(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】本体基板１１０を貫通する第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２を形成する工程と、前記本体基板の一方の面に第１の透明基板１２１を接合する工程と、前記本体基板における前記第２の開口部にアルカリ金属発生剤１４０を設置する工程と、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲に接合金属膜１３３を設置する工程と、前記本体基板と第２の透明基板１２２との間に隙間が形成される状態で、前記本体基板と前記第２の透明基板とを前記接合金属膜により接合する第１の接合工程と、前記アルカリ金属発生剤を加熱しアルカリ金属ガスを発生させて、前記第２の開口部より、前記隙間を介し、前記第１の開口部に拡散させる工程と、前記接合金属膜を形成している金属材料を溶融させ、前記隙間を塞ぐ第２の接合工程とを有する。【選択図】図９
2015164156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に前記基板を貫通する第１の開口部及び第２の開口部を形成することにより本体基板を形成する工程と、
前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する工程と、
前記本体基板における前記第２の開口部にアルカリ金属発生剤を設置する工程と、
前記本体基板の他方の面と第２の透明基板との間において、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲に接合金属膜を設置する工程と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部との間の領域において、前記本体基板と前記第２の透明基板との間に隙間が形成される状態で、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲において、前記本体基板と前記第２の透明基板とを前記接合金属膜により接合する第１の接合工程と、
前記アルカリ金属発生剤を加熱しアルカリ金属ガスを発生させて、前記第２の開口部より、前記隙間を介し、前記第１の開口部に拡散させる工程と、
前記接合金属膜を形成している金属材料を溶融させ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に形成されている前記隙間を塞ぐ第２の接合工程と、
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】
前記第１の接合工程及び前記第２の接合工程は、前記接合金属膜を形成している金属材料を加熱し溶融することにより接合するものであって、
前記第１の接合工程における加熱時間よりも、前記第２の接合工程における加熱時間が長い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】
前記接合金属膜は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉのうちのいずれかを含むものにより形成されている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】
前記基板の他方の面における前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲に、本体基板金属層を形成する工程と、
前記第２の透明基板において、前記基板の他方の面に形成されている前記本体基板金属層に対応する形状の透明基板金属層を形成する工程と、
を有し、
前記接合金属膜は、前記基板の他方の面に形成されている前記本体基板金属層と前記第２の透明基板に形成されている前記透明基板金属層との間に設置され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】
前記本体基板金属層及び前記透明基板金属層は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲に形成される金属層周囲部と、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に形成される金属層中間部とを有しており、
前記金属層周囲部と前記金属層中間部とは接続されており、
前記金属層中間部における一部または全部における幅は、前記金属層周囲部における幅よりも広く形成されていることを特徴とする請求項４に記載のアルカリ金属セルの製造方法。
【請求項６】
前記金属層中間部は、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に複数形成されていることを特徴とする請求項５に記載のアルカリ金属セルの製造方法。
【請求項７】
前記基板の他方の面において、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを接続する溝部が設けられてい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１の開口部は、１つの前記第２の開口部に対し、１または複数設けられてい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。
【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。よって、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とを有している。ＣＰＴ方式の原子時計においては、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】
超小型の原子時計におけるアルカリ金属セルとしては、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】
非特許文献６に開示されている方法では、アルカリ金属セルの内部に残されているＣｓを発生させた後のＣｓディスペンサーが、アルカリ金属セルの内部におけるガスを吸着する。このため、長期に渡ってアルカリ金属セルの内部の圧力が変動し、これが周波数シフトを生じる要因となり、周波数発振器としての長期信頼性を損なうという不具合がある。また、この方法では、アルカリ金属セルにはガス室と原料室が必要となるため、全体が大きくなり小型化にすることが困難であるとともに、１枚の基板から作製することのできるアルカリ金属セルの数が少ないため製造コストが高くなり、アルカリ金属セルが高価なものとなってしまう。
【０００８】
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】
【０００９】
本実施の形態の一観点によれば、基板に前記基板を貫通する第１の開口部及び第２の開口部を形成することにより本体基板を形成する工程と、前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する工程と、前記本体基板における前記第２の開口部にアルカリ金属発生剤を設置する工程と、前記本体基板の他方の面と第２の透明基板との間において、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲に接合金属膜を設置する工程と、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間の領域において、前記本体基板と前記第２の透明基板との間に隙間が形成される状態で、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の周囲において、前記本体基板と前記第２の透明基板とを前記接合金属膜により接合する第１の接合工程と、前記アルカリ金属発生剤を加熱しアルカリ金属ガスを発生させて、前記第２の開口部より、前記隙間を介し、前記第１の開口部に拡散させる工程と、前記接合金属膜を形成している金属材料を溶融させ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に形成されている前記隙間を塞ぐ第２の接合工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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】
【００１１】
【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説明図
【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（１）
【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（２）
【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（３）
【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（４）
【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（５）
【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（６）
【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（７）
【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（８）
【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（９）
【図１２】第１の実施の形態における他のアルカリ金属セルの製造方法の説明図（１）
【図１３】第１の実施の形態における他のアルカリ金属セルの製造方法の説明図（２）
【図１４】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１５】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１６】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１７】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説明図
【図１８】第４の実施の形態における原子発振器の説明図
【図１９】第４の実施の形態における原子発振器の構造図
【図２０】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図２１】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図２２】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】
【００１２】
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。
【００１３】
〔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１１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している場合がある。
【００１４】
最初に、図２及び図３に示されるように、Ｓｉ（シリコン）基板に、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２となる貫通穴を形成することにより本体基板１１０を作製する。本体基板１１０を作成する際に用いられるＳｉ基板は、直径φが１００ｍｍ、厚さが１．５ｍｍのシリコンウェハであり、両面が鏡面加工されている。具体的には、Ｓｉ基板の表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１の開口部１１１及び第２の開口部１１２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、ＲＩＥ等のドライエッチングやウェットエッチングにより、レジストパターンの開口部が形成されている領域のシリコンを除去し、Ｓｉ基板に貫通穴を形成することにより、複数の第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２を形成する。尚、ウェットエッチングを行う場合には、異方性エッチングが好ましい。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。これにより、複数の第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２となる貫通穴が形成されている本体基板１１０を作製することができる。
【００１５】
このように形成された第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２となる貫通穴は、直径Ｄが２ｍｍとなり、貫通穴同士のピッチＰが４ｍｍピッチとなるように形成する。尚、図２は、この工程における本体基板１１０の上面図であり、図３（ａ）は、図２における一点鎖線２Ａに囲まれた領域の拡大図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。本実施の形態においては、この後、図２における一点鎖線２Ａにより囲まれた領域における工程について説明するが、一点鎖線２Ａにより囲まれた領域以外の領域においても、同様のプロセスが行われる。
【００１６】
次に、図４に示されるように、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２が形成されている本体基板１１０の一方の面１１０ａに、第１の透明基板１２１を接合する。第１の透明基板１２１は、厚さが０．３ｍｍのガラス基板等により形成されており、本体基板１１０の一方の面１１０ａと第１の透明基板１２１とを陽極接合により接合する。この際行われる陽極接合の条件は、荷重が５００Ｎ、温度が３６０℃、電圧が６００Ｖ、時間が１０分である。これにより、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２が形成されている本体基板１１０の一方の面１１０ａに、第１の透明基板１２１を接合することができる。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。
【００１７】
次に、図５に示されるように、本体基板１１０の他方の面１１０ｂにおいて、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２の周囲に、本体基板金属層１３１を形成する。本体基板金属層１３１は、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２の周囲に形成される金属層周囲部１３１ａと第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間に形成される２つの金属層中間部１３１ｂとを有している。尚、形成される金属層中間部１３１ｂは、複数であればよく３以上であってもよい。具体的には、本体基板１１０の他方の面１１０ｂ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、本体基板金属層１３１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、本体基板１１０の他方の面１１０ｂにおいて、残存する金属積層膜により、本体基板金属層１３１を形成することができる。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。
【００１８】
次に、図６に示されるように、第２の透明基板１２２において、本体基板１１０の他方の面１１０ｂに形成されている本体基板金属層１３１に対応する形状の透明基板金属層１３２を形成する。透明基板金属層１３２は、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２の周囲に対応する部分に形成される金属層周囲部１３２ａと第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間に対応する部分に形成される２つの金属層中間部１３２ｂとを有している。尚、形成される金属層中間部１３２ｂは、複数であればよく３以上であってもよい。具体的には、第２の透明基板１２２の表面に、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、透明基板金属層１３２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透明基板金属層１３２を形成することができる。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。
【００１９】
次に、図７に示すように、本体基板１１０における第２の開口部１１２に、アルカリ金属発生剤１４０を設置する。アルカリ金属発生剤１４０は、アルカリ金属を含む化合物であり、例えば、Ｃｓディスペンサーである。Ｃｓディスペンサーは、室温では大気中での取り扱いが可能で、所定の温度に加熱することにより、Ｃｓ蒸気を発生する。このようなアルカリ金属発生剤１４０は、従来より光電子増倍管や光電管等において用いられており、酸化剤と還元剤とを含むペレット状あるいは粉末状の薬剤である。尚、図７（ａ）は、この工程における上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２０】
次に、図８に示すように、本体基板金属層１３１と透明基板金属層１３２との間に接合金属膜１３３を設置し、接合金属膜１３３により、本体基板１１０の他方の面１１０ｂと第２の透明基板１２２とを接合する第１の接合工程を行う。接合金属膜１３３はＡｕＳｎにより形成されており、本体基板金属層１３１における金属層周囲部１３１ａ及び透明基板金属層１３２における金属層周囲部１３２ａに対応した形状で形成されている。このような接合金属膜１３３は、ＡｕＳｎ（２０％）により形成されているＡｕＳｎ金属板を打ち抜くことにより作製することができ、形成される接合金属膜１３３は、厚さが２５μｍ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。
【００２１】
尚、接合金属膜１３３は、本体基板１１０の他方の面１１０ｂに形成されている本体基板金属層１３１における金属層周囲部１３１ａの上に、真空蒸着等によりＡｕＳｎ膜を所定の膜厚となるまで成膜することにより形成してもよい。また、接合金属膜１３３は、第２の透明基板１２２に形成されている透明基板金属層１３２における金属層周囲部１３２ａの上に、真空蒸着等によりＡｕＳｎ膜を所定の膜厚となるまで成膜することにより形成してもよい。
【００２２】
上述のとおり、最初に、本体基板１１０の他方の面１１０ｂに形成されている本体基板金属層１３１における金属層周囲部１３１ａと第２の透明基板１２２に形成されている透明基板金属層１３２における金属層周囲部１３２ａとの間に、接合金属膜１３３を設置する。この工程は、接合装置内において行われ、本体基板金属層１３１と透明基板金属層１３２とが対向するように位置あわせを行い、接合金属膜１３３が本体基板金属層１３１と透明基板金属層１３２との間に位置するように設置する。
【００２３】
この後、接合装置内を排気し真空にした後、バッファガスを導入し、接合装置内の圧力を１０Ｐａにした後、２８０℃の温度で３分間加熱することにより、接合金属膜１３３を溶かす。これにより、本体基板１１０の他方の面１１０ｂに形成されている本体基板金属層１３１の金属層周囲部１３１ａと第２の透明基板１２２に形成されている透明基板金属層１３２の金属層周囲部１３２ａとの間を接合金属膜１３３により接合する第１の接合工程を行う。尚、第１の接合工程では、２８０℃の加熱時間が３分間と短いため、本体基板金属層１３１における金属層中間部１３１ｂと透明基板金属層１３２の金属層中間部１３２ｂとの間に、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｕが流れ込むことはない。このため、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間の領域において、本体基板１１０の他方の面１１０ｂと第２の透明基板１２２との間には、隙間１５０が形成される。
【００２４】
次に、図９に示すように、第２の開口部１１２に設置されているアルカリ金属発生剤１４０を加熱することによりアルカリ金属ガス１４１を発生させて、隙間１５０を介し、第１の開口部１１１に拡散させる。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。
【００２５】
具体的には、レーザ光１６１を集光レンズ１６２により集光して、アルカリ金属発生剤１４０に照射することにより、アルカリ金属発生剤１４０を加熱する。これにより、アルカリ金属発生剤１４０からアルカリ金属ガス１４１が発生し、本体基板１１０と第２の透明基板１２２との間の隙間１５０を通り、第１の開口部１１１内に拡散する。本実施の形態においては、レーザ光１６１を発生させる光源として、波長が１４５５ｎｍのレーザ光を出射する照射パワー２Ｗのラマンファイバレーザが用いられており、レーザ光の照射される時間は、２分間である。
【００２６】
次に、図１０に示すように、接合装置内において、２８０℃の温度で１０分間加熱することにより、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎを溶融させる。これにより、接合金属膜１３３を形成している溶融したＡｕＳｎが、本体基板金属層１３１における金属層中間部１３１ｂと透明基板金属層１３２の金属層中間部１３２ｂとの間を毛細管現象により流動し、隙間１５０を塞ぐ第２の接合工程を行う。このようにして、２つの金属層中間部１３１ｂと金属層中間部１３２ｂとの間に、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎを流動させることができ、隙間１５０を塞ぐことができる。尚、図１０（ａ）は、この工程における上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。
【００２７】
本実施の形態においては、第２の接合工程と第１の接合工程は同じ温度で加熱しているが、第１の接合工程における加熱時間よりも、第２の接合工程における加熱時間が長い。このため、接合金属膜１３３を形成している金属材料を溶融させて、２つの金属層中間部１３１ｂと金属層中間部１３２ｂとの間を毛細管現象により流動させることができる。尚、本体基板金属層１３１及び透明基板金属層１３２を形成しているＡｕは、溶融したＡｕＳｎに対して濡れ性がよいため、隙間１５０の間隔が僅かであっても、容易に入り込むことができる。これはハンダ付けと同様であり、金属と金属との間に多少の隙間があっても、ハンダによりその隙間を埋めることができることと同様である。
【００２８】
尚、接合金属膜１３３を形成している材料が溶融し、金属層中間部１３１ｂと金属層中間部１３２ｂとの間の隙間１５０に流れ込むことにより、金属層周囲部１３１ａと金属層周囲部１３２ａとの間における接合金属膜１３３の厚さは薄くなる。しかしながら、接合金属膜１３３の厚さは２５μｍと厚いため、金属層中間部１３１ｂと金属層中間部１３２ｂとの間を接合するのに必要な厚さは数μｍであり、接合金属膜１３３の厚さは若干薄くなるものの、接合金属膜１３３より十分に供給することができる。これにより、金属層中間部１３１ｂと金属層中間部１３２ｂとの間の隙間１５０を完全に塞ぐことができ、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２を封止することができる。
【００２９】
本実施の形態においては、第１の接合工程と第２の接合工程は、同じ接合金属膜１３３を形成している金属材料により行われる。尚、接合金属膜１３３はＡｕＳｎにより形成されたものに限定されるものではなく、ＡｕＧｅやＡｕＳｉ等の金属材料により形成してもよい。
【００３０】
この後、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２の間における２つの金属層中間部１３１ｂ等の間を、図１０に示される二点差線において切断する。これにより図１１に示されるように、第１の開口部１１１の周囲の金属層周囲部１３１ａの外側を切断することができ、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る。
【００３１】
本実施の形態におけるアルカリ金属セルは、アルカリ金属発生剤１４０が設置されている第２の開口部１１２と切り離されているため、アルカリ金属セルの内部における圧力変動がなく、小型化が可能となる。また、第１の開口部１１１の封止は溶融金属による接合により行われるため、アルカリ金属セルの内部は、出ガスのないクリーンな雰囲気を維持することができる。
【００３２】
上記においては、アルカリ金属発生剤１４０が設置される第２の開口部１１２とアルカリ金属セルが形成される第１の開口部１１１とが１対１である場合について説明したが、本実施の形態は、これに限定されるものではない。即ち、１つの第２の開口部１１２に対し複数の第１の開口部１１１が設けられていてもよい。
【００３３】
例えば、本実施の形態は、図１２に示されるように、アルカリ金属発生剤１４０が設置される第２の開口部１１２とアルカリ金属セルが形成される第１の開口部１１１とが１対２となるものであってもよい。即ち、１つの第２の開口部１１２に対し、第１の開口部１１１が２つ形成されていてもよい。この場合においても、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間には、金属層中間部１３１ｂが形成されるとともに、金属層中間部１３１ｂに対応した金属層中間部１３２ｂが形成されていてもよい。即ち、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間には、２以上の金属層中間部が形成されていてもよい。
【００３４】
また、本実施の形態は、図１３に示されるように、アルカリ金属発生剤１４０が設置される第２の開口部１１２とアルカリ金属セルが形成される第１の開口部１１１とが１対４となるものであってもよい。即ち、１つの第２の開口部１１２に対し、第１の開口部１１１が２つ形成されていてもよい。この場合においても、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間には、金属層中間部１３１ｂが形成されるとともに、金属層中間部１３１ｂに対応した金属層中間部１３２ｂが形成されていてもよい。即ち、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間には、２以上の金属層中間部が形成されていてもよい。
【００３５】
〔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、図１４に示されるように、本体基板金属層及び透明基板金属層は、金属層周囲部１３１ａの幅Ｌ１よりも金属層中間部１３１ｂの幅Ｌ２が広くなるように形成したものであってもよい。具体的には、第１の開口部１１１及び第２の開口部１１２の周囲に形成される金属層周囲部１３１ａの幅Ｌ１よりも広い幅Ｌ２を有する２つの金属層中間部１３１ｂが第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間に形成されていてもよい。この場合、第２の透明基板１２２においても、本体基板金属層１３１と対称となる形状の透明基板金属層を形成する。
【００３６】
第１の接合工程と第２の接合工程とにおいては、接合金属膜１３３を加熱する際の時間が異なっているが、接合温度が高くなる等のプロセスのばらつきによっても、接合時間が変化する可能性がある。例えば、第１の接合工程を行う際に、設定温度を間違えて高温で接合した場合、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎが思ったよりも早く隙間１５０を塞いでしまう場合がある。このため、金属層中間部１３１ｂの幅Ｌ２を金属層周囲部１３１ａの幅Ｌ１よりも広く形成することにより、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎが隙間１５０を塞ぐ速度を落とすことができ、製造マージンを広くすることができる。即ち、金属層中間部１３１ｂの幅Ｌ２を広くすることにより、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎが進行方向と横方向とに広がるため、接合金属膜１３３を形成しているＡｕＳｎが金属層中間部１３１ｂの表面を流動する速度を遅くすることができる。これにより、アルカリ金属セルを製造する際の製造マージンを広げることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
尚、図１４に示す場合では、金属層周囲部１３１ａよりも、金属層中間部１３１ｂの全部において幅が広く形成されているが、金属層中間部において幅が広い領域は一部であってもよい。例えば、図１５に示すように、金属層中間部１３１ｂは、幅の広い領域となる金属層幅広中間部２３２ａを中央部分に形成し、金属層幅広中間部２３２ａと金属層周囲部１３１ａとの間に幅の狭い領域となる金属層幅狭中間部２３２ｂを形成したものであってもよい。また、図１６に示すように、金属層中間部１３１ｂは、幅の狭い領域となる金属層幅狭中間部２３３ａを中央部分に形成し、金属層幅狭中間部２３３ａと金属層周囲部１３１ａとの間に幅の広い領域となる金属層幅広中間部２３３ｂを形成したものであってもよい。
【００３８】
〔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、図１７に示されるように、本体基板１１０において、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間を接続する溝部を設けた構造のものである。尚、図１７（ａ）は、本実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造工程の上面図であり、図１７（ｂ）は、一点鎖線１７Ａ−１７Ｂにおいて切断された断面図であり、図１７（ｃ）は、一点鎖線１７Ｃ−１７Ｄにおいて切断された断面図である。
【００３９】
本実施の形態においては、溝部３１０は、本体基板１１０の他方の面に形成されており、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２との間を接続するものである。溝部３１０は、ドライエッチングにより深さ１０μｍ、幅２００μｍとなるように形成してもよいが、これに限定されるものではない。また、本体基板１１０に形成される溝部３１０は、複数であってもよい。
【００４０】
本体基板１１０に形成される溝部３１０は、側面にテーパーが形成されていてもよい。このように溝部３１０の側面にテーパーを形成することにより、第２の接合工程において、接合金属膜１３３を形成している金属材料が溝部３１０を隙間なく広がり、確実に溝部３１０を含む領域の隙間を塞ぐことができる。このような側面にテーパーが形成されている溝部３１０は、所定の条件でドライエッチングを行うことにより、容易に形成することができる。
【００４１】
本実施の形態においては、本体基板１１０に溝部３１０を形成することにより、アルカリ金属ガスが拡散する際の経路を広くすることができ、アルカリ金属ガスの拡散を円滑に行うことができる。
【００４２】
〔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１８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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
図１９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。
【００４６】
次に、図２０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２１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２２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。
【００４７】
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本体基板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の透明基板１２１及び第２の透明基板１２２に相当するものである。
【００４８】
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。
【００４９】
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】
【００５０】
１１０      本体基板
１１１      第１の開口部
１１２      第２の開口部
１２１      第１の透明基板
１２２      第２の透明基板
１３１      本体基板金属層
１３１ａ    金属層周囲部
１３１ｂ    金属層中間部
１３２      透明基板金属層
１３２ａ    金属層周囲部
１３２ｂ    金属層中間部
１３３      接合金属膜
１４０      アルカリ金属発生剤
１４１      アルカリ金属ガス
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】
【００５１】
【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】
【００５２】
【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】
2015164156.tif 000003
【図２】
2015164156.tif 000004
【図３】
2015164156.tif 000005
【図４】
2015164156.tif 000006
【図５】
2015164156.tif 000007
【図６】
2015164156.tif 000008
【図７】
2015164156.tif 000009
【図８】
2015164156.tif 000010
【図９】
2015164156.tif 000011
【図１０】
2015164156.tif 000012
【図１１】
2015164156.tif 000013
【図１２】
2015164156.tif 000014
【図１３】
2015164156.tif 000015
【図１４】
2015164156.tif 000016
【図１５】
2015164156.tif 000017
【図１６】
2015164156.tif 000018
【図１７】
2015164156.tif 000019
【図１８】
2015164156.tif 000020
【図１９】
2015164156.tif 000021
【図２０】
2015164156.tif 000022
【図２１】
2015164156.tif 000023
【図２２】
2015164156.tif 000024