JP2016012855A - アルカリ金属セル及び原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら、開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制する。【解決手段】本実施の形態のアルカリ金属セルは、一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む基板と、前記開口部を介して対向し、前記基板の両面と接合する２つの透光性基板と、前記開口部に封止されるアルカリ金属と、少なくとも１つの透光性基板に形成され、前記開口部を加熱するヒーターと、を有し、前記開口部と連結する空隙に、液体のアルカリ金属が付着する、ことにより上記課題を解決する。【選択図】図５

Description

本発明は、アルカリ金属セル及び原子発振器に関する。

従来より、セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属原子の、基底準位から励起準位までのエネルギー遷移、等を利用して、極めて正確に時間を計測する原子時計（原子発振器）が知られている。中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、水晶発振器と比較して、周波数安定性が３桁程度高く、超小型化及び超低消費電力化が可能であるというメリットを有する。

ＣＰＴ方式の原子時計では、アルカリ金属セルの開口部を透過するレーザ光のサイドバンド波長が、遷移エネルギーに相当する波長と一致するように、レーザ光の周波数が変調される。原子時計の性能を低下させないためには、透過光の光強度の低下を防ぎ、該光強度に依存するＣＰＴ共鳴周波数の周波数シフトを抑制することが必要であり、そのためには、開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制することが望まれる。

ガスセルに形成される突起部を、原子捕獲手段として利用することで、窓部におけるアルカリ金属の析出を低減するガスセルが開示されている（例えば、特許文献１参照）。又、放熱部を設けることで、ガスセルの各窓部に発生する金属原子の結露を抑制する原子発振器が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、アルカリ金属セルにおいて、簡易な構成でありながら、開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制することは、困難である。

特許文献１に記載のガスセルは、構成が複雑であり、突起部の温度が下がり難いため、原子の捕獲を促進させる効果が小さい。又、特許文献２に記載の原子発振器は、製造工程が煩雑であり、ウェハレベルでの一括処理が難しいため、製造コストの増大を招く懸念がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でありながら、開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制することを目的とする。

本実施の形態のアルカリ金属セルは、一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む基板と、前記開口部を介して対向し、前記基板の両面と接合する２つの透光性基板と、前記開口部に封止されるアルカリ金属と、少なくとも１つの透光性基板に形成され、前記開口部を加熱するヒーターと、を有し、前記開口部と連結する空隙に、液体のアルカリ金属が付着する、ことを要件とする。

本実施の形態によれば、簡易な構成でありながら、開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制することができる。

実施形態１に係る原子発振器の概略構成の一例を示す図である。 ＣＰＴ方式の動作原理の一例を示す図である。 変調周波数と透過光量との関係を示す図である。 面発光レーザ素子を変調させた場合における出力波長の一例を示す図である。 実施形態１に係る原子発振器の概略構成の一例を示す図である。 実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態３に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。 実施形態３に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。

以下、図面及び表を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜実施形態１＞
〔原子発振器の構成〕
図１に、本実施の形態に係るアルカリ金属セルを適用した原子発振器１００の概略構成の一例を示す。

原子発振器１００は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源１０、コリメートレンズ２０、λ／４板３０、アルカリ金属セル４０、光検出器５０、変調器６０、等を含む。アルカリ金属セル４０の内部には、アルカリ金属（例えば、セシウム）が封止される。光源１０（例えば、面発光レーザ素子）から射出した光は、コリメートレンズ２０及びλ／４板３０を介して、アルカリ金属セル４０へと入射し、該光により、アルカリ金属の電子は、励起する。アルカリ金属セル４０を透過した光は、光検出器５０（例えば、フォトダイオード）へと入射し、光検出器５０は、該光を検出し、検出信号を変調器６０へとフィードバックする。変調器６０は、フィードバックされた検出信号（出力）に基づいて、面発光レーザ素子の周波数を変調する。

次に、図２乃至図４を用いて、原子発振器１００の原理を簡単に説明する。

アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底準位（第１の基底準位２０１、第２の基底準位２０２）、励起準位２０３の３つの準位をとり得る。なお、第１の基底準位２０１は、第２の基底準位２０２よりも低いエネルギー準位を有する。

アルカリ金属セル４０の内部に存在するアルカリ金属に、周波数の異なる２つの共鳴光（第１の共鳴光３０１、第２の共鳴光３０２）が入射すると、２つの基底準位から励起準位へと電子が励起される。第１の共鳴光３０１の周波数ω１と第２の共鳴光３０２の周波数ω２との周波数差に応じて、アルカリ金属の光吸収率（光透過率）は、変化する。周波数ω１と周波数ω２との差が、第１の基底準位２０１と第２の基底準位２０２とのエネルギー差（ΔＥ）に相当する周波数差に一致すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち、量子干渉効果が生じる。第１の基底準位２０１及び第２の基底準位２０２から励起準位２０３への電子の励起がそれぞれ停止し、第１の共鳴光３０１及び第２の共鳴光３０２は、何れもアルカリ金属に吸収されずに、アルカリ金属セル４０の開口部を透過する。

アルカリ金属の光吸収が停止し、光吸収率の低下が最大となる透明化現象（ＣＰＴ共鳴）が生じると、図３に示すように、光強度は、所定の変調周波数でピークを有するため、光検出器５０は、該ピークをＣＰＴ信号として検出する。ＣＰＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値を有する。従って、変調器６０が、レーザ光の周波数を、アルカリ金属の種類に応じて変調すると、図４に示すように、搬送波の両側にサイドバンドが発生する。

例えば、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合、変調器６０は、搬送波とサイドバンドとの周波数差が、セシウムの固有周波数である９．２ＧＨｚと一致するように、レーザ光の周波数を４．６ＧＨｚに変調する。この時、励起されたセシウムガスを透過するレーザ光は、光強度が最大となる。セシウムの固有周波数は、極めて安定しているため、変調周波数も安定した値となる。セシウムのＤ１ラインの遷移を利用する場合、搬送波の波長は、８９４．６ｎｍとなるが、セシウムのＤ２ラインの遷移を利用する場合、搬送波の波長は、８５２．３ｎｍとなる。

又、例えば、アルカリ金属としてルビジウムを用いることもでき、ルビジウムのＤ１ラインの遷移を利用する場合、搬送波の波長は、７９５．０ｎｍとなり、ルビジウムのＤ２ラインの遷移を利用する場合、搬送波の波長は、７８０．２ｎｍとなる。^８７Ｒｂを用いる場合、変調器６０は、レーザ光の変調周波数を３．４ＧＨｚで変調し、^８５Ｒｂを用いる場合、変調器６０は、レーザ光の変調周波数を１．５ＧＨｚで変調する。なお、これらの搬送波の波長において、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。

次に、図２を用いて、原子発振器１００の構成についてより詳細に説明する。

原子発振器１００は、光源１０、アルミナ基板１１、面発光レーザ素子用ヒーター１２、回路基板１３、リッド１４、セラミックＰＫＧ１５、内部パッド１６、外部端子１７、コリメートレンズ２０、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ（減光フィルタ）２１、断熱スペーサ２２、λ／４板３０、スペーサ３１、断熱スペーサ３２、アルカリ金属セル４０、光検出器５０、断熱スペーサ５１、断熱スペーサ５２、光検出器用の配線５３、等を含む。アルカリ金属セル４０は、ガラス基板（透光性基板）４１（ガラス基板４１ａ、ガラス基板４１ｂ）、シリコン基板４２、アルカリ金属４３、ヒーター４４、アルカリ金属セル用のヒーター配線（金属配線）４５、等を含む。

回路基板１３に接して、アルミナ基板１１が形成され、アルミナ基板１１には、光源１０の温度を制御するヒーター１２が形成される。アルミナ基板１１に接して、光源１０が形成され、アルミナ基板１１とＮＤフィルタ２１とは、断熱スペーサ２２（例えば、ガラス）を介して、所定の間隔を保持して形成される。ＮＤフィルタ２１に接して、コリメートレンズ２０が形成され、ＮＤフィルタ２１とλ／４板３０とは、スペーサ３１（例えば、シリコン）を介して、所定の間隔を保持して形成される。λ／４板３０とアルカリ金属セル４０とは、断熱スペーサ３２（例えば、ガラス）を介して、所定の間隔を保持して形成される。アルカリ金属セル４０と光検出器５０とは、断熱スペーサ５１（例えば、ガラス）及び断熱スペーサ５２（例えば、ガラス）を介して、所定の間隔を保持して形成される。

回路基板１３は、セラミックＰＫＧ１５のキャビティに形成され、キャビティには、複数の内部パッド１６が形成される。各内部パッド１６は、それぞれ、外部端子１７と接続される。ヒーター４４は、高温部としてのヒーター線配線部と低温部としてのヒーター線パッド部とを含んでおり、ヒーター線パッド部と内部パッド１６とは、金属配線４５を介して、ワイヤボンド等で接続される。光検出器５０と内部パッド１６とは、光検出器用の配線５３を介して、ワイヤボンド等で接続される。同様に、光源１０の配線、面発光レーザ素子用ヒーター１２の配線、等も、内部パッド１６と、ワイヤボンド等で接続される。

リッド１４（例えば、セラミック）と、セラミックＰＫＧ１５の外周部とは、予めメタライズされた表面に、半田、ＡｕＳｎ、等の金属接着層が形成され、高真空、高温で加熱されることで、接着される。減圧環境で高真空封止された内部は、熱伝導が低く、熱抵抗が非常に高い。従って、アルカリ金属セル４０を加熱するために必要なエネルギーを小さくすることができ、原子発振器１００の低消費電力化を図れる。

アルカリ金属セル４０から熱が逃げる経路は、該セルに接触する部材を介した熱伝導、及び輻射に限られる。該セルに接触する部材（断熱スペーサ３２、５２、等）として、熱伝導の低い材料（例えば、ガラス、プラスチック、ポリイミド、等）を用いることで、内部において、熱抵抗をより高めることができる。一方、ヒーター線パッド部と接続される金属配線は、熱伝導が高いため、ヒーター線パッド部の温度は、ヒーター線配線部の温度と比較して、低くなり易い。つまり、他の熱伝導経路における熱伝導を極力低くすることで、ヒーター線パッド部から金属配線を介して熱を逃がすことができるため、ヒーター線パッド部の発熱量を、ヒーター線配線部の発熱量と比較して、小さくすることができる。これにより、アルカリ金属セル４０において、ヒーター線パッド部近傍に存在する空隙に液体のアルカリ金属を付着し易くすることができる。

詳細は後述するが、本実施の形態に係るアルカリ金属セル４０は、ガラス基板に形成されるヒーター線パッド部とヒーター線配線部との間に生じる温度差を利用して、アルカリ金属が封止される開口部と連結する空隙に、液体のアルカリ金属を集めることができる。空隙は、シリコン基板を削る、ガラス基板とシリコン基板との間に接合層を挿入する、等の極めて簡易な工程で形成される。これにより、アルカリ金属セル４０は、簡易な構成でありながら、レーザ光の透過する開口部への液体のアルカリ金属の付着を抑制することができる。又、該セルが搭載される原子発振器１００は、レーザ光の透過光量（光強度）の変動が極めて生じ難いため、周波数シフトが発生し難く、長期間に渡って安定度の高い基準周波数信号を出力することができる。

〔アルカリ金属セルの作製方法〕
図６及び図７は、本実施の形態に係るアルカリ金属セル４０の作製方法の一例を示す図である。図６及び図７において、断面図は、上面図の鎖線Ａ−Ａに対応する。

まず、図６（Ａ）に示すように、シリコン基板４２を準備する。シリコン基板４２は、１．５ｍｍ程度の厚さで形成され、両面に鏡面加工が施される。

次に、図６（Ｂ）に示すように、シリコン基板４２に、開口部１１１及び空隙１２１を形成する。

具体的には、シリコン基板４２の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像（フォトリソグラフィ）を行い、開口部１１１とならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等によるドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコンを、シリコン基板４２の厚さの半分程度まで除去する。又、シリコン基板４２の他方の面にもフォトリソグラフィを行い、開口部１１１とならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、ドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコンを、シリコン基板４２の厚さの半分程度まで除去することで、開口部１１１を形成する。なお、シリコン基板４２のドライエッチングは、印加パワー２ｋＷで、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８とを交互に供給してエッチングを行うボッシュプロセスを採用することが好ましい。ボッシュプロセスでは、異方性の高いシリコンのエッチングを高速で行うことができるためである。

その後、シリコン基板４２の一方の面に、再び、フォトリソグラフィを行い、空隙１２１とならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。温度８５℃、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いるウェットエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコンを除去することで、空隙１２１を形成する。

開口部１１１の形状は、一辺が約２ｍｍの正方形状である。空隙１２１の形状は、三角形状であり、開口部１１１の端から最も遠い点までの長さは、約２００ｕｍである。形状、大きさ、等は、特に限定されるものではない。

次に、図６（Ｃ）に示すように、シリコン基板４２とガラス基板４１ａとを、陽極接合により接合する。具体的には、減圧チャンバー内において、シリコン基板４２の他方の面にガラス基板４１ａを接触させ、温度３８０℃、ガラス基板４１ａに電圧−８００Ｖを印加して、シリコン基板４２とガラス基板４１ａとを接合する。

次に、図７（Ａ）に示すように、ガラス基板４１ｂの一方の面に、ヒーター４４を形成する。具体的には、ガラス基板４１ｂの一方の面に、Ｃｒ膜（膜厚約３０ｎｍ）、Ｐｔ膜（膜厚約１５０ｎｍ）、ＳｉＯ_２膜（膜厚約２００ｎｍ）を、順番にスパッタリング等により成膜し、ヒーター４４となる領域をマスクするレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、ウェットエッチングにより、ＳｉＯ_２膜を除去し、レジストパターンを除去した後、ＳｉＯ_２膜を、レジストマスクとして、スパッタリング等によりＰｔ膜、Ｃｒ膜を除去することで、ヒーター４４を形成する。

ヒーター４４は、ヒーター線配線部１７１とヒーター線パッド部１７２とを含み、ワイヤボンド等により配線を取り易くするためヒーター線パッド部１７２の面積が、ヒーター線配線部１７１の面積と比較して大きくなるように形成される。従って、ヒーター線パッド部１７２の電気抵抗は、ヒーター線配線部１７１の電気抵抗と比較して、小さくなるため、ヒーター線パッド部１７２の温度は、ヒーター線配線部１７１の温度と比較して、低くなる。これにより、空隙１２１に、液体のアルカリ金属を集めることができる。

又、ヒーター４４は、ガラス基板４１ｂの一方の面に形成される。これにより、加熱する対象物をできるだけ小さくすることができるため、アルカリ金属セル４０の低消費電力化及び小型化を図れる。

ヒーター線配線部１７１の形状は、配線幅が約１００ｕｍ、配線間隔が約１０ｕｍの対向する２本の配線により、開口部１１１ａ及び１１１ｂを取り囲むような形状である。又、ヒーター線パッド部１７２の形状は、一辺が約４００ｕｍの正方形状である。

ところで、ヒーター４４は抵抗体に電流が与えられることで発熱する構成を有するため、ヒーター４４に電流が流れることで、ヒーター４４には磁場が発生する。ＣＰＴ共鳴は磁場に対する感度が非常に高い現象である。このため、ＣＰＴ方式の原子発振器１００では、アルカリ金属セル４０に一様な磁場を印可し、縮退した共鳴をゼーマン分裂させて、磁場に対する感度が最も低い０−０遷移を使用するのが一般的である。しかしながら、０−０遷移であっても、外部から不要な磁場が印可されると、磁場に対する周波数シフトがゼロではなくなり、共鳴周波数が変動してしまうため、原子発振器としての性能が低下してしまう。ここで、ヒーター線配線部１７１の形状を、上述のような形状とすることで、ヒーター４４に電流が流れることで発生する磁場を打ち消し、原子発振器の性能低下を抑制することができる。

なお、ヒーター線パッド部１７２の幅を、ヒーター線配線部１７１の幅と比較して、長くしても良い。又、ヒーター線パッド部１７２の膜厚を、ヒーター線配線部１７１の膜厚と比較して、厚くしても良い。ヒーター線パッド部１７２及びヒーター線配線部１７１の金属膜を、２回に分けて形成することで、ヒーター線パッド部１７２とヒーター線配線部１７１との間で膜厚差を生じさせることが可能である。

次に、図７（Ｂ）に示すように、公知の技術により、アルカリ金属（例えば、セシウム）４３を、開口部１１１に封止する。アルカリ金属を封止する際には、真空中で封止するのではなく、Ｎ_２等のバッファガスとともに封止することが好ましい。バッファガスとしては、不活性ガスを用いることが好ましく、例えば、Ｎ_２ガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、ＮｅとＡｒとの混合ガス、等が挙げられる。その後、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを陽極接合により接合する。具体的には、減圧チャンバー内において、シリコン基板４２の一方の面にガラス基板４１ｂを接触させ、ヒーター線パッド部１７２が、空隙１２１近傍に対応するように、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを接合する。

次に、図７（Ｃ）に示すように、ヒーター線パッド部１７２に、アルカリ金属セル用のヒーター配線（金属配線）４５を接続する。金属配線４５は、電源と接続されており、金属配線４５に電流が流れることで、アルカリ金属セル４０は加熱され、アルカリ金属セル４０の内部に、気体のアルカリ金属が発生する。

なお、本実施の形態では一方のガラス基板（ガラス基板４１ｂ）にのみ、ヒーター４４を形成しているが、両方のガラス基板（ガラス基板４１ａ及びガラス基板４１ｂ）に、ヒーター４４を形成しても良い。この場合は、図６（Ｃ）に示す工程と図７（Ａ）に示す工程との間で、他方のガラス基板（ガラス基板４１ａ）にヒーター４４を形成する工程を行えば良い。

上述の作製方法により作製されたアルカリ金属セル４０は、ヒーター４４を加熱することで生じる開口部１１１と空隙１２１との間の温度差を利用して、液体のアルカリ金属セルを空隙１２１に集めることができる。その結果、レーザ光が透過する開口部１１１への液体のアルカリ金属の付着を抑制できるため、セルを透過する光量の変動を小さくすることができる。又、上述の作製方法は、ウェハレベルでの一括処理が可能であるため、製造コストを抑制することができる。従って、該セルが搭載される原子発振器１００の低コスト化を図りつつ、性能を高めることができる。

＜実施形態２＞
本実施の形態では、実施形態１とは異なるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。図８乃至図１０は、本実施の形態に係るアルカリ金属セル４００の作製方法の一例を示す図である。断面図は、上面図の鎖線Ａ−Ａに対応する。

実施形態１に係るアルカリ金属セル４０の構成と、本実施の形態に係るアルカリ金属セル４００の構成とで異なる点は、シリコン基板４２自体に空隙１２１を形成せずに、ガラス基板４１ｂとシリコン基板４２との間に、空隙１７５を形成する点である。

まず、図８（Ａ）に示すように、シリコン基板４２を準備する。シリコン基板４２は、１．５ｍｍ程度の厚さで形成され、両面に鏡面加工が施される。

次に、図８（Ｂ）に示すように、シリコン基板４２に、開口部１１１を形成する。開口部１１１の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。

次に、図８（Ｃ）に示すように、シリコン基板４２とガラス基板４１ａとを、陽極接合により接合する。陽極接合の条件等については、実施形態１の説明を参酌できる。

次に、図９（Ａ）に示すように、ガラス基板４１ｂの一方の面に、ヒーター４４を形成する。ヒーター４４の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。

次に、図９（Ｂ）に示すように、ガラス基板４１ｂの他方の面に、下地層１７３ａ（例えば、金属）及び接合層１７４（例えば、金属）を形成する。具体的には、ガラス基板４１ｂの他方の面に、スプレーコート法により、下地層１７３ｂ及び接合層１７４とならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、Ｃｒ膜（膜厚約２０ｎｍ）、Ｐｔ膜（膜厚約６０ｎｍ）、Ａｕ膜（膜厚約３００ｎｍ）を、順番に蒸着により形成し、レジストパターンをリフトオフ法により除去することで、下地層１７３ａを形成する。更に、スクリーン印刷法により、ＡｕＳｎ合金のペーストを下地層１７３ａに接するように形成し、ガラス基板４１ｂを約３００℃に加熱し、ＡｕＳｎ合金ペーストを融解させ、下地層１７３ａと共晶反応させることで、接合層１７４を形成する。下地層１７３ａ及び接合層１７４の形状は、開口部１１１を囲み、囲みの一部（ヒーター線パッド部１７２近傍）が広がるような形状である。

次に、図１０（Ａ）に示すように、シリコン基板４２の一方の面に下地層１７３ｂを形成する。具体的には、シリコン基板４２の一方の面に、スプレーコート法により、下地層１７３ｂとならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、Ｃｒ膜（膜厚約２０ｎｍ）、Ｐｔ膜（膜厚約６０ｎｍ）、Ａｕ膜（膜厚約３００ｎｍ）を、順番に蒸着により形成し、レジストパターンをリフトオフ法により除去することで、下地層１７３ｂを形成する。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、公知の技術により、アルカリ金属（例えば、セシウム）４３、及びＮ_２等のバッファガスを、開口部１１１に封止する。その後、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを金属共晶接合により接合する。具体的には、下地層１７３ｂと下地層１７３ａとを、接合層１７４を介して接触させ、温度約３００℃で加熱し、ＡｕＳｎの共晶反応を利用して、ヒーター線のパッド部１７２が、空隙１７５近傍に対応するように、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを接合する。これにより、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとの間に、下地層１７３（下地層１７３ａ、下地層１７３ｂ）及び接合層１７４の膜厚分の空隙１７５を形成することができる。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、ヒーター線パッド部１７２に、金属配線４５を接続する。

上述の作製方法により作製されたアルカリ金属セル４００は、ヒーター４４を加熱することで生じる開口部１１１と空隙１７５との間の温度差を利用して、液体のアルカリ金属セルを空隙１７５に集めることができる。その結果、レーザ光が透過する開口部１１１への液体のアルカリ金属の付着を抑制できるため、セルを透過する光量の変動を小さくすることができる。又、アルカリ金属セル４００の構成は、シリコン基板４２に空隙を形成する工程が不要になるという利点がある。

＜実施形態３＞
本実施の形態では、実施形態１とは異なるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。図１１及び図１２は、本実施の形態に係るアルカリ金属セル５００の作製方法の一例を示す図である。断面図は、上面図の鎖線Ａ−Ａに対応する。

実施形態１に係るアルカリ金属セル４０の構成と、本実施の形態に係るアルカリ金属セル５００の構成とで異なる点は、シリコン基板４２自体に空隙１２１を形成せずに、開口部を２つ形成し、且つ、開口部間を結ぶアルカリ金属蒸気の経路（連結部）を形成する点である。

まず、図１１（Ａ）に示すように、シリコン基板４２を準備する。シリコン基板４２は、１．５ｍｍ程度の厚さで形成され、両面に鏡面加工が施される。

次に、図１１（Ｂ）に示すように、シリコン基板４２に、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２を形成する。

具体的には、シリコン基板４２の一方の面にフォトリソグラフィを行い、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２とならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、ＩＣＰ等によるドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコン基板４２を、基板の厚さの半分程度まで除去する。又、シリコン基板４２の他方の面にもフォトリソグラフィを行い、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂとならない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、ドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコン基板４２を、基板の厚さの半分程度まで除去することで、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２を形成する。経路１１２は、シリコン基板４２を貫通しないように、一方の面からのエッチングのみにより、形成される。

開口部１１１ａ、開口部１１１ｂの形状は、一辺が約２ｍｍの正方形状であり、開口部間の間隔は約１ｍｍ、経路１１２の幅は約２００ｕｍである。形状、大きさ、等は特に限定されるものではない。

なお、シリコン基板４２のエッチングは、ドライエッチングに限定されるものではなく、例えば、ウェットエッチングを採用しても良い。ウェットエッチングを採用する場合、まず、シリコン基板４２の両面に、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、ＳｉＮ膜を成膜する。成膜されたＳｉＮ膜の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像を行い、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２が形成されない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。又、ＳｉＮ膜の他方の面にもフォトリソグラフィを行い、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂが形成されない領域にレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、エッチングガスとしてＣＦ_４を用いたドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のＳｉＮ膜を除去し、レジストパターンを除去することで、ＳｉＮ膜のマスクを形成する。更に、温度８５℃、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いるウェットエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のシリコンを除去することで、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２を形成する。その後、ＳｉＮ膜のマスクを、ＳｉＮを溶解する溶液を用いて、ウェットエッチング等により除去する。Ｓｉのウェットエッチングは、異方性エッチングであるため、開口部１１１ａ、開口部１１１ｂ、経路１１２の側面には、傾斜角５４．７の逆傾斜が形成される。

次に、図１１（Ｃ）に示すように、シリコン基板４２とガラス基板４１ａとを陽極接合により接合する。陽極接合の条件等については、実施形態１の説明を参酌できる。

次に、図１２（Ａ）に示すように、ガラス基板４１ｂの一方の面に、ヒーター４８を形成する。ヒーター４８の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。

ヒーター線配線部１７８の形状は、対向する２本の配線により、開口部１１１ａ及び１１１ｂを取り囲むような形状である。又、ヒーター線パッド部１７２の形状は、一辺が約４００ｕｍの正方形状である。

次に、図１２（Ｂ）に示すように、公知の技術により、セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属を含む化合物１３０を、開口部１１１ａに封止する。アルカリ金属を含む化合物１３０が封止された開口部１１１ａを、原料室１３１とする。アルカリ金属を封止する際には、真空中で封入するのではなく、Ｎ_２等のバッファガスとともに封止することが好ましい。バッファガスとしては、不活性ガスを用いることが好ましく、例えば、Ｎ_２ガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、ＮｅとＡｒとの混合ガス、等が挙げられる。その後、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを陽極接合により接合する。具体的には、減圧チャンバー内において、シリコン基板４２の一方の面にガラス基板４１ｂを接触させ、ヒーター線パッド部１７９が、原料室１３１の近傍に対応するように、シリコン基板４２とガラス基板４１ｂとを接合する。

次に、図１２（Ｃ）に示すように、アルカリ金属を含む化合物１３０からアルカリ金属を生成する。その後、ヒーター線パッド部１７９に、金属配線４５を接続する。例えば、アルカリ金属を含む化合物１３０として、大気中で安定なＣｓディスペンサを用いる場合、Ｃｓディスペンサを封止した後、Ｃｓディスペンサのみにレーザ光を照射し、Ｃｓディスペンサを加熱し、セシウムガスを発生させる。セシウムは、融点が約２８℃であるため、融点以上に加熱されることで液体と気体の混合状態となる。気体のセシウムは経路１１２を介して原料室１３１から開口部１１１ｂへと拡散し、液体のセシウムは、原料室１３１に留まる、又は、経路１１２に付着する。

上述の作製方法により作製されたアルカリ金属セル５００は、ヒーター４４を加熱することで生じる原料室１３１及び経路１１２と開口部１１１ｂとの間の温度差を利用して、液体のアルカリ金属セルを原料室１３１及び経路１１２に集めることができる。その結果、レーザ光が透過する開口部１１１ｂへの液体のアルカリ金属の付着を抑制できるため、セルを透過する光量の変動を小さくすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０ 光源
４０ アルカリ金属セル
４１ ガラス基板（透光性基板）
４２ シリコン基板
４３ アルカリ金属
４４ ヒーター
５０ 光検出器
１００ 原子発振器
１２１，１７５ 空隙
１１１ 開口部
１７１，１７８ ヒーター線配線部（配線部）
１７２，１７９ ヒーター線パッド部（パッド部）

特開２０１０−２０５８７５号公報 特開２０１４−５３６６１号公報

Claims (9)

1. 一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む基板と、
   前記開口部を介して対向し、前記基板の両面と接合する２つの透光性基板と、
   前記開口部に封止されるアルカリ金属と、
   少なくとも１つの透光性基板に形成され、前記開口部を加熱するヒーターと、を有し、
   前記開口部と連結する空隙に、液体のアルカリ金属が付着する、アルカリ金属セル。
2. 前記ヒーターは、前記開口部を取り囲むように形成される高温部と、前記空隙の近傍に形成される低温部と、を備え、
   前記低温部の発熱量は、前記高温部の発熱量と比較して小さい、請求項１に記載のアルカリ金属セル。
3. 前記空隙は、前記基板に形成される、請求項１又は２のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
4. 前記空隙は、前記基板と前記透光性基板との間に形成される、請求項１又は２のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
5. 前記基板は、複数の開口部、及び開口部間を連結する連結部を含み、
   前記空隙は、前記連結部又は少なくとも１つの開口部である、請求項１又は２のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
6. 前記低温部の幅は、前記高温部の幅と比較して長い、請求項２乃至５のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
7. 前記低温部の膜厚は、前記高温部の膜厚と比較して厚い、請求項２乃至５のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
8. 前記高温部は、対向する２本の配線により、前記開口部を取り囲む、請求項２乃至７のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
9. 請求項１乃至８に記載のアルカリ金属セルと、
   前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
   前記アルカリ金属セルを透過する光を検出する光検出器と、を有し、
   前記アルカリ金属セルは、減圧環境で封止される、原子発振器。

Images