(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで、信頼性が高く、安定度の高いアルカリ金属セルを提供する。【解決手段】基板１１０の他方の面に第１の透明基板１２１を接合する工程と、前記基板の一方の面における凸部１１２、又は、第２の透明基板１２２の一方の面において前記凸部に対応する領域に第１の接合金属層１５１を形成する工程と、前記基板の一方の面と前記第２の透明基板とを、前記基板の縁部に形成された前記第１の接合金属層により接合する工程と、アルカリ金属を含む化合物１４０よりアルカリ金属を発生させ、一の開口部より複数の開口部のうちの他の開口部に、前記アルカリ金属を拡散させて供給する工程と、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記開口部の周囲に設けられている第２の接合金属層１５２及び前記金属スペーサを加熱することにより、前記開口部の周囲において前記基板の前記凹部となる面と前記第２の透明基板とを接合する工程とを有する。【選択図】図１２
2014123942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の面において、凸部となる縁部の内側に凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成されている領域に、前記基板を貫通する複数の開口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、
前記基板の一方の面における前記凸部、又は、第２の透明基板の一方の面において前記凸部に対応する領域に第１の接合金属層を形成する工程と、
前記基板の前記複数の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に形成された凹部と前記第２の透明基板の一方の面との間に、金属スペーサを設置する工程と、
前記基板の一方の面における前記開口部の周囲、又は、前記第２の透明基板の一方の面における前記開口部の周囲に対応する領域に第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の透明基板とを、前記基板の縁部に形成された前記第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、前記一の開口部より前記複数の開口部のうちの他の開口部に、前記アルカリ金属を拡散させて供給する工程と、
前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記開口部の周囲に設けられている第２の接合金属層及び前記金属スペーサを加熱することにより、前記開口部の周囲において前記基板の前記凹部となる面と前記第２の透明基板とを接合する工程と、
を有することを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。
【請求項２】
前記凹部を形成する工程は、前記基板の一方の面において、前記凸部となる縁部の内側に、複数の凹部を形成す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の製造方法。
【請求項３】
前記第１の接合金属層による接合の際の接合温度よりも、前記第２の接合金属層による接合の際の接合温度が高いことを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ金属セルの製造方法。
【請求項４】
前記金属スペーサを形成している材料の溶融温度は、前記第１の接合金属層による接合の際の接合温度よりも高く、前記第２の接合金属層による接合の際の接合温度以下であ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の製造方法。
【請求項５】
前記第１の接合金属層により接合された後の前記第１の接合金属層の融点は、前記第２の接合金属層による接合の際の接合温度よりも高い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の製造方法。
【請求項６】
前記金属スペーサと前記第２の接合金属層とは、同じ材料により形成されているもの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の製造方法。
【請求項７】
前記第１の接合金属層は、Ａｕを含む微粒子により形成されているものであ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の製造方法。
【請求項８】
前記第２の接合金属層は、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もの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の製造方法。
【請求項９】
前記基板の前記凹部が形成されている面において、前記金属スペーサが設置される領域には、溝部が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法によりアルカリ金属セルを作製する工程と、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記光源より出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レーザ光を検出する光検出器と、を設置する工程と、
を有する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、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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）、ＢａＮ６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ＢａＮ６＋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ＣｓＮ３を成膜しセルを封止した後、ＵＶ光を照射しＣｓとＮ２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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、Ｈ２Ｏ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、ＣｓｘＯｙ等が生成される。このように、ＣｓｘＯｙ等が生成されると、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。
【０００８】
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てしまう。このようにセル内部の圧力が変動すると、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。更に、非特許文献６に記載されている方法では、一つのアルカリ金属セルを作製する際に一つの原料室を形成する必要があるため、作製されるアルカリ金属セルは高価なものとなる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コストで、信頼性が高く、安定度の高いアルカリ金属セルを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施の形態の一観点によれば、基板の一方の面において、凸部となる縁部の内側に凹部を形成する工程と、前記凹部が形成されている領域に、前記基板を貫通する複数の開口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、前記基板の一方の面における前記凸部、又は、第２の透明基板の一方の面において前記凸部に対応する領域に第１の接合金属層を形成する工程と、前記基板の前記複数の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に形成された凹部と前記第２の透明基板の一方の面との間に、金属スペーサを設置する工程と、前記基板の一方の面における前記開口部の周囲、又は、前記第２の透明基板の一方の面における前記開口部の周囲に対応する領域に第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の透明基板とを、前記基板の縁部に形成された前記第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、前記一の開口部より前記複数の開口部のうちの他の開口部に、前記アルカリ金属を拡散させて供給する工程と、前記他の開口部に前記アルカリ金属を供給した後、前記開口部の周囲に設けられている第２の接合金属層及び前記金属スペーサを加熱することにより、前記開口部の周囲において前記基板の前記凹部となる面と前記第２の透明基板とを接合する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低コストで、信頼性が高く、安定度の高いアルカリ金属セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】原子発振器の説明図
【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（１）
【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（２）
【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（３）
【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（４）
【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（５）
【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（６）
【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（７）
【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（８）
【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（９）
【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（１０）
【図１２】図１１に示される工程における要部拡大図
【図１３】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）
【図１４】図１３に示される工程における要部拡大図
【図１５】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）
【図１６】図１５に示される工程における要部拡大図
【図１７】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）
【図１８】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（１４）
【図１９】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）
【図２０】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）
【図２１】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）
【図２２】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工程図（１）
【図２３】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工程図（２）
【図２４】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工程図（３）
【図２５】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工程図（４）
【図２６】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工程図（５）
【図２７】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工程図（６）
【図２８】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工程図（７）
【図２９】第４の実施の形態における原子発振器の説明図
【図３０】第４の実施の形態における原子発振器の構造図
【図３１】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図３２】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図３３】変調周波数と透過光量との相関図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
〔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の製造方法について、図２から図１８に基づき説明する。尚、図面においては、便宜上、接合部金属膜について一部省略されている場合がある。
【００１５】
最初に、図２に示されるように、Ｓｉ（シリコン）基板１１０の一方の面に、凹部１１１を形成する。このＳｉ基板１１０は、直径φが４インチ、厚さが１．５ｍｍであり、両面が鏡面加工されている。凹部１１１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、凹部１１１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、ドライエッチング、または、ウェットエッチングにより、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、凹部１１１を形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。これにより、Ｓｉ基板１１０の一方の面には、Ｓｉ基板１１０の縁に沿って、エッチングのされていない凸部１１２が幅Ｗで形成され、凸部１１２の内側には深さＤが１００μｍの凹部１１１が形成される。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。
【００１６】
次に、図３に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面における凸部１１２の上に接合部金属膜１１４を形成し、後述する開口部１１３となる領域の周囲に接合部金属膜１１５を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１１０において凹部１１１が形成されている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１１４及び１１５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、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を形成した後、有機溶剤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する。これにより、残存する金属積層膜により接合部金属膜１１４及び１１５を同時に形成することができる。このように形成された接合部金属膜１１４及び１１５における各々の金属層の厚さは、Ｃｒ：５０ｎｍ、Ｐｔ：５０ｎｍ、Ａｕ：２００ｎｍである。尚、後述する第１の接合金属及び第２の接合金属は、金属膜の表面において濡れ広がりやすいため、第１の接合金属が所望の領域に濡れ広がるように接合部金属膜１１４を形成し、第２の接合金属が所望の領域に濡れ広がるように接合部金属膜１１５を形成する。
【００１７】
次に、図４に示されるように、凹部１１１が形成されている領域において、Ｓｉ基板１１０を貫通する開口部１１３を形成する。具体的には、凹部１１１が形成されている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、レジストパターンが形成されていない領域において、Ｓｉ基板１１０を貫通するまで、ドライエッチングによりＳｉを除去することにより、開口部１１３を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された開口部１１３は、直径ｋφが２ｍｍであって、ピッチｋｐが５ｍｍである。開口部１１３は、ドライエッチング以外の方法により形成してもよく、例えば、ウェットエッチング、サンドブラスト加工等により形成してもよい。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。また、図４においては、便宜上、接合部金属膜１１４及び１１５は省略されている。
【００１８】
次に、図５に示されるように、Ｓｉ基板１１０において凹部１１１が形成されている一方の面とは反対側の他方の面に、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。第１のガラス基板１２１は、直径φが４インチ、厚さが０．３ｍｍのガラス基板であり、陽極接合は、陽極接合装置を用いて、加重が５００Ｎ、温度が３６０℃で、６００Ｖの電圧を１０分間印加することにより行う。これにより、Ｓｉ基板１１０に形成された開口部１１３の他方の面の側は、第１のガラス基板１２１により塞ぐことができる。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。また、図５においては、便宜上、接合部金属膜１１４及び１１５は省略されている。
【００１９】
次に、図６に示されるように、Ｓｉ基板１１０の中央付近における開口部１１３に、アルカリ金属を含む化合物１４０を設置し、更に、Ｓｉ基板１１０の一方の面における開口部１１３間の所定の位置に、金属スペーサ１５０を設置する。金属スペーサ１５０は、例えば、溶融温度が２８０℃のＡｕＳｎ合金により形成されている直径が０．２ｍｍの粒状のものである。金属スペーサ１５０は、ＡｕＳｎ合金以外の材料により形成されたものであってもよく、例えば、ＡｕＧｅ合金、ＡｕＳｉ合金により形成されたものであってもよい。本実施の形態においては、開口部１１３のうちアルカリ金属を含む化合物１４０が設置された開口部を一の開口部と記載し、この一の開口部を除く開口部１１３を他の開口部と記載する場合がある。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る。また、図６においては、便宜上、接合部金属膜１１４及び１１５は省略されている。
【００２０】
次に、図７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の一方の面に、接合部金属膜１２４及び１２５を形成する。尚、接合部金属膜１２４は、Ｓｉ基板１１０に形成された接合部金属膜１１４に対応する位置に形成されており、接合部金属膜１２５は、Ｓｉ基板１１０に形成された接合部金属膜１１５に対応する位置に形成されている。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１２４及び１２５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、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕが積層された金属積層膜を形成し、更に、有機溶剤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する。これにより、残存する金属積層膜により接合部金属膜１２４及び１２５が形成する。このように形成された接合部金属膜１２４及び１２５における各々の金属層の膜厚は、Ｃｒ：５０ｎｍ、Ｐｔ：５０ｎｍ、Ａｕ：２００ｎｍである。尚、後述する第１の接合金属及び第２の接合金属は、金属膜の表面において濡れ広がりやすいため、第１の接合金属が所望の領域に濡れ広がるように接合部金属膜１２４を形成し、第２の接合金属が所望の領域に濡れ広がるように接合部金属膜１２５を形成する。
【００２１】
次に、図８に示されるように、第２のガラス基板１２２の一方の面に形成された接合部金属膜１２５の上に、第２の接合金属により第２の接合金属層１５２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、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、真空蒸着等により、膜厚が５μｍの第２の接合金属からなる膜を成膜した後、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成膜された第２の接合金属からなる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の接合部金属膜１２５の上に第２の接合金属による第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のガラス基板１２２の接合部金属膜１２５の上に形成される第２の接合金属層１５２は、幅が約５０μｍとなるように形成される。また、本実施の形態においては、第２の接合金属として、ＡｕＳｎ合金を用いたが、第２の接合金属は、ＡｕＧｅ合金やＡｕＳｉ合金であってもよく、金属スペーサ１５０を形成している材料と同一なものを用いてもよい。本実施の形態において、第２の接合金属として用いられたＡｕＳｎ合金は、重量比がＡｕ：Ｓｎ＝８０：２０の合金であり、溶融温度は２８０℃である。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る。
【００２２】
次に、図９に示されるように、第２のガラス基板１２２の一方の面に形成された接合部金属膜１２４の上に、第１の接合金属により第１の接合金属層１５１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。これにより、図１０に示されるように、第１の接合金属層１５１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を形成し、更に、スクリーン印刷と同様の方法により、開口部１６１ａを埋め込むように、第１の接合金属層１５１を形成する。この後、レジストパターン１６１は有機溶剤等により除去する。第１の接合金属は、粒径が０．０５μｍ以上、１μｍ以下のＡｕ微粒子であり、第１の接合金属層１５１は、接合部金属膜１２４の上に、幅が約５０μｍ、厚さが約２０μｍとなるように形成する。尚、後述するように、第１の接合金属層１５１においては、第２の接合金属の溶融温度よりも低い、約２００℃の温度で接合されるものであるため、Ａｕ微粒子の粒径は、０．０５μｍ以上、１μｍ以下であることが好ましい。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る。
【００２３】
次に、図１１及び図１２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における第１の接合金属により接合する。具体的には、真空チャンバー内にバッファガスとなる窒素ガスを導入して窒素雰囲気とし、この窒素雰囲気中において、Ｓｉ基板１１０の一方の面における接合部金属膜１１５に第２のガラス基板１２２の一方の面に形成された第１の接合金属層１５１を接触させる。この後、２００℃の温度で、２０ＭＰａの加圧を３０分間行うことにより、第１の接合金属層１５１を形成しているＡｕ微粒子による圧着がなされ、Ｓｉ基板１１０の一方の面の縁部と第２のガラス基板１２２の一方の面の縁部とを接合する。この際、Ｓｉ基板１１０と第１のガラス基板１２１との間に存在している金属スペーサ１５０の溶融温度は約２８０℃であるため、この工程における温度では、溶けることなく形状を保っている。従って、Ｓｉ基板１１０の一方の面と第２のガラス基板１２２の一方の面とは接触はしていない。
【００２４】
このようなＡｕ微粒子を用いた接合では、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が入れられている開口部１１３に、酸素等の不純物が入り込むことはない。また、Ａｕ微粒子による接合では、一度圧着されると、Ａｕの融点（約１０００℃）まで加熱しないと圧着された部分は融解しないため、１０００℃以下の温度であれば、２００℃以上の温度に再加熱されたとしても、第１の接合金属層１５１が溶けることはない。よって、１０００℃以下の温度であれば、温度加熱を伴う工程を行っても、開口部１１３の内部のガスが外に漏れ出すことはない。具体的には、圧着された後の第１の接合金属層１５１の溶融温度は、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属における接合温度よりも高いため、第２の接合金属層１５２による接合の際には、圧着された後の第１の接合金属層１５１が溶けることはない。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１２は、この工程における断面の要部拡大図である。
【００２５】
次に、図１３及び図１４に示されるように、アルカリ金属を含む化合物１４０よりアルカリ金属を発生させる。アルカリ金属を含む化合物１４０がＣｓディスペンサーである場合には、Ｃｓディスペンサーに、レンズ１７１により集光させたレーザ光を照射し加熱することによりアルカリ金属ガスであるＣｓを発生させる。Ｃｓは融点が約２８℃であるため、アルカリ金属を含む化合物１４０に集光されたレーザ光を照射し、約２８℃以上に加熱することにより、Ｃｓの気体と液体の混合状態となる。このうち気体となったＣｓがＳｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２との隙間を介して拡散し、各々の開口部１１３に供給される。この際、レーザ光は、レンズ１７１により集光されているため、アルカリ金属を含む化合物１４０にのみ集光し加熱することができる。よって、この工程においては、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合金は、溶融温度以上に加熱されることはなく、第２の接合金属層１５２が融解することはない。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１４は、この工程における断面の要部拡大図である。
【００２６】
次に、図１５及び図１６に示されるように、第２の接合金属層１５２により、Ｓｉ基板１１０の一方の面と第２のガラス基板１２２の一方の面とを接合する。具体的には、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の溶融温度よりも高い温度に加熱した状態で、図１６に記載されているように、押付け治具１７２により、第２のガラス基板１２２の側からＳｉ基板１１０に向けて圧力を加える。この後、冷却することにより、Ｓｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２とが第２の接合金属層１５２により接合される。この接合の際に用いられる押付け治具１７２の直径は約８．５ｍｍであり、第２のガラス基板１２２の直径よりも小さい。第２の接合金属層１５２による接合の際には、押付け治具１７２により第２のガラス基板１２２の中央部分をＳｉ基板１１０が設けられている側に加圧し、Ｓｉ基板１１０の一方の面における凹部１１１の底面と第２のガラス基板１２２の一方の面とを接合する。この接合においては、押付け治具１７２により第２のガラス基板１２２に加えられる圧力は１００ＭＰａであり、１０分間加圧することにより、第２のガラス基板１２２の周囲を変形させながら接合を行う。
【００２７】
これにより、第２の接合金属層１５２によりＳｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２とが接合される。この際、金属スペーサ１５０も第２の接合金属層１５２と同じＡｕＳｎにより形成されているため、金属スペーサ１５０も溶融し開口部１１３の周囲に濡れ広がる。このような溶融し開口部１１３の周囲に濡れ広がった金属スペーサ１５０は、Ｓｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２との接合に寄与する。これにより、Ｓｉ基板１１０に形成された開口部１１３は、第２の接合金属層１５２による接合により空間的に各々分離される。尚、図１５（ａ）は、この工程における上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）における一点鎖線１５Ａ−１５Ｂにおいて切断した断面図であり、図１６は、この工程における断面の要部拡大図である。
【００２８】
次に、図１７に示されるように、ダイシング等により各々の開口部１１３ごとに分離する。これにより、図１８に示されるような開口部１１３をセル内部とする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。尚、図１８（ａ）は、本実施の形態におけるアルカリ金属セルの上面図であり、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。
【００２９】
本実施の形態における作製されたアルカリ金属セルは、セル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に、経時変化等がなく、安定度の高い原子発振器となる。
【００３０】
また、アルカリ金属セルのセル内部には、アルカリ金属を発生させた後のアルカリ金属を含む化合物が存在していないため、セルの内部の圧力を長期的安定に保つことができる。また、１つのアルカリ金属を含む化合物が設置されている開口部、即ち、１つの原料室に対し、複数のアルカリ金属セルを同時に作製することができるため、量産性が高く、低コストでアルカリ金属セルを製造することができる。
【００３１】
上記においては、第１の接合金属層１５１を形成している第１の接合金属に、接合温度が約２００℃のＡｕ微粒子を用い、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属に接合温度が約２８０℃のＡｕＳｎ合金を用いた場合について説明した。しかしながら、これに限定されることはなく、第１の接合金属と第２の接合金属とは、（１）に示される式の関係にあればよい。即ち、第１の接合金属の接合温度よりも、第２の接合金属の接合温度が高い関係にあればよい。
【００３２】
（第１の接合金属の接合温度）＜（第２の接合金属の接合温度）・・・・・（１）
【００３３】
また、上記においては、金属スペーサ１５０と第２の接合金属層１５２とは、同じＡｕＳｎで形成されており、金属スペーサ１５０の溶融温度と第２の接合金属の接合温度とが等しい場合について説明した。しかしながら、金属スペーサ１５０の溶融温度と、第１の接合金属の接合温度及び第２の接合金属の接合温度との関係は、（２）に示される式の関係にあればよい。即ち、金属スペーサ１５０の溶融温度は、第１の接合金属の接合温度よりも高く、第２の接合金属の接合温度以下となる関係にあればよい。
【００３４】
（第１の接合金属の接合温度）＜（金属スペーサ１５０の溶融温度）≦（第２の接合金属の接合温度）・・・・・・・・（２）
【００３５】
上記においては、第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属及び金属スペーサ１５０を形成している材料としては、溶融温度が２８０℃のＡｕＳｎ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）を用いた場合について説明した。第２の接合金属及び金属スペーサ１５０を形成している材料としては、他に溶融温度が３６１℃のＡｕＧｅ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝８７．５：１２．５）、溶融温度が３６３℃のＡｕＳｉ（重量比がＡｕ：Ｇｅ＝９６．８：３．２）等を用いることができる。
【００３６】
また、上記においては、第２のガラス基板１２２に第１の接合金属層１５１と第２の接合金属層１５２を形成されているが、第１の接合金属層１５１と第２の接合金属層１５２のうちのいずれか一方、または双方をＳｉ基板１１０の一方の面に形成してもよい。この際、第１の接合金属層１５１と第２の接合金属層１５２のうちのいずれか一方をＳｉ基板１１０の一方の面に形成した場合には、他方は第２のガラス基板１２２に形成する。
【００３７】
〔第２の実施の形態〕
次に、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について説明する。本実施の形態は、Ｓｉ基板１１０の一方の面に、溝部２１０を形成し、溝部２１０に金属スペーサ１５０を設置して製造する製造方法である。尚、下記に説明する内容以外については、第１の実施の形態と同様である。
【００３８】
本実施の形態においては、図１９に示されるように、Ｓｉ基板１１０の一方の面において、金属スペーサ１５０が設置される領域を含む領域に溝部２１０が形成されており、溝部２１０を含む領域には、接合部金属膜２１５が形成されている。溝部２１０の形成方法は、最初に、Ｓｉ基板１１０の一方の面にフォトレジストを塗布した後、露光装置による露光、現像により溝部２１０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、ドライエッチング等により、レジストパターンの形成されていない領域におけるＳｉを所望の深さまでエッチングにより除去し、更に、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された溝部２１０は、所望の深さ、幅、長さで形成されており、金属スペーサ１５０が設置される領域を中心に縦横に延びるように形成されている。また、接合部金属膜２１５は、第１の実施の形態における接合部金属膜１１５と同様のものであり、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕを形成する際の工程と同様の工程により形成されている。このように形成された溝部２１０における接合部金属膜２１５の上に金属スペーサ１５０を設置する。尚、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及び図１２に対応する工程である。
【００３９】
次に、第１の実施の形態と同様に、アルカリ金属を含む化合物を加熱することにより、アルカリ金属を発生させた後、図２０に示されるように、第２の接合金属層１５２によりＳｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２とを接合する。具体的には、第２の接合金属層１５２の接合温度以上に加熱した状態で、第２のガラス基板１２２をＳｉ基板１１０側に加圧することにより接合する。ここで、金属スペーサ１５０も第２の接合金属層１５２を形成している第２の接合金属と同じＡｕＳｕにより形成されているため、第２の接合金属層１５２による接合の際、金属スペーサ１５０も溶けて、溝部２１０に沿って濡れ広がる。このように、金属スペーサ１５０が溶けて、溝部２１０に沿って濡れ広がるが、溝部２１０が形成されていない場合には、溶けた金属スペーサ１５０が行き場をなくし、開口部１１３に流れ込んでしまい、歩留りの低下等を招く。しかしながら、本実施の形態においては、金属スペーサ１５０が溶けて、溝部２１０に沿って濡れ広がるため、開口部１１３に流れ込むことを防ぐことができるため、高い歩留りでアルカリ金属セルを製造することができる。尚、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１５及び図１６に対応する工程である。
【００４０】
また、本実施の形態においては、図２１に示されるように、溝部２１０は開口部１１３の周囲を囲むように形成してもよい。これにより、金属スペーサ１５０を形成しているＡｕＳｎが溝部２１０に沿って濡れ広がり、開口部１１３の周囲をより強固にすることができる。
【００４１】
〔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。ところで、第１の接合をＳｉ基板の周辺において行った場合、アルカリ金属を含む化合物が設置されているところの近くの開口部と、距離が離れている開口部とでは、アルカリ金属の量に差がでる可能性がある。即ち、アルカリ金属を含む化合物をレーザにより加熱してアルカリ金属原子を蒸発させて各々の開口部まで拡散させた場合、アルカリ金属を含む化合物から離れたところでは、途中でトラップされる可能性があり、各々の開口部において差（ばらつき）が発生する。
【００４２】
本実施の形態は、Ｓｉ基板を複数に区切ることによりブロックを形成し、アルカリ金属原子は区切られた小さなブロック内を拡散させることにより、各々のアルカリ金属セルにおけるアルカリ金属原子の量のばらつきを少なくするものである。
【００４３】
次に、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について、図２２から図２８に基づき説明する。
【００４４】
最初に、図２２に示すように、Ｓｉ基板３１０の一方の面に、複数の凹部３１１を形成するためのレジストパターン３１６を形成し、ドライエッチングにより、レジストパターン３１６が形成されていない領域におけるＳｉ基板３１０の表面を除去する。これにより、Ｓｉ基板３１０の一方の面に深さ１００μｍの凹部３１１を形成する。本実施の形態において用いられるＳｉ基板３１０は、φ４ｉｎ、厚さが１．５ｍｍのＳｉ基板である。
【００４５】
この後、レジストパターン３１６を有機溶剤等により除去する。これにより、Ｓｉ基板３１０の一方の面におけるレジストパターン３１６が形成されていた領域においては、Ｓｉ基板３１０の表面においてエッチングがなされないため、凸部３１２ａ、３１２ｂが形成される。尚、本実施の形態においては、凸部３１２ａはＳｉ基板３１０の周囲に形成されるものとし、凸部３１２ｂは凹部３１１と凹部３１１との境界に形成されるものとする。尚、図２２（ａ）は、この工程における上面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）における一点鎖線２２Ａ−２２Ｂにおいて切断した断面図である。
【００４６】
次に、図２３に示すように、Ｓｉ基板３１０の凹部３１１が形成されている領域において、Ｓｉ基板３１０を貫通する開口部３１３、３１４を形成する。具体的には、Ｓｉ基板３１０の凹部３１１が形成されている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、現像を行なうことにより、開口部３１３、３１４が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチング等により、レジストパターンの開口部におけるＳｉ基板３１０を除去し貫通させることにより、Ｓｉ基板３１０に開口部３１３、３１４を形成する。この後、レジストパターンは、有機溶剤等により除去する。開口部３１３、３１４を形成する方法としては、ドライエッチング以外の方法であってもよく、例えば、サンドブラストによる加工、ウェットエッチング（異方性エッチング）等の方法であってもよい。
【００４７】
これにより、本実施の形態においては、１つの凹部３１１において、３×３の計９個の開口部３１３、３１４が形成される。形成される開口部３１３、３１４の直径は、２ｍｍであり、５ｍｍピッチで形成される。本実施の形態においては、各々の凹部３１１により各々のブロックが形成される。また、基板３１０に形成される３×３の開口部３１３、３１４のうち、中心に形成される貫通孔を開口部３１３とし、開口部３１３の周囲に形成される貫通孔を開口部３１４とする。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り、図２３（ｃ）は、図２３（ａ）における一点鎖線２３Ｃで囲まれた領域を拡大した拡大図である。
【００４８】
次に、図２４に示すように、Ｓｉ基板３１０の一方の面における凸部３１２ｂの上に、接合部金属膜１１５を形成し、開口部３１３、３１４の周囲を囲むように接合部金属膜１１４を形成する。尚、図２４（ａ）は、この工程における１ブロックの上面の拡大図であり、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。また、図２４に示されている接合部金属膜１１４、１１５については、後述する図２５、図２６等においては、省略されている。
【００４９】
具体的には、第１の接合としてＡｕ微粒子接合、第２の接合としてＡｕＳｎの溶融接合をする場合において、双方の接合したい領域に接合部金属膜１１４、１１５を形成する。形成される接合部金属膜１１４、１１５は、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属多層膜が用いられており、Ｃｒは基板との接着剤の役割を果たし、Ｐｔはバリアメタル、Ａｕは接合のためＡｕ微粒子やＡｕＳｎとの濡れ性をよくするためのものである。
【００５０】
本実施の形態においては、接合部金属膜１１４、１１５は、リフトオフにより形成されている。具体的には、Ｓｉ基板３１０において凹部３１１が形成されている一方の面に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、接合部金属膜１１４、１１５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作製する。この後、真空蒸着又はスパッタリングにより、金属多層膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させことにより、レジストパターンとともに、レジストパターンの上に成膜された金属多層膜を除去する。これにより、レジストパターンの開口部における残存する金属多層膜により不図示の接合部金属膜１１４、１１５が形成される。本実施の形態においては、金属多層膜は、膜厚が５０ｎｍのＣｒ膜、膜厚が５０ｎｍのＰｔ膜、膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜をスパッタリングにより順次積層することにより形成されている。
【００５１】
同様に、Ｓｉ基板３１０の一方の面に接合される第２のガラス基板１２２においても、後述する図２７等において示される接合部金属膜１２４、１２５を形成する。第２のガラス基板１２２に形成される接合部金属膜１２４、１２５は、Ｓｉ基板３１０に形成される接合部金属膜１１４、１１５と同様ものであり、Ｓｉ基板３１０に形成される接合部金属膜１１４、１１５に対応する位置に形成される。
【００５２】
尚、上記においては、フォトレジストを塗布する場合について説明したが、ドライフィルムレジストをＳｉ基板３１０等に張り付けた後、露光、現像することにより、レジストパターンを形成してもよい。
【００５３】
次に、図２５に示すように、Ｓｉ基板３１０の他方の面に、第１のガラス基板１２１を接合する。第１のガラス基板１２１は、厚さが０．３ｍｍのガラス基板であり、Ｓｉ基板３１０の他方の面への第１のガラス基板１２１の接合は、本実施の形態においては、陽極接合により行なう。この際行なわれる陽極接合は、例えば、陽極接合装置を用いて、荷重が５００Ｎ、温度が３６０℃、電圧が６００Ｖ、時間が１０分間の接合条件で行なう。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る。
【００５４】
次に、図２６に示すように、各々のブロック、即ち、各々の凹部３１１に形成された中央の開口部３１３にアルカリ金属を含む化合物１４０を設置し、凹部３１１における開口部３１３と開口部３１４との間に、複数の金属スペーサ１５０を設置する。金属スペーサ１５０は、複数のＡｕＳｎ（２０％）合金により形成されており、金属スペーサ１５０を形成しているＡｕＳｎ（２０％）合金の融点は、２８０℃であり、ワイヤ形状のものや粒形のものが市販されている。本実施の形態においては、金属スペーサ１５０には、直径０．２ｍｍの粒形状のものが用いられている。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り、図２６（ｃ）は、図２６（ａ）における一点鎖線２６Ｃで囲まれた領域を拡大した拡大図である。
【００５５】
次に、図２７に示すように、真空チャンバー内にバッファガスとなる窒素を導入し、真空チャンバー内において、Ｓｉ基板３１０の一方の面に第２のガラス基板１２２を接合する第１の接合を行う。具体的には、圧力が１０ＫＰａとなるようコントロールして、Ｓｉ基板３１０の一方の面に形成された凹部３１１となるブロックの周囲において、第２のガラス基板１２２の接合部金属膜１２５の上に形成された第１の接合金属層１５１を接触させる。第１の接合金属層１５１は、金属微粒子により形成されており、この後、２００℃の温度で２０ＭＰａの加圧を３０分間行う。これにより、Ａｕ微粒子からなる第１の接合金属層１５１が圧着され、各々のブロックの周辺部分のみ接合される。
【００５６】
この際、Ｓｉ基板３１０の凹部３１１の内部においては、金属スペーサ１５０により、Ｓｉ基板３１０と第２のガラス基板１２２との間に隙間が形成される。この第１の接合では、接合の際の温度を２００℃としているため、金属スペーサ１５０であるＡｕＳｎ（２０％）合金は融解（融解温度：２８０℃）していない。しかしながら、２０ＭＰaの加圧により若干変形するため、Ｓｉ基板３１０と第２のガラス基板１２２との間の隙間は、Ｓｉ基板３１０の周辺部分の高さと同程度の１００μｍとなる。
【００５７】
このような金属微粒子からなる接合では、接合の際に酸素などのガスは発生することはないため、アルカリ金属を含む化合物１４０が封入されているセル等の内部となる開口部３１３、３１４に酸素などの不純物が入り込むことはない。また、Ａｕの微粒子は一度圧着されるとＡｕの融点（約１０００℃）までは、融解しないという性質があるため、接合温度（２００℃）以上の温度に再加熱されたとしても、セルの内部におけるガスが、接合面を介してセルの外部へ漏れ出すことはない。尚、本実施の形態においては、セルとは、アルカリ金属セル及びアルカリ金属セルが形成される部分を意味しており、セルの内部は、Ｓｉ基板３１０と、第１のガラス基板１２１と、第２のガラス基板１２２とにより囲まれる開口部３１４により形成される。
【００５８】
この後、第１の実施の形態における図１４に示される場合と同様に、アルカリ金属を含む化合物１４０からアルカリ金属を生成する。アルカリ金属を含む化合物１４０としてＣｓディスペンサーを用いた場合、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。尚、レーザ光をＣｓディスペンサーのみに集光して加熱するため、ＡｕＳｎ合金は融点以上とはならず融解しない。開口部３１３内において発生させたＣｓは融点が約２８℃であり、融点以上に加熱することで液体と気体の混合状態となる。気体のＣｓはＳｉ基板３１０と第２のガラス基板１２２との隙間を介して、開口部３１３からブロック内の開口部３１４に拡散する。本実施の形態においては、１枚のＳｉ基板３１０を小さく区切ってブロック化し、各々のブロック毎にアルカリ金属を含む化合物１４０を配置しているため、開口部３１３の周囲における開口部３１４にアルカリ金属蒸気を均一に拡散させることができる。
【００５９】
次に、図２８に示すように、接合装置内において第２の接合を行う。第２の接合は、第２の接合金属層１５２を形成しているＡｕＳｎの溶融温度（２８０℃）よりも高い温度に設定し、圧力をかけることによりＡｕＳｎ溶融接合を行なう。接合時においては、ブロックの外周よりも小さい押付け治具（１５ｍｍ×１５ｍｍ）によりＳｉ基板３１０の中央部を１００ＭＰaで１０分間押付け、ブロックの周縁部の第２のガラス基板１２２を変形させながら接合する。これにより、第２の接合金属層１５２により第２の接合が行なわれる。
【００６０】
この際、ＡｕＳｎにより形成されている金属スペーサ１５０も溶融し、Ｃｓガスが拡散した通路（スペース）を押しつぶすことによりＳｉ基板３１０と第２のガラス基板１２２との接合が行なわれる。
【００６１】
この後、Ｓｉ基板３１０に第１のガラス基板１２１及び第２のガラス基板１２２が接合されたものを開口部３１４ごとに分割することにより、開口部３１４内にアルカリ金属原子が封入されている本実施の形態におけるアルカリ金属セルが完成する。
【００６２】
本実施の形態においては、Ｓｉ基板３１０を複数のブロックに分けているため、各々の開口部３１４に均一にアルカリ金属蒸気を拡散させることができ、均一なアルカリ金属セルを得ることができ、アルカリ金属セルの歩留りを向上させることができる。
【００６３】
〔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。本実施の形態は、第１から第３の実施の形態における製造方法により製造されたアルカリ金属セルを用いて製造される原子発振器である。図２９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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
図３０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。
【００６７】
次に、図３１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３２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３３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。従って、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。
【００６８】
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３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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【符号の説明】
【００７１】
１１０      Ｓｉ基板
１１１      凹部
１１２      凸部
１１３      開口部
１１４      接合部金属膜
１１５      接合部金属膜
１２１      第１のガラス基板
１２２      第２のガラス基板
１４０      アルカリ金属を含む化合物
１５０      金属スペーサ
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
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】米国特許第６８０６７８４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０００７１１８号明細書
【特許文献３】特開２００９−２１２４１６号公報
【特許文献４】特開２００９−２８３５２６号公報
【非特許文献】
【００７３】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）
【非特許文献２】Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．２６９４−２６９６ （２００４）
【非特許文献４】ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３０，ｐｐ．２３５１−２３５３ （２００５）
【非特許文献５】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，１１４１０６ （２００７）
【非特許文献６】Ｊ．Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈ．  ＭＥＭＳ  ＭＯＥＭＳ  ７（３），０３３０１３（２００８）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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