JP2015046535A - アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法 - Google Patents
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
【課題】信頼性が高く、原子発振器に用いた場合に精度の高いアルカリ金属セルを提供する。【解決手段】本体基板１０に前記本体基板を貫通する第１の開口部１１と、第２の開口部１２を形成する工程と、前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路１３を前記本体基板、または、第２の透明基板３０に形成する工程と、前記本体基板の一方の面に第１の透明基板２０を接合する第１の接合工程と、前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料４０を設置する工程と、前記接続通路に封止材５０を設置する工程と、第２の透明基板を接合する第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する。【選択図】図１０
Description
本発明は、アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法に関する。
アルカリ金属の超微細準位間の遷移を利用し正確に時間を測る原子時計（原子発振器）の分野で、近年、小型化・低コスト化を目指し、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属を、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等のバファガスと共に、微小なセルに閉じ込め、光学的な現象を利用するチップスケール原子時計（ＣＳＡＣ：Chip Scale Atomic Clock）の開発が進められている。この形式の代表的なものは、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式を用いたもので、図１に基本的な構成図を示す。
ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、単一波長のコヒーレント光を出力するレーザ素子９１０、コリメートレンズ９２０、λ／４波長板９３０、アルカリ金属セル９４０、受光素子９５０、変調器９６０を有している。アルカリ金属セル９４０には、アルカリ金属が封入されており、レーザ素子９１０から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ９２０、λ／４波長板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射される。アルカリ金属セル９４０に照射され、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光は受光素子９５０に入射し検出される。
レーザ素子９１０より出射されるレーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行ない、励起する。この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。このように、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、受光素子９５０において検出された信号を変調器９６０にフィードバックし、変調器９６０によりレーザ素子９１０からのレーザ光の変調周波数を調整することを特徴とした原子時計である。
ＣＰＴ共鳴における原子の超微細構造エネルギー準位は、図２に示されるように、Λ型３準位系であり、Ｃｓ原子のＤ１ライン遷移（６Ｓ１／２→６Ｐ１／２）の場合は、｜１＞準位は６Ｓ１／２Ｆ４であり、｜２＞準位は６Ｓ１／２Ｆ３であり、｜３＞準位は６Ｐ１／２ である。Ｃｓ原子をセルに封入しＤ１ライン遷移を利用する場合について説明する。レーザ素子９１０となる光源としては、多くの場合はコヒーレントで単一波長が得やすく高速変調が容易なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が選択される。このＶＣＳＥＬの発振波長をＣｓにおけるＤ１ライン遷移の波長８９４．６ｎｍとほぼ同一にする。このＶＣＳＥＬの駆動電流に｜１＞準位と｜２＞準位の差の半分の周波数（νclock／２）の周辺の信号を重畳させ周波数を掃引する。ＣｓにおけるＤ１ライン遷移の場合は、νclockは９．１９２ＧＨｚであり、νclock／２は４．５９６ＧＨｚである。重畳信号の周波数がνclockかνclock／２に一致すると、｜１＞→｜３＞と｜２＞→｜３＞の遷移がなくなり暗共鳴（Dark resonance）状態になる。この際、図１に示される受光素子９５０における透過光強度はピークを示す。この共鳴のピークに一致するように重畳信号の周波数を安定化することにより、周波数標準が実現される。
ＣＳＡＣをより小型、低コストで量産が可能な構造にするため、その物理パッケージ、特に中心部品であるガスセルを製造する際にはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた様々な方法の開発が進められてきている。尚、アルカリ金属セル９４０に封入されるアルカリ金属は、酸素、及び、水分との反応性が非常に高く、アルカリ金属セル９４０を作製する際に、最も重要な課題は、量産性が高く、アルカリ金属セル９４０中の内包物が経時変化しない、セル構造と封入方法を確立することである。
非特許文献３に開示されている方法は、Ｓｉウェハにエッチング法により貫通穴をあけ、貫通穴の開けられているＳｉウェハの一方の面にガラスウェハを陽極接合し、凹状の穴をもつ半積層体を作製する。その後、嫌気性グローブボックス(Anaerobic Glove box)中でこの半積層体の凹状の穴にアンプルからマイクロピペットを用い取り出した液体Ｃｓを滴下し、そのまま真空室に搬送し、高真空引きし、バファガスを導入した後に、Ｓｉウェハの他方の面に第２のガラスウェハを陽極接合し、アルカリ金属セルを作製する方法である。
非特許文献４に開示されている方法では、非特許文献３に開示されている方法と同様に作製した半積層体に、嫌気性グローブボックス中で、ＢａＮ3＋ＲｂＣｌ入の微小なガラスアンプルを加熱し反応させＲｂを凹状の穴に蒸着させた後、非特許文献３に開示されている方法と同様な工程により、第２のガラスウェハを陽極接合しアルカリ金属セルを作製する方法である。
非特許文献５に開示されている方法では、非特許文献３に開示されている方法と同様に作製した半積層体を蒸着装置中にセットし、ＣｓＮ3膜を蒸着する。次に、これを陽極接合装置にセットし、高真空引きし、第２のガラスウェハを陽極接合し、取り出した後、ＵＶ光を照射しＣｓＮ３をＣｓ金属とＮ２ガスに分解し、Ｃｓ原子とＮ２バッファガスを内包したガスセルを作製する方法である。
非特許文献６に開示されている方法では、Ｓｉウェハ中にエッチング法により溝で連通した２種の貫通穴をあけ、これの１面にガラスウェハを陽極接合し、２種の凹状の穴をもつ半積層体を作製する。大気中でアルカリ金属発生剤を１種目の凹状の穴に配置し、高真空引きし、バファガスを導入した後に、Ｓｉウェハの他方の面と第２のガラスウェハとを陽極接合した積層体を作製する。この積層体中のアルカリ金属発生剤に外部からレーザ光を照射し加熱しアルカリ金属蒸気を発生させ、ガスセルを作製する方法である。
上述した、アルカリ金属発生剤は、室温では大気中での取り扱いが可能で、所定の温度に加熱されることによりアルカリ金属蒸気を発生する。これらのアルカリ金属発生剤の形式の１つは、従来から光電子増倍管や光電管などで使用されており、酸化剤と還元剤との組み合わせを構成成分として含むペレット状あるいは粉末状の薬剤である。この還元剤はＺｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ等を含み、酸化剤はアルカリ金属イオンをカウンターカチオンとするクロム酸塩やバナジウム酸塩やタングステン酸塩やモリブデン酸塩を含む。Ｚｒ、Ａｌを還元剤としてＣｓクロム酸塩からＣｓ蒸気を発生させる反応式を化１に示す。尚、このようなアルカリ金属発生剤については、特許文献３〜６に開示されている。
ＣｓやＲｂなどのアルカリ金属は、通常の陽極接合温度範囲で高い蒸気圧をもつ。例えば４００℃でＣｓの蒸気圧は約２．１ｋＰａ、Ｒｂの蒸気圧は約１．６ｋＰａである。このため、非特許文献３、４に開示されている２回目の接合時に、すでに半積層体の凹状の穴に単体のアルカリ原子が投入されている方法をとる場合は、通常の接合条件より穏やかな条件で行われる。即ち、通常は３００℃〜４５０℃の温度で１ｋＶ程度の電圧が印加されるが、非特許文献３、４に開示されている方法では、２００℃〜２５０℃の温度で、１ｋＶである。一方、Ｓｉウェハとホウケイ酸ガラスウェハの陽極接合時に、Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏなどが脱ガスすることがよく知られている。低温で接合するほど長期にわたり接合面からこれらのガス種をセル内に放出し続ける。ＣｓやＲｂなどのアルカリ金属は、酸素、水との反応性が非常に高い。このため、これらのガス種が、アルカリ金属と反応し固体の酸化物を生成させ、これがセルの窓に付着し、ガスセルの信頼性を低下させてしまう。
非特許文献５に開示されている方法では、ＣｓＮ３膜をＵＶ光で分解してＣｓとＮ２ガスを発生させるものであるため、バッファガス種がＮ２ガスに限定される。また、ＵＶ光の分解反応時間が数時間から十時間以上の時間を要するため量産性が低い。更に、非特許文献５に開示されている方法では、２回目の接合時に、半積層体の凹状の穴にＣｓＮ３膜が蒸着されているが、この物質は３００℃以上では制御しにくい分解反応がおこるので、２００℃程度で接合されている。このため、上述した非特許文献３、４に開示されている方法と同様の脱ガスの問題が生じる。
非特許文献６に開示されている方法では、２回目の陽極接合の前に、半積層体の凹状の穴に投入されるアルカリ金属発生剤は、大気中でも安定であり５００℃程度でも反応が開始しない。よって、２回目の陽極接合は２６０℃〜４５０℃と従来よりも高い条件で行うことが可能になる。これにより、低温での接合せざるをえない非特許文献３、４、５の場合より、Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏなどのガス放出が少なくなり、周波数安定度の劣化を抑制することができる。
しかしながら、この作製方法では、アルカリ金属発生後の残渣がバッファガスを吸収することがあり、特に、Ｎ２ガスがバファガスの場合は吸収による影響は無視できない。また、残渣から発生する微粉末が計測光を遮り周波数計測精度を低下させることが懸念される。また、原子時計のガスセルは４０〜１００℃内の特定の温度にヒーターで加温して使用されるが、十分な周波数計測精度を得るには非常に高い精度で一定温度に保つ必要がある。また、ガスセルにＣＰＴ共鳴を検出するセルにアルカリ金属発生剤を投入した部分を残す構成にするとセルの熱容量が大きくなりセルの温度制御特性が低下する。更には、セルの熱容量が大きくなると消費する電力も大きくなる等の課題がある。
よって、本発明は、上記に鑑みなされたものであり、信頼性が高く、原子発振器に用いた場合に精度の高いアルカリ金属セルの製造方法を提供することを目的とするものである。
本実施の形態の一観点によれば、本体基板に前記本体基板を貫通する第１の開口部と、第２の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路を前記本体基板、または、第２の透明基板に形成する工程と、前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する第１の接合工程と、前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料を設置する工程と、前記接続通路に封止材を設置する工程と、前記第１の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料及び前記封止材が設置されている本体基板の他方の面に第２の透明基板を接合する第２の接合工程と、前記第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する空間分離工程と、を有し、前記接続通路は、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間の中央溝と、前記中央溝から前記第１の開口部に向かって徐々に幅の狭くなる傾斜領域及び前記中央溝から前記第２の開口部に向かって徐々に幅の狭くなる傾斜領域を有しており、前記封止材は前記中央溝に設置されることを特徴とする。
本発明によれば、信頼性が高く、原子発振器に用いた場合に精度の高いアルカリ金属セルを提供することができる。
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法について、図３〜図１１に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用いた場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は、透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有するホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
第１の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法について、図３〜図１１に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用いた場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は、透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有するホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
最初に、図３に示すように、本体基板１０の一方の面に、接続通路１３が形成される領域に開口部６１ａを有するレジストパターン６１を形成する。本体基板１０には、両面が鏡面研磨されている厚さ０．２〜５．０ｍｍのＳｉ基板が用いられており、本実施の形態においては、厚さＬ１が２ｍｍのＳｉ基板が用いられている。接続通路１３は、後述する第１の開口部１１となる貫通穴と、第２の開口部１２となる貫通穴とを接続するためのものである。尚、図３（ａ）は、この工程における上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図４に示すようにＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターン６１の開口部６１ａにおける本体基板１０のＳｉを一部除去する。これにより、第１の開口部１１が形成される領域と第２の開口部１２が形成される領域との間に接続通路１３を形成する。接続通路１３は、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間の中央部分に形成される幅の広い中央溝１３ａを有している。更に、中央溝１３ａよりも幅が狭く中央溝１３ａと第１の開口部１１を接続する枝溝１３ｂと、中央溝１３ａよりも幅が狭く中央溝１３ａと第２の開口部１２を接続する枝溝１３ｃとを有している。即ち、接続通路１３は、中央部における幅Ｗ１が１．２ｍｍ、深さＤ１が０．５ｍｍの中央溝１３ａと、中央溝１３ａの両側に形成される幅Ｗ２が０．５ｍｍ、深さＤ１が０．５ｍｍの２本の枝溝１３ｂ、１３ｃからなる。尚、後述する中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間には、テーパー状の傾斜領域１３ｄが形成されており、中央溝１３ａと枝溝１３ｃとの間には、テーパー状の傾斜領域１３ｅが形成されている。このように形成された接続通路１３となる中央溝１３ａと２本の枝溝１３ｂ、１３ｃにより、後述する第１の開口部１１と第２の開口部１２とが空間的に接続される。この後、レジストパターン６１は有機溶剤等により除去する。尚、図４（ａ）は、この工程における上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における一点鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図５に示すように、本体基板１０の一方の面に、第１の開口部１１が形成される領域及び第２の開口部１２が形成される領域に開口部６２ａ及び６２ｂを有するレジストパターン６２を形成する。尚、図５（ａ）は、この工程における上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における一点鎖線５Ａ−５Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図６に示すように、レジストパターン６２の開口部６２ａ及び６２ｂにおける本体基板１０のＳｉを除去し、貫通穴を形成することにより第１の開口部１１及び第２の開口部１２を形成する。具体的には、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、ＩＣＰプラズマ中でＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給しエッチングする方法であり、高速でＳｉの深堀エッチングができる。この後、レジストパターン６２は有機溶剤等により除去する。尚、図６（ａ）は、この工程における上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。
尚、本実施の形態においては、第１の開口部１１の中心と第２の開口部１２の中心を結ぶ方向をＸ方向とした場合、中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間の傾斜領域１３ｄの側壁及び中央溝１３ａと枝溝１３ｃとの間の傾斜領域１３ｅの側壁がテーパー状に形成されている。即ち、接続通路１３は、中央溝１３ａから枝溝１３ｂに向かう方向においては、傾斜領域１３ｄにおける幅が徐々に狭くなり、テーパー構造となっている。また、中央溝１３ａから枝溝１３ｃに向かう方向においては、傾斜領域１３ｅにおける幅が徐々に狭くなり、テーパー構造となっている。
また、本実施の形態においては、本体基板１０に形成される第１の開口部１１及び第２の開口部１２の大きさは、ともに３．２×３．２ｍｍの略矩形の形状である。また、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間隔、即ち、接続通路１３の長さＬ２は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍである。
上記における説明では、本体基板１０に、第１の開口部１１、第２の開口部１２、接続通路１３を形成する際、ドライエッチングを用いたが、ウェットエッチング、サンドブラスト、ミリング加工等の方法によっても形成することが可能である。また、上記においては、第２の開口部１２は本体基板１０を貫通しているが、必ずしも貫通させる必要はなく、本体基板１０の一部が残るようエッチングを行なうことにより凹状の穴を形成したものであってもよい。
次に、図７に示すように、本体基板１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板１０及び第１の透明基板２０を設置し。４００℃に加熱して、本体基板１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。尚、図７（ａ）は、この工程における上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図８に示すように、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続通路１３の中央溝１３ａに封止材５０を設置する。封止材５０は、低融点ガラスからなる円筒状の封止片であって、ビスマス系低融点ガラス（Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３）に加熱光吸収材としてＣｕ２Ｏが添加されているものにより形成されている。本実施の形態においては、封止材５０の大きさは、外径φが１．０ｍｍ、厚さが０．４５ｍｍである。
この後、本体基板１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置されており、接続通路１３の中央溝１３ａに封止材５０が設置されている。この後、減圧チャンバー内にＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎ２のうち１又は２以上からなるバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．０１ｋＰａ〜１０００ｋＰａとする。この後、本体基板１０及び第２の透明基板３０を４００℃に加熱し、本体基板１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように電圧を印加し接合する。この工程においては、バッファガス圧力が低圧（０．０１ｋＰａ〜１００ｋＰａ）の場合は、第２の透明基板３０の電位を−８００Ｖに昇圧する途中で接合装置の減圧チャンバー内で放電することがある。この場合は、放電を開始する電圧よりやや絶対値が小さい負電圧を印加することにより仮接合し、この後、減圧チャンバー内圧力を大気圧に戻して、本接合する２段階接合プロセスを行う。以上の工程により、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものが形成される。尚、図８（ａ）は、この工程における上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図９に示すように、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この後、レーザ加熱装置より、本体基板１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第２の透明基板３０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１が発生するまで加熱する。これにより、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路１３を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路１３を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。尚、この際用いられるレーザ光の光源としては、１〜２００Ｗ程度の出力を有する波長が６３０ｎｍ帯、８０８ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯の半導体レーザであってもよい。また、波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザ、１０μｍ帯ＣＯ２レーザ等であってもよい。また、レーザ光源のほかにハロゲンランプ、ＬＥＤ光源も使用することが可能である。アルカリ金属ガス４１が発生する温度は、アルカリ金属発生材料４０となるものが、還元剤がＴｉ、Ａｌであり酸化剤がクロム酸塩の場合は７００℃程度であり、還元剤がＳｉであり酸化剤がモリブデン酸塩の場合は９００℃程度である。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。尚、図９（ａ）は、この工程における上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）における一点鎖線９Ａ−９Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１０に示すように、第１の開口部１１が第２の開口部１２よりも下側となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路１３を塞ぐ。具体的には、第１の開口部１１が第２の開口部１２よりも下側となるように設置することにより、封止材５０となるビスマス系低融点ガラスボールは、接続通路１３における中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間の傾斜領域１３ｄに接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱して溶融させ、接続通路１３の傾斜領域１３ｄまたは枝溝１３ｂの近傍において、封止材５０と第２の透明基板３０と本体基板１０を溶着させる。これにより、封止材５０により第１の開口部１１と第２の開口部１２とを空間的に遮断して、第１の開口部１１と第２の開口部１２との空間を分離する。この工程を空間分離工程と記載する場合がある。尚、図１０（ａ）は、この工程における上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１１に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製することができる。尚、図１１（ａ）は、この工程における上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における一点鎖線１１Ａ−１１Ｂにおいて切断した断面図である。
ところで、２室構成セルの１つのセルにアルカリ金属発生材料を入れ、これを封止してからアルカリ金属を発生させる方法は、他の方法と比較して十分な接合温度で接合することができる。よって、内部に含まれるアルカリ金属ガスの純度が高く、不純物が少ないアルカリ金属セルを得ることができるため、高い精度の原子時計を得ることができる。しかしながら、この方法はアルカリ金属セル内に反応後のアルカリ金属発生材料の残渣が残るため、残渣によりアルカリ金属セルの計測光の強度が変動する場合や、バッファガス圧を変動する場合がある。このため、原子発振器における計測周波数の精度を高めるのに限界があった。更に、他の方法と比べ、２室構成セルでありアルカリ金属セルの大きさが大きく、熱容量が大きくなるため、温度を一定に維持することが困難となり、これにより計測周波数の精度を高めるのには限界があり、原子時計全体の消費電力の低減にも限界があった。
本実施の形態においては、第１の開口部１１と第２の開口部１２との２室を連結する接続通路１３に移動可能な封止材５０を配置し、テーパー状に形成された傾斜領域１３ｄ等において、封止材５０により接続通路１３を塞ぐことができる。また、接続通路１３の第１の開口部１１に近い傾斜領域１３ｄにおいて封止材５０により封止することができる。この結果、アルカリ金属発生材料４０の残渣は、第２の開口部１２内に残り切り離されるため、アルカリ金属の純度が高く、小型のアルカリ金属セルを得ることができる。これにより、計測光の強度変動やバッファガスの圧力変動が少なくなり、原子時計における計測周波数の精度と信頼性をさらに高めることができる。また、熱容量が小さくなるため、高い精度で温度を制御できるようになり、より一層計測周波数の精度と信頼性を高めることができる。よって、アルカリ金属セル及びこのアルカリ金属セルを用いた原子時計の消費電力も低減させることができる。従って、本実施の形態では、周波数安定度が高く消費電力が小さく、長期信頼性の高いアルカリ金属セル及び原子発振器を提供することができる。
また、本実施の形態においては、本体基板１０に複数の第１の開口部１１、第２の開口部１２及び接続通路１３を形成することにより、複数のアルカリ金属セルを同時に製造することも可能である。即ち、ウェハ等を用いることにより、低コストで複数のアルカリ金属セルを製造することができる。
本実施の形態においては、本体基板１０はＳｉ、第１の透明基板２０と第２の透明基板３０はホウケイ酸ガラスにより形成されている場合について説明しているが、これらの材料に限定されるものではなく、セラミック、金属等により形成される基板であってもよい。例えば、本体基板１０はステンレス、第１の透明基板２０と第２の透明基板３０はソーダライムガラスにより形成されるものであってもよい。
また、これらのアルカリ金属発生材料４０は、アルカリ金属イオンを含む酸化剤と還元剤との組み合わせからなる薬剤に限定されるものではない。アルカリ金属発生材料４０は、室温において取り扱いが可能で、所定の温度に加熱されることによりアルカリ金属蒸気を発生するものであればよい。
同様に、本体基板１０と第１の透明基板２０との接合、及び、本体基板１０と第２の透明基板３０との接合を陽極接合法により行なう場合について説明した。しかしながら、これらの接合は、Ａｕ-Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉによる共晶接合、Ａｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｃｕによる拡散接合、ＡｕやＡｇによる微粒子接合、直接接合、ガラスフリット接合等であってもよい。また、上述した陽極接合法の場合においては、接合温度や手順は上記内容に限定されるものではない。
また、本実施の形態では、アルカリ金属発生材料４０と封止材５０を加熱する方法として光加熱を用いているが、これに限定されることはなく、マイクロ波加熱や単なる加熱等であってもよい。
また、ガラス及び金属材料を所望の形状する方法としては、モールドプレス成形、研削、研磨方法によって成形する方法、不活性ガス雰囲気中において、加熱溶融して滴下させて、球状に急冷凝固させる方法、これらを組み合わせた方法等が挙げられる。
尚、本実施の形態においては、アルカリ金属セルにバッファガスを封入する場合について説明した。しかしながら、アルカリ金属セルの内壁をワックスで被覆する方法等により、アルカリ金属ガスがアルカリ金属セルの内壁に衝突し、ＣＰＴ共鳴状態の寿命が短くなることを防ぐことができれば、必ずしもバッファガスを封入する必要がない。
また、上記においては、本体基板１０に中央溝１３ａと枝溝１３ｂ、１３ｃとを有する接続通路１３を形成する場合について説明した。しかしながら、本実施の形態においては、第１の透明基板２０または第２の透明基板３０に中央溝１３ａと枝溝１３ｂ、１３ｃとを有する接続通路１３に相当するものを形成したものであってもよい。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法について、図１２から図２２に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、封止材により封止される領域に下地膜として無アルカリガラスが成膜されている場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有するホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
次に、第２の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法について、図１２から図２２に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、封止材により封止される領域に下地膜として無アルカリガラスが成膜されている場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有するホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
最初に、図１２に示すように、本体基板１１０の他方の面に、後述する接続通路１３０の一部となる第１の接続溝１１３を形成する。具体的には、本体基板１１０の他方の面の第１の接続溝１１３が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成した後、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンの開口部における本体基板１１０のＳｉを一部除去する。これにより、本体基板１１０の他方の面に第１の接続溝１１３を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。本体基板１１０には、両面が鏡面研磨されている厚さ０．２〜５．０ｍｍのＳｉ基板が用いられており、本実施の形態においては、厚さＬ１が２ｍｍのＳｉ基板が用いられている。尚、図１２（ａ）は、この工程における上面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における一点鎖線１２Ａ−１２Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１３に示すように、本体基板１１０の一方の面より、後述する接続通路１３０の一部となる接続貫通穴１１４を形成する。具体的には、本体基板１１０の一方の面に接続貫通穴１１４が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成し、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、前述のように高速でＳｉの深堀エッチングができる特長のほかに、２種のガスのスイッチング時間を制御することにより穴側壁を垂直にもテーパー状にも形成することが可能である。これにより、本体基板１１０の一方の面から他方の面に向かって、広穴部１１４ａ、テーパー穴部１１４ｂ、細穴部１１４ｃを連続的に形成することができ、接続貫通穴１１４を形成することができる。本実施の形態においては、広穴部１１４ａと細穴部１１４ｃとを接続するテーパー穴部１１４ｂは、広穴部１１４ａから細穴部１１４ｃに向かって、徐々に狭くなるように、即ち、開口径が徐々に狭くなるようにテーパー状に形成されている。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。この際、細穴部１１４ｃは、本体基板１１０の他方の面に形成されている第１の接続溝１１３に接続するように形成される。形成される接続貫通穴１１４は、本体基板１１０の基板面に対し略垂直に形成されている。尚、図１３（ａ）は、この工程における上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における一点鎖線１３Ａ−１３Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１４に示すように、本体基板１１０の一方の面に、後述する接続通路１３０の一部となる第２の接続溝１１５を形成する。具体的には、本体基板１１０の一方の面の第２の接続溝１１５が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成した後、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンの開口部における本体基板１１０のＳｉを一部除去する。これにより、本体基板１１０の一方の面に第２の接続溝１１５が形成される。第２の接続溝１１５は、接続貫通穴１１４の広穴部１１４ａと接続するように形成される。このようにして、本体基板１１０の一方の面から他方の面に向かって形成される第２の接続溝１１５、接続貫通穴１１４、第１の接続溝１１３により接続通路１３０が形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。尚、図１４（ａ）は、この工程における上面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）における一点鎖線１４Ａ−１４Ｂにおいて切断した断面図であり、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）の要部拡大図である。
以上の工程により形成された接続通路１３０における第１の接続溝１１３は、幅が０．６ｍｍ、深さＤ２が０．５ｍｍとなるように形成される。また、接続貫通穴１１４における広穴部１１４ａ、テーパー穴部１１４ｂ、細穴部１１４ｃは略円形に形成されており、広穴部１１４ａは直径φ１が１．２ｍｍであり、細穴部１１４ｃは直径φ２が０．６ｍｍであり、長さＤ３が１ｍｍとなるように形成される。接続貫通穴１１４において広穴部１１４ａと細穴部１１４ｃとを接続するテーパー穴部１１４ｂは側面におけるテーパー角θの角度が約６５°となるように形成される。第２の接続溝１１５は、幅が０．６ｍｍ、深さＤ４が０．２５ｍｍとなるように形成される。
次に、図１５に示すように、第１の開口部１１が形成される領域及び第２の開口部１２が形成される領域に開口部６２ａ及び６２ｂを有するレジストパターン６２を形成する。尚、図１５（ａ）は、この工程における上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）における一点鎖線１５Ａ−１５Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１６に示すように、レジストパターン６２の開口部６２ａ及び６２ｂにおける本体基板１１０のＳｉを除去し、貫通穴を形成することにより第１の開口部１１及び第２の開口部１２を形成する。具体的には、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、ＩＣＰプラズマ中でＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給しエッチングする方法であり、高速でＳｉの深堀エッチングができる。この後、レジストパターン６２は有機溶剤等により除去する。尚、図１６（ａ）は、この工程における上面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）における一点鎖線１６Ａ−１６Ｂにおいて切断した断面図である。
尚、本実施の形態においては、第１の開口部１１と接続通路１３０における第１の接続溝１１３とが接続され、第２の開口部１２と接続通路１３０における第２の接続溝１１５とが接続されるように形成する。また、本実施の形態においては、本体基板１１０に形成される第１の開口部１１及び第２の開口部１２の大きさは、ともに３．２×３．２ｍｍの略矩形の形状である。また、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍである。
上記における説明では、本体基板１１０に、第１の開口部１１、第２の開口部１２、接続通路１３０を形成する際、ドライエッチングを用いたが、ウェットエッチング、サンドブラスト、ミリング加工等の方法によっても形成することが可能である。また、上記においては、第２の開口部１２は本体基板１１０を貫通しているが、必ずしも貫通させる必要はなく、本体基板１１０の一部が残るようエッチングを行なうことにより凹状の穴を形成したものであってもよい。
次に、図１７に示すように、本体基板１１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板１１０及び第１の透明基板２０を設置し、４００℃に加熱して、本体基板１１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板１１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。尚、図１７（ａ）は、この工程における上面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）における一点鎖線１７Ａ−１７Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１８に示すように、接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂの表面に無アルカリガラス（ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ）からなる下地膜１３１を形成する。下地膜１３１は後述する封止材５０を加熱し溶融した際に、本体基板１１０における溶着封止を良好に行うために形成する。具体的には、レジストマスク又はメタルマスクを用い、無アルカリガラス（ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ）のターゲットを用いて、スパッタリングを行なう。これにより、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂの表面に、下地膜１３１を成膜することにより形成する。尚、図１８（ａ）は、この工程における上面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）における一点鎖線１８Ａ−１８Ｂにおいて切断した断面図であり、図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）の要部拡大図である。
次に、図１９に示すように、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板１１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂに封止材５０を設置する。封止材５０は、低融点ガラスからなる球状の封止片であって、ビスマス系低融点ガラス（Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３）に加熱光吸収材としてＣｕ２Ｏが添加されているものにより形成されている。本実施の形態においては、封止材５０の大きさは、外径φが０．８ｍｍである。
この後、本体基板１１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置されており、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂに封止材５０が設置されている。この後、減圧チャンバー内にＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎ２のうち１又は２以上からなるバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．０１ｋＰａ〜１０００ｋＰａとする。この後、本体基板１１０及び第２の透明基板３０を４００℃に加熱し、本体基板１１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板１１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように電圧を印加し接合する。この工程においては、バッファガス圧力が低圧（０．０１ｋＰａ〜１００ｋＰａ）の場合は、第２の透明基板３０の電位を−８００Ｖに昇圧する途中で接合装置の減圧チャンバー内で放電することがある。この場合は、放電を開始する電圧よりやや絶対値が小さい負電圧を印加することにより仮接合し、この後、減圧チャンバー内圧力を大気圧に戻して、本接合する２段階接合プロセスを行う。以上の工程により、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものが形成される。尚、図１９（ａ）は、この工程における上面図であり、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における一点鎖線１９Ａ−１９Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図２０に示すように、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この際、第１の透明基板２０が上、第２の透明基板３０が下となるように設置する。これにより、封止材５０は接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂより離れ、隙間が形成される。この後、レーザ加熱装置より、本体基板１１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第１の透明基板２０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１が発生するまで加熱する。これにより、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路１３０を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路１３０を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。尚、図２０（ａ）は、この工程における上面図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図２１に示すように、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路１３０を塞ぐ。具体的には、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置することにより、封止材５０となるビスマス系低融点ガラスボールは、接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂの表面に形成された下地膜１３１と接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱して溶融させ、接続貫通穴１１４のテーパー穴部１１４ｂに溶着させることにより、接続通路１３０を塞ぐ。これにより、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間的に遮断される。この工程において用いられる光加熱装置とアルカリ金属充填工程において用いられる光加熱装置とは、同一の装置であってもよく、また、異なる装置であってもよい。尚、図２１（ａ）は、この工程における上面図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）における一点鎖線２１Ａ−２１Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図２２に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２２（ａ）は、この工程における上面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）における一点鎖線２２Ａ−２２Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態においては、接続通路１３０における接続貫通穴１１４の一部には、テーパー穴部１１４ｂが形成されているため、封止材５０を加熱し溶融させた場合によりテーパー穴部１１４ｂにおいて融着しやすい。よって、容易に２室間の遮断が可能になり遮断の信頼性を高くすることができる。これにより、より一層低コストで、信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
また、本実施の形態においては、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂの内壁の封止材５０が溶着する領域において、ガラス材料からなる下地膜１３１が形成されているため、ガラスからなる封止材５０がより融着しやすい。よって、さらに低コストで、信頼性の高い原子発振器を提供することができるようになる。
更に、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂが本体基板１１０面に垂直である場合は、下地膜１３１を容易に形成することができるため、さらに低コストで、さらに信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
尚、本実施の形態において、封止材５０と下地膜１３１との組み合わせは、以下の場合が挙げられる。
封止材５０がガラス材料からなる薄膜被覆のないボールである場合では、封止材５０としては、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスからなるボールが挙げられる。更には、これらのボールにＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属又はこれらの金属を含む化合物からなる光加熱の光を吸収する材料を０．１〜１０体積％の範囲で含有させることが好ましい。但し、作製したアルカリ金属セルを原子時計や磁気センサに使用する場合は磁性を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等を含むものを用いることは好ましくない。また、下地膜１３１としては、酸化ケイ素、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスホウケイ酸ガラス、低融点ガラスからなる薄膜が挙げられる。
次に、封止材５０が光吸収膜の被覆されているガラスボールである場合には、封止材５０は、ホウケイ酸ガラスボールや低融点ガラスボールの表面の少なくとも一部の領域に、光加熱の光を吸収する材料からなる薄膜を形成したものが挙げられる。この際形成される薄膜の例としては、Ｓｉ膜、Ｇｅ膜、ＴｉＯｘ、金属膜（Ｔｉ、Ｔａ等）等が挙げられる。また、下地膜１３１としては、酸化ケイ素、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスホウケイ酸ガラス、低融点ガラスからなる薄膜等が挙げられる。
また、封止材５０が金属材料により形成されているボールである場合では、封止材５０は、Ａｕ−Ｇｅ（Ｇｅ：２８ａｔ％、ｍｐ．３６１℃）、Ａｕ−Ｓｎ（Ｓｎ２９ａｔ％、ｍｐ．２７８℃）、Ａｕ−Ｓｉ（Ｓｉ：１８．６ａｔ％、ｍｐ．３６３℃）、Ａｌ−Ｇｅ （Ｇｅ：２８．６ａｔ％、ｍｐ．４２０℃）、Ａｌ−Ｓｉ（Ｓｉ：１２．２ａｔ％、ｍｐ．５７７℃）等の材料により形成されているボールが挙げられる。また、下地膜１３１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜（下層／中間層／上層）等が挙げられる。但し、作製したアルカリ金属セルを原子時計や磁気センサに用いる場合には、磁性をもつＣｒ膜、Ｎｉ膜等は用いない方が好ましい。
また、封止材５０と下地膜１３１が金属材料からなる場合は、封止材５０が下地膜１３１と溶着するだけでなく、封止材５０と下地膜１３１と本体基板１１０との間で共晶反応がおこり封止をより強固に行なうことができる場合もある。
また、低融点ガラスボール及び低融点ガラス膜の材質は、バナジウム系ガラス、スズ−リン酸系ガラス、ビスマス系ガラス、酸化鉛系ガラス等が挙げられる。これらの低融点ガラス及び光加熱の光を吸収する材料を含有させる方法については特許文献８、９等において開示されている。また、封止材５０の形状はボール形状のほかに、円錐形状、円柱形状、直方体形状等であってもよい。
尚、上記外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２３〜図２５に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材５０としてＡｕ−Ｇｅボールを用い、下地膜１３１としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合される。
次に、第３の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２３〜図２５に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材５０としてＡｕ−Ｇｅボールを用い、下地膜１３１としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合される。
図２３に示すように、本体基板２１０には、第１の開口部１１となる貫通穴と、第２の開口部１２となる貫通穴を有しており、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは、接続通路２３０により接続されている。接続通路２３０は、第１の接続溝２３１、第１の接続貫通穴２３２、第２の接続溝２３３、第２の接続貫通穴２３４、第３の接続溝２３５を有している。第１の接続貫通穴２３２及び第２の接続貫通穴２３４は、略円形であって、本体基板２１０の一方の面から他方の面に向かって略垂直に形成されている。第１の接続貫通穴２３２は、一方の面から深くなるに伴い徐々に直径が狭くなるテーパー穴部２３２ａとテーパー穴部２３２ａよりも深く、本体基板２１０の他方の面側に形成された細穴部２３２ｂとを有している。同様に、第２の接続貫通穴２３４は、一方の面から深くなるに伴い徐々に直径が狭くなるテーパー穴部２３４ａとテーパー穴部２３４ａよりも深く、本体基板２１０の他方の面側に形成された細穴部２３４ｂとを有している。
第１の接続溝２３１と第３の接続溝２３５は、本体基板２１０の他方の面に形成されており、第２の接続溝２３３は、本体基板２１０の一方の面に形成されている。第１の接続溝２３１と第２の接続溝２３３とは、第１の接続貫通穴２３２により接続されており、第２の接続溝２３３と第３の接続溝２３５とは第２の接続貫通穴２３４により接続されている。
本実施の形態においては、本体基板２１０の厚さＬ１は約２ｍｍである。本体基板２１０の一方の面における第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ａ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ａにおける直径φ３は１．２ｍｍである。また、本体基板２１０に形成された第１の接続貫通穴２３２の細穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４の細穴部２３４ｂにおける直径φ４は０．４ｍｍである。第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ａ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ａにおけるテーパー角γは約７０°である。
また、第１の接続溝２３１及び第３の接続溝２３５は、幅が約０．４ｍｍであり、深さＤ５が約０．５ｍｍである。本体基板２１０に形成された第１の接続貫通穴２３２の細穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４の細穴部２３４ｂの長さＤ６は約０．９ｍｍである。第２の接続溝２３３は、幅が約０．６ｍｍであり、深さＤ７は、約０．２５ｍｍである。
本実施の形態において、第１の接続溝２３１及び第３の接続溝２３５は、第２の実施の形態における第１の接続溝１１３と同様の方法により形成することができる。また、第１の接続貫通穴２３２及び第２の接続貫通穴２３４は、第２の実施の形態における接続貫通穴１１４と同様の方法により形成することができる。また、第２の接続溝２３３は、第２の実施の形態における第２の接続溝１１５と同様の方法により形成することができる。尚、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は第２の実施の形態において形成されるものと同様のものである。
上述したように、第２の実施の形態における製造方法における工程と同様の工程を行なうことにより、本実施の形態における本体基板２１０を作製する。尚、図２３（ａ）は、このように作製された本体基板２１０の上面図であり、図２３（ｂ）は、図２３（ａ）における一点鎖線２３Ａ−２３Ｂにおいて切断した断面図であり、図２３（ｃ）は、図２３（ｂ）の要部拡大図である。
次に、図２４に示すように、本体基板２１０の他方の面に、第１の透明基板２０を接合し、テーパー部２３２ｂ等に下地膜２３６を形成し、テーパー部２３２ｂ等に封止材５０を設置する。
最初に、本体基板２１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板２１０及び第１の透明基板２０を設置し。４００℃に加熱して、本体基板２１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板２１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。
次に、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂの表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（下層／中間層／上層）からなる下地膜２３６を形成する。下地膜２３６は後述する封止材５０を加熱し溶融した際に、本体基板２１０における溶着封止を良好に行うために形成する。具体的には、レジストマスク又はメタルマスクを用い、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次スパッタリングにより成膜する。これにより、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂの表面に下地膜２３６を形成する。
次に、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板２１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、テーパー穴部２３２ｂ及びテーパー穴部２３４に封止材５０を設置する。封止材５０は、Ａｕ−Ｇｅ（Ｇｅ：２８ａｔ％）により形成されているボールであり、封止材５０の大きさは、外径φが０．６ｍｍである。尚、図２４は、この段階における状態を示すものである。
次に、本体基板２１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。尚、本体基板２１０に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置され、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂに封止材５０が設置されている。この後、減圧チャンバー内にＮｅをバッファガスとして導入し、減圧チャンバー内部の圧力を約２５ｋＰａとする。この後、本体基板２１０及び第２の透明基板３０を約３５０℃に加熱し、本体基板２１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板２１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−１００から−３００Ｖとなるように印加し仮接合する。この電位は減圧チャンバー内でバッファガスが放電を開始しない値であることが好ましい。この後、減圧チャンバー内に窒素を導入することにより圧力を大気圧に戻し、本体基板２１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように印加し本接合する。
次に、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この際、第１の透明基板２０が上、第２の透明基板３０が下となるように設置する。これにより、封止材５０は、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂより離れ、隙間が形成される。この後、レーザ加熱装置より、本体基板２１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第１の透明基板２０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１が発生するまで加熱する。これにより、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路２３０を通り第１の開口部１１に進入する。即ち、第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第１の接続溝２３１、第１の接続貫通穴２３２、第２の接続溝２３３、第２の接続貫通穴２３４、第３の接続溝２３５を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路２３０を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。
次に、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路２３０を塞ぐ。具体的には、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置することにより、封止材５０となるＡｕ−Ｇｅボールは、接続通路２３０におけるテーパー穴部２３２ｂ及び２３４ｂの表面に形成された下地膜２３６と接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱し溶融させることにより、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂに溶着させる。これにより、接続通路２３０は封止材５０により塞がれるため、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間的に遮断され、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間が分離される。
次に、図２５に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２５（ａ）は、この工程における上面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）における一点鎖線２５Ａ−２５Ｂにおいて切断した断面図である。
封止材５０により遮断される部分が１ヶ所である場合には、ダイシング等による切断により、チップ分離する際に、アルカリ金属発生材料４０の残渣とアルカリ金属が存在している第２の開口部１２が空気や水に晒される。このため、ダイシング等による切断の際には、徐々にリークしアルカリ金属と緩やかに反応させる等の手間がかかり、また、ダイシング排出液の管理が必要となるため、高コストになりやすい。
本実施の形態においては、チップ分離時にアルカリ金属発生材料４０の残渣が残っている第２の開口部１２まで封止しているため、製造プロセスにおける負荷を軽減することができ、製造コストを低減することができる。尚、上記外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２６、図２７に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてＡｕ−Ｇｅボール、下地膜としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ約２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。本実施の形態は、例えば、第２の実施の形態における製造方法において、複数の第１の開口部と、１つの第２の開口部を形成することにより製造する製造方法である。
次に、第４の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２６、図２７に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてＡｕ−Ｇｅボール、下地膜としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ約２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。本実施の形態は、例えば、第２の実施の形態における製造方法において、複数の第１の開口部と、１つの第２の開口部を形成することにより製造する製造方法である。
具体的には、図２６に示すように、本体基板３１０には、３つの第１の開口部１１となる貫通穴と、１つの第２の開口部３１２となる貫通穴とが形成されている。また、３つの第１の開口部１１の各々に対応して１つずつ設けられた接続通路１３０を介し１つの第２の開口部３１２に接続されている。尚、本体基板３１０は、第２の実施の形態における製造方法における本体基板１１０と同様にＳｉ基板により形成されており、第２の開口部３１２は、第２の実施の形態における製造方法における第２の開口部１２と同様の工程により形成されている。尚、図２６（ａ）は、この工程における上面図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）における一点鎖線２６Ａ−２６Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における製造方法は、第２の実施の形態における製造方法における工程と同様の工程により製造することができ、封止材５０を溶融させ封止する箇所が３箇所になる以外は第２の実施の形態と同様である。尚、図２６及び図２７においては、接続通路１３０における接続貫通穴１１４の広穴部は一部省略されている。
次に、図２７に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２７（ａ）は、この工程における上面図であり、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）における一点鎖線２７Ａ−２７Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態においては、１つの第２の開口部３１２に複数の第１の開口部１１が、各々に対応する接続通路１３０により接続されているため、１回のレーザ加熱工程により同時に複数の第１の開口部１１にアルカリ金属ガスを供給し充填することができる。よって、より一層低コストで、アルカリ金属セルを製造することができる。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２８から図３０に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、光路長の長いアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボール、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
次に、第５の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２８から図３０に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、光路長の長いアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボール、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
本実施の形態は、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第１の透明基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第１の本体基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第２の本体基板と、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第２の透明基板とが用いられる。本実施の形態においては、第１の本体基板と第２の本体基板を直接接合し、第１の本体基板と第１の透明基板、及び、第２の本体基板と第２の透明基板は、陽極接合により接合することにより製造する製造方法である。
最初に、図２８に示すように、第１の本体基板４１０に、第１の本体基板４１０を貫通する第１の開口部４１１及び第２の開口部４１２をボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成する。このように形成された第１の開口部４１１と第２の開口部４１２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部４１１と第２の開口部４１２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図２８（ａ）は、この工程における上面図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）における一点鎖線２８Ａ−２８Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図２９に示すように、第２の本体基板４２０に、第２の本体基板４２０を貫通する第１の開口部４２１と、第２の開口部４２２を形成する。また、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２との間には、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２とを接続する接続通路４３０を形成する。接続通路４３０は、第２の実施の形態における接続通路１３０と同様の構造のものであり、第１の接続溝４３１、接続貫通穴４３２、第２の接続溝４３３を有している。また、接続貫通穴４３２は、第２の実施の形態における接続貫通穴１１４に形成されているものと同様の広穴部４３２ａ及びテーパー穴部４３２ｂが形成されている。テーパー穴部４３２ｂは、略円形であって、深くなるほど直径が狭くなるように形成されている。尚、接続貫通穴４３２は、第１の接続溝４３１を介して第１の開口部４２１に接続されており、第２の接続溝４３３を介して第２の開口部４２２に接続されている。第１の接続溝４３１は第２の本体基板４２０の他方の面に形成されており、第２の接続溝４３３は第２の本体基板４２０の一方の面に形成されている。
尚、第２の本体基板４２０の厚さＬ３は約１．２ｍｍである。接続貫通穴４３２における広穴部４３２ａは、直径φ５が１．２ｍｍであり、第２の本体基板４２０における一方の面より深さＤ８が０．３ｍｍとなるように形成されている。また、テーパー穴部４３２ｂは、第２の本体基板４２０における他方の面に向かって直径が狭くなるように形成されており、第１の接続溝４３１との境界部分において直径φ６が０．６ｍｍとなるように形成されている。本実施の形態におけるテーパー穴部４３２ｂにおけるテーパー角ωは約６５°である。第１の接続溝４３１は、第２の本体基板４２０の他方の面において、幅が０．６ｍｍであり、深さＤ９が０．２ｍｍとなるように形成されており、接続貫通穴４３２におけるテーパー穴部４３２ｂと接続されている。また、第２の接続溝４３３は、第２の本体基板４２０の一方の面において、幅が０．６ｍｍ、深さＤ１０が０．２ｍｍとなるように形成されている。尚、第２の本体基板４２０は、第２の実施の形態における本体基板１１０と同様の工程により作製することができる。このように形成された第１の開口部４２１と第２の開口部４２２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図２９（ａ）は、この工程における上面図であり、図２９（ｂ）は、図２９（ａ）における一点鎖線２９Ａ−２９Ｂにおいて切断した断面図であり、図２９（ｃ）は、図２９（ｂ）の要部拡大図である。
尚、第１の本体基板４１０における第１の開口部４１１及び第２の開口部４１２と、第２の本体基板４２０における第１の開口部４２１及び第２の開口部４２２は、第１の本体基板４１０と第２の本体基板４２０とを接合した際に、開口部が整合するように形成する。
次に、第１の本体基板４１０の一方の面と、第２の本体基板４２０の他方の面を減圧下窒素ガスでプラズマ処理した後、接触させ、２００℃まで加熱して荷重をかけ接合し、更に、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で熱処理することにより直接接合する。
これにより、図３０に示されるように、第１の本体基板４１０の一方の面と第２の本体基板４２０の他方の面とが強固に接合される。このようにして、第１の本体基板４１０における第１の開口部４１１と第２の本体基板４２０における第１の開口部４２１とにより、第１の開口部１１ａが形成される。また、第１の本体基板４１０における第２の開口部４１２と第２の本体基板４２０における第２の開口部４２２とにより、第２の開口部１２ａが形成される。
次に、第１の本体基板４１０の他方の面に第１の透明基板２０を接合し、第２の開口部１２ａにアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続貫通穴４３２におけるテーパー穴部４３２ｂに封止材５０を設置する。この後、第２の本体基板４２０の一方の面に第２の透明基板３０を接合し、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射することにより加熱しアルカリ金属ガスを発生させ、接続通路４３０を介して発生したアルカリ金属ガスを第１の開口部１１ａに充填させる。この後、封止材５０にレーザ光を照射することにより加熱し溶融させて、テーパー穴部４３２ｂ等において接続通路４３０を塞ぐことにより、第１の開口部１１ａと第２の開口部１２ａとを空間的に分離する。尚、上記における製造工程は、第２の実施の形態における製造方法の工程と同様の工程である。
次に、図３１に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１ａが形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１ａ内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ４が２．４ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図３１（ａ）は、この工程における上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）における一点鎖線３１Ａ−３１Ｂにおいて切断した断面図である。
尚、本実施の形態においては、第１の本体基板４１０と第２の本体基板４２０との接合には、直接接合を用いた。しかしながら、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ等の共晶接合、Ａｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｃｕの拡散接合、ＡｕやＡｇの微粒子接合、直接接合、ガラスフリット接合などを用いてもよい。
本実施の形態においては、ＣＰＴ共鳴方式原子時計におけるＣＰＴ観測レーザ光の光路長を２．４ｍｍのように長くする場合、本体基板が１枚では、本体基板に深い第１の開口部、第２の開口部及び接続貫通穴を形成する必要がある。このため、第１の開口部等をドライエッチング法、ウェットエッチング法、又は他の方法で形成する場合には、エッチング速度が大きい深堀エッチング用の高価な装置が必要になり、高いプロセス制御が必要になり歩留まりが低下する。このため、製造コストが高くなる。本実施の形態においては、本体基板を複数の基板を積層することにより形成しているため、製造コストの上昇を抑制することができ、低コストでアルカリ金属セルを製造することができる。
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図３２から図３４に基づき説明する。本実施の形態は、第５の実施の形態の原子発振器におけるアルカリ金属セルと同様に、長い光路長をもつアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材５０としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
次に、第６の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図３２から図３４に基づき説明する。本実施の形態は、第５の実施の形態の原子発振器におけるアルカリ金属セルと同様に、長い光路長をもつアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材５０としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
本実施の形態は、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第１の透明基板と、厚さ１．４ｍｍのＳｉからなる第１の本体基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第２の本体基板と、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第２の透明基板とが用いられる。本実施の形態は、第１の本体基板と第２の本体基板とが直接接合し、第１の本体基板と第１の透明基板、及び、第２の本体基板と第２の透明基板は、陽極接合により接合することにより製造する製造方法である。
最初に、図３２に示すように、第１の本体基板５１０に、接続溝５１３をドライエッチングにより形成し、第１の本体基板５１０を貫通する第１の開口部５１１及び第２の開口部５１２をボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成する。第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、第１の開口部５１１となる貫通穴と、第２の開口部５１２となる貫通穴とが連結されるように形成されている。また、第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０と接合した際に、第２の本体基板５２０に形成されている接続貫通穴５２３と接続する位置に形成されている。第１の本体基板５１０は、厚さＬ５は１．４ｍｍであり、第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、幅が０．４ｍｍ、深さＤ１１は０．２ｍｍである。このように形成された第１の開口部５１１と第２の開口部５１２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部５１１と第２の開口部５１２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図３２（ａ）は、この工程における上面図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂにおいて切断した断面図であり、図３２（ｃ）は、図３２（ｂ）の要部拡大図である。
次に、図３３に示すように、第２の本体基板５２０に、第２の本体基板５２０を貫通する第１の開口部５２１と、第２の開口部５２２を形成する。また、第１の開口部５２１と第２の開口部５２２との間の領域に、第２の本体基板５２０を貫通する接続貫通穴５２３を形成する。接続貫通穴５２３は、第２の本体基板５２０の一方の面に形成された広穴部５２３ａと一方の面から他方の面に向かって直径が狭くなるテーパー穴部５２３ｂとを有しており、広穴部５２３ａとテーパー穴部５２３ｂは略円形となるように形成されている。
第２の本体基板５２０の厚さＬ６は、約１．０ｍｍである。また、接続貫通穴５２３は、円柱状の広穴部５２３ａと、広穴部５２３ａに接続されたテーパー穴部５２３ｂとにより形成されている。広穴部５２３ａは、第２の本体基板５２０の一方の面から直径φ７が１．２ｍｍで、深さＤ１２が約０．３ｍｍの円柱状に形成されており、広穴部５２３ａに接続されたテーパー穴部５２３ｂは、テーパー角τが６５°となるように形成されている。尚、テーパー穴部５２３ｂにおける第２の本体基板５２０の他方の面における開口の直径φ８は約０．６ｍｍである。
第２の本体基板５２０において、第１の開口部５２１、第２の開口部５２２、接続貫通穴５２３は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成されている。このように形成された第１の開口部５２１と第２の開口部５２２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部５２１と第２の開口部５２２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図３３（ａ）は、この工程における上面図であり、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）における一点鎖線３３Ａ−３３Ｂにおいて切断した断面図であり、図３３（ｃ）は、図３３（ｂ）の要部拡大図である。
尚、第１の本体基板５１０における第１の開口部５１１及び第２の開口部５１２と、第２の本体基板５２０における第１の開口部５２１及び第２の開口部５２２は、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０とを接合した際に、開口部が整合するように形成する。
次に、第１の本体基板５１０の一方の面と、第２の本体基板５２０の他方の面を減圧下窒素ガスでプラズマ処理した後、接触させ、２００℃まで加熱して荷重をかけ接合し、更に、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で熱処理することにより直接接合する。
これにより、図３４に示されるように、第１の本体基板５１０の一方の面と第２の本体基板５２０の他方の面とが強固に接合される。このようにして、第１の本体基板５１０における第１の開口部５１１と第２の本体基板５２０における第１の開口部５２１とにより、第１の開口部１１ｂが形成される。また、第１の本体基板５１０における第２の開口部５１２と第２の本体基板５２０における第２の開口部５２２とにより、第２の開口部１２ｂが形成される。
次に、第１の本体基板５１０の他方の面に第１の透明基板２０を接合し、第２の開口部１２ｂに不図示のアルカリ金属発生材料を設置し、図３５に示すように、接続貫通穴５２３におけるテーパー穴部５２３ｂに封止材５０を設置する。
この後、第２の本体基板５２０の一方の面に第２の透明基板３０を接合し、第２の開口部１２ｂに設置されている不図示のアルカリ金属発生材料にレーザ光を照射することにより加熱しアルカリ金属ガスを発生させる。これにより、第２の開口部１２ｂにおいて発生したアルカリ金属ガスは、接続溝５１３及び接続貫通穴５２３を通り、第１の開口部１１ｂ内に進入し、アルカリ金属ガスを第１の開口部１１ｂに充填させる。この後、封止材５０にレーザ光を照射することにより加熱し溶融させて、接続貫通穴５２３におけるテーパー穴部５２３ｂを塞ぐことにより、第１の開口部１１ｂと第２の開口部１２ｂとを空間的に分離する。
この後、第２の本体基板５２０の一方の面に第２の透明基板３０を接合し、第２の開口部１２ｂに設置されている不図示のアルカリ金属発生材料にレーザ光を照射することにより加熱しアルカリ金属ガスを発生させる。これにより、第２の開口部１２ｂにおいて発生したアルカリ金属ガスは、接続溝５１３及び接続貫通穴５２３を通り、第１の開口部１１ｂ内に進入し、アルカリ金属ガスを第１の開口部１１ｂに充填させる。この後、封止材５０にレーザ光を照射することにより加熱し溶融させて、接続貫通穴５２３におけるテーパー穴部５２３ｂを塞ぐことにより、第１の開口部１１ｂと第２の開口部１２ｂとを空間的に分離する。
尚、上記における製造工程は、第２の実施の形態における製造方法の工程と同様の工程である。
次に、封止材５０により封止されている第１の開口部１１ｂが形成されている部分をダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１ｂ内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さが２．４ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。
本実施の形態においては、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０とが積層されているため、接続溝５１３と接続貫通穴５２３とを異なる基板に形成することができる。これにより、精密なエッチング加工精度を有する接続貫通穴５２３の深さを第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０との厚さの和よりも浅くすることができるため、製造コストを低減できる。よって、より一層低コストでアルカリ金属セルを製造することができる。
〔第７の実施の形態〕
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第６の実施の形態において製造されたガスセルを用いた原子発振器である。図３６に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源６１０、コリメートレンズ６２０、λ／４波長板６３０、アルカリ金属セル６４０、光検出器６５０、変調器６６０を有している。この原子発振器は、光源６１０より出射されたサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル６４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御するものである。
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第６の実施の形態において製造されたガスセルを用いた原子発振器である。図３６に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源６１０、コリメートレンズ６２０、λ／４波長板６３０、アルカリ金属セル６４０、光検出器６５０、変調器６６０を有している。この原子発振器は、光源６１０より出射されたサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル６４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御するものである。
光源６１０は、面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル６４０は、第１から第６の実施の形態のいずれかにおいて製造されたアルカリ金属セルであり、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器６５０には、フォトダイオードが用いられている。
本実施の形態のおける原子発振器では、光源６１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル６４０に照射し、セシウム原子を励起する。アルカリ金属セル６４０を透過した光は光検出器６５０において検出され、光検出器６５０において検出された信号は変調器６６０にフィードバックされ、変調器６６０により光源６１０における面発光レーザ素子を変調する。
図３７に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に同時にコヒーレント光を照射するとＣＰＴ共鳴状態になりガスセルを透過する光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。温度や出力を上げると長波長にシフトするため、アルカリ金属セルの光密度の変動は好ましくないので温度変化を利用するのが好ましい。具体的に、波長の温度依存性は０．０５ｎｍ／℃程度で調整できる。図３８に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図３９に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となる。よって、光検出器６５０の出力が最大値を保持するように変調器６６０においてフィードバックして光源６１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。尚、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。
本実施の形態における原子発振器は第１から第６の実施の形態において製造されたガスセルを用いているため、精度の高い原子発振器を低コストで作製し提供することができる。
また、本実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ１ラインを利用する場合は７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ２ラインを利用する場合は７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。
また、図４０は、本実施の形態における原子発振器の他の構造を示すものであり、光源には、ＣｓにおけるＤ１ライン遷移の波長８９４．６ｎｍと同じ波長の単一モードで偏光が一定なレーザ光が出射されるＶＣＳＥＬからなる光源６１０が用いられている。アルカリ金属セルは駆動電流により発生する磁界をキャンセルするように電流経路パターンを調整した２枚のＩＴＯヒーター６７１、６７２により挟まれている。また、地磁気などの磁気雑音を遮蔽する磁気シールドと、鋭いＣＰＴ共鳴信号のピークを得るためにセシウムの超微細準位にゼーマン分裂させる磁場を発生するための不図示のコイルが設けられている。尚、λ／４波長板６３０とアルカリ金属セル６４０との間には、ＮＤフィルター６７３が設けられている。
アルカリ金属セル６４０を透過した光は、光検出器６５０によって検出され、光検出器６５０により検出された信号に基づき第１のロックインアンプ６７４において直流電流を数十ｋＨｚで変調する。これにより、ＶＣＳＥＬ駆動用電源６７５及びバイアスティー６７６を介し、光源６１０であるＶＣＳＥＬの出力波長を最大吸収波長にロックさせることができる。また、光検出器６５０により検出された信号に基づき第２のロックインアンプ６７７において数ｋＨｚの変調波を発生させる。これにより、電圧制御水晶発振記（ＶＣＯ）６７８、マイクロ波電源６７９を介し、ＣＰＴ信号が時計遷移周波数の半分の周波数（νclock/２：４．５９６ＧＨｚ）にロックさせることができる。
また、本実施の形態においては、第１から第６の実施の形態において作製したアルカリ金属セルをＣＰＴ方式の原子発振器に搭載した場合について説明した。しかしながら、これらのアルカリ金属セルは、同じ原理を利用する２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により外部磁場による超微細構造エネルギー準位間のエネルギーを検出し外部磁場の強度を計測する磁気センサに搭載してもよい。
更に、第１から第６の実施の形態において作製したアルカリ金属セルは、アルカリ金属原子の超微細構造エネルギー準位間及び微細構造エネルギー準位間の遷移を利用する他の原理を利用した原子時計や磁気センサに搭載してもよい。
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
１０ 本体基板
１１ 第１の開口部（一の開口部）
１２ 第２の開口部（他の開口部）
１３ 接続通路
１３ａ 中央溝
１３ｂ 枝溝
１３ｃ 枝溝
１３ｄ 傾斜領域
１３ｅ 傾斜領域
２０ 第１の透明基板
３０ 第２の透明基板
４０ アルカリ金属発生材料
４１ アルカリ金属ガス
５０ 封止材
６１ レジストパターン
６１ａ 開口部
６２ レジストパターン
６２ａ 開口部
６２ｂ 開口部
６１０ 光源
６２０ コリメートレンズ
６３０ λ／４板
６４０ アルカリ金属セル
６５０ 光検出器
６６０ 変調器
１１ 第１の開口部（一の開口部）
１２ 第２の開口部（他の開口部）
１３ 接続通路
１３ａ 中央溝
１３ｂ 枝溝
１３ｃ 枝溝
１３ｄ 傾斜領域
１３ｅ 傾斜領域
２０ 第１の透明基板
３０ 第２の透明基板
４０ アルカリ金属発生材料
４１ アルカリ金属ガス
５０ 封止材
６１ レジストパターン
６１ａ 開口部
６２ レジストパターン
６２ａ 開口部
６２ｂ 開口部
６１０ 光源
６２０ コリメートレンズ
６３０ λ／４板
６４０ アルカリ金属セル
６５０ 光検出器
６６０ 変調器
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L. Nieradko et al., Journal of Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7(3), (2008)033013
Claims (10)
- 本体基板に前記本体基板を貫通する第１の開口部と、第２の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路を前記本体基板、または、第２の透明基板に形成する工程と、
前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する第１の接合工程と、
前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料を設置する工程と、
前記接続通路に封止材を設置する工程と、
前記第１の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料及び前記封止材が設置されている本体基板の他方の面に第２の透明基板を接合する第２の接合工程と、
前記第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、
前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する空間分離工程と、
を有し、
前記接続通路は、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間の中央溝と、
前記中央溝から前記第１の開口部に向かって徐々に幅の狭くなる傾斜領域及び前記中央溝から前記第２の開口部に向かって徐々に幅の狭くなる傾斜領域を有しており、
前記封止材は前記中央溝に設置されることを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。 - 本体基板に前記本体基板を貫通する第１の開口部と、第２の開口部を形成する工程と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路を前記本体基板に形成する工程と、
前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する第１の接合工程と、
前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料を設置する工程と、
前記接続通路に封止材を設置する工程と、
前記第１の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料及び前記封止材が設置されている本体基板の他方の面に第２の透明基板を接合する第２の接合工程と、
前記第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、
前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する空間分離工程と、
を有し、
前記接続通路には、前記本体基板を貫通する接続貫通穴が設けられており、
前記接続貫通穴は、開口径が徐々に狭くなるテーパー穴部を有しており、
前記封止材は前記テーパー穴部に設置されることを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。 - 前記接続貫通穴は略円形であることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属セルの製造方法。
- 前記封止材は、ガラス材料を含む材料により形成されており、
前記第１の接合工程の前に、前記テーパー穴部に、ガラス材料を含む材料により下地膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のアルカリ金属セルの製造方法。 - 前記封止材は、金属を含む材料により形成されており、
前記第１の接合工程の前に、前記テーパー穴部には、金属を含む材料により下地膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のアルカリ金属セルの製造方法。 - 前記封止材は、ガラス材料を含む材料、または、金属を含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。
- 前記空間分離工程は、
前記第１の透明基板または前記第２の透明基板を介し、前記封止材に光を照射して溶融させることにより、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 - 前記本体基板は第１の本体基板と第２の本体基板を積層することにより形成されており、
前記接続貫通穴は、前記第１の本体基板または前記第２の本体基板のいずれか一方、または、双方に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 - 前記空間分離工程の後、
前記第１の開口部及び前記封止材が設けられている領域と、前記第２の開口部との間を切断する工程を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 - 請求項１から９のうちのいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法と、
前記アルカリ金属セルに光を照射する光源を設置する工程と、
前記光源より照射された光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器を設置する工程と、
を有し、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数が制御される原子発振器の製造方法。
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