(57)【要約】  説明される例は、ミリメートル波原子クロック装置（１００）、チップスケール蒸気セル（１０１）、及び製造方法を含む。この製造方法では、導波路を形成する伝導性内部表面（１０３ｂ、１０４）を備える密封されたキャビティ内に低圧双極分子ガスが供給される。非伝導性開口（１０８ａ、１０８ｂ）が、キャビティへの電磁入口、及びキャビティからの電磁出口を提供する。原子クロック又は他の用途のための基準クロック信号（ＲＥＦＣＬＫ）を提供するために、キャビティ（１０３）内の双極分子ガスの回転遷移吸収を最大にする周波数において、トランシーバ回路（１３０）を用いて、蒸気セル（１０１）に問い合わせるために、それぞれの非伝導性開口（１０８ａ、１０８ｂ）の近くの蒸気セル（１０１）の外側表面上に形成される伝導性結合構造（１１０ａ、１１０ｂ）が、電磁場をキャビティの内部へ結合する。
2018515012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロック装置であって、
蒸気セル、及びトランシーバ回路を含み、
前記蒸気セルが、キャビティ、双極分子ガス、第１の伝導性結合構造、及び第２の伝導性結合構造を含み、
前記キャビティが、伝導性内部キャビティ表面を備える密封された内部と、前記キャビティに電磁場入口を提供するための、前記内部キャビティ表面における第１の非伝導性開口と、前記キャビティからの電磁場出口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第１の非伝導性開口から離間された第２の非伝導性開口とを含み、
前記双極分子ガスが前記キャビティの前記密封された内部の内側にあり、
第１の伝導性結合構造が前記第１の非伝導性開口の近くの前記蒸気セルの外側表面上に形成され、
第２の伝導性結合構造が、前記第２の非伝導性開口の近くの前記蒸気セルの前記外側表面上に形成され、
前記トランシーバ回路が、
交流電気出力信号を、電磁場を前記キャビティの前記内部に結合するための前記第１の伝導性結合構造に提供するためのものであり、
前記キャビティから受け取る前記電磁場を表す、前記第２の伝導性結合構造からの交流電気入力信号を受け取るためのものであり、
前記電気入力信号を低減するように、前記電気出力信号の周波数を選択的に調整するためのものであり、及び
前記電気出力信号の前記周波数において基準クロック信号を提供するためのものである、
クロック装置。
【請求項２】
請求項１に記載のクロック装置であって、前記キャビティが、第１の端部から第２の端部へ実質的に線形の軸に沿って延び、前記第１の非伝導性開口が前記第１の端部に近く、前記第２の非伝導性開口が前記第２の端部に近い、クロック装置。
【請求項３】
請求項１に記載のクロック装置であって、前記キャビティが第１の端部から第２の端部へ非線形軸に沿って延び、前記第１の非伝導性開口が前記第１の端部に近く、前記第２の非伝導性開口が前記第２の端部に近い、クロック装置。
【請求項４】
請求項１に記載のクロック装置であって、
前記キャビティが、
前記キャビティへの別の電磁場入口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第１の非伝導性開口から離間された第３の非伝導性開口、及び
前記キャビティからの別の電磁場出口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第２の非伝導性開口から離間された第４の非伝導性開口、
を含み、
前記第１の伝導性結合構造が前記第１及び第３の非伝導性開口に近く、前記第２の伝導性結合構造が前記第２及び第４の非伝導性開口に近い、
クロック装置。
【請求項５】
請求項１に記載のクロック装置であって、前記蒸気セルの前記外側表面に沿って結合する電磁波を減衰するために、前記第１の伝導性結合構造と前記第２の伝導性結合構造との間に、前記第１の伝導性結合構造と前記第２の伝導性結合構造とから離間されて、前記蒸気セルの前記外側表面上に形成される、少なくとも１つの伝導性電子バンドギャップ構造を含む、クロック装置。
【請求項６】
請求項１に記載のクロック装置であって、
前記トランシーバ回路が、
前記交流電気出力信号を前記第１の伝導性結合構造に提供するために、及び前記電気出力信号の周波数で前記基準クロック信号を提供するために、前記第１の伝導性結合構造と電気的に結合される出力を備える信号生成器、
前記交流電気入力信号を受け取るために、及び前記電気入力信号と前記電気出力信号との間の差を表す誤差信号を提供するために、前記第２の伝導性結合構造と電気的に結合される入力を備えるロックイン増幅器、及び
前記誤差信号を受け取るための、及び前記電気出力信号の周波数を前記キャビティの前記密封された内部の内側の前記双極分子ガスのピーク吸収周波数で維持するように前記電気出力信号の周波数を選択的に調整するために、制御出力信号を前記信号生成器に提供するためのループフィルタ、
を含む、
クロック装置。
【請求項７】
請求項１に記載のクロック装置であって、
前記蒸気セルが、第１の基板及び第２の基板を含み、
前記第１の基板が、第１の側、前記第１の側の内方に向けて延びる少なくとも１つのキャビティ側壁、及びキャビティ底部を含み、
前記第２の基板が、第１の側、及びキャビティ頂部を含む第２の側を含み、前記少なくとも１つのキャビティ側壁、前記キャビティ底部、及び前記第２の基板の前記第２の側に少なくとも部分的に沿って延びる前記伝導性内部キャビティ表面を備える前記密封された内部を含む前記キャビティを形成するように、前記第２の基板の前記第２の側が、前記第１の基板の前記第１の側に取り付けられ、
前記第１及び第２の非伝導性開口が、それぞれ、前記電磁場入口及び出口を提供するために、前記第２の基板の前記第２の側上の前記内部キャビティ表面に形成され、
前記第１及び第２の伝導性結合構造が前記第２の基板の前記第１の側に形成される、
クロック装置。
【請求項８】
請求項１に記載のクロック装置であって、前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側において、約１ｍｂａｒ又はそれ以下の圧力である、クロック装置。
【請求項９】
請求項８に記載のクロック装置であって、
前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側で、約０．１ｍｂａｒ又はそれ以下の圧力であり、
前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側で、約０．０１ｍｂａｒ又はそれ以上の圧力である、
クロック装置。
【請求項１０】
請求項７に記載のクロック装置であって、前記伝導性内部キャビティ表面が、前記少なくとも１つのキャビティ側壁、前記キャビティ底部、及び前記第２の基板の前記第２の側に少なくとも部分的に沿って延びる金属材料を用いてめっきされ、前記金属材料が前記電気出力信号の周波数における表皮深さより大きい厚みを有する、クロック装置。
【請求項１１】
蒸気セルであって、
キャビティ、双極分子ガス、第１の伝導性結合構造、及び第２の伝導性結合構造を含み、
前記キャビティが、少なくとも１つの基板において形成され、前記キャビティが、伝導性内部キャビティ表面を備える密封された内部と、前記キャビティに電磁場入口を提供するための、前記内部キャビティ表面における第１の非伝導性開口と、前記キャビティに電磁場出口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第１の非伝導性開口から離間された第２の非伝導性開口とを含み、
前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側にあり、
前記第１の伝導性結合構造が、前記第１の非伝導性開口に近い前記蒸気セルの外側表面上に形成され、
前記第２の伝導性結合構造が、前記第２の非伝導性開口に近い前記蒸気セルの前記外側表面上に形成される、
蒸気セル。
【請求項１２】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、前記キャビティが、第１の端部から第２の端部へ実質的に線形の軸に沿って延び、前記第１の非伝導性開口が前記第１の端部に近く、前記第２の非伝導性開口が前記第２の端部に近い、蒸気セル。
【請求項１３】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、前記キャビティが、第１の端部から第２の端部へ非線形軸に沿って延び、前記第１の非伝導性開口が前記第１の端部に近く、前記第２の非伝導性開口が前記第２の端部に近い、蒸気セル。
【請求項１４】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、
前記キャビティが、
前記キャビティへの別の電磁場入口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第１の非伝導性開口から離間された第３の非伝導性開口、及び
前記キャビティからの別の電磁場出口を提供するための、前記内部キャビティ表面における前記第２の非伝導性開口から離間された第４の非伝導性開口、
を含み、
前記第１の伝導性結合構造が前記第１及び第３の非伝導性開口に近く、前記第２の伝導性結合構造が前記第２及び第４の非伝導性開口に近い、
蒸気セル。
【請求項１５】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、前記蒸気セルの前記外側表面に沿って結合する電磁波を減衰するために、前記第１の伝導性結合構造と第２の伝導性結合構造との間に、前記第１の伝導性結合構造と第２の伝導性結合構造とから離間されて、前記蒸気セルの前記外側表面上に形成される、少なくとも１つの伝導性電子バンドギャップ構造を含む、蒸気セル。
【請求項１６】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、
第１の基板及び第２の基板を含み、
前記第１の基板が、第１の側と、前記第１の側の内方に向けて延びる少なくとも１つのキャビティ側壁と、キャビティ底部とを含み、
前記第２の基板が、第１の側と、キャビティ頂部を含む第２の側とを含み、前記少なくとも１つのキャビティ側壁、前記キャビティ底部、及び前記第２の基板の前記第２の側に少なくとも部分的に沿って延びる前記伝導性内部キャビティ表面を備える前記密封された内部を含む前記キャビティを形成するように、前記第２の基板の前記第２の側が、前記第１の基板の前記第１の側に取り付けられ、
前記第１及び第２の非伝導性開口が、それぞれ、前記電磁場入口及び出口を提供するために、前記第２の基板の前記第２の側の前記内部キャビティ表面に形成され、
前記第１及び第２の伝導性結合構造が前記第２の基板の前記第１の側に形成される、
蒸気セル。
【請求項１７】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側において、約１ｍｂａｒ又はそれ以下の圧力である、蒸気セル。
【請求項１８】
請求項１７に記載の蒸気セルであって、
前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側で、約０．１ｍｂａｒ又はそれ以下の圧力であり、
前記双極分子ガスが、前記キャビティの前記密封された内部の内側で、約０．０１ｍｂａｒ又はそれ以上の圧力である、
蒸気セル。
【請求項１９】
請求項１１に記載の蒸気セルであって、前記伝導性内部キャビティ表面が、前記電気出力信号の周波数での表皮厚さより大きい厚みを有する金属材料を用いてめっきされる、蒸気セル。
【請求項２０】
蒸気セルを製造する方法であって、
第１の基板の第１の側の中にキャビティを形成すること、
前記キャビティの少なくとも１つの側壁及び底部に伝導性材料を形成すること、
第２の基板の底部側に伝導性材料を形成すること、
前記第２の基板の前記底部側の前記伝導性材料を通して、第１及び第２の離間された開口をエッチングすること、
前記第２の基板の頂部側に第１及び第２の伝導性結合構造を形成すること、及び
双極分子ガスを含む周囲環境において、前記双極分子ガスを含む密封されたキャビティを形成するように、前記第２の基板の前記底部側を前記第１の基板の前記第１の側に接合すること、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、全般的に、蒸気セルに関し、特に、回転遷移ベースのクロック、そのための蒸気セル、及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子クロックは、アルカリ金属蒸気の電子遷移の周波数を周波数基準として用いる。セシウム、ルビジウム、又は外殻に単一の電子を有するその他の原子等のアルカリ金属ガスは、数百ＧＨｚ（約８００〜９００ｎｍの光学波長）の極めて高い離散周波数において光学遷移を受ける。原子クロックは、遷移周波数を含む帯域幅にわたってガスを光学的に問い合わせることによって気化アルカリ原子の電子遷移の周波数を判定する。その際、遷移周波数で検出される吸収は、そのクロックの絶対周波数基準を識別する。チップスケールアルカリ蒸気原子クロックは典型的に、光学伝送ピーク（例えば、コヒーレントポピュレーショントラッピング）対吸収ヌル（インコヒーレントマイクロ波励起）を用いて基準周波数をロックする。しかしながら、そのような電子遷移クロックはレーザ光学源の熱安定性を必要とし、また電子遷移蒸気セル自体は安定なガス温度を必要とするため、加熱回路要素が含まれることが多い。電子遷移クロックは、レーザ信号を変調するための変調器を含み、動作は複数の複雑な電子制御ループを有する。また、電子遷移原子クロックは、典型的に、外部磁界をシールドし、それによって、シールドの内部の物理的セルにおいて相対的に一定の磁場を提供して、基底状態ゼーマンレベルの縮退を中断するために、セルの周りにコイル又はその他の磁気シールディングを有する。このように、電子遷移クロックには、レーザ、変調器、光検出器、及び、コリメータ、アイソレータ、偏光器、及びレンズ等のその他の光学的構成要素を含む必要な回路要素に対して、相対的に高い電力消費及び付加的なコスト及びスペースが必要であるという欠点がある。
【発明の概要】
【０００３】
説明される例において、ミリメートル波原子クロック装置が、双極分子蒸気の回転遷移、チップスケール蒸気セル装置、及びそれらの製造技術を用いる。この製造技術において、導波路を形成する伝導性内部表面を備えるキャビティ内に双極分子ガスが密封され、セルは、キャビティへの及びキャビティへのからの電磁気の出入りを可能にする第１及び第２の非伝導性開口を含む。開口の近くの蒸気セル外側表面上の伝導性結合構造が、電磁場をキャビティの内部に結合する。これによって、基準クロック信号を提供するために、キャビティ内の双極分子ガスの電磁吸収を最大にする量子回転遷移周波数を識別するためにトランシーバ回路を用いるサブテラヘルツの電磁問い合わせが促進される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】双極分子蒸気セルを備える回転遷移ベースのクロック装置、及び基準クロック信号を提供するための関連トランシーバ回路の部分透視図である。
【０００５】
【図２】双極水分子の３つの回転モードの略図である。
【０００６】
【図３】識別可能な量子遷移周波数における低圧水蒸気に対する高い相対吸収を有する周波数の関数としての種々のガスの回転モードのグラフである。
【０００７】
【図４】セル内部の異なる圧力レベルに関する問い合わせの周波数に対する、セルを介する伝送係数のグラフである。
【０００８】
【図５】蒸気セルを製造する方法のフローチャートである。
【０００９】
【図６】キャビティを形成するためにエッチングプロセスを経る第１の基板の部分側面図である。
【００１０】
【図７】キャビティ底部及び側壁上に伝導性材料を形成するために堆積動作を経る第１の基板の部分側面図である。
【００１１】
【図８】伝導性内部キャビティ表面を備える第１の基板の透視図である。
【００１２】
【図９】底部側に伝導性材料を形成するために堆積プロセスを経る第２の基板の部分側面図である。
【００１３】
【図１０】底部側に伝導性材料を通して非伝導性開口を形成するためにエッチングプロセスを経る第２の基板の部分側面図である。
【００１４】
【図１１】頂部側に伝導性材料を形成するために堆積プロセスを経る第２の基板の部分側面図である。
【００１５】
【図１２】頂部側に第１及び第２の伝導性結合構造、及び電子バンドキャップ構造を形成するためにエッチングプロセスを経る第２の基板の部分側面図である。
【００１６】
【図１３】第１の基板と接合する前の第２の基板の部分側面図である。
【００１７】
【図１４】第１の基板と接合する前の第２の基板の透視図である。
【００１８】
【図１５】制御された低圧環境においてキャビティを密封するために、及び密封されたキャビティの内部に双極分子ガスを有するチップスケール蒸気セルを提供するために、ウエハ接合プロセスを経る第１及び第２の基板の部分側面図である。
【００１９】
【図１６】キャビティ内部に電磁場を備える蒸気セル装置の平面図である。
【００２０】
【図１７】非線形のキャビティを備える別の蒸気セルの平面図である。
【００２１】
【図１８】複数の非伝導性開口及び関連する伝導性結合構造を有する、別の回転遷移ベースの原子クロック装置の部分透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面において、類似の参照番号は一貫して類似の要素を指し、種々の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。原子クロック及び他の用途において用いるためのシリコンベースのプロセスにおける、ウエハスケール又はチップスケールの回転分光セル、又は蒸気セルの実装を促進するために、新規の、コンパクトで、エネルギー効率の良い回転遷移クロックシステムが、シンプルな低コストパッケージング及び製造プロセスと共に採用され得る。双極ガス分子（例えば、水又はＨ２Ｏ）が定義された量子回転状態遷移を有し、そのような分子は、回転状態間で遷移するときに、極めて再現可能な周波数においてエネルギーを吸収する。例えば、水は、１８３．３１ＧＨｚにおいて量子回転状態遷移に基づいてエネルギーを吸収する。少なくとも１つの例において、クロック装置１００が、シリコンベースのプロセスにおいて製造される蒸気セル１０１を含む。蒸気セル１０１は、従来の電子遷移ベースの原子クロックで用いられることがあるような、レーザ、変調器、光検出器、及びその他の光学的構成要素、及び関連する温度安定化（例えば、加熱）構成要素を必要としない。また、チップスケール蒸気セル１０１は、単一の相対的にシンプルな制御ループを用いる電子遷移原子クロック設計よりもずっと低い周波数で動作可能な、費用効率及び電力効率の良い、遷移ベースの原子クロックを実装するために、シンプルなトランシーバ回路要素と結合又は相互接続され得、それによって、従来の原子クロックアーキテクチャに対する複合制御技術が軽減される。
【００２３】
図１は、本明細書で物理セルと称され、この例において第１の基板１０２及び第２の基板１０６から形成される、蒸気セル構造１０１を含むクロック装置又はシステム１００を示す。セル１０１はチャンバ又はキャビティ１０３を含み、キャビティ１０３は、キャビティ１０３の内部に、相対的に低いガス圧力において、水（Ｈ２Ｏ）又はその他の任意の双極分子ガス等の双極分子材料ガスを封入する密封された内部を備える。適切な電気的双極材料ガスの例としては、水、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）、及びシアン化水素（ＨＣＮ）が含まれる。図１に示されるように、クロック１００は、更に、電気送信信号（ＴＸ）を蒸気セル１０１に提供するための送信出力１３３、及び蒸気セル１０１から電気入力信号（ＲＸ）を受け取るためのレシーバ入力１３８を備えるトランシーバ１３０を含む。電子遷移蒸気セルとは異なり、回転遷移蒸気セル構造１０１は光学問い合わせを必要とせず、代わりに、トランシーバ１３０によって提供される送信及び受信シグナリングＴＸ、ＲＸを介する電磁問い合わせを通して動作する。
【００２４】
密封されたキャビティ１０３は、伝導性内部キャビティ表面と、内部キャビティ表面において形成され、それぞれ、電磁場の出入を提供するための第１の非伝導性開口１０８ａ及び第２の非伝導性開口１０８ｂとを含む。１つの例において、開口１０８は、導波路キャビティ１０３のＴＥ１０モードに磁気的に結合する。他の例において、開口１０８は、より高次のモードを励起する。第１の伝導性結合構造１１０ａは、第１の非伝導性開口１０８ａに近接して蒸気セル１０１の外側表面１０６ａ上に形成される。例１００において、第１の結合構造１１０ａは、基板１０６の上側表面１０６ａ上に形成される伝導性ストリップであり、それは、トランシーバ出力１３３からの送信シグナリングＴＸに基づいて、磁場をキャビティ１０３の内部に結合するための電磁インタフェースを提供するために、対応する第１の非伝導性開口１０８ａに重なる（例えば、且つ、交叉する）。電磁場をトランシーバＲＸ入力１３８に結合するために、キャビティ１０３からの電磁場出口を提供するための第２の非伝導性開口１０８ｂに近接して、第２の結合構造１１０ｂが形成される。伝導性結合構造１１０の近接位置、及び対応する非伝導性開口１０８は、第２の又は上側基板１０６を通る電磁的に伝達可能な（transmissive）経路を有利に提供し、それは任意の電磁的に伝達可能な材料であり得る。幾つかの例において、１つ又は複数の伝導性電子バンドギャップ（ＥＢＧ）構造１２０が、蒸気セル１０１の外側表面１０６ａ上に、伝導性結合構造１１０から離間されて、形成される。動作において、ＥＢＧ構造１２０は、送信結合構造１１０ａと受信結合構造１１０ｂとの間の、蒸気セル外側表面１０６ａに沿った電磁波結合を減衰する。他の例において、ＥＢＧ構造１２０は省かれ得る。
【００２５】
第２の基板１０６の下側１０６ｂは、伝導性材料（例えば、下記の図９〜図１２に示されるような銅９４）で実質的に又は完全にめっきされ、開口１０８は、下側の第２の側１０６ｂにおいて非伝導性ウィンドウ又は開口１０８を提供するようにエッチングされ、その際、結合構造１１０、及び任意の中に含まれるＥＢＧ構造１２０は、第２の基板１０６の上側１０６ａに伝導性材料（例えば、銅）で形成される。一例として、２つのＥＢＧ構造パターン１２０ａ及び１２０ｂが含まれ、これらは、蒸気セル１０１の上側表面１０６ａ上での電磁減衰に対して任意の適切な形状及び構成であり得る。セルキャビティ１０３は、上側基板１０６の下側１０６ｂによって、及び下記の図８に示されるようにシリコン等の任意の適切な材料であり得る、第１の（下側）基板１０２において形成される側壁１０４及びキャビティ底部１０３ｂによって画定される。
【００２６】
図１の例において、第１の又は下側基板１０２は、頂部又は第１の側１０２ａを含み、その中にキャビティ側壁１０４及びキャビティ底部１０３ｂがエッチング等によって形成される（例えば、下記の図６に示される）。この例におけるセルキャビティ１３０は、第１の端部から第２の端部への実質的に線形の軸に沿って延び、第１の開口１０８ａは第１の端部に近く、第２の開口１０８ｂは第２の端部に近い。更に下記に図１８に関連して説明される別の例は、キャビティ伝導性表面において形成される２個より多くの開口１０８を有する。
【００２７】
他の例において、種々の異なるキャビティサイズ及び形状が用いられ得る。１つの適切な例は、概して長方形のキャビティ形状を提供し、頂部幅が約１．５ｍｍ、エッチ深さが０．５ｍｍであり、第１のモードが１２０ＧＨｚにおいて開始し、第２のモードが２３０ＧＨｚにおいて開始し、第３のモードが２９０ＧＨｚにおいて開始する。セルキャビティ１０３の他の形状、サイズ、及び構成が可能である。例えば、下記の図１７は、第１の開口１０８ａに近い第１の端部から第２の開口１０８ｂに近い第２の端部までの非線形軸に沿って延びる長さ寸法Ｌを有する蛇行したキャビティ形状を有する別の蒸気セル例１０１を図示する。
【００２８】
図１に示されるように、第２の基板１０６の第２の側１０６ｂは、キャビティ１０３を形成するように、第１の基板１０２の第１の側１０２ａに取り付けられる。キャビティ１０３は、キャビティ側壁１０４に少なくとも部分的に沿って延びる伝導性内部キャビティ表面を備える密封された内部、キャビティ底部１０３ｂ、及び第２の基板１０６の下側１０６ｂを含む。第２の基板１０６の下側の第２の側１０６ｂは、キャビティ頂部に伝導性表面９４（下記の図１５）を提供する。幾つかの例において、唯一の非伝導性キャビティ表面が、上側基板１０６の底部１０６ｂ上の非伝導性開口１０８である。幾つかの例において、キャビティ１０３内に他の非伝導性部分があり得る。図示された例において、伝導性内部キャビティ表面は、送信出力信号ＴＸの周波数で表皮厚さよりも大きい厚みを有する銅又はその他の金属材料をめっきされる或いはその他の方式で提供される。或る例において、第１の基板１０２及び第２の基板１０６は、ウエハ接合プロセス（例えば、下記の図１５）によって、処理チャンバにおいて、共に接合される。処理チャンバは、ウエハ接合の間、キャビティ１０３に、約１ｍｂａｒ又はそれ以下の圧力で双極分子ガス（例えば、Ｈ２Ｏ）を提供するよう、制御された低圧環境を備える。或る例において、双極分子ガスは、キャビティ１０３の密封された内部の中において、約０．１ｍｂａｒ又はそれ以下、及び約０．０１ｍｂａｒ又はそれ以上の低圧である。一般的に、圧力は所与の設計に対して適応され得、遷移幅は、主として圧力幅及びドップラー幅に依存する。圧力幅係数は、圧力に対して線形であり、ドップラー幅は圧力に対して一定である。従って、或る所望の圧力において、更なる圧力低減が、ドップラー効果に起因して更なる遷移周波数幅低減を提供することはなく、更なる圧力低減が、ピーク遷移の規模を低減することになり、幅は同じとなり、それにより検出及び遷移トラッキングを悪化させる。
【００２９】
ウエハ接合プロセスの間、存在し得及び／又は時間と共にキャビティ１０３の中に漏れ得るあらゆる汚染物質をゲッターするために、結果の蒸気キャビティ１０３内にゲッターを含むように、ウエハ接合の間、ゲッター剤が導入され得る。
【００３０】
或る例において、セル１０１は、セル温度を安定させるために、セル底部１０２ｂの上又は中に形成される温度センサーを備えるパターンヒータを含み得る。そのような加熱要素は、チャンバ側壁１０４上に吸収された蒸気を煮沸して取り除き、それによって、動作における圧力安定性を促進するように動作可能であり得る。
【００３１】
或る実装において、トランシーバ回路１３０は、出力１３３を介するＴＸ信号の送信のため、及び入力１３８を介するＲＸ信号の受信のために、蒸気セル１０１が電気的に結合される集積回路（図示せず）の上又は中に実装される。トランシーバ１３０は、電力供給されると、キャビティ１０３の内部に電磁場を結合させるための第１の伝導性結合構造１１０ａに交流電気出力信号ＴＸを提供するために、及びキャビティ１０３から受け取る電磁場を表す、第２の伝導性結合構造１１０ｂからの交流電気入力信号ＲＸを受け取るために、動作可能である。トランシーバ回路１３０は、（ａ）回転モータ状態遷移を介して分子吸収を実質的に最大化する周波数においてクロック１００を動作させるめに、問い合わせによって電気入力信号ＲＸを低減するように、電気出力信号の周波数ＴＸを選択的に調整する、及び（ｂ）基準クロック信号ＲＥＦＣＬＫをＴＸ出力信号の周波数においてクロック回路１４０に提供するように動作可能である。
【００３２】
或る例において、トランシーバ１３０は、交流電気出力信号ＴＸを提供するために、及び対応する送信出力周波数において基準クロック信号ＲＥＦＣＬＫを提供するために、第１の伝導性結合構造１１０ａと電気的に結合される出力１３３を備える信号生成器１３２を含む。トランシーバ１３０はまた、ＲＸ信号を受け取るために第２の伝導性結合構造１１０ｂと結合される入力１３８を備えるロックイン増幅器回路１３４を含み、ロックイン増幅器は、ＲＸ信号と電気出力信号ＴＸとの間の差を表す誤差信号ＥＲＲを提供するために動作する。１つの例において、ロックイン増幅器回路１３４は、誤差信号ＥＲＲを同相の出力として提供する。誤差信号ＥＲＲは、ループフィルタ又はコントローラ回路１３６によって制御出力信号ＣＯを信号生成器１３２に提供するための入力として用いられ、これによって、ＴＸ出力信号周波数を選択的に調整し、この周波数をキャビティ１０３の密封された内部の中の双極分子ガスのピーク吸収周波数で維持する。幾つかの例において、ＴＸ及びＲＸループのＲＦ電力は、ストークシフト効果を防止又は軽減するように制御される。
【００３３】
非伝導性開口１０８及び対応する伝導性結合構造１１０を介する電磁結合は、セルキャビティ１０３内の双極ガスの電磁問い合わせを促進し、システム１００は、電子遷移原子クロック蒸気セルに関連する、コスト、電力消費、及び光学的送信の問題を回避する。動作の１つの形態において、クロックシステム１００は信号生成器１３２と共に動作し、信号生成器１３２は、蒸気セル１０１の送信効率が最小（吸収が最大）である被疑量子吸収周波数付近の定義された帯域内の種々の周波数において、フル送信電力で交流信号ＴＸを送信する。例えば、双極水分子に関連する量子吸収周波数は１８３．３１ＧＨｚである。システムがその量子周波数で動作するとき、ロックイン増幅器１３４を介してレシーバでヌル又は最小が検出される。ロックイン増幅器１３４は、信号生成器１３２に提供される制御出力ＣＯ信号を介してＴＸ出力信号周波数を調節するために、誤差信号ＥＲＲをループフィルタ１３６に提供する。蒸気セルキャビティ１０３における双極分子ガスの回転量子周波数は、概して時間に関して安定であり（時間と共に劣化又はドリフトせず）、温度、及び多くのその他の変数には、概ね非依存である。その結果、クロックシステム１００は、電子遷移ベースの原子クロックにみられる熱的又は他の安定化回路を含む必要がない。
【００３４】
一例において、トランシーバシステム１３０は、セル１０１の量子周波数を含むとして知られる帯域を通して送信出力周波数を初期的にスイープする（例えば、被疑量子周波数より下の初期周波数から上方に遷移する、又は被疑量子周波数より上の初期周波数から下方に初期的に遷移する、又は他の適切なスイープ技術又はアプローチ）ように信号生成器１３２を動作させる。トランシーバ回路１３０は、セルキャビティ１０３内のガスによるピーク吸収（例えば、レシーバでの最小受信）に関連する送信周波数を識別するために、第２の伝導性結合構造１１０ｂに結合された（例えば、電気的に接続された）入力１３８を介して受け取るエネルギーを監視する。量子吸収周波数が識別された後、ループフィルタ又はコントローラ１３６は、ソース信号生成器の送信周波数をその吸収周波数（例えば、１８３．３１ＧＨｚ）の近くに動かし、信号を極めて低い周波数（例えば、図４における周波数軸に沿って左及び右）で変調して、受け取ったエネルギー対送信されたエネルギーの比を表す送信効率においてヌル又は最小付近に動作を調整する。その際、ループフィルタ１３６は、信号生成器１３２をキャビティ双極分子ガスの量子周波数に対応するＴＸ周波数で動作させるように維持するために、閉鎖ループ動作において負のフィードバックを提供する。
【００３５】
アルカリ金属ガス蒸気セルを用いて光学的に問い合わせる電子遷移タイプの原子クロックとは異なり、開示される回転遷移ベースの原子クロック１００は双極分子（例えば、水）の回転遷移を用いる。このタイプの量子遷移の周波数はサブＴＨｚの範囲である。この点で、電子遷移タイプ原子クロックは、数百ＴＨｚ（数百ナノメータの波長）で動作するレーザを用いてアルカリ金属ガスを励起する必要があるが、ミリメータ波クロック１００は、ＲＦトランシーバ回路１３０によって誘導されるミリメートル波放射を用いてガスに問い合わせる。或る例において、クロック１００は、１００秒平均でｌｅ−１０からｌｅ−１１の典型的なアラン偏差を用い、回転量子分子遷移にロックインし得る。幾つかの例において、開示される回転遷移ベースの原子クロック装置１００は、サブＴＨｚの周波数で作動し、従って、安定した基準クロック信号を提供するための、一層シンプルで一層低コストで一層低電力な解決策である。
【００３６】
安定状態動作において、ロックイン増幅器１３４及びループフィルタ１３６は、トランスミッタ周波数をセルガスのピーク吸収周波数で維持する。一例において、ループフィルタ１３６は、周波数誤差の導関数をロックイン検出及び閉ループ調整のための制御ファクタとして用いてＰＩＤ制御を提供する。図４の伝送係数曲線におけるヌルの底部において、導関数はゼロであり、ループフィルタ１３６は、その導関数をＤＣ制御出力信号ＣＯとして信号生成器１３２にフィードバックする。この閉ループは、セル１０１から受け取るＲＸ信号に基づいてロックイン微分を用いて、信号生成器の送信出力周波数をセルガスのピーク吸収周波数に維持するように動作する。図１に示されるように、更にクロック回路要素１４０は、ホストシステム（図示せず）においてシステムクロックを生成するために周波数分割器によって用いられる基準クロック信号ＲＥＦＣＬＫを受け取る。
【００３７】
また図２〜図４を参照すると、図２は、それぞれ、３つの直交軸に沿った双極水分子の３つの回転モードを示す説明図２００、２０２、及び２０４を提供し、図３は、電磁波周波数の関数として、種々のガスの回転モードに対する相対吸収のグラフ３００を示す。図３に示されるように、水に対応する吸収ライン３０２が、この双極分子Ｈ２Ｏが低圧水蒸気に対して、識別可能な量子遷移周波数（１８３．３１ＧＨｚ）において、高い相対吸収を有し、また、同周波数範囲において、残りのガスよりはるかに高い吸収を有することを指す。
【００３８】
図４のグラフ４００は、セルを通る伝送係数を、セルの内部の異なる圧力レベルに対する問い合わせ周波数の関数として示す。ここで、曲線４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、及び４１２は、１０ｍｂａｒより大きい圧力（曲線４０２）、１０ｍｂａｒのキャビティ圧力（曲線４０４）、１．０ｍｂａｒ（曲線４０６）、０．１ｍｂａｒ（曲線４０８）、０．０１ｍｂａｒ（曲線４１０）、及び０．０１ｍｂａｒより小さい圧力（曲線４１２）を含む、種々のキャビティ圧力に対応する。キャビティ１０３における双極水分子ガスに対する特定の実装が、クロックシステム１００の動作において、ピーク吸収周波数での識別及びロックインを促進するために有利である。例えば、約０．１ｍｂａｒ又はそれ以下、及び約０．０１ｍｂａｒ又はそれ以上等の、約１ｍｂａｒ又はそれ以下のキャビティ圧力が、水蒸気の場合において特定の動作利点を提供する。低圧処理チャンバにおいて密封されたキャビティ１０３を提供するために、図１における第１の基板１０２の頂部側に第２の基板１０６を取り付ける間、或る実装におけるキャビティ圧力は、接合プロセスの間、制御される。図４に示されるように、ピーク吸収（図４の吸収効率曲線において、ヌル又は相対的な最小）によって識別される量子遷移周波数は、キャビティ圧力の増大とともに増加する（例えば、一層幅が広くなる）。一層高いキャビティ圧力（例えば、室内圧力）での動作は、効率最小を識別することを困難にし得、従って、セルガスの量子周波数にロックインすることを困難にし得る。従って、特定の例は、図４における曲線４０６、４０８、及び４１０等の吸収におけるピークの品質係数を増加させるために、キャビティ１０３の内部の圧力を低減する。しかしながら、圧力における更なる低減は、キャビティ側壁１０４をヒットする分子に関連するドップラー及びその他のファクタの普及が増加することに起因して、収益漸減を引き起こし、また、双極分子の問い合わせの低減に起因して、圧力の低下とともに吸収ピークの規模は小さくなる。
【００３９】
図５〜図１５は、コンパクトで低電力でコスト効率の良い解決策として、シリコン又は他の半導体ベースの集積回路プロセスを用いて蒸気セル１０１及び原子クロックシステム１００が製造され得る、ウエハスケール又はチップスケール製造技術を示す。図５は、蒸気セル１０１を製造するためのプロセス又は方法５００を、クロックシステム１００を提供するために、製造された蒸気セル１０１を、その後、トランシーバ回路１３０と統合させるためにあり得る種々の相互接続技術と共に示す。図６〜図１５は、方法５００に従った製造処理の種々の段階におけるセル１０１を示す。例示のプロセス５００は、ミリメートル波の導波路キャビティ１０３において低圧の双極分子ガスを有するコンパクトチップスケール蒸気セル１０１又は物理セルの直接パッケージングを促進し、それらは、ワイヤボンディング、フリップチップ、又は他のパッケージング技術を介してトランシーバダイと共にパッケージングされ得る。
【００４０】
図５におけるプロセス５００は、５０２で開始し、第１の基板１０２の第１の（例えば、頂部）側１０２ａにおいてキャビティ１０３を形成する。１つの例において、第１の基板はシリコンウエハである。異なる例において、ガラス等の他の基板材料が用いられ得る。図６において示されるように、任意の適切なウェット又はドライエッチング処理６０２が図５における５０２でのキャビティ形成のために用いられ得る。幾つかの例において、複数の蒸気セル１０１を製造する等のために、単一の基板１０２に複数のキャビティ１０３が形成され得る。その際、図５における５１４において、個々の蒸気セル１０１を互いに分離させるために最終的なダイ分離が用いられる。キャビティ１０３の形は、図６に示されるようにハードマスク６０４を用いるパターニングによって、５０２において形成される。他の例において、高分子レジストが用いられ得る。高分子レジストは、ＫＯＨ又はＴＭＡＨなどの強腐食性エッチャントを用いる等、プロセス６０２を介して、シリコン基板１０２のバルク異方性エッチングと共に、エッチャント（例えば、Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＰｒｏＴｅｋファミリーのレジスト）をレジストするように特別に製剤される。
【００４１】
エッチングプロセス６０２は、概して平滑な表面を有するキャビティ底部１０３ｂと共に、少なくとも１つの側壁１０４を形成する。その際、或る例におけるプロセス６０２は、蒸気セル１０１の動作において電磁的に誘導される電流損失を低減するために、約５μｍＲＭＳ未満のキャビティ底部及び側壁粗さを提供する。別の例において、エッチングプロセス６０２は、シリコン基板１０２を通り、埋設されたエッチストップ層（図示せず）に至るまでエッチングする。埋設されたエッチストップ層は、シリコンを含む第１の基板を第２の基板（図示せず）に直接接合することによって形成され得る。第２の基板はシリコン又は別の材料（例えば、ガラス）で作成され、それらの間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素シリコン）を備える。そのような直接接合は、ウエハ接合のための幾つかの方法によって達成され得、１つの例は、最小コスト及び高スループットのために、低温プラズマ励起融着を用いる。図５の５０２におけるキャビティ形成、及び図６におけるエッチングプロセス６０２の後、必要であった全てのマスク６０４が除去され、クリーンアップ処理が実施され得る。
【００４２】
幾つかの例において、気相成長、スパッタリング、化学気相成長（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）等の任意の適切な堆積プロセスを用いてその後堆積される金属材料の接着を強化するために、キャビティ側壁１０４上及びキャビティ底部１０３ｂ上に誘電体層が形成され得る。１つの適切な誘電体層は、銅に対する良好な接着性のため、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）である。
【００４３】
図５の５０４において、側壁１０４及びキャビティ底部１０３ｂの直上、又は任意の堆積された誘電体層の上に、図７に示されるように適切な堆積プロセス７０２を用いて、伝導性材料９０４が形成される。図８は、伝導性材料が、側壁１０４、キャビティ底部１０３ｂ、及び第１の基板１０２の頂部側１０２ａ上に形成される、図７の伝導性材料堆積プロセス７０２の後の結果の第１の基板１０２を示す。１つの例において、堆積される伝導性材料は銅であり、キャビティ１０３の内部の電磁場によって誘導される電流に起因する損失を最小限にするように、表面粗さは約１００ｎｍ又はそれ未満である。
【００４４】
１つの適切な堆積プロセス７０２は、高い伝導性、長距離磁気秩序がないこと、Ｔａ２Ｏ５に対する良好な接着性、及び低コストを提供するための、堆積された誘電体層の上への銅金属のスパッタリングである。異なる例において、特性の同様の組み合わせを有するもの等、その他の金属材料が用いられ得る。１つの例においてスパッタ堆積に続いて、堆積コストを低減するために電気めっきを用いること等によって、銅又は所望され得るその他の金属を用いて、金属層が所望の均一の厚みに形成され得る。幾つかの例において、形成された金属層は、気相堆積又はその他の適切なプロセスを介して、誘電体材料で被覆され得る。或る例において、任意選択の誘電体材料が、予期される製品寿命の間、蒸気セル１０１の気相分子の金属層との反応を軽減するように選択され得る。下記に更に説明されるように、キャビティ１０３を閉鎖するため、第２の基板１０６との接合を促進するように、第１の基板１０２の頂部表面１０２ａの全ての又は対象とする接合部分から、パターニング及びエッチングによって、含有される誘電体が全て除去され得る。この例において、図５の５０４において、側壁１０４及びキャビティ底部１０３ｂ上に、完成した蒸気セル１０１の動作の周波数における表皮厚さより大きい厚みで伝導性材料が形成される。例えば、１つの例において、キャビティ１０３における信号損失を軽減するために、約５０ｎｍ又はそれ以下の表面粗さを提供するように、約１００ｎｍ又はそれ以上及び約１μｍ又はそれ以下等の厚みに形成される。
【００４５】
図５の５０６において、第２の基板１０６が、第１の又は頂部側１０６ａと、第２の又は底部側１０６ｂとを有して提供される。図９に示されるような堆積プロセス９０２を用いて、第２の基板１０６の底部側１０６ｂに伝導性材料９０４が形成される。第２の基板１０６は、第１の基板１０２との接合を介してキャビティ頂部を形成するために後で用いられるものであり、蒸気セルの動作周波数の波長より小さい厚み（例えば、１つの例において、０．５ｍｍ未満）を有するガラス又はセラミックウエハ等の、任意の適切な材料であり得る。実際には、適切な第２の基板１０６は、キャビティ１０３への及びキャビティ１０３からの開口１０８を通してマイクロ波エネルギーの良好な電磁結合を促進するために充分薄く、真空下でキャビティ１０３を密封するために、第１の基板１０２に接合されるときの構造上の変形を軽減又は防止するために充分厚い。この点で、第２の基板の材料は、下記に説明されるように、材料９０４で形成され、後にパターニングされる非伝導性開口１０８を介して良好な電磁伝送率を提供することが好ましい。１つの適切な例は、０．２〜３．０ｍｍの範囲の厚さのウエハ形態で入手可能な低アルカリのホウケイ酸ガラスである、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｅａｇｌｅ  ＸＧ  ガラスである。或る例において、後に誘電体の上に形成される金属膜の接着性を改善するために、第２の基板１０６は、各側１０６ａ及び１０６ｂで誘電体（例えば、Ｔａ２Ｏ５）で被覆される。
【００４６】
図９〜図１３に示されるように、伝導性材料の堆積及びパターニングは、第１の側１０６ａ及び第２の側１０６ｂに対して別々に行われ得る。１つの代替例において、頂部側１０６ａ及び底部側１０６ｂは、１つのステップで完全にメタライズされ得、その後、両方の側１０６ａ及び１０６ｂで所望の伝導性及び非伝導性領域を残すように選択的パターニングが行われる。図示された例において、底部側１０６ｂは、図５の５０８において、図１０に示されるようにマスク１００４を用いるエッチングプロセス１００２を介してエッチングされて、底部側１０６ｂの伝導性材料９０４を通して、それぞれ、離間された第１の開口１０８ａ及び第２の開口１０８ｂが形成される。その際、底部側１０６ｂの残りは伝導性材料９０４で被覆されたままである。これらの開口又はスロット１０８は、図１に関連して上述したように、完成した蒸気セル１０１において電磁場がキャビティ１０３に入る又はキャビティ１０３から出ることを可能にする、電磁結合構造の一部を形成する。
【００４７】
続いて、図５の５１０において、図１１〜図１４に示されるように、底部側１０６ｂに沿って形成される対応する開口１０８ａ及び１０８ｂの近くの、第２の基板１０６の第１の側１０６ａに第１及び第２の伝導性結合構造１１０ａ及び１１０ｂが形成される。図１１において、第１の側１０６ａを銅又はその他の適切な伝導性材料１１０４でめっきするために堆積プロセス１１０２が用いられ、図１３に示される第１及び第２の銅結合構造１１０ａ及び１１０ｂを形成するために、図１２におけるエッチマスク１２０４と共に用いてエッチングプロセス１２０２が用いられる。更に図１４に示されるように、１つの例において、伝導性結合構造１１０ａ及び１１０ｂは、導波路キャビティ１０３の内部と電磁的結合するために、それぞれ、下にある開口１０８ａ及び１０８ｂを長手方向に横切って延びる伝導性ストリップとして形成される。後続の、ホストトランシーバ１３０（例えば、図１）とのパッケージングにおいて、結合構造１１０は、ホスト集積回路パッケージ又は印刷回路基板（図示せず）に取り付けられる完成した蒸気セル構造１０１との、シンプルでコスト効率のよいパッケージングアッセンブリを提供するように、任意の適切なフリップチップ、ワイヤボンディング、又はその他の電気的相互接続技術を用いて、入力１３３及び１３８に電気的に結合され得る。動作において、第１の結合構造１１０ａは、トランシーバ１３０の出力１３３から送信信号ＴＸを受け取り、磁場を生成し、その磁場は開口１０８ａを通して、密封されたキャビティ１０３の内部の双極分子ガスに向けられる。
【００４８】
図１２〜図１４に更に示されるように、この例はまた、図１２におけるエッチマスク１２０４を介して蒸気セル１０１の外側表面１０６ａ上に形成されるパターニングされた伝導性電子バンドギャップ（ＥＢＧ）構造１２０（図１３、及び図１４）を含む。ＥＢＧ構造１２０は、スプリアスの表面波の伝搬を防止又は軽減するため、伝導性結合構造１１０から離間される。図１４の例において、第１及び第２のＥＢＧ構造１２０ａ及び１２０ｂは、各々３列の、伝導性材料１１０４の幾つかの繰り返しパターンを含み、周波数の所与の目標バンドギャップ範囲の第２の基板１０６の第１の側１０６ａに沿って電磁波結合を減衰させるために任意の適切なパターンが用いられ得る。その際、ＥＢＧ構造１２０は、送信結合構造１１０ａ及び受信結合１１０ｂから離間され、それらの間に配置される。他の例において、単一のＥＢＧ構造１２０のみが、結合構造１１０ａ及び１１０ｂから離間され、それらの間に配置されて用いられる。その他のあり得る例は、第１の側１０６ａに沿って電磁波結合を減衰させるために、２つより多くのＥＢＧ構造１２０を含む。他の例において、ＥＢＧ構造１２０は省かれる。
【００４９】
図１４の例示の第２の基板１０６において示されるように、開口１０８及び結合構造１１０は、両方とも延伸された長方形であるが、他の例では、その他の形状及び相対位置が用いられ得る。種々の例において、開口１０８は、キャビティ１０３内のＴＥ０１モードの伝搬の方向に垂直又は平行のいずれかであり得る。トランシーバ回路１３０が高い周波数ＴＸ信号（例えば、種々の例において、１００〜１０００ＧＨｚ）を蒸気セル１０１に提供するので、また、或る例において、第２の基板１０６が波長のフラクションの厚みを有するので、表面波は、接地された誘電体スラブに沿って、又はセル１０１の頂部表面１０６ａに沿って伝搬し得、導波路の入力及び出力開口１０８間で結合し得、それによって、蒸気セルのキャビティ１０３を通過しない信号のための第２の経路が生成され、そのような余分のキャビティ送信は、動作において、キャビティ１０３内の双極分子ガスの吸収をマスキングし得る。
【００５０】
従って、幾つかの例は、光バンドギャップ構造としての動作を介してそのような表面波を軽減するように、１つ又は複数のＥＢＧ構造１２０を含む。１つの例において、ＥＢＧ構造１２０は、表面波の伝搬を軽減又は防止するために、周波数の予期される動作範囲にバンドギャップを有し、それによって蒸気セル１０１に問い合わせるために用いられる周波数の範囲に調整されている。ＥＢＧは、第２の基板１０６の第２の又は底部側１０６ｂの伝導性層９０４と、第１の又は頂部側１０６ａの反復する単位セル１２０のパターニングされたアレイとの平行組み合わせを含む、調整されたフィルタである。図示された例においてビアは必要ではないが、他の例においてビアが用いられ得る。１つの例において、導波路キャビティ１０３は、伝搬定数、及び最初の３つのモードに対するカットオフを提供するために、１．５ｍｍの頂部幅及び０．５ｍｍのエッチ深さでエッチングされる。３つのモードは、第１のモードが１２０ＧＨｚで開始し、第２のモードが２３０ＧＨｚで開始し、及び第３のモードが２９０ＧＨｚで開始する。キャビティ１０３は、１つの例において、第１のモードのみが伝搬し得る（これは、他の例において、導波路寸法を変えることによって調整され得る）周波数範囲における動作に対して設計される。この例において、１６０〜１９５ＧＨｚの範囲の周波数のバンドギャップが存在する。その範囲では、どのモードも頂部側１０６ａに沿って伝搬することはなく、その際、ＥＢＧアレイ１２０は、対象のバンドギャップにおいて、電磁信号に対する第２の経路を防止するように導波路の２つのポートの間に配置される。
【００５１】
続いて、図５の５１２において、低圧の双極分子ガスＨ２０を含む密封されたキャビティ１０３を形成するために、第２の基板１０６の底部側１０６ｂは、図１５の接合プロセス１５００を介して、低い周囲圧力において双極分子ガス（例えば、Ｈ２Ｏ）を含む周囲環境において、第１の基板１０２の第１の側１０２に接合される。接合プロセス１５００は、キャビティ１０３内部にいかなる不要なガスも導入せず、低圧の双極分子蒸気でキャビティ１０３を密封する、任意の適切なウエハ接合ステップであり得る。適切な金属接合プロセス例１５００には、或る低い温度で形成され、それらが形成される温度よりはるかに高い再溶融温度を有するような、固液相互拡散（ＳＬＩＤ）接合又は過渡液相（ＴＬＰ）接合を形成することが含まれる。共通ＴＬＰ接合される金属結合には、Ａｕ／Ｉｎ、Ｃｕ／Ｓｎ、Ｓｎ／Ａｕ、Ｓｎ／Ａｇが含まれ、金属結合は、利便性及び最終デバイスジオメトリとの全体的な互換性に対して選択され得る。或る例において、キャビティ圧力はマイクロトールからミリトールの範囲であり、従って、５１２において、基板１０２及び１０６は、熱及び蒸気の両方を提供及び制御することが可能な処理チャンバにおいて接合及び密封される。接合プロセス１５００のための適切な処理チャンバは、オーストリアのＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｉｓｉｏｎｓ  Ｇｒｏｕｐ（ＥＶＧ）等の供給元から市販されている。基板１０２及び１０６は、チャンバ内に置かれ、水、アセトニトリル、又はフッ化メチル等の所望の双極分子蒸気の小分圧を備える適切な真空ヘッドスペースが構築される。基板１０２及び１０６は、その後、処理されたウエハの各々別個のキャビティ１０３の不浸透性シールをつくるために対応する適切な温度プロファイルに従って接合される。その際、全てのキャビティが、ウエハレベルにおいて基本的に同時に接合される。代替の実装において、キャビティ１０３は、揮発性の種の悪化及び損失を軽減するため、周囲のダイの一層低い温度を維持しつつ、接合領域を適切な温度まで局所的に加熱するためにレーザ放射を用いる装置によって、順次密封され得る。
【００５２】
図５の５１４において、所望の濃度の低圧双極分子ガスを含むデバイスは、適切な半導体ダイシング技術を用いてシンギュレートされる。完成した蒸気セル１０１（物理セル）は、その後、ピックアンドプレイス、又は完全に統合されたシステムソリューションのためにワイヤボンディングを介する他のマイクロ波デバイスとの接続すること等の、更なる処理に利用可能である。
【００５３】
図１６は、関連するトランシーバ回路１３０（例えば、図１）を介する問い合わせの間の動作における、完成した単一蒸気セル装置１０１のシンプルな平面図である。電磁場１６００を入力開口１０８ａを介してキャビティ１０３の内部に結合するために、交流電気出力信号ＴＸがトランシーバ出力１３３を介して第１の伝導性結合構造１１０ａに提供される。電磁場１６００は、交流電気入力信号ＲＸを、第２の結合構造１１０ｂを介してトランシーバ入力１３８に提供するために、キャビティ１０３の長手方向長さＬに沿って出口開口１０８ｂまで延びる。上述したように、完成した蒸気セル１０１は、電磁波を減衰するために、セル構造１０１の頂部側に沿って置かれる１つ又は複数のＥＢＧ構造１２０（例えば、図１）を含み得る。ＥＢＧ構造１２０は、キャビティ１０３の内部の電磁場１６００の説明を容易にするために、図１６から省かれている。
【００５４】
図１７は、上記で詳細に説明した原理を用いて構成される別の蒸気セル例１０１を示し、コンパクトデバイス１０１を提供するために、セルキャビティは、長さ及び従って吸収を増加させるように非線形経路に沿って蛇行している。セル構造１０１の全体の長さは短くなるが、図１７における吸収長Ｌは、図１６のセル１０１の吸収長Ｌより長い。線形又は非線形の経路に沿って延びるセルキャビティ１０３を含む他の例（線形及び非線形部分の組み合わせ、曲線部分、段階的線形部分、及びそれらの組み合わせを含む）が可能であり、例示の実施形態は図示された例に限定されない。
【００５５】
図１８は、別の蒸気セル例１０１を図示し、キャビティ１０３が第３の伝導性開口１０８ｃ及び第４の伝導性開口１０８ｄを含み、各々の伝導性結合構造１１０は、対の非伝導性開口に近い。この例において、開口１０８ａ及び１０８ｃは互いに平行であり、対応する送信結合構造１１０ａは、平行な対の開口１０８ａ及び１０８ｃを横切って、概ね垂直に延びる。同様に、非伝導性の底部側開口１０８ｂ及び１０８ｄは互いに対して概ね平行である。その際、関連する受信伝導性結合構造１１０ｂは、対応するレシーバ開口１０８ｂ及び１０８ｄに垂直に、及び対応するレシーバ開口１０８ｂ及び１０８ｄの上に延在する。この例において、第３の開口１０８ｃは、キャビティ１０３への第２の電磁場入口を提供し、第４の非伝導性開口１０８ｄは、キャビティ１０３からの別の電磁場出口を提供する。他の例において、キャビティ１０３の内部との電磁結合のために、１つ又は複数の伝導性結合構造１１０と１つ又は複数の開口１０８との他の組み合わせが用いられ得る。
【００５６】
従って、例示の実施形態は、基準を設定するために電子遷移を用いる従来の原子クロックの複雑性、電力消費、サイズの欠点を回避しつつ、基準クロック信号ＲＥＦＣＬＫを提供するために低圧ガス分子の回転量子遷移を用いる、シンプルでコスト効率のよい低電力動作で、ミリメートル波原子クロック１００、及びそのための回転遷移蒸気セル１０１を提供する。開示される回転遷移ベースの原子クロックの概念は、温度変動に安定であり、チップスケール又はウエハスケール処理技術を用いて製造され得る。更に、開示されるクロック１００は、低圧双極分子蒸気の回転量子状態を確実にし、それにロックインするように、電子遷移デバイスよりはるかに低い周波数で動作し、また開示される技術は、従来の光学的問い合わせ蒸気セルにおけるような、クリアな光学送信経路の提供に関連する問題を回避する。更に、開示される蒸気セル１０１は、種々の低コストなミリメートル波ＣＭＯＳトランシーバ回路１３０を用いて、遷移を網羅する帯域幅にわたって物理セル１０１内の低圧双極分子ガスを問い合わせるのに有用である。更に、水及びその他の双極分子ガスは、遷移周波数で、検出可能な吸収変化を示し、安定した基準クロック信号を提供するためのロックインを促進する。蒸気セル１０１及び全体の原子クロックシステム１００は、或る例において、シリコン製造及びパッケージングプロセス内で構成及びパッケージングされ得る。更に、開示されるチップスケールの双極分子蒸気セル１０１は、原子クロック、及び回転分光学に関連する他の用途において有用であり、他の回転分光学ソリューションよりコンパクトな設計を提供する。
【００５７】
本発明の請求の範囲内で、説明された実施形態において変更が可能であり、また、他の実施形態が可能である。
【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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【国際調査報告】
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