(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、
空洞を有するセル層と、
前記空洞に封入されている原子と、
前記受光素子とともに前記原子を挟むように配置されていて、前記原子に共鳴光を出射
する発光素子と、
前記受光素子又は前記発光素子上に積層して前記空洞を封止している酸化膜層と、
前記受光素子又は前記発光素子のいずれか一方と前記セル層との間にあるバンプと、
を備えていることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記セル層、前記酸化膜層、前記受光素子の順に積層していることを特徴とする請求項
１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記セル層、前記酸化膜層、前記発光素子の順に積層していることを特徴とする請求項
１に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記酸化膜層とともに前記空洞を挟むように配置されていて、前記空洞を封止している
透明部材を有す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。
【請求項５】
前記セル層が透明部材であることを特徴とする請求項1乃至４の何れか一項に記載の原
子発振器。
【請求項６】
半導体基板上に受光部を有する受光素子を用意する第１の工程と、
前記受光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、
前記酸化膜上にセル層を積層する第３の工程と、
前記受光部の上部の前記セル層に開口部を有するように空洞を用意する第４の工程と、
前記空洞に気体状のアルカリ金属原子を封入する第５の工程と、
前記開口部を透明部材により封止する第６の工程と、
前記アルカリ金属原子に共鳴光を出射する発光素子を、前記受光素子とともに前記アル
カリ金属原子を挟むように配置し、バンプを介して前記セル層に接続する第７の工程と、
を含むことを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に受光部を有する受光素子を用意する第１の工程と、
前記受光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、
前記酸化膜上にアルカリ金属を積層する第３の工程と、
前記受光部の上部に空洞を有する透明部材を配置する第４の工程と、
前記受光素子に前記透明部材を接合する第５の工程と、
前記アルカリ金属原子に共鳴光を出射する発光素子を、前記受光素子とともに前記アル
カリ金属原子を挟むように配置し、バンプを介して前記セル層に接続する第６の工程と、
を含むことを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項８】
共鳴光を出射する発光素子を半導体基板上に用意する第１の工程と、
前記発光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、
前記酸化膜上にセル層を積層する第３の工程と、
前記受光部の上部の前記セル層に開口部を有するように空洞を用意する第４の工程と、
前記空洞に気体状のアルカリ金属原子を封入する第５の工程と、
前記開口部を透明部材により封止する第６の工程と、
前記共鳴光が前記アルカリ金属原子を透過した光を受光する受光部を、前記発光素子と
ともに前記アルカリ金属原子を挟むように配置し、バンプを介して前記セル層に接続する第７の工程と、
を含むことを特徴とする原子発振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器及び製造方法に関し、さらに詳しくは、発光素子、ガスセル、及び受光素子を縦積み構成にした原子発振器とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化の進展に伴い、伝送装置のクロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源等として、高精度・高安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような発振器として、発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。また、近年原子発振器の小型化の要求が高まり、ガスセルも含めて全体を小型化する必要性に迫られている。それと同時に、ユニットコストを低減するために製造コストを下げる製造方法が要求されている。
特許文献１には、光源から出射した光がプリズムで屈折されてガスセルを透過し、更にプリズムで屈折されて受光素子により受光される原子発振器の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ６９００７０２Ｂ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の原子発振器は、生産効率を高める一つの手段として、複数のガスセルを一体的に形成して、後で単体にダイシングする製造方法を採っているが、発光素子、ガスセル、及び受光素子が基板上に横並びに、かつ各部材間が間隔をもって配置され、さらに光を屈折させるための複数のミラーを必要とした構成であることから、全体のユニットとして必ずしも小型化が実現されたとは言い難い。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、プリズム等の高価な部品を使用しているため、ユニットコストが高くなるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも受光素子又は発光素子と、ガスセルとを半導体基板上に形成し、そこに他の部品を積層することにより、小型化とコストダウンを図ることができる原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例に係る原子発振器は、受光素子と、空洞を有するセル層と、前記空洞に封入されている原子と、前記セル層に積層して前記空洞を封止してる酸化膜層と、前記受光素子とともに前記原子を挟むように配置されていて、前記原子に共鳴光を出射する発光素子と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【０００８】
［適用例２］本適用例に係る原子発振器は、前記セル層、前記酸化膜層、前記受光素子の順に積層していることを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、半導体基板上に受光素子が形成され、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１０】
［適用例３］本適用例に係る原子発振器は、前記セル層、前記酸化膜層、前記発光素子の順に積層していることを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、半導体基板上に発光素子が形成され、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１２】
［適用例４］本適用例に係る原子発振器は、前記酸化膜層とともに前記空洞を挟むように配置されていて、前記空洞を封止している透明部材を有することを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、空洞を酸化膜と透明部材とで挟んでいて、さらに受光素子と発光素子とに挟まれるので、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１４】
［適用例５］本適用例に係る原子発振器は、前記セル層が透明部材であることを特徴とする請求項1乃至４の何れか一項に記載の原子発振器。
【００１５】
セル層が透明部材であるので、酸化膜と対向している空洞の底部も透明部材で構成されていることにより、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１６】
[適用例６]本適用例に係る原子発振器の製造方法は、半導体基板上に受光部を有する受光素子を形成する第１の工程と、前記受光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、前記酸化膜上にセル層を積層する第３の工程と、前記受光部の上部の前記セル層に開口部を有するように空洞を形成する第４の工程と、前記空洞に気体状のアルカリ金属原子を封入する第５の工程と、前記開口部を透明部材により封止する第６の工程と、前記アルカリ金属原子に共鳴光を出射する発光素子を、前記受光素子とともに前記アルカリ金属原子を挟むように配置する第７の工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、半導体基板上に受光素子が形成され、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００１８】
［適用例７］本適用例に係る原子発振器の製造方法は、半導体基板上に受光部を有する受光素子を形成する第１の工程と、前記受光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、前記酸化膜上にアルカリ金属を積層する第３の工程と、前記受光部の上部に空洞を有する透明部材を配置する第４の工程と、前記受光素子に前記透明部材を接合する第５の工程と、前記アルカリ金属原子に共鳴光を出射する発光素子を、前記受光素子とともに前記アルカリ金属原子を挟むように配置する第６の工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
セル層が透明部材であるので、酸化膜と対向している空洞の底部も透明部材で構成されていることにより、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【００２０】
［適用例８］本適用例に係る原子発振器の製造方法は、共鳴光を出射する発光素子を半
導体基板上に形成する第１の工程と、前記発光素子上に酸化膜を積層する第２の工程と、
前記酸化膜上にセル層を積層する第３の工程と、前記受光部の上部の前記セル層に開口部
を有するように空洞を形成する第４の工程と、前記空洞に気体状のアルカリ金属原子を封
入する第５の工程と、前記開口部を透明部材により封止する第６の工程と、前記共鳴光が
前記アルカリ金属原子を透過した光を受光する受光部を、前記発光素子とともに前記アル
カリ金属原子を挟むように配置する第７の工程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本適用例によれば、半導体基板上に受光素子が形成され、容易にモノリシック原子発振器を構成することが出来、小型化とコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。
【図４】図１の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。
【図５】図２の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。
【図６】図３の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。この原子発振器５０は、半導体基板上に形成された受光部６ａを有する受光素子（ＰＤ：Photodiode）６と、受光素子６上に積層され、受光部６ａの上部に開口部８ａを有する空洞８ｂが形成されたセル層８と、空洞８ｂに封入された気体状のアルカリ金属原子５と、開口部８ａを閉止するカバーガラス（透明部材）４と、カバーガラス４を介してアルカリ金属原子５に共鳴光を出射する発光素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser（垂直共振器面発光レーザー））１と、を備えて構成されている。尚、受光素子（ＰＤ）６には電極７が備えられ、カバーガラス４上には発光素子１用の電極３が形成されている。そして発光素子１のバンプ２を介して電極３と接続される。
即ち、本発明では、まず半導体基板上に受光部６ａを有する受光素子６を形成する。そして、更にその上にセル層８を積層して、エッチングにより受光部６ａの上部に開口部８ａを有する空洞８ｂを形成する。このセル層８が搭載された状態の構造体をアルカリ金属原子の雰囲気内に置くことにより、空洞８ｂにアルカリ金属原子５が充満する。その状態で開口部８ａをカバーガラス４にて閉止して、カバーガラス４とセル層８とで凹部を有するキャップを構成する。
そして、カバーガラス４の上面の電極３にバンプ２により発光素子６を電極３に接続する。
尚、複数の原子発振器を効率的に形成するためにはバッチ処理工程を採用することが望ましい。
即ち、複数の受光部６ａを形成したウエハー状態の半導体基板上にウエハー状態のセル層８を重ねた後、所望の位置に複数の空洞８ｂを形成し、その後、空洞８ｂ内にアルカリ金属原子を入れた状態のまま開口部８ａを閉止するためにウエハー状態のセル層８にウエハー状態のカバーガラス４を重ね合わせて、接合した構造体を用意する。
そして、この構造体に発光素子１を搭載する前または、発光素子１を搭載した後の段階で、構造体を原子発振器毎または発光素子１を搭載する前の状態の原子発振器用のパーツ毎に切断し、固体化する。これにより、容易にモノリシック原子発振器を構成することができる。
なお、半導体基板６に搭載する前に空洞８ｂを形成したセル層８を用意しても良い。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。この原子発振器５１は、半導体基板上に形成された受光部６ａを有する受光素子６（ＰＤ）と、受光素子６上に接合され、受光部６ａの上部に空洞４ｂが形成されたカバーガラス（透明部材）４と、空洞４ｂに封入された気体状のアルカリ金属原子５と、カバーガラス４を介してアルカリ金属原子５に共鳴光を出射する発光素子（ＶＣＳＥＬ）１と、を備えて構成されている。尚、受光素子（ＰＤ）６には電極７が備えられ、カバーガラス４上には発光素子１用の電極３が形成されている。そして発光素子１のバンプ２を介して電極３と接続される。ここで図１と図２の違いは、図１では半導体基板上にセル層８を搭載した後、空洞８ｂを形成し、空洞８ｂ内のアルカリ金属原子５を板状のカバーガラス４により封止したものであり、図２では受光素子６とキャップとを予め別体で構成して置き、空洞４ｂにアルカリ金属原子５
を封入しながら両者を接合するものである（製造方法は後述する）。
即ち、本実施形態では、カバーガラスで開口部を閉止する工程の省略を可能にしている。つまり、半導体基板上に受光部６ａを有する受光素子６を形成する。そして、透明材料として例えばガラスに空洞４ｂを形成したキャップを用意する。その後、アルカリ金属原子の雰囲気内で空洞４ｂの開口内に受光部６ａが収まるようにしてキャップと受光素子６とを重ね合わせて接合することにより、空洞４ｂにアルカリ金属原子５が充満する。そして、バンプ２により発光素子１を接続する。これにより、エッチングなどの化学処理により受光部６ａを傷める心配もなく、容易にモノリシック原子発振器を構成することができる。
なお、図１に示したモノリシック原子発振器の場合においても、受光素子６とキャップとを別体で用意しておき、両者をアルカリ金属原子の雰囲気内で接合しても良い。
【００２６】
図３は本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す断面図である。この原子発振器５２は、半導体基板上に形成された発光部１ａを有する発光素子（ＶＣＳＥＬ）１と、発光素子１上に積層され、発光部１ａの上部に開口部８ａを有する空洞８ｂが形成されたセル層８と、空洞８ｂに封入された気体状のアルカリ金属原子５と、開口部８ａを閉止するカバーガラス（透明部材）４と、カバーガラス４を介してアルカリ金属原子５を透過した共鳴光を受光する受光素子（ＰＤ）６と、を備えて構成されている。尚、発光素子（ＶＣＳＥＬ）１には電極１０が備えられ、カバーガラス４上には受光素子６用の電極３が形成されている。そして受光素子６のバンプ２を介して電極３と接続される。ここで図１と図３の違いは、図１では、受光素子６上に積層したセル層８に空洞８ｂを形成したが、図３では、発光素子１上に積層したセル層８に空洞８ｂを形成した。
即ち、本発明では、図１に係る発光素子１と受光素子６の配置を逆転した構成である。即ち、半導体基板上に発光部１ａを有する発光素子１を形成する。そして、更にその上にセル層８を積層して、エッチングにより発光部１ａの上部に開口部８ａを有する空洞８ｂを形成する。このセル層８をアルカリ金属原子の雰囲気内に置くことにより、空洞８ｂにアルカリ金属原子５が充満する。その状態で開口部８ａをカバーガラス４にて閉止して、バンプ２により受光素子６を接続する。これにより、容易にモノリシック原子発振器を構成することができる。
【００２７】
図４は図１の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。まず、半導体基板上に受光素子６を形成し（Ｓ１）、更に電極取出し用の金属膜（以下、単に電極７と呼ぶ）を形成する（Ｓ２）。次に、受光素子６上にセル層を積層する（Ｓ３）。そして、セル層の一部をエッチングして空洞８ｂを形成する（Ｓ４）。このとき空洞８ｂは一方に開口部８ａを設ける。次に空洞８ｂに気体状のアルカリ金属原子５を封入し（Ｓ５）、カバーガラス４により開口部８ａを封止して接合する（Ｓ６）。そのカバーガラス４上に電極３を形成する（Ｓ７）。最後にアルカリ金属原子５に共鳴光を出射する発光素子１を開口部８ａ上に実装し、電極３とバンプ２とを接続（フリップチップボンディング）する（Ｓ８）。
【００２８】
図５は図２の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。まず、半導体基板上に受光素子６を形成し（Ｓ１１）、更に電極７を形成する（Ｓ１２）。次に、受光素子６上に酸化膜９を積層する（Ｓ１３）。そして、図２のＡ部にアルカリ金属を積層する（Ｓ１４）。そして受光素子６と対向する位置に空洞４ｂを有するキャップをその上から接合する（Ｓ１５）。そのキャップ上に電極３を形成する（Ｓ１６）。最後にアルカリ金属原子５に共鳴光を出射する発光素子１をキャップ上に実装し、電極３とバンプ２とを接続（フリップチップボンディング）する（Ｓ１７）。
【００２９】
図６は図３の原子発振器の製造工程を説明するフローチャートである。まず、半導体基板上に発光素子１を形成し（Ｓ２１）、更に電極１０を形成する（Ｓ２２）。次に、発光素子１上にセル層８を積層する（Ｓ２３）。そして、セル層８の一部をエッチングして空洞８ｂを形成する（Ｓ２４）。次に空洞８ｂに気体状のアルカリ金属原子５を封入し（Ｓ２５）、カバーガラス４により開口部８ａを封止して接合する（Ｓ２６）。そのカバーガラス４上に電極取３を形成する（Ｓ２７）。最後に共鳴光を受光する受光素子６を開口部８ａ上に実装し、電極３とバンプ２とを接続（フリップチップボンディング）する（Ｓ２８）。
【符号の説明】
【００３０】
１  発光素子（ＶＣＳＥＬ）、１ａ  発光部、２  バンプ、３  電極、４  カバーガラス、５  アルカリ金属ガス（Ｃｓガス）、６  受光素子（ＰＤ）、６ａ  受光部、７  電極、８  セル層、９  酸化皮膜、１０  電極、５０、５１、５２  原子発振器
【図１】
0005504851.tif 000002
【図２】
0005504851.tif 000003
【図３】
0005504851.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005504851.tif 000007