計測自動制御学会東北支部 第 299 回研究集会 (2015.12.5)
資料番号 299-2

複室型シリコンを用いた MEMS 原子磁力計セルの開発
Microfabricated Potassium vapor cells with double-chamber for
MEMS atomic magnetometers○稲岡徹 ∗ ，石田健太郎 ∗ ，山端夏海 ∗ ，大坊真洋 ∗○ Toru Inaoka∗ , Kentaro Ishida∗ ，Natsumi Yamahata∗ ，Masahiro Daibo∗*岩手大学*Iwate University
キーワード : 原子磁力計 (atomic magnetometer)，光ポンピング (optical pumping)，アルカリ金属原子蒸気セル (alkali metal vapor cell)，アジ化カリウム (Potassium azide)，フェムト秒レーザー (femtosecondlaser)，陽極接合 (anodic bonding)

連絡先 : 〒 020-8551 盛岡市上田 4-3-5 岩手大学 工学部 電気電子・情報システム工学科 大坊研究室
大坊真洋，Tel.: (019)621-6983，E-mail: daibo@iwate-u.ac.jp

1.

序論

原子磁力計である. 光ポンピング原子磁力計は今日, 医療・バイオ, 分析・検査, 環境・資源調査など様々な分野で磁場計測技術は活用されている. その中でも特に, 人間の脳や心臓が発する微弱磁場を計測できる技術が求められている.
これまでに微弱磁場計測技術として SQUID磁束計が最も広く利用されてきた. SQUID 磁束計は装置が大型で, 液体ヘリウムを用いて冷却し, 極低温で動作させる必要があるといった理由などから, 運用コストが高いという側面があった. そこで, SQUID 磁束計に代わる磁場計測技術として現在注目されているデバイスが光ポンピング原子磁力計 1) である.
アルカリ金属原子に円偏光のレーザーを照射室温付近で動作し, 高感度な磁場の検出が期待でき, 省電力化, 小型化が可能である.
本研究では光ポンピング原子磁力計の小型化を目的とし, 光ポンピング原子磁力計の性能を決定するアルカリ金属原子蒸気を封入する容器である, セルを Micro Electro Mechanical Sys-tem(MEMS) 技術を用いて小型化した. 今回,MEMS 技術によるセル製作プロセスならびに,吸収スペクトル計測および磁場応答信号の測定によってセルの評価を行った結果について報告する.

2.

し, 外部から磁場を加えると電子が歳差運動する. この現象を利用することにより, 偏光の変化として磁場を超高感度に検出することができる. これを原理としたデバイスが光ポンピング複室型 MEMS 原子磁力計セル

純粋なアルカリ金属は揮発性が高く, 高い温度を必要とする MEMS セル製作プロセスと適合性が低かったが, アジ化アルカリ金属を用いる方法が提案された 2) . アジ化アルカリ金属に深–1–

Z

計セルの製作プロセスを図 2 に示す. まず, 原子Decomposition Chamber

磁力計として機能する部分（以下, プローブ室）

Borosilicate glassとアルカリ金属を封入する部分（以下, 分解室）

SiliconPotassium Azideを連結させたパターンを形成するために, フォX

トリソグラフィー技術によってシリコン基板をProbe ChamberZ'YZ加工する [図 2(a-e)]. 今回, 大きさが 10 mm ×

図 1 複室型シリコンを用いた小型のカリウム原子磁力計セル

10 mm × 0.75 mm のシリコン基板を使用した.
プローブ室には直径 3.4 mm の円形の貫通孔を,紫外線を照射することによってアルカリ金属と窒素に分解できることが報告されているが 2, 3) ,分解室には一辺の長さ 1.8 mm の正方形の貫通

深紫外線はホウケイ酸ガラスを数%程度しか透分解室を連結させ, 複室型とするために, 幅 0.2過しない. そのため, セルを封止した後に紫外線mm, 長さ 2.1 mm の通路を設けた.

孔となるように設計した. また, プローブ室とを照射し, アジ化アルカリ金属を分解すること

まず, 反応性イオンエッチングを行うために,は困難と考えられる. そこで我々はフェムト秒

シリコン基板にレジストを塗布する [図 2(a)]. 次

レーザーが引き起こす多光子吸収を利用し, その問題点を解決した 4) .にプリベークを行い, レジストを硬化させた後,しかし, アジ化カリウムにレーザーを照射すをレジストに転写する [図 2(b)]. ポストエクス

ると, アジ化カリウムが付着しているガラス表

ポジャーベーク, 現像, ハードベークを行った後,面が曇る. この曇りによって, 原子磁力計のセル反応性イオンエッチングを行い, シリコン基板として使用する際にレーザー光が減光する課題にパターンを形成させる [図 2(c-d)]. エッチングがあった. このことが磁場感度の向上を妨げて終了後, レジストおよびエッチングストッパーいると我々は推測し, 本研究ではアジ化カリウとなった酸化膜を剥離する [図 2(e)].

紫外線の露光によってフォトマスクのパターンムを封入する部分と原子磁力計のセルとして機次に, 陽極接合による MEMS セルの封止工程能する検出部分を分ける複室型の MEMS 原子について説明する [図 2(f-i)]. 図 2(e) のシリコン磁力計セル (図 1) を製作した.

基板およびホウケイ酸ガラス基板を洗浄した後,本研究で開発した複室型の MEMS 原子磁力
Photolithography process(a)Anodic bonding process(f)Photomask

UV(b)

ResistSilicon(g)

Silicon dioxide
Etching gas(c)

Borosilicate glass

(h)

(d)
(e)

Pottasium azide

Laser

Argon gas, Nitrogen gas
Potassium vapor, Nitrogen gas
and Argon gas(i)

図 2 MEMS セル製作プロセス (図 1 の Z-Z’ 断面). (a) シリコン基板へレジストの塗布, (b) 紫外線の露光によるパターンの転写, (c)(d) 反応性イオンエッチングによるパターンの作製, (e) レジストの剥離, (f) 陽極接合による preform 基板の作製, (g) アジ化カリウムの封入, (h) 陽極接合によるセルの封止, (i) フェムト秒
レーザー照射によるアジ化カリウムの分解

–2–

1.9

Optical Power [mW]

Optical Power [mW]

2.1
2.05
2
1.95
1.9
1.85
1.8
770.08 770.09

770.1

1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
770.08 770.09

770.11 770.12 770.13 770.14 770.15

770.1

770.11 770.12 770.13 770.14 770.15

Wavelength [nm]Wavelength [nm](a) 常温時の入射光(b) 常温時の透過光
1.7

Optical Power [mW]

2.1

Optical Power [mW]

1.8

2.05
2
1.95
1.9
1.85
1.8770.08 770.09

770.1

1.68
1.66
1.64
1.62
1.6
770.08 770.09

770.11 770.12 770.13 770.14 770.15

770.1

770.11 770.12 770.13 770.14 770.15

Wavelength [nm]Wavelength [nm](c) 高温時の入射光(d) 高温時の透過光

図3複室型 MEMS セルの吸収スペクトル

陽極接合し, preform 基板をつくる [図 2(f)]. 各fs, 繰り返し周波数 200 kHz, ビーム径 5 µm, 平基板の洗浄方法について説明する. ホウケイ酸

均パワーは 200 mW である.

ガラス基板はホットアセトンで脱脂を行う. シリコン基板はホットアセトンによる脱脂に加え,硫酸と 30%過酸化水素水の混合溶液による加熱,

3.

セルの評価

アンモニア水と 30%過酸化水素水と脱イオン水

複室型の MEMS 原子磁力計セルの評価を行の混合溶液による加熱, 塩酸と 30%過酸化水素うために吸収スペクトル計測および磁場応答信水と脱イオン水の混合溶液による加熱を順に行号の測定を行った. 図 3 に吸収スペクトルの計う. 次に, [図 2(f)] と同様の手順で preform 基測結果を示す. 横軸が波長, 縦軸がパワーメー板とガラス基板を洗浄する. 洗浄後, アジ化カターによって計測した光パワーである. 図 3a

リウムの粉末をピンセットを用いて preform 基はセルを加熱しない状態での入射光特性である.

板の分解室に封入し, ガラス基板とともにをボ

図 3b はセルを加熱しない状態での透過光特性ンディングチャンバー内にセッティングする [図である. 図 3a はセルへの入射光で, 図 3b は図2(g)]. そして, 数日間真空引きを行う. 今回チャ3a に対応する常温時の透過光である. 図 3c はンバー内の圧力は 5.5 × 10−5 Pa であった. そセルを 132◦ C に加熱した状態での入射光特性での後, チャンバー内にアルゴン, 窒素の混合気体ある. 図 3d はセルを 132◦ C に加熱した状態でを 25 kPa 導入し, 基板を 300◦ C に加熱する. 2の透過光特性である. 図 3c の入射光に図 3d のkV の電圧を基板全体に印加して, 陽極接合しセ高温時の透過光が対応している. 常温時と高温ルを封止する [図 2(h)]. 最後に, 封止したセルの時の入射光の条件はほぼ一致している. 一方で,分解室にフェムト秒レーザーを照射し, アジ化透過光は常温時と高温時で異なった特性を示し,カリウムの分解, カリウム蒸気の生成を行う [図カリウムの D1 線である 770.11 nm 付近で高温

2(i)]. レーザーの波長は 1030 nm, パルス幅 260時の透過光が小さくなった.

–3–

図 4 の装置を用いて, 複室型の MEMS 原子磁Three-axis Helmholtz coilLaser

力計セルに交流磁場を印加し, 楕円偏光レーザー

Potassium vapor cell

λ/2を入射することによって磁場応答信号を測定しλ/2 λ/4PBSた. 測定結果からセルの最高磁場感度を推定しλ/2た. 実験条件はセルの温度が 132◦ C , 磁気シー

AbsorberWavemeter

ルドボックスと偏光ビームスプリッタの間にあMagnetic shielded box

る λ/2 と λ/4 によって最適な楕円率に調整した
楕円偏光を入射した. また楕円偏光レーザーのよって周波数 2.99 kHz, 信号強度 29.6 nTrms の交流磁場を印加し実験を行った. 図 5 にスペクZX

波長はカリウムの D1 線から適度に離調し, パワーは 4 mW であった. ヘルムホルツコイルにSignal [dB]

た X 軸方向の磁場印加に対する応答信号である.
図 5 の結果から推定したセルの最高磁場感度は2 nTrms であった.
また, 複室型の MEMS セルのプローブ部と同-40-50-60-70-80-90-1002.89

図5セルを複室型と同様のプロセスで製作し, そのワーで最大感度を得ることができた.

DTA
Lock-in

2.94

2.99

3.04

3.09

Frequency [kHz]じ直径 3.4 mm の円形のキャビティをもつ MEMS

ルと比較して, 3 分の 1 の楕円偏光レーザーパ

PD2

図 4 磁場応答信号測定に使用した光ポンピング原子磁力計装置図. PBS: 偏光ビームスプリッタ, PD:フォトダイオード, DTA: 差動増幅器号を示す. 図 5 の実験結果は図 1 や図 4 に示し測定結果から複室型セルは複室を持たないセPD1

Function
generatorY

トラムアナライザによって記録した磁場応答信複室を持たないセルの磁場応答信号を測定した.

Mirror複室型の MEMS セルの磁場応答信号によって分解され, カリウムが生成されたことを確認した. 磁場応答信号の測定結果から X 軸方向の最高磁場感度が 2 nTrms であった. 複室型セルは複室を持たないセルと比較して, 3 分の1 の楕円偏光レーザーパワーで最大感度を得る

4.

結論ことができた.

アジ化カリウムにレーザーを照射すると, アジ化カリウムが付着しているガラス表面が曇る

参考文献

ことによって, 原子磁力計のセルとして使用する際にレーザー光を減光してしまうことが分かった. そこで本研究ではアジ化カリウムを封入する部分と原子磁力計のセルとして機能する検出部分を分ける複室型の MEMS 原子磁力計セルを提案してきた. フォトリソグラフィー技術によってシリコンを複室型に加工し, 陽極接合によってアジ化カリウムを封入した小型の原子磁力計セルを作成した. 吸収スペクトルの計測結果から, アジ化カリウムがフェムト秒レーザー–4–1) IK Kominis, TW Kornack, JC Allred, and MV Romalis. A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer.
Nature, Vol. 422, No. 6932, pp. 596–599, 2003.
2) Li-Anne Liew, John Moreland, and Vladislav Gerginov.
Wafer-level filling of microfabricated atomic vapor cells
based on thin-film deposition and photolysis of cesium
azide. Applied Physics Letters, Vol. 90, No. 11, pp. –,2007.
3) T. Overstolz, J. Haesler, G. Bergonzi, A. Pezous, P.-A.
Clerc, S. Ischer, J. Kaufmann, and M. Despont. Wafer
scale fabrication of highly integrated rubidium vaporcells. In Micro Electro Mechanical Systems (MEMS),
2014 IEEE 27th International Conference on, pp. 552–555, Jan 2014.
4) 成田匡伸, 大坊真洋. MEMS 技術による小型原子磁力計. 第75 回応用物理学会秋季学術講演会, 2014. 19p-A24-11.