JP5712066B2 - 磁場計測装置、磁場計測装置製造方法 - Google Patents
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図1は、本発明の実施形態1に係る磁場計測装置が備えるガスセルの上面図である。本実施形態1におけるガスセルは、基板102の上面にガラス基板101を配置し、下面にガラス基板103を配置した、ガラス・基板・ガラスの3層構成を有する。ガラス基板101と103は、ガスセルを覆う「蓋部」に相当する。
基板102上に形成したマスク材料105を用いたリソグラフィ等により、空洞111と空洞112に対応するパターンを基板102上に形成し、エッチング等により基板102に貫通穴を開けて空洞111と空洞112を形成する。マスク材料105としては、例えば酸化シリコン膜を用いることができる。エッチングの例として、SiF4(四フッ化ケイ素)ガスを用いたドライエッチングが挙げられる。
空洞111と空洞112の断面は、必ずしも垂直である必要はなく、斜めあるいは段差があってもよい。したがって、例えばKOH(水酸化カリウム)水溶液等を用いたウェットエッチング、あるいはレーザやドリル等により直接基板102を加工し、空洞111と空洞112を形成してもよい。
工程(a)の結果、空洞111と空洞112に対応する貫通穴が基板102上に形成される。マスク材料105を塗布した位置を除く箇所に貫通穴が形成されている。
アルカリ金属物質121を空洞111に内包した状態で、基板102の上下からガラス基板101とガラス基板103を基板102に接着もしくは接合し、空洞111と空洞112を密閉する。ガラス基板101および103の材質としてホウケイ酸ガラスを用い、基板102の材質としてシリコン基板を用いた場合は、これら3層を例えば陽極接合により接合することができる。ガラス基板101および103と基板102の間に密閉性が保たれていればその他の手法を用いてもよい。例えば、接着材等を用いてこれら3層を張り合わせてもよい。
ガラス基板101またはガラス基板103を接着または接合する際に、窒素等の非磁性ガスまたは希ガス等の緩衝ガス雰囲気下で接着または接合を実施し、空洞111と空洞112にこれら緩衝ガスを同時に封入してもよい。緩衝ガスを封入することにより、アルカリ金属ガスのスピン散乱を抑制する効果を発揮する。
アルカリ金属物質121は、アルカリ金属ガスを発生させるために空洞111に内包しているため、アルカリ金属物質121の代わりに、アルカリ金属を含有する化合物を用いることもできる。この場合は、基板102にガラス基板101とガラス基板103を接着または接合し、空洞111を密閉した後に、加熱反応等によりアルカリ金属ガスを発生させる。
基板102の上面にガラス基板101を配置し、基板102の下面にガラス基板103を配置することにより、空洞111および空洞112を密閉した後、連通路114を形成する箇所に高エネルギーレーザを走査しながら照射し、または照射位置を変えながら複数回照射する。これにより、レーザを照射した部分の基板102が蒸発し、連通路114が形成される。高エネルギーレーザを同一箇所に複数回照射し、蒸発するシリコンを増加させることにより、連通路114の厚み(高さ方向のサイズ)を調整することができる。
ここでは、高エネルギーレーザを用いて連通路114を作成しているが、連通路114は、空洞111に内包したアルカリ金属物質121が空洞112に拡散することを防ぐ構成であればよいので、例えばリソグラフィとエッチングを用いて連通路114を作成することもできる。
連通路114の厚さは、アルカリ金属物質121が空洞112へ拡散せずアルカリ金属ガスのみが拡散する程度にすることが望ましい。そのため、図1〜図3では見易さのため連通路114を太く図示しているが、実際の連通路114の幅は1〜100μm程度、厚さ(高さ方向のサイズ)は1〜100μm程度とすることが望ましい。
以上のように、本実施形態1に係る磁場計測装置は、空洞111と空洞112の間に隔壁を備え、空洞112から見た高さ方向の開口サイズが隔壁の高さよりも小さい連通路114によって各空洞を連通させている。連通路114は隔壁の高さ方向の一部のみに設けられているので、空洞111内のアルカリ金属ガスは連通路114を通って空洞112に伝搬するが、アルカリ金属物質121は空洞112に拡散しにくい。これにより、アルカリ金属物質121が空洞112の内壁に過度に付着して照射光が透過することの妨げになることを抑制できる。すなわち、照射光の光路を妨げるアルカリ金属物質121が光路から分離して配置されているため、透過レーザ強度が安定し、磁場計測装置の検出性能を安定させることができる。
先に述べた非特許文献4では、従来技術において用いられているガラス製のガスセル内壁をコーティングしている。しかし、本発明において採用している、MEMS技術を用いて小型化したガラス・シリコン基板・ガラスの3層構造からなるガスセルの内壁をコーティングした技術は開示されていない。そこで本発明の実施形態2では、実施形態1で説明した構成の下で、空洞112の内壁をコーティングした構成例およびその製造手順について説明する。
アルカリ金属物質121を空洞111内に配置し、コーティング材料122を空洞112内に配置した状態で、ガラス基板101とガラス基板103を基板102に接着または接合し、空洞111と空洞112を密閉する。接着または接合の方法は実施形態1と同様である。
基板102の上面にガラス基板101を配置し、基板102の下面にガラス基板103を配置することにより、空洞111および空洞112を密閉した後、ガスセル全体を加熱することにより、空洞112に内包したコーティング材料122を気化させ、その後冷却する。これにより、コーティング材料122が空洞112の内壁面に層状に形成される。このとき、アルカリ金属物質121から発生したアルカリ金属ガスは空洞112には存在しないため、コーティング材料122とアルカリ金属物質121が混ざることなく、空洞112の内壁をコーティングすることができる。
空洞112の内壁をコーティングした後、実施形態1と同様に連通路114を形成する箇所に高エネルギーレーザを走査しながら照射し、または照射位置を変えながら複数回照射する。これにより、レーザを照射した部分の基板102とコーティング材料122が蒸発し、連通路114が形成される。
本工程において、高エネルギーレーザを照射することにより基板102が局所的に加熱されるため、空洞112の連通路114付近の領域に形成されたコーティング材料122も加熱されて再び気化し、結果として当該領域のコーティング材料122がはがれる可能性が考えられる。しかし、連通路114は、空洞111に内包されたアルカリ金属物質121から発生したアルカリ金属ガスが連通路114を通って空洞112に拡散する目的で形成するため、幅は1〜100μm、高さは1〜100μm程度である。空洞111は、1辺1〜10mm程度の正方形と想定すると、空洞111の表面積に対して連通路114が空洞111に接する面積は100分の1以下であるため、連通路114を形成することによってコーティング材料122がはがれる程度は微小であり、大きな影響とはならない。
以上のように、本実施形態2に係る磁場計測装置は、空洞112をコーティング材料122によってコーティングしている。これにより、アルカリ金属原子のスピンが空洞112の内壁に衝突して失活することを抑制できる。
図7は、本発明の実施形態3に係る磁場計測装置が備えるガスセルの上面図である。本実施形態3におけるガスセルは、実施形態2と同様の構成を有するが、製造工程において空洞111と空洞112を個別に封止する点が異なる。また、各空洞を個別に封止する過程において、基板102とは別の基板104を用いる。
基板104の材質として、例えばシリコン基板を用いることができる。基板102と104上に、例えばフォトリソグラフィとエッチングにより空洞111および空洞112に相当する貫通穴を形成する。空洞111内にアルカリ金属物質121を配置した状態で、基板102の上面からガラス基板101を接着または接合し、基板102の下面から基板104を接着または接合する。本工程により、空洞111のみが封止される。
基板104および基板102をシリコン基板で形成し、ガラス基板103をホウケイ酸ガラスで形成した場合は、基板104と基板102は接着または熱接合により接合し、基板102とガラス基板103は陽極接合により接合することができる。
アルカリ金属物質121の替わりにアルカリ金属化合物を含有する化合物を配置した場合、ガラス基板101、基板102、基板104を接着または接合し、空洞111が密閉された段階で、加熱反応等によりアルカリ金属化合物を分解しアルカリ金属ガスを発生させてもよい。
空洞112内にコーティング材料122を配置した状態で、基板104の下面からガラス基板103を接着または接合する。本工程により、空洞112が封止される。
空洞112が密閉された状態で、ガスセルを加熱し、コーティング材料122を気化させる。その後ガスセルを冷却し、コーティング材料122によって空洞112の内壁を覆う。
本工程では、実施形態2と同様の手法で、連通路114を形成する。
以上のように、本実施形態3に係る磁場計測装置は、空洞111と空洞112をそれぞれ個別に封止する。これにより、空洞111にアルカリ金属物質121の代わりにアルカリ金属化合物を配置した際に、コーティング材料122を配置する前にアルカリ金属化合物の化学分解反応を実施することができる。したがって、例えば高温処理のようなコーティング材料122に影響を与える工程を、コーティング材料122から切り離して実施することができる。
実施形態1〜3において、空洞112内に封入する緩衝ガスの混合比、圧力などのパラメータは、磁場計測装置の実際の用途によって個々に調整する必要がある。しかし、これらパラメータを個別に調整することは、製造コストなどの増加につながる。そこで本発明の実施形態4では、磁場計測装置を製造した後、これらパラメータを調整することができる構成例を説明する。
例えばフォトリソグラフィとエッチングにより、基板102上にそれぞれ空洞111〜113に対応する貫通穴を形成し、基板104上に空洞111と空洞112に対応する貫通穴を形成する。基板102の下面にガラス基板103を接着または接合し、基板102の上面に基板104を接着または接合する。これら基板を接着または接合する手法は、実施形態3と同様である。
本工程は、窒素ガス等の不活性ガスもしくは希ガス、またはその混合ガスの雰囲気下で実施し、これらガスを空洞113内に封止する。本工程の時点では、空洞111と空洞112の上部が開放されているため、空洞113内に封入するガスは、空洞111および空洞112には封入されない。
空洞111内にアルカリ金属物質121を配置し、基板104の上面にガラス基板101を接着もしくは接合する。本工程は、空洞111と空洞112に封入するガス雰囲気の下で実施し、これらガスを空洞111と空洞112の内部に封止する。
実施形態1〜3と同様の手法により、空洞111と空洞112を接続する連通路114を形成する。これにより、ガスセルはいったん完成する。さらに、空洞112内の不活性ガスあるいは希ガスの圧力調整、または混合ガスの混合比を変更するため、必要に応じて空洞112といずれかの空洞113の間に連通路114を形成する。
以上のように、本実施形態4に係る磁場計測装置は、空洞112内の緩衝ガスとは異なるガス種、圧力などを有するガスを内包した空洞113を1以上備える。空洞113と空洞112を必要に応じて連通路114で接続することにより、空洞112内の緩衝ガスの圧力および混合比を調整することができる。なお、この効果を得るためには、空洞112と空洞113に内包したガス雰囲気が異なればよく、例えば空洞112と空洞113のいずれかが真空であってもよい。
実施形態1〜4では、連通路114は直線状としたが、これに限られるものではない。本発明の実施形態5では、連通路114の形状が実施形態1〜4とは異なる構成例について説明する。
基板102上に形成したマスク材料105を用いて、リソグラフィにより連通路114のパターンを形成する。その後、エッチング等により基板102上に空洞111と112に相当する貫通穴を形成する。また、これと同時に、連通路114に相当するL字形の溝部分を形成する。
本工程では、空洞111と空洞112を形成する際に連通路114も併せて形成しているが、同様の構成を得られれば、空洞111と空洞112を形成した後に連通路114を形成してもよい。また、実施形態1と同様に、ガラス基板101とガラス基板103を接着または接合した後に高エネルギーレーザを照射することにより、連通路114を形成してもよい。後者の場合には、基板104は、高エネルギーレーザに対して透明な材質である必要がある。
基板104上に形成した空洞111および空洞112の形状および位置は、基板102上に形成した空洞111および空洞112の形状および位置と必ずしも一致する必要はない。基板104と基板102を接着または接合した後に、基板104上の空洞111および空洞112と、基板102上の空洞111および空洞112が、各空洞を形成できる程度に重なり合えばよい。
ガラス基板101、基板104、基板102、およびガラス基板103をそれぞれ接着または接合し、空洞111、空洞112、および連通路114を密閉する。接合または接着を非磁性ガスや希ガス等の雰囲気下で実施し、空洞111および空洞112にこれらのガスを封入してもよい。
以上、本実施形態5では、連通路114が屈曲点を有する構成例を説明した。同様の構成は、実施形態1〜4、および以下に説明する実施形態6でも採用することができる。
実施形態5では、基板102と基板104が接する面に連通路114を設けることにより、アルカリ金属物質121が少なくとも直接ガラス基板101または103に流れ出ることがないようにした。しかし、磁場計測装置の姿勢などによっては、基板102と基板104が接する面を伝ってアルカリ金属物質121が空洞112内に流れ出る可能性はあると考えられる。そこで本発明の実施形態6では、アルカリ金属物質121が空洞112内に流れ出ることをさらに抑制する構成例を説明する。
実施形態5と同様に、マスク材料105を用いてリソグラフィ等により空洞111と空洞112に相当するパターンを基板102上に形成し、エッチング等により基板102上に貫通穴を形成する。
実施形態5と同様に、マスク材料105を用いてリソグラフィ等により空洞111と空洞112に相当するパターンを基板104上に形成し、エッチング等により基板104上に貫通穴を形成する。
ガラス基板101、基板104、基板102、ガラス基板103をそれぞれ接着または接合し、空洞111、空洞112を密閉する。これら基板をそれぞれ接着または接合した後に、連通路114を形成する箇所に高エネルギーレーザを照射して基板102をレーザ溶断することにより、連通路114を形成する。レーザを通過する材質で基板104を形成しておけば、レーザは基板104を通過して基板102に照射されるので、基板102のみを溶断することができる。
図21は、本発明の実施形態7に係る光ポンピング磁力センサの側断面図である。本実施形態7では、実施形態1〜6いずれかで説明したガスセルを用いる。ここでは実施形態1で説明したガスセルの構成を例示したが、その他の実施形態で説明したガスセルを用いることもできる。
図22は、本発明の実施形態8に係る光ポンピング磁力センサの側断面図である。本実施形態7では、実施形態1〜6いずれかで説明したガスセルを用いる。ここでは実施形態4で説明したガスセルの構成を例示したが、その他の実施形態で説明したガスセルを用いることもできる。
102 基板
103 ガラス基板
104 基板
105 マスク材料
111 空洞
112 空洞
113 空洞
114 連通路
121 アルカリ金属物質
122 コーティング材料
131 半導体レーザ
132 コリメートレンズ
133 偏光子
134 波長板
135 集光レンズ
136 光検出器
137 光ファイバ
138 静磁場印加用コイル
139 RFコイル
Claims (13)
- 基板上に形成された第1および第2空洞と、
前記第1空洞と前記第2空洞の間に配置された隔壁と、
前記隔壁を貫通して前記第1空洞と前記第2空洞の間を連通させる連通路と、
前記基板上に形成された第3空洞と、
を備え、
前記第1空洞内には、アルカリ金属ガスを発生させる物質が配置されており、
前記隔壁と前記第2空洞の境界部分における、前記隔壁の高さ方向の前記連通路の開口サイズは、前記隔壁の高さよりも小さく形成されており、
前記第2空洞には、非磁性ガスまたは希ガスを含有する緩衝ガスが封入されており、
前記第3空洞には、前記第2空洞に封入されている緩衝ガスとは異なる種類もしくは圧力のガスが封入され、または真空状態で封止されている
ことを特徴とする磁場計測装置。 - 前記第1および第2空洞は、シリコン基板を加工して設けた穴により形成されており、
前記第2空洞の内壁は、前記シリコン基板とは異なる材質でコーティングされている
ことを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。 - 前記コーティングの一部は、前記連通路の経路の一部を形成している
ことを特徴とする請求項2記載の磁場計測装置。 - 前記第1空洞の上面および第2空洞の上面を覆う上蓋部と、
前記第1空洞の下面に配置された第2シリコン基板と、
前記第2空洞の下面を覆う下蓋部と、
を備え、
前記第2空洞は、前記シリコン基板および前記第2シリコン基板を加工して設けた穴により形成されている
ことを特徴とする請求項2記載の磁場計測装置。 - 前記第3空洞を複数備え、
前記第3空洞の少なくともいずれかと前記第2空洞を連通させる第2連通路を備えた
ことを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。 - 前記連通路は屈曲点を有することを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。
- 前記第1および第2空洞を覆う蓋部を備え、
前記連通路は、前記蓋部に接しない位置に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。 - 前記第1空洞の上面を覆う第2基板と、
前記第2基板の上面および前記第2空洞の上面を覆う上蓋部と、
前記第1空洞の下面および前記第2空洞の下面を覆う下蓋部と、
を備え、
前記連通路は、前記基板と前記第2基板が接する位置に形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の磁場計測装置。 - 前記第1および第2空洞は、前記基板および前記基板とは異なる第2基板を加工して設けた穴により形成されており、
前記第1および第2空洞を覆う蓋部を備え、
前記連通路は、前記基板と前記第2基板が接する位置に形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の磁場計測装置。 - 前記磁場計測装置に静磁場を印加するコイルと、
前記磁場計測装置に振動磁場を印加するコイルと、
前記磁場計測装置に円偏光レーザを照射する光源と、
前記磁場計測装置を通過した前記光源からの光を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。 - 前記磁場計測装置にプローブ光として直線偏光レーザを照射する第1光源と、
前記第2空洞において前記プローブ光と交差するポンプ光として前記磁場計測装置に円偏光レーザを照射する第2光源と、
前記磁場計測装置を通過した前記直線偏光レーザ光を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の磁場計測装置。 - 基板上に第1および第2空洞を形成する空洞形成工程と、
前記第1空洞内にアルカリ金属ガスを発生させる物質を封止する工程と、
前記第1空洞と前記第2空洞を隔離する隔壁を貫通して前記第1空洞と前記第2空洞を連通させる連通路を形成する連通路形成工程と、
前記基板上に第3空洞を形成する第3空洞形成工程と、
を有し、
前記連通路形成工程では、前記隔壁と前記第2空洞の境界部分における、前記隔壁の高さ方向の前記連通路の開口サイズを、前記隔壁の高さよりも小さく形成し、
さらに、
前記第2空洞に、非磁性ガスまたは希ガスを含有する緩衝ガスを封入する工程と、
前記第3空洞に、前記第2空洞に封入されている緩衝ガスとは異なる種類もしくは圧力のガスを封入し、または真空状態で封止する工程と、
を有することを特徴とする磁場計測装置製造方法。 - 前記第2空洞の内壁を、前記シリコン基板とは異なる材質でコーティングする工程をさらに有し、
前記空洞形成工程では、シリコン基板を加工して設けた穴により前記第1および第2空洞を形成し、
前記連通路形成工程では、前記コーティングの一部を、前記連通路の経路の一部として形成する
ことを特徴とする請求項12記載の磁場計測装置製造方法。
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