JP2018067906A - 原子発振器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れた原子発振器を提供する。【解決手段】本原子発振器は、複数の部材を有し、前記複数の部材として、励起光を出射する光源、前記励起光により励起される原子を封入したガスセル、及び前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子を含み、前記複数の部材のうち少なくとも一部の部材が積層された量子部を備えた原子発振器であって、前記量子部において、少なくとも１組の隣接する部材の各々の側面には導電膜が形成され、かつ、前記１組の隣接する部材の対向する接合面には、各々の前記導電膜から延伸した互いに対向する接合用パターンが形成され、互いに対向する前記接合用パターンは、接合材料で接合されている。【選択図】図２

Description

本発明は、原子発振器及びその製造方法に関する。

極めて正確な時間を計る時計として、原子時計（原子発振器）が知られている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。

原子発振器は、例えば、光源、アルカリ金属を封入したガスセル、受光素子、ヒータ等を含む量子部を基板上に配置してケースに収容した構造とされている。量子部を備えた原子発振器としては、例えば、ガスセルを両方の側面側から２つの熱伝導の良好な金属製等の接続部材で嵌合し、ガスセルを嵌合した接続部材を基板にマウントし、接続部材がガスセルの支持と基板上のヒータの熱をガスセルに伝達する機能を有する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の構造では、２つの接続部材とガスセルとを嵌合させる複雑な工程が必要である。又、各部材の接合には樹脂製接着剤を用いた接着工程を採用しているため、正確な位置合わせのための専用装置が必要である。従って、量産することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、量産性に優れた原子発振器を提供することを課題とする。

本原子発振器は、複数の部材を有し、前記複数の部材として、励起光を出射する光源、前記励起光により励起される原子を封入したガスセル、及び前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子を含み、前記複数の部材のうち少なくとも一部の部材が積層された量子部を備えた原子発振器であって、前記量子部において、少なくとも１組の隣接する部材の各々の側面には導電膜が形成され、かつ、前記１組の隣接する部材の対向する接合面には、各々の前記導電膜から延伸した互いに対向する接合用パターンが形成され、互いに対向する前記接合用パターンは、接合材料で接合されていることを要件とする。

開示の技術によれば、量産性に優れた原子発振器を提供できる。

原子発振器の基本構成について説明する図である。 第１の実施の形態に係る原子発振器を例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。 第２の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。 第３の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。 第４の実施の形態に係る原子発振器を例示する断面図である。

以下、図面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。

〈第１の実施の形態〉
図１は、原子発振器の基本構成について説明する図である。図１を参照するに、原子発振器１は、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子発振器であり、量子部３００と、変調器４００とを有している。

量子部３００は、例えば、光源３１０、４分の１波長板３２１、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ３２２、アルカリ金属原子を封入したガスセル３３０、及び受光素子３４０を有している。ここでは、光源３１０として、励起光となるレーザ光を出射するレーザ素子を用いる例を示す。

原子発振器１において、光源３１０から出射されたレーザ光は、４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２を介してガスセル３３０に照射され、ガスセル３３０を透過したレーザ光が受光素子３４０に入射する。なお、ガスセル３３０には、所定方向の磁場が印加されている。

光源３１０からの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、ガスセル３３０に封入された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、アルカリ金属原子における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。

原子発振器１では、ガスセル３３０を透過する透過光の光量に基づいて光源３１０が制御される。具体的には、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３４０において検出された信号を変調器４００にフィードバックし、変調器４００により光源３１０からのレーザ光の変調周波数を調整する。

図２は、第１の実施の形態に係る原子発振器を例示する断面図である。図３は、第１の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。

図２及び図３を参照するに、原子発振器１は、真空封止したパッケージ１００に、量子部３００が配置された架橋構造物２００を収納した構造である。但し、変調器４００は、パッケージ１００の外部に設けることができる。パッケージ１００は、例えば、セラミック等から形成されたキャビティ部１１０とセラミック等から形成された蓋１２０とが、はんだ等の接合部１３０により接合された構造とすることができる。

キャビティ部１１０の底面には、はんだ等の接合部１４０により、架橋構造物２００が接合されている。架橋構造物２００は、支持基板２１０と、絶縁膜２２０と、土台２３０とを有している。架橋構造物２００の平面形状は、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度とすることができる。

なお、本実施の形態では、便宜上、蓋１２０側を上側又は一方の側、キャビティ部１１０側を下側又は他方の側とする。又、各部位の蓋１２０側の面を一方の面又は上面、キャビティ部１１０側の面を他方の面又は下面とする。又、各部位の上面と下面とを接続する面を側面とする。但し、原子発振器１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を絶縁膜２２０の一方の面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を絶縁膜２２０の一方の面の法線方向から視た形状を指すものとする。

支持基板２１０は、内側に矩形状の貫通部２１０ｘが形成された枠状（額縁状）の部材であり、例えば、シリコンから形成することができる。

絶縁膜２２０は、支持基板２１０の一方の側に設けられており、外周領域２２０ｏと、量子部配置領域２２０ｃと、架橋部２２０ｋとを備えている。絶縁膜２２０の材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂等を用いることができる。絶縁膜２２０の膜厚は、例えば、５μｍ程度とすることができる。絶縁膜２２０の膜厚を５μｍ程度と薄くすることで、高い熱抵抗を実現することができる。

外周領域２２０ｏは、支持基板２１０の上面を被覆する枠状の領域である。量子部配置領域２２０ｃは、量子部３００を固定するために確保されたスペースであり、支持基板２１０の貫通部２１０ｘ上に位置する絶縁膜２２０の略中央に、外周領域２２０ｏと離間して配置されている。

架橋部２２０ｋは、外周領域２２０ｏと量子部配置領域２２０ｃとを貫通部２１０ｘ上で架橋して量子部配置領域２２０ｃを支持している。架橋部２２０ｋの長さは例えば２ｍｍ程度、幅は例えば１ｍｍ程度とすることができる。

支持基板２１０の内側（貫通部２１０ｘ上）に位置する絶縁膜２２０には複数の開口部２２０ｘが設けられており、開口部２２０ｘにより、量子部配置領域２２０ｃと各々の架橋部２２０ｋとが分割されている。本実施の形態では、８個の開口部２２０ｘにより８カ所の架橋部２２０ｋを設けているが、架橋部２２０ｋの個数は、搭載する量子部３００の質量等を考慮して適宜決定することができる。

土台２３０は、量子部配置領域２２０ｃの下面に設けられている。土台２３０は、絶縁膜２２０の強度を補強する部材であり、例えば、シリコンから形成することができる。

外周領域２２０ｏ上に配置したパッドとキャビティ部１１０のリード端子とは、ボンディングワイヤ１９０で接続されている。キャビティ部１１０のリード端子は、キャビティ部１１０を貫通する貫通電極等により、キャビティ部１１０の外側に設けられた外部端子と接続されている。外部端子は、パッケージ１００の外部に設けられた変調器４００と接続することができる。

量子部３００は、架橋構造物２００を構成する絶縁膜２２０の略中央に位置する量子部配置領域２２０ｃに配置されている。量子部３００は、主要な構成要素として、光源３１０と、スペーサ３２０と、ガスセル３３０と、受光素子３４０とを有している。

光源３１０は、量子部配置領域２２０ｃの略中央に実装されている。光源３１０としては、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直共振器面発光レーザ）等を用いることができる。受光素子３４０としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。

又、量子部配置領域２２０ｃには、サーミスタや熱電対等の光源３１０の温度を検出するための温度センサ、光源３１０の温度を制御するためのヒータ、並びに光源３１０、温度センサ、及びヒータに接続される配線等を適宜設けることができる。光源３１０や温度センサの実装には、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ等を用いることができる。

又、量子部配置領域２２０ｃには、接合部１５０を介して、スペーサ３２０が接合されている。スペーサ３２０は、光学素子である４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２を縦方向に収容した収容部材である。スペーサ３２０には、光源３１０から出射される励起光が通過する貫通孔３２０ｘが設けられている。スペーサ３２０は、例えば、ガラスやシリコン等により形成することができる。

４分の１波長板３２１は、光源３１０から出射される励起光を直線偏光から円偏光に変換する機能を有している。ガスセル３３０に所定方向の磁場を印加した状態でアルカリ金属原子に円偏光の励起光を照射することで、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることが可能となる。その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。

ＮＤフィルタ３２２は、光源３１０から出射される励起光の強度を調整（減光）する機能を有している。ＮＤフィルタ３２２を設けることで、光源３１０から出射される励起光の強度が高い場合でも、ガスセル３３０に適切な強度の励起光を入射させることができる。但し、光源３１０から出射される励起光の強度によっては、ＮＤフィルタ３２２を設けなくてよい場合もある。

なお、光源３１０とガスセル３３０との間には、４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２以外の光学素子を配置してもよい。このような光学素子としては、例えば、コリメータレンズ等が挙げられる。

量子部配置領域２２０ｃには、スペーサ３２０を接合するために、４個の接合用パターン２４１が形成されている。４個の接合用パターン２４１のうち２個は外周領域２２０ｏ上に形成された受光素子３４０のアノード端子及びカソード端子用のパッド２４２にそれぞれ接続されている。

スペーサ３２０の側面には、２領域に分割された導電膜３２０Ａが形成されており、かつ、上下側に隣接する部材と対向する接合面（スペーサ３２０の上面及び下面）には、各々の導電膜３２０Ａから延伸した接合用パターン３２０Ｂが形成されている。スペーサ３２０の下面に形成された各々の接合用パターン３２０Ｂは、接合部１５０を介して、接合用パターン２４１と接続されている。

接合部１５０の材料としては、接合材料（接合に適した導電材料等）を用いることができる。以降の実施の形態では、接合部１５０の材料として、はんだを用いる例を示す。接合部１５０の材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。

但し、接合部１５０の材料は、はんだには限定されず、低融点金属、例えばインジュウム、錫等の単体金属も用いることができる。後述の接合部１６０や接合部１７０等についても同様である。

スペーサ３２０の上部にはガスセル３３０が積層されている。ガスセル３３０は、例えば、対向する２枚のガラス基板３３１及び３３３の外縁部同士を、枠状のシリコン基板３３２を介して接合して気密空間を形成した中空構造とされている。ガラス基板３３１及び３３３とシリコン基板３３２に囲まれた気密空間には、アルカリ金属原子のガスが封入されている。アルカリ金属原子としては、例えば、セシウム、ルビジウム、ナトリウム等が挙げられる。

ガスセル３３０の近傍等にヒータを配置し、ヒータからの熱でガスセル３３０を加熱し、ガスセル３３０内を所望の温度に調節することができる。これにより、ガスセル３３０中のアルカリ金属原子が加熱され、ガスセル３３０中のアルカリ金属原子を所望の濃度のガス状に維持することができる。

加熱に伴うガスセル３３０での消費電力を抑えるために、ガスセル３３０を含む量子部３００の熱抵抗を高くすることが好ましい。又、量子部３００での消費電力を下げるためには、量子部３００の熱抵抗を高くする以外に、輻射を抑える、真空封止する等の対策が必要である。

ガスセル３３０の側面には、２領域に分割された導電膜３３０Ａが形成されており、かつ、上下側に隣接する部材と対向する接合面（ガスセル３３０の上面及び下面）には、各々の導電膜３３０Ａから延伸した接合用パターン３３０Ｂが形成されている。ガスセル３３０の下面に形成された接合用パターン３３０Ｂは、接合部１６０を介して、スペーサ３２０の上面に形成された各々の接合用パターン３２０Ｂと接続されている。

接合部１６０の材料としては、接合材料（接合に適した導電材料等）を用いることができる。以降の実施の形態では、接合部１６０の材料として、はんだを用いる例を示す。接合部１６０の材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。

量子部３００の最上部には、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂにフリップチップ実装された受光素子３４０が配置されている。具体的には、受光素子３４０のアノード端子及びカソード端子には金バンプ３４１が形成され、接合部１７０を介して、ガスセル３３０の上面に形成された各々の接合用パターン３３０Ｂにフリップチップ実装されている。

接合部１７０の材料としては、接合材料（接合に適した導電材料等）を用いることができる。以降の実施の形態では、接合部１７０の材料として、はんだを用いる例を示す。接合部１７０の材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。

なお、図３では、説明の便宜上、受光素子３４０の受光面側が示されているが、受光素子３４０は実際には矢印のように反転して（受光面をガスセル３３０の上面側に向けて）配置される。

受光素子３４０のアノード端子及びカソード端子は、接合部１７０、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂ、ガスセル３３０の側面に形成された導電膜３３０Ａ、ガスセル３３０の下面に形成された接合用パターン３３０Ｂ、接合部１６０、スペーサ３２０の上面に形成された接合用パターン３２０Ｂ、スペーサ３２０の側面に形成された導電膜３２０Ａ、スペーサ３２０の下面に形成された接合用パターン３２０Ｂ、接合部１５０、及び接合用パターン２４１を経由して、パッド２４２と接続されている。

各部材の側面に形成された導電膜は、ガスセル３３０の熱が輻射により逃げるのを抑制する効果を奏する。高温物体から低温物体に対して、電磁波によりエネルギーが伝搬する現象が熱輻射であり、真空中でも熱が移動できる。高温物体から輻射される電磁波の波長分布はシュテファン＝ボルツマンの法則に従い、高温になるほど短波長の電磁波の割合が多くなるが、物体温度が１００℃前後の低温の場合、輻射される電磁波は赤外領域から遠赤外領域が殆どである。

熱輻射による熱の移動を抑制するには、高温物体からの熱輻射量を減らし、かつ低温物体における熱の吸収を減らす必要がある。熱輻射の起こりやすさは物質の種類と表面状態に大きく依存し、輻射率（放射率）と呼ばれる数値で表される。輻射率が大きいほど輻射が起こりやすく、一般に金属材料は輻射率が低く、非金属は輻射率が高い。又、滑らかに研磨された表面は輻射率が低く、粗い面や酸化膜で覆われた金属は輻射率が高くなる。

ガスセル３３０を構成するガラス基板３３１及び３３３やシリコン基板３３２は、輻射率が高いため熱輻射の点では不利である。スペーサ３２０についても同様である。そこで、導電膜３２０Ａや３３０Ａとして、被被覆物を構成する材料よりも輻射率が低い金属材料を用い、例えばガスセル３３０やスペーサ３２０の表面、土台２３０の裏面及び受光素子３４０の裏面をコーティングすることにより、熱輻射を低減することができる。

導電膜３２０Ａや３３０Ａを構成する輻射率の小さい金属材料としては特に限定しないが、銅、銀、金、クロム、ニッケル、アルミニウム或いはこれらの合金等を用いることが可能であり、特に化学的に安定で酸化膜を作らない金を使うことが最も好ましい。

なお、本実施の形態では、各部材の側面に配置した導電膜を２領域に分割したが、これには限定されず、その他の電気配線が必要な場合には、必要に応じて３領域以上に分割してもよい。又、必要に応じて、導電膜の一部を延伸してガスセル３３０の加熱用のヒータ等と接続することもできる。

次に、図３に加え、図４及び図５を参照しながら、第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程について説明する。図４及び図５は、第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。

まず、架橋構造物２００を作製する。架橋構造物２００の支持基板２１０は、例えば、シリコンを用いたＭＥＭＳ技術等で形成することができる。又、絶縁膜２２０は、例えば、感光性のポリイミド系樹脂等を用いて、フォトリソグラフィ技術等で形成することができる。又、接合用パターン２４１やパッド２４２を含む配線は、例えば、蒸着法やスパッタ法によりＴｉとＰｔとＡｕとを順次積層した積層膜等を成膜し、リフトオフ法やスパッタエッチング法によりパターニングすることで形成できる。

次に、架橋構造物２００の絶縁膜２２０の量子部配置領域２２０ｃの略中央に、はんだを用いて光源３１０を実装（ダイボンディング）する。ここでは、一例として、光源３１０の実装に、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだを用いる。光源３１０を実装後、図４（ａ）に示すように、光源３１０が実装された架橋構造物２００を組立治具５１０の凹部５１０ｘに収納する。なお、組立治具５１０には、複数の位置合わせピン５１５が設けられている。

次に、図４（ｂ）に示すように、組立治具５１０の上に、位置合わせピン５１５を用いて、開口部５２０ｘを備えた組立治具５２０を配置する。次に、図４（ｃ）に示すように、量子部配置領域２２０ｃに、量子部３００の光源３１０以外の構成部品を組み立てる。量子部３００は、以下のようにして組み立てることができる。

まず、架橋構造物２００の接合用パターン２４１上にプロピレングリコールを塗布した後、接合部１５０となるはんだ箔１５０Ｐを仮置きする。はんだ箔１５０Ｐの材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。ＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより低融点のはんだを用いると好適である理由は、先にダイボンディングされた光源３１０のダイボンド材のＡｕＳｎの再溶融による悪影響を避けるためである。なお、プロピレングリコールは、後工程の蟻酸熱処理プロセスにおいて除去される。

次に、量子部配置領域２２０ｃに、４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２を縦方向に収容したスペーサ３２０を配置する。なお、スペーサ３２０の側面の２領域には導電膜３２０Ａが形成され、スペーサ３２０の上下面には導電膜３２０Ａが延伸された接合用パターン３２０Ｂが形成されている。スペーサ３２０は、下面に形成された接合用パターン３２０Ｂが、はんだ箔１５０Ｐを介して、接合用パターン２４１と対向するように配置される。

なお、導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂは、例えば、スパッタリング装置を用いて形成できる。下地の部材（この工程では、スペーサ３２０）が絶縁物でない場合には、導電膜３２０Ａの下地として絶縁物（例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物等）を形成した後に、導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂを形成する。

導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂは、複数の膜が積層された積層膜としてもよい。この場合、導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂの最表面には、赤外線の輻射率が低い金属、例えば金をコートすることができる。又、半田による金食われによる断線を防止するため、金の下層に例えば白金を形成することができる。更に、白金と絶縁物との密着性を向上するため、白金の下層に例えばチタンやクロムを形成することができる。

具体的には、例えば、スパッタリング装置において、絶縁物を製膜し、次に導電膜を連続して成膜することができる。成膜の際に、コート不要な場所をメタルマスクで遮蔽することで、複数の導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂを形成することができる。導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂは、他の一般的な半導体フォトリソ技術や薄膜成膜技術を使って形成してもよい。

次に、スペーサ３２０の上面に形成された接合用パターン３２０Ｂ上に、プロピレングリコールの塗布、接合部１６０となるはんだ箔１６０Ｐの仮置、プロピレングリコールの塗布を順に行う。はんだ箔１６０Ｐの材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。なお、プロピレングリコールは、後工程の蟻酸熱処理プロセスにおいて除去される。

次に、スペーサ３２０の上面にガスセル３３０を配置する。ガスセル３３０は、例えば、対向する２枚のガラス基板３３１及び３３３の外縁部同士を、枠状のシリコン基板３３２を介して接合した構造とされ、ガラス基板３３１及び３３３とシリコン基板３３２に囲まれた領域に、アルカリ金属の原子のガスが封入されている。ガラス基板３３１及び３３３とシリコン基板３３２との接合は、例えば、陽極接合により行うことができる。

ガスセル３３０の側面の２領域には導電膜３３０Ａが形成され、ガスセル３３０の上下面には導電膜３３０Ａが延伸された接合用パターン３３０Ｂが形成されている。ガスセル３３０は、下面に形成された接合用パターン３３０Ｂが、はんだ箔１６０Ｐを介して、スペーサ３２０の上面に形成された接合用パターン３２０Ｂと対向するように配置される。なお、導電膜３３０Ａ及び接合用パターン３３０Ｂは、例えば、導電膜３２０Ａ及び接合用パターン３２０Ｂと同様な方法により形成できる。

次に、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂ上に、プロピレングリコールの塗布、接合部１７０となるはんだ箔１７０Ｐの仮置、プロピレングリコールの塗布を順に行う。はんだ箔１７０Ｐの材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。なお、プロピレングリコールは、後工程の蟻酸熱処理プロセスにおいて除去される。

次に、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂ上に、アノード端子及びカソード端子に金バンプ３４１が形成された受光素子３４０をフリップチップで配置する。受光素子３４０は、アノード端子及びカソード端子が、金バンプ３４１を介して、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂに仮置きされたはんだ箔１７０Ｐと対向するように配置される。

ここで、スペーサ３２０、ガスセル３３０、及び受光素子３４０の平面形状を略同一としておき、かつ、組立治具５２０の開口部５２０ｘの平面形状をスペーサ３２０、ガスセル３３０、及び受光素子３４０の平面形状よりも若干大きく形成しておく。これにより、接合用パターン２４１、スペーサ３２０、ガスセル３３０、及び受光素子３４０を容易に位置決めできる。

なお、スペーサ３２０、ガスセル３３０、及び受光素子３４０と、組立治具５２０の開口部５２０ｘとのクリアランスは、接合用パターンにより決定される位置合わせ精度に基づいて、適宜決定することができる。

次に、図４（ｃ）に示す組立治具５１０及び５２０を蟻酸処理専用装置のチャンバー内に設置し、２００℃程度の蟻酸還元雰囲気で酸化物を除去した後、はんだ箔１５０Ｐ、１６０Ｐ、及び１７０Ｐの融点以上の温度ではんだ付けを行う。はんだ付け工程では、はんだ箔１５０Ｐ、１６０Ｐ、及び１７０Ｐが溶けた際に発生する表面張力を利用したセルフアライメント作用を利用して、各部材の位置合わせが行われる。

ここで、セルフアライメントとは、溶融して液化したはんだ箔等の表面張力により生じる復元力により、各部材の位置ずれが修正され、各部材の位置合わせが自動的に行われることである。

なお、はんだで接合する工程を蟻酸還元雰囲気中で行うことにより、フラックスレスではんだ付けが可能となり、フラックスによる光学素子の特性劣化、フラックスからの脱ガスの影響を除去して、はんだ接合が可能になる。

次に、セラミック製等のキャビティ部１１０の内部の４隅の所定の場所に、プロピレングリコールの塗布、接合部１４０となるはんだ箔の仮置、プロピレングリコールの塗布を順に行う。

そして、図５（ａ）に示すように、図４（ｃ）に示す組立治具５１０及び５２０から量子部３００が配置された架橋構造物２００を取出し、キャビティ部１１０の内部に配置する。架橋構造物２００は、支持基板２１０の下面が接合部１４０となるはんだ箔と接するように配置される。

その後、キャビティ部１１０をホットプレート等で加熱して接合部１４０となるはんだ箔を溶融後凝固させ、キャビティ部１１０と支持基板２１０とをはんだ付けする。接合部１４０となるはんだ箔の材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、又はＡｕＳｎはんだより融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。次に、外周領域２２０ｏ上に配置した配線パッドとキャビティ部１１０のリード端子とを、ボンディングワイヤ１９０で接続する。

次に、図５（ｂ）に示すように、キャビティ部１１０の外枠上に、接合部１３０となるはんだ箔を口型（額縁状）に形成し、蓋１２０を配置する。そして、真空中で加熱して接合部１３０となるはんだ箔を溶融後凝固させ、キャビティ部１１０と蓋１２０とを封止する。接合部１３０となるはんだ箔の材料としては、量子部３００の組立の際に使用したはんだの中でも最も低融点のもの、或いはそれ以下の融点のはんだを使用する。以上の工程により、原子発振器１が完成する。

なお、以上の工程説明では、各部材を接合するはんだ箔の供給を組立工程の中で行っていたが、量子部３００の組立前に、各部材の接合用パターン上に予めはんだ箔を形成することも可能である。

このように、原子発振器１では、量子部３００において、隣接する部材であるスペーサ３２０とガスセル３３０の側面には、複数の領域に分割された導電膜が形成されている。そして、これら隣接する部材の対向する接合面には、各々の導電膜から延伸した互いに対向する接合用パターンが形成され、互いに対向する接合用パターンは、はんだで接合されている。

すなわち、原子発振器１の量子部３００は、背景技術で説明した構造のように、２つの接続部材とガスセルとを嵌合させる複雑な構造を有していなく、又、隣接する部材の接合には、はんだを用いており、樹脂製接着剤は用いていない。

原子発振器１の製造工程では、隣接する部材の接合時に、はんだのセルフアライメント作用を使った位置合わせを行うため、従来のような正確な位置合わせのための専用装置（例えば、ダイボンダー等）が不要となり、安価な３次元構造の量子部３００を作製できる。又、量子部３００を構成する隣接する部材は、簡易な治具に接合用パターンの寸法程度の位置合わせ精度で積上げて熱処理するだけで接合できるため、量産性に優れた原子発振器１を実現できる。

又、隣接する部材の接合に樹脂製接着剤を用いていないことで、パッケージ１００内で樹脂製接着剤がガス発生源となって原子発振器１の特性を劣化させるおそれを排除できる。

又、量子部３００を構成する各部材の側面に導電膜を配置することで、輻射による熱の逃げを抑制することが可能となり、量子部３００を適切な温度に保持し易くなるため、原子発振器１の消費電力を下げることができる。

更に、隣接する部材において、導電膜の一部を延伸して形成した対向する接合用パターン同士を、はんだを使って接合可能とした。そのため、最上部の受光素子３４０と絶縁膜２２０上のパッドとの電気的接続をボンディングワイヤを使わずに行うことができるため、量子部３００の組立が容易となる。

なお、接合部に表面張力の大きな金を主成分としたＡｕＳｎはんだを用いることで、溶融して液化したはんだの表面張力により生じる復元力が大きくなるため、好適なセルフアライメントが可能となる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、各々の接合面に、側面に形成された１つの導電膜から延伸した複数個の接合用パターンが形成される例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第２の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。図６を参照するに、原子発振器１Ａにおいて、スペーサ３２０の側面の２領域には、原子発振器１と同様に、導電膜３２０Ａが形成されている。

但し、原子発振器１とは異なり、スペーサ３２０の側面の各々の導電膜３２０Ａは、上下側に隣接する部材との接合面にまで延伸され、１つの導電膜３２０Ａについて、上面及び下面の角部に２領域ずつ接合用パターン３２０Ｃが形成されている。

言い換えれば、スペーサ３２０の上面には、一方の導電膜３２０Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２０Ｃと、他方の導電膜３２０Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２０Ｃとが、４つの角部に配置されている。

同様に、スペーサ３２０の下面には、一方の導電膜３２０Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２０Ｃと、他方の導電膜３２０Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２０Ｃとが、４つの角部に配置されている。各々の接合用パターン３２０Ｃの平面形状は、例えば、正方形とすることができる。

量子部配置領域２２０ｃには、スペーサ３２０を接合するために、４個の接合用パターン２４１Ａが形成されている。４個の接合用パターン２４１Ａのうち２個は外周領域２２０ｏ上に形成された受光素子３４０のアノード及びカソード用のパッド２４２にそれぞれ接続されている。

各々の接合用パターン２４１Ａの平面形状は、各々の接合用パターン３２０Ｃの平面形状に対応しており、例えば、正方形とすることができる。

このように、上下側に隣接する部材との接合面に延伸される接合用パターンを複数個に分けることで、上下側に隣接する部材との接合時のはんだ消費量を押さえることができる。又、上下側に隣接する部材との接合面に延伸される接合用パターンを複数個に分けて相対的にはんだ接合箇所同士を離すことで、セルフアライメント時の復元力を大きくすることができるため、上下側に隣接する部材とのより正確な位置合わせが可能になる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第２の実施の形態において、４分の１波長板及びＮＤフィルタにも導電膜及び接合用パターンを形成する例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図７は、第３の実施の形態に係る原子発振器を例示する分解図である。図７を参照するに、原子発振器１Ｂにおいて、４分の１波長板３２１の側面の２領域には、導電膜３２１Ａが形成されている。又、４分の１波長板３２１の側面の各々の導電膜３２１Ａは、上下側に隣接する部材との接合面にまで延伸され、１つの導電膜３２１Ａについて、上面及び下面の角部に２領域ずつ接合用パターン３２１Ｂが形成されている。

言い換えれば、４分の１波長板３２１の上面には、一方の導電膜３２１Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２１Ｂと、他方の導電膜３２１Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２１Ｂとが、４つの角部に配置されている。

同様に、４分の１波長板３２１の下面には、一方の導電膜３２１Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２１Ｂと、他方の導電膜３２１Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２１Ｂとが、４つの角部に配置されている。各々の接合用パターン３２１Ｂの平面形状は、例えば、正方形とすることができる。

又、ＮＤフィルタ３２２の側面の２領域には、導電膜３２２Ａが形成されている。又、ＮＤフィルタ３２２の側面の各々の導電膜３２２Ａは、上下側に隣接する部材との接合面にまで延伸され、１つの導電膜３２２Ａについて、上面及び下面の角部に２領域ずつ接合用パターン３２２Ｂが形成されている。

言い換えれば、ＮＤフィルタ３２２の上面には、一方の導電膜３２２Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２２Ｂと、他方の導電膜３２２Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２２Ｂとが、４つの角部に配置されている。

同様に、ＮＤフィルタ３２２の下面には、一方の導電膜３２２Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２２Ｂと、他方の導電膜３２２Ａから延伸した２領域の接合用パターン３２２Ｂとが、４つの角部に配置されている。各々の接合用パターン３２２Ｂの平面形状は、例えば、正方形とすることができる。

スペーサ３２０の上面の接合用パターン３２０Ｃと４分の１波長板３２１の下面の接合用パターン３２１Ｂ、及び４分の１波長板３２１の上面の接合用パターン３２１ＢとＮＤフィルタ３２２の下面の接合用パターン３２２Ｂは、接合部１６０及び１７０と同様のはんだによりセルフアライメントで接合される。又、ＮＤフィルタ３２２の上面の接合用パターン３２２Ｂとガスセル３３０の下面の接合用パターン３３０Ｂは、接合部１７０によりセルフアライメントで接合される。図７に示す各部材の組立は、図４と同様の組立治具により行うことができる。

このように、４分の１波長板及びＮＤフィルタに導電膜及び接合用パターンを形成してもよい。この場合には、４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２をスペーサ３２０に収容した場合と比べて、単純な中空状スペーサ構造となり部品コストが低減できる点で好適である。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第１の実施の形態とは受光素子の配置が異なる例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図８は、第４の実施の形態に係る原子発振器を例示する断面図である。図８を参照するに、原子発振器１Ｃにおいて、キャビティ部１１０の底面には、はんだ等の接合部１４０により、架橋構造物２００Ｃが接合されている。架橋構造物２００Ｃは、支持基板２１０と、絶縁膜２２０とを有している（土台２３０は有していない）。

又、原子発振器１Ｃでは、受光素子３４０を量子部３００Ｃから分離し、キャビティ部１１０の底面に実装している。受光素子３４０は、絶縁膜２２０を挟んで量子部３００Ｃとは反対側に配置されている。受光素子３４０は受光部を絶縁膜２２０側に向けて実装されており、受光素子３４０のアノード及びカソードは、ボンディングワイヤ１９５を介して、キャビティ部１１０の底面に形成されたパッド１９６にそれぞれ接続されている。

量子部３００Ｃは、架橋構造物２００Ｃを構成する絶縁膜２２０の略中央に位置する量子部配置領域２２０ｃに配置されている。量子部３００Ｃは、主要な構成要素として、光源３１０と、スペーサ３２０と、ガスセル３３０とを有している。

量子部３００Ｃでは、量子部３００とは異なり、量子部配置領域２２０ｃには、接合部１５０を介してガスセル３３０が実装されている。そして、ガスセル３３０の上部には、接合部１６０を介して、４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２を縦方向に収容したスペーサ３２０が、ＮＤフィルタ３２２をガスセル３３０側に向けて接合されている。なお、スペーサ３２０及びガスセル３３０における導電膜及び接合用パターンの構造や、隣接する部材間の接合方法は、量子部３００の場合と同様である。

スペーサ３２０の上部には、接合部１７０を介して、光源３１０が接合されている。光源３１０は発光部をスペーサ３２０側に向けて実装されている。スペーサ３２０には、光源３１０から出射される励起光が通過する貫通孔３２０ｙが設けられている。

光源３１０の接続端子は、接合部１７０、スペーサ３２０の上面に形成された接合用パターン３２０Ｂ、スペーサ３２０の側面に形成された導電膜３２０Ａ、スペーサ３２０の下面に形成された接合用パターン３２０Ｂ、接合部１６０、ガスセル３３０の上面に形成された接合用パターン３３０Ｂ、ガスセル３３０の側面に形成された導電膜３３０Ａ、ガスセル３３０の下面に形成された接合用パターン３３０Ｂ、接合部１５０を経由して、絶縁膜２２０上に形成された光源３１０用のパッドと接続されている。

光源３１０から出射された励起光は、スペーサ３２０に設けられた貫通孔３２０ｙを通って４分の１波長板３２１及びＮＤフィルタ３２２を経由し、ガスセル３３０に達する。ガスセル３３０を透過した光は、絶縁膜２２０に設けられた開口部２２０ｙを通過して受光素子３４０の受光部に入射する。

このように、受光素子３４０を量子部３００Ｃから分離したことで、支持基板２１０の絶縁膜２２０上に形成していた受光素子用の配線が削減される。そのため、熱の逃げが抑えられ絶縁膜２２０の熱抵抗を更に増加させることが可能となり、より低消費電力な量子部を実現できる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 原子発振器
１００ パッケージ
１１０ キャビティ部
１２０ 蓋
１３０、１４０、１５０、１６０、１７０ 接合部
１９０、１９５ ボンディングワイヤ
１９６、２４２ パッド
２００、２００Ｃ 架橋構造物
２１０ 支持基板
２１０ｘ 貫通部
２２０ 絶縁膜
２２０ｘ、２２０ｙ 開口部
２３０ 土台
２２０ｏ 外周領域
２２０ｃ 量子部配置領域
２２０ｋ 架橋部
２４１、２４１Ａ 接合用パターン
３００、３００Ｃ 量子部
３１０ 光源
３２０ スペーサ
３２０Ａ、３２１Ａ、３２２Ａ、３３０Ａ 導電膜
３２０Ｂ、３２１Ｂ、３２２Ｂ、３３０Ｂ、３２０Ｃ 接合用パターン
３２０ｘ、３２０ｙ 貫通孔
３２１ ４分の１波長板
３２２ ＮＤフィルタ
３３０ ガスセル
３３１、３３３ ガラス基板
３３２ シリコン基板
３４０ 受光素子
３４１ 金バンプ
４００ 変調器

特開２０１５−７０４７４号公報

Claims (18)

1. 複数の部材を有し、
   前記複数の部材として、励起光を出射する光源、前記励起光により励起される原子を封入したガスセル、及び前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子を含み、
   前記複数の部材のうち少なくとも一部の部材が積層された量子部を備えた原子発振器であって、
   前記量子部において、少なくとも１組の隣接する部材の各々の側面には導電膜が形成され、かつ、前記１組の隣接する部材の対向する接合面には、各々の前記導電膜から延伸した互いに対向する接合用パターンが形成され、互いに対向する前記接合用パターンは、接合材料で接合されていることを特徴とする原子発振器。
2. 前記受光素子は、接続端子としてアノード端子及びカソード端子を含み、
   前記導電膜は分割され、分割された前記導電膜の一方は前記アノード端子に接続され、他方は前記カソード端子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 分割された前記導電膜が形成される前記部材の一方に面には前記受光素子が接続され、他方の面には前記複数の部材に含まれる他の部材が接続されることを特徴とする請求項２に記載の原子発振器。
4. 前記量子部は、前記光源、前記１組の隣接する部材の一方である前記ガスセル、及び前記受光素子、を含み、
   前記量子部は、絶縁膜上に配置され、
   前記量子部の最上部には、前記ガスセルの上面に形成された前記接合用パターンにフリップチップ実装された前記受光素子が配置され、
   前記ガスセルと前記絶縁膜との間には、前記１組の隣接する部材の他方が配置され、
   前記受光素子の接続端子は、少なくとも前記ガスセルの側面に形成された前記導電膜及び前記１組の隣接する部材の他方の側面に形成された前記導電膜を経由して、前記絶縁膜に形成されたパッドと接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の原子発振器。
5. 前記１組の隣接する部材の他方は、前記光源と前記ガスセルとの間に配置された光学素子を収容する収容部材であることを特徴とする請求項４に記載の原子発振器。
6. 前記１組の隣接する部材の他方は、前記光源と前記ガスセルとの間に配置された光学素子であることを特徴とする請求項４に記載の原子発振器。
7. 前記絶縁膜は、枠状の外周領域と、前記外周領域の内側に前記外周領域と離間して配置された量子部配置領域と、前記外周領域と前記量子部配置領域とを架橋して前記量子部配置領域を支持する架橋部と、を備え、
   前記量子部は、前記量子部配置領域の上面側に配置され、
   前記複数の部材のうち少なくとも一部の部材は中空構造であり、
   前記量子部配置領域の下面側には、土台が設けられ、
   前記土台の裏面は、前記土台を構成する材料よりも輻射率の低い金属で被覆されていることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載の原子発振器。
8. 前記量子部は、前記光源及び前記ガスセルを含み、
   前記受光素子は、前記量子部と分離して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
9. 前記量子部は、絶縁膜上に配置され、
   前記光源と前記ガスセルとの間に、前記１組の隣接する部材の一方である収容部材に収容された光学素子が配置され、
   前記量子部の最上部には、前記収容部材の上面に形成された前記接合用パターンに実装された前記光源が配置され、
   前記収容部材と前記絶縁膜との間には、前記１組の隣接する部材の他方である前記ガスセルが配置され、
   前記光源の接続端子は、少なくとも前記収容部材の側面に形成された前記導電膜及び前記ガスセルの側面に形成された前記導電膜を経由して、前記絶縁膜に形成されたパッドと接続されていることを特徴とする請求項８に記載の原子発振器。
10. 前記受光素子は、前記絶縁膜を挟んで前記量子部とは反対側に配置され、
    前記光源から出射された前記励起光は、前記光学素子、前記ガスセルを経由し、前記絶縁膜に形成された開口部を通過して、前記受光素子に入射することを特徴とする請求項９に記載の原子発振器。
11. 前記受光素子の接続端子は、アノード端子及びカソード端子を含み、
    前記受光素子のアノード端子及びカソード端子には金バンプが形成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の原子発振器。
12. 各々の前記接合面には、前記側面に形成された１つの前記導電膜から延伸した複数個の前記接合用パターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の原子発振器。
13. 前記導電膜の材料は金を含むことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の原子発振器。
14. 前記導電膜は下地に絶縁層を有していることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の原子発振器。
15. 前記複数の部材のうちの第１の部材と第２の部材とを接合する第１の接合材料と、前記第２の部材と第３の部材とを接合する第２の接合材料とは融点が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか一項に記載の原子発振器。
16. 前記第１の接合材料又は前記第２の接合材料は、ＡｕＳｎはんだであることを特徴とする請求項１５に記載の原子発振器。
17. 複数の部材を有し、前記複数の部材として、励起光を出射する光源、前記励起光により励起される原子を封入したガスセル、及び前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子を含み、前記複数の部材のうち少なくとも一部の部材が積層された量子部を備えた原子発振器の製造方法であって、
    前記量子部において、少なくとも１組の隣接する部材の各々の側面には導電膜が形成され、かつ、前記１組の隣接する部材の対向する接合面には、各々の前記導電膜から延伸した互いに対向する接合用パターンが形成され、
    前記互いに対向する接合用パターンを、接合材料で接合する工程を有することを特徴とする原子発振器の製造方法。
18. 前記接合材料で接合する工程は、蟻酸還元雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１７に記載の原子発振器の製造方法。

Images