(57)【要約】【課題】信頼性を低下させることなく、小型化及び低コスト化を図ったアルカリ金属セルを提供する。【解決手段】本実施の形態のアルカリ金属セルは、貫通孔を含む基板と、一方の面が基板と接合し、他方の面における縁の一部に面取り構造を含む第１の透光性基板と、貫通孔を介して第１の透光性基板と対向し、一方の面が基板と接合する第２の透光性基板と、貫通孔の内部に封止されるアルカリ金属及びバッファガスと、第１の透光性基板に形成され、内部を所定温度に加熱するヒーターと、ヒーターに接続され、面取り構造を通る配線と、を有することにより上記課題を解決する。【選択図】図３
2016021455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を含む基板と、
一方の面が前記基板と接合し、他方の面における縁の一部に面取り構造を含む第１の透光性基板と、
前記貫通孔を介して前記第１の透光性基板と対向し、一方の面が前記基板と接合する第２の透光性基板と、
前記貫通孔の内部に封止されるアルカリ金属及びバッファガスと、
前記第１の透光性基板に形成され、前記内部を所定温度に加熱するヒーターと、
前記ヒーターに接続され、前記面取り構造を通る配線と、を有する、アルカリ金属セル。
【請求項２】
前記配線を介して、前記ヒーターと接続される電極パッドと、を備える、請求項１に記載のアルカリ金属セル。
【請求項３】
前記縁の一部は、前記第１の透光性基板の他方の面における１辺である、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項４】
前記第２の透光性基板の他方の面における縁の一部に、第２の面取り構造を含み、
前記第２の透光性基板に形成され、前記内部を所定温度に加熱する第２のヒーターと、
前記第２のヒーターに接続され、前記第２の面取り構造を通る第２の配線と、
前記ヒーター及び前記第２のヒーターに接続され、前記面取り構造及び前記第２の面取り構造を通る第３の配線と、を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項５】
前記第２の配線を介して、前記第２のヒーターと接続される電極パッドと、を備える、請求項４に記載のアルカリ金属セル。
【請求項６】
前記ヒーター及び前記第２のヒーターは、対向する２本の配線により、前記貫通孔を囲むように形成され、該２本の配線には、加熱電流が逆方向に流れる、請求項４又は請求項５のいずれか一項に記載のアルカリ金属セル。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６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、
前記アルカリ金属セルを透過する光を検出する光検出器と、を有する原子発振器。
【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】
従来より、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。近年では、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おり、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）。
【０００３】
２枚の透明基板表面に、ヒーター及び該ヒーターと接続される電極パッドを形成し、パッド間を、リード線により接続することで、小型化を図った陽極接合セルが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
２枚の窓面に形成される２つの加熱ヒーターと制御回路基板とを、第１及び第２のヒーター配線により接続し、２つの加熱ヒーターを、ガスセルの側面で、第３のヒーター配線により接続することで、加熱効率向上及び小型化を図った原子発振器が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アルカリ金属セルにおいて、信頼性を低下させることなく、小型化及び低コスト化を図ることは、困難である。
【０００６】
特許文献３に記載の構成は、電極パッド間を接続するリード線の本数が多いため、無駄なスペースが生じ易く、且つ、ボンディング作業を行い難いという問題がある。
【０００７】
特許文献４に記載の構成は、透明基板の角部で、導電性ペーストにより、第３のヒーター配線と２つの加熱ヒーターとを接続するため、電気的接触の信頼性が乏しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、信頼性を低下させることなく、小型化及び低コスト化を図った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】
【０００９】
本実施の形態のアルカリ金属セルは、貫通孔を含む基板と、一方の面が基板と接合し、他方の面における縁の一部に面取り構造を含む第１の透光性基板と、貫通孔を介して第１の透光性基板と対向し、一方の面が基板と接合する第２の透光性基板と、貫通孔の内部に封止されるアルカリ金属及びバッファガスと、第１の透光性基板に形成され、内部を所定温度に加熱するヒーターと、ヒーターに接続され、面取り構造を通る配線と、を有する、ことを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
本実施の形態によれば、信頼性を低下させることなく、小型化及び低コスト化を図った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】実施形態１に係る原子発振器の概略構成の一例を示す図である。
【図２】ＣＰＴ方式の動作原理の一例を示す図である。
【図３】実施形態１に係るアルカリ金属セルの構成の一例を示す図である。
【図４】実施形態１に係るアルカリ金属セルの構成の一例を示す図である。
【図５】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図６】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図７】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図８】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図９】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１０】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１１】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１２】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１３】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１４】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１５】実施形態１に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１６】実施形態２に係るアルカリ金属セルの構成の一例を示す図である。
【図１７】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１８】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図１９】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２０】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２１】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２２】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２３】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２４】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２５】実施形態２に係るアルカリ金属セルの作製方法の一例を示す図である。
【図２６】実施形態２に係るアルカリ金属セルの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面及び表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。
【００１３】
＜実施形態１＞
〔原子発振器の構成〕
図１に、本実施の形態に係るアルカリ金属セルを適用した原子発振器５００の概略構成の一例を示す。
【００１４】
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フィルター５０４、フォトダイオード（光検出器）５０５、ＶＣＸＯ５０６、ロックインアンプ５０７、５０８、バイアスティー５０９、電気配線中継プレート５１０、ＶＣＳＥＬ駆動用電流源５１１、マイクロ波電源５１２、磁気シールド（図示せず）、コイル（図示せず）、等を含む。
【００１５】
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フィルター５０４を介して、アルカリ金属セル１００へと入射する。光検出器５０５は、アルカリ金属セル１００を透過したレーザ光を検出し、検出信号を周波数制御手段へとフィードバックする。周波数制御手段は、光検出器５０５からフィードバックされた検出信号に基づいて、該セル内で、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。周波数制御手段から出力されるマイクロ波信号は、バイアスティー５０９へと入力されて、ＶＣＳＥＬ出力波長制御手段から出力される駆動搬送波と重ね合わせられる。
【００１６】
アルカリ金属セル１００には、アルカリ金属（例えば、セシウム）が封止され、アルカリ金属原子は、レーザ光が照射されることで、励起する。アルカリ金属セル１００に備えられるヒーターは、適度なアルカリ金属の蒸気圧を得られるように、該セル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、セシウムの超微細準位をゼーマン分裂させる磁場を発生する。
【００１７】
詳細は、後述するが、アルカリ金属セル１００は、面取り構造（角部が、テーパ形状、丸み面取り形状、等のように緩和される構造）を含む透光性基板、及び該構造を通る配線を有する。これにより、透光性基板に形成されるヒーターと配線との間の、電気的接続の信頼性を高めると共に、原子発振器５００の狭いスペースに、該配線を効率的に配置することができる。従って、原子発振器５００の小型化、省電力化、及び低コスト化を図りつつ、精度を高めることができる。
【００１８】
なお、本実施の形態においては、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に挙げて説明したが、特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を適用しても良い。又、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を適用しても良い。
【００１９】
次に、図２を用いて、原子発振器１００の原理を簡単に説明する。レーザー光の光源としては、コヒーレントで単一波長が得易く、高速変調が容易なＶＣＳＥＬ光源５０１が、一般的に用いられる。
【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（Ａ）、図２（Ｂ）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、略同一にすれば良い。
【００２２】
原子発振器１００は、｜１＞準位と｜２＞準位との差の半分の周波数（νclock／２）を有する周辺信号を、ＶＣＳＥＬの駆動電流に重畳させて、周波数を掃引する。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】
この際、光検出器５０５における透過光強度は、ピークを示し（図２（Ｃ）参照）、搬送波の両側には、サイドバンドが発生する（図２（Ｄ）。周波数制御手段は、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。つまり、周波数制御手段は、搬送波とサイドバンドとの周波数差が、セシウムの固有周波数である９．２ＧＨｚと一致するように、レーザ光の周波数を４．６ＧＨｚに変調する。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】
〔アルカリ金属セルの構成〕
図３に、本実施の形態に係るアルカリ金属セル１００の概略構成を示す。
【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、第１のヒーター１０４、第２のヒーター１０５、アルカリ金属セル用のヒーター配線１０６（第１のヒーター配線１０６ａ、第２のヒーター配線１０６ｂ）、電極パッド１０７（電極パッド１０７ａ、電極パッド１０７ｂ）、アルカリ金属１０８、等を含む。
【００２６】
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構成され、該材料としては、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。
【００２７】
第１の透光性基板１０１と第２の透光性基板１０２とは、キャビティ１０９を介して対向する。第１の透光性基板１０１の一方の面は、シリコン基板１０３と接合（例えば、陽極接合）し、他方の面（面Ａ）には、第１の面取り構造（テーパ面Ａ'）が形成される。第１の面取り構造は、少なくとも面Ａにおける縁の一部が面取りされる構造を有しており、図３（Ａ）では、１辺が面取りされる構造となっている。第２の透光性基板１０２の一方の面は、シリコン基板１０３と接合（例えば、陽極接合）し、他方の面（面Ｂ）には、第２の面取り構造（テーパ面Ｂ'）が形成される。第２の面取り構造は、少なくとも面Ｂにおける縁の一部が面取りされる構造を有しており、図３（Ａ）では、１辺が面取りされる構造となっている。
【００２８】
シリコン基板１０３には、貫通孔が形成され、キャビティ１０９（貫通孔の内部）には、アルカリ金属１０８（例えば、セシウム、ルビジウム、等）と共にバッファガス（例えば、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、等）が封止される。
【００２９】
第１のヒーター１０４は、第１の透光性基板１０１に形成され、第２のヒーター１０５は、第２の透光性基板１０２に形成される。第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５は、対向する２本の配線で構成され、キャビティ１０９を囲むような略円形状を有する。
【００３０】
ところで、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５は、抵抗体に電流が与えられることで発熱する構成を有するため、各ヒーターに電流が流れることで、ヒーターには磁場が発生する。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、アルカリ金属セルに一様な磁場を印可し、縮退した共鳴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遷移を使用するのが一般的である。しかしながら、０−０遷移であっても、外部から不要な磁場が印可されると、磁場に対する周波数シフトがゼロではなくなり、共鳴周波数が変動してしまうため、原子発振器としての性能が低下してしまう。
【００３１】
そこで、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の形状を、該形状とすることで、対向する２本の配線に、加熱電流を逆方向に流すことができるため、各ヒーターに加熱電流が流れることで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。更に、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、原子発振器の性能低下を抑制することができる。
【００３２】
第１のヒーター配線１０６ａは、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５に接続され、第１の面取り構造、面Ｃ（テーパ面Ａ'とテーパ面Ｂ'との間に挟まれる面）、及び第２の面取り構造を通る配線である。第２のヒーター配線１０６ｂは、第１のヒーター１０４及び電極パッド１０７ａに接続され、第１の面取り構造、及び面Ｃを通る配線と、第２のヒーター１０５及び電極パッド１０７ｂに接続され、第２の面取り構造、及び面Ｃを通る配線である。
【００３３】
電極パッド１０７ａは、面Ｃに形成され、第２のヒーター配線１０６ｂを介して、第１のヒーター１０４と電気的に接続される。電極パッド１０７ｂは、面Ｃに形成され、第２のヒーター配線１０６ｂを介して、第２のヒーター１０５と電気的に接続される。
【００３４】
図３（Ｂ）に示すように、各電極パッドには、ボンディングワイヤ１１０が接続されるため、第１のヒーター１０４と電極パッド１０７ａとの間、第２のヒーター配線１０６ｂと電極パッド１０７ｂとの間の電気的接触の信頼性を高めることが可能である。
【００３５】
ボンディングワイヤ１１０は、各電極パッドに接続される。即ち、ボンディングワイヤ１１０は、各電極パッド、第１の面取り構造及び第２の面取り構造を通るヒーター配線１０６を介して、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５と電気的に接続される。これにより、ボンディングワイヤ１１０と電極パッドとの電気的接触の信頼性を高め、少ない本数のボンディングワイヤ１１０で、第１のヒーター２０４及び第２のヒーター１０５との接続を良好に維持することができる。
【００３６】
本実施の形態に係るアルカリ金属セル１００は、第１のヒーター１０４と第２のヒーター１０５とが、第１及び第２の面取り構造を通る第１のヒーター配線１０６ａを介して面Ｃで直接接続されるため、配線に要するスペースを低減し、リード線の本数を低減できる。又、電極パッドと各ヒーターとが、第１の面取り構造及び第２の面取り構造を通る第２のヒーター配線１０６ｂを介して面Ｃで接続されるため、パッド部での電気的接触の確実性、及び面取り構造を通ることでの配線の接続信頼性を高められる。更に、電極パッドやボンディングワイヤ等を、面Ｃに集約することで、物理パッケージを小型化、単純化し、且つ、温度制御性を向上させて、省電力化を図ることができる。これにより、アルカリ金属セル１００において、信頼性を低下させることなく、小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３７】
なお、アルカリ金属セルの構成は、図３に示す構成に特に限定されるものではなく、図４に示す構成とすることも可能である。図４に示す構成が、図３に示す構成と異なる点は、２つの電極パッド２０７（電極パッド２０７ａ、電極パッド２０７ｂ）、ボンディングワイヤ等が、面Ｃではなく、面Ａに集約される点である。図４に示す構成としても、リード線の本数等を低減し、物理パッケージを小型化、単純化できる。但し、面Ｃに集約する構成は、面Ａに集約する構成と比較して、小型化が容易であるというメリットを有する。
【００３８】
〔アルカリ金属セルの作製方法〕
図５乃至図１５は、本実施の形態に係るアルカリ金属セル１００の作製方法の一例を示す図である。図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）に示す断面図は、図５（Ａ）、図６（Ａ）、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）、図１２（Ａ）に示す上面図の鎖線Ｘ−Ｘに対応する。
【００３９】
まず、図５に示すように、シリコン基板１０３を準備する。シリコン基板１０３は、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ず、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、等を用いることもできる。
【００４０】
次に、シリコン基板１０３に、貫通孔１０９ａを形成する。具体的には、シリコン基板１０３の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置により露光、現像（フォトリソグラフィ）を行い、貫通孔１０９ａとならない領域にレジストパターン（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、レジスト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１０９ａを形成する。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、等の方法を採用しても良い。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。
【００４１】
貫通孔ａ１０９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、矩形状であっても良いし、多角形状であっても良い。
【００４２】
次に、図６に示すように、シリコン基板１０３の一方の面と第１の透光性基板１０１の一方の面とを、陽極接合により接合し、プレフォーム基板（シリコン基板１０３に、第１の透光性基板１０１を接合した積層基板）を形成する。具体的には、陽極接合装置（図示せず）の減圧チャンバー内に、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、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良い。
【００４３】
なお、透光性基板を機械加工して、プレフォーム基板を形成することも可能である。例えば、ガラス基板を穴加工し、該ガラス基板に、ガラス製の透光性基板を溶着することで、プレフォーム基板を形成しても良い。
【００４４】
次に、図７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、マイクロピペット１１１を用いて、アンプルから取り出した液体のアルカリ金属（例えば、セシウム）１０８を、嫌気性グローブボックス（Anaerobic Glove box）中で、プレフォーム基板に形成される凹状の穴に滴下する。
【００４５】
アルカリ金属を凹状の穴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良い（例えば、非特許文献４参照）。
【００４６】
又、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良い（例えば、非特許文献５参照）。具体的には、シリコン基板に、エッチング法等により溝で連通した２種の貫通孔を開け、該基板の一方の面に第１のガラス基板を陽極接合して、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、シリコン基板の他方の面に、第２のガラス基板を陽極接合して、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。
【００４７】
次に、図８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凹状の穴に、バッファガス１１２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良いし、Ａｒ／Ｎ２、等のような混合ガスでも良い。
【００４８】
次に、図９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の一方の面とを、陽極接合により接合する。具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内に、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、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１０９が形成される。
【００４９】
次に、図１０に示すように、第１の透光性基板１０１の他方の面（面Ａ）に、開き角９０°のブレード１１４を用いて、２つのキャビティ列の間に、深さ（Ｄ１）が約２００μｍのテーパ溝１１３ａを形成する。又、第２の透光性基板１０２の他方の面（面Ｂ）に、開き角９０°のブレード１１４を用いて、２つのキャビティ列の間に、深さ（Ｄ１）が約２００μｍのテーパ溝１１３ｂを形成する。
【００５０】
次に、図１１に示すように、第１の透光性基板１０１に、第１のヒーター１０４を形成し、第２の透光性基板１０２に、第２のヒーター１０５を形成する。具体的には、第１の透光性基板１０１の他方の面（面Ａ）に、フォトリソグラフィを行い、Ｔｉ下地膜、Ｐｔヒータ膜を形成して、リフトオフを行うことで、第１のヒーター１０４を形成する。又、第２の透光性基板１０２の他方の面（面Ｂ）に、フォトリソグラフィを行い、Ｔｉ下地膜、Ｐｔヒータ膜を形成して、リフトオフを行うことで、第２のヒーター１０５を形成する。第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の作製方法としては、当該方法の他にも、スパッタリング、蒸着、塗布―焼成、メッキ、等の方法が挙げられる。
【００５１】
Ｐｔヒータ膜の厚さは、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍとすることが好ましく、Ｐｔヒータ膜の幅は、約５０μｍ〜約３００μｍとすることが好ましい。第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の表面は、後工程での損傷を避けるために、ＳｉＮ膜等の絶縁膜で被覆されることが好ましい。
【００５２】
第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の材料としては、Ｐｔに限定されず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、等を用いることが可能である。
【００５３】
次に、図１２に示すように、両面にヒーターが形成されたアルカリ金属セルのウェハを、幅が約１００μｍのダイシングブレード１１５を用いて、ダイシングラインに沿ってチップ分離する。これにより、第１の透光性基板１０１には、テーパ面Ａ'（第１の面取り構造）が形成され、第２の透光性基板１０２には、テーパ面Ｂ'（第２の面取り構造）が形成される。即ち、第１の透光性基板１０１及び第２の透光性基板１０２に、面取り構造が形成される。
【００５４】
面取り構造は、図１３（Ａ）に示すように、面Ａ及び面Ｂにおける１辺（角部）が、Ｄ２＝Ｄ３＝約１５０μｍで、４５°面取りされているテーパ形状であっても良いし、図１３（Ｂ）に示すように、面Ａ及び面Ｂにおける１辺（角部）が、Ｄ４＝Ｄ５＝約１５０μｍで、丸み面取りされている形状であっても良い。何れの形状を有する場合であっても、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５は、５０μｍ以上であることが好ましく、電気的接続の十分な信頼性を確保するためには、１００μｍ以上であることが、より好ましい。
【００５５】
次に、図１４（Ａ）に示すように、分離されたガスセルチップを、面Ｃが上になるようにして、台座１１６に複数配置する。この際、図１４（Ｂ）に示すように、ガスセルチップを、面Ａ側に配置されるスペーサ１１７ａと面Ｂ側に配置されるスペーサ１１７ｂとで、挟み、固定することが好ましい。スペーサ１１７の高さは、台座１１６から面Ｃまでの高さと略等しくすることが好ましい。
【００５６】
次に、図１５に示すように、面Ｃに、電極パッド１０７（電極パッド１０７ａ、電極パッド１０７ｂ）及びヒーター配線１０６（第１のヒーター配線１０６ａ、第２のヒーター配線１０６ｂ）を形成する。具体的には、面Ｃに、フォトリソグラフィを行い、Ｐｔ／Ｔｉ下地膜、Ａｕ膜を形成して、リフトオフを行うことで、電極パッド１０７及びヒーター配線１０６を形成する（同一積層構造）。面Ｃに凹凸があることを考慮すると、レジストを塗布する際は、スプレイコート法を用いるか、ドライフィルムレジストを使用することが好ましい。電極パッド１０７及びヒーター配線１０６の表面は、後工程での損傷を避けるために、ＳｉＮ膜等の絶縁膜で被覆されていても良い。
【００５７】
なお、強い発熱を意図しない場合、電極パッド１０７及びヒーター配線１０６の材料は、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の材料と比較して、抵抗率の低い材料を選択することが好ましい。又、電極パッド１０７及びヒーター配線１０６の幅は、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の幅と比較して、広いことが好ましい。又、電極パッド１０７及びヒーター配線１０６の膜厚は、第１のヒーター１０４及び第２のヒーター１０５の膜厚と比較して、厚いことが好ましい。
【００５８】
上述の作製方法により作製されたアルカリ金属セル１００は、面取り構造を通る配線を介して、２つのヒーターを接続することで、ヒーター全体に繋ぐリード線の本数を少なくすることができる。又、面Ｃに、電極パッド及びヒーター配線を集約することができるため、無駄なスペースが生じ難く、物理パッケージの小型化、単純化、組み立て工程の簡易化を図れる。更に、面取り構造を通る配線を介して、電極パッドとヒーターとを接続することで、電気的接続の信頼性を高めることができる。
【００５９】
＜実施形態２＞
本実施の形態では、図１６乃至図２６を用いて、実施形態１とは異なるアルカリ金属セルの構成及び作製方法について説明する。
【００６０】
〔アルカリ金属セルの構成〕
図１６に、本実施の形態に係るアルカリ金属セル２００の概略構成を示す。本実施の形態に係るアルカリ金属セル２００の構成と、実施形態１に係るアルカリ金属セル１００の構成とで異なる点は、第１の透光性基板のみに、ヒーターを形成する点である。
【００６１】
アルカリ金属セル２００は、第１の透光性基板２０１、第２の透光性基板２０２、シリコン基板２０３、第１のヒーター２０４、アルカリ金属セル用のヒーター配線２０６（第１のヒーター配線２０６ａ、第２のヒーター配線２０６ｂ）、電極パッド２０７（電極パッド２０７ａ、電極パッド２０７ｂ）、アルカリ金属２０８、等を含む。
【００６２】
第１の透光性基板２０１及び第２の透光性基板２０２は、厚さ０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍの、透光性を有する材料で構成され、該材料としては、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。
【００６３】
第１の透光性基板２０１と第２の透光性基板２０２とは、キャビティ２０９を介して対向する。第１の透光性基板２０１の一方の面は、シリコン基板２０３と接合（例えば、陽極接合）し、他方の面（面Ａ）には、第１の面取り構造（テーパ面Ａ'）が形成される。第１の面取り構造は、少なくとも面Ａにおける縁の一部が面取りされる構造を有しており、図１６では、１辺が面取りされる構造となっている。
【００６４】
シリコン基板２０３には、貫通孔が形成され、キャビティ２０９（貫通孔の内部）には、アルカリ金属２０８（例えば、セシウム、ルビジウム、等）と共にバッファガス（例えば、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、等）が封止される。
【００６５】
第１のヒーター２０４は、第１の透光性基板２０１に形成される。第１のヒーター２０４は、対向する２本の配線で構成され、キャビティ２０９を囲むような略円形状を有する。
【００６６】
第１のヒーター配線２０６ａは、第１のヒーター２０４及び電極パッド２０７ａに接続され、第１の面取り構造、及び面Ｃ（面Ａと逆側で、テーパ面Ａ'に接する面）を通る配線である。第２のヒーター配線２０６ｂは、第１のヒーター２０４及び電極パッド１０７ｂに接続され、第１の面取り構造、及び面Ｃを通る配線である。
【００６７】
電極パッド２０７ａは、面Ｃに形成され、第１のヒーター配線２０６ａを介して、第１のヒーター２０４と電気的に接続される。電極パッド２０７ｂは、面Ｃに形成され、第２のヒーター配線１０６ｂを介して、第１のヒーター２０４と電気的に接続される。
【００６８】
ボンディングワイヤ２１０は、各電極パッドに接続される。即ち、ボンディングワイヤ２１０は、各電極パッド、第１の面取り構造を通るヒーター配線２０６を介して、第１のヒーター２０４と電気的に接続される。これにより、ボンディングワイヤ２１０と電極パッドとの電気的接触の信頼性を高め、ボンディングワイヤ２１０と第１のヒーター２０４との接続を良好に維持することができる。
【００６９】
第１のヒーター１０４と電極パッド２０７とが、第１の面取り構造を通るヒーター配線２０６を介して面Ｃで接続されるため、配線に要するスペースを低減し、パッド部での電気的接触の確実性、及び面取り構造を通ることでの配線の接続信頼性を高められる。又、電極パッドやボンディングワイヤ等を、面Ｃに集約することで、物理パッケージを小型化、単純化し、且つ、温度制御性を向上させて、省電力化を図ることができる。
【００７０】
〔アルカリ金属セルの作製方法〕
図１７乃至図２５は、本実施の形態に係るアルカリ金属セル２００の作製方法の一例を示す図である。図１７（Ｂ）、図１８（Ｂ）に示す断面図は、図１７（Ａ）、図１８（Ａ）に示す上面図の鎖線Ｘ−Ｘに対応する。
【００７１】
まず、図１７に示すように、シリコン基板２０３を準備する。シリコン基板２０３は、厚さ０．２ｍｍ〜５．０ｍｍで形成され、両面に鏡面加工が施される。
【００７２】
次に、シリコン基板２０３に、貫通孔２０９ａを形成する。貫通孔２０９ａの作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。
【００７３】
次に、図１８に示すように、シリコン基板２０３の一方の面と第１の透光性基板２０１の一方の面とを、陽極接合により接合し、プレフォーム基板（シリコン基板２０３に、第１の透光性基板２０１を接合した積層基板）を形成する。プレフォーム基板の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。
【００７４】
次に、図１９に示すように、公知の技術により、マイクロピペット２１１を用いて、アンプルから取り出した液体のアルカリ金属２０８を、嫌気性グローブボックス中で、プレフォーム基板に形成される凹状の穴に滴下する。
【００７５】
次に、図２０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凹状の穴に、バッファガス２１２を導入する。
【００７６】
次に、図２１に示すように、シリコン基板２０３の他方の面と第２の透光性基板２０２の一方の面とを、陽極接合により接合する。陽極接合の条件等については、実施形態１の説明を参酌できる。これにより、φが約２．５ｍｍ、長さが約２ｍｍのキャビティ２０９が形成される。
【００７７】
次に、図２２に示すように、キャビティ２０９に、アルカリ金属２０８及びバッファガス２１２が封止されたアルカリ金属セルのウェハを、ダイシングにより、直方体のチップに分離する。
【００７８】
次に、図２３（Ａ）に示すように、分離された直方体のチップを、面Ｃが上になるようにして、台座２１６に配置する。この際、直方体のチップを、面Ａ側に配置されるスペーサ２１７ａと面Ｂ側に配置されるスペーサ２１７ｂとで、挟み、固定することが好ましい。スペーサ２１７ａ、スペーサ２１７ｂの高さは、台座２１６から面Ｃの２／３までの高さと略等しくすることが好ましい。
【００７９】
その後、平面を研削するブレード２１５を用いて、第１の透光性基板２０１の他方の面における縁の一部に、テーパ加工を行う。これにより、第１の透光性基板２０１には、テーパ面Ａ'（第１の面取り構造）を形成される。即ち、第１の透光性基板２０１に、面取り構造が形成される（図２３（Ｂ）参照）。面取り構造は、図２３（Ａ）に示すように、面Ａにおける１辺（角部）が、Ｄ６＝Ｄ７＝約２５０μｍで、４５°面取りされているテーパ形状である。
【００８０】
次に、図２４（Ａ）に示すように、面取り構造が形成された直方体のチップを、面Ａが上になるようにして配置し、第１の透光性基板２０１に、第１のヒーター２０４を形成する。第１のヒーター２０４の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。この際、図２４（Ｂ）に示すように、直方体のチップを、面Ｄ側に配置されるスペーサ２１７ｃと面Ｃ側に配置されるスペーサ２１７ｄとで、挟み、固定することが好ましい。スペーサ２１７ｃ、スペーサ２１７ｄの高さは、台座２１６から面Ａまでの高さと略等しくすることが好ましい。
【００８１】
次に、図２５（Ａ）に示すように、直方体のチップを、面Ｃが上になるようにして配置し、図２５（Ｂ）に示すように、面Ｃに、電極パッド２０７（電極パッド２０７ａ、電極パッド２０７ｂ）及びヒーター配線２０６（第１のヒーター配線２０６ａ、第２のヒーター配線２０６ｂ）を形成する。電極パッド２０７及びヒーター配線２０６の作製方法については、実施形態１の説明を参酌できる。
【００８２】
上述の作製方法により作製されたアルカリ金属セル２００は、面取り構造を通る配線を介して、ヒーターと各電極パッドとを接続することで、面Ｃに、電極パッド及びヒーター配線を集約することができる。これにより、電極パッドを、透光性基板表面に形成する必要がなくなるため、物理パッケージの小型化、単純化、組み立て工程の簡易化を図れる。更に、温度制御すべき熱容量を小さくできるため、温度制御性を向上させて、省電力化を図ることができる。従って、原子発振器の精度を向上させつつ、小型化、省電力化、低コスト化を実現できる。
【００８３】
なお、アルカリ金属セルの構成は、図１６に示す構成に特に限定されるものではなく、図２６に示す構成とすることも可能である。図２６に示す構成が、図１６に示す構成と異なる点は、面Ａに温度検出器（例えば、サーミスタ、白金抵抗体、熱電対、等）２２０を含み、電極パッド２０７、ヒーター配線２０６等が、テーパ面Ａ'に集約され、温度検出用配線２３０、温度検出用電極パッド２４０等が、面Ｃに集約される点である。
【００８４】
図２６に示す構成とすることで、面取り構造を通る複数の配線を介して、別の機能を有する素子と電極パッドとの、安定した電気的接続を得ることも可能になるため、該セルの多機能化が容易になる。又、電極パッドをテーパ面Ａ'に形成することで、リード線の接続方向の選択肢を増やすことができるため、物理パッケージのより一層の小型化を図れる。
【００８５】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１００，２００            アルカリ金属セル
１０１，２０１            第１の透光性基板
１０２，２０２            第２の透光性基板
１０３，２０３            シリコン基板（基板）
１０４，２０４            第１のヒーター（ヒーター）
１０５                    第２のヒーター
１０６，２０６            ヒーター配線
１０７，２０７            電極パッド
１０８，２０８            アルカリ金属
１０９ａ，２０９ａ        貫通孔
５００                    原子発振器
５０１                    ＶＣＳＥＬ光源
５０５                    フォトダイオード（光検出器）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０００７１１８号
【特許文献２】米国特許第６８０６７８４号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０１８４８１５号
【特許文献４】特開２０１０−２８７９４号公報
【非特許文献】
【００８８】
【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】
2016021455.tif 000003
【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】
2016021455.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016021455.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2016021455.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2016021455.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2016021455.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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