ気相セルを形成する方法であって、前記方法は、
   シリコンウェハ（２０５）内に、第１チャンバ（２１０）、第２チャンバ（２２０）、および前記第１チャンバ（２１０）を前記第２チャンバ（２２０）へ接続する経路（２１５）を形成するステップと、
   アルカリ金属材料（２３５）を前記第２チャンバ（２２０）内に入れるステップと、
   第１ガラスウェハ（１３２）を前記シリコンウェハ（２０５）の第１表面に陽極接合し、第２ガラスウェハ（１３４）を前記シリコンウェハの反対側の第２表面に陽極接合することにより、前記第１チャンバ（２１０）、前記第２チャンバ（２２０）、および前記経路（２１５）をシールするステップと、を有し、前記第１チャンバ（２１０）は光学通路（１３９）の一部を画定し、
   前記第１チャンバ（２１０）を前記第２チャンバ（２２０）へ接続する前記経路（２１５）は、アルカリ金属蒸気の流れを少なくとも部分的に禁止する幾何学形状を備えるように構成される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記陽極接合の間、前記第１チャンバ（２１０）は、密封的に前記第２チャンバ（２２０）から隔離され、
   陽極接合後において、本方法はさらに、前記第２チャンバ（２２０）を前記経路（２１５）から隔離する壁（２４０）の少なくとも一部を抹消するステップを有する、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記第２チャンバ（２２０）と前記経路（２１５）との間に溝（２４５）を形成するステップを有し、前記溝（２４５）は約５０μｍの深さを備える、方法。

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