JP6160065B2 - アルカリ金属セル、原子発振器及びアルカリ金属セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ金属セル、原子発振器及びアルカリ金属セル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）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。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。

このような原子時計には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる（非特許文献１、２）。

ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、レーザ素子等の光源９１０と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル９４０と、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光を受光する光検出器９５０とを有しており、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、光検出器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によりレーザ素子等の光源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。尚、レーザ光は、光源９１０より発せられ、コリメートレンズ９２０及びλ／４板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射される。

このような超小型の原子時計におけるアルカリ金属セルとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて生産する方法が開示されている（特許文献１〜４）。これらに開示されている方法では、最初に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術によりＳｉ基板に開口部を形成した後、陽極接合によりガラスとＳｉ基板とを接合する。陽極接合は、２００℃〜４５０℃の温度で、ガラスとＳｉ基板との界面に２５０Ｖ〜１０００Ｖ程度の電圧を印加することにより行なわれる。この後、アルカリ金属とバッファガスを入れて、上面となる開口部分にガラスを陽極接合により接合することにより封止する。このようにして形成されたものをセルごとに切り出すことにより、アルカリ金属セルが形成される。

アルカリ金属をセル内に封入する方法としては、Ｃｓ（セシウム）メタルを真空中で直接投下し封入する方法（非特許文献３）、ＢａＮ_６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液をセル内に投入し、セルを封止した後、２００℃で反応させてＣｓメタルを生成する方法（非特許文献３）、ヒータ付きアンプル中でＢａＮ_６＋ＣｓＣｌを反応させてＣｓメタルを発生させてセル中に蒸発させて移す方法（非特許文献４）、通常の蒸着法でセル中にＣｓＮ_３を成膜しセルを封止した後、ＵＶ光を照射しＣｓとＮ_２を発生させる方法（非特許文献５）、大気中で安定なＣｓディスペンサーをセル内に投入しセルを封止した後、Ｃｓディスペンサーのみにレーザ光を照射して加熱し、Ｃｓを発生させる方法（非特許文献６）等がある。

ところで、陽極接合によりセルを封止する場合、陽極接合において発生する酸素、ＯＨ、Ｈ_２Ｏ等が、セル内のアルカリ金属と反応し、例えば、Ｃｓの場合では、Ｃｓ_ｘＯ_ｙ等が生成されるため、レーザ光の透過度が変動し、周波数シフトが生じてしまい、周波数の短期安定度を劣化させるという問題点がある。

また、非特許文献６に記載されている方法では、セル内部に残されたＣｓを発生させた後のＣｓディスペンサーがセル内のガスを吸着するため、セル内部の圧力が変動し、これにより周波数シフトが生じてしまい、周波数発振器としての長期信頼性を損なうという問題点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、アルカリ金属セル内において、酸素等の不純物が少なく、Ｃｓの供給源となった材料が含まれないようにすることにより、信頼性が高く、安定度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、一方の面から他方の面に貫通する開口部が形成された基板と、前記基板の他方の面に接合された第１の透明基板と、前記基板の一方の面に接合された第２の透明基板と、を有し、前記基板の開口部において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とにより囲まれた空間にはアルカリ金属が封入されており、前記基板と前記第２の透明基板とは、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層と、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層とによる接合により、前記空間が密閉されており、前記第２の接合金属は、前記第１の接合金属よりも溶融温度が高く、前記基板の一方の面には、前記開口部につながる溝部が形成されており、前記基板は、前記溝部において前記第２の接合金属層により前記第２の透明基板と接合されており、前記第１の接合金属は、ＡｕＳｎを含む材料により形成されていることを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、一方の面から他方の面に貫通する開口部が形成された基板と、前記基板の他方の面に接合された第１の透明基板と、前記基板の一方の面に接合された第２の透明基板と、を有し、前記基板の開口部において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とにより囲まれた空間にはアルカリ金属が封入されており、前記基板と前記第２の透明基板とは、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層と、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層とによる接合により、前記空間が密閉されており、前記第２の接合金属は、前記第１の接合金属よりも溶融温度が高く、前記基板の一方の面には、前記開口部につながる溝部が形成されており、前記基板は、前記溝部において前記第２の接合金属層により前記第２の透明基板と接合されており、前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ともにＡｕＳｎを含む材料により形成されており、前記第１の接合金属は、前記第２の接合金属よりもＳｎが多く含まれていることを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板に前記基板を貫通する２以上の開口部と、前記基板の一方の面に前記２つの開口部を空間的に接続する溝部を形成する工程と、前記基板の他方の面に第１の透明基板を接合する工程と、前記開口部のうちの一の開口部にアルカリ金属を含む化合物を設置する工程と、前記基板の一方の面の前記２以上の開口部の周囲、または、第２の透明基板の一方の面において前記２以上の開口部の周囲に対応する部分に、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層を形成する工程と、前記基板の溝部、または、前記第２の透明基板の一方の面において前記溝部に対応する部分に、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層を形成する工程と、前記基板の一方の面と前記第２の透明基板の一方の面とを第１の接合金属層により接合する工程と、前記アルカリ金属を含む化合物よりアルカリ金属を発生させて、前記一の開口部より前記溝部を介し、他の開口部に前記アルカリ金属を供給する工程と、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記溝部において前記第２の接合金属層により、前記基板と前記第２の透明基板とを接合する工程と、を有し、前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれかを含む材料であることを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板の一方の面に前記基板を貫通しない一の開口部と、前記基板を貫通する他の開口部と、前記基板の一方の面に前記一の開口部と前記他の開口部とを空間的に接続する溝部を形成する工程と、前記基板の他方の面に第１の透明基板を接合する工程と、前記一の開口部にアルカリ金属を含む化合物を設置する工程と、前記基板の一方の面の前記一の開口部及び前記他の開口部の周囲、または、第２の透明基板の一方の面において前記一の開口部及び前記他の開口部の周囲に対応する部分に、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層を形成する工程と、前記基板の溝部、または、前記第２の透明基板の一方の面において前記溝部に対応する部分に、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層を形成する工程と、前記基板の一方の面と前記第２の透明基板の一方の面とを第１の接合金属層により接合する工程と、前記アルカリ金属を含む化合物よりアルカリ金属を発生させて、前記一の開口部より前記溝部を介し、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給する工程と、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記溝部において前記第２の接合金属層により、前記基板と前記第２の透明基板とを接合する工程と、を有し、前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれかを含む材料であることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性が高く、安定度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。

原子発振器の説明図 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の工程図（１） 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の工程図（２） 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の工程図（３） 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の工程図（４） 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の工程図（５） 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の工程図（６） 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の工程図（７） 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の工程図（８） 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の工程図（９） 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の工程図（１０） 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の工程図（１１） 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の工程図（１２） 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の工程図（１３） 第１の実施の形態におけるアルカリ金属セルの構造図 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の説明図 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の説明図（１） 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の説明図（２） 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の説明図（３） 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の説明図（４） 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の説明図（５） 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の説明図（６） 第３の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図 第４の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（１） 第４の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（２） 第４の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（３） 第４の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（４） 第４の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（５） 第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（１） 第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法の説明図（２） 第６の実施の形態における原子発振器の説明図 第６の実施の形態における原子発振器の構造図 ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図 変調周波数と透過光量との相関図

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及びアルカリ金属セルの製造方法について、図２から図１４に基づき説明する。

最初に、図２に示されるように、Ｓｉ（シリコン）基板１１０を準備する。このＳｉ基板１１０は、厚さが１．５ｍｍであり、両面が鏡面加工されている。尚、図２（ａ）は、この工程における上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図である。

次に、図３に示されるように、Ｓｉ基板１１０に、２つの開口部、即ち、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２と、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間に溝部１１３を形成する。Ｓｉ基板１１０に形成される第１の開口部１１１、第２の開口部１１２はＳｉ基板１１０を貫通しており、溝部１１３はＳｉ基板１１０の一方の面にのみ形成され、Ｓｉ基板１１０を貫通してはいない。本実施の形態においては、第１の開口部１１１を一の開口部と、第２の開口部１１２を他の開口部と記載する場合がある。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。

具体的には、Ｓｉ基板１１０の一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング等のドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域におけるＳｉをＳｉ基板１１０の厚さの半分の深さまで除去し、窪みを形成する。これにより、Ｓｉ基板１１０の一方の面には、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２の一部が形成されるとともに、溝部１１３が形成される。

この後、Ｓｉ基板１１０の他方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＩＣＰエッチング等のドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０を貫通させることにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２を形成する。尚、溝部１１３はＳｉ基板１１０の一方の面にのみ形成されているため、Ｓｉ基板１１０を貫通してはいない。Ｓｉ基板１１０におけるドライエッチングは、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８とを交互に供給することによりエッチングを行うボッシュプロセスにより行う。ボッシュプロセスでは、Ｓｉ基板１１０において、異方性の高いエッチングを高速で行うことができる。このＩＣＰエッチングにおいて印加されるパワーは２ｋＷである。

また、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３は、上述したドライエッチング以外にも、ウェットエッチングにより形成することも可能である。具体的には、Ｓｉ基板１１０の両面に減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、不図示のＳｉＮ膜を成膜する。この後、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、Ｓｉ基板１１０一方の面には、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成される。また、他方の面には、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。

この後、エッチングガスとしてＣＦ_４を用いたドライエッチングを行うことにより、レジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜を除去し、更に、不図示のレジストパターンを除去する。この後、８５℃の温度で、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いてウェットエッチングを行うことにより、Ｓｉ基板１１０において、ＳｉＮ膜の形成されていない領域のＳｉを除去し、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２、溝部１１３を形成する。この際、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２は、Ｓｉ基板１１０の一方の面と他方の面の両面より除去されるため、Ｓｉ基板１１０を貫通させることができる。尚、溝部１１３は、Ｓｉ基板１１０の一方の面より除去されるためＳｉ基板１１０を貫通してはいない。この後、ＳｉＮ膜はＳｉＮを除去するための溶液を用いたウェットエッチング、または、ドライエッチングにより除去する。この際行われるＳｉ基板１１０のウェットエッチングは、異方性エッチングであり、形成された第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３の側面には、傾斜角５４．７°の逆傾斜が形成される場合がある。

次に、図４に示されるように、Ｓｉ基板１１０の他方の面に第１の透明基板である第１のガラス基板１２１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、Ｓｉ基板１１０の他方の面に第１のガラス基板１２１を接触させて、３８０℃の温度で、第１のガラス基板１２１に−８００Ｖを印加することにより陽極接合する。これにより、Ｓｉ基板１１０に形成された第１の開口部１１１、第２の開口部１１２の他方の面の側は、第１のガラス基板１２１により塞がれる。この工程においては、未だアルカリ金属材料等は設置されていないため、陽極接合により生じた酸素等によりアルカリ金属が酸化させることはない。上記においては、陽極接合の場合について説明したが、陽極接合に代えて、直接接合によりＳｉ基板１１０の他方の面と第１のガラス基板１２１とを接合してもよい。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に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面に、後述する接合部金属膜が形成される領域に開口部１６１ａを有するレジストパターン１６１を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１１０の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口部１６１ａを有するレジストパターン１６１を形成する。レジストパターンを形成する際には、Ｓｉ基板１１０に形成された第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２の内側の壁面に沿って漏れなくフォトレジストを塗布するため、フォトレジストとガスとを混合した液体を吹き付けるスプレーコートを用いてもよい。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に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面に、接合部金属膜１３１を形成する。具体的には、レジストパターン１６１が形成されている面に、スパッタリングまたは真空蒸着等によりＡｕ：７００ｎｍ／Ｃｒ：１０ｎｍからなる金属積層膜を成膜する。この後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン１６１の上に形成された金属積層膜をレジストパターン１６１とともにリフトオフにより除去し、残存する金属積層膜により接合部金属膜１３１を形成する。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り、図６（ｃ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ｃ−６Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図７に示されるように、Ｓｉ基板１１０に形成された第１の開口部１１１における第１のガラス基板１２１の上に、ＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属を含む化合物１４０であるＣｓディスペンサーを設置する。本実施の形態においては、このようにアルカリ金属を含む化合物材料１４０が設置される第１の開口部１１１により形成される領域を原料室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に示されるように、第２の透明基板である第２のガラス基板１２２を準備し、第２のガラス基板１２２の一方の面に、接合部金属膜１３２を形成する。具体的には、第２のガラス基板１２２の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、接合部金属膜１３２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されている面に、スパッタリングまたは真空蒸着等によりＡｕ：７００ｎｍ／Ｃｒ：１０ｎｍからなる金属積層膜を成膜する。この後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成された金属積層膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去し、第２のガラス基板１２２の一方の面に残存する金属積層膜により接合部金属膜１３２を形成する。このように形成された接合部金属膜１３２は、Ｓｉ基板１１０の一方の面に形成された接合部金属膜１３１と対応する位置となるように形成されている。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り、図８（ｃ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ｃ−８Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図９に示されるように、第２のガラス基板１２２の接合部金属膜１３２の上に、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層１５１を形成する。本実施の形態においては、第１の接合金属層１５１は、溶融温度が２１７℃であるＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）合金により形成されている。

具体的には、接合部金属膜１３２が形成されている第２のガラス基板１２２の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の接合金属層１５１が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着またはスパッタリングにより、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）からなる金属膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成された金属膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、第２のガラス基板１２２の一方の面において、接合部金属膜１３２の上に、第１の接合金属層１５１を形成する。このように形成された第１の接合金属層１５１は、幅が約２０μｍであって、厚さが約２０μｍである。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り、図９（ｃ）は、図９（ａ）における一点鎖線９Ｃ−９Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図１０に示されるように、第２のガラス基板１２２において、Ｓｉ基板１１０における溝部１１３に対応する部分に、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層１５２を形成する。本実施の形態においては、第２の接合金属層１５２は、溶融温度が約２８０℃であるＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）合金により形成されている。

具体的には、接合部金属膜１３２が形成されている第２のガラス基板１２２の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第２の接合金属層１５２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着またはスパッタリングにより、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）からなる金属膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成された金属膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、第２のガラス基板１２２の一方の面において、Ｓｉ基板１１０の溝部１１３に対応する部分に、第２の接合金属層１５２を形成する。このように形成された第２の接合金属層１５２は、幅が約２０μｍであって、厚さが約２０μｍである。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り、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ｃ−１０Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図１１に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面と第２のガラス基板１２２の一方の面とを第１の接合金属層１５１により接合する。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り、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）における一点鎖線１１Ｃ−１１Ｄにおいて切断した断面図である。

具体的には、バッファガスとなる窒素ガスを導入して窒素雰囲気となっている真空チャンバー内において、Ｓｉ基板１１０の一方の面に形成された接合部金属膜１３１と、第２のガラス基板１２２の一方の面に形成された第２の接合金属膜１５２とを接触させる。この後、２１７℃以上の温度、例えば、２３０℃の温度で３０分間加圧する。これにより、Ｓｉ基板１１０の一方の面と第２のガラス基板１２２の一方の面とは、第１の接合金属層１５１により接合される。このようにして、Ｓｉ基板１１０における第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２の一方の面の側は、第２のガラス基板１２２が第１の接合金属層１５１により接合され、第２のガラス基板１２２により塞がれる。これにより、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２と溝部１１３からなる密閉された空間が形成される。

このようなＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）を用いた接合では、接合の際に、酸素等のガスが発生することはないため、アルカリ金属を含む化合物１４０が入れられている第１の開口部１１１内に酸素等の不純物が入り込むことはない。

尚、第１の接合金属層１５１における接合温度（約２３０℃）では、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属の溶融温度が２８０℃であるため、第２の接合金属層１５２が溶けることはない。よって、第２のガラス基板１２２には第２の接合金属層１５２が形成されているが、第１の開口部１１１による空間と第２の開口部１１２による空間とが溝部１１３を介し空間的につながっている状態が維持される。

次に、図１２に示されるように、第１の開口部１１１に設置されているアルカリ金属を含む化合物１４０よりアルカリ金属の気体を発生させる。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。

具体的には、アルカリ金属を含む化合物１４０として、大気中で安定なＣｓディスペンサーを用いる場合には、第１の開口部１１１に設置されているＣｓディスペンサーにレーザ光を照射することにより加熱し、アルカリ金属ガスであるＣｓの気体を発生させる。尚、照射されるレーザ光は、アルカリ金属を含む化合物１４０に集光して加熱するため、溶融温度が２８０℃である第２の接合金属が溶けることはない。アルカリ金属を含む化合物１４０に含まれるＣｓの融点は約２８℃であり、レーザ光を照射し、アルカリ金属を含む化合物１４０を融点以上に加熱することにより、Ｃｓは液体及び気体となる。気体等となったＣｓは、溝部１１３を通り、第２の開口部１１２に入り込む。尚、上記では、アルカリ金属を含む化合物１４０にレーザ光を照射してアルカリ金属を発生させる場合について説明したが、アルカリ金属を含む化合物１４０を加熱することにより、または、紫外光（ＵＶ光）照射することにより、アルカリ金属を発生させてもよい。

次に、図１３に示されるように、第２のガラス基板１２２に形成されている第２の接合金属層１５２を２８０℃以上の接合温度に加熱し溶融させた後、冷却することにより第２の接合金属層１５２により溝部１１３を塞ぐ。これにより、第１の開口部１１１における空間と第２の開口部１１２における空間との間は塞がれ、空間的に分離される。第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属であるＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）合金は、ろう材の一種でぬれ性がよい。従って、第２の接合金属であるＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）合金が加熱されて液体になると、金属材料により形成されている接合部金属膜１３１及び１３２に濡れ広がりやすくなる。従って、第２の接合金属層１５２を２８０℃以上に加熱した後、冷却することにより容易に、溝部１１３を塞ぐことができる。この際、第１の接合金属層１５１が溶融されることを防ぐため、第２の接合金属層１５２が形成されている部分にレーザ光を照射、または、この部分のみを部分加熱することができる方法により加熱することが好ましい。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り、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）における一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図１４に示すように、第１の開口部１１１が形成された領域と第２の開口部１１２が形成された領域とをダイシング等により切断し分離する。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る。

このように分離された第２の開口部１１２が形成された領域により、本実施の形態におけるアルカリ金属セルが形成される。このような工程により作製されたアルカリ金属セルは、第２の開口部１１２であるセルの内部に含まれる酸素等の不純物の量が少ないため、原子発振器に用いた場合、信頼性が高く、安定度の高い原子発振器となる。

また、例えば、アルカリ金属セルの内部に、アルカリ金属を放出した後のアルカリ金属を含む化合物１４０が残っていると、アルカリ金属セルの内部における気体を吸着しアルカリ金属セルの内部の圧力を変化させる場合があり、この場合、信頼性が低下してしまう。しかしながら、本実施の形態におけるアルカリ金属セルの内部には、アルカリ金属を放出した後のアルカリ金属を含む化合物１４０が含まれていないため、第２の開口部１１２により形成されるセルの内部の圧力を長期的に一定に保つことができる。

図１５に、本実施の形態におけるアルカリ金属セルを示す。本実施の形態におけるアルカリ金属セルは、セルの内部が第２の開口部１１２により形成されており、Ｓｉ基板１１０の他方の面には、第１のガラス基板１２１が陽極接合により接合されている。また、Ｓｉ基板１１０の一方の面には、第２のガラス基板１２２が第１の接合金属により形成された第１の接合金属層１５１と第２の接合金属により形成された第２の接合金属層１５２により接合されている。ここで、第１の接合金属層１５１を形成している第１の接合金属の溶融温度は２１７℃であり、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属の溶融温度は２８０℃である。よって、第１の接合金属層１５１を形成している第１の接合金属の接合温度よりも、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属の接合温度の方が高い。

第１の接合金属には、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）等を用いることができる。また、第２の接合金属には、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）、ＡｕＧｅ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝８７．５：１２．５）、ＡｕＳｉ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）等を用いることができる。尚、ＡｕＧｅ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝８７．５：１２．５）の溶融温度は３６１℃、ＡｕＳｉ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）の溶融温度は３６３℃である。本実施の形態においては、第１の接合金属層１５１を形成している第１の接合金属の接合温度よりも、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属の接合温度が高くなるような材料の組み合わせであればよい。

例えば、第１の接合金属に、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）を用いた場合には、第２の接合金属には、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）、ＡｕＧｅ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝８７．５：１２．５）、ＡｕＳｉ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）等を用いることができる。また、第１の接合金属に、ＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）を用いた場合には、第２の接合金属には、ＡｕＧｅ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝８７．５：１２．５）、ＡｕＳｉ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）等を用いることができる。また、第１の接合金属及び第２の接合金属に、ともにＡｕＳｎを用いた場合、第１の接合金属にはＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝１０：９０）が用いられ、第２の接合金属にはＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０）が用いられる。この場合においては、第１の接合金属は、第２の接合金属よりも、Ｓｎが多く含まれている。

また、上述したように、アルカリ金属セルを含む化合物１４０を第１の開口部１１１により形成されるセル内部に封入する際には、真空中で封入するのではなく、窒素等のバッファガスとともに封入することが好ましい。セルの内部におけるアルカリ金属原子は、セルの壁に衝突するとアルカリ金属原子の内部状態が変化してしまい、原子発振器に用いた場合に周波数安定度が低下してしまう。このため、セルの内部に窒素等のバッファガスを封入することにより、アルカリ金属原子がセルの内部の壁に衝突する確率を低くすることができるため、周波数安定度の低下を抑制することができる。バッファガスとしては、不活性ガスが好ましく、例えば、窒素、ネオン、アルゴン、ネオンとアルゴンの混合ガス等が挙げられる。

また、本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法において、図５に示される開口部１６１ａを有するレジストパターン１６１に代えて、図１６に示される開口部１６２ａを有するレジストパターン１６２を用いてもよい。このようなレジストパターン１６２は、ドライフィルムレジストを用いることにより形成することができる。具体的には、Ｓｉ基板１１０の一方の面にドライフィルムレジストを貼り付け、露光装置による露光、現像を行うことにより、接合部金属膜１３１が形成される領域に開口部１６２ａを有するレジストパターン１６２を形成することができる。この後の工程については、図６に示されるように、レジストパターン１６２が形成されている面に、スパッタリングまたは真空蒸着等によりＡｕ：７００ｎｍ／Ｃｒ：１０ｎｍからなる金属積層膜を成膜する。この後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン１６２の上に形成された金属積層膜をレジストパターン１６２とともにリフトオフにより除去し、残存する金属積層膜により接合部金属膜１３１を形成することができる。

また、第１の接合金属層１５１は、Ｓｉ基板１１０の一方の面に形成されたものであってもよく、上述したように、第２のガラス基板１２２の一方の面に形成されたものであってもよい。また、第２の接合金属層１５２は、Ｓｉ基板１１０の溝部１１３に形成されたものであってもよく、上述したように、第２のガラス基板１２２の一方の面において、溝部１１３に対応する部分に形成されたものであってもよい。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法及びアルカリ金属セルは、ダイシングにより切断する場合を考慮して、Ｓｉ基板１１０の溝部１１３に対応する部分の２ヶ所に、第２の接合金属層１５２を形成するものである。

最初に、図１７に示されるように、Ｓｉ基板１１０の他方の面に第１のガラス基板１２１が接合されたものを作製する。Ｓｉ基板１１０の一方の面に、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間において接合部金属膜１３１を２本形成する。また、第１の開口部１１１にはアルカリ金属を含む化合物１４０が設置されている。この工程は、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おける図７に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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に示されるように、第２のガラス基板１２２の一方の面に、接合部金属膜１３２を形成し、接合部金属膜１３２の上に第１の接合金属層１５１を形成する。接合部金属膜１３２及び第１の接合金属層１５１は、図１７に示されるＳｉ基板１１０に形成された接合部金属膜１３１に対応して、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間において、２本形成されている。この工程は、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おける図１０に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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る。

次に、図１９に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面と第２のガラス基板１２２の一方の面とを第１の接合金属層１５１により接合する。この工程は、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おける図１１に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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に示されるように、アルカリ金属を含む化合物１４０よりアルカリ金属の気体等を発生させた後、第２のガラス基板１２２に形成されている第２の接合金属層１５２により溝部１１３を塞ぐ。具体的には、第２のガラス基板１２２に形成されている第２の接合金属層１５２を２８０℃以上に加熱し溶融させた後、冷却することにより第２の接合金属層１５２により溝部１１３を塞ぐ。これにより、第１の開口部１１１における空間と第２の開口部１１２における空間との間は塞がれ、空間的に分離される。この際、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間の溝部１１３において、２ヶ所に形成された第２の接合金属層１５２により塞がれる。この工程は、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おける図１３に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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に示されるように、第１の開口部１１１が形成された領域と第２の開口部１１２が形成された領域とをダイシング等により切断し分離する。この際、２ヶ所の第２の接合金属層１５２の間をダイシングにより切断することにより、ダイシングブレードは、第２の接合金属層１５２と接触しないため、ダイシングの際に、第２の接合金属層１５２において穴等が空くことなく分離することができる。この工程は、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おける図１４に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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。

このようにして作製された本実施の形態におけるアルカリ金属セルを図２２に示す。本実施の形態におけるアルカリ金属セルは、ダイシングによる切断の際に、ダイシングブレードが第２の接合金属層１５２と接触しないため、アルカリ金属セルを製造する際の歩留りを向上させることができる。また、リークを抑制することができるため信頼性の高いアルカリ金属セルを作製することができる。

尚、上記以外の内容は、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の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法は、Ｓｉ基板１１０を貫通していない開口部にアルカリ金属を含む化合物１４０を設置するものである。

具体的には、図２３に示されるように、Ｓｉ基板１１０を貫通する第２の開口部１１２と、Ｓｉ基板１１０を貫通しない第１の開口部１１１ａ及び溝部１１３が形成されているものである。第１の開口部１１１ａは、第１の実施の形態における製造方法において、溝部１１３を形成する工程と同様の工程により形成することができる。図２３に示される工程は、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おける図１３に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。尚、図２３（ａ）は、この工程における上面図であり、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る。

このように、Ｓｉ基板１１０を貫通していない第１の開口部１１１ａを形成し、第１の開口部１１１ａにアルカリ金属を含む化合物１４０を設置することにより、アルカリ金属を含む化合物１４０をより高温に加熱することが可能となる。これにより、効率的にＣｓ等のアルカリ金属ガスを発生させることができる。

尚、上記以外の内容は、第１の実施の形態と同様である。

〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法は、溝部の形状が第１の実施の形態における溝部１１３の形状と異なるものである。

最初に、図２４に示されるように、Ｓｉ基板１１０を準備する。このＳｉ基板１１０は、厚さが１．５ｍｍであり、両面が鏡面加工されている。この工程は、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おける図２に示される工程に対応するものである。尚、図２４（ａ）は、この工程における上面図であり、図２４（ｂ）は、図２４（ａ）における一点鎖線２４Ａ−２４Ｂにおいて切断した断面図である。

次に、図２５に示されるように、Ｓｉ基板１１０の両面に減圧ＣＶＤにより、不図示のＳｉＮ膜を成膜する。この後、Ｓｉ基板１１０の一方の面に成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、Ｓｉ基板１１０一方の面のＳｉＮ膜の上に、溝部２１３が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、エッチングガスとしてＣＦ_４を用いたドライエッチングを行うことにより、レジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜を除去し、更に、不図示のレジストパターンを除去する。

この後、８５℃の温度で、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いてウェットエッチングを行うことにより、Ｓｉ基板１１０において、ＳｉＮ膜の形成されていない領域のＳｉを除去し、溝部２１３を形成する。形成された溝部２１３は、Ｓｉ基板１１０を貫通してはいない。この後、ＳｉＮ膜はＳｉＮを除去するための溶液を用いたウェットエッチング、または、ドライエッチングにより除去する。Ｓｉ基板１１０のウェットエッチングは、異方性エッチングであり、形成された溝部２１３の側面には、傾斜角θが５４．７°となる逆傾斜、即ち、テーパー形状の逆傾斜が形成されている。具体的には、溝部２１３の側面における傾斜角θが５４．７°となる逆傾斜が形成され、Ｓｉ基板１１０の一方の面の表面側の幅がａとし、底面側の幅がｂとした場合、ａ＞ｂの関係となる溝部２１３が形成される。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り、図２５（ｃ）は、図２５（ａ）における一点鎖線２５Ｃ−２５Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図２６に示されるように、Ｓｉ基板１１０に、２つの開口部、即ち、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２を形成する。Ｓｉ基板１１０に形成される第１の開口部１１１、第２の開口部１１２は、Ｓｉ基板１１０を貫通しており、この第１の開口部１１１と第２の開口部１１２とは、溝部２１３によりつながるように形成する。

具体的には、Ｓｉ基板１１０の一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＩＣＰエッチング等のドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域におけるＳｉをＳｉ基板１１０の厚さの半分の深さまで除去し、窪みを形成する。これにより、Ｓｉ基板１１０の一方の面には、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２の一部が形成される。

この後、Ｓｉ基板１１０の他方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＩＣＰエッチング等のドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０を貫通させることにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２を形成する。Ｓｉ基板１１０におけるドライエッチングは、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８とを交互に供給することによりエッチングを行うボッシュプロセスにより行う。ボッシュプロセスでは、Ｓｉ基板１１０において、異方性の高いエッチングを高速で行うことができる。このＩＣＰエッチングにおいて印加されるパワーは２ｋＷである。この工程は、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おける図３に示される工程に対応するものである。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。

次に、図２７に示されるように、Ｓｉ基板１１０の他方の面に第１のガラス基板１２１を接合し、第２のガラス基板１２２の一方の面に第１の接合金属層１５１を形成し、更に、Ｓｉ基板１１０の溝部２１３に対応する位置に第２の接合金属層１５２を形成する。この後、約２３０℃に加熱することにより、第１の接合金属層１５１によりＳｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２を接合する。この後、アルカリ金属を含む化合物１４０を加熱等することによりアルカリ金属を発生させた後、更に、２８０℃に加熱し冷却することにより、第２の接合金属層１５２により溝部２１３を塞ぐ。この工程は、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おける図１３に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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り、図２７（ｃ）は、図２７（ａ）における一点鎖線２７Ｃ−２７Ｄにおいて切断した断面図である。

次に、図２８に示すように、第１の開口部１１１が形成された領域と第２の開口部１１２が形成された領域とをダイシング等により切断し分離する。この工程は、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おける図１４に示される工程に対応するものであり、第１の実施の形態と同様の製造方法により作製することができる。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。

以上の工程により、本実施の形態におけるアルカリ金属セルを作製することができる。このように作製された本実施の形態におけるアルカリ金属セルは、第１の実施の形態におけるアルカリ金属セルと同様のものである。

本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法においては、溝部２１３の側面がテーパー状に形成されているため、接合部金属膜１３１を隙間なく形成することができるため、第２の接合金属層１５２による接合をより確実なものとすることができる。例えば、溝部の側面がテーパー状ではなく略垂直に形成されていた場合、スパッタリングや真空蒸着により接合部金属膜１３１を成膜しても、溝部の側面には接合部金属膜１３１が形成されない場合がある。この場合、溶けた第２の接合金属は、溝部の側面に十分に濡れ広がらず、溝部を完全に塞ぐことができず、隙間ができてしまう。しかしながら、本実施の形態においては、溝部２１３の側面はテーパー状に形成されているため、接合部金属膜１３１をスパッタリングや真空蒸着により形成した場合であっても、溝部２１３の側面に接合部金属膜１３１を形成することができる。これにより、溝部２１３を溶けた第２の接合金属を隙間なく濡れ広がらせることができ、第２の接合金属層１５２により、より一層完全に塞ぐことができる。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法は、１つの原料室に対し、２以上のセルを同時に作製することのできるものである。

具体的には、図２９に示すように、Ｓｉ基板３００には、Ｓｉ基板３００を貫通する原料室となる開口部３１０と、セルとなる開口部３２１、３２２、３２３、３２４が形成されている。また、開口部３１０と開口部３２１との間には溝部３３１が、開口部３１０と開口部３２２との間には溝部３３２が、開口部３１０と開口部３２３との間には溝部３３３が、開口部３１０と開口部３２４との間には溝部３３４が設けられている。これら溝部により各々の開口部同士が空間的につながっている。

Ｓｉ基板３００の他方の面には陽極接合により不図示の第１のガラス基板が接合されている。また、Ｓｉ基板３００の一方の面には、開口部３１０及び開口部３２１、３２２、３２３、３２４の周囲において、約２３０℃に加熱された後に冷却された第１の接合金属層１５１により、不図示の第２のガラス基板が接合されている。

また、第２のガラス基板の一方の面には、Ｓｉ基板３００に形成された溝部３３１、３３２、３３３、３３４に対応する部分に、第２の接合金属層１５２が形成されている。よって、アルカリ金属を含む化合物材料１４０よりＣｓ等のアルカリ金属を発生させた後、２８０℃以上に加熱して第２のガラス基板に形成された第２の接合金属層１５２を溶融させた後に冷却することにより第２の接合金属層１５２により溝部を塞ぐことができる。

この後、開口部３２１、３２２、３２３、３２４が形成されている領域の周囲をダイシング等により切断することにより、本実施の形態におけるアルカリ金属セルを作製することができる。これにより、例えば、図２９に示す場合では、１つの原料室となる開口部３１０に対し、開口部３２１、３２２、３２３、３２４により、４つのアルカリ金属セルを同時に作製することができる。よって、アルカリ金属セルを低コストで製造することができる。尚、本実施の形態における開口部３１０は、第１の実施の形態における第１の開口部１１１に相当するものであり、開口部３２１、３２２、３２３、３２４は、第１の実施の形態における第２の開口部１１２に相当するものである。また、溝部３３１、３３２、３３３、３３４は、第１の実施の形態における溝部１１３に相当するものである。

また、本実施の形態は、図３０に示されるように、原料室となる１つの開口部３１０とセルとなる８つの開口部３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８が形成されているものであってもよい。隣接する開口部３１０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８の相互間には、溝部３５１、３５２、３５３、３５４、３５５、３５６、３５７、３５８、３５９、３５９、３６０、３６１、３６２が設けられている。これら溝部により各々の開口部同士が空間的につながっている。具体的には、開口部３１０と開口部３４８との間には溝部３５１が、開口部３１０と開口部３４２との間には溝部３５２が、開口部３１０と開口部３４４との間には溝部３５３が、開口部３１０と開口部３４６との間には溝部３５４が設けられている。また、開口部３４８と開口部３４１との間には溝部３５５が、開口部３４１と開口部３４２との間には溝部３５６が、開口部３４２と開口部３４３との間には溝部３５７が、開口部３４３と開口部３４４との間には溝部３５８が設けられている。また、開口部３４４と開口部３４５との間には溝部３５９が、開口部３４５と開口部３４６との間には溝部３６０が、開口部３４６と開口部３４７との間には溝部３６１が、開口部３５７と開口部３４８との間には溝部３６２が設けられている。

Ｓｉ基板３００の他方の面には、陽極接合により不図示の第１のガラス基板が接合されている。Ｓｉ基板３００の一方の面には、開口部３１０及び開口部３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８の周囲において、約２３０℃に加熱された後に冷却された第１の接合金属層１５１により不図示の第２のガラス基板が接合されている。

また、第２のガラス基板の一方の面には、Ｓｉ基板３００に形成された溝部３５１、３５２、３５３、３５４、３５５、３５６、３５７、３５８、３５９、３５９、３６０、３６１、３６２に対応する部分に、第２の接合金属層１５２が形成されている。よって、アルカリ金属を含む化合物材料１４０よりＣｓ等のアルカリ金属を発生させた後、２８０℃以上に加熱して第２のガラス基板に形成された第２の接合金属層１５２を溶融させた後に冷却することにより第２の接合金属層１５２により溝部を塞ぐことができる。

この後、開口部３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８が形成されている領域の周囲をダイシング等により切断することにより、本実施の形態におけるアルカリ金属セルを作製することができる。これにより、例えば、図３０に示す場合では、１つの原料室となる開口部３１０に対し、開口部３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８により、８つのアルカリ金属セルを同時に作製することができる。よって、アルカリ金属セルを低コストで製造することができる。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態は、第２から第４の実施の形態に適用可能である。

〔第６の実施の形態〕
次に、第６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５の実施の形態におけるアルカリ金属セルを用いた原子発振器である。図３１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４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。この原子発振器は、光源４１０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４４０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４１０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４４０には、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４５０は、フォトダイオードが用いられている。

本実施の形態における原子発振器では、光源４１０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４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。

図３２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、回路基板４７１上に縦方向に形成されている。回路基板４７１上には、アルミナ基板４７２が設けられており、アルミナ基板４７２上には光源４１０となる面発光レーザ素子が設置されている。尚、アルミナ基板４７２は、光源４１０の温度等を制御するための面発光レーザ用ヒータ４７３が設けられている。光源４１０の上方には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ４７４が設けられている。ＮＤフィルタ４７４は、ガラス等により形成された断熱スペーサ４７５により所定の位置に設置されている。ＮＤフィルタ４７４の上部にはコリメートレンズ４２０が設けられており、コリメータレンズの上方には、λ／４板４３０が設けられている。λ／４板４３０はシリコン等により形成されたスペーサ４７６により所定の位置に設置されている。λ／４板４３０の上には、アルカリ金属セル４４０が設けられている。アルカリ金属セル４４０は、２枚のガラス基板４４１を有しており、２枚のガラス基板４４１が対向している状態で、縁の部分がシリコン基板４４２により接続されており、ガラス基板４４１とシリコン基板４４２に囲まれた部分には、アルカリ金属が封入されている。尚、アルカリ金属セル４４０において、レーザ光が透過する面がガラス基板４４１により形成されている。アルカリ金属セル４４０の両側には、セル用ヒータ４７７が設けられており、アルカリ金属セル４４０を所定の温度に設定することができる。アルカリ金属セル４４０の上方には、光検出器４５０が設けられており、光検出器４５０はシリコンからなるスペーサ４７８により所定の位置に設置されている。

次に、図３３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電子が同時に励起されると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。図３４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３５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４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックして光源４１０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の範囲の波長が必要となる。

尚、本実施の形態における原子発振器においては、アルカリ金属セル４４０には、第１から第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルのいずれかが用いられている。また、本実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４４０において、シリコン基板４４２は、第１の実施の形態等におけるＳｉ基板１１０に相当するものである。また、ガラス基板４４１は、第１の実施の形態等における第１のガラス基板１２１及び第２のガラス基板１２２に相当するものである。

また、本実施の形態においては、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。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の範囲の波長が必要となる。

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。

１１０ Ｓｉ基板
１１１ 第１の開口部（一の開口部）
１１２ 第２の開口部（他の開口部）
１１３ 溝部
１２１ 第１のガラス基板
１２２ 第２のガラス基板
１３１ 接合部金属膜
１３２ 接合部金属膜
１４０ アルカリ金属を含む化合物
１５１ 第１の接合金属層
１５２ 第２の接合金属層
４１０ 光源
４２０ コリメートレンズ
４３０ λ／４板
４４０ アルカリ金属セル
４５０ 光検出器
４６０ 変調器

米国特許第６８０６７８４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０００７１１８号明細書 特開２００９−２１２４１６号公報 特開２００９−２８３５２６号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４） Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．２６９４−２６９６ （２００４） ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３０，ｐｐ．２３５１−２３５３ （２００５） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，１１４１０６ （２００７） Ｊ．Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈ． ＭＥＭＳ ＭＯＥＭＳ ７（３），０３３０１３（２００８）

Claims (15)

1. 一方の面から他方の面に貫通する開口部が形成された基板と、
   前記基板の他方の面に接合された第１の透明基板と、
   前記基板の一方の面に接合された第２の透明基板と、
   を有し、
   前記基板の開口部において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とにより囲まれた空間にはアルカリ金属が封入されており、
   前記基板と前記第２の透明基板とは、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層と、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層とによる接合により、前記空間が密閉されており、
   前記第２の接合金属は、前記第１の接合金属よりも溶融温度が高く、
   前記基板の一方の面には、前記開口部につながる溝部が形成されており、
   前記基板は、前記溝部において前記第２の接合金属層により前記第２の透明基板と接合されており、
   前記第１の接合金属は、ＡｕＳｎを含む材料により形成されていることを特徴とするアルカリ金属セル。
2. 前記第２の接合金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれか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に記載のアルカリ金属セル。
3. 一方の面から他方の面に貫通する開口部が形成された基板と、
   前記基板の他方の面に接合された第１の透明基板と、
   前記基板の一方の面に接合された第２の透明基板と、
   を有し、
   前記基板の開口部において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とにより囲まれた空間にはアルカリ金属が封入されており、
   前記基板と前記第２の透明基板とは、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層と、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層とによる接合により、前記空間が密閉されており、
   前記第２の接合金属は、前記第１の接合金属よりも溶融温度が高く、
   前記基板の一方の面には、前記開口部につながる溝部が形成されており、
   前記基板は、前記溝部において前記第２の接合金属層により前記第２の透明基板と接合されており、
   前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ともにＡｕＳｎを含む材料により形成されており、前記第１の接合金属は、前記第２の接合金属よりもＳｎが多く含まれていることを特徴とするアルカリ金属セル。
4. 前記溝部は、前記基板の一方の面の表面側が広く、底面側が狭く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。
5. 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアルカリ金属セル。
6. 前記第１の透明基板及び前記第２の透明基板のうちのいずれか一方、または、双方がガラス基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアルカリ金属セル。
7. 前記基板の他方の面と前記第１の透明基板とは、陽極接合、または、直接接合により接合されてい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。
8. 前記アルカリ金属は、セシウムまたはルビジウムであ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。
9. 請求項１から８のいずれか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、
   前記光源より前記アルカリ金属セルに照射されたレーザ光のうち、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と、
   を有することを特徴とする原子発振器。
10. 前記光源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前記アルカリ金属セル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ことを特徴とする請求項９に記載の原子発振器。
11. 基板に前記基板を貫通する２以上の開口部と、前記基板の一方の面に前記２つの開口部を空間的に接続する溝部を形成する工程と、
    前記基板の他方の面に第１の透明基板を接合する工程と、
    前記開口部のうちの一の開口部にアルカリ金属を含む化合物を設置する工程と、
    前記基板の一方の面の前記２以上の開口部の周囲、または、第２の透明基板の一方の面において前記２以上の開口部の周囲に対応する部分に、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層を形成する工程と、
    前記基板の溝部、または、前記第２の透明基板の一方の面において前記溝部に対応する部分に、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層を形成する工程と、
    前記基板の一方の面と前記第２の透明基板の一方の面とを第１の接合金属層により接合する工程と、
    前記アルカリ金属を含む化合物よりアルカリ金属を発生させて、前記一の開口部より前記溝部を介し、他の開口部に前記アルカリ金属を供給する工程と、
    前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記溝部において前記第２の接合金属層により、前記基板と前記第２の透明基板とを接合する工程と、
    を有し、
    前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれかを含む材料であることを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。
12. 基板の一方の面に前記基板を貫通しない一の開口部と、前記基板を貫通する他の開口部と、前記基板の一方の面に前記一の開口部と前記他の開口部とを空間的に接続する溝部を形成する工程と、
    前記基板の他方の面に第１の透明基板を接合する工程と、
    前記一の開口部にアルカリ金属を含む化合物を設置する工程と、
    前記基板の一方の面の前記一の開口部及び前記他の開口部の周囲、または、第２の透明基板の一方の面において前記一の開口部及び前記他の開口部の周囲に対応する部分に、第１の接合金属により形成された第１の接合金属層を形成する工程と、
    前記基板の溝部、または、前記第２の透明基板の一方の面において前記溝部に対応する部分に、第２の接合金属により形成された第２の接合金属層を形成する工程と、
    前記基板の一方の面と前記第２の透明基板の一方の面とを第１の接合金属層により接合する工程と、
    前記アルカリ金属を含む化合物よりアルカリ金属を発生させて、前記一の開口部より前記溝部を介し、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給する工程と、
    前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記溝部において前記第２の接合金属層により、前記基板と前記第２の透明基板とを接合する工程と、
    を有し、
    前記第１の接合金属及び前記第２の接合金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれかを含む材料であることを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。
13. 前記一の開口部と前記他の開口部の間を切断することにより、前記他の開口部を分離し、前記分離された他の開口部によりアルカリ金属セルの内部が形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のアルカリ金属セルの製造方法。
14. 前記第２の接合金属は、前記第１の接合金属よりも溶融温度が高いことを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。
15. 前記アルカリ金属を含む化合物に、レーザ光を照射、紫外光を照射、加熱のいずれかを行うことにより、前記アルカリ金属を発生させることを特徴とする請求項１１から１４のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。

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