(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属が封入された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、を有する原子発振器の製造方法において、
２枚の基板に、一方の面から他方の面に貫通する略同じ形状の開口部を形成する工程と、
前記開口部の形成された２枚の基板の前記他方の面に各々ガラス基板を接合することにより、一方の部材と他方の部材を形成する工程と、
前記一方の部材または前記他方の部材の開口部に、アルカリ金属原料を入れる工程と、
前記一方の部材の基板の一方の面と前記他方の部材の基板の一方の面とを接合する工程と、
を有し、
前記一方の部材の基板の一方の面及び前記他方の部材の基板の一方の面の双方には、金属膜が形成されており、
前記一方の部材と前記他方の部材との接合は、前記金属膜を介した金属同士の直接接合により接合されるものであり、
前記一方の部材の開口部と前記他方の部材の開口部により前記アルカリ金属セルのセル内部が形成されることを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項２】
前記アルカリ金属原料を入れる工程及び前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程は、真空チャンバー内において行なわれるものであって、
前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程の前に、前記真空チャンバー内において、前記接合される接合面にイオンビームを照射し前記接合面の表面を活性化処理する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の製造方法。
【請求項３】
１または２枚以上の他の基板に、一方の面から他方の面に貫通する略同じ形状の開口部を形成する工程を有し、
前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程において、前記一方の部材の基板の一方の面と前記他方の部材の基板の一方の面は、前記他の基板を介し接合するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器の製造方法。
【請求項４】
前記金属膜は、金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から３のいずれかに記載の原子発振器の製造方法。
【請求項５】
前記アルカリ金属原料はアルカリ金属の化合物であって、
前記セル内部を形成した後、前記アルカリ金属原料を加熱、ＵＶ光の照射、レーザ光の照射することにより、前記アルカリ金属を生成す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原子発振器の製造方法。
【請求項６】
前記セル内部は、第１のセル内部と第２のセル内部とを有しており、
前記第１のセル内部と前記第２のセル内部とはセル接続部により接続されており、
前記アルカリ金属原料はアルカリ金属の化合物であって、第２のセル内部に設置されており、
前記アルカリ金属原料を加熱、ＵＶ光の照射、レーザ光の照射することにより前記アルカリ金属を発生させ、前記アルカリ金属が前記第１のセル内部に入り込む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原子発振器の製造方法。
【請求項７】
前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程は、真空チャンバー内において、窒素または不活性ガスの雰囲気中で行なわれ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原子発振器の製造方法。
【請求項８】
前記第１のセル内部に前記アルカリ金属を移動させたあと、前記セル接続部を封止し、前記第１のセル内部と前記第２のセル内部を空間的に分離する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の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不具合があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑み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、安定度の高い原子発振器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】
【０００９】
本発明は、アルカリ金属が封入された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、を有する原子発振器において、前記アルカリ金属セルは、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の他方の面にガラス基板が接合された一方の部材と、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の他方の面にガラス基板が接合された他方の部材と、前記一方の部材における基板の一方の面と、前記他方の部材における基板の一方の面と、を直接接合することにより、前記一方の部材の開口部及び前記他方の部材の開口部により形成されるセル内部と、前記セル内部に封入されるアルカリ金属原料と、を有するものであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、アルカリ金属が封入された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、を有する原子発振器において、前記アルカリ金属セルは、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の他方の面にガラス基板が接合された一方の部材と、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の他方の面にガラス基板が接合された他方の部材と、前記一方の部材における基板の一方の面及び前記他方の部材における基板の一方の面のいずれかまたは双方には、金属膜が設けられており、前記金属膜を介し共晶接合または金属同士の直接接合により、前記一方の部材の開口部及び前記他方の部材の開口部により形成されるセル内部と、前記セル内部に封入されるアルカリ金属原料と、を有するものであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記金属膜は、金を含む材料により形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、アルカリ金属が封入された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、を有する原子発振器において、前記アルカリ金属セルは、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の他方の面にガラス基板が接合された一方の部材と、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の他方の面にガラス基板が接合された他方の部材と、前記一方の部材における基板の一方の面及び前記他方の部材における基板の一方の面のいずれかまたは双方には、ガラスフリッドが設けられており、前記ガラスフリッドを介し接合し、前記一方の部材の開口部及び前記他方の部材の開口部により形成されるセル内部と、前記セル内部に封入されるアルカリ金属原料と、を有するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記基板はＳｉにより形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記一方の部材と前記他方の部材との間には、前記開口部と略同一の形状の開口部を有する他の基板が１または２以上設けられており、前記一方の部材と前記他の基板、及び、前記他方の部材と前記他の基板とは接合されており、前記一方の部材の開口部、前記他方の部材の部材の開口部、前記他の基板の開口部によりセル内部が形成されるものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記他の基板はＳｉにより形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、２つのガラス基板間の距離は１．５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記セル内部は、第１のセル内部と第２のセル内部とを有しており、前記第１のセル内部と前記第２のセル内部とはセル接続部により接続されており、前記アルカリ金属原料はアルカリ金属の化合物であって、第２のセル内部に設置されており、前記光源から発せられた光は、前記第１のセル内部を透過するものであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記原子発振器は、前記光源より出射し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ものであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、アルカリ金属が封入された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、を有する原子発振器の製造方法において、２枚の基板に、一方の面から他方の面に貫通する略同じ形状の開口部を形成する工程と、前記開口部の形成された２枚の基板の前記他方の面に各々ガラス基板を接合することにより、一方の部材と他方の部材を形成する工程と、前記一方の部材または前記他方の部材の開口部に、アルカリ金属原料を入れる工程と、前記一方の部材の基板の一方の面と前記他方の部材の基板の一方の面とを接合する工程と、を有し、前記一方の部材の基板の一方の面及び前記他方の部材の基板の一方の面の双方には、金属膜が形成されており、前記一方の部材と前記他方の部材との接合は、前記金属同士の直接接合により接合されるものであり、前記一方の部材の開口部と前記他方の部材の開口部により前記アルカリ金属セルのセル内部が形成されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、前記アルカリ金属原料を入れる工程及び前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程は、真空チャンバー内において行なわれるものであって、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程の前に、前記真空チャンバー内において、前記接合される接合面にイオンビームを照射し前記接合面の表面を活性化処理する工程を有することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、前記基板はＳｉにより形成されており、前記一方の部材と前記他方の部材との接合は、前記Ｓｉの直接接合により接合されるものであることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、１または２枚以上の他の基板に、一方の面から他方の面に貫通する略同じ形状の開口部を形成する工程を有し、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程において、前記一方の部材の基板の一方の面と前記他方の部材の基板の一方の面は、前記他の基板を介し接合するものであることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、前記基板及び前記他の基板はＳｉにより形成されており、前記一方の部材と他の基板との接合及び前記他方の部材と他の基板との接合は、前記Ｓｉの直接接合により接合されるものであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明は、前記一方の部材の基板の一方の面及び前記他方の部材の基板の一方の面のうち、いずれかまたは双方には、金属膜が形成されており、前記一方の部材と前記他方の部材との接合は、前記金属膜を介し共晶接合または金属同士の直接接合により接合されるものであることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、前記金属膜は、金を含む材料により形成されていることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記一方の部材の基板の一方の面及び前記他方の部材の基板の一方の面のうち、いずれかまたは双方には、ガラスフリットが形成されており、前記一方の部材と前記他方の部材との接合は、前記ガラスフリットを介し接合されるものであることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、ガラス基板に設けたガラスフリットを加熱することにより、前記セル接続部を封止することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明は、前記アルカリ金属原料はアルカリ金属の化合物であって、前記セル内部を形成した後、前記アルカリ金属原料を加熱、ＵＶ光の照射、レーザ光の照射することにより、前記アルカリ金属を生成することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明は、前記セル内部は、第１のセル内部と第２のセル内部とを有しており、前記第１のセル内部と前記第２のセル内部とはセル接続部により接続されており、前記アルカリ金属原料はアルカリ金属の化合物であって、第２のセル内部に設置されており、前記アルカリ金属原料を加熱、ＵＶ光の照射、レーザ光の照射することにより前記アルカリ金属を発生させ、前記アルカリ金属が前記第１のセル内部に入り込むものであることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明は、前記一方の部材と前記他方の部材とを接合する工程は、前記真空チャンバー内において、窒素または不活性ガスの雰囲気中で行なわれるものであることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明は、前記第１のセル内部に前記アルカリ金属を移動させたあと、前記セル接続部を封止し、前記第１のセル内部と前記第２のセル内部を空間的に分離する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、アルカリ金属セル内において、酸素等の不純物が少なく、安定度の高い原子発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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原子発振器の説明図
【図３】第１の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図４】第１の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図５】第２の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図６】第２の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図７】第２の実施の形態における他の原子発振器の製造方法の工程図
【図８】第３の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図９】第３の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図１０】第４の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図１１】第４の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図１２】第４の実施の形態における原子発振器の製造方法の説明図
【図１３】第５の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図１４】第５の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図１５】第５の実施の形態における他の原子発振器の製造方法の工程図
【図１６】第６の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図１７】第６の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図１８】第７の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（１）
【図１９】第７の実施の形態における原子発振器の製造方法の工程図（２）
【図２０】第７の実施の形態における原子発振器の製造方法の説明図（１）
【図２１】第７の実施の形態における原子発振器の製造方法の説明図（２）
【図２２】第８の実施の形態における原子発振器の構造図
【図２３】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図２４】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図２５】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】
【００３６】
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。
【００３７】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における原子発振器及び原子発振器の製造方法について説明する。本実施の形態における原子発振器は、図２に示されるように、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源１０、コリメートレンズ２０、λ／４板３０、アルカリ金属セル４０、光検出器５０、変調器６０を有している。
【００３８】
光源１０は、面発光レーザ素子等のレーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル４０には、アルカリ金属のアルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されている。光検出器５０は、フォトダイオードが用いられている。
【００３９】
本実施の形態における原子発振器では、光源１０より出射された光をアルカリ金属セル４０に照射し、アルカリ金属原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４０を透過した光は光検出器５０において検出され、光検出器５０において検出された信号は変調器６０にフィードバックされ、変調器６０により光源１０における面発光レーザ素子を変調する。
【００４０】
次に、図３及び図４に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル４０の作製方法について説明する。
【００４１】
最初に、図３（ａ）に示すように、基板となるＳｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚さが０．７５ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。尚、本実施の形態では、後述するように、２枚のＳｉ基板を接合することによりアルカリ金属セルを形成するものであるため、Ｓｉ基板１１０を２枚準備する。
【００４２】
次に、図３（ｂ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０に開口部１１１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、現像を行なうことにより、開口部１１１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）等による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を貫通する開口部１１１を形成する。Ｓｉのドライエッチングは、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に供給してエッチングを行なうボッシュプロセスにより行なわれる。ボッシュプロセスでは、異方性の高いＳｉのエッチングを高速で行なうことができる。尚、このドライエッチングにおいて、印加されるパワーは２ｋＷである。
【００４３】
上記においては、開口部１１１をドライエッチングにより形成する方法について説明したが、開口部１１１を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の表面に、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により不図示のＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、開口部１１１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ＣＦ４を用いたドライエッチングを行な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、レジストパターンを除去することにより、ＳｉＮからなるマスクを形成する。この後、８５℃の温度で、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いたウェットエッチングを行なうことにより、ＳｉＮからなるマスクが形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０に開口部１１１を形成する。更に、この後、ＳｉＮからなるマスクは、ＳｉＮを溶解する溶液を用いてウェットエッチング等を行なうことにより除去する。尚、Ｓｉのウェットエッチングは、異方性エッチングであり、形成された開口部１１１の側面には、傾斜角５４．７の逆傾斜が形成される。
【００４４】
次に、図３（ｃ）に示すように、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面に透明なガラス基板１２０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、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面にガラス基板１２０を接触させ、３８０℃の温度で、ガラス基板１２０に−８００Ｖ印加することにより陽極接合する。この際、アルカリ金属原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れることはない。尚、本実施の形態では、２枚のＳｉ基板を接合するものであるため、同様の構造のものをもう１枚作製する。よって、双方のＳｉ基板には略同じ形状の開口部１１１が形成される。本実施の形態では、ガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる部材が２つ形成され、後に、各々を一方の部材１０１、他方の部材１０２と記載する場合がある。
【００４５】
次に、図３（ｄ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０においてガラス基板１２０が接合されていない一方の面に付着している付着物を除去する。具体的には、ガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる部材を２つ真空チャンバー内に設置し、真空チャンバー内を排気した後、真空中において双方のＳｉ基板１１０の一方の面に、Ａｒイオンビームを照射する。これにより、双方のＳｉ基板１１０の一方の面に付着している自然酸化膜、付着物が除去され表面が活性化処理される。このようにして、双方のＳｉ基板１１０の一方の面において、接合プラズマ活性化処理を行なう。尚、図３（ｄ）は、一方の部材１０１を示しているが、他方の部材１０２についても同様である。
【００４６】
次に、図４（ａ）に示すように、一方の部材１０１におけるＳｉ基板１１０の開口部１１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。
【００４７】
次に、図４（ｂ）に示すように、一方の部材１０１と他方の部材１０２とをＳｉ基板１１０の一方の面、即ち、表面が活性化処理された面同士が向きあうように対向させ、位置合せを行なう。具体的には、一方の部材１０１における開口部１１１と他方の部材１０２における開口部１１１とが一致するように位置合せを行なう。
【００４８】
次に、図４（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材１０１と他方の部材１０２とを接合する。具体的には、一方の部材１０１におけるＳｉ基板１１０の一方の面及び、他方の部材におけるＳｉ基板１１０の一方の面の表面は、プラズマ活性化処理がされているため、一方の部材１０１におけるＳｉ基板１１０の一方の面と他方の部材におけるＳｉ基板１１０の一方の面とを接触させて加圧することにより、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合により、常温で接合させることができる。尚、直接接合とは、２つの基板表面原子の結合手同士が別原子を介さないで接合している状態である。このようにして、Ｓｉ基板１１０の一方の面の接合面同士を接合領域１１２において接合させることにより、２つの開口部１１１からなるセル内部１１３が形成される。このようなＳｉ−Ｓｉの直接接合では、酸素等のガスは発生することはないため、接合の際に、アルカリ金属原料１３０が封入されているセル内部１１３に酸素等の不純物が入り込むことはない。
【００４９】
次に、図４（ｄ）に示すように、一方の部材１０１と他方の部材１０２とが接合されたものを図４（ｃ）に示される破線４Ａにおいて、セルごとに分離し、アルカリ金属セル４０を形成する。
【００５０】
これにより、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル４０を作製することができる。このように作製されたアルカリ金属セル４０は、セル内部１１３に含まれる酸素等の不純物の量が少ないため、安定度の高い原子発振器を得ることができる。
【００５１】
また、ＣＰＴによる原子発振器用のＭＥＭＳ技術を用いたガスセルは、対向した２枚のガラス間がセル内をレーザ光が通る光路長となり、光路長は従来最大で１．５ｍｍ程度であった。この光路長は長い方が、レーザ光がアルカリ金属セル通過中に吸収に寄与する原子が増えて、Ｓ／Ｎが高くなるので好ましい。
【００５２】
更に、本実施の形態では、アルカリ金属セル４０を形成している２枚のガラス１２０間の距離は、２枚のＳｉ基板１１０の基板厚に相当するため、容易に２枚のガラス１２０間の距離を広げることができる。具体的には、１枚の厚いＳｉ基板、例えば、１．５ｍｍの厚さのＳｉ基板をエッチングして開口部を形成する場合には、Ｓｉ基板が厚いため、開口部を形成する際の負担が大きく、また、開口部を所望の形状に形成することができない場合等がある。しかしながら、本実施の形態では、半分の厚さの基板、即ち、０．７５ｍｍの厚さの双方のＳｉ基板をエッチングして開口部を形成するものであるため、開口部を形成する際の負担を軽減することができ、容易に光路長が１．５ｍｍを超えるようなガスセルをＭＥＭＳ技術により形成することができる等、開口部を所望の形状で形成することができる。
【００５３】
尚、アルカリ金属原料１３０は、アルカリ金属がＣｓの場合の原料としては、Ｃｓメタル、Ｃｓを含む大気中で安定的な化合物が挙げられる。アルカリ金属原料１３０として、Ｃｓを含む大気中で安定的な化合物を用いた場合には、セル内部１１３にアルカリ金属原料１３０を封入した後、加熱等することによりＣｓを生成させる。例えば、アルカリ金属原料１３０として、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液を用いた場合には、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液をセル内部１１３に封入した後、２００℃で反応させてＣｓを生成する。また、アルカリ金属原料１３０として、ＣｓＮ３を用いた場合には、通常の蒸着法でセル内部１１３にＣｓＮ３を成膜し、ＣｓＮ３をセル内部１１３に封入した後、ＵＶ光を照射しＣｓとバッファガスとなるＮ２を発生させる。また、アルカリ金属原料１３０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、Ｃｓディスペンサーをセル内部１１３内に投入して封止した後、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。
【００５４】
尚、アルカリ金属であるＣｓやＲｂ等は、酸素やＨ２Ｏ等と激しく反応する。よって、セル内部１１３にＣｓメタルそのものを投入する場合には、真空チャンバー内において、Ｃｓ原料投入後に、真空中で封止した場合においても、真空チャンバー内には、微量の酸素やＨ２Ｏ等が存在しているため、これによりＣｓが酸化されてしまい、Ｃｓの酸化を完全に防ぐことは困難である。これに対し、大気中で安定的なＣｓの化合物をアルカリ金属原料１３０として用いた場合では、アルカリ金属原料１３０をセル内部１１３に封入した後、加熱等によりＣｓを生成する方法により、Ｃｓの酸化を格段に抑えることができるため、原子発振器の周波数安定性をより一層高めることができる。
【００５５】
また、アルカリ金属原料１３０をセル内部１１３に封入する際には、真空中で封入するのではなく、上述したように、Ｎ２等のバッファガスとともに封入することが好ましい。セル内部１１３のアルカリ金属は、セル内部１１３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が、セル内部１１３に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内部１１３の壁に衝突する確率を減らすことができ、周波数安定度の低下を抑制することができるため好ましい。尚、バッファガスとしては、窒素、不活性ガス等が好ましく、例えば、Ｎ２、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎｅ−Ａｒ混合ガス等が挙げられる。
【００５６】
〔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。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。図５及び図６に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。
【００５７】
最初に、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。尚、本実施の形態では、後述するように、２枚のＳｉ基板を接合することによりアルカリ金属セルを形成するものであるため、Ｓｉ基板１１０を２枚準備する。
【００５８】
次に、図５（ｂ）に示すように、一方のＳｉ基板１１０の一方の面の所定の領域に金属膜２１０を形成する。金属膜２１０は、後述する開口部１１１が形成される領域以外、即ち、後述する接合領域となる領域に形成する。具体的には、金属膜２１０は、Ａｕ：７００ｎｍ／Ｃｒ：１０ｎｍからなる積層膜であり、スパッタリング、真空蒸着等により成膜することにより形成する。尚、所定の領域に金属膜２１０を形成する方法としては、Ａｕ／Ｃｒ膜を成膜した後、金属膜２１０が形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＡｕ／Ｃｒ膜をエッチングにより除去することにより形成することができる。また、Ｓｉ基板１１０の一方の面に金属膜２１０が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成した後、Ａｕ／Ｃｒ膜を成膜し、有機溶剤等によりレジストパターン上に形成されたＡｕ／Ｃｒ膜をレジストパターンとともに除去するリフトオフ等により形成することができる。
【００５９】
次に、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１１０に開口部１１１を形成する。具体的には、Ｓｉ基板１１０において金属膜２１０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１１１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等による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を貫通する開口部１１１を形成する。Ｓｉのドライエッチングは、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に供給してエッチングを行なうボッシュプロセスにより行なわれる。
【００６０】
次に、図５（ｄ）に示すように、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面に透明なガラス基板１２０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、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面にガラス基板１２０を接触させ、３８０℃の温度で、ガラス基板１２０に−８００Ｖ印加することにより陽極接合する。このようにして形成されたものをガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる一方の部材２０１と記載する場合がある。尚、本実施の形態では、２枚のＳｉ基板を接合するものであり、他方の部材１０２は、第１の実施の形態における他方の部材１０２を形成する方法と同様の方法により形成する。
【００６１】
次に、図６（ａ）に示すように、一方の部材２０１において、Ｓｉ基板１１０の開口部１１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。
【００６２】
次に、図６（ｂ）に示すように、一方の部材２０１の金属膜２１０が形成されている面と、他方の部材１０２のＳｉ基板１１０が露出している面とを対向させ、位置合せを行なう。尚、他方の部材１０２において、ガラス基板１２０が接合されていないＳｉ基板１１０の一方の面は、直前にフッ酸ライトエッチングを行なうことにより、付着物や酸化膜が予め除去されている。
【００６３】
次に、図６（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材２０１と他方の部材１０２とを金属膜２１０を介し、メタル−Ｓｉの共晶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、一方の部材２０１におけるＳｉ基板１１０の一方の面に形成された金属膜２１０と他方の部材１０２におけるＳｉ基板１１０の一方の面とを接触させ、４００℃の温度で、１５ｋＮで２０分間、加圧処理を行い、接合領域２１２にメタル−Ｓｉの共晶を形成する。これにより共晶接合により接合させる。このようにして、２つの開口部１１１からなるセル内部２１３が形成される。このようなメタル−Ｓｉの共晶接合では、酸素等のガスは発生することはないため、接合の際に、アルカリ金属原料１３０が封入されているセル内部２１３に酸素等の不純物が入り込むことはない。
【００６４】
次に、図６（ｄ）に示すように、一方の部材２０１と他方の部材１０２とが接合されたものを図６（ｃ）に示される破線６Ａにおいて、セルごとに分離しアルカリ金属セル２４０を形成する。
【００６５】
これにより、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル２４０を作製することができる。このように作製されたアルカリ金属セル２４０は、セル内部２１３に含まれる酸素等の不純物の量は少ないため、安定度の高い原子発振器を得ることができる。
【００６６】
尚、本実施の形態における原子発振器は、第１の実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４０をアルカリ金属セル２４０に置き換えることにより得ることができる。また、金属膜２１０はとしては、Ａｕ／Ｃｒ以外にも、Ａｕ−Ｓｎ（合金）、Ａｕ等を用いることができる。
【００６７】
また、本実施の形態において、アルカリ金属セル２４０は、一方の部材２０１と同様に金属膜２１０が形成された他方の部材２０２を用いて作製してもよい。この場合、他方の部材２０２は、一方の部材２０１と同様の方法により作製される。この場合の製造方法は、他方の部材２０２の作製方法を除き、図６（ａ）までは、前述した内容と同じである。よって、これ以降の製造工程について、図７に基づき説明する。
【００６８】
図６（ａ）に示す工程の後、図７（ａ）に示すように、一方の部材２０１の金属膜２１０が形成されている面と、他方の部材２０２の金属膜２１０が形成されている面とを対向させ、位置合せを行なう。
【００６９】
次に、図７（ｂ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材２０１と他方の部材２０２とを互いの金属膜２１０同士で接合する。具体的には、減圧チャンバー内において、一方の部材２０１における金属膜２１０と他方の部材２０２における金属膜２１０とを接触させ、加圧または加熱等することにより金属膜２１０同士の直接接合により接合する。このように、金属膜２１０同士の直接接合により接合領域２１２において接合することにより、２つの開口部１１１からなるセル内部２１３が形成される。このような金属同士の接合では、酸素等のガスは発生することはないため、接合の際に、アルカリ金属原料１３０が封入されているセル内部２１３に酸素等の不純物が入り込むことはない。尚、金属同士の接合を行なう場合には、金属膜２１０は、ともにＡｕ（金）、または、Ａｕを含む金属材料により形成されていることが好ましい。
【００７０】
次に、図７（ｃ）に示すように、一方の部材２０１と他方の部材２０２とが接合されたものを図７（ｂ）に示される破線７Ａにおいて、セルごとに分離し、アルカリ金属セル２４０を形成する。
【００７１】
また、本実施の形態では、アルカリ金属セル２４０を形成している２枚のガラス１２０間の距離（光路長）はおよそ２ｍｍである。従来は１．５ｍｍ程度であったが、２枚のＳｉ基板１１０の基板厚に相当するため、容易に２枚のガラス１２０間の距離を広げることができる。
【００７２】
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。
【００７３】
〔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。本実施の形態は、第１及び第２の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。図８及び図９に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。
【００７４】
最初に、図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。尚、本実施の形態では、後述するように、３枚のＳｉ基板を接合することによりアルカリ金属セルを形成するものであるため、Ｓｉ基板１１０を３枚準備する。
【００７５】
次に、図８（ｂ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０に開口部１１１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、現像を行なうことにより、開口部１１１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等による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を貫通する開口部１１１を形成する。Ｓｉのドライエッチングは、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に供給してエッチングを行なうボッシュプロセスにより行なわれる。
【００７６】
次に、図８（ｃ）に示すように、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０のうち、２枚のＳｉ基板１１０の他方の面に透明なガラス基板１２０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、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面にガラス基板１２０を接触させ、３８０℃の温度で、ガラス基板１２０に−８００Ｖ印加することにより陽極接合する。本実施の形態では、ガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる部材が２つ形成され、各々を一方の部材３０１、他方の部材３０２と記載する場合がある。また、ガラス基板１２０が接合されていないＳｉ基板を他のＳｉ基板１１０ａと記載する場合がある。
【００７７】
次に、図８（ｄ）に示すように、ガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる一方の部材３０１と、開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａとの双方の接合面に付着している付着物を除去する。具体的には、一方の部材３０１と開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａとを真空チャンバー内に設置し、真空チャンバー内を排気した後、真空中において接合面となるＳｉ基板１１０及び他のＳｉ基板１１０ａの表面に、Ａｒイオンビームを照射する。これにより、双方の接合面となるＳｉ基板１１０及び他のＳｉ基板１１０ａの表面に付着している自然酸化膜、付着物を除去することにより表面を活性化処理する。このようにして、一方の部材３０１及び他のＳｉ基板１１０ａの双方の接合面となる表面において、接合プラズマ活性化処理を行なう。
【００７８】
次に、図９（ａ）に示すように、一方の部材３０１と開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａとを表面が活性化処理された面同士を接触させて加圧することにより、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合により接合する。
【００７９】
次に、図９（ｂ）に示すように、一方の部材３０１における開口部１１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。
【００８０】
次に、図９（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａと他方の部材３０２とを接合する。具体的には、図示はしないが、一方の部材３０２と開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａとの双方の接合面にＡｒイオンビームを照射し、双方の接合面となるＳｉ基板１１０及び他のＳｉ基板１１０ａの表面に付着している自然酸化膜、付着物を除去し表面を活性化処理する。この後、他方の部材３０２と開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａとにおいて、表面が活性化処理されている面同士を接触させて加圧することにより、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合により接合する。このようなＳｉ−Ｓｉの直接接合では、酸素等のガスは発生することはないため、接合の際に、アルカリ金属原料１３０が封入されているセル内部３１３に酸素等の不純物が入り込むことはない。このように、一方の部材３０１の開口部１１１、Ｓｉ基板１１０ａの開口部１１１、他方の部材の開口部３０２によりセル内部３１３が形成される。
【００８１】
次に、図９（ｄ）に示すように、一方の部材３０１と開口部１１１が形成された他のＳｉ基板１１０ａと他方の部材３０２とが接合されたものを図９（ｃ）に示される破線９Ａにおいて、セルごとに分離し、アルカリ金属セル３４０を形成する。
【００８２】
これにより、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル３４０を作製することができる。このように作製されたアルカリ金属セル３４０は、セル内部３１３に含まれる酸素等の不純物の量は少ないため、安定度の高い原子発振器を得ることができる。
【００８３】
尚、本実施の形態における原子発振器は、第１の実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４０をアルカリ金属セル３４０に置き換えることにより得ることができる。本実施の形態においては、厚さ1ｍｍのＳｉ基板１１０を３枚接合したものであるため、アルカリ金属セル３４０を形成している２枚のガラス１２０間の距離（光路長）はおよそ３ｍｍである。また、上記説明では、Ｓｉ基板１１０を３枚用いた場合について説明したが、Ｓｉ基板１１０を４枚以上用いた場合も同様にアルカリ金属セルを形成することができる。本実施の形態では、アルカリ金属セルを形成するためのＳｉ基板１１０の枚数を増やすことにより、容易にアルカリ金属セル内を透過するレーザ光の光路長を長くすることができる。
【００８４】
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。
【００８５】
〔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の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。図１０から図１２に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。
【００８６】
最初に、図１０（ａ）に示すように、基板となるＳｉ基板４１０ａ及び４１０ｂを準備する。Ｓｉ基板４１０ａと４１０ｂはともに同じ基板であり、厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。
【００８７】
次に、図１０（ｂ）に示すように、一方のＳｉ基板４１０ａに開口部４１１ａ及び４１１ｂを形成し、他方のＳｉ基板４１０ｂに開口部４１１ａ、４１１ｂ及び４１１ｃを形成する。これにより、一方のＳｉ基板４１０ａには、図１２（ａ）に示すように、分離された開口部４１１ａ及び開口部４１１ｂが形成され、他方のＳｉ基板４１０ｂには、図１２（ｂ）に示すように、開口部４１１ｃにより開口部４１１ａと開口部４１１ｂとが接続されているものが形成される。ここで、開口部４１１ｃはセル接続部となるものであり、Ｃｓ原子ガスは通過することはできるが、Ｃｓの化合物は通過することができないように細い溝により形成されている。尚、図１０（ｂ）は、図１２（ａ）において、一点鎖線１２Ａ−１２Ｂにおいて切断したＳｉ基板４１０ａの断面、及び図１２（ｂ）において、一点鎖線１２Ｃ−１２Ｄにおいて切断したＳｉ基板４１０ｂの断面を示す。
【００８８】
次に、図１０（ｃ）に示すように、一方のＳｉ基板４１０ａにガラス基板１２０を陽極接合により接合することにより一方の部材４０１を作製し、他方のＳｉ基板４１０ｂにガラス基板１２０を陽極接合により接合することにより他方の部材４０２を作製する。
【００８９】
次に、図１１（ａ）に示すように、一方の部材４０１における開口部４１１ｂにＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。尚、図示はしないが、一方の部材４０１において、ガラス基板１２０が接合されていないＳｉ基板４１０の面に付着している付着物は、Ａｒイオンビームを照射することにより除去されており、他方の部材４０２において、ガラス基板１２０が接合されていないＳｉ基板４１０の面に付着している付着物は、Ａｒイオンビームを照射することにより除去されているものとする。これにより、一方の部材４０１と他方の部材４０２の接合面は、接合プラズマ活性化処理がなされる。
【００９０】
次に、図１１（ｂ）に示すように、一方の部材４０１と他方の部材４０２とを表面が活性化処理された面同士が向きあうように対向させ、位置合せを行なう。
【００９１】
次に、図１１（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材４０１と他方の部材４０２とを接合しアルカリ金属セル４４０を形成する。具体的には、一方の部材４０１と他方の部材４０２とが接合される面は、ともにプラズマ活性化処理がされているため、接触させて加圧することにより、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合により接合することができる。このようにして、一方の部材４０１と他方の部材４０２とを接合領域４１２において接合することにより、２つの開口部４１１ａからなる第１のセル内部４１３ａ及び２つの開口部４１１ｂからなる第２のセル内部４１３ｂが形成される。尚、第１のセル内部４１３ａと第２のセル内部４１３ｂとは、セル接続部となる開口部４１１ｃにより接続されており、アルカリ金属原料１３０は、第２のセル内部４１３ｂに設置されている。
【００９２】
本実施の形態におけるアルカリ金属セル４４０では、アルカリ金属の生成は加熱等することによりなされ、生じたアルカリ金属のガスがセル接続部となる開口部４１１ｃを通り、第１のセル内部４１３ａに入った状態で用いられる。よって、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の第１のセル内部４１３ａに光が照射される。
【００９３】
本実施の形態において用いられるアルカリ金属原料１３０は、アルカリ金属がＣｓの場合では、Ｃｓを含む大気中で安定的な化合物が挙げられる。具体的には、アルカリ金属原料１３０として、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液を用いた場合には、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液を第２のセル内部４１３ｂに封入した後、２００℃で反応させてＣｓを生成する。また、アルカリ金属原料１３０として、ＣｓＮ３を用いた場合には、通常の蒸着法で第２のセル内部４１３ｂにＣｓＮ３を成膜し、ＣｓＮ３を第２のセル内部４１３ｂに封入した後、ＵＶ光を照射しＣｓとバッファガスとなるＮ２を発生させる。また、アルカリ金属原料１３０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、Ｃｓディスペンサーを第２のセル内部４１３ｂ内に投入して封止した後、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。
【００９４】
本実施の形態では、第１のセル内部４１３ａには、Ｃｓ等のアルカリ金属とバッファガスのみとなるため、原子発振器の周波数安定性をより一層高めることができる。
【００９５】
本実施の形態においては、厚さ１ｍｍのＳｉ基板４１０ａおよび４１０ｂの２枚接合したものであるため、アルカリ金属セル４４０を形成している２枚のガラス１２０間の距離（光路長）はおよそ２ｍｍである。
【００９６】
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。
【００９７】
〔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。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。
【００９８】
図１３及び図１４に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル５４０の作製方法について説明する。
【００９９】
最初に、図１３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。尚、本実施の形態では、後述するように、２枚のＳｉ基板を接合することによりアルカリ金属セルを形成するものであるため、Ｓｉ基板１１０を２枚準備する。
【０１００】
次に、図１３（ｂ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０の一方の面をエッチングし、凹部５１１ａ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、現像を行なうことにより、凹部５１１ａ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等による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、凹部５１１ａを形成する。
【０１０１】
次に、図１３（ｃ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０の他方の面において、凹部５１１ａに対応する領域をエッチングにより除去し、貫通させることにより、開口部５１１を形成する。
【０１０２】
次に、図１３（ｄ）に示すように、各々の開口部５１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面に透明なガラス基板１２０を陽極接合により接合する。このようにしてガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる部材が２つ形成され、各々について一方の部材５０１、他方の部材５０２と記載する場合がある。
【０１０３】
次に、図１４（ａ）に示すように、各々のＳｉ基板１１０においてガラス基板１２０が接合されていない一方の面にＡｒイオンビームを照射し、双方のＳｉ基板１１０の一方の面に付着している自然酸化膜、付着物を除去することにより表面を活性化処理する。このようにして、双方のＳｉ基板１１０の一方の面において、接合プラズマ活性化処理を行なう。
【０１０４】
次に、図１４（ｂ）に示すように、一方の部材５０１におけるＳｉ基板１１０の開口部５１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。
【０１０５】
次に、図１４（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材５０１と他方の部材５０２とを接合領域５１２において接合する。これにより、双方の開口部５１１によりセル内部５１３が形成される。
【０１０６】
次に、図１４（ｄ）に示すように、一方の部材５０１と他方の部材５０２とが接合されたものを図１４（ｃ）に示される破線１４Ａにおいて、セルごとに分離し、アルカリ金属セル５４０を形成する。
【０１０７】
本実施の形態では、Ｓｉ基板１１０を両面より各々エッチングすることにより開口部５１１を形成するものであるため、１回当たりのエッチングの負担を軽くすることができる。
【０１０８】
また、本実施の形態では、開口部５１１を更に別の方法により形成することも可能である。具体的には、図１５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１０を準備する。
【０１０９】
次に、図１５（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１１０において、開口部５１１が形成される領域の縁に沿って、エッチングにより一方の面から他方の面に貫通する溝部５１８を形成する。
【０１１０】
次に、図１５（ｃ）に示すように、溝部５１８に囲まれた領域のＳｉ部５１９を除去することにより、図１３（ｃ）に示すものと同様のものを作製することができ、Ｓｉ基板１１０に開口部５１１を形成することができる。
【０１１１】
この後の工程は、図１３（ｄ）から図１４（ｄ）と同様である。
【０１１２】
尚、本実施の形態は、第２から第４の実施の形態にも適用することが可能である。
【０１１３】
〔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の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。図１６及び図１７に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。
【０１１４】
最初に、図１６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。尚、本実施の形態では、後述するように、２枚のＳｉ基板を接合することによりアルカリ金属セルを形成するものであるため、Ｓｉ基板１１０を２枚準備する。
【０１１５】
次に、図１６（ｂ）に示すように、一方のＳｉ基板１１０に開口部１１１を形成する。具体的には、一方の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、現像を行なうことにより、開口部１１１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等による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を貫通する開口部１１１を形成する。Ｓｉのドライエッチングは、ＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に供給してエッチングを行なうボッシュプロセスにより行なわれる。
【０１１６】
次に、図１６（ｃ）に示すように、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面に透明なガラス基板１２０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、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の他方の面にガラス基板１２０を接触させ、３８０℃の温度で、ガラス基板１２０に−８００Ｖ印加することにより陽極接合する。
【０１１７】
次に、図１６（ｄ）に示すように、開口部１１１の形成されたＳｉ基板１１０の一方の面に低融点ガラスペーストを塗布し乾燥させることにより、開口部１１１が形成されている領域以外、即ち、接合領域となる領域にガラスフリッド６１０を形成する。ガラスフリッド６１０となる低融点ガラスペーストは、低融点ガラス微粒子を主成分とするものであり、熱膨張係数を調整するための無機フィラーを含んでおり、５００℃以下の低温でリフローが可能である。このようにして形成されたものをガラス基板１２０が接合されているＳｉ基板１１０からなる一方の部材６０１と記載する場合がある。尚、本実施の形態では、２枚のＳｉ基板を接合するものであり、他方の部材１０２は、第１の実施の形態における他方の部材１０２を形成する方法と同様の方法により形成する。
【０１１８】
次に、図１７（ａ）に示すように、一方の部材６０１において、Ｓｉ基板１１０の開口部１１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入する。
【０１１９】
次に、図１７（ｂ）に示すように、一方の部材６０１のガラスフリッド６１０が形成されている面と、他方の部材１０２のＳｉ基板１１０が露出している面とを対向させ、位置合せを行なう。尚、他方の部材１０２において、ガラス基板１２０が接合されていないＳｉ基板１１０の一方の面は、直前にフッ酸ライトエッチングを行なうことにより、付着物や酸化膜が予め除去されている。
【０１２０】
次に、図１７（ｃ）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て窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材６０１と他方の部材１０２とをガラスフリッド６１０を介し接合する。具体的には、窒素雰囲気中における減圧チャンバー内において、一方の部材６０１におけるＳｉ基板１１０の一方の面に形成されたガラスフリッド６１０と他方の部材１０２におけるＳｉ基板１１０の一方の面とを接触させ、４７０℃の温度で、３００ｋＰａで２０分間加熱処理を行なうことにより接合する。このようにして、一方の部材６０１と他方の部材１０２とを接合領域６１２において接合することにより、２つの開口部１１１からなるセル内部６１３が形成される。このようなガラスフリッドによる接合では、酸素等のガスは発生することはないため、接合の際に、アルカリ金属原料１３０が封入されているセル内部６１３に酸素等の不純物が入り込むことはない。
【０１２１】
次に、図１７（ｄ）に示すように、一方の部材６０１と他方の部材１０２とが接合されたものを図１７（ｃ）に示される破線１７Ａにおいて、セルごとに分離しアルカリ金属セル６４０を形成する。
【０１２２】
これにより、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル６４０を作製することができる。このように作製されたアルカリ金属セル６４０は、セル内部６１３に含まれる酸素等の不純物の量は少ないため、安定度の高い原子発振器を得ることができる。尚、本実施の形態における原子発振器は、第１の実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４０を本実施の形態におけるアルカリ金属セル６４０に置き換えることにより得ることができる。
【０１２３】
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。
【０１２４】
〔第７の実施の形態〕
次に、第７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６の実施の形態とは異なるアルカリ金属セルを有する原子発振器及び原子発振器の製造方法である。図１８から図２１に基づき、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの作製方法について説明する。
【０１２５】
最初に、図１８（ａ）に示すように、基板となるＳｉ基板７１０ａ及び７１０ｂを準備する。Ｓｉ基板７１０ａ及び７１０ｂはともに同じ基板であり、厚さが１ｍｍであり、両面とも鏡面加工されている。
【０１２６】
次に、図１８（ｂ）に示すように、一方のＳｉ基板７１０ａにガスセル室と原料室を形成するための開口部７１１ａ及び７１１ｂを形成し、他方のＳｉ基板７１０ｂにガスセル室、原料室及びセル接続部を形成するための開口部７１１ａ、７１１ｂ及び７１１ｃを形成する。これにより、一方のＳｉ基板７１０ａには、図２０（ａ）に示すように、ガスセル室及び原料室を形成するための分離された開口部７１１ａ及び７１１ｂが形成され、他方のＳｉ基板７１０ｂには、図２０（ｂ）に示すように、ガスセル室及び原料室を形成するための開口部７１１ａ及び７１１ｂが、セル接続部となる開口部７１１ｃにより接続されているものが形成される。ここで、開口部７１１ｃにより形成されるセル接続部は、Ｃｓ原子ガスは通過することはできるが、Ｃｓの化合物は通過することができないように、図２１（ａ）に示すように、ガスセル室や原料室より浅く、２段階のエッチングによる細い溝により形成されている。尚、図１８、図１９は、図２０（ａ）における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂにおいて切断したＳｉ基板７１０ａの断面に対応する部分、及び図２０（ｂ）における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄにおいて切断したＳｉ基板７１０ｂの断面に対応する部分を示す。また、図２１は、図２０（ａ）において、一点鎖線２０Ｅ−２０Ｆにおいて切断したＳｉ基板７１０ａの断面に対応する部分、及び図２０（ｂ）において、一点鎖線２０Ｇ−２０Ｈにおいて切断したＳｉ基板７１０ｂの断面に対応する部分を示す。また、本実施の形態においては、セル接続部を形成するための開口部７１１ｃは、一つの細い溝により形成されているが、複数の細い溝により形成されたものであってもよい。
【０１２７】
次に、図１８（ｃ）に示すように、一方のＳｉ基板７１０ａにガラス基板１２０を陽極接合により接合することにより一方の部材７０１を作製する。また、他方のＳｉ基板７１０ｂのセル接続部となる開口部７１１ｃに相当する領域に、ガラスフリッド７２１が形成されているガラス基板１２０を陽極接合により接合することにより他方の部材７０２を作製する。
【０１２８】
次に、図１９（ａ）及び図２１（ｂ）に示すように、一方の部材７０１における開口部７１１ｂにＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入した後、一方の部材７０１と他方の部材７０２におけるＳｉが露出している側の面同士を張り合わせる。尚、図示はしないが、ガラス基板１２０が接合されていない両方のＳｉ基板７１０ａ及び７１０ｂの表面に付着している付着物は、Ａｒイオンビームを照射することにより除去されており、これにより、一方の部材７０１及び他方の部材７０２における接合面は、接合プラズマ活性化処理がなされる。具体的には、一方の部材７０１と他方の部材７０２とを表面が活性化処理された面同士が向きあうように対向させ、位置合せを行なう。そして、真空チャンバー内にバッファガスとなる窒素を導入して窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、一方の部材７０１と他方の部材７０２とを接合し一体部材を形成する。一方の部材７０１と他方の部材７０２とが接合される面は、ともにプラズマ活性化処理がされているため、接触させて加圧することにより、Ｓｉ−Ｓｉの直接接合により接合することができる。このようにして、一方の部材７１０ａと他方の部材７１０ｂとを接合領域７１２において接合することにより、２つの開口部７１１ａによりガスセル室となる第１のセル内部７１３ａ、２つの開口部７１１ｂにより原料室となる第２のセル内部７１３ｂが形成される。尚、第１のセル内部７１３ａと第２のセル内部７１３ｂとは、セル接続部となる開口部７１１ｃにより接続されており、アルカリ金属原料１３０は、第２のセル内部７１３ｂに設置されている。
【０１２９】
本実施の形態におけるアルカリ金属セル７４０では、アルカリ金属の生成は加熱等することによりなされ、生じたアルカリ金属のガスがセル接続部となる開口部７１１ｃを通り、第１のセル内部７１３ａに入った状態で用いられる。よって、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７４０の第１のセル内部７１３ａに光が照射される。
【０１３０】
本実施の形態において用いられるアルカリ金属原料１３０は、アルカリ金属がＣｓの場合では、Ｃｓを含む大気中で安定的な化合物が挙げられる。具体的には、アルカリ金属原料１３０として、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液を用いた場合には、ＢａＮ６水溶液にＣｓＣｌを混合した溶液を第２のセル内部７１３ｂに封入した後、２００℃で反応させてＣｓを生成する。また、アルカリ金属原料１３０として、ＣｓＮ３を用いた場合には、通常の蒸着法で第２のセル内部７１３ｂにＣｓＮ３を成膜し、ＣｓＮ３を第２のセル内部７１３ｂに封入した後、ＵＶ光を照射しＣｓとバッファガスとなるＮ２を発生させる。また、アルカリ金属原料１３０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、Ｃｓディスペンサーを第２のセル内部７１３ｂ内に投入して封止した後、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。
【０１３１】
次に、図１９（ｂ）及び図２１（ｃ）に示すように、窒素雰囲気のオーブンの中で、４７０℃の温度で、３００ｋＰａで２０分間、加圧処理を行い、ガラスフリッド７２１を溶融し、セル接合部を封止する。
【０１３２】
これにより、本実施の形態における原子発振器に用いられるアルカリ金属セル７４０を作製することができる。このように作製されたアルカリ金属セル７４０は、第１のセル内部７１３ａ等に含まれる酸素等の不純物の量は少なく、Ｃｓ等のアルカリ金属とバッファガスのみとなる。また、セル接続部である開口部７２１は、ガラスフリッド７２１により封止されているため、ガスセル室となる第１のセル内部７１３ａと原料室となる第２のセル内部７１３ｂが分離されており、ガスセル室となる第１のセル内部７１３ａにおける雰囲気は、吸着などによるアルカリ金属原料１３０の経時変化の影響を受けず、原子発振器の周波数安定性をより一層高めることができる。
【０１３３】
ここで、セル接合部封止後、不要となったアルカリ金属原料室を切り離してガスセル室部のみをアルカリ金属セルとして用いてもよい。この場合には、アルカリ金属セルの熱容量が小さくなるため、省エネルギーなものとなる。
【０１３４】
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。
【０１３５】
〔第８の実施の形態〕
次に、第８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７の実施の形態における原子発振器が一体化された構造のものである。
【０１３６】
図２２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７１上に縦方向に形成されている。回路基板７１上には、アルミナ基板７２が設けられており、アルミナ基板７２上には光源１０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７２は、光源１０の温度等を制御するための面発光レーザ用ヒータ７３が設けられている。光源１０の上方には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ７４が設けられている。ＮＤフィルタ７４は、ガラス等により形成された断熱スペーサ７５により所定の位置に設置されている。ＮＤフィルタ７４の上部にはコリメートレンズ２０が設けられており、コリメータレンズの上方には、λ／４板３０が設けられている。λ／４板３０はシリコン等により形成されたスペーサ７６により所定の位置に設置されている。λ／４板３０の上には、アルカリ金属セル４０が設けられている。アルカリ金属セル４０は、２枚のガラス基板４１を有しており、２枚のガラス基板４１が対向している状態で、縁の部分がシリコン基板４２により接続されており、ガラス基板４１とシリコン基板４２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４０において、レーザ光が透過する面がガラス基板４１により形成されている。アルカリ金属セル４０の両側には、セル用ヒータ７７が設けられており、アルカリ金属セル４０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４０の上方には、光検出器５０が設けられており、光検出器５０はシリコンからなるスペーサ７８により所定の位置に設置されている。
【０１３７】
次に、図２３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２４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２５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ので、光検出器５０の出力が最大値を保持するように変調器６０においてフィードバックして光源１０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。
【０１３８】
尚、本実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４０において、本実施の形態におけるシリコン基板４２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り、ガラス基板４１は、第１の実施の形態におけるガラス基板１２０等に相当するものである。また、本実施の形態における原子発振器において、アルカリ金属セル４０に代えて、第２から第７の実施の形態におけるアルカリ金属セル２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０についても同様に用いることも可能である。
【０１３９】
また、本実施例で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。
【０１４０】
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】
【０１４１】
１０        光源
２０        コリメートレンズ
３０        λ／４板
４０        アルカリ金属セル
５０        光検出器
６０        変調器
１０１      一方の部材
１０２      他方の部材
１１０      Ｓｉ基板
１１１      開口部
１１２      接合領域
１１３      セル内部
１２０      ガラス基板
１３０      アルカリ金属原料
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１４２】
【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】
【０１４３】
【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】
0006031787.tif 000002
【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】
0006031787.tif 000014
【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】
0006031787.tif 000019
【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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