(57)【要約】【課題】製造工程を短縮してユニットコストの低減を図ることができる原子発振器の製造方法を提供する。【解決手段】この原子発振器５０は、半導体基板上に形成された受光部を有する受光素子（ＰＤ）６と、受光素子６上に積層され、受光部の上部に開口部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）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を介して発光素子１用の電極３と接続される。【選択図】図１
2011119633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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開口部上に接続する第７の工
程と、
を備えたことを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項２】
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形成する第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透明部材上に接続する第６の
工程と、
を備えた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、原子発振器の製造方法に関し、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の製造方法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］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
開口部上に接続する第７の工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明では、まず半導体基板上に受光素子を形成する。そして、更にその上にセル層を
積層して、エッチングにより受光素子の対向面に開口部を有する空洞を形成する。このセ
ル層をアルカリ金属原子雰囲気内に置くことにより、空洞にアルカリ金属原子が充満する
。その状態で開口部を透明部材にて閉止して、バンプにより発光素子を接続する。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。
【０００８】
［適用例２］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形成する第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
光素子を前記透明部材上に接続する第６の工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、透明部材で開口部を閉止する工程を省略したものである。即ち、半導体基
板上に発光素子を形成する。そして、空洞が形成された透明部材をアルカリ金属原子雰囲
気内で受光素子に接合することにより、空洞にアルカリ金属原子が充満する。そして、バ
ンプにより受光素子を接続する。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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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】
【００１１】
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。
【００１２】
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：Photodio
de）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８
ａ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８
ａ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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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（Ｓ
８）。
【００１６】
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）。
【００１７】
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（Ｓ
２５）、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（Ｓ２
８）。
【符号の説明】
【００１８】
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】
2011119633.tif 000003
【図２】
2011119633.tif 000004
【図３】
2011119633.tif 000005
【図４】
2011119633.tif 000006
【図５】
2011119633.tif 000007
【図６】
2011119633.tif 000008