(57)【要約】【課題】小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セルを提供すること。【解決手段】本実施形態のアルカリ金属セルは、一方の面から他方の面に貫通する貫通孔が形成された基板と、基板の一方の面に接合された第１の透光性基板と、基板の他方の面に接合された第２の透光性基板と、を有し、基板の貫通孔の内部にはアルカリ金属が封入されており、第１の透光性基板及び第２の透光性基板の少なくとも一方の基板と接合された面と反対側の面には凹部が形成されており、凹部には貫通孔の内部を加熱する加熱部が配置されていることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面から他方の面に貫通する貫通孔が形成された基板と、
前記基板の一方の面に接合された第１の透光性基板と、
前記基板の他方の面に接合された第２の透光性基板と、
を有し、
前記基板の貫通孔の内部にはアルカリ金属が封入されており、
前記第１の透光性基板及び前記第２の透光性基板の少なくとも一方の前記基板と接合された面と反対側の面には凹部が形成されており、前記凹部には前記貫通孔の内部を加熱する加熱部が配置されていることを特徴とするアルカリ金属セル。
【請求項２】
前記加熱部は、対向する２本の帯状パターンを有することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属セル。
【請求項３】
前記加熱部は、前記貫通孔の縁を囲むように形成されたパターンを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアルカリ金属セル。
【請求項４】
前記加熱部は、絶縁膜で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項５】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項６】
前記第１の透光性基板及び前記第２の透光性基板の少なくとも一方がガラス基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項７】
前記第１の透光性基板は、陽極接合により前記基板の一方の面に接合され、
前記第２の透光性基板は、陽極接合により前記基板の他方の面に接合されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項８】
前記アルカリ金属は、セシウム又はルビジウムであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の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、
前記光源により前記アルカリ金属セルに照射されたレーザ光のうち、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、
を有することを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属セル及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルカリ金属の超微細準位間の遷移を利用し、正確に時間を計測する原子時計（原子発振器）が知られている。
【０００３】
また、近年、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式のチップスケール原子時計において、精度向上の他に、小型化、省電力化、低コスト化等の要求が高まっている。このため、中心部品であるアルカリ金属セルを製造する際に用いられるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術の開発が盛んに進められている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１、２参照）。
【０００４】
チップスケール原子時計モジュールでは、適切なアルカリ金属の蒸気圧を得るためにＭＥＭＳセルは４０〜１２０℃の範囲の一定温度に加温され使用される。従来、アルカリ金属ＭＥＭＳセルを用いる多くの場合は、アルカリ金属ＭＥＭＳセルは、ガラス基板やポリイミドフィルム上にＩＴＯ膜や抵抗発熱体を設けた発熱板と接触させる構成で加温されてしている。一方、加熱効率を向上させ低消費電力化と小型化を図り、アルカリ金属ＭＥＭＳセルの２枚の透光性基板表面に、直接、ヒータ及び該ヒータと接続される電極パッドを形成したヒータ付アルカリ金属ＭＥＭＳセルが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アルカリ金属セルが透光性基板表面に直接、ヒータを設けた構成をとる場合、ヒータを形成した後の接合工程、チップ分離工程、実装工程等において、ヒータ面と接合装置ステージとが接触する、チップ同士が接触する、ヒータ面と実装治具とが接触することがある。このため、ヒータに断線、キズ等の損傷が発生し、アルカリ金属セルを備えるモジュールの歩留りや信頼性が低下することがある。
【０００６】
この問題を解決するため、ヒータ膜をＳｉＮ膜等の絶縁膜で被覆する方法があるが、ヒータ膜に含まれる応力と絶縁膜に含まれる応力とが合わさり、各膜の応力を小さくする条件で形成しなければ、膜剥れが起こるという新たな問題が発生する。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セル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】
【０００８】
本実施形態のアルカリ金属セルは、一方の面から他方の面に貫通する貫通孔が形成された基板と、前記基板の一方の面に接合された第１の透光性基板と、前記基板の他方の面に接合された第２の透光性基板と、を有し、前記基板の貫通孔の内部にはアルカリ金属が封入されており、前記第１の透光性基板及び前記第２の透光性基板の少なくとも一方の前記基板と接合された面と反対側の面には凹部が形成されており、前記凹部には前記貫通孔の内部を加熱する加熱部が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本実施形態によれば、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さ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】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る原子発振器の概略構成図である。
【図２】ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の説明図である。
【図３】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図である。
【図４】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。
【図５】変調周波数と透過光量との相関図である。
【図６】実施形態１に係るアルカリ金属セルの概略斜視図である。
【図７】実施形態１に係るシリコン基板の概略斜視図である。
【図８】実施形態１に係るアルカリ金属セルの電気系統図である。
【図９】実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例の概略斜視図（その１）である。
【図１０】実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例の概略斜視図（その２）である。
【図１１】実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例の概略斜視図（その３）である。
【図１２】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その１）である。
【図１３】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その２）である。
【図１４】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その３）である。
【図１５】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その４）である。
【図１６】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その５）である。
【図１７】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その６）である。
【図１８】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その７）である。
【図１９】実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その８）である。
【図２０】実施形態２に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その１）である。
【図２１】実施形態２に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その２）である。
【図２２】実施形態２に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図（その３）である。
【図２３】実施形態３に係るアルカリ金属セルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１２】
〔原子発振器の構成〕
本実施形態に係るアルカリ金属セルが適用される原子発振器について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子発振器の概略構成図である。
【００１３】
原子発振器５００は、ＣＰＴ方式のチップスケール原子発振器であり、アルカリ金属セル１００、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）光源５０１、コリメートレンズ５０２、λ／４波長板５０３、ＮＤフィルタ５０４、フォトダイオード５０５、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）５０６、第１のロックインアンプ５０７、第２のロックインアンプ５０８、バイアスティ５０９、ＶＣＳＥＬ駆動用電流源５１０、マイクロ波電源５１１、磁気シールド（図示せず）、コイル（図示せず）を有する。
【００１４】
ＶＣＳＥＬ光源５０１は、アルカリ金属セル１００にレーザ光を照射する光源の一例である。ＶＣＳＥＬ光源５０１から射出するレーザ光は、コリメートレンズ５０２、λ／４波長板５０３、ＮＤフィルタ５０４を介して、アルカリ金属セル１００へと入射する。
【００１５】
フォトダイオード５０５は、アルカリ金属セル１００を透過したレーザ光を検出し、検出信号をマイクロ波電源５１１へとフィードバックする光検出器の一例である。
【００１６】
マイクロ波電源５１１は、フォトダイオード５０５からフィードバックされた検出信号に基づいて、アルカリ金属セル１００内で、量子共鳴状態が保たれるように、レーザ光の周波数を変調する。マイクロ波電源５１１から出力されるマイクロ波信号は、バイアスティ５０９へと入力されて、ＶＣＳＥＬ駆動用電流源５１０から出力される駆動搬送波と重ね合わせられる。
【００１７】
アルカリ金属セル１００には、アルカリ金属原子（例えば、セシウム）が封止されている。アルカリ金属原子は、レーザ光が照射されることにより励起する。アルカリ金属セル１００にはヒータが配置されており、適度なアルカリ金属の蒸気圧が得られるように、アルカリ金属セル１００を所定温度に加熱する。磁気シールドは、地磁気等の磁気雑音をキャンセルし、コイルは、鋭いＣＰＴ共鳴信号のピークを得るために、セシウムの微細準位をゼーマン分裂させる磁場を発生する。
【００１８】
なお、本実施形態では、アルカリ金属セル１００を原子発振器に適用する場合を一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、量子干渉効果による光吸収特性を利用して、外部磁場による超微細構造エネルギー準位間のエネルギーを検出し、外部磁場の強度を計測する磁気センサに、アルカリ金属セル１００を適用してもよい。また例えば、異なる原理を利用する原子発振器、磁気センサ等にアルカリ金属セル１００を適用してもよい。
【００１９】
原子発振器５００の原理について、図２から図５を参照しながら説明する。図２は、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の説明図である。図３は、ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図である。図４は、面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。図５は、変調周波数と透過光量との相関図である。
【００２０】
セシウムは、エネルギー準位の異なる２つの基底準位、励起準位の３つの準位をとり得るΛ型３準位系であり、Ｄ１ライン遷移（６Ｓ１／２→６Ｐ１／２）の場合、｜１＞準位は６Ｓ１／２Ｆ４であり、｜２＞準位は６Ｓ１／２Ｆ３であり、｜３＞準位は６Ｐ１／２である（図２及び図３参照）。
【００２１】
ＶＣＳＥＬ光源５０１の発振波長は、セシウムのＤ１ライン遷移の波長である８９４．６ｎｍと略同一にすればよい。
【００２２】
原子発振器５００は、｜１＞準位と｜２＞準位との差の半分の周波数（νclock／２）を有する高周波変調信号を、ＶＣＳＥＬの駆動電流に重畳させる。これにより、レーザ光搬送波の両側には、サイドバンドが発生する（図４参照）。セシウムのＤ１ライン遷移の場合、νclockは９．１９２ＧＨｚであり、νclock／２は４．５９６ＧＨｚである。重畳信号の周波数が、νclock又はνclock／２に一致すると、｜１＞→｜３＞、及び｜２＞→｜３＞の遷移がなくなり、暗共鳴（Dark resonance）状態になる。
【００２３】
高周波変調信号を掃引すると、フォトダイオード５０５における透過光強度は、ピークを示し（図５参照）、マイクロ波電源５１１は、この共鳴のピークに一致するように、重畳信号の周波数を安定化することにより、周波数標準を実現する。すなわち、マイクロ波電源５１１は、搬送波とサイドバンドとの周波数差が４．５９６ＧＨｚと一致するように、搬送波をロックオンする（同期させる）。なお、セシウムのＤ２ラインの遷移を利用する場合、搬送波の波長は８５２．３ｎｍとなる。
【００２４】
＜実施形態１＞
〔アルカリ金属セルの構成〕
実施形態１に係るアルカリ金属セルについて、図６から図８を参照しながら説明する。図６は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの概略斜視図である。図７は、実施形態１に係るシリコン基板の概略斜視図である。図８は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの電気系統図である。
【００２５】
アルカリ金属セル１００は、第１の透光性基板１０１、第２の透光性基板１０２、シリコン基板１０３、ヒータ１０４、電極パッド１０５、ヒータ配線１０６、アルカリ金属１０７を有する。ヒータ１０４は、第１のヒータ１０４ａ、第２のヒータ１０４ｂを含む。電極パッド１０５は、第１の電極パッド１０５ａ、第２の電極パッド１０５ｂ、第３の電極パッド１０５ｃ、第４の電極パッド１０５ｄを含む。ヒータ配線１０６は、第１のヒータ配線１０６ａ、第２のヒータ配線１０６ｂ、第３のヒータ配線１０６ｃを含む。
【００２６】
第１の透光性基板１０１は、シリコン基板１０３の一方の面に、例えば陽極接合により接合されている。第１の透光性基板１０１のシリコン基板１０３と接合された面と反対側の面（以下「非接合面１０１ａ」という。）には、非接合面１０１ａから窪んだ凹部１０９が形成されている。凹部１０９の形状としては、例えば円環形と矩形とを結合した形状とすることができる。凹部１０９は、例えば第１の透光性基板１０１の非接合面１０１ａの表面から０．０００１ｍｍ〜２．０ｍｍ窪んだ構造になっている。凹部１０９には、第１のヒータ１０４ａ、第１の電極パッド１０５ａ及び第２の電極パッド１０５ｂが形成されている。
【００２７】
第２の透光性基板１０２は、シリコン基板１０３の他方の面に、例えば陽極接合により接合されている。第２の透光性基板１０２のシリコン基板１０３と接合された面と反対側の面（以下「非接合面１０２ａ」という。）には、非接合面１０２ａから窪んだ凹部１０９が形成されている。凹部１０９の形状としては、例えば円環形と矩形とを結合した形状とすることができる。凹部１０９は、例えば第２の透光性基板１０２の非接合面１０２ａの表面から０．０００１ｍｍ〜２．０ｍｍ窪んだ構造になっている。凹部１０９には、第２のヒータ１０４ｂ、第３の電極パッド１０５ｃ及び第４の電極パッド１０５ｄが形成されている。
【００２８】
第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２は、厚さ０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍの透光性を有する材料で形成されている。透光性を有する材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、石英ガラス、低融点ガラス等のガラス、透明セラミックス等が挙げられる。
【００２９】
シリコン基板１０３は、一方の面から他方の面に貫通する貫通孔１０８が形成された基板の一例である。貫通孔１０８の内部である空洞（キャビティ）には、アルカリ金属１０７と共に、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等のバッファガスが封入される。
【００３０】
第１のヒータ１０４ａは、貫通孔１０８の内部を加熱する加熱部の一例である。第１のヒータ１０４ａは、電流が供給されることにより発熱する抵抗体である。第１のヒータ１０４ａは、第１の透光性基板１０１の凹部１０９に形成されている。第１のヒータ１０４ａは、例えば対向する２本の帯状パターンで形成され、貫通孔１０８の縁を囲むような略円形状を有する。
【００３１】
第２のヒータ１０４ｂは、貫通孔１０８の内部を加熱する加熱部の一例である。第２のヒータ１０４ｂは、電流が供給されることにより発熱する抵抗体である。第２のヒータ１０４ｂは、第２の透光性基板１０２の凹部１０９に形成されている。第２のヒータ１０４ｂは、例えば対向する２本の帯状パターンで形成され、貫通孔１０８の縁を囲むような略円形状を有する。
【００３２】
第１の電極パッド１０５ａは、第１の透光性基板１０１の凹部１０９に形成されており、第１のヒータ１０４ａの一方の端部と電気的に接続されている。第２の電極パッド１０５ｂは、第１の透光性基板１０１の凹部１０９に形成されており、第１のヒータ１０４ａの他方の端部と電気的に接続されている。
【００３３】
第３の電極パッド１０５ｃは、第２の透光性基板１０２の凹部１０９に形成されており、第２のヒータ１０４ｂの一方の端部と電気的に接続されている。第４の電極パッド１０５ｄは、第２の透光性基板１０２の凹部１０９に形成されており、第２のヒータ１０４ｂの他方の端部と電気的に接続されている。
【００３４】
ヒータ配線１０６は、アルカリ金属セル１００のヒータ１０４に電極パッド１０５を介して電流を供給する配線である。第１のヒータ配線１０６ａは、第１の電極パッド１０５ａと電気的に接続されている。第２のヒータ配線１０６ｂは、第３の電極パッド１０５ｃと電気的に接続されている。第３のヒータ配線１０６ｃは、第２の電極パッド１０５ｂ及び第４の電極パッド１０５ｄと電気的に接続されている。
【００３５】
アルカリ金属１０７は、シリコン基板１０３に形成された貫通孔１０８の内部に封入されている。アルカリ金属１０７としては、例えばセシウム、ルビジウムが挙げられる。
【００３６】
ところで、抵抗体（ヒータ１０４）に電流が供給されると、ヒータ１０４が発熱することにより、ヒータ１０４の周囲に磁場が発生する。ＣＰＴ共鳴は、磁場に対する感度が非常に高い現象である。このため、ＣＰＴ方式の原子発振器では、アルカリ金属セル１００に一様な磁場を印加し、縮退している準位をゼーマン分裂させて、磁場に対する感度が最も低い０−０遷移を使用する。しかしながら、０−０遷移であっても、磁場がノイズとして存在すると、共鳴周波数が変動してしまうため、原子発振器５００としての精度が低下してしまう。
【００３７】
そこで、実施形態１では、ヒータ１０４を対向する２本の帯状パターンで形成することで、ヒータ１０４に逆方向の加熱電流を流すことができる。このため、ヒータ１０４に加熱電流が流れることにより発生する磁場を打ち消し、漏れる磁界を低減することができる。また、アルカリ金属の超微細構造準位の分裂へのノイズを小さくすることができるため、実施形態１のアルカリ金属セル１００を原子発振器５００に適用した場合、原子発振器５００の性能低下を抑制することができる。
【００３８】
実施形態１に係るアルカリ金属セル１００は、２枚の透光性基板１０１、１０２の非接合面１０１ａ、１０２ａに形成された凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５が直接配置されている。このため、部品点数が少なくなるので小型化を図ることができる。また、ヒータ１０４を配置した後の工程、例えば接合工程、チップ分離工程、実装工程等において、ヒータ１０４及び電極パッド１０５に欠陥が発生することを抑制することができる。また、ヒータ１０４を保護する絶縁膜を設ける場合と比較すると、工程を簡略化でき、さらに、膜応力による膜剥れの発生を抑制することができるため、高い加熱効率を有することとなり、消費電力を低減することができる。結果として、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セルを提供することができる。
【００３９】
なお、実施形態１では、凹部１０９が円環形と矩形とを結合した形状を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図９に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２に、円形と矩形とを結合した形状を有する凹部１０９が形成されたアルカリ金属セル１００Ａとすることもできる。また例えば、図１０に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２に、矩形状を有する凹部１０９が形成されたアルカリ金属セル１００Ｂとすることもできる。また例えば、図１１に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２に、複数の矩形を組み合わせた形状を有する凹部１０９が形成されたアルカリ金属セル１００Ｃとすることもできる。なお、図９から図１１は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例の概略斜視図である。
【００４０】
凹部１０９がいずれの形状を有する場合であっても、ヒータ１０４が第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２の最表面から窪んだ凹部１０９に配置されている。このため、製造過程中及びモジュール実装後に、アルカリ金属セル１００のヒータ１０４がアルカリ金属セル１００以外の部材と直接接触することが抑制される。
【００４１】
また、凹部１０９を設ける場合、原子時計モジュール稼動時にアルカリ金属セル１００と光検知器や光路スペーサ等の部材との接触面積が小さくなる。このため、アルカリ金属セル１００の熱絶縁性が高まり、セルの温度制御性が良くなり、かつ、ヒータ１０４の消費電力を小さくすることができる。
【００４２】
また、実施形態１では、アルカリ金属セル１００の貫通孔１０８を通るレーザ光を遮らないように、レーザ光路（貫通孔１０８）を囲むようにヒータ１０４を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。ヒータ１０４の配置としては、レーザ光の一部が透過する配置であってもよい。
【００４３】
また、実施形態１では、第１の透光性基板１０１と第２の透光性基板１０２との両方にヒータ１０４が形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の透光性基板１０１のみにヒータ１０４が形成されている形態であってもよく、第２の透光性基板１０２のみにヒータ１０４が形成されている形態であってもよい。この場合、ヒータ１０４が形成されていない透光性基板は、凹部１０９が形成されている基板であってもよく、凹部１０９が形成されていない平滑な表面を有する基板であってもよい。
【００４４】
また、実施形態１では、基板としてシリコン基板１０３を用いる形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。基板としては、例えばガラス基板、セラミック基板、非磁性の金属基板を用いることもできる。
【００４５】
〔アルカリ金属セルの製造方法〕
実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法について、図１２から図１９を参照しながら説明する。図１２から図１９は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図である。
【００４６】
まず、図１２に示すように、第１の透光性基板１０１と第２の透光性基板１０２を作製する。第１の透光性基板１０１と第２の透光性基板１０２の構造は基板面に対し面対称とする。第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２の出発基板の材質としては、厚さ０．２ｍｍ〜５．０ｍｍのホウケイ酸ガラス、石英ガラス、低融点ガラス等のガラスや、透光性のセラミックス等を用いることもできる。出発基板の両面には、鏡面加工が施されている。出発基板の一方の面に円環形と矩形とが結合した平面形状を有する凹部１０９を形成する。円環形の幅（Ｗ１）を５００μｍ、凹部１０９の深さ（Ｄ１）を０．１〜２０００μｍとする。凹部１０９は、フッ化水素を用いたウェットエッチング、フッ化炭素系ガスを用いたドライエッチング、機械加工の方法を用いて形成することができる。なお、図１２（ａ）はこの工程における上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００４７】
次に、図１３に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２の凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５を配置する。具体的には、凹部１０９に、スプレーコート塗布したレジストやドライフィルレジストにより形成したマスクパターンを用いて、スパッタ法や蒸着法によりＴｉ膜とＰｔ膜を連続的に成膜する。Ｔｉ膜の厚さとしては４０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さとしては５０ｎｍ〜５００ｎｍとすることが好ましく、Ｐｔ膜の幅としては５０μｍ〜３００μｍとすることが好ましい。続いて、リフトオフ法によりＴｉ膜を下地層とするパターン化されたＰｔ膜（ヒータ１０４）とそれに接続する電極パッド１０５とを形成する。ヒータ１０４の幅Ｗ２は５０μｍ〜５００μｍとすることが好ましい。ヒータ１０４は、加熱電流により発生する磁界を打ち消すために電流が逆方向に流れるようにペアで配置することが好ましい。ヒータ１０４の材料としては、Ｐｔに限定されるのもではなく、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いることが可能である。なお、図１３（ａ）はこの工程における上面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００４８】
次に、図１４に示すように、シリコン基板１０３に貫通孔１０８を形成する。具体的には、シリコン基板１０３の一方の面に熱酸化膜又はフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより、貫通孔１０８とならない領域に熱酸化膜又はフォトレジスト膜からなるマスクパターン（図示せず）を形成する。その後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等によるドライエッチングにより、マスクパターンが形成されていない領域のシリコンを除去することで、貫通孔１０８を形成する。これにより、貫通孔１０８が形成されたシリコン基板１０３を作製することができる。なお、シリコン基板１０３のエッチングは、ドライエッチングに限定されるものではなく、例えばウェットエッチング、サンドブラスト、イオンミリング、機械加工等の方法を採用してもよい。ドライエッチングを採用する場合は、印加パワー２ｋＷで、ＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスとを交互に供給してエッチングを行うボッシュプロセスが好適である。ボッシュプロセスは、異方性の高いシリコンのエッチングを高速で行うことができるためである。貫通孔１０８の形状は、直径が約２．５ｍｍ、厚さが約２．０ｍｍの円形状であるが、形状、大きさ等は、特に限定されるものではなく、例えば矩形状であってもよいし、多角形状であってもよい。シリコン基板１０３は、例えば厚さ０．２ｍｍ〜５．０ｍｍで形成され、両面に鏡面加工が施される。なお、基板の材料としては、シリコンに限定されるものではなく、例えばホウケイ酸ガラス、石英ガラス、低融点ガラス等のガラスや、セラミックス、非磁性金属等を用いることもできる。なお、図１４（ａ）はこの工程における上面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００４９】
次に、図１５に示すように、貫通孔１０８が形成されたシリコン基板１０３の一方の面と第１の透光性基板１０１のヒータ１０４が配置されていない側の面とを陽極接合により接合する。これにより、貫通孔１０８が形成されたシリコン基板１０３に第１の透光性基板１０１が接合された積層基板（以下「プレフォーム基板」という。）を形成することができる。具体的には、陽極接合装置（図示せず）の減圧チャンバ内に、シリコン基板１０３と第１の透光性基板１０１とを設置し、温度４００℃で加熱して、シリコン基板１０３と第１の透光性基板１０１とを接触させる。その後、第１の透光性基板１０１に、負電極板２０１を介して電圧−１０００Ｖを印加して、シリコン基板１０３と第１の透光性基板１０１とを接合する。接合の方法としては、陽極接合に限定されるものではなく、Ａｕ−Ｓｎ、Ｉｎ、ガラスフリット等を接合材として利用し、公知の方法で接合を行ってもよい。なお、図１５はこの工程における断面図である。
【００５０】
次に、図１６に示すように、公知の技術（例えば、非特許文献３参照）により、嫌気性グローブボックス（Anaerobic Glove box）中で、マイクロピペット２０２を用いて、アンプルから取り出した液体のアルカリ金属１０７（例えば、セシウム）を、プレフォーム基板に形成された貫通孔１０８に滴下する。アルカリ金属１０７を貫通孔１０８に充填する方法としては、当該方法に限定されるものではない。例えば、嫌気性グローブボックス中で、ＢａＮ３＋ＲｂＣｌ入りの微小なガラスアンプルを加熱して反応させ、Ｒｂを蒸着させることで、アルカリ金属を凹状の穴に充填してもよい（例えば、非特許文献４参照）。また例えば、アルカリ金属蒸気をキャビティ内に発生させてもよい（例えば、非特許文献５参照）。具体的には、シリコン基板１０３に、エッチング等により溝で連通した２種の貫通孔を開け、該シリコン基板１０３の一方の面に第１の透光性基板１０１を陽極接合して、２種の凹状の穴を有するプレフォーム基板を作製する。１種目の凹状の穴に、大気中でアルカリ金属発生剤を配置し、高真空引きして、バッファガスを導入する。その後、シリコン基板１０３の他方の面に、第２の透光性基板１０２を陽極接合して、アルカリ金属発生剤に、外部からレーザ光を照射し、加熱することで、アルカリ金属蒸気をキャビティ内に発生させる。なお、図１６はこの工程における断面図である。
【００５１】
次に、図１７に示すように、プレフォーム基板を接合装置の真空室に搬送し、真空引きして、プレフォーム基板に形成される貫通孔１０８に、バッファガスを導入する。バッファガスは、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等のような単一ガスでもよいし、Ａｒ／Ｎ２等のような混合ガスでもよい。なお、図１７はこの工程における断面図である。
【００５２】
次に、図１８に示すように、シリコン基板１０３の他方の面と第２の透光性基板１０２のヒータ１０４が配置されていない側の面とを陽極接合により接合する。具体的には、陽極接合装置のバッファガスを導入したチャンバ内に、シリコン基板１０３と第２の透光性基板１０２とを設置し、温度４００℃で加熱して、シリコン基板１０３と第２の透光性基板１０２とを接触させる。その後、第２の透光性基板１０２に、負電極板２０１を介して電圧−１０００Ｖを印加して、シリコン基板１０３と第２の透光性基板１０２とを接合する。これにより、φが約２．５ｍｍ、長さが約２ｍｍのキャビティが形成される。なお、図１８はこの工程における断面図である。
【００５３】
次に、図１９に示すように、複数のアルカリ金属セル１００が形成されたウェハ１５０を、ダイシングによりチップ分離する。具体的には、例えば図１９に示す点線ＤＬに沿ってウェハ１５０を切断することによりチップ分離する。これにより、図６から図８に示したアルカリ金属セル１００が製造される。なお、図１９はこの工程における上面図である。
【００５４】
以上に説明したように、実施形態１に係るアルカリ金属セル１００は、２枚の透光性基板１０１、１０２の非接合面１０１ａ、１０２ａに形成された凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５が直接配置されている。このため、部品点数が少なくなるので小型化を図ることができる。また、ヒータ１０４を配置した後の工程、例えば接合工程、チップ分離工程、実装工程等において、ヒータ１０４及び電極パッド１０５に欠陥が発生することを抑制することができる。また、ヒータ１０４を保護する絶縁膜を設ける場合と比較すると、工程を簡略化でき、さらに、膜応力による膜剥れの発生を抑制することができるため、高い加熱効率を有することとなり、消費電力を低減することができる。結果として、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セルを提供することができる。
【００５５】
＜実施形態２＞
実施形態２に係るアルカリ金属セル及びアルカリ金属セルの製造方法について、図６から図８、図２０から図２２を参照しながら説明する。図２０から図２２は、実施形態２に係るアルカリ金属セルの製造方法の工程図である。
【００５６】
実施形態２に係るアルカリ金属セル１００は、実施形態１に係るアルカリ金属セル１００と同様の構成を有するが、その製造方法が異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。
【００５７】
実施形態２に係るアルカリ金属セルは、以下の製造方法により製造される。
【００５８】
まず、実施形態１と同様の方法を用いて、貫通孔１０８が形成されたシリコン基板１０３の一方の面と第１の透光性基板１０１とを接合することにより、プレフォーム基板を形成する。この際、実施形態２では、第１の透光性基板１０１は、凹部１０９が形成されることなく、平滑な表面を有する。
【００５９】
次に、実施形態１と同様の方法を用いて、アルカリ金属１０７をプレフォーム基板に形成された貫通孔１０８に滴下した後、貫通孔１０８にバッファガスを導入する。
【００６０】
次に、図２０に示すように、実施形態１と同様の方法を用いて、シリコン基板１０３の他方の面と第２の透光性基板１０２とを接合する。この際、実施形態２では、第２の透光性基板１０２は、凹部１０９が形成されることなく、平滑な表面を有する。なお、図２０はこの工程における断面図である。
【００６１】
次に、図２１に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２の一方の面に凹部１０９を形成する。凹部１０９の形成方法としては、実施形態１と同様の方法を用いることができる。なお、図２１はこの工程における断面図である。
【００６２】
次に、図２２に示すように、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２の凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５を配置する。ヒータ１０４及び電極パッド１０５の配置方法としては、実施形態１と同様の方法を用いることができる。なお、図２２はこの工程における断面図である。
【００６３】
次に、実施形態１と同様の方法を用いて、複数のアルカリ金属セル１００が形成されたウェハ１５０をチップ分離する。これにより、図６から図８に示したアルカリ金属セル１００が製造される。
【００６４】
以上に説明したように、実施形態２に係るアルカリ金属セル１００は、２枚の透光性基板１０１、１０２の非接合面１０１ａ、１０２ａに形成された凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５が直接配置されている。このため、部品点数が少なくなるので小型化を図ることができる。また、ヒータ１０４を配置した後の工程、例えば接合工程、チップ分離工程、実装工程等において、ヒータ１０４及び電極パッド１０５に欠陥が発生することを抑制することができる。また、ヒータ１０４を保護する絶縁膜を設ける場合と比較すると、工程を簡略化でき、さらに、膜応力による膜剥れの発生を抑制することができるため、高い加熱効率を有することとなり、消費電力を低減することができる。結果として、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セルを提供することができる。
【００６５】
＜実施形態３＞
実施形態３に係るアルカリ金属セル及びアルカリ金属セルの製造方法について、図２３を参照しながら説明する。図２３は、実施形態３に係るアルカリ金属セルの概略図である。
【００６６】
実施形態３に係るアルカリ金属セル３００は、図２３に示すように、実施形態１に係るアルカリ金属セル１００におけるヒータ１０４上にＳｉＮ保護膜１３１を設けたものである。なお、その他の構成については、実施形態１に係るアルカリ金属セルと同様の構成を有する。
【００６７】
ＳｉＮ保護膜１３１は、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すように、第１のヒータ１０４ａ及び第２のヒータ１０４ｂを被覆する絶縁膜の一例である。ＳｉＮ保護膜１３１は、第１のヒータ１０４ａを被覆するように第１の透光性基板１０１に形成された凹部１０９に設けられている。また、ＳｉＮ保護膜１３１は、第２のヒータ１０４ｂを被覆するように第２の透光性基板１０２に形成された凹部１０９に設けられている。
【００６８】
実施形態３に係るアルカリ金属セルの製造方法としては、ＳｉＮ保護膜１３１を形成する点以外は、実施形態１又は実施形態２と同様の方法を用いることができる。
【００６９】
まず、実施形態１又は実施形態２と同様の方法を用いて、図６から図８に示したアルカリ金属セル１００を製造する。
【００７０】
次に、図２３に示すように、プラズマＣＶＤにより厚さ１０〜４００ｎｍのＳｉＮ膜を形成する。続いて、レジストパターンを形成し、フッ化炭素系ガスを用いたドライエッチングで第１のヒータ１０４ａ及び第２のヒータ１０４ｂを被覆するようにＳｉＮ保護膜１３１を形成する。なお、このドライエッチングにより電極パッド１０５上のＳｉＮ膜も除去される。
【００７１】
以上により、図２３に示したアルカリ金属セル３００が製造される。
【００７２】
なお、実施形態３では、絶縁膜の一例としてＳｉＮ保護膜１３１を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＳｉＯ２を用いることもできる。
【００７３】
また、絶縁膜の形成方法としては、ドライエッチングに限定されるものではなく、ウェットエッチング、イオンミリング等の方法を用いることもできる。ただし、ヒータ１０４の剥離を防ぐため保護膜の膜応力を極力小さくする必要がある。
【００７４】
以上に説明したように、実施形態３に係るアルカリ金属セル３００は、２枚の透光性基板１０１、１０２の非接合面１０１ａ、１０２ａに形成された凹部１０９に、ヒータ１０４及び電極パッド１０５が直接配置されている。このため、部品点数が少なくなるので小型化を図ることができる。また、ヒータ１０４を配置した後の工程、例えば接合工程、チップ分離工程、実装工程等において、ヒータ１０４及び電極パッド１０５に欠陥が発生することを抑制することができる。また、ヒータ１０４を保護する絶縁膜を設ける場合と比較すると、工程を簡略化でき、さらに、膜応力による膜剥れの発生を抑制することができるため、高い加熱効率を有することとなり、消費電力を低減することができる。結果として、小型で、信頼性が高く、消費電力の小さいアルカリ金属セルを提供することができる。
【００７５】
特に、実施形態３では、ヒータ１０４をＳｉＮ保護膜１３１で被覆しているため、よりアルカリ金属セル３００を用いたモジュールの信頼性及び歩留りが向上する。
【００７６】
以上、アルカリ金属セル、アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１００  アルカリ金属セル
１０１  第１の透光性基板
１０２  第２の透光性基板
１０３  シリコン基板
１０４  ヒータ
１０７  アルカリ金属
１０８  貫通孔
１０９  凹部
１３１  ＳｉＮ保護膜
３００  アルカリ金属セル
５００  原子発振器
５０１  ＶＣＳＥＬ光源
５０５  フォトダイオード
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０００７１１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６８０６７８４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０１８４８１５号明細書
【非特許文献】
【００７９】
【非特許文献１】J. Kitching et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurment, Vol.49(2000)pp.1313-1317
【非特許文献２】S. Knappe et al., Journal of the Optical Society of America B,Vol.18(2001)pp.1545-1553
【非特許文献３】L. Liew et al., Applied Physics Letters,Vol.84(2004)pp.2694-2696
【非特許文献４】S. Knappe et al., Optics Letters,Vol.30(2005)pp.2351-2353
【非特許文献５】L. Nieradko et al., Journal of Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7(3), (2008)033013
【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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【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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