JP2013125907A - Atomic oscillator manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子発振器の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an atomic oscillator.
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測る原子時計（原子発振器）の分野で、近年、小型化・低コスト化を目指し、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属を、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等のバファガスと共に、微小なセルに閉じ込め、光学的な現象を利用するチップスケール原子時計（ＣＳＡＣ：Chip Scale Atomic Clock）の開発が進められている。この形式の代表的なものは、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式を用いたもので、図１に基本的な構成図を示す。 In the field of atomic clocks (atomic oscillators) that accurately measure time using transitions between ultrafine levels of alkali metals, in recent years, aiming for miniaturization and cost reduction, such as cesium (Cs), rubidium (Rb), etc. Development of a chip scale atomic clock (CSAC) that uses an optical phenomenon by confining an alkali metal together with a buffer gas such as Ne, Ar, and N 2 in a minute cell is in progress. A typical example of this format uses a CPT (Coherent Population Trapping) method, and FIG. 1 shows a basic configuration diagram.
ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、レーザ素子９１０と、アルカリ金属を封入したガスセル９４０と、ガスセル９４０を透過したレーザ光を受光する受光素子９５０とを有しており、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２つの遷移における遷移エネルギー差は不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギー差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、受光素子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、この原子時計では、レーザ素子９１０から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ９２０、λ／４波長板９３０を介し、アルカリ金属を封入したガスセル９４０に照射される。
As shown in FIG. 1, the CPT type atomic clock includes a
ＣＰＴ共鳴における原子の超微細構造エネルギー準位は、図２に示されるように、Λ型３準位系であり、Ｃｓ原子のＤ１ライン遷移（６Ｓ１／２→６Ｐ１／２）の場合は、｜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。Ｃｓ原子をセルに封入しＤ１ライン遷移を利用する場合について説明する。レーザ素子９１０となる光源としては、多くの場合は単一波長が得やすく高速変調が容易なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が選択される。このＶＣＳＥＬの発振波長をＣｓにおけるＤ１ライン遷移の波長８９４．３５ｎｍとほぼ同一にする。このＶＣＳＥＬの駆動電流に｜１＞準位と｜２＞準位の差の周波数（νclock）かその半分の周波数（νclock／２）の周辺の信号を重畳させ周波数を掃引する。ＣｓにおけるＤ１ライン遷移の場合は、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かνclock／２に一致すると、｜１＞→｜３＞と｜２＞→｜３＞の遷移がなくなり暗共鳴（Dark resonance）状態になる。このとき図１に示す受光素子９５０における透過光強度はピークを示す。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、周波数標準が実現される。
As shown in FIG. 2, the hyperfine structure energy level of the atom in the CPT resonance is a Λ-type three-level system, and in the case of the D1 line transition (6S 1/2 → 6P 1/2 ) of the Cs atom. , | 1> level is 6S 1/2 F4, | 2> level is 6S 1/2 F3, and | 3> level is 6P 1/2 . A case where Cs atoms are enclosed in a cell and D1 line transition is used will be described. In many cases, a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) that can easily obtain a single wavelength and easily perform high-speed modulation is selected as a light source that becomes the
ＣＳＡＣをより小型、低コストで量産が可能な構造にするため、その物理パッケージ、特に中心部品であるガスセル９４０を製造する際にはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた様々な方法の開発が進められてきている。尚、封入されるアルカリ金属は、酸素、及び、水分との反応性が非常に高く、このガスセル９４０の作製において最も重要な課題は、量産性が高く、ガスセル９４０中の内包物が経時変化しない、セル構造と封入方法を確立することである。
Development of various methods using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology when manufacturing the physical package, especially the
非特許文献３に開示されている方法は、Ｓｉウェハ中にエッチング法により貫通穴をあけ、これの１面にガラスウェハを陽極接合し、凹状の穴をもつ半積層体を作製する。その後、嫌気性グローブボックス(Anaerobic Glove box)中でこの半積層体の凹状の穴にアンプルからマイクロピペットを用い取り出した液体Ｃｓを滴下し、そのまま真空室に搬送し、高真空引きし、バファガスを導入した後に、もう１面のＳｉ面と第２のガラスウェハとを陽極接合し、ガスセルを作製する方法である。
In the method disclosed in
非特許文献４に開示されている方法では、非特許文献３に開示されている方法と同様に作製した半積層体に、嫌気性グローブボックス中で、ＢａＮ６＋ＲｂＣｌ入の微小なガラスアンプルを加熱し反応させＲｂを凹状の穴に蒸着させた後、非特許文献３に開示されている方法と同様な工程で第２のガラスウェハを陽極接合しガスセルを作製する方法である。
In the method disclosed in Non-Patent Document 4, a minute glass ampoule containing BaN 6 + RbCl is heated in a semi-laminate produced in the same manner as in the method disclosed in
非特許文献５に開示されている方法では、非特許文献３に開示されている方法と同様に作製した半積層体を蒸着装置中にセットし、ＣｓＮ３膜を蒸着する。次に、これを陽極接合装置にセットし、高真空引きし、第２のガラスウェハと陽極接合し、取り出した後、ＵＶ光を照射しＣｓＮ３をＣｓ金属とＮ２ガスに分解し、Ｃｓ原子とＮ２バッファガスを内包したガスセルを作製する方法である。
In the method disclosed in Non-Patent Document 5, a semi-laminate produced in the same manner as the method disclosed in Non-Patent
非特許文献６に開示されている方法では、Ｓｉウェハ中にエッチング法により溝で連通した２種の貫通穴をあけ、これの１面にガラスウェハを陽極接合し、２種の凹状の穴をもつ半積層体を作製する。大気中でアルカリ金属発生剤を１種目の凹状の穴に配置し、高真空引きし、バファガスを導入した後に、もう１面のＳｉ面と第２のガラスウェハとを陽極接合した積層体を作製する。この積層体中のアルカリ金属供給剤に外部からレーザ光を照射し加熱しアルカリ金属蒸気を発生させ、ガスセルを作製する方法である。
In the method disclosed in
ところで、アルカリ金属発生剤は、室温では大気中での取り扱いが可能で、所定の温度に加熱されることによりアルカリ金属蒸気を発生する。 By the way, the alkali metal generator can be handled in the atmosphere at room temperature, and generates an alkali metal vapor when heated to a predetermined temperature.
これらのアルカリ金属発生剤の形式の１つは、従来から光電子増倍管や光電管などで使用されており、酸化剤と還元剤との組み合わせを構成成分として含むペレット状あるいは粉末状の薬剤である。この還元剤はＺｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ等を含み、酸化剤はアルカリ金属イオンをカウンターカチオンとするクロム酸塩やバナジウム酸塩やタングステン酸塩やモリブデン酸塩を含む。Ｚｒ、Ａｌを還元剤としてＣｓクロム酸塩からＣｓ蒸気を発生させる反応式を化１に示す。尚、このようなアルカリ金属発生剤については、特許文献３〜６に開示されている。
One of these types of alkali metal generators has been conventionally used in photomultiplier tubes, phototubes, etc., and is a pellet or powdered drug containing a combination of an oxidizing agent and a reducing agent as a constituent component. . The reducing agent includes Zr, Si, Ti, Al, and the like, and the oxidizing agent includes chromate, vanadate, tungstate, and molybdate with an alkali metal ion as a counter cation. A reaction formula for generating Cs vapor from Cs chromate using Zr and Al as reducing agents is shown in
などの支持体上にアルカリ金属単体を蒸着し、このアルカリ金属堆積物をチタン、ジルコ
ニウムなどのゲッター材堆積物により被覆し形成するものである。
ところで、Ｓｉウェハとホウケイ酸ガラスウェハの陽極接合時に、Ｏ２、ＯＨ基グループ、Ｈ２Ｏが脱ガスすることが知られている。このため、非特許文献３、４に開示されている２回目の接合時に、半積層体の凹状の穴に単体のアルカリ原子が投入されている方法では、通常の接合条件より穏やかな条件で行われる。即ち、通常は３５０℃〜４５０℃の温度で１ｋＶ程度の電圧が印加されるが、非特許文献３、４に開示されている方法では、２００℃〜２５０℃の温度で、１ｋＶである。しかしながら、このような温和な条件での接合は、接合後にも界面から上記のガス種を出し続ける。このガス種が、アルカリ金属と反応し固体の酸化物を生成させ、これがセルの窓に付着し、ガスセルの信頼性を低下させてしまう。
By the way, it is known that O 2 , an OH group, and H 2 O are degassed during anodic bonding of a Si wafer and a borosilicate glass wafer. For this reason, the method in which a single alkali atom is introduced into the concave hole of the semi-stacked body at the time of the second bonding disclosed in Non-Patent
また、非特許文献５に開示されている方法では、ＣｓＮ３膜をＵＶ光で分解してＣｓとＮ２ガスを発生させるものであるため、バッファガス種がＮ２ガスに限定される。また、ＵＶ光の分解反応時間が数時間から十時間以上の時間を要するため量産性が低い。更に、非特許文献５に開示されている方法では、２回目の接合時に、半積層体の凹状の穴にＣｓＮ３膜が蒸着されているが、この物質は３００℃以上では制御しにくい分解反応がおこるので、２００℃程度で接合されている。このため、上述した非特許文献３、４に開示されている方法と同様の問題が生じる。
In the method disclosed in Non-Patent Document 5, since the CsN 3 film is decomposed with UV light to generate Cs and N 2 gas, the buffer gas species is limited to N 2 gas. In addition, since the UV light decomposition reaction time takes several hours to 10 hours or more, mass productivity is low. Furthermore, in the method disclosed in Non-Patent Document 5, a CsN 3 film is deposited in the concave hole of the semi-stacked body at the time of the second bonding, but this substance is difficult to control at 300 ° C. or higher. Therefore, the bonding is performed at about 200 ° C. For this reason, the problem similar to the method currently disclosed by the
また、非特許文献６に開示されている方法では、２回目の陽極接合の前に、半積層体の凹状の穴投入されているアルカリ金属発生剤は、大気中でも安定であり５００℃程度でも反応が開始しない。よって、２回目の陽極接合は４００℃〜４５０℃での十分な条件で行われる。しかしながら、アルカリ金属発生後の残渣がバッファガスを吸着することがあり、特に、Ｎ２ガスがバファガスの場合は吸着による影響は無視できない。また、残渣から発生する微粉末がセルの信頼性を低下させることが懸念される。また、多くの場合アルカリ金属発生剤は、磁性体になりやすいＣｒの化合物を含むが、超微細構造の準位の様態は磁界に敏感に影響されるので、ガスセルを磁気センサに搭載する場合はもちろん、原子時計に搭載する場合でも、セルの近傍にアルカリ金属発生剤残渣が存在することは高い計測精度を得る為には大きな問題となる。
In addition, in the method disclosed in Non-Patent
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a low-cost and highly reliable atomic oscillator.
本発明は、光源よりアルカリ金属を封入したアルカリ金属セルに光を照射し、前記アルカリ金属セルを透過した光を光検出器により検出することにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御する原子発振器の製造方法において、第２の基板に前記第２の基板を貫通する第１の穴と第２の穴を形成し、透明な第１の基板または前記第２の基板に前記第１の穴と前記第２の穴とを連結する連結溝を形成する工程と、前記第２の基板の前記第２の穴の形成されている領域にアルカリ金属発生剤を入れ、前記第２の基板の一方の面に前記第１の基板を接合し、前記第２の基板の他方の面に透明な第３の基板を接合する基板接合工程と、前記アルカリ金属発生剤を加熱しアルカリ金属ガスを発生させ、前記連結溝を介し発生した前記アルカリ金属ガスを前記第１の穴の形成されている領域内に供給する工程と、前記連結溝の形成されている領域において、前記第１の基板を変形させて、前記第１の基板を前記第２の基板に接合し、前記第１の穴と前記第２の穴との間を遮断する工程と、を有し、前記第１の穴が形成されている領域を含む部分により、前記アルカリ金属セルが形成されることを特徴とする。 The present invention irradiates an alkali metal cell encapsulated with an alkali metal from a light source and detects the light transmitted through the alkali metal cell with a photodetector, thereby absorbing light due to the quantum interference effect by two types of resonance light. In the method for manufacturing an atomic oscillator in which the oscillation frequency is controlled according to the characteristics, a first hole and a second hole penetrating the second substrate are formed in the second substrate, and the transparent first substrate or the second substrate is formed. Forming a connecting groove for connecting the first hole and the second hole to the substrate, and placing an alkali metal generator in a region where the second hole is formed on the second substrate. A substrate bonding step of bonding the first substrate to one surface of the second substrate and bonding a transparent third substrate to the other surface of the second substrate; and the alkali metal generator. Heat to generate alkali metal gas and connect Supplying the alkali metal gas generated through the first region into the region in which the first hole is formed; and deforming the first substrate in the region in which the connection groove is formed; Bonding the first substrate to the second substrate and blocking between the first hole and the second hole, and including a region in which the first hole is formed The alkali metal cell is formed by the portion.
また、本発明は、光源よりアルカリ金属を封入したアルカリ金属セルに光を照射し、前記アルカリ金属セルを透過した光を光検出器により検出することにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御する原子発振器の製造方法において、第２の基板に前記第２の基板を貫通する貫通穴と溝を形成し、透明な第１の基板または前記第２の基板に前記貫通穴と前記溝とを連結する連結溝を形成する工程と、前記第２の基板の一方の面に前記第１の基板を接合し、前記第２の基板の他方の面に透明な第３の基板を接合する基板接合工程と、前記貫通穴の形成されている領域内に前記溝及び前記連結溝を介しアルカリ金属ガスを供給する工程と、前記連結溝の形成されている領域において、前記第１の基板を変形させて、前記第１の基板を前記第２の基板に接合し、前記貫通穴と前記溝との間を遮断する工程と、を有し、前記貫通穴の形成されている領域を含む部分により、前記アルカリ金属セルが形成されることを特徴とする。 In addition, the present invention is based on the quantum interference effect caused by two types of resonance light by irradiating light to an alkali metal cell encapsulating alkali metal from a light source and detecting the light transmitted through the alkali metal cell with a photodetector. In a method for manufacturing an atomic oscillator in which an oscillation frequency is controlled by light absorption characteristics, a through hole and a groove penetrating the second substrate are formed in a second substrate, and the transparent first substrate or the second substrate is formed. Forming a connecting groove for connecting the through hole and the groove; joining the first substrate to one surface of the second substrate; and transparent transparent to the other surface of the second substrate. A substrate bonding step of bonding the three substrates, a step of supplying an alkali metal gas through the groove and the connection groove in the region where the through hole is formed, and a region where the connection groove is formed, Changing the first substrate A step of joining the first substrate to the second substrate and blocking between the through hole and the groove, and by a portion including a region where the through hole is formed The alkali metal cell is formed.
本発明によれば、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas cell used in a low-cost and highly reliable atomic oscillator and the like. Therefore, it is possible to provide a low-cost and highly reliable atomic oscillator.
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。 The form for implementing this invention is demonstrated below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図３〜図７に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、ガラス基板により形成される第１の基板１０と、Ｓｉ基板により形成される第２の基板２０と、ガラス基板により形成される第３の基板３０とを用いた製造方法である。尚、第１の基板１０は、透明であり、厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含むホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
[First Embodiment]
A method of manufacturing the atomic oscillator in the first embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is a method for manufacturing a gas cell in an atomic oscillator, and includes a
図３に示すように、第２の基板２０には、両面が鏡面研磨されている厚さ１．３ｍｍのＳｉ基板が用いられており、第１の穴となる第１の貫通穴２１と、第２の穴となる第２の貫通穴２２と、第２の基板２０の一方の面において、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２とを接続する連結溝２３が形成されている。尚、図３（ａ）は、第２の基板２０における一方の面側の上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）における一点鎖線３Ｃ−３Ｄにおいて切断した断面図である。
As shown in FIG. 3, the
第２の基板２０の形成方法は、最初に、第２の基板２０となるＳｉ基板の表面に連結溝２３を形成する。具体的には、第２の基板２０となるＳｉ基板の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、連結溝２３を形成するためのレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、グレースケールフォトマスクを用いて露光することにより形成されており、連結溝２３が形成される領域を除く領域は、レジストパターンの厚さが厚く形成されており、連結溝２３が形成される領域は、形成される連結溝２３の深さに応じて厚さが薄くなるように形成されている。この後、このレジストパターンをマスクとして、Ｃ４Ｆ８等のエッチングガスを用いたＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチングを行なう。これにより、連結溝２３が形成される領域において薄く形成されているレジストパターンは除去されて、形成されていたレジストパターンの厚さに応じて、その下のＳｉ基板の一部が除去され、凹状の連結溝２３を形成することができる。このように形成された凹状の連結溝２３の深さは、最も深いところで、１５０μｍとなるように形成する。尚、この連結溝２３は、封止のしやすさや歩留り等の観点から、図３（ｃ）に示されるように、なめらかな形状となるように形成されていることが好ましい。
In the method of forming the
また、グレースケールフォトマスクを用いた方法以外にも、連結溝２３が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成した後、ウェットエッチングによりレジストパターンの形成されていない領域のＳｉ基板の一部を除去することにより、連結溝２３を形成する方法であってもよく、また、イオンを斜め方向から入射させるイオンエッチング等によりレジストパターンの形成されていない領域のＳｉ基板の一部を除去することにより、連結溝２３を形成する方法であってもよい。尚、連結溝２３を形成した後は、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。
In addition to the method using a gray scale photomask, after forming a resist pattern having an opening in the region where the
次に、第２の基板２０となるＳｉ基板を貫通する第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２を形成する。この第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２は、連結溝２３により接続されるように形成する。具体的には、第２の基板２０となるＳｉ基板の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、ＩＣＰドライエッチング等においてＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給するボッシュプロセスにより、第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。
Next, the 1st through-
これにより、第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２及び第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２とを連結する連結溝２３が形成された第２の基板２０を形成することができる。このように形成された第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。また、上記においては、ドライエッチングにより形成する方法について説明したが、ウェットエッチング、サンドブラスト、機械加工等の方法によっても形成することが可能である。また、上記においては、第２の貫通穴２２はＳｉ基板を貫通するものであるが、必ずしも貫通させる必要はなく、Ｓｉ基板の一部が残るようエッチングを行なうことにより穴を形成したものであってもよい。
Thus, the
次に、図４に示すように、第２の基板２０の一方の面に第１の基板１０を接合し、第２の基板２０の他方の面に第３の基板３０を接合する。尚、図４（ａ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ａ−３Ｂに対応した部分の断面図であり、図４（ｂ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ｃ−３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 4, the
最初に、連結溝２３が形成されている第２の基板２０の一方の面と第１の基板１０とを陽極接合法により接合する。具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内において、第１の基板１０及び第２の基板２０を３８０℃に加熱し、第２の基板２０の一方の面と第１の基板１０とを接触させて、第１の基板１０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第１の基板１０と第２の基板２０との間に圧力を加えることにより、第１の基板１０と第２の基板２０とを接合する。これにより、第１の基板１０と第２の基板２０とは、第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２及び連結溝２３を除いた全ての領域が接合される。
First, one surface of the
次に、第２の基板２０における第２の貫通穴２２の内部にアルカリ金属発生剤４０を設置した後、第２の基板２０の他方の面と第３の基板３０とを接合する。尚、第３の基板３０は、透明であり、厚さが０．２ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含むホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内に、アルカリ金属発生剤４０が設置されている第１の基板１０と第２の基板２０とが接合されたものと、第３の基板３０とを設置し、高真空に真空引きした後、減圧チャンバー内にＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎ２のうち１又は２以上からなるバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．１ｋＰａ〜１０００ｋＰａとし、この後、第２の基板２０及び第３の基板３０を３８０℃に加熱し、第２の基板２０の他方の面と第３の基板３０とを接触させて、第３の基板３０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第２の基板２０と第３の基板３０との間に圧力を加えることにより、第２の基板２０と第３の基板３０とを接合する。
Next, after the alkali
次に、図５に示すように、第２の基板２０における第２の貫通穴２２に設置されているアルカリ金属発生剤４０に第１の基板１０等を介してレーザ光５０を照射し、アルカリ金属発生剤４０よりアルカリ金属ガスが発生するまで加熱する。尚、図５（ａ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ａ−３Ｂに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 5, the alkali
これにより、第２の貫通穴２２の内部より連結溝２３を介して第１の貫通穴２１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。尚、レーザ光５０の光源としては、数Ｗ程度の出力を有する６３０ｎｍ帯、８０８ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯の半導体レーザや、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザ、１０μｍ帯ＣＯ２レーザ等が挙げられる。また、照射されるレーザ光５０は、図示されるように、レンズ等の光学系５１を介しレーザ光が集光されたものであることが好ましい。レーザ光５０により加熱される温度は、アルカリ金属発生剤４０となるものが、還元剤がＴｉ、Ａｌであり酸化剤がクロム酸塩の場合は７００℃程度であり、還元剤がＳｉであり酸化剤がモリブデン酸塩の場合は９００℃程度である。
As a result, the
次に、図６に示すように、第１の基板１０の連結溝２３が設けられている領域において、第１の基板１０を変形させて、第２の基板２０に接合する。尚、図６（ａ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ａ−３Ｂに対応した部分の断面図であり、図６（ｂ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ｃ−３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 6, the
具体的には、第２の基板２０の一方の面に第１の基板１０が接合され、他方の面に第３の基板３０が接合されたものを陽極接合装置に設置し、第１の基板１０のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度に加熱した後、連結溝２３が形成されている領域において、第１の基板１０に加熱されたグラファイト製の凸状の圧子５２を接触させ加重を加える。本実施の形態では、第１の基板１０はＴｇが約５２５℃のホウケイ酸ガラスにより形成されており、６００℃〜６８０℃に加熱した圧子５２により第１の基板１０に圧力を加えることにより、第１の基板１０において、圧子５２により圧力が加えられた領域１１が変形し、第２の基板２０と接触して連結溝２３を埋める。この後、圧子５２を一端離し、圧子５２の温度を４５０℃にした後、圧子５２を第１の基板１０の領域１１に再度接触させ、圧子５２側に電源５３により−１０００Ｖの電圧を印加する。これにより、領域１１において第１の基板１０は第２の基板２０と陽極接合により接合することができる。よって、この陽極接合により、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間を遮断することができ、第２の基板２０における第１の貫通穴２１が形成されている領域の内部にアルカリ金属ガス４１を封入することができる。
Specifically, the
尚、上記以外のアルカリ金属ガス４１の封入方法としては、既に接合されている第１の基板１０と第２の基板２０を再度、４５０℃〜６００℃の温度で加熱し、連結溝２３が形成されている第１の基板１０における領域１１において、圧子５２を用いて陽極接合を行ってもよい。また、連結溝２３が形成されている領域において、電源５３により電圧を印加することなく、圧子５２の温度を高くすることにより、第１の基板１０と第２の基板２０とを融着させる方法や、第１の基板１０及び第２の基板２０をＣＯ２レーザにより局所的に加熱しながら圧子５２により加圧することにより第１の基板１０と第２の基板２０とを融着させる方法であってもよい。
In addition, as the sealing method of the
次に、図７に示すように、ダイシングにより、第２の基板２０における第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間の連結溝２３が形成されていた領域、即ち、第１の基板１０における領域１１において切断する。更に、第２の基板２０における第１の貫通穴２１の周囲をダイシングにより切断することにより、第２の基板２０において第１の貫通穴２１内にアルカリ金属ガス４１が封入されているガスセル６０を作製することができる。尚、図７（ａ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ａ−３Ｂに対応した部分の断面図であり、図７（ｂ）は、この工程における図３（ａ）の一点鎖線３Ｃ−３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 7, a region where the
このように作製されたガスセル６０は、内部に含まれるアルカリ金属ガス４１の純度が高く、不純物が少なく、また、製造工程も単純で少ない。よって、本実施の形態では、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
The
また、本実施の形態では、第２の基板２０に複数の第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２及び連結溝２３を形成することにより、複数のガスセル６０を同時に製造することができる。よって、低コストでガスセル６０を製造することができる。
In the present embodiment, the plurality of
（変形例）
次に、本実施の形態における変形例について説明する。本実施の形態における変形例は第２の基板１２０を複数のＳｉ基板により形成するものである。このように複数のＳｉ基板を用いることにより、ガスセルにおいて第１の基板１０と第３の基板３０との間隔を広くすることができる。
(Modification)
Next, a modification of the present embodiment will be described. In the modification in the present embodiment, the
図８から図１０に基づき、第２の基板１２０を第１のＳｉ基板１２０ａと第２のＳｉ基板１２０ｂにより形成する場合について説明する。
A case where the
図８に示されるように、第１のＳｉ基板１２０ａには、第１の貫通穴２１ａと、第２の貫通穴２２ａと、第１の貫通穴２１ａと第２の貫通穴２２ａとを連結する連結溝２３が形成されている。また、図９に示されるように、第２のＳｉ基板１２０ｂには、第１の貫通穴２１ｂと第２の貫通穴２２ｂが形成されている。尚、第１のＳｉ基板１２０ａにおける連結溝２３は第１のＳｉ基板１２０ａの一方の面に形成されている。また、第２のＳｉ基板１２０ｂにおいて、第１の貫通穴２１ｂ及び第２の貫通穴２２ｂが形成される位置は、第１のＳｉ基板１２０ａにおいて、第１の貫通穴２１ａと第２の貫通穴２２ａが形成される位置に対応した位置に形成されている。
As shown in FIG. 8, the first through
具体的には、第１のＳｉ基板１２０ａの形成方法は、上述した第２の基板２０の形成方法と同様の方法により形成する。第１のＳｉ基板１２０ａの形成方法は、第２のＳｉ基板１２０ｂは連結溝２３を形成する工程を除き、上述した第２の基板２０と同様の方法により形成する。
Specifically, the
次に、図１０に示すように、第１のＳｉ基板１２０ａの他方の面と第２のＳｉ基板１２０ｂの一方の面とを直接接合等の接合方法により接合する。この際、第１のＳｉ基板１２０ａにおける第１の貫通穴２１ａの位置と第２のＳｉ基板１２０ｂにおける第１の貫通穴２１ｂの位置が一致し、第１のＳｉ基板１２０ａにおける第１の貫通穴２２ａの位置と第２のＳｉ基板１２０ｂにおける第２の貫通穴２２ｂの位置が一致するように接合する。これにより、第１のＳｉ基板１２０ａと第２のＳｉ基板１２０ｂにより第２の基板１２０が形成される。また、第１のＳｉ基板１２０ａにおける第１の貫通穴２１ａと第２のＳｉ基板１２０ｂにおける第１の貫通穴２１ｂにより貫通穴２１が形成され、第１のＳｉ基板１２０ａにおける第１の貫通穴２２ａと第２のＳｉ基板１２０ｂにおける第２の貫通穴２２ｂにより貫通穴２２が形成される。
Next, as shown in FIG. 10, the other surface of the
このように形成された第２の基板１２０は、前述した第２の基板２０と同様に用いることができる。具体的には、図１１に示されるように、第２の基板２０と同様に、第２の基板１２０の一方の面、即ち、第１のＳｉ基板１２０ａの一方の面に第１の基板１０を接合し、第２の貫通穴２２にアルカリ金属発生剤４０を設置し、第２の基板１２０の他方の面、即ち、第２のＳｉ基板１２０ｂの他方の面に第３の基板３０を接合する。
The
この後、上述した図５〜図７に示す工程を行なうことにより、第１の基板１０と第３の基板３０との間隔が広い構造のガスセルを作製することができる。
Thereafter, by performing the steps shown in FIGS. 5 to 7 described above, a gas cell having a structure in which the distance between the
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図１２〜図１７に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、ガラス基板により形成される第１の基板２１０と、Ｓｉ基板により形成される第２の基板２２０と、ガラス基板により形成される第３の基板３０とを用いた製造方法である。
[Second Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the second embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is a method of manufacturing a gas cell in an atomic oscillator, and includes a
最初に、図１２に示されるように、第１の基板２１０を形成する。第１の基板２１０には、厚さが０．１ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含む透明なホウケイ酸ガラス等のガラスウェハが用いられており、連結溝２１３が形成されている。尚、図１２（ａ）は、第１の基板２１０における一方の面側の上面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における一点鎖線１２Ａ−１２Ｂにおいて切断した断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）における一点鎖線１２Ｃ−１２Ｄにおいて切断した断面図である。
First, as shown in FIG. 12, a
具体的に、第１の基板２１０の形成方法は、第１の基板２１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより連結溝２１３が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより深さが１μｍ〜１０００μｍの連結溝２１３を形成する。尚、ドライエッチングにより形成する場合には、エッチング速度が大きいことから、ＣＦ４等を用いた磁気中性線プラズマ（Neutral Loop Discharge：ＮＬＤ）法等が好ましい。また、この連結溝２１３は、封止のしやすさや歩留り等の観点から、図１２（ｃ）に示されるように、なめらかな形状となるように形成されていることが好ましい。ウェットエッチングは等方的にエッチングがなされるため、なめらかな形状の連結溝２１３を容易に形成することができる。また、ドライエッチングにより形成する場合には、前述したようにグレースケールマスク等を用いる方法等により形成することができる。尚、この連結溝２１３は、後述する第２の基板２２０に形成される第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２とを連結させることができる位置に形成されている。
Specifically, in the method of forming the
次に、図１３に示されるように、第２の基板２２０を形成する。第２の基板２２０には、両面が鏡面研磨されている厚さ１．３ｍｍのＳｉ基板が用いられており、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２が形成されている。尚、図１３（ａ）は、第２の基板２２０における一方の面側の上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における一点鎖線１３Ａ−１３Ｂにおいて切断した断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）における一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄにおいて切断した断面図である。
Next, as shown in FIG. 13, a
具体的に、第２の基板２２０の形成方法は、第２の基板２２０となるＳｉ基板の一方の面又は他方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、ＩＣＰドライエッチング等においてＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給するボッシュプロセスにより、第２の基板２２０となるＳｉ基板を貫通する第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。
Specifically, the
次に、図１４に示すように、第２の基板２２０の他方の面と第３の基板３０とを接合し、第２の基板２２０の一方の面に第１の基板２１０を接合する。尚、図１４は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ａ−１３Ｂに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 14, the other surface of the
最初に、第２の基板２２０の他方の面と第３の基板３０とを接合する。尚、第３の基板３０は、透明であり、厚さが０．２〜３ｍｍであって、可動イオンを含むホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内において、第２の基板２２０及び第３の基板３０を３８０℃に加熱し、第２の基板２２０の他方の面と第３の基板３０とを接触させて、第３の基板３０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第２の基板２２０と第３の基板３０との間に圧力を加えることにより、第２の基板２２０と第３の基板３０とを接合する。これにより、第２の基板２２０と第３の基板３０とは、第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２を除いた全ての領域が接合される。
First, the other surface of the
この後、第２の基板２２０における第２の貫通穴２２の内部にアルカリ金属発生剤４０を設置した後、連結溝２１３が形成されている第１の基板２１０の一方の面と第２の基板２２０の一方の面とを陽極接合法により接合する。より詳細に説明すると、陽極接合装置の減圧チャンバー内に、アルカリ金属発生剤４０が設置されている第２の基板２２０と第３の基板３０とが接合されたものと、第１の基板２１０とを設置し、高真空に真空引きした後、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザとビーム集光光学系５１を有するレーザビーム加熱装置を用いて、第１の基板２１０を介してレーザ光５０をアルカリ金属発生剤４０に照射し、５００℃程度に加熱する。これにより、アルカリ金属発生剤４０から不純物ガスを脱ガスさせる。この後、減圧チャンバー内にＮｅ等のバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．１ｋＰａ〜１０００ｋＰａ、例えば、２０ｋＰａとし、第１の基板２１０及び第２の基板２２０を３８０℃に加熱し、第１の基板２１０の一方の面と第２の基板２２０の基板の一方の面とを接触させて、第１の基板２１０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第１の基板２１０と第２の基板２２０との間に圧力を加えることにより、第１の基板２１０と第２の基板２２０とを接合する。
Thereafter, after the alkali
次に、図１５に示すように、第２の基板２２０における第２の貫通穴２２に設置されているアルカリ金属発生剤４０に第１の基板２１０等を介してレーザ光５０を照射し、アルカリ金属発生剤４０よりアルカリ金属ガスが発生するまで加熱する。尚、図１５（ａ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ａ−１３Ｂに対応した部分の断面図であり、図１５（ｂ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 15, the alkali
これにより、第２の貫通穴２２の内部より連結溝２１３を介して第１の貫通穴２１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。レーザ光５０により加熱される温度は、アルカリ金属発生剤４０となるものが、還元剤がＴｉ、Ａｌであり酸化剤がクロム酸塩の場合は７００℃程度であり、還元剤がＳｉであり酸化剤がモリブデン酸塩の場合は９００℃程度である。
As a result, the
次に、図１６に示すように、連結溝２１３が設けられている領域において、第１の基板２１０を変形させて、第２の基板２２０に接合する。尚、図１６（ａ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ａ−１３Ｂに対応した部分の断面図であり、図１６（ｂ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 16, the
具体的には、第２の基板２２０に第１の基板２１０及び第３の基板３０が接合されたものを陽極接合装置に設置し、第１の基板２１０のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度に加熱した後、連結溝２１３が形成されている領域において、第１の基板２１０に加熱されたグラファイト製の凸状の圧子５２を接触させ加重を加える。本実施の形態では、第１の基板２１０はＴｇが約５２５℃のホウケイ酸ガラスにより形成されており、６００℃〜６８０℃に加熱した圧子５２により第１の基板２１０に圧力を加えることにより、第１の基板２１０において、圧子５２により圧力が加えられた領域２１４は変形し、第２の基板２２０と接触し連結溝２１３を埋める。この後、圧子５２を一端離し、圧子５２の温度を４５０℃にした後、圧子５２を第１の基板２１０の領域２１４に再度接触させ、圧子５２側に電源５３により−１０００Ｖの電圧を印加する。これにより、領域２１４において第１の基板２１０は第２の基板２２０と陽極接合により接合される。この陽極接合により、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間を遮断することができ、第２の基板２２０における第１の貫通穴２１が形成されている領域の内部にアルカリ金属ガス４１を封入することができる。
Specifically, a structure in which the
次に、図１７に示すように、ダイシングにより、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間となる第１の基板２１０において連結溝２１３が形成されていた領域、即ち、第１の基板２１０における領域２１４において切断する。更に、第２の基板２２０における第１の貫通穴２１の周囲をダイシングにより切断することにより、第２の基板２２０において第１の貫通穴２１内にアルカリ金属ガス４１が封入されているガスセル２６０を作製することができる。尚、図１７（ａ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ａ−１３Ｂに対応した部分の断面図であり、図１７（ｂ）は、この工程における図１３（ａ）の一点鎖線１３Ｃ−１３Ｄに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 17, the region where the
このように作製されたガスセル２６０は、内部に含まれるアルカリ金属ガス４１の純度が高く、不純物が少なく、また、製造工程も単純で少ない。よって、本実施の形態では、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
The
また、本実施の形態では、第１の基板２１０に複数の連結溝２１３、第２の基板２２０に複数の第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２を形成することにより、複数のガスセル２６０を同時に製造することができる。よって、低コストでガスセル２６０を製造することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
In the present embodiment, a plurality of gas cells are formed by forming a plurality of
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図１８〜図２０に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、ガラス基板により形成される第１の基板３１０と、Ｓｉ基板により形成される第２の基板２２０と、ガラス基板により形成される第３の基板３０とを用いた製造方法である。
[Third Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the third embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is a method of manufacturing a gas cell in an atomic oscillator, and includes a
最初に、図１８に示されるように、第１の基板３１０を形成する。第１の基板３１０には、厚さが０．７ｍｍであって、透明なホウケイ酸ガラス等のガラスウェハが用いられており、連結溝３１３が形成されている。更に、連結溝３１３にはガラスフリット３１５が形成されている。尚、図１８（ａ）は、第１の基板３１０における一方の面側の上面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）における一点鎖線１８Ａ−１８Ｂにおいて切断した断面図であり、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）における一点鎖線１８Ｃ−１８Ｄにおいて切断した断面図である。
First, as shown in FIG. 18, a
具体的には、第１の基板３１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより連結溝３１３が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより深さが２５０μｍの連結溝３１３を形成する。本実施の形態では、連結溝３１３は、ＣＦ４等を用いた磁気中性線プラズマ法等により形成する。次に、この連結溝３１３内にガラスフリット３１５を印刷法により形成する。形成されるガラスフリット３１５の厚さは、約５０μｍである。
Specifically, a resist pattern having an opening is formed in a region where the
次に、第２の実施の形態と同様の方法により。図１３に示されるような第２の基板２２０を形成する。
Next, by the same method as in the second embodiment. A
具体的には、第２の基板２２０となるＳｉ基板の一方の面又は他方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、ＩＣＰドライエッチング等においてＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給するボッシュプロセスにより、第２の基板２２０となるＳｉ基板を貫通する第１の貫通穴２１及び第２の貫通穴２２を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。
Specifically, a photoresist is applied to one surface or the other surface of the Si substrate to be the
次に、第２の実施の形態と同様の方法により、第２の基板２２０の他方の面と第３の基板３０とを接合する。尚、第３の基板３０は、透明であり、厚さが０．２〜３ｍｍであって、可動イオンを含むホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内において、第２の基板２２０及び第３の基板３０を３８０℃に加熱し、第２の基板２２０の他方の面と第３の基板３０とを接触させて、第３の基板３０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第２の基板２２０と第３の基板３０との間に圧力を加えることにより、第２の基板２２０と第３の基板３０とを接合する。これにより、第２の基板２２０と第３の基板３０とは、第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２を除いた全ての領域が接合される。
Next, the other surface of the
次に、図１９に示すように、第２の基板２２０の一方の面に第１の基板３１０の一方の面とを接合する。尚、図１９は、この工程における図１８（ａ）の一点鎖線１８Ａ−１８Ｂに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 19, one surface of the
具体的には、第２の基板２２０における第２の貫通穴２２の内部にアルカリ金属発生剤４０を設置した後、連結溝３１３が形成されている第１の基板３１０の一方の面と第２の基板２２０の一方の面とを陽極接合法により接合する。より詳細に説明すると、陽極接合装置の減圧チャンバー内に、アルカリ金属発生剤４０が設置されている第２の基板２２０と第３の基板３０とが接合されたものと、第１の基板３１０とを設置し、高真空に真空引きした後、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザとビーム集光光学系５１を有するレーザビーム加熱装置を用いて、第１の基板３１０を介してレーザ光５０をアルカリ金属発生剤４０に照射し、５００℃程度に加熱する。これにより、アルカリ金属発生剤４０から不純物ガスを脱ガスさせる。この後、減圧チャンバー内にＮｅ等のバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．１ｋＰａ〜１０００ｋＰａ、例えば、２０ｋＰａとし、第１の基板３１０及び第２の基板２２０を３８０℃に加熱し、第１の基板３１０の一方の面と第２の基板２２０の基板の一方の面とを接触させて、第１の基板３１０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第１の基板３１０と第２の基板２２０との間に圧力を加えることにより、第１の基板３１０と第２の基板２２０とを接合する。
Specifically, after the alkali
次に、第２の基板２２０における第２の貫通穴２２に設置されているアルカリ金属発生剤４０に第１の基板３１０等を介してレーザ光５０を照射し、アルカリ金属発生剤４０よりアルカリ金属ガスが発生するまで加熱する。
Next, the
これにより、第２の貫通穴２２の内部より連結溝３１３を介して第１の貫通穴２１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。レーザ光５０により加熱される温度は、アルカリ金属発生剤４０となるものが、還元剤がＴｉ、Ａｌであり酸化剤がクロム酸塩の場合は７００℃程度であり、還元剤がＳｉであり酸化剤がモリブデン酸塩の場合は９００℃程度である。
Accordingly, the
次に、図２０に示すように、連結溝３１３が形成されている領域における第１の基板３１０を変形させて、ガラスフリット３１５を介し第１の基板３１０と第２の基板２２０に接合する。尚、図２０は、この工程における図１８（ａ）の一点鎖線１８Ａ−１８Ｂに対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 20, the
具体的には、第２の基板２２０に第１の基板３１０及び第３の基板３０が接合されたものを陽極接合装置に設置し、第１の基板３１０のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度に加熱した後、連結溝３１３が形成されている領域において、第１の基板３１０に加熱されたグラファイト製の凸状の圧子５２を接触させ加重を加える。本実施の形態では、第１の基板２１０はＴｇが約５２５℃のホウケイ酸ガラスにより形成されており、６００℃〜６８０℃に加熱した圧子５２により第１の基板３１０に圧力を加えることにより、第１の基板３１０において、圧子５２により圧力が加えられた領域３１４は変形し、第２の基板２２０と接触し、連結溝３１３が形成されている領域において、ガラスフリット３１５を介して、第１の基板３１０と第２の基板２２０とが接合される。これにより、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間を遮断することができ、第２の基板２２０における第１の貫通穴２１が形成されている領域の内部にアルカリ金属ガス４１を封入することができる。
Specifically, a structure in which the
次に、ダイシングにより、第１の貫通穴２１と第２の貫通穴２２との間における第１の基板３１０において連結溝３１３が形成されていた領域、即ち、第１の基板２１０における領域３１４において切断する。更に、第２の基板２２０における第１の貫通穴２１の周囲をダイシングにより切断することにより、第２の基板２２０において第１の貫通穴２１内にアルカリ金属ガス４１が封入されているガスセル２６０を作製することができる。
Next, by dicing, in a region where the
このように作製されたガスセルは、内部に含まれるアルカリ金属ガス４１の純度が高く、不純物が少なく、また、製造工程も単純で少ない。よって、本実施の形態では、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
The gas cell produced in this way has a high purity of the
また、本実施の形態では、第１の基板３１０に複数の連結溝３１３、第２の基板２２０に複数の第１の貫通穴２１、第２の貫通穴２２を形成することにより、複数のガスセルを同時に製造することができる。よって、低コストでガスセルを製造することができる。尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
In the present embodiment, a plurality of gas cells are formed by forming a plurality of
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２１〜図２５に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、ガラス基板により形成される第１の基板４１０と、Ｓｉ基板により形成される第２の基板４２０と、ガラス基板により形成される第３の基板４３０とを用いた製造方法である。
[Fourth Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is a method of manufacturing a gas cell in an atomic oscillator, and includes a
最初に、図２１及び図２２に示されるように、第１の基板４１０、第２の基板４２０を形成し、第１の基板４１０と第２の基板４２０の一方の面とを接合し、第２の基板４２０の他方の面と第３の基板４３０を接合する。尚、図２１は、この工程における上面図であり、図２２（ａ）は、図２１における一点鎖線２１Ａ−２１Ｂにおいて切断した断面図であり、図２２（ｂ）は、図２１における一点鎖線２１Ｃ−２１Ｄにおいて切断した断面図であり、図２２（ｃ）は、図２１における一点鎖線２１Ｅ−２１Ｆにおいて切断した断面図であり、図２２（ｄ）は、図２１における一点鎖線２１Ｇ−２１Ｈにおいて切断した断面図である。
First, as shown in FIGS. 21 and 22, a
第１の基板４１０には、厚さが０．７ｍｍであって、可動イオンを含む透明なホウケイ酸ガラス等のガラスウェハが用いられており、連結溝４１３及び開口部４１６が形成されている。
For the
具体的には、第１の基板４１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより連結溝４１３が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより深さが２００μｍの連結溝４１３を形成する。この後、レジストパターンを除去した後、再度、第１の基板４１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより開口部４１６が形成される領域に開口を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより第１の基板４１０となるガラスウェハを貫通するφ３．５ｍｍの開口部４１６を形成する。尚、この連結溝４１３は、後述する第２の基板４２０に形成される貫通穴４２１と貫通溝４２２とを連結することができる位置に形成されている。
Specifically, a photoresist pattern having an opening is formed in a region where the
また、第２の基板４２０には、両面が鏡面研磨されている厚さ１．３ｍｍのＳｉ基板が用いられており、第２の基板４２０となるＳｉ基板を貫通する貫通穴４２１と貫通溝４２２が形成されている。
Further, the
具体的には、第２の基板４２０となるＳｉ基板の一方の面又は他方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、貫通穴４２１及び貫通溝４２２が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、ＩＣＰドライエッチング等においてＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給するボッシュプロセスにより、第２の基板４２０となるＳｉ基板を貫通する貫通穴４２１及び貫通溝４２２を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された貫通穴４２１と貫通溝４２２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。尚、貫通溝４２２は第２の基板４２０を貫通するものでなくともよく、第２の基板４２０の一部が残る溝であってもよい。
Specifically, a through-
最初に、第２の基板４２０の他方の面と第３の基板４３０とを接合する。尚、第３の基板４３０は、透明であり、厚さが０．２〜３ｍｍであって、可動イオンを含むホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。
First, the other surface of the
具体的には、陽極接合装置の減圧チャンバー内において、第２の基板４２０及び第３の基板４３０を３８０℃に加熱し、第２の基板４２０の他方の面と第３の基板４３０とを接触させて、第３の基板４３０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第２の基板４２０と第３の基板４３０との間に圧力を加えることにより、第２の基板４２０と第３の基板４３０とを接合する。これにより、第２の基板４２０と第３の基板４３０とは、貫通穴４２１、貫通溝４２２を除いた全ての領域が接合される。
Specifically, in the reduced pressure chamber of the anodic bonding apparatus, the
次に、第２の基板４２０の一方の面と第１の基板４１０の一方の面とを接合する。具体的には、第２の基板４２０における貫通溝４２２の内部にアルカリ金属発生剤４０を設置した後、連結溝４１３が形成されている第１の基板４１０の一方の面と第２の基板４２０の一方の面とを陽極接合法により接合する。より詳細に説明すると、陽極接合装置の減圧チャンバー内に、アルカリ金属発生剤４０が設置されている第２の基板４２０と第３の基板４３０とが接合されたものと、第１の基板４１０とを設置し、高真空に真空引きした後、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザとビーム集光光学系を有するレーザビーム加熱装置を用いて、第１の基板４１０を介してレーザ光をアルカリ金属発生剤４０に照射し、５００℃程度に加熱する。これにより、アルカリ金属発生剤４０から不純物ガスを脱ガスさせる。この後、減圧チャンバー内にＮｅ等のバッファガスを導入し、減圧チャンバー内部の圧力を０．１ｋＰａ〜１０００ｋＰａ、例えば、２０ｋＰａとし、第１の基板４１０及び第２の基板４２０を３８０℃に加熱し、第１の基板４１０の一方の面と第２の基板４２０の基板の一方の面とを接触させて、第１の基板４１０側に−８００Ｖの電圧を印加し、第１の基板４１０と第２の基板４２０との間に圧力を加えることにより、第１の基板４１０と第２の基板４２０とを接合する。
Next, one surface of the
次に、図２３に示すように、第１の基板４１０に形成された開口部４１６に配管４６０をバーナーによる溶着法、ガスケットを用いた封止法等により接続する。尚、配管４６０はターボ分子ポンプ４６１及びドライポンプ４６２が接続されており、配管４６０の途中には第１のバルブＶ１、配管分割部４６３、圧力計４６４、第２のバルブＶ２が設けられている。また、配管４６０内にバッファガスを導入するための第３のバルブＶ３が設けられている。尚、配管分割部４６３はガスケットやガラス製共通摺り合わせ接合(interchangeable ground glass joint)により接合されている。図２３は、この工程における図２２（ｃ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、ターボ分子ポンプ４６１及びドライポンプ４６２により、配管４６０を介し排気することにより、第１の基板４２０における貫通穴４２１、貫通溝４２２内を減圧した後、第２の基板４２０における貫通溝４２２に設置されているアルカリ金属発生剤４０に第１の基板４１０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生剤４０を約４００℃まで加熱して不要なガスの脱ガスを行なう。この際、第１の基板４１０、第２の基板４２０、第３の基板４３０における温度は、約１５０℃である。
Next, the inside of the through
次に、第１の基板４１０、第２の基板４２０、第３の基板４３０における温度を約１２０℃に保持した状態で、第２のバルブＶ２を閉じ、第３のバルブＶ３を開くことにより、配管４６０を介してＮｅ−Ａｒ（１：１）のバッファガスを貫通穴４２１、貫通溝４２２内に所定の圧力となるまで供給する。
Next, with the temperature of the
次に、第１のバルブＶ１を閉じ、第２の基板４２０における貫通溝４２２に設置されているアルカリ金属発生剤４０に第１の基板４１０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生剤４０よりアルカリ金属ガス４１が発生するまで加熱する。これにより、貫通溝４２２の内部より連結溝４１３を介して貫通穴４２１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。レーザ光により加熱される温度は、アルカリ金属発生剤４０がＴｉ、Ａｌであり酸化剤がクロム酸塩の場合は７００℃程度であり、還元剤がＳｉであり酸化剤がモリブデン酸塩の場合は９００℃程度である。
Next, the first valve V <b> 1 is closed, and the alkali
次に、図２４に示すように、配管４６０に設けられた配管分割部４６３において接続を切り離し、切り離されたものを陽極酸化装置に設置し、真空に排気した後、連結溝４１３が設けられている領域において、第１の基板４１０を変形させることにより、第２の基板４２０に接合する。尚、図２４（ａ）は、この工程における図２２（ａ）に対応した部分の断面図であり、図２４（ｂ）は、この工程における図２２（ｄ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 24, the connection is cut off at the
具体的には、配管４６０に設けられた配管分割部４６３において、ターボ分子ポンプ４６１等と切り離された第２の基板４２０に第１の基板４１０及び第３の基板４３０が接合されたものを陽極接合装置に設置し、第１の基板４１０のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度に加熱した後、連結溝４１３が形成されている領域において、第１の基板４１０に加熱されたグラファイト製の凸状の圧子を接触させ加重を加える。これにより、第１の基板４１０において、圧子により圧力が加えられた領域４１４は変形し、第２の基板４２０と接触し連結溝４１３を埋める。この後、圧子を一端離し、圧子の温度を４５０℃にした後、圧子を第１の基板４１０の領域４１４に再度接触させ、電源から圧子側に−１０００Ｖの電圧を印加する。これにより、領域４１４において第１の基板４１０は第２の基板４２０と陽極接合により接合される。この陽極接合により、貫通穴４２１と貫通溝４２２との間を遮断することができ、第２の基板４２０における貫通穴４２１が形成されている領域の内部にアルカリ金属ガス４１を封入することができる。
Specifically, in the
次に、図２５に示すように、ダイシングにより、貫通穴４２１と貫通溝４２２との間における第１の基板４１０において連結溝４１３が形成されていた領域、即ち、第１の基板４１０における領域４１４において切断する。更に、第２の基板４２０における貫通穴４２１の周囲をダイシングにより切断することにより、第２の基板４２０において第１の貫通穴４２１内にアルカリ金属ガス４１が封入されているガスセル４６０を作製することができる。尚、図２５（ａ）は、この工程における図２２（ａ）に対応した部分の断面図であり、図２５（ｂ）は、この工程における図２２（ｄ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 25, a region where the
このように作製されたガスセル４６０は、内部に含まれるアルカリ金属ガス４１の純度が高く、不純物が少なく、また、製造工程も単純で少ない。よって、本実施の形態では、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
The
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態における原子発振器の製造方法について、図２６〜図３０に基づき説明する。本実施の形態は、原子発振器におけるガスセルの製造方法であり、ガラス基板により形成される第１の基板４１０と、ガラス基板により形成される第２の基板５２０と、ガラス基板により形成される第３の基板４３０とを用いた製造方法である。
[Fifth Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is a method of manufacturing a gas cell in an atomic oscillator, and includes a
最初に、図２６及び図２７に示されるように、第１の基板４１０、第２の基板５２０を形成し、第１の基板４１０と第２の基板５２０の一方の面とを接合し、第２の基板５２０の他方の面と第３の基板４３０を接合する。尚、図２６は、この工程における上面図であり、図２７（ａ）は、図２６における一点鎖線２６Ａ−２６Ｂにおいて切断した断面図であり、図２７（ｂ）は、図２６における一点鎖線２６Ｃ−２６Ｄにおいて切断した断面図であり、図２７（ｃ）は、図２６における一点鎖線２６Ｅ−２６Ｆにおいて切断した断面図であり、図２７（ｄ）は、図２６における一点鎖線２６Ｇ−２６Ｈにおいて切断した断面図である。
First, as shown in FIGS. 26 and 27, a
第１の基板４１０には、厚さが０．７ｍｍであって、可動イオンを含む透明なホウケイ酸ガラス等のガラスウェハが用いられており、連結溝４１３及び開口部４１６が形成されている。
For the
具体的には、第１の基板４１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより連結溝４１３が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより深さが２００μｍの連結溝４１３を形成する。この後、レジストパターンを除去した後、再度、第１の基板４１０となるガラスウェハの一方の面にフォトレジストを塗布し露光装置による露光、現像を行なうことにより開口部４１６が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、このレジストパターンをマスクとして、フッ酸系水溶液を用いたウェットエッチングにより第１の基板４１０となるガラスウェハを貫通するφ３．５ｍｍの開口部４１６を形成する。尚、この連結溝４１３は、後述する第２の基板５２０に形成される貫通穴５２１と貫通溝５２２とを連結することができる位置に形成されている。
Specifically, a photoresist pattern having an opening is formed in a region where the
また、第２の基板５２０には、厚さ１．１ｍｍのガラス基板が用いられており、第２の基板５２０となるガラス基板を貫通する貫通穴５２１と貫通溝５２２が形成されている。
In addition, a glass substrate having a thickness of 1.1 mm is used as the
具体的には、第２の基板５２０となるガラス基板の両面の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、貫通穴５２１及び貫通溝５２２が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、フッ酸系水溶液を用いてガラス基板の両面からウェットエッチングを行なうことにより、第２の基板５２０となるガラス基板を貫通する貫通穴５２１及び貫通溝５２２を形成する。この後、レジストパターンは有機溶剤等により除去する。このように形成された貫通穴５２１と貫通溝５２２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍ程度、例えば、約３ｍｍである。
Specifically, photoresist is applied to both surfaces of the glass substrate to be the
最初に、第２の基板５２０の一方の面と第１の基板４１０の一方の面とを接合する。具体的には、第２の基板５２０の一方の面と第１の基板４１０の一方の面を研磨し、第２の基板５２０の一方の面と第１の基板４１０とを接触させて、直接接合により接合する。直接接合は、同種のガラス材料を用いた場合には、広い温度範囲において強固である。
First, one surface of the
次に、第２の基板５２０の他方の面と第３の基板４３０とを接合する。尚、第３の基板４３０は、透明であり、厚さが０．２〜３ｍｍ、例えば、７ｍｍであって、ホウケイ酸ガラス等のガラスウェハにより形成されている。具体的には、第２の基板５２０の他方の面と第３の基板４３０の一方の面を研磨し、第２の基板５２０の他方の面と第３の基板４３０とを接触させて、直接接合により接合する。
Next, the other surface of the
次に、図２８に示すように、第１の基板４１０に形成された開口部４１６に配管４６０をパーフロロエラストマーからなる不図示のＯリングを介し接続する。尚、配管４６０はターボ分子ポンプ４６１及びドライポンプ４６２が接続されており、配管４６０の途中には第１のバルブＶ１、配管分割部４６３、圧力計４６４、第２のバルブＶ２が設けられている。また、配管４６０を介しバッファガスを導入するための第３のバルブＶ３が設けられており、更に、配管４６０を介しアルカリ金属ガスを導入するためのアルカリ金属発生室５６５が設けられており、配管４６０と第４のバルブＶ４を介し接続されている。アルカリ金属発生室５６５は、内部にアルカリ金属発生剤５４０が設置されており、外部には、ランプ加熱、抵抗加熱、高周波加熱、レーザ加熱装置などアルカリ金属発生剤５４０を加熱する加熱部５６６が設けられている。尚、加熱部５６６は、ランプ加熱、高周波加熱、レーザ加熱の場合はアルカリ金属発生室５６５の外部から加熱する方式が適切であるが、蒸着装置の蒸発源のようにアルカリ金属発生室５６５の内部に加熱部５６６を設けたものであってもよい。例えば、抵抗加熱ボートをもつ方式やアルカリ金属発生剤５４０に直接電流を流す抵抗加熱法が挙げられる。アルカリ金属発生室５６５は石英やホウケイ酸ガラス、セラミック、ステンレスなどからなりアルカリ金属発生の特性と加熱方式により適宜選択される。第２のバルブＶ２から開口部４１６までの間の配管４６０と第４のバルブＶ４等はアルカリ金属蒸気の滞留防ぐため１００℃以上に加熱しておく。また、第２の基板５２０等は、更にこの配管４６０等における温度より低くしておく。この状態において、アルカリ金属発生室５６５において加熱部５６６によりアルカリ金属発生剤５４０を加熱することにより、アルカリ金属ガスを発生させることができる。尚、配管分割部４６３はガスケットやガラス製共通摺り合わせ接合(interchangeable ground glass joint)により接合されている。図２８は、この工程における図２７（ｃ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 28, a
最初に、上記構成を準備した後、全系を高真空に真空引きする。次に、第１のバルブＶ１を閉じ、第４のバルブＶ４を開き、アルカリ金属発生室５６５におけるアルカリ金属発生剤５４０を加熱部５６６により４００℃程度に加熱して、アルカリ金属発生剤５４０からの発生した不要なガスを系外に除去する。
First, after preparing the above configuration, the entire system is evacuated to a high vacuum. Next, the first valve V1 is closed, the fourth valve V4 is opened, the alkali
次に、第４のバルブＶ４を閉じ、第１のバルブＶ１及び第２のバルブＶ２を開き、ターボ分子ポンプ４６１及びドライポンプ４６２により排気することにより、配管４６０を介し、第１の基板４２０における貫通穴５２１、貫通溝５２２内を減圧する。次に、第２のバルブＶ２を閉じ第４のバルブを開き、加熱部５６６によりアルカリ金属発生剤５４０を６５０℃〜１０００℃程度に加熱して発生させたアルカリ金属蒸気を貫通穴５２１、貫通溝５２２内に供給する。次に、第４のバルブＶ４を閉じ、温度を下げた後、第３のバルブＶ３を開くことにより、配管４６０を介してバッファガスを貫通穴５２１、貫通溝５２２内に所定の圧力となるまで供給する。
Next, the fourth valve V4 is closed, the first valve V1 and the second valve V2 are opened, and exhausted by the turbo
これにより、貫通溝５２２及び連結溝４１３を介して貫通穴５２１の内部にバッファガスとアルカリ金属ガスを充填させる。この後、第３のバルブＶ３及び第１のバルブＶ１を閉じる。
Thus, the buffer gas and the alkali metal gas are filled into the through
次に、図２９に示すように、配管４６０に設けられた配管分割部４６３において接続を切り離し、連結溝４１３が設けられている領域において、第１の基板４１０を変形させることにより、第２の基板５２０に接合する。尚、図２９（ａ）は、この工程における図２７（ａ）に対応した部分の断面図であり、図２９（ｂ）は、この工程における図２７（ｄ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 29, by disconnecting the connection at the
具体的には、配管４６０に設けられた配管分割部４６３において、ターボ分子ポンプ４６１等から切り離された第２の基板５２０に第１の基板４１０及び第３の基板４３０が接合されたものについて、圧子を第１の基板４１０のガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度に加熱した後、連結溝４１３が形成されている領域において、第１の基板４１０に加熱されたグラファイト製の凸状の圧子を接触させ加重を加える。これにより、第１の基板４１０において、圧子により圧力が加えられた領域４１４は変形し、第２の基板５２０と接触し連結溝４１３を埋める。これにより、領域４１４において第１の基板４１０と第２の基板５２０とは接合され、貫通穴５２１と貫通溝５２２との間を遮断することができ、第２の基板５２０における貫通穴５２１が形成されている領域の内部にアルカリ金属ガス４１を封入することができる。
Specifically, in the
次に、図３０に示すように、ダイシングにより、貫通穴５２１と貫通溝５２２との間の第１の基板４１０において連結溝４１３が形成されていた領域、即ち、第１の基板４１０における領域４１４において切断する。更に、第２の基板５２０における貫通穴５２１の周囲をダイシングにより切断することにより、第２の基板５２０において第１の貫通穴５２１内にアルカリ金属ガス４１が封入されているガスセル５６０を作製することができる。尚、図３０（ａ）は、この工程における図２７（ａ）に対応した部分の断面図であり、図３０（ｂ）は、この工程における図２７（ｄ）に対応した部分の断面図である。
Next, as shown in FIG. 30, a region where the
このように作製されたガスセル５６０は、内部に含まれるアルカリ金属ガス４１の純度が高く、不純物が少なく、また、製造工程も単純で少ない。よって、本実施の形態では、低コストで信頼性の高い原子発振器等に用いられるガスセルを提供することができるため、低コストで信頼性の高い原子発振器を提供することができる。尚、上記以外の内容については、第４の実施の形態と同様である。
The
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第５の実施の形態において製造されたガスセルを用いた原子発振器である。図３１に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源６１０、コリメートレンズ６２０、λ／４波長板６３０、アルカリ金属セル６４０、光検出器６５０、変調器６６０を有している。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment will be described. The present embodiment is an atomic oscillator using the gas cell manufactured in the first to fifth embodiments. The atomic oscillator in the present embodiment will be described based on FIG. The atomic oscillator in this embodiment is a CPT-type small atomic oscillator and includes a
光源６１０は、面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル６４０には、第１から第５の実施の形態のいずれかにおいて製造されたガスセルであり、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器６５０には、フォトダイオードが用いられている。
As the
本実施の形態のおける原子発振器では、光源６１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル６４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル６４０を透過した光は光検出器６５０において検出され、光検出器６５０において検出された信号は変調器６６０にフィードバックされ、変調器６６０により光源６１０における面発光レーザ素子を変調する。
In the atomic oscillator according to the present embodiment, the light emitted from the
図３２に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。温度や出力を上げると長波長にシフトするため、アルカリ金属セルの光密度の変動は好ましくないので温度変化を利用するのが好ましい。具体的に、波長の温度依存性は０．０５ｎｍ／℃程度で調整できる。図３３に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図３４に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器６５０の出力が最大値を保持するように変調器６６０においてフィードバックして光源６１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。尚、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。
FIG. 32 shows a structure of atomic energy levels related to CPT. Utilizing the fact that the light absorptance decreases when electrons are excited simultaneously from two ground levels to the excited level. The surface emitting laser uses an element having a carrier wavelength close to 894.6 nm. The wavelength of the carrier wave can be tuned by changing the temperature or output of the surface emitting laser. When the temperature and output are increased, the wavelength shifts to a longer wavelength, and therefore the variation in the light density of the alkali metal cell is not preferable, so it is preferable to use the temperature change. Specifically, the temperature dependence of the wavelength can be adjusted at about 0.05 nm / ° C. As shown in FIG. 33, sidebands are generated on both sides of the carrier by modulation, and the frequency difference is modulated at 4.6 GHz so that the frequency difference matches the 9.2 GHz that is the natural frequency of the Cs atom. . As shown in FIG. 34, the laser light passing through the excited Cs gas is maximized when the sideband frequency difference matches the natural frequency difference of the Cs atoms, so the output of the
本実施の形態における原子発振器は第１から第５の実施の形態において製造されたガスセルを用いているため、精度の高い原子発振器を低コストで作製し提供することができる。 Since the atomic oscillator in the present embodiment uses the gas cell manufactured in the first to fifth embodiments, a highly accurate atomic oscillator can be manufactured and provided at low cost.
また、本実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ１ラインを利用する場合は７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ２ラインを利用する場合は７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。 In this embodiment, Cs is used as an alkali metal, and a surface emitting laser having a wavelength of 894.6 nm is used in order to use the transition of the D1 line. However, when the D2 line of Cs is used, 852.3 nm is used. You can also. Rb (rubidium) can also be used as the alkali metal, and 795.0 nm can be used when the D1 line is used, and 780.2 nm can be used when the D2 line is used. The material composition of the active layer can be designed according to the wavelength. The modulation frequency when using Rb is modulated at 3.4 GHz for 87 Rb and 1.5 GHz for 85 Rb. Even at these wavelengths, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required. That is, when the Cs D2 line is used, a light source having a wavelength in the range of 851.3 nm to 853.3 nm is required. Further, when the Rb D1 line is used, a light source having a wavelength in the range of 794.0 nm to 796.0 nm is required. Further, when the Rb D2 line is used, a light source having a wavelength in the range of 779.2 nm to 781.2 nm is required.
また、図３５は、本実施の形態における原子発振器の他の構造を示すものであり、光源６１０には、ＣｓにおけるＤ１ライン遷移の波長８９４．３５ｎｍと同じ波長の単一モードで偏光が一定なレーザ光が出射されるＶＣＳＥＬが用いられている。アルカリ金属セル６４０は駆動電流により発生する磁界をキャンセルするように電流経路パターンを調整した２枚のＩＴＯヒータ６４１により挟まれている。また、地磁気などの磁気雑音をキャンセルする磁気シールドと、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にゼーマン***させる磁場を発生するためのコイルの図示は省略している。尚、λ／４波長板６３０とアルカリ金属セル６４０との間には、ＮＤフィルター６７０が設けられている。
FIG. 35 shows another structure of the atomic oscillator according to the present embodiment. The
アルカリ金属セル６４０を透過した光は光検出器６５０によって検出され、光検出器６５０により検出された信号に基づき第１のロックインアンプ６７１において直流電流を数十ｋＨｚで変調し、ＶＣＳＥＬ駆動用電源６７２及びバイアスティー６７３を介し、光源６１０であるＶＣＳＥＬの出力波長を最大吸収波長にロックさせることができる。また、光検出器６５０により検出された信号に基づき第２のロックインアンプ６７４において数ｋＨｚの変調波を発生させ電圧制御水晶発振記（ＶＣＯ）６７５、マイクロ波電源６７６を介し、ＣＰＴ信号が時計遷移周波数の半分の周波数(νclock/２：４．５９６ＧＨｚ)にロックさせることができる。
The light transmitted through the
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。 As mentioned above, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.
１０ 第１の基板
１１ 領域（第２の基板と接合される領域）
２０ 第２の基板
２１ 第１の開口部
２２ 第２の開口部
２３ 連結溝
３０ 第３の基板
４０ アルカリ金属発生剤
４１ アルカリ金属
５０ レーザ光
５１ 光学系
５２ 圧子
５３ 電源
５４ ガスセル
10 area | region of 1st board | substrate 11 (area | region joined to 2nd board | substrate)
20
Claims (10)
第２の基板に前記第２の基板を貫通する第１の穴と第２の穴を形成し、透明な第１の基板または前記第２の基板に前記第１の穴と前記第２の穴とを連結する連結溝を形成する工程と、
前記第２の基板の前記第２の穴の形成されている領域にアルカリ金属発生剤を入れ、前記第２の基板の一方の面に前記第１の基板を接合し、前記第２の基板の他方の面に透明な第３の基板を接合する基板接合工程と、
前記アルカリ金属発生剤を加熱しアルカリ金属ガスを発生させ、前記連結溝を介し発生した前記アルカリ金属ガスを前記第１の穴の形成されている領域内に供給する工程と、
前記連結溝の形成されている領域において、前記第１の基板を変形させて、前記第１の基板を前記第２の基板に接合し、前記第１の穴と前記第２の穴との間を遮断する工程と、
を有し、
前記第１の穴が形成されている領域を含む部分により、前記アルカリ金属セルが形成されることを特徴とする原子発振器の製造方法。 By irradiating an alkali metal cell encapsulated with an alkali metal from a light source and detecting the light transmitted through the alkali metal cell with a photodetector, an oscillation frequency is obtained by a light absorption characteristic due to a quantum interference effect by two types of resonance light. In an atomic oscillator manufacturing method for controlling
A first hole and a second hole penetrating the second substrate are formed in the second substrate, and the first hole and the second hole are formed in the transparent first substrate or the second substrate. Forming a connecting groove for connecting
An alkali metal generating agent is put into a region of the second substrate where the second hole is formed, the first substrate is bonded to one surface of the second substrate, and the second substrate A substrate bonding step of bonding a transparent third substrate to the other surface;
Heating the alkali metal generating agent to generate an alkali metal gas, and supplying the alkali metal gas generated through the connecting groove into a region where the first hole is formed;
In the region where the connecting groove is formed, the first substrate is deformed to join the first substrate to the second substrate, and between the first hole and the second hole. A step of blocking
Have
The method of manufacturing an atomic oscillator, wherein the alkali metal cell is formed by a portion including a region where the first hole is formed.
前記第１の穴の形成されている領域と前記第２の穴の形成されている領域とを分離する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の製造方法。 After the step of blocking between the first hole and the second hole,
The method for manufacturing an atomic oscillator according to claim 1, further comprising a step of separating a region in which the first hole is formed and a region in which the second hole is formed.
前記第１の穴と前記第２の穴との間を遮断する工程は、前記連結溝の形成されている領域において、前記ガラスフリットにより前記第１の基板と前記第２の基板とを接合することを特徴とする請求項１または２に記載されている原子発振器の製造方法。 The connecting groove is provided with a glass frit,
In the step of blocking between the first hole and the second hole, the first substrate and the second substrate are bonded by the glass frit in the region where the connection groove is formed. A method for manufacturing an atomic oscillator according to claim 1 or 2.
第２の基板に前記第２の基板を貫通する貫通穴と溝を形成し、透明な第１の基板または前記第２の基板に前記貫通穴と前記溝とを連結する連結溝を形成する工程と、
前記第２の基板の一方の面に前記第１の基板を接合し、前記第２の基板の他方の面に透明な第３の基板を接合する基板接合工程と、
前記貫通穴の形成されている領域内に前記溝及び前記連結溝を介しアルカリ金属ガスを供給する工程と、
前記連結溝の形成されている領域において、前記第１の基板を変形させて、前記第１の基板を前記第２の基板に接合し、前記貫通穴と前記溝との間を遮断する工程と、
を有し、
前記貫通穴の形成されている領域を含む部分により、前記アルカリ金属セルが形成されることを特徴とする原子発振器の製造方法。 By irradiating an alkali metal cell encapsulated with an alkali metal from a light source and detecting the light transmitted through the alkali metal cell with a photodetector, an oscillation frequency is obtained by a light absorption characteristic due to a quantum interference effect by two types of resonance light. In an atomic oscillator manufacturing method for controlling
Forming a through hole and a groove penetrating the second substrate in the second substrate, and forming a connecting groove for connecting the through hole and the groove to the transparent first substrate or the second substrate; When,
A substrate bonding step of bonding the first substrate to one surface of the second substrate and bonding a transparent third substrate to the other surface of the second substrate;
Supplying an alkali metal gas through the groove and the connecting groove in the region where the through hole is formed;
Deforming the first substrate in a region where the connection groove is formed, joining the first substrate to the second substrate, and blocking between the through hole and the groove; ,
Have
The method of manufacturing an atomic oscillator, wherein the alkali metal cell is formed by a portion including a region where the through hole is formed.
前記アルカリ金属発生剤は、前記溝が形成されている領域内に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の原子発振器の製造方法。 The alkali metal gas is generated by heating an alkali metal generator,
5. The method of manufacturing an atomic oscillator according to claim 4, wherein the alkali metal generator is installed in a region where the groove is formed.
前記開口部を介して前記貫通穴及び前記溝が形成されている領域内を排気することができるものであって、
基板接合工程の後、前記開口部を介して前記貫通穴及び前記溝が形成されている領域内を排気する工程を行い、
前記排気する工程の後に行なわれるアルカリ金属ガスを供給する工程は、アルカリ金属発生剤を加熱することによりアルカリ金属ガスを発生させ、前記貫通穴の形成されている領域にアルカリ金属ガスを供給するものであることを特徴とする請求項５に記載の原子発振器の製造方法。 The first substrate is provided with an opening connected to the groove,
The inside of the region where the through hole and the groove are formed can be exhausted through the opening,
After the substrate bonding step, performing a step of exhausting the inside of the region where the through hole and the groove are formed through the opening,
The step of supplying the alkali metal gas performed after the exhausting step generates the alkali metal gas by heating the alkali metal generator and supplies the alkali metal gas to the region where the through hole is formed. The method for manufacturing an atomic oscillator according to claim 5, wherein:
前記開口部を介して前記貫通穴及び前記溝が形成されている領域内を排気し、また、ガスを供給することができるものであって、
基板接合工程の後、前記開口部を介して前記貫通穴及び前記溝が形成されている領域内を排気する工程を行ない、
前記排気する工程の後に行なわれるアルカリ金属ガスを供給する工程は、前記開口部を介して前記溝及び貫通穴にアルカリ金属ガスを供給することを特徴とする請求項４に記載の原子発振器の製造方法。 The first substrate is provided with an opening connected to the groove,
Exhaust the inside of the region where the through hole and the groove are formed through the opening, and supply gas,
After the substrate bonding step, performing a step of exhausting the inside of the region where the through hole and the groove are formed through the opening,
5. The atomic oscillator according to claim 4, wherein the step of supplying the alkali metal gas performed after the exhausting step supplies the alkali metal gas to the groove and the through hole through the opening. Method.
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