(57)【要約】【課題】低コストで容易に製造できるガスセル及びその製造方法を提供すること。【解決手段】ガスセルは、一方の面から他方の面に貫通する二つの貫通孔１１１、１１２と、二つの貫通孔１１１、１１２を連通する連通部１１５とが形成された、シリコンからなる基板１１０と、一方の面に接合する第１の透明基板１４１と、他方の面に接合する第２の透明基板１４２と、を備える。連通部１１５は、一方の面と他方の面との間に形成され、シリコンからなる壁面によって形成される空間である。【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二つの貫通孔と、前記二つの貫通孔を連通する連通部とが形成された、シリコンからなる基板と、
前記一方の面に接合する第１の透明基板と、
前記他方の面に接合する第２の透明基板と、
を備え、
前記連通部は、前記一方の面と前記他方の面との間に形成され、前記シリコンからなる壁面によって形成される空間であるガスセル。
【請求項２】
各貫通孔は、側壁に凹部を有し、
前記壁面は、隣り合う二つの貫通孔の二つの凹部と、前記二つの凹部に設けた穴により構成されことを特徴とする請求項１記載のガスセル。
【請求項３】
前記連通部は、前記一方の面と、前記他方の面との中央部に形成されることを特徴とする請求項１または２記載のガスセル。
【請求項４】
前記二つの貫通孔は、前記一方の面から前記他方の面までの厚みの０．７倍以下の間隔で配置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ガスセル。
【請求項５】
前記壁面は、前記一方の面から前記他方の面へ突出する第１の凸部と、前記他方の面から前記一方の面へ突出する第２の凸部とが対向して配置されてい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ガスセル。
【請求項６】
前記二つの貫通孔は、前記一方の面及び前記他方の面に形成される開口の大きさが異な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ガスセル。
【請求項７】
面方位＜１００＞のシリコン基板の一方の面と他方の面とに、少なくとも二つの貫通孔のパターンを有するエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、
前記エッチングマスクを用いて前記シリコン基板へ異方性エッチングを行い、前記一方の面と前記他方の面とを貫通する、少なくとも二つの貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
さらに前記シリコン基板へ異方性エッチングを行い、各貫通孔を形成する側壁の一部を除去し、隣り合う二つの貫通孔を連通させる穴を形成する穴形成工程と、を少なくとも有するガスセルの製造方法。
【請求項８】
前記貫通孔形成工程は、前記シリコン基板を、表裏両方向から異方性エッチングを行い、
前記穴形成工程は、前記一方の面と前記他方の面との中央部に前記穴を形成することを特徴とする請求項７記載のガスセルの製造方法。
【請求項９】
前記エッチングマスクは、隣り合う二つの貫通孔の距離が、前記一方の面から前記他方の面までの厚みの０．７倍以下であることを特徴とする請求項７または８記載のガスセルの製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセルを搭載する原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセル、ガスセルの製造方法、及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
極めて正確に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
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。
【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、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いてガスセルを製造する方法が開示されている（特許文献１、２）。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シリコン基板に開口部を形成した後、陽極接合によりガラスとシリコン基板とを接合する。陽極接合は、２００℃〜４５０℃の温度で、ガラスとシリコン基板との界面に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、ガスセル（アルカリ金属セル）が形成される。
【０００６】
アルカリ金属をガスセル内に封入する方法としては、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を発生させる方法がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＭＥＭＳ技術を用いてアルカリ金属セル等のガスセルに用いられる加工基板を作製する場合、極めて困難な製造工程が必要となる場合や、高額な装置が必要となる場合があり、実際に製造することが困難であることや、製造コストが高くなることがある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コストで容易に製造できるガス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】
上述した課題を解決するために、本発明に係るガスセルは、一方の面から他方の面に貫通する二つの貫通孔と、前記二つの貫通孔を連通する連通部とが形成された、シリコンからなる基板と、前記一方の面に接合する第１の透明基板と、前記他方の面に接合する第２の透明基板と、を備える。前記連通部は、前記一方の面と前記他方の面との間に形成され、前記シリコンからなる壁面によって形成される空間である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低コストで容易に製造できるガスセルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】原子発振器を説明する図である。
【図２】関連するアルカリ金属セルを説明する図である。図２（ａ）は、平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す一点鎖線IIｂ−IIｂ線に沿った断面図である。
【図３】関連するアルカリ金属セルの製造方法を説明する図である。図３（ａ）は、誘電体膜形成、図３（ｂ）、（ｃ）は、誘電体膜への貫通孔のパターニング、図３（ｄ）、（ｅ）は、貫通孔の異方性エッチング、図３（ｆ）、（ｇ）は、誘電体膜への溝のパターニングの各工程を表す。
【図４】関連するアルカリ金属セルの製造方法を説明する図である。図４（ａ）、（ｂ）は、溝の異方性エッチング、図４（ｃ）、（ｄ）は、誘電体膜除去後、裏面にガラス板貼り付け、図４（ｅ）、（ｆ）は、Ｃｓディスペンサー及びバッファガスを内包し表面のガラス貼り付けの各工程を表す。
【図５】関連するアルカリ金属セルの製造方法による不具合を説明する図である。
【図６】一実施形態のガスセルの構成例を説明する図である。図６（ａ）は、平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すVIｂ−VIｂ線に沿った断面図である。
【図７】一実施形態の連通部を製造するための異方性エッチングによる、シリコン基板の断面形状の変化を説明する図である。図７（ａ）、（ｂ）は、誘電体膜への貫通孔のパターニング工程を表し、図７（ｃ）乃至（ｅ）は、異方性エッチング工程を表す。
【図８】実施例１のガスセルを説明する図である。図８（ａ）は、誘電体膜形成工程を表し、図８（ｂ）、（ｃ）は、誘電体膜への貫通孔のパターニング工程を表し、図８（ｄ）乃至（ｆ）は、異方性エッチング工程を表し、図８（ｇ）は、完成したガスセルを表す。
【図９】実施例２のガスセルの構成例を説明する図である。図９（ａ）は、平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すIXｂ−IXｂ線に沿った断面図である。
【図１０】実施例２のガスセルの他の構成例を説明する図である。図１０（ａ）は、平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すXｂ−Xｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００１３】
最初に、関連するアルカリ金属セル及びその製造方法について説明し、その後、本発明に係る一実施形態を説明する。
図２は、原子発振器に用いられるアルカリ金属セルの構造を模式的に示した図である。尚、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における一点鎖線IIｂ−IIｂに沿って切断した断面図を表す。
【００１４】
アルカリ金属セルは、シリコン基板１０に形成された二つの貫通孔（貫通穴）、即ち、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２により形成された二つの空間と、この二つの空間を接続（連結）する連結経路となる連結溝１３（凹部）とを有している。第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２により形成される二つの空間は、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２が形成されているシリコン基板１０の一方の面に第１の透明基板４１、他方の面に第２の透明基板４２を貼り付け真空封止することにより形成されている。尚、第１の透明基板４１及び第２の透明基板４２は、ガラス基板等により形成されていてもよい。
【００１５】
第２の貫通孔１２により形成される空間には、アルカリ金属発生剤であるＣｓディスペンサー５０が設置されており、Ｃｓディスペンサー５０にレンズ６１を介してレーザ光６２を照射し加熱することにより、アルカリ金属ガスであるＣｓの気体を発生させる。
【００１６】
このように、Ｃｓディスペンサー５０にレーザ光を照射することにより発生した気体のＣｓは、第２の貫通孔１２により形成された空間より、連結溝１３を介し、第１の貫通孔１１により形成された空間に拡散する。これにより、第１の貫通孔１１により形成された空間を含む領域により、図１に示される原子発振器におけるアルカリ金属セルが形成される。
【００１７】
次に、上述したアルカリ金属セルの製造方法について図３乃至図５を参照して説明する。
図３、４は、関連するアルカリ金属セルの製造方法を説明する図であり、図５は、関連するアルカリ金属セルの製造方法による不具合を説明する図である。
最初に、図３（ａ）に示されるように、シリコン基板１０の表裏両面、即ち、シリコン基板１０の一方の面と他方の面に、誘電体膜２１を形成する。尚、図３（ａ）は誘電体膜２１が表裏両面に形成されたシリコン基板１０の断面図である。
【００１８】
次に、図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように、シリコン基板１０において、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２が形成される領域における誘電体膜２１に開口部２１ａを形成する。誘電体膜２１に形成される開口部２１ａは、シリコン基板１０の両面において対応する位置に形成する。尚、シリコン基板１０は、レーザ光との相互作用長を十分に確保するため、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍのものを用いている。尚、図３（ｂ）は平面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）のIIIｃ−IIIｃ線断面図である。
【００１９】
次に、図３（ｄ）、（ｅ）に示されるように、誘電体膜２１の開口部２１ａにおけるシリコン基板１０のシリコンを異方性エッチングにより除去し貫通させることにより、シリコン基板１０に、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２を形成する。尚、図３（ｄ）は平面図であり、図３（ｅ）は図３（ｄ）のIIIｅ−IIIｅ線断面図である。
【００２０】
次に、図３（ｆ）、（ｇ）に示されるように、連結溝１３が形成される領域に開口部を有するレジストパターン３１を形成し、シリコン基板１０において連結溝１３が形成される領域における誘電体膜２１を除去する。尚、図３（ｆ）は平面図であり、図３（ｇ）は図３（ｆ）のIIIｇ−IIIｇ線断面図である。
【００２１】
次に、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、誘電体膜２１が除去された領域におけるシリコン基板１０における表面のシリコンを一部除去することにより連結溝１３を形成し、レジストパターン３１を除去する。尚、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のIVｂ−IVｂ線断面図である。
【００２２】
次に、図４（ｃ）、（ｄ）に示されるように、誘電体膜２１を除去した後、第１の貫通孔１１、第２の貫通孔１２及び連結溝１３が形成されているシリコン基板１０の一方の面に第１の透明基板４１を貼り付ける。尚、図４（ｃ）は平面図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のIVｄ−IVｄ線断面図である。
【００２３】
次に、図４（ｅ）、（ｆ）に示されるように、第２の貫通孔１２が形成されている空間にＣｓディスペンサー５０を設置し、バッファガスを封入し、シリコン基板１０の他方の面に第２の透明基板４２を貼り付ける。尚、図４（ｅ）は平面図であり、図４（ｆ）は図４（ｅ）のIVｆ−IVｆ線断面図である。
【００２４】
この後、各々のチップに分割し、図２（ｂ）に示すようにアルカリ金属発生剤であるＣｓディスペンサー５０にレーザ光を照射し、アルカリ金属ガスであるＣｓを発生させることによりアルカリ金属セルが完成する。
【００２５】
ところで、上記のアルカリ金属セルの製造方法においては、図３（ｆ）、（ｇ）に示されるような、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２が形成されているシリコン基板１０の両面に、レジストパターン３１を形成することは容易なことではない。具体的には、以下の問題点を有している。
【００２６】
通常、レジストパターン３１を形成するためのフォトレジストを塗布する際には、シリコン基板１０を真空チャックにより保持する方式がとられている。しかしながら、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２を有する穴あきのシリコン基板１０の場合、真空チャックにより保持することができない。
【００２７】
また、シリコン基板１０を真空チャックしフォトレジストを塗布する方法としては、シリコン基板１０の一方の面に第１の透明基板４１を貼り付けた状態でフォトレジストをスピンコートする方法が考えられる。しかしながら、この方法では、フォトレジストは遠心力により第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２からはみ出してしまい、フォトレジストの膜厚にバラツキが生じてしまうため、綺麗にレジストパターンを形成することができない。
【００２８】
また、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２が形成されているシリコン基板１０にフォトレジストを塗布する方法としては、スプレーコート法がある。しかしながら、スプレーコート装置は高額であり、また、スプレーコートによる塗布条件設定も難しい。
さらに、上述した製造方法では、フォトマスクは、第１及び第２の貫通孔用の貫通孔パターンと、連結溝用の溝パターンとの合計２枚が必要となる。
【００２９】
第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２が形成されているシリコン基板１０にフォトレジストを塗布することを回避する方法としては、連結溝１３を形成した後、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２を形成する方法が考えられる。しかしながら、連結溝１３を形成した後、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２を異方性エッチングにより形成しようとすると、図５の破線で示されるように、連結溝１３の両端から中央に向けてエッチングが進行するため、第１の貫通孔１１、第２の貫通孔１２、及び連結溝１３を所望の形状となるように形成することができない。特に、連結溝１３の形状が破たんすることが懸念される。また、ドライエッチングにより第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１２を形成する場合、シリコン基板１０の厚さが１ｍｍ〜２ｍｍと厚いため、短時間でエッチングすることのできる装置は高価であり、また、貫通孔を形成することまでは考慮されたものではない。
【００３０】
一実施形態では、二つの貫通孔及び二つの貫通孔の空間を連結させる構成を、一種類のエッチングマスクを用いて製造する。以下に詳細を説明する。
【００３１】
図６は、一実施形態のガスセルの構成例を説明する図である。図６（ａ）は、複数のガスセルを形成した基板の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すVIｂ−VIｂ線断面図である。
基板に形成された各ガスセルは、シリコン（Ｓｉ）からなるシリコン基板１１０、第１の透明基板１４１、第２の透明基板１４２、及びＣｓディスペンサー１５０を備える。また、シリコン基板１１０には、第１の貫通孔１１１、第２の貫通孔１１２、及び連通部１１５が形成されている。
第１及び第２の貫通孔１１１、１１２は、シリコン基板１１０の一方の面（第１の表面）から他方の面（第２の表面）に貫通する孔（開口部）である。ガスセルは、第１及び第２の貫通孔１１１、１１２によって、シリコン基板１１０と、第１及び第２の透明基板１４１、１４２とに囲まれた空間を有する。
【００３２】
連通部１１５は、第１の貫通孔１１１及び第２の貫通孔１１２を連通する空間であり、この空間により、隔絶された隣り合う二つの貫通孔の間にガスを流通させることを可能にする。詳細には、連通部１１５は、シリコン基板１１０の一方の面と他方の面との間に形成され、シリコン基板１１０によって形成された壁面によって形成される空間である。連通部１１５を形成する壁面は、各貫通孔の側壁に形成される凹部と、隣り合う二つの貫通孔の凹部に設けた穴により構成され、二つの貫通孔の凹部を連結する。また、壁面は、第１及び第２の貫通孔１１１、１１２に近い両端が中央部分より大きな径（口径）を有する。
【００３３】
図６に示すように、一実施形態の連通部１１５は、二つの貫通孔を空間的に接続する溝を、シリコン基板１１０の表裏どちらの表面にも形成していない。この点は、図２に示した構成例と異なる。図６（ｂ）のシリコン基板１１０の断面に表わすように、シリコン基板１１０の一方の面と他方の面との間に、穴を設け、その穴により二つの貫通孔を空間的に接続する。連通部１１５は、シリコン基板１１０の一方の面と他方の面との中央に、穴が設けられることが好ましい。これは、連通部１１５がシリコン基板１１０の表裏両面から異方性エッチングにより形成されるからである。また、連通部１１５を形成する壁面は、一方の面から対向する他の面の方向へ突出する第１の凸部と、他方の面から一方の面の方向へ突出する第２の凸部とが対向して配置され、凸部間に空間が設けられる構成であるともいえる。凸部は、異方性エッチングによって形成されるシリコン基板の二つの斜面により形成される。なお、異方性エッチングの工程については図７を参照して後述する。
このように、連通部１１５は、第１及び第２の透明基板１４１、１４２に関係することなく、シリコン基板１１０の内部に形成される空間である。
他の構成要素は、図２に示すガスセルと同様であるため、説明を省略する。
【００３４】
図７を参照して、連通部１１５を形成する異方性エッチングによる、シリコン基板１１０の断面形状の変化を説明する。
図７（ａ）は、パターニング後の基板の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す基板のVIIｂ−VIIｂ線断面図である。なお、図７（ｃ）乃至（ｅ）は、図７（ｂ）と同様に、基板のVIIｂ−VIIｂ線に沿った断面を示している。
図７（ａ）、（ｂ）は、面方位＜１００＞のシリコン基板１１０の両面に誘電体膜１２１を形成し（図３（ａ）と同様）、誘電体膜１２１に複数の貫通孔パターンをパターニングした状態（エッチングマスク形成工程後）の基板を表す。パターニングした誘電体膜１２１は、シリコンを異方性エッチングする際のエッチングマスクとなる。
図７（ｃ）は、異方性エッチングによりシリコンをエッチングした状態を表し、シリコン基板１１０の表裏両面からエッチングが進み、シリコン基板１１０が貫通した状態（貫通孔形成工程の第一段階）を表している。シリコン基板１１０の側壁にはエッチング速度の遅い＜１１１＞面が現れるため、図７（ｃ）に示したような断面形状となる。
【００３５】
図７（ｄ）は、エッチングを継続し、オーバーエッチングを行った状態であり、＜１１１＞面によってできた頂点からのエッチングが進み、側壁は垂直に近い形状になる（貫通孔形成工程の第二段階）。
図７（ｅ）は、さらにオーバーエッチングを進めた状態であり、側壁は鋭角となるようエッチングされ、新たな＜１１１＞面が出現し、図７（ｅ）に示すような形状となる（穴形成工程後）。
【００３６】
シリコン基板１１０の＜１１１＞面は、シリコン基板１１０の表面から５４．７°の角度でエッチングされる。このため、チップ（一つのガスセル）の中央部では二つの貫通孔間距離Ｌをシリコン基板１１０の厚みＴより小さくする（例えば、０．７倍以下）ことによって、二つの貫通孔を形成する側壁の一部に、二つの貫通孔を連通させる穴を形成することが可能になる。また、貫通孔間距離Ｌは、厚みＴの０．５倍以上であることが好ましい。貫通孔間距離Ｌが小さな値だと破損する可能性が高くなるからである。
従って、シリコン基板１１０の一方の面と他方の面との中央部に連通部を形成する場合、＜１１１＞面の角度が一定であるため、隣り合った貫通孔（例えば、第１及び第２の貫通孔１１１、１１２）間の距離と、シリコン基板１１０の厚みとの関係が、穴を設ける上では重要となる。
【００３７】
上述したように、一実施形態のガスセルは、シリコンからなる基板に二つの貫通孔と、二つの貫通孔を空間的に接続する穴（連通部）からなり、二つの貫通孔を空間的に接続する穴は、基板の一方の面と他方の面との間の中心位置に形成される。また、ガスセルの製造方法は、面方位＜１００＞のシリコン基板を表裏両方向から異方性エッチングにより基板を貫通させた後、オーバーエッチングを行う。これにより、隣り合った貫通孔の側壁の一部を除去し、空間的に接続する穴を形成する。また、一実施形態では、二つの貫通孔及び穴を製造する工程を、一種類のエッチングマスクを用いて実現する。
なお、連通部１１５を形成した後のガスセルの製造は、図４（ｃ）乃至（ｆ）を参照して説明した工程と同様であるため、説明を省略する。
以下に、具体的な実施例を説明する。
【００３８】
実施例１．
実施例１では、シリコン基板は直径（φ）１００ｍｍ、厚み（Ｔ）２ｍｍ、面方位＜１００＞で、ＯＦは＜１１０＞を用いる。
図８（ａ）に示すように、シリコン基板２１０両面に誘電体膜２２１を成膜する。誘電体膜２２１はＬＰ−ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法やＰ−ＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）法によって成膜したＳｉＮ膜や、シリコンを酸化したＳｉＯ２膜を用いることができ、膜厚はシリコン基板の異方性エッチングに耐えられる膜厚（例えば２００ｎｍ）であれば良い。
本実施例では、ＬＰ−ＣＶＤ法によるＳｉＮ膜を２００ｎｍ成膜した。
【００３９】
図８（ｂ）は、パターニング後の基板の平面図、図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示す基板のVIIIｃ−VIIIｃ線断面図であり、ガスセル１チップの断面を表す。なお、図８（ｄ）乃至（ｇ）は、図８（ｃ）と同様に、基板のVIIIｃ−VIIIｃ線に沿った断面を示している。
シリコン基板２１０表裏両面には、複数の貫通孔を形成する領域に開口部２２１ａを有する貫通孔パターン（レジストパターン）を形成する。貫通孔パターンはフォトリソグラフィ工程によりレジスト（図示せず）を貫通孔形状にパターン化し、ドライエッチング等によりＳｉＮ膜をエッチングすることで形成することが出来る。フォトリソグラフィ工程で使用するフォトマスクは表裏パターンを同じパターンで作製しているため、フォトマスクは１枚で形成することができる。
本実施例の貫通孔の大きさは３ｍｍ×３ｍｍであり、隣り合う貫通孔の距離Ｌは１ｍｍである。
【００４０】
図８（ｄ）乃至（ｆ）は、ＫＯＨ溶液（３０％）８５℃で異方性エッチングを実施した断面を表している。図８（ｄ）は、シリコン基板２１０の表裏から異方性エッチングを行い、基板を貫通させた時点の断面図である。第１及び第２の貫通孔２１１、２１２の側壁は＜１１１＞面が露出することにより、凸状の断面となる。なお、ＫＯＨ溶液の＜１００＞面のエッチングレート（３０％、８５℃）は、およそ１００μｍ／ｈｒであるので、２ｍｍ厚のシリコン基板２１０を貫通させるためには、およそ１０時間（表裏両面からエッチングされる）が必要となる。
図８（ｅ）に示すように、オーバーエッチングを行うと、＜１１１＞面で形成された突起の頂点からエッチングが進み、約４時間かけて第１及び第２の貫通孔２１１、２１２の側壁がほぼ垂直になる。さらにオーバーエッチングを進めると、第１及び第２の貫通孔２１１、２１２の側壁は凹状に変化し、別の＜１１１＞面が出現し、図８（ｆ）に示すような形状となる。第１及び第２の貫通孔２１１、２１２の側壁は大きく凹み、＜１１１＞面の角度は、シリコン基板２１０の表面から５４．７°（シリコン基板２１０の表面と＜１１１＞面とのなす角が５４．７°）となり、表面側からの＜１１１＞面と裏面側からの＜１１１＞面が交わる所では見掛け上エッチングがストップする。ただし、図８（ｃ）に示すように第１の貫通孔２１１と第２の貫通孔２１２との距離Ｌを１ｍｍと設定しているため、上下方向からの＜１１１＞面が交わる前に左右方向で穴が形成され第１の貫通孔２１１と第２の貫通孔２１２とは連通部２１５によって空間的に接続される。穴が形成されるまでの時間は、貫通孔の側壁が垂直な状態から約３．５時間である。
【００４１】
その後ＳｉＮ膜を除去し裏面にガラス板２４１を貼り付け、Ｃｓ化合物２５０を内包するよう表側のガラス板２４２を貼り付ける。図８（ｇ）に表すように、レーザ光２６２をＣｓ化合物２５０に照射・加熱することでＣｓ蒸気を発生させ、破線で示すように、連通部２１５を介してＣｓ蒸気を反応室（第１の貫通孔２１１）に移動させることでガスセル２００が完成する。
ガラス板２４１、２４２は、陽極接合法やＡｕＳｎ接合法により貼り付けされ、接合装置内で真空排気を行った後にバッファガス（例えばＨｅやＮｅ等）を導入して貼り付ける。
【００４２】
上述したように、実施例１では、フォトマスクとして、貫通孔の位置をパターニングする貫通孔パターンを用いて、二つの貫通孔及び連通部を形成すること、フォトリソグラフィ工程も表裏１回ずつ計２回で製造可能であること、連通部（穴部分）はセルフアライメントで形成できること、により製造工程を簡略化することが可能となる。
【００４３】
実施例２．
実施例２では、二つの貫通孔の大きさを変えたガスセルの構成例を説明する。ガスセルにおいて、シリコン基板３１０に形成する、貫通孔の一つはＣｓ化合物を収納するための原料室であり、もう一つの貫通孔はレーザを透過させてＣｓ原子を励起するための反応室となる。実施例２では、図９に示すようにレーザを透過させる反応室（第１の貫通孔）３１１を３ｍｍ×３ｍｍ、Ｃｓ化合物３５０を収納する原料室（第２の貫通孔）３１２を１．５ｍｍ×１．５ｍｍと小さくした。反応室３１１と原料室３１２との距離は実施例１と同様１ｍｍとしている。Ｃｓ化合物３５０は大きさが（１ｍｍ×１ｍｍ×０．６ｍｍ）であるため、原料室３１２をこの大きさまで小さくすることが可能である。その結果、ガスセル３００を小さく製造することができる。
【００４４】
また、図１０に示すように、シリコン基板４１０に形成する、原料室４１２をガスセル４００中心からずらした位置に設置することで、ガスセル４００と一体化して形成された薄膜ヒーター４７１の電極パッド４７２、４７３を設置することが可能となる。薄膜ヒーター４７１は、ガラス板４４２に蒸着法又はスパッタ法によってＰｔ等の薄膜を成膜し、リフトオフ法やバックスパッタ法等によってパターニングしたものである。
なお、図９、図１０の構成例において、連通部３１５、４１５の形成方法は、実施例１と同様である。
【００４５】
実施例２に記載したようなガスセル３００、４００は外形寸法を小さくすることが可能となり、より小型の原子発振器を実現することが可能となる。
【００４６】
以上のように、本発明に係る好適な実施形態によれば、貫通孔が形成されたシリコン基板上に、レジストを塗布するという難しい工程を必要とせず、貫通孔のエッチング時にオーバーエッチングすることによってセルフアラインにより第１の貫通孔と第２の貫通孔とを空間的に接続する連通部（穴）を形成できる。これにより、製造工程の簡略化を実現し、コストを削減することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１１０、２１０、３１０、４１０  シリコン基板（基板）
１１１、２１１  第１の貫通孔
１１２、２１２  第２の貫通孔
１１５、２１５、３１５、４１５  連通部
１２１、２１２  誘電体膜
１２１ａ、２２１ａ  開口部
１４１  第１の透明基板
１４２  第２の透明基板
１５０  Ｃｓディスペンサー
２００、３００、４００  ガスセル
２４１、３４１、４４１  ガラス板（第１の透明基板）
２４２、３４２、４４２  ガラス板（第２の透明基板）
２５０、３５０、４５０  Ｃｓ化合物
２６２  レーザ光
３１１、４１１  反応室
３１２、４１２  原料室
４７１  薄膜ヒーター
４７２、４７３  電極パッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４８】
【特許文献１】特開２００９−２１２４１６号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３５２６号公報
【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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