WO2018066377A1 - ガスセル、原子時計および原子センサ - Google Patents

ガスセル、原子時計および原子センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2018066377A1
WO2018066377A1 PCT/JP2017/034155 JP2017034155W WO2018066377A1 WO 2018066377 A1 WO2018066377 A1 WO 2018066377A1 JP 2017034155 W JP2017034155 W JP 2017034155W WO 2018066377 A1 WO2018066377 A1 WO 2018066377A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas cell
single crystal
gas
crystal sapphire
sapphire substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/034155
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
真也 柳町
健 池上
高木　秀樹
昭文 高見澤
優一 倉島
Original Assignee
国立研究開発法人産業技術総合研究所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立研究開発法人産業技術総合研究所 filed Critical 国立研究開発法人産業技術総合研究所
Priority to JP2018543834A priority Critical patent/JP6685565B2/ja
Publication of WO2018066377A1 publication Critical patent/WO2018066377A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

Definitions

  • the present invention relates to a gas cell used for an atomic clock and an atomic sensor.
  • a frequency reference atom is enclosed in a glass cell (Fig. 1), irradiated with light or microwaves, and the microwave double resonance method (Fig. 3 (a)) or coherent population trapping resonance.
  • a reference signal is acquired using a spectroscopic means such as a (CPT resonance) method (FIG. 3B).
  • buffer gas buffer gas
  • Ne or Ar an inert gas
  • silicon wafers are used for gas cell production.
  • the buffer gas is indispensable for acquiring the signals necessary to operate the atomic clock, but on the other hand, it collides with alkali atoms such as Rb and Cs, which are frequency reference atoms, so that ⁇ buffer gas shift '' A frequency shift called ”occurs.
  • alkali atoms such as Rb and Cs, which are frequency reference atoms
  • borosilicate glass such as Pyrex (registered trademark) permeates helium (He) gas in the atmosphere, Ne used for buffer gas, etc.
  • the “buffer gas shift” changes with time due to the penetration of the He gas into the gas cell and the gas removal of the buffer gas, which is a problem because it causes a time change (drift) of the oscillation frequency of the atomic clock.
  • the glass containing SiO 2 used for the window material is reduced by the frequency reference atom Cs, and as a result, Cs atoms are adsorbed on the glass and permeate and diffuse into the window material.
  • the disappearance of atoms and aging are also problems.
  • FIG. 10 shows the tendency of gas permeability due to the material for helium.
  • a single crystal such as quartz or sapphire or a ceramic such as alumina ceramic
  • FIG. 10 shows the tendency of gas permeability due to the material for helium.
  • an error of 0.01 seconds or less is required over 10 years as time accuracy.
  • a borosilicate glass having a transmittance of 10 -18 m 2 / s / Pa to He is used as a gas cell material, an error of about 10 to 100 seconds will occur in 10 years due to a buffer gas shift. Therefore, the gas cell constituting material is required to have gas permeability of not more than 10- 22 m 2 / s / Pa .
  • sapphire single crystals and alumina ceramics are substances that have low reactivity with alkali atoms such as frequency reference atoms Rb and Cs and are less lost by permeation and diffusion into the window material.
  • Sapphire single crystal suitable for window material cannot secure bonding strength enough to withstand dicing for mass production by a technique called optical contact by craftsmanship.
  • the gas cell of the present invention is produced by bonding a sapphire single crystal of a window material to a silicon wafer or sapphire single crystal of a wall material with a strength that can withstand dicing. More specifically, the following means can be provided.
  • a gas cell containing alkali atoms and a buffer gas used for frequency reference The gas cell is characterized by comprising a single material satisfying a predetermined helium gas permeability (10 ⁇ 22 m 2 / s / Pa) or less, or comprising the single material and silicon.
  • a predetermined helium gas permeability (10 ⁇ 22 m 2 / s / Pa) or less or comprising the single material and silicon.
  • the single material is alumina ceramics, single crystal sapphire, or single crystal quartz.
  • the gas cell A single crystal sapphire substrate including an opening penetrating from one surface to the other surface; Two single crystal sapphire substrates facing each other through the opening and bonded to both surfaces of the substrate;
  • the gas cell according to (2) comprising: (4)
  • the gas cell further includes a second opening penetrating from one surface to the other surface and a connecting portion connecting the two openings.
  • the gas cell according to (3) It is a silicon substrate instead of the single crystal sapphire substrate including the opening, The gas cell according to (4), wherein
  • a method for producing a gas cell according to (3) Drilling the opening in a first single crystal sapphire substrate;
  • the second single crystal sapphire substrate is applied to the bottom surface of the first single crystal sapphire substrate, and the bonding surface of both substrates is irradiated with a high-speed atomic beam of argon in a vacuum and bonded at room temperature as it is.
  • a method for producing a gas cell according to (4) Drilling the first opening in the first single crystal sapphire substrate; Further, a second opening penetrating from one surface to the other surface is drilled, and a groove serving as a connecting portion connecting the two openings is processed, The second single crystal sapphire substrate is applied to the bottom surface of the first single crystal sapphire substrate, and the bonding surface of both substrates is irradiated with a high-speed atomic beam of argon in a vacuum and bonded at room temperature as it is.
  • An ideal gas cell without frequency drift and without consuming the frequency reference atom Cs can be obtained only by appropriately enclosing the frequency reference atom and the buffer gas in the cell manufactured according to the present invention.
  • An atomic clock that has improved the long-term stability of the frequency by producing a sapphire gas cell that can be used continuously while maintaining its performance for approximately 10 years, An atomic sensor can be manufactured.
  • FIG. 4 is a diagram showing (a) a gas cell arrangement in an optical microwave double resonance method for detecting a natural frequency of a frequency reference atom, and (b) a gas cell arrangement in a coherent population trapping resonance method. It is the side view and top view of a gas cell wall material in Example 1.
  • 4 is a schematic diagram of a manufacturing process of the gas cell of Example 1. It is the side view and top view of the gas cell wall material in Example 3.
  • 4 is a schematic diagram of a gas cell manufacturing process of Example 3.
  • 10 is a schematic diagram of a gas cell manufacturing process of Example 4. It is a figure showing the tendency of the gas-permeation rate by the raw material with respect to helium.
  • the surface of the wafer is polished by a chemical mechanical polishing method to remove burrs during processing, and a smooth surface having a root mean square roughness (Rq) of 0.3 nm or less. Finished.
  • the sapphire substrate 10 and a sapphire wafer 20 having a thickness of 0.4 mm were joined. Bonding is performed by irradiating the bonding surfaces of both substrates with a high-speed atomic beam of argon in vacuum, cleaning and activating the surface by sputter etching, and bonding at room temperature as it is (for the bonding process in vacuum, (Prior documents: Japanese Patent Nos. 2791429 and 3774782).
  • a cesium dispenser 40 that releases cesium by heating is inserted into one hole of the substrate 10 and bonded to the sapphire wafer 30 to seal the two holes and the groove. Stop.
  • the two holes and the groove were sealed in a mixed gas atmosphere of argon and neon.
  • the cesium dispenser is heated by irradiating laser light 50 to release cesium atoms 41.
  • FIG. 5 (e) a gas cell in which a mixed gas of argon and neon and cesium atoms were bonded and sealed was produced.
  • a second sapphire wafer for gas cell sealing with the same configuration as in Example 1 was bonded in an atmosphere of a mixed gas of 10 kPa of neon and argon with an impurity concentration of 5 ⁇ 10 ⁇ 4 %. . Although these are usually made into ultra-high purity gases, since the impurity gas concentration is large, the bonding strength required in processes such as gas cell sealing and subsequent dicing cannot be obtained.
  • two through-holes with a diameter of 2 mm and a groove with a width of 0.1 mm and a depth of 1 mm were processed by photolithography and deep etching (not shown) on a Si substrate having a thickness of 2 mm.
  • the through hole and the groove can be processed with high accuracy, and polishing of the surface after processing becomes unnecessary.
  • a through hole 16 having a diameter of 1 mm was processed on a sapphire substrate 15 having a thickness of 1 mm as a wall material.
  • the wafer surface is polished by a chemical mechanical polishing method to remove burrs and the like during processing, and a smooth surface having a root mean square roughness (Rq) of 0.3 nm or less. Finished.
  • this sapphire substrate 15 and a sapphire wafer 25 having a thickness of 0.4 mm were joined. Bonding was performed by irradiating the bonding surfaces of both substrates with a high-speed atomic beam of argon in vacuum, cleaning and activating the surfaces by sputter etching, and bonding them at room temperature.
  • a cesium droplet 45 having a diameter of about 0.1 mm was dropped into the hole of the substrate 15 in a nitrogen gas atmosphere. Since the melting point of cesium is 28.44 ° C., a slight amount of dripping is possible by turning it slightly from room temperature into a liquid. If the temperature of the substrate 15 is equal to or lower than the melting point of cesium, the cesium droplet solidifies immediately after dropping.
  • the through hole 16 was sealed in a mixed gas atmosphere of argon and neon. After sealing and bonding, by heating to 28.44 ° C. or higher, which is the melting point of cesium, a part of cesium is vaporized.
  • two through holes 18 having a diameter of 2 mm and a groove 19 having a width of 1 mm and a depth of 0.2 mm were processed on a single crystal quartz substrate 17 having a thickness of 2 mm.
  • the wafer surface is polished by a chemical mechanical polishing method to remove burrs during processing, and a smooth surface having a mean square roughness (Rq) of 0.3 nm or less. Finished.
  • zirconia (ZrO 2 ) having a thickness of 20 nm is formed on both surfaces of the single crystal quartz substrate 17 and a surface to which the single crystal quartz substrate 21 having a thickness of 0.4 mm is bonded by sputtering.
  • a film 60 was formed, and the single crystal quartz substrate 17 and the single crystal quartz substrate 21 were bonded. Bonding was performed by irradiating the bonding surfaces of both substrates with a high-speed atomic beam of argon in vacuum, cleaning and activating the surfaces by sputter etching, and bonding them at room temperature.
  • a cesium dispenser 40 for releasing cesium by heating is put into one hole of the substrate 17, and as shown in FIG. 9 (d), the zirconia film 60 is similarly formed.
  • the two holes and the groove are sealed by bonding to the formed single crystal quartz substrate 31.
  • a high-speed atomic beam of argon was irradiated on the bonding surfaces of both substrates in vacuum, and then a mixed gas of neon and argon was introduced into the vacuum chamber, and bonding was performed at room temperature in this mixed gas atmosphere.
  • the two holes and the groove were sealed in a mixed gas atmosphere of argon and neon.
  • the cesium dispenser is heated by irradiating the laser beam 50, and the cesium atoms 41 are emitted.
  • a gas cell in which a mixed gas of argon and neon and cesium atoms were bonded and sealed was produced (FIG. 9 (f)).
  • a gas cell was fabricated using single crystal quartz in the same manner as in the example (addition) without forming the zirconia film 60 on the surfaces to be joined. Since the bonding strength between the single crystal quartz substrates was small and the bonding part was peeled off in the dicing process, the gas cell could not be manufactured.
  • a fast atom beam of argon gas is used before bonding.
  • a gas such as neon, nitrogen, krypton, and xenon, and use these gases.
  • the same effect as a fast atom beam can be obtained by ion beam or plasma irradiation.
  • the gas introduced into the vacuum chamber at the time of the second bonding is not limited to a mixed gas of neon and argon, but includes a single gas of inert gas including helium, nitrogen, krypton, and xenon, and a mixed gas thereof. Can be used.
  • the wall of the gas cell can be used if the material has low permeability to helium and neon and the surface can be polished smoothly, such as sintered alumina ceramics. It can be used as a material.
  • the window material is not limited to single-crystal sapphire, but has a small permeability to helium and neon, can be polished smoothly on the surface, and has a good light transmittance, such as a light-transmitting sintered alumina ceramic or spinel, A garnet single crystal and a sintered body can be used as a window material for a gas cell.
  • the bonding intermediate film 60 formed on the surface in order to improve the bonding property of quartz is not limited to zirconia (ZrO 2 ), but is a film of a transparent and chemically stable material, such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 Etc. can be used.
  • the gas cell of the present invention can be applied not only to an atomic clock but also to an atomic sensor.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

従前、原子時計に用いられるガスセルにおいて、大気中のHeガスのガスセルへの侵入やガスセルに封止されたバッファガスのガスセル抜けに起因する時間的に変化する「バッファガスシフト」が発生し、これが原子時計の発振周波数の時間変化(ドリフト)を発生させるため問題となっていた。また窓材と壁材を用いるガスセルでは周波数基準原子とバッファガスを確実に封入するために高温下での接合が必要だった。　ガスセル側面からのHeガスのガスセルへの侵入やバッファガスのガスセル抜けを実質的に防止するに好適な材料を用いて周波数基準原子とバッファガスを常温下で確実に封入する。

Description

ガスセル、原子時計および原子センサ
　本発明は原子時計および原子センサ等に利用するガスセルに関する。
　セシウム(Cs)やルビジウム(Rb)原子などのアルカリ原子を周波数基準に用いた超小型原子時計(チップスケール原子時計、Chip Scale Atomic Clock＝CSAC)の開発が活発に進められ、製品化も行われている(図２)。
　原子時計では、周波数基準原子をガラスのセル(図１)に封入し、これに光やマイクロ波などを照射し、マイクロ波２重共鳴法(図３(ａ))や、コヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴(CPT共鳴)法(図３(ｂ))といった分光手段を用いて基準信号を取得する。
　このとき、原子時計として必要な性能を確保できるだけの質の良い信号を取得するために、セルの中にNeやArなどの緩衝気体(バッファガス)と呼ばれる不活性ガスを封入する必要がある。
　不活性ガスが封入されたガスセルを低価格で大量生産するために、ガスセル作製にシリコンウェハーが用いられる。
　ガスセルの作製は、壁材となるシリコンウェハーにたくさんの穴がエッチング等の加工法により開けられ、その両面に光を通過させる窓材としてガラスが接合され、またバッファガスおよび周波数基準原子が封入され、最後に個別のガスセルにダイシングされる。
　壁材となる穴の空いたシリコンウェハーと窓材のガラスを接合する方法としては陽極接合が用いられるが、陽極接合ではガラス中に含まれるNaイオンが重要な役割を果たし、このため窓材に使われるガラスとしては、シリコンと熱膨張率が近くNaを含有するパイレックス(登録商標)などのホウケイ酸ガラスが用いられている。
　一方、バッファガスは原子時計を動作させるために必要な信号を取得するために不可欠であるが、その一方で、周波数基準原子であるRbやCsなどのアルカリ原子と衝突することで「バッファガスシフト」と呼ばれる周波数シフトが発生する。
　バッファガスシフトが長期間にわたりに一定であれば問題とならないが、パイレックス(登録商標)などのホウケイ酸ガラスは大気中のヘリウム(He)ガス、およびバッファガスに用いられるNeなどを透過するため、大気中のHeガスのガスセルへの侵入やバッファガスのガスセル抜けにより「バッファガスシフト」は時間的に変化し、これが原子時計の発振周波数の時間変化(ドリフト)を発生させるため問題となっている。
　また、窓材に使用されるSiO2を含むガラスは周波数基準原子Csにより還元され、その結果Cs原子がガラスに吸着され窓材に浸透拡散していくため、ガスセル内の基準信号を取得するCs原子の消失や経年変化も問題となっている。
特開２００１－２８５０６４号公報 特開２０１５－１１９４４３号公報 特開２０１６－１２８５５号公報
池上健、"CPTを利用した小型原子時計開発の世界的動向", 日本時計学会誌マイクロメカトロニクス, p77-91. Vol. 52, No. 199(2008) Olga Kozlova, Stephane Guerandel, and Emeric de Clercq, "Temperature and Pressure shift of the Cs clock transition in the presence of buffer gases: Ne, N2, Ar", Phys. Rev. A 83, 062714(2011) Francis J. Norton, "Permeation of Gases through Solids", J. Appl. Phys. 28, 34(1957) 柳町真也、"平成27年度 NEDO報告資料抜粋"
　大気中のHeやバッファガスNeなどを透過しない透光性材料(窓材)として、水晶やサファイアなどの単結晶、また、アルミナセラミックスなどのセラミックスを用いることが考えられる。
　図１０はヘリウムに対する素材によるガス透過率の傾向を示したものである。
　しかし、センサネットなど分散配置される複数システムの時刻同期を行う場合、時刻精度として10年間で誤差0.01秒以下が要求される。
　ガスセル材料として、Heに対して10-18m2/s/Paの透過率を持つホウケイ酸ガラスを用いると、バッファガスシフトにより10年間で10～100秒程度の誤差を生じてしまう。
　このため、ガスセル構成材料にはガス透過率が10-22m2/s/Pa以下であることが求められる。
　これらのうち、サファイア単結晶やアルミナセラミックスはさらに周波数基準原子RbやCsなどのアルカリ原子との反応性が低く窓材内への浸透拡散による消失も小さい物質である。
　窓材に好適なサファイア単結晶は職人芸によるオプティカルコンタクトと呼ばれる手法では大量生産のためのダイシングに耐えるほどの接合強度は確保できない。
　また、1000℃以上の高温の熱処理を行えば、サファイア単結晶の接合強度は向上するが、内部にCsやRbを封入しなくはならないガスセルの作製には利用できない。
　さらに、ガスセル作製にはNe、窒素やArなどのバッファガスを封入する必要があるが、窓材にサファイア単結晶を使用して高純度のバッファガスを封入し得るガスセル作製方法は知られていない。
　本発明のガスセルは窓材のサファイア単結晶をダイシングに耐える強度で壁材のシリコンウェハーまたはサファイア単結晶と接合して作製される。
　より詳しくは次の手段を提供できる。                                                                             
（１）
　周波数基準に用いられるアルカリ原子とバッファガスを封入したガスセルであって、
　前記ガスセルは所定のヘリウムガス透過率(10-22m2/s/Pa)以下を満たす単一材料または該単一材料とシリコンからなることを特徴とするガスセル。
（２）
　前記単一材料はアルミナセラミクス、または単結晶サファイア、または単結晶水晶であることを特徴とする(１)に記載のガスセル。
（３）
　前記ガスセルは、
　一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む単結晶サファイア基板と、
　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つの単結晶サファイア基板と、
　からなることを特徴とする(２)に記載のガスセル。
（４）
　前記ガスセルは、さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部および２つの開口部間を連結する連結部を備える、
　ことを特徴とする(３)に記載のガスセル。
（５）
　前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
　ことを特徴とする(４)に記載のガスセル。
（６）
　(１)乃至(５)のいずれかに記載のガスセルを備え、
光マイクロ波２重共鳴法またはコヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法により前記アルカリ原子の固有周波数を検出することを特徴とする原子時計。
（７）
　(３)に記載するガスセルを製造する方法であって、
　第１の単結晶サファイア基板に前記開口部を穿ち、
　第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
　その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
　次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
（８）
　(４)に記載するガスセルを製造する方法であって、
　第１の単結晶サファイア基板に第１の前記開口部を穿ち、
　さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部を穿ち、および２つの開口部間を連結する連結部となる溝を加工し、
　第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
　その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記第１の開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
　次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
（９）
　前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
ことを特徴とする(７)または(８)のいずれかに記載のガスセルを製造する方法。
（１０）
　(１)乃至(５)のいずれかに記載のガスセルを備えることを特徴とする原子センサ。
　本発明で製作されるセルに適宜周波数基準原子およびバッファガスを封入することにより初めて周波数ドリフトがなく、周波数基準原子Csが消費されない理想的なガスセルを得ることができる。
　凡そ１０年その性能を維持しつつ連続して利用し得るサファイアガスセルの作製により周波数の長期安定度が向上し、時刻同期性能が長期にわたり維持され、長期的に安定した動作を約束した原子時計および原子センサの製作が可能となった。
(ａ)は単一素材から一体的に成形される熱捩じ切りタイプガスセル、(ｂ)は窓材と壁材を接合してなる接合型ガスセルを表す図である。 原子時計の基本構成を表した概略図である。 周波数基準原子の固有周波数を検出する、(ａ)光マイクロ波2重共鳴法におけるガスセル配置を表した図、(ｂ)コヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法におけるガスセル配置を表した図である。 実施例１におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。 実施例１のガスセルの作製工程概略である。 実施例３におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。 実施例３のガスセルの作製工程概略である。 実施例４におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。 実施例４のガスセルの作製工程概略である。 ヘリウムに対する素材によるガス透過率の傾向を表す図である。
　まず図４に示すように、厚さ2mmの単結晶サファイア基板10に、直径2mmの２つの貫通孔11およびそれらを繋ぐ幅1mmで深さ0.2mmの溝12を加工した。
　加工後に、図５(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。
　図５(ｂ)に示すように、このサファイア基板10と、厚さ0.4mmのサファイアウェハ20を接合した。
　接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した(真空中での接合プロセスについては、先行文献：特許第２７９１４２９号、３７７４７８２号)。
　次に図５(ｃ)に示すように、基板10の一方の穴に、加熱によりセシウムを放出するセシウムディスペンサー40を入れ、これをサファイアウェハ30と接合することにより、２つの穴と溝部を封止する。
　接合においては、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーに不純物濃度1×10-6％以下の高純度のネオンとアルゴンの混合ガスを10kPa導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。
　これにより、図５(ｄ)に示すように、２つの穴と溝部をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
　封止接合後、レーザー光50を照射してセシウムディスペンサーを加熱し、セシウム原子41を放出させる。
　以上により、図５(ｅ)に示すように、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、ガスセルを作製した。
　比較例として、実施例１と同様の構成で、ガスセル封止のための二度目のサファイアウェハの接合を、不純物濃度5×10-4％のネオンとアルゴンの混合ガス10kPaの雰囲気中で行った。これらは通常超高純度ガスとされるものであるが、不純物ガス濃度が大きいため、ガスセルの封止およびそれに続くダイシングなどの工程で要求される接合強度は得られなかった。
　壁材として厚さ2mmのSi基板に、直径2mmの２つの貫通孔およびそれらを繋ぐ幅0.1mmで深さ1mmの溝を、フォトリソグラフィーと深掘りエッチングにより加工した(図示せず)。
　Si基板を使用することにより、貫通孔および溝を高精度に加工できるとともに、加工後の表面の研磨が不要となる。
　このように加工したSi基板を用いて、実施例１と同様にサファイアウェハとの接合、セシウムディスペンサー導入、アルゴンとネオンガス中でのサファイアウェハとの封止接合、レーザー加熱によるセシウム原子放出を行うことにより、ガスセルを作製した。
　まず図６に示すように、壁材として厚さ1mmのサファイア基板15に、直径1mmの貫通孔16を加工した。
　加工後に、図７(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。
　図７(ｂ)に示すように、このサファイア基板15と、厚さ0.4mmのサファイアウェハ25を接合した。
　接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した。
　次に、基板15の穴に窒素ガス雰囲気中にて直径約0.1mmのセシウム液滴45を滴下した。セシウムの融点は28.44℃であるので、常温からわずかの加熱を行うことにより液体となり、微少量の滴下が可能となる。
　基板15の温度がセシウムの融点以下であれば、セシウム液滴は滴下後速やかに固化する。
　これを大気にさらすことなく真空チャンバーに導入し、図７(ｃ)に示すように、真空中にて基板15とサファイアウェハ35の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーに不純物ガス濃度が1×10-6％以下のネオンとアルゴンの混合ガスを導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。
　これにより、図７(ｄ)に示すように、貫通孔16をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
　封止接合後、セシウムの融点である28.44℃以上に加熱することにより、セシウムの一部が気化する。
　以上により、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、サファイア製ガスセルを作製した。
　まず、図８に示すように、厚さ2mmの単結晶水晶基板17に、直径2mmの２つの貫通孔18およびそれらを繋ぐ幅1mmで深さ0.2mmの溝19を加工した。
　加工後に、図９(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。
　図９(ｂ)に示すように、この単結晶水晶基板17の両面と、厚さ0.4mmの単結晶水晶基板21の接合される面に、スパッタ成膜により厚さ20nmのジルコニア(ZrO2)膜60を成膜し、単結晶水晶基板17と単結晶水晶基板21を接合した。接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した。
　次に、図９(ｃ)に示すように、基板17の一方の穴に、加熱によりセシウムを放出するセシウムディスペンサー40を入れ、図９(ｄ)に示すように、これを同じくジルコニア膜60を成膜した単結晶水晶基板31と接合することにより、2つの穴と溝部を封止する。接合においては、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーにネオンとアルゴンの混合ガスを導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。
　これにより、２つの穴と溝部をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
　封止接合後、図９(ｅ)に示すように、レーザー光50を照射してセシウムディスペンサーを加熱し、セシウム原子41を放出させる。以上により、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、ガスセルを作製した(図９(ｆ))。
　比較例として、接合される面にジルコニア膜60を形成せずに、実施例(追加)と同様に単結晶水晶を用いてガスセルの作製を行った。単結晶水晶基板間の接合強度が小さく、ダイシング工程で接合部が剥離したため、ガスセルを作製できなかった。
　以上の実施例において、接合前にはアルゴンガスの高速原子ビームを用いているが、これにかわりネオン、窒素、クリプトン、キセノンなどのガスを利用することが可能であり、またこれらのガスを用いたイオンビームやプラズマ照射によっても高速原子ビームと同等の効果を得ることが出来る。
　二度目の接合の際に真空チャンバー内に導入されるガスとしては、ネオンとアルゴンの混合ガスに限らず、ヘリウム、窒素、クリプトン、キセノンを含む不活性ガスの単体ガス、およびそれらの混合ガスを、利用することが出来る。
　また、壁材料として単結晶サファイア、シリコン、単結晶水晶を用いたが、ヘリウムやネオンの透過性が小さく、表面を平滑に研磨可能な材料、例えば焼結アルミナセラミクスなどであれば、ガスセルの壁材として用いることができる。
　同様に、窓材料としては単結晶サファイアに限らず、ヘリウムやネオンの透過性が小さく、表面を平滑に研磨可能で、光透過性が良好な材料、例えば透光性焼結アルミナセラミクスやスピネル、ガーネット単結晶および焼結体などであれば、ガスセルの窓材として用いることが出来る。
　水晶の接合性を向上するため表面に形成する接合用中間膜60としては、ジルコニア(ZrO2)に限らず透明で化学的に安定な材料の膜、例えばTa2O5、TiO2、HfO2などを用いることが出来る。
　本発明のガスセルは原子時計だけでなく、原子センサにも適用することができる。
１０、１５　単結晶サファイア基板
１２、１９　溝
１１、１６、１８　貫通孔
１７、２１、３１　単結晶水晶基板
２０、２５、３０、３５　サファイアウェハ
４０　セシウムディスペンサー
４１　セシウム原子
４５　セシウム液滴
５０　レーザー光
６０　接合用中間膜

Claims (10)

  1. 　周波数基準に用いられるアルカリ原子とバッファガスを封入したガスセルであって、
    　前記ガスセルは所定のヘリウムガス透過率(10-22m2/s/Pa)以下を満たす単一材料または該単一材料とシリコンからなることを特徴とするガスセル。
  2. 　前記単一材料はアルミナセラミクス、または単結晶サファイア、または単結晶水晶であることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
  3. 　前記ガスセルは、
    　一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む単結晶サファイア基板と、
    　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つの単結晶サファイア基板と、
    　からなることを特徴とする請求項２に記載のガスセル。
  4. 　前記ガスセルは、さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部および２つの開口部間を連結する連結部を備える、
    　ことを特徴とする請求項３に記載のガスセル。
  5. 　前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
    　ことを特徴とする請求項４に記載のガスセル。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスセルを備え、
    光マイクロ波２重共鳴法またはコヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法により前記アルカリ原子の固有周波数を検出することを特徴とする原子時計。
  7. 　請求項３に記載するガスセルを製造する方法であって、
    　第１の単結晶サファイア基板に前記開口部を穿ち、
    　第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
    　その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
    　次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
  8. 　請求項４に記載するガスセルを製造する方法であって、
    　第１の単結晶サファイア基板に第１の前記開口部を穿ち、
    　さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部を穿ち、および２つの開口部間を連結する連結部となる溝を加工し、
    　第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
    　その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記第１の開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
    　次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
  9. 　前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
    　ことを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか１項に記載のガスセルを製造する方法。
  10. 　請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスセルを備えることを特徴とする原子センサ。
PCT/JP2017/034155 2016-10-07 2017-09-21 ガスセル、原子時計および原子センサ WO2018066377A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018543834A JP6685565B2 (ja) 2016-10-07 2017-09-21 ガスセル、原子時計および原子センサ

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-198702 2016-10-07
JP2016198702 2016-10-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018066377A1 true WO2018066377A1 (ja) 2018-04-12

Family

ID=61831459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/034155 WO2018066377A1 (ja) 2016-10-07 2017-09-21 ガスセル、原子時計および原子センサ

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6685565B2 (ja)
WO (1) WO2018066377A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021246150A1 (ja) * 2020-06-04 2021-12-09 日本電気硝子株式会社 原子セル用ガラス、原子セル、及び原子セルの製造方法
CN114136377A (zh) * 2021-12-02 2022-03-04 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种碱金属原子气室及其制造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05508969A (ja) * 1990-06-01 1993-12-09 リサーチ　コーポレーション　テクノロジー 光学的に冷却された原子の原子流を用いた改善型周波数原器
JPH1092702A (ja) * 1996-09-18 1998-04-10 Agency Of Ind Science & Technol シリコンウェハーの常温接合法
US6215366B1 (en) * 1999-05-05 2001-04-10 Kernco, Inc. Metallic cell for optically activated atomic frequency standards
JP2001285064A (ja) * 2000-03-28 2001-10-12 Anritsu Corp ガスセル型原子発振器
JP2004343359A (ja) * 2003-05-14 2004-12-02 Fujitsu Media Device Kk 弾性表面波素子の製造方法
JP2013247360A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Honeywell Internatl Inc ライトパスに沿う一体化される透過部分および反射部分を備える原子センサの物理パッケージ
JP2014110464A (ja) * 2012-11-30 2014-06-12 Ricoh Co Ltd アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法
JP2015185958A (ja) * 2014-03-20 2015-10-22 セイコーエプソン株式会社 原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05508969A (ja) * 1990-06-01 1993-12-09 リサーチ　コーポレーション　テクノロジー 光学的に冷却された原子の原子流を用いた改善型周波数原器
JPH1092702A (ja) * 1996-09-18 1998-04-10 Agency Of Ind Science & Technol シリコンウェハーの常温接合法
US6215366B1 (en) * 1999-05-05 2001-04-10 Kernco, Inc. Metallic cell for optically activated atomic frequency standards
JP2001285064A (ja) * 2000-03-28 2001-10-12 Anritsu Corp ガスセル型原子発振器
JP2004343359A (ja) * 2003-05-14 2004-12-02 Fujitsu Media Device Kk 弾性表面波素子の製造方法
JP2013247360A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Honeywell Internatl Inc ライトパスに沿う一体化される透過部分および反射部分を備える原子センサの物理パッケージ
JP2014110464A (ja) * 2012-11-30 2014-06-12 Ricoh Co Ltd アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法
JP2015185958A (ja) * 2014-03-20 2015-10-22 セイコーエプソン株式会社 原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021246150A1 (ja) * 2020-06-04 2021-12-09 日本電気硝子株式会社 原子セル用ガラス、原子セル、及び原子セルの製造方法
CN114136377A (zh) * 2021-12-02 2022-03-04 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种碱金属原子气室及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6685565B2 (ja) 2020-04-22
JPWO2018066377A1 (ja) 2019-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11366430B2 (en) Vapor cells having one or more optical windows bonded to a dielectric body
Liew et al. Wafer-level filling of microfabricated atomic vapor cells based on thin-film deposition and photolysis of cesium azide
US20110187464A1 (en) Apparatus and methods for alkali vapor cells
US20210114926A1 (en) Manufacturing Vapor Cells That Have One or More Optical Windows Bonded to Dielectric Body
US7666485B2 (en) Alkali metal-wax micropackets for alkali metal handling
WO2018066377A1 (ja) ガスセル、原子時計および原子センサ
US20100189605A1 (en) Cells having cavities and the manufacture and use of the same
JP2018528605A (ja) 原子センサ用のガスセル及びガスセルの充填方法
JP6160065B2 (ja) 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
US20070221326A1 (en) Silicon Carbide Bonding
JP6179277B2 (ja) アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法
JP6036230B2 (ja) アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法
WO2022018951A1 (ja) 原子セル及びその製造方法
Hirai et al. Low temperature, wafer-level process of alkali-metal vapor cells for micro-fabricated atomic clocks
WO2021005051A1 (en) Vapour cell
Gorecki Development of first European chip-scale atomic clocks: Technologies, assembling and metrology
JP7482995B2 (ja) 誘電体本体に接合された１つまたは複数の光学窓を有する蒸気セルの製造
KR102150637B1 (ko) 광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀 및 이의 제작 방법
Karlen et al. MEMS atomic vapor cells sealed by Cu-Cu thermocompression bonding
JP6248572B2 (ja) アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法
Liew et al. Micromachined alkali atom vapor cells for chip-scale atomic clocks
KR20220125520A (ko) 원자 증기 셀 및 이를 제조하는 방법
Terashima et al. Microfabrication of Cs-filled MEMS cell using sequential plasma activated bonding
TWI694049B (zh) 用於製造微機械時計零件的方法及該微機械時計零件
Nieradko et al. From the implementation to the characterisation and assembling of microfabricated optical alcali vapor cell for MEMS atomic clocks

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018543834

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17858216

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17858216

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1