JP2019165332A - 電子デバイスおよび原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】支持部材と基板との間の熱伝導を従来に比して抑えることができる電子デバイスを提供する。【解決手段】電子デバイスは、少なくとも電子部品を含む複数の部品と、開口部２１６を有する支持部材２１０と、支持部材２１０に固定される支持膜２２０と、開口部２１６に対応する領域の内側の支持膜２２０に設けられる独立部材２３０と、を有する。複数の部品は、独立部材２３０に対応する位置に配置され、支持膜２２０を介して支持部材２１０に支持される。【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイスおよび原子発振器に関する。

極めて正確に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、受光素子およびヒータ等を含む量子部を配置した基板を、支持部材上に配置してパッケージに収容した構造とされている。支持部材は、矩形状を有し、四隅近辺にパッケージを構成する基体と脚部を介して固定される。基板と支持部材との間の熱伝導を抑えるために、基板は、凹部が設けられた支持部材上に設けられたり、複数の柱部を介して支持部材上に設けられたりする（例えば、特許文献１参照）。

従来の技術では、支持部材と基板との間の接触を小さくすることで熱伝導を抑制しようとしている。しかし、支持部材上に量子部を支持するためには、支持部材と基板との間の接合箇所を大きくしたり、あるいは柱部の肉厚を大きくしたりしなければならず、十分に熱伝導を抑制することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、支持部材と基板との間の熱伝導を従来に比して抑えることができる電子デバイスおよび原子発振器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、少なくとも電子部品を含む複数の部品と、開口部を有する支持部材と、前記支持部材に固定される支持膜と、前記開口部に対応する領域の内側の前記支持膜に設けられる独立部材と、を有し、前記複数の部品は、前記独立部材に対応する位置に配置され、前記支持膜を介して前記支持部材に支持されることを特徴とする電子デバイスである。

本発明によれば、支持部材と基板との間の熱伝導を抑えることができるという効果を奏する。

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２は、第１の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。 図３は、第１の実施の形態による原子発振器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。 図４は、第１の実施の形態による原子発振器を構成する支持構造部の構成の一例を示す図である。 図５−１は、第１の実施の形態による支持構造部の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。 図５−２は、第１の実施の形態による支持構造部の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。 図６は、第１の実施の形態による支持構造部の製造方法の手順の一部の一例を示す下面図である。 図７は、第１の実施の形態による支持構造部への量子部の接合方法の一例を示す図である。 図８は、第２の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。 図９は、第３の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、電子デバイスおよび原子発振器の実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態では、電子デバイスが原子発振器である場合を例に挙げて説明する。

（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。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、および受光素子３４０を有する部品である。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および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の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。図３は、第１の実施の形態による原子発振器の構成の一例を模式的に示す分解斜視図である。

原子発振器１は、真空封止したパッケージ１００に、量子部３００が配置された支持構造部２００を収納した構造である。ただし、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。なお、キャビティ部１１０の側面には、パッケージ１００側のリード端子が配置される端子配置部１１２が設けられている。

キャビティ部１１０の底面１１１には、はんだ等の接合部１４０により、支持構造部２００が接合され、支持構造部２００上に、部品である量子部３００が支持されている。第１の実施の形態では、キャビティ部１１０の底面１１１が平坦となっている領域に支持構造部２００が設けられる。支持構造部２００は、支持部材２１０と、支持膜２２０と、独立部材２３０と、を有している。

なお、以下の実施の形態では、便宜上、蓋１２０側を上側または一方の側、キャビティ部１１０側を下側または他方の側とする。また、各部位の蓋１２０側の面を一方の面または上面、キャビティ部１１０側の面を他方の面または下面とする。また、各部位の上面と下面とを接続する面を側面とする。ただし、原子発振器１は天地逆の状態で用いることができ、または任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物を支持膜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支持膜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。

支持部材２１０は、矩形の枠状（額縁状）の部材である。すなわち、支持部材２１０は、開口部２１６を有する平板状の部材である。支持部材２１０は、例えば、シリコンから形成される。

支持膜２２０は、支持部材２１０の一方の面の全面に、具体的には、支持部材２１０に設けられる開口部２１６を覆うように、設けられる。このように支持膜２２０を設けることで、機械的強度を確保している。支持膜２２０は、支持部材２１０および独立部材２３０よりも小さい熱伝導率を有する。支持膜２２０の材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂等の樹脂を用いることができる。支持膜２２０の膜厚は、例えば、５〜１０μｍ程度とすることができる。支持膜２２０の膜厚を５〜１０μｍ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。

支持膜２２０の中央付近には、量子部配置領域２２０ｃが設けられる。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、支持部材２１０の開口部２１６上に位置する支持膜２２０の略中央に配置されている。

独立部材２３０は、量子部配置領域２２０ｃを含む領域の支持膜２２０の下面側に設けられる。独立部材２３０は、量子部３００を構成する各部材を積み上げる際に支持膜２２０を固定するとともに、支持膜２２０への部材配置による荷重に対する耐性を持たせるために設けられる。独立部材２３０は、支持部材２１０の開口部２１６内に支持部材２１０と接触しないように配置される。すなわち、独立部材２３０は、支持部材２１０から所定の距離を置いて、あるいは支持部材２１０から孤立した状態で、支持部材２１０に支持膜２２０で固定されている。また、独立部材２３０は、下面でキャビティ部１１０の底面１１１と接触しないように、支持部材２１０の厚さよりも薄くなっている。独立部材２３０は、例えば、シリコンから形成される。また、独立部材２３０は、支持部材２１０と同じ材料によって構成することができる。

このように、独立部材２３０を支持部材２１０から孤立させることで、独立部材２３０上に設けられるヒータ２４４を作動させた場合に、独立部材２３０の熱伝導率が支持膜２２０の熱伝導率よりも高いので、独立部材２３０内での加熱を均一化させることができる。この例では、光源３１０およびガスセル３３０を加熱するヒータ２４４は、独立部材２３０が配置された支持膜２２０上に形成される。支持膜２２０がたとえばポリイミド膜からなる場合には、ポリイミド膜の熱容量が小さく、その熱応答は速く、熱伝導率が小さい。そのため、ヒータ２４４近傍とポリイミド膜とでは温度差が大きくなると考えられるが、支持膜２２０よりも熱伝導のよい独立部材２３０を貼り付けることで、支持膜２２０の温度分布を均一化することができる。

支持構造部２００の上面の周縁部上に配置したパッドと、キャビティ部１１０の端子配置部１１２に設けられるリード端子と、は、ボンディングワイヤ１９０で接続される。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って、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、支持構造部２００を構成する支持膜２２０の略中央に位置する量子部配置領域２２０ｃに配置される。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、を有する。

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。

また、量子部配置領域２２０ｃには、サーミスタまたは熱電対等の光源３１０の温度を検出する温度センサ２４３、光源３１０の温度を制御するヒータ２４４、並びに光源３１０、温度センサ２４３およびヒータ２４４に接続される配線等を適宜設けることができる。光源３１０および温度センサ２４３の実装には、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだまたは鉛フリーはんだ等を用いることができる。

また、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および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、絶縁性でかつ熱伝導性のよい材料からなる。スペーサ３２０は、例えば、ガラス等により構成される。

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、所望のエネルギ準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギ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。ただし、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および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が配置される。４個の接合用パターン２４１のうち２個は支持部材２１０の周縁部に形成された受光素子３４０のアノード端子およ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が設けられる。スペーサ３２０の上下に隣接する部材と対向する接合面（スペーサ３２０の上面および下面）には、各々の導電膜３２０Ａから延伸した接合用パターン３２０Ｂが設けられる。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。

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３３１，３３３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３３１，３３３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２４４を配置し、ヒータ２４４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。また、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が設けられる。ガスセル３３０の上下に隣接する部材と対向する接合面（ガスセル３３０の上面および下面）には、各々の導電膜３３０Ａから延伸した接合用パターン３３０Ｂが設けられる。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。

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のアノード端子およ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。

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。

接合部１５０，１６０，１７０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１５０，１６０，１７０の材料として、はんだを用いる例を示す。接合部１５０，１６０，１７０の材料としては、例えば、融点２８０℃のＡｕＳｎはんだ、またはＡｕＳｎはんだよりも融点の低いはんだ（例えば、ＳｎＡｇＣｕはんだ等）を用いることができる。ただし、接合部１５０，１６０，１７０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。

受光素子３４０のアノード端子およびカソード端子は、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、および接合用パターン２４１を経由して、パッド２４２と接続される。

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。また、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３３１，３３３およびシリコン基板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，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およびスペーサ３２０の表面、支持構造部２００の独立部材２３０の裏面並びに受光素子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，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、アルミニウムまた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。また、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。

ここで、原子発振器１の支持構造部２００のさらに詳細な構造について説明する。図４は、第１の実施の形態による原子発振器を構成する支持構造部の構成の一例を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は下面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

支持部材２１０は、矩形の枠状の支持基板２１１を有する。つまり、矩形状の支持基板２１１の中心付近に矩形状の開口部２１６が設けられた構造を有する。支持基板２１１の上面には、絶縁膜２１２が形成される。支持基板２１１の上面に一面に張られた支持膜２２０が絶縁膜２１２を介して設けられる。すなわち、枠状の支持基板２１１の上面は、シート状の支持膜２２０によって覆われる。支持膜２２０は、絶縁膜２１２上に設けられる第１の支持膜２２１と、第１の支持膜２２１上に設けられる第２の支持膜２２２と、を有する。

第１の支持膜２２１上には、パターニングされた配線層２２３が設けられる。このパターニングされた配線層２２３を保護するために、配線層２２３が配置された第１の支持膜２２１上の略全面に第２の支持膜２２２が配置される。第２の支持膜２２２の所定の位置には、下層の配線層２２３が露出するようにボンディングパッド用の開口部２２２Ａが設けられる。第１の支持膜２２１および第２の支持膜２２２は、例えば厚さ５μｍのポリイミド膜で構成される。

支持基板２１１の開口部２１６内には、独立部材２３０を構成する独立基板２１１ａが設けられる。独立基板２１１ａは、例えば矩形状を有する。独立基板２１１ａの上面は、絶縁膜２１２を介して支持膜２２０（第１の支持膜２２１）と接続されている。独立基板２１１ａは、支持基板２１１の厚さよりも薄くなっている。独立基板２１１ａの厚さが支持基板２１１の厚さと同じである場合には、キャビティ部１１０の底面１１１に支持構造部２００を配置した時に、独立基板２１１ａの下面がキャビティ部１１０の底面１１１と接触してしまい、量子部３００の熱がキャビティ部１１０を介して逃げてしまう。そのため、独立基板２１１ａの厚さを支持基板２１１の厚さよりも薄くしている。支持基板２１１および独立基板２１１ａは、例えばシリコン基板によって構成される。

上記したように、独立基板２１１ａの側面は、支持基板２１１の内側の側面と接触していない。すなわち、独立基板２１１ａは、支持基板２１１の開口部２１６内で、支持基板２１１の内側の側面から所定の距離を置いて配置され、下面から見ると独立基板２１１ａと支持基板２１１との間で、支持膜２２０が露出した状態にある。このように、独立基板２１１ａと支持基板２１１との間は、支持膜２２０を介して接続されるだけであるので、熱の移動に関して、独立基板２１１ａは支持基板２１１からほぼ影響を受けない。また、独立基板２１１ａから支持基板２１１への熱伝導も略考慮しなくてよい。

支持基板２１１の下面の絶縁膜２１３上および独立基板２１１ａの下面上には、金属膜２１４が設けられる。金属膜２１４は、輻射抑制のため、およびパッケージ１００との固定のために設けられる。金属膜２１４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ薄膜などを用いることができる。

支持部材２１０の下面の一部には、開口部２１６側と支持部材２１０の外側とを結ぶ溝２１５が設けられる。支持部材２１０の上面の全面に支持膜２２０を設ける構造であるので、支持構造部２００をキャビティ部１１０の底面１１１に配置すると、支持構造部２００と底面１１１との間の空間に大気が残存してしまう。そこで、溝２１５を設けることによって、原子発振器１を組み立てる際の真空封止工程で、パッケージ１００に支持構造部２００を固定した後に、支持構造部２００とキャビティ部１１０の底面１１１とで囲まれた空間の大気を排気することができるようにしている。この例では、溝２１５は、支持部材２１０の四隅に設けられる場合が示されている。溝２１５の深さは、例えば独立基板２１１ａの厚さとすることができる。

以上のように、中空構造を有する支持構造部２００で、量子部３００を支持することができる。

つぎに、原子発振器１の支持構造部２００の製造方法について説明する。図５−１〜図５−２は、第１の実施の形態による支持構造部の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。図６は、第１の実施の形態による支持構造部の製造方法の手順の一部の一例を示す下面図である。

まず、図５−１（ａ）および図６（ａ）に示されるように、支持基板２１１および独立基板２１１ａとなる基板２１１Ｃを用意する。基板２１１Ｃとしては、例えば厚さが３００μｍのシリコン基板を用いることができる。ついで、基板２１１Ｃの表面に絶縁膜２１２，２１３を形成する。具体的には、基板２１１Ｃの上面に絶縁膜２１２が形成され、下面に絶縁膜２１３が形成される。絶縁膜２１２，２１３の厚さとしては、例えば１μｍとすることができる。基板２１１Ｃがシリコン基板である場合には、熱酸化などの方法によって、絶縁膜２１２，２１３としてシリコン酸化膜が形成される。また、絶縁膜２１２，２１３として、シリコン窒化膜を用いてもよい。

その後、基板２１１Ｃの下面の絶縁膜２１３上にレジストを塗布し、リソグラフィ技術および現像技術によって、矩形状の開口部２１６を形成するためのレジストパターン２５１を形成する。リソグラフィ技術として、例えば密着露光などを用いることができる。なお、ここでは、基板２１１Ｃは、ウェハであり、ウェハから複数の支持構造部２００を形成する場合を示す。そのため、露光では、基板２１１Ｃを複数の矩形状の領域に分け、それぞれの領域でレジストパターン２５１を形成することになる。たとえば、基板２１１Ｃとしてオリエンテーションフラットが設けられているウェハを用いる場合には、レジストパターン２５１の開口部の一辺がオリエンテーションフラットと平行となるように露光される。

ついで、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などのドライエッチング技術を用いて、レジストパターン２５１をマスクとして、絶縁膜２１３を除去する。基板２１１Ｃがシリコン基板の場合には、エッチングガスとしてＣＦ₄およびＨ₂の混合ガスを用いることができる。

その後、図５−１（ｂ）に示されるように、レジストパターン２５１を除去した後、絶縁膜２１２，２１３をマスクとして、異方性エッチングによって、基板２１１Ｃの下面を所定の深さまでエッチングし、凹部２１６ａを形成する。ここでは、独立基板２１１ａの厚さが残るように、例えば基板２１１Ｃの半分の厚さとなるように、基板２１１Ｃがエッチングされる。基板２１１Ｃがシリコン基板であり、絶縁膜２１２，２１３がシリコン酸化膜である場合には、異方性エッチングとして、ＴＭＡＨ（Tetramethylammonium hydroxide）溶液を用いることができる。また、基板２１１Ｃがシリコン基板であり、絶縁膜２１２，２１３がシリコン窒化膜である場合には、ＫＯＨ溶液を用いることができる。ＴＭＡＨ溶液を用いた異方性エッチングでは、エッチング面が比較的平坦に仕上がるという利点があり、ＫＯＨ溶液を用いた異方性エッチングでは、エッチング速度が速いという利点がある。これらの他に、ドライエッチングを用いて凹部２１６ａを形成してもよい。

ついで、図５−１（ｃ）に示されるように、基板２１１Ｃの上面の絶縁膜２１２上に第１の支持膜２２１を形成する。第１の支持膜２２１として、例えば厚さ５μｍのポリイミド膜が形成される。ポリイミド膜は、例えばスピンコート法で塗布した後、プリベーク処理、露光処理、現像処理およびイミド化するためのベーク処理を行うことで形成される。

その後、図５−１（ｄ）に示されるように、第１の支持膜２２１上に配線層２２３を形成する。配線層２２３は、光源３１０、温度センサ２４３およびヒータ２４４等の配線からなる。配線層２２３は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ薄膜によってリフトオフ法で形成される。

ついで、図５−１（ｅ）に示されるように、配線層２２３を形成した第１の支持膜２２１上に、配線層２２３を保護する第２の支持膜２２２を形成する。第２の支持膜２２２として、例えば厚さ１μｍのポリイミド膜を用いることができる。その後、配線層２２３上の所定の位置に電極パッド用の開口部２２２Ａを形成する。第１の支持膜２２１および第２の支持膜２２２によって支持膜２２０が構成される。

その後、図５−２（ｆ）および図６（ｂ）に示されるように、基板２１１Ｃの下面にメタルマスク２５２を配置し、マスクデポジション法によって金属膜２１４を形成する。金属膜２１４として、例えば基板２１１Ｃ側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した薄膜を形成することができる。基板２１１Ｃの下面の周縁部では、後に溝２１５が形成される四隅の対角線付近を除いた領域の絶縁膜２１３上に金属膜２１４が形成され、四隅の対角線付近の絶縁膜２１３上には、金属膜２１４は形成されない。また。凹部２１６ａ内では、後に独立基板２１１ａとなる領域の基板２１１Ｃ上に金属膜２１４が形成され、それ以外の領域の基板２１１Ｃ上には、金属膜２１４は形成されない。図６（ｂ）に示されるような金属膜２１４のパターンとするには、メタルマスク２５２からの制約で、支持基板２１１の位置に対応する外枠パターンに２つ以上の支持マスクパターンが必要となる。図６（ｂ）の例では、溝２１５の形成位置に対応して四隅に支持マスクパターンを配置したメタルマスク２５２を用いている。

ついで、図５−２（ｇ）に示されるように、基板２１１Ｃの上面側に接着層２５３を介してダミー基板２５４を貼り付ける。接着層２５３として、処理終了後にダミー基板２５４を基板２１１Ｃから容易に剥離することができる材料が使用される。接着層２５３として、例えばワックスを用いることができる。ダミー基板２５４は、後に基板２１１Ｃ（絶縁膜２１２）の上面までエッチングした際の支持膜２２０を支持する役割を有する。ダミー基板２５４として、例えばシリコン基板を用いることができる。基板２１１Ｃの上面の支持膜２２０上およびダミー基板２５４に接着層２５３を塗布した後、基板貼り付け装置で基板２１１Ｃとダミー基板２５４が貼り付けられる。なお、図５−２（ｇ）以降の図では、基板２１１Ｃの上下を逆にして描いている。すなわち、紙面の上方が基板２１１Ｃの下面となり、紙面の下方が基板２１１Ｃの上面となる。

その後、図５−２（ｈ）に示されるように、基板２１１Ｃの下面に形成した金属膜２１４をマスクとして、ドライエッチングによって、絶縁膜２１２が露出するまで基板２１１Ｃをエッチングする。これによって、凹部２１６ａでは、金属膜２１４が形成された領域の周囲の基板２１１Ｃが除去され、周縁部の基板２１１Ｃと分離され、独立した形状となる。また、基板２１１Ｃが厚さ方向に貫通される状態となり、凹部２１６ａは開口部２１６となり、開口部２１６の外側には、枠状の支持基板２１１が形成される。以下では、開口部２１６によって囲まれた基板を独立基板２１１ａといい、開口部２１６の外側に残された基板を支持基板２１１という。また、このとき、支持基板２１１の四隅の対角線付近では、金属膜２１４が設けられていないので、溝２１５が形成される。ドライエッチングとして、例えばＳＦ₆をガスに用いたＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング法を使用することができる。

ついで、図５−２（ｉ）に示されるように、ウェットエッチングによって、支持膜２２０が露出するまで、絶縁膜２１２を除去する。絶縁膜２１２がシリコン酸化膜である場合には、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングを行うことができる。これによって、支持膜２２０上には、絶縁膜２１２、独立基板２１１ａおよび金属膜２１４が積層された独立部材２３０が形成される。また、独立部材２３０の周囲には、支持膜２２０上に絶縁膜２１２、支持基板２１１、絶縁膜２１３および金属膜２１４が積層された支持部材２１０が形成される。

その後、ダイシングによってチップ化し、接着層２５３を除去してダミー基板２５４を剥すことで、図４に示される配線層２２３を含む支持膜２２０を一面に形成した支持構造部２００が形成される。なお、接着層２５３としてワックスを用いる場合には、有機溶剤を用いてワックスを溶かすことができる。

以上のような方法によって、厚さの異なる支持基板２１１および独立基板２１１ａを、１つの基板２１１Ｃから同一工程で製造することが可能になる。

なお、上記した説明では、同一の基板２１１Ｃからのエッチングで支持基板２１１および独立基板２１１ａと支持膜２２０との接合体を作製したが、実施の形態がこれに限定されるものではない。たとえば、支持膜２２０を張り付けた支持部材２１０とは別の工程で独立部材２３０を作製し、後に独立部材２３０を支持膜２２０に貼り付けてもよい。

また、支持部材２１０と異なる面に独立部材２３０を配置する場合には、上記したようにエッチングで同時に支持基板２１１および独立基板２１１ａを形成することはできない。このような場合には、ウェハ単位で支持膜２２０および開口部２１６が形成され、独立部材２３０が支持膜２２０の異なる面に貼り付けされてから、ダイシングソーで個別化される。

以上のように形成された支持構造部２００上に、量子部３００が接合される。この接合方法について、簡単に説明する。図７は、第１の実施の形態による支持構造部への量子部の接合方法の一例を示す図である。原子発振器１を組み立てる場合に、ステージ５００に支持構造部２００を載置する。ステージ５００の載置面５０１の面積は、支持構造部２００の開口部２１６の開口面積よりも小さくされる。また、載置面５０１の面積は、量子部配置領域２２０ｃよりも大きいことが望ましい。図７の例では、載置面５０１は、周囲よりも突出した構造となっている。これによって、載置面５０１上には、支持構造部２００の独立部材２３０を載置することができる。また、載置面５０１の中心付近には、真空吸着孔５０２が設けられており、真空吸着によって載置面５０１上の支持構造部２００を固定する。

図７に示されるように、ステージ５００の載置面５０１上に、支持構造部２００の独立部材２３０の下面を載せ、真空吸着孔５０２からの吸引によって載置面５０１上で支持構造部２００を保持する。その後、支持構造部２００の上面の量子部配置領域２２０ｃ上に、量子部３００の主要部材が積み上げられる。このように、支持膜２２０の下面に設けられた独立部材２３０をステージ５００で保持した状態で量子部３００の主要部材の積み上げが行われるので、主要部材の配置時にかかる荷重にも支持膜２２０は耐えることができる。

なお、上記した説明では、独立部材２３０は、支持膜２２０の支持部材２１０と同じ側（同一面）に配置される場合を示したが、支持膜２２０の支持部材２１０が設けられる面とは対向する面に設けられてもよい。この場合には、量子部３００は、独立部材２３０上に接合されることになる。ただし、この場合にも、量子部３００は、支持膜２２０を介して支持部材２１０に支持される構造であることは、上記した説明と同様である。

第１の実施の形態では、枠状の支持部材２１０の一方の面の全面に開口部２１６を覆うように支持膜２２０を張り付け、開口部２１６の形成位置に対応する支持膜２２０に、支持部材２１０とは孤立させた状態で独立部材２３０を設けた。そして、独立部材２３０が設けられた支持膜２２０上に量子部３００を配置した。これによって、量子部３００と支持部材２１０との間は支持膜２２０で接合されるが、支持膜２２０の熱伝導率が支持部材２１０よりも小さいので、量子部３００と支持部材２１０との間の熱伝導を従来に比して抑制することができる。これによって、量子部３００での温度変化を小さくすることができるので、原子発振器１の消費電力を従来に比して小さくすることができるという効果を有する。

また、支持膜２２０の熱伝導率が支持部材２１０よりも小さいので、支持膜２２０（独立部材２３０）と量子部３００との間の接触面積を過度に小さくする必要がなくなり、量子部３００の支持膜２２０への接合箇所に必要な強度を保たせることが可能になる。

さらに、同一の基板２１１Ｃからエッチングによって支持基板２１１および独立基板２１１ａを支持膜２２０上に形成したので、量産性に優れた３次元構造の原子発振器１を製造することができるという効果も有する。

また、支持膜２２０に独立部材２３０を設けたので、支持膜２２０上に量子部３００の主要部材を積み上げる時にかかる荷重にも耐えることができる。その結果、支持膜２２０上への量子部３００の３次元実装を実現することができるという効果を有する。

（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。以下では、第１の実施の形態と異なる部分について説明し、第１の実施の形態と同一の構成には、同一の符号を付してその説明を省略する。

第２の実施の形態では、キャビティ部１１０の端子配置部１１２の位置を底面１１１付近に設け、キャビティ部１１０の端子配置部１１２と支持構造部２００とで、中空構造を構成する場合を示している。たとえば、支持構造部２００の支持基板２１１の厚さを１５０μｍとした場合に、端子配置部１１２の上面の位置は、例えば底面１１１から１５０μｍの位置とすることができる。また、端子配置部１１２の上面には、支持構造部２００を載置することができるように、対向する端子配置部１１２間の距離が、対向する支持部材２１０間の距離と略等しくなるようにしている。つまり、底面１１１の面積は、支持構造部２００に設けられる開口部２１６の開口面積と略同じ広さとなる。これによって、端子配置部１１２の上面の面積は、リード端子に加えて、支持構造部２００の支持部材２１０を載置することができる広さとなる。

また、支持構造部２００は、キャビティ部１１０の底面１１１に対して段差を有する端子配置部１１２に配置されるため、独立部材２３０の厚さを、支持部材２１０の厚さと略同じにすることができる。これによって、例えば第１の実施の形態の図５−１（ａ）〜（ｃ）で凹部２１６ａを形成する工程が不要となり、工程数が短縮され、歩留まりが向上する。

第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態による原子発振器の構成の一例を示す断面図である。以下では、第１および第２の実施の形態と異なる部分について説明し、第１および第２の実施の形態と同一の構成には、同一の符号を付してその説明を省略する。

第３の実施の形態では、支持部材２１０は、周縁部上に配置されたボンディングパッド用の開口部２２２Ａと電気的に接続される貫通電極２１８をさらに備える。そして、貫通電極２１８が、キャビティ部１１０の端子配置部１１２のパッケージ側リード端子と電気的に接続される。この場合には、支持部材２１０に予め貫通電極２１８を形成し、キャビティ部１１０の端子配置部１１２に、支持構造部２００の貫通電極２１８をはんだなどで固着すればよい。このような構造とすることで、支持構造部２００とキャビティ部１１０との間で、ワイヤボンディングでの電気的な接続が不要となる。

第３の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１〜第３の実施の形態では、原子発振器１を例に挙げて説明してきたが、少なくとも電子部品を含む部品を支持構造部２００上で支持する構造の電子デバイス全般について、第１〜第３の実施の形態を適用することができる。

１ 原子発振器
１００ パッケージ
１１０ キャビティ部
１１１ 底面
１１２ 端子配置部
１２０ 蓋
１３０，１４０，１５０，１６０，１７０ 接合部
１９０ ボンディングワイヤ
２００ 支持構造部
２１０ 支持部材
２１１ 支持基板
２１１ａ 独立基板
２１１Ｃ 基板
２１２，２１３ 絶縁膜
２１４ 金属膜
２１５ 溝
２１６ 開口部
２１６ａ 凹部
２１８ 貫通電極
２２０ 支持膜
２２０ｃ 量子部配置領域
２２１ 第１の支持膜
２２２ 第２の支持膜
２２３ 配線層
２３０ 独立部材
２４３ 温度センサ
２４４ ヒータ
２５１ レジストパターン
２５２ メタルマスク
２５３ 接着層
２５４ ダミー基板
３００ 量子部
３１０ 光源
３２０ スペーサ
３３０ ガスセル
３４０ 受光素子
４００ 変調器

特開２０１５−７０４７４号公報

Claims (10)

1. 少なくとも電子部品を含む複数の部品と、
   開口部を有する支持部材と、
   前記支持部材に固定される支持膜と、
   前記開口部に対応する領域の内側の前記支持膜に設けられる独立部材と、
   を有し、
   前記複数の部品は、前記独立部材に対応する位置に配置され、前記支持膜を介して前記支持部材に支持されることを特徴とする電子デバイス。
2. 前記支持部材および前記独立部材は、同一の材料からなる請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記支持部材および前記独立部材は、シリコン基板を含む請求項１または２に記載の電子デバイス。
4. 前記支持膜は、前記開口部を覆うように前記支持部材の一方の面を覆っている請求項１に記載の電子デバイス。
5. 前記支持部材および前記独立部材は、前記支持膜の同一面に配置されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子デバイス。
6. 前記独立部材は、前記支持部材よりも薄い請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子デバイス。
7. 前記支持部材の前記支持膜が固定されていない側の面には、複数の溝が設けられる請求項１〜６のいずれか１つに記載の電子デバイス。
8. 前記支持膜は、樹脂により構成されている請求項１〜７のいずれか１つに記載の電子デバイス。
9. 前記支持部材および前記独立部材の前記支持膜が固定されていない側の面には、金属膜が設けられる請求項１〜８のいずれか１つに記載の電子デバイス。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の電子デバイスを含み、
    前記複数の部品は、アルカリ金属原子のガスが封入されたガスセルと、前記ガスセルにレーザ光を照射する光源と、前記ガスセルを透過した前記レーザ光の強度を検出する受光素子と、を含む原子発振器。
    
    

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