(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数基準に用いられるアルカリ原子とバッファガスを封入したガスセルであって、
前記ガスセルは、
一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む単結晶サファイア基板と、
前記開口部を介して対向し、前記基板の両面と接合する２つの単結晶サファイア基板と、
からなることを特徴とするガスセル。
【請求項２】
前記ガスセルは、さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部および２つの開口部間を連結する連結部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスセルを備え、
光マイクロ波２重共鳴法またはコヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法により前記アルカリ原子の固有周波数を検出することを特徴とする原子時計。
【請求項４】
請求項１に記載するガスセルを製造する方法であって、
第１の単結晶サファイア基板に前記開口部を穿ち、
第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
【請求項５】
請求項２に記載するガスセルを製造する方法であって、
第１の単結晶サファイア基板に第１の前記開口部を穿ち、
さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部を穿ち、および２つの開口部間を連結する連結部となる溝を加工し、
第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記第１の開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載のガスセルを備えることを特徴とする原子センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子時計および原子センサ等に利用するガスセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
セシウム(Cs)やルビジウム(Rb)原子などのアルカリ原子を周波数基準に用いた超小型原子時計(チップスケール原子時計、Chip Scale Atomic Clock＝CSAC)の開発が活発に進められ、製品化も行われている(図２)。
原子時計では、周波数基準原子をガラスのセル(図１)に封入し、これに光やマイクロ波などを照射し、マイクロ波２重共鳴法(図３(ａ))や、コヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴(CPT共鳴)法(図３(ｂ))といった分光手段を用いて基準信号を取得する。【０００３】
このとき、原子時計として必要な性能を確保できるだけの質の良い信号を取得するために、セルの中にNeやArなどの緩衝気体(バッファガス)と呼ばれる不活性ガスを封入する必要がある。
不活性ガスが封入されたガスセルを低価格で大量生産するために、ガスセル作製にシリコンウェハーが用いられる。【０００４】
ガスセルの作製は、壁材となるシリコンウェハーにたくさんの穴がエッチング等の加工法により開けられ、その両面に光を通過させる窓材としてガラスが接合され、またバッファガスおよび周波数基準原子が封入され、最後に個別のガスセルにダイシングされる。
壁材となる穴の空いたシリコンウェハーと窓材のガラスを接合する方法としては陽極接合が用いられるが、陽極接合ではガラス中に含まれるNaイオンが重要な役割を果たし、このため窓材に使われるガラスとしては、シリコンと熱膨張率が近くNaを含有するパイレックス(登録商標)などのホウケイ酸ガラスが用いられている。【０００５】
一方、バッファガスは原子時計を動作させるために必要な信号を取得するために不可欠であるが、その一方で、周波数基準原子であるRbやCsなどのアルカリ原子と衝突することで「バッファガスシフト」と呼ばれる周波数シフトが発生する。
バッファガスシフトが長期間にわたりに一定であれば問題とならないが、パイレックス(登録商標)などのホウケイ酸ガラスは大気中のヘリウム(He)ガス、およびバッファガスに用いられるNeなどを透過するため、大気中のHeガスのガスセルへの侵入やバッファガスのガスセル抜けにより「バッファガスシフト」は時間的に変化し、これが原子時計の発振周波数の時間変化(ドリフト)を発生させるため問題となっている。【０００６】
また、窓材に使用されるSiO2を含むガラスは周波数基準原子Csにより還元され、その結果Cs原子がガラスに吸着され窓材に浸透拡散していくため、ガスセル内の基準信号を取得するCs原子の消失や経年変化も問題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８５０６４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１１９４４３号公報
【特許文献３】特開２０１６−１２８５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】池上健、”CPTを利用した小型原子時計開発の世界的動向”, 日本時計学会誌マイクロメカトロニクス, p77-91. Vol. 52, No. 199(2008)
【非特許文献２】Olga Kozlova, Stephane Guerandel, and Emeric de Clercq, “Temperature and Pressure shift of the Cs clock transition in the presence of buffer gases: Ne, N2, Ar”, Phys. Rev. A 83, 062714(2011)
【非特許文献３】Francis J. Norton, “Permeation of Gases through Solids”, J. Appl. Phys. 28, 34(1957)
【非特許文献４】柳町真也、”平成27年度 NEDO報告資料抜粋”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
大気中のHeやバッファガスNeなどを透過しない透光性材料(窓材)として、水晶やサファイアなどの単結晶、また、アルミナセラミックスなどのセラミックスを用いることが考えられる。
図１０はヘリウムに対する素材によるガス透過率の傾向を示したものである。
しかし、センサネットなど分散配置される複数システムの時刻同期を行う場合、時刻精度として10年間で誤差0.01秒以下が要求される。
ガスセル材料として、Heに対して10-18m2/s/Paの透過率を持つホウケイ酸ガラスを用いると、バッファガスシフトにより10年間で10〜100秒程度の誤差を生じてしまう。
このため、ガスセル構成材料にはガス透過率が10-22m2/s/Pa以下であることが求められる。【００１０】
これらのうち、サファイア単結晶やアルミナセラミックスはさらに周波数基準原子RbやCsなどのアルカリ原子との反応性が低く窓材内への浸透拡散による消失も小さい物質である。【００１１】
窓材に好適なサファイア単結晶は職人芸によるオプティカルコンタクトと呼ばれる手法では大量生産のためのダイシングに耐えるほどの接合強度は確保できない。【００１２】
また、1000℃以上の高温の熱処理を行えば、サファイア単結晶の接合強度は向上するが、内部にCsやRbを封入しなくはならないガスセルの作製には利用できない。
さらに、ガスセル作製にはNe、窒素やArなどのバッファガスを封入する必要があるが、窓材にサファイア単結晶を使用して高純度のバッファガスを封入し得るガスセル作製方法は知られていない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のガスセルは窓材のサファイア単結晶をダイシングに耐える強度で壁材のシリコンウェハーまたはサファイア単結晶と接合して作製される。
より詳しくは次の手段を提供できる。                                                                             【００１４】
（１）
周波数基準に用いられるアルカリ原子とバッファガスを封入したガスセルであって、
前記ガスセルは所定のヘリウムガス透過率(10-22m2/s/Pa)以下を満たす単一材料または該単一材料とシリコンからなることを特徴とするガスセル。
（２）
前記単一材料はアルミナセラミクス、または単結晶サファイア、または単結晶水晶であることを特徴とする(１)に記載のガスセル。【００１５】
（３）
前記ガスセルは、
一方の面から他方の面へと貫通する開口部を含む単結晶サファイア基板と、
前記開口部を介して対向し、前記基板の両面と接合する２つの単結晶サファイア基板と、
からなることを特徴とする(２)に記載のガスセル。
（４）
前記ガスセルは、さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部および２つの開口部間を連結する連結部を備える、
ことを特徴とする(３)に記載のガスセル。
（５）
前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
ことを特徴とする(４)に記載のガスセル。【００１６】
（６）
(１)乃至(５)のいずれかに記載のガスセルを備え、
光マイクロ波２重共鳴法またはコヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法により前記アルカリ原子の固有周波数を検出することを特徴とする原子時計。【００１７】
（７）
(３)に記載するガスセルを製造する方法であって、
第１の単結晶サファイア基板に前記開口部を穿ち、
第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。【００１８】
（８）
(４)に記載するガスセルを製造する方法であって、
第１の単結晶サファイア基板に第１の前記開口部を穿ち、
さらに一方の面から他方の面へと貫通する第２の開口部を穿ち、および２つの開口部間を連結する連結部となる溝を加工し、
第１の単結晶サファイア基板の底面に第２の単結晶サファイア基板を、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、そのまま常温で接合し、
その下部を前記第２の単結晶サファイア基板で封止された前記第１の開口部にセシウム液滴を滴下またはセシウム発生能力を有するディスペンサーを保持し、
次に真空チェンバーにおいて第１の単結晶サファイア基板の上面に第３の単結晶サファイア基板を、真空中で両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーをネオンとアルゴンの混合ガス雰囲気にして、常温で接合して前記開口部の上部を封止したことを特徴とするガスセルを製造する方法。
（９）
前記開口部を含む単結晶サファイア基板に代えてシリコン基板である、
ことを特徴とする(７)または(８)のいずれかに記載のガスセルを製造する方法。
（１０）
(１)乃至(５)のいずれかに記載のガスセルを備えることを特徴とする原子センサ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明で製作されるセルに適宜周波数基準原子およびバッファガスを封入することにより初めて周波数ドリフトがなく、周波数基準原子Csが消費されない理想的なガスセルを得ることができる。
凡そ１０年その性能を維持しつつ連続して利用し得るサファイアガスセルの作製により周波数の長期安定度が向上し、時刻同期性能が長期にわたり維持され、長期的に安定した動作を約束した原子時計および原子センサの製作が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】(ａ)は単一素材から一体的に成形される熱捩じ切りタイプガスセル、(ｂ)は窓材と壁材を接合してなる接合型ガスセルを表す図である。
【図２】原子時計の基本構成を表した概略図である。
【図３】周波数基準原子の固有周波数を検出する、(ａ)光マイクロ波2重共鳴法におけるガスセル配置を表した図、(ｂ)コヒーレントポピュレーショントラッピング共鳴法におけるガスセル配置を表した図である。
【図４】実施例１におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。
【図５】実施例１のガスセルの作製工程概略である。
【図６】実施例３におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。
【図７】実施例３のガスセルの作製工程概略である。
【図８】実施例４におけるガスセル壁材の側面図と上面図である。
【図９】実施例４のガスセルの作製工程概略である。
【図１０】ヘリウムに対する素材によるガス透過率の傾向を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２１】
まず図４に示すように、厚さ2mmの単結晶サファイア基板10に、直径2mmの２つの貫通孔11およびそれらを繋ぐ幅1mmで深さ0.2mmの溝12を加工した。【００２２】
加工後に、図５(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。【００２３】
図５(ｂ)に示すように、このサファイア基板10と、厚さ0.4mmのサファイアウェハ20を接合した。
接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した(真空中での接合プロセスについては、先行文献：特許第２７９１４２９号、３７７４７８２号)。【００２４】
次に図５(ｃ)に示すように、基板10の一方の穴に、加熱によりセシウムを放出するセシウムディスペンサー40を入れ、これをサファイアウェハ30と接合することにより、２つの穴と溝部を封止する。【００２５】
接合においては、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーに不純物濃度1×10-6％以下の高純度のネオンとアルゴンの混合ガスを10kPa導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。【００２６】
これにより、図５(ｄ)に示すように、２つの穴と溝部をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
封止接合後、レーザー光50を照射してセシウムディスペンサーを加熱し、セシウム原子41を放出させる。
以上により、図５(ｅ)に示すように、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、ガスセルを作製した。【００２７】
比較例として、実施例１と同様の構成で、ガスセル封止のための二度目のサファイアウェハの接合を、不純物濃度5×10-4％のネオンとアルゴンの混合ガス10kPaの雰囲気中で行った。これらは通常超高純度ガスとされるものであるが、不純物ガス濃度が大きいため、ガスセルの封止およびそれに続くダイシングなどの工程で要求される接合強度は得られなかった。
【実施例２】
【００２８】
壁材として厚さ2mmのSi基板に、直径2mmの２つの貫通孔およびそれらを繋ぐ幅0.1mmで深さ1mmの溝を、フォトリソグラフィーと深掘りエッチングにより加工した(図示せず)。【００２９】
Si基板を使用することにより、貫通孔および溝を高精度に加工できるとともに、加工後の表面の研磨が不要となる。【００３０】
このように加工したSi基板を用いて、実施例１と同様にサファイアウェハとの接合、セシウムディスペンサー導入、アルゴンとネオンガス中でのサファイアウェハとの封止接合、レーザー加熱によるセシウム原子放出を行うことにより、ガスセルを作製した。
【実施例３】
【００３１】
まず図６に示すように、壁材として厚さ1mmのサファイア基板15に、直径1mmの貫通孔16を加工した。
加工後に、図７(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。【００３２】
図７(ｂ)に示すように、このサファイア基板15と、厚さ0.4mmのサファイアウェハ25を接合した。
接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した。【００３３】
次に、基板15の穴に窒素ガス雰囲気中にて直径約0.1mmのセシウム液滴45を滴下した。セシウムの融点は28.44℃であるので、常温からわずかの加熱を行うことにより液体となり、微少量の滴下が可能となる。
基板15の温度がセシウムの融点以下であれば、セシウム液滴は滴下後速やかに固化する。【００３４】
これを大気にさらすことなく真空チャンバーに導入し、図７(ｃ)に示すように、真空中にて基板15とサファイアウェハ35の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーに不純物ガス濃度が1×10-6％以下のネオンとアルゴンの混合ガスを導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。【００３５】
これにより、図７(ｄ)に示すように、貫通孔16をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
封止接合後、セシウムの融点である28.44℃以上に加熱することにより、セシウムの一部が気化する。【００３６】
以上により、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、サファイア製ガスセルを作製した。
【実施例４】
【００３７】
まず、図８に示すように、厚さ2mmの単結晶水晶基板17に、直径2mmの２つの貫通孔18およびそれらを繋ぐ幅1mmで深さ0.2mmの溝19を加工した。
加工後に、図９(ａ)に示すように、ウェハ表面を化学的機械研磨法により研磨し、加工時のバリなどを除去するとともに、二乗平均粗さ(Rq)が0.3nm以下の平滑な表面に仕上げた。【００３８】
図９(ｂ)に示すように、この単結晶水晶基板17の両面と、厚さ0.4mmの単結晶水晶基板21の接合される面に、スパッタ成膜により厚さ20nmのジルコニア(ZrO2)膜60を成膜し、単結晶水晶基板17と単結晶水晶基板21を接合した。接合は、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射し、スパッタエッチングにより表面の清浄化および活性化を行い、そのまま常温で接合した。【００３９】
次に、図９(ｃ)に示すように、基板17の一方の穴に、加熱によりセシウムを放出するセシウムディスペンサー40を入れ、図９(ｄ)に示すように、これを同じくジルコニア膜60を成膜した単結晶水晶基板31と接合することにより、2つの穴と溝部を封止する。接合においては、真空中にて両基板の接合面にアルゴンの高速原子ビームを照射した後、真空チャンバーにネオンとアルゴンの混合ガスを導入し、この混合ガス雰囲気にて常温で接合を行った。【００４０】
これにより、２つの穴と溝部をアルゴンとネオンの混合ガス雰囲気で封止した。
封止接合後、図９(ｅ)に示すように、レーザー光50を照射してセシウムディスペンサーを加熱し、セシウム原子41を放出させる。以上により、アルゴンとネオンの混合ガスおよびセシウム原子を接合封止した、ガスセルを作製した(図９(ｆ))。【００４１】
比較例として、接合される面にジルコニア膜60を形成せずに、実施例(追加)と同様に単結晶水晶を用いてガスセルの作製を行った。単結晶水晶基板間の接合強度が小さく、ダイシング工程で接合部が剥離したため、ガスセルを作製できなかった。【００４２】
以上の実施例において、接合前にはアルゴンガスの高速原子ビームを用いているが、これにかわりネオン、窒素、クリプトン、キセノンなどのガスを利用することが可能であり、またこれらのガスを用いたイオンビームやプラズマ照射によっても高速原子ビームと同等の効果を得ることが出来る。【００４３】
二度目の接合の際に真空チャンバー内に導入されるガスとしては、ネオンとアルゴンの混合ガスに限らず、ヘリウム、窒素、クリプトン、キセノンを含む不活性ガスの単体ガス、およびそれらの混合ガスを、利用することが出来る。【００４４】
また、壁材料として単結晶サファイア、シリコン、単結晶水晶を用いたが、ヘリウムやネオンの透過性が小さく、表面を平滑に研磨可能な材料、例えば焼結アルミナセラミクスなどであれば、ガスセルの壁材として用いることができる。【００４５】
同様に、窓材料としては単結晶サファイアに限らず、ヘリウムやネオンの透過性が小さく、表面を平滑に研磨可能で、光透過性が良好な材料、例えば透光性焼結アルミナセラミクスやスピネル、ガーネット単結晶および焼結体などであれば、ガスセルの窓材として用いることが出来る。【００４６】
水晶の接合性を向上するため表面に形成する接合用中間膜60としては、ジルコニア(ZrO2)に限らず透明で化学的に安定な材料の膜、例えばTa2O5、TiO2、HfO2などを用いることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のガスセルは原子時計だけでなく、原子センサにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０、１５  単結晶サファイア基板
１２、１９  溝
１１、１６、１８  貫通孔
１７、２１、３１  単結晶水晶基板
２０、２５、３０、３５  サファイアウェハ
４０  セシウムディスペンサー
４１  セシウム原子
４５  セシウム液滴
５０  レーザー光
６０  接合用中間膜
【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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