JP6115359B2 - ガスセルの製造方法 - Google Patents
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Description
この小型化の要求に対して特許文献1には、物理パッケージを構成するガスセルの製造にあたり、金属が設けられた穴を備える基板と、当該穴を封止する封止基板と、を陽極接合法等によって接合し、金属が設けられた穴を封止するガスセルの製造方法が開示されている。
本適用例に係るガスセルの製造方法は、第1族元素の金属、第1面に開口する有底の穴を有するベース基板、および封止基板を準備する工程と、穴内に金属を閉じ込める様に封止基板を第1面に重ね合わせる工程と、ベース基板には、開口を囲んでいる封止領域と、封止領域を囲んでいる接合領域と、を有し、接合領域においてベース基板と封止基板とを加熱接合する第1の接合工程と、封止領域においてベース基板と封止基板とを加熱接合し、穴を封止する第2の接合工程とを含むことを特徴とする。
よって、上述したガスセルの製造方法は、穴に封入される金属の蒸散を抑制した高精度なガスセルを製造することができる。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、重ね合せる工程では、穴内に金属を配置するステップを含むことが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、第1の接合工程は、接合領域において複数回の接合を行うことが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、第1の接合工程は、接合領域から封止領域に向かって連続して接合を行うことを特徴とする。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、ベース基板には複数の穴を有し、第2の接合工程の後に穴ごとに分離をする工程を含むことが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、第1の接合工程は、ベース基板または封止基板の少なくとも一方を冷却し加熱接合をおこなうことが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、第2の接合工程は、ベース基板または封止基板の少なくとも一方を冷却し加熱接合をおこなうことが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、第1の接合工程または第2の接合工程の少なくとも一方の工程は、陽極接合法を用いることが好ましい。
上記適用例に係るガスセルの製造方法において、準備する工程では、貫通する孔を有する基板と、貫通する孔の一端を塞ぐための底部基板と、を接合してベース基板を準備するステップを含むことが好ましい。
第1実施形態に係るガスセルおよびガスセルの製造方法について、図1から図4を用いて説明する。
図1は、第1実施形態に係るガスセルを模式的に示す断面図である。図2および図3は、図1に示したガスセルの製造方法の各工程を模式的に示した工程説明図である。図4は、第1実施形態に係るガスセルの製造方法における接合工程を説明する平面図である。
以下に、ガスセル100の構造と、ガスセル100の製造方法と、について詳述する。
本実施形態のガスセル100は、ベース基板130と、ベース基板130の第1面に封止基板160と、を備える。ベース基板130は、セル基板120と底部基板140とを含み構成されている。ベース基板130としてのセル基板120には穴122が設けられ、当該穴122に金属180を備えている。セル基板120には、封止基板160が接合される第1面120aとは反対側の第2面120bに、穴122の底部123となる底部基板140が接合されている。
セル基板120は、封止基板160が接合されている第1面120aと、底部基板140が接合されている第2面120bと、を貫通する様に孔が設けられている。当該孔は、セル基板120に封止基板160および底部基板140が接続されることで穴122を構成する。穴122は、その形状は特に限定されることはない。穴122は、その形状として、例えば、多角形状もしくは円形状を有する。本実施形態において穴122は、その一例として円形状を有している。穴122は、概ね直径2mm程度の大きさとして設けられている。
セル基板120は、その材料としてシリコン基板やガラス基板等を用いることができる。セル基板120を構成する材料は特に限定されない。本実施形態においてセル基板120は、その一例として概ね1mmないし2mm程度の厚みを有するシリコン基板が用いられている。
底部基板140は、上述したセル基板120の第2面120bと接合されている。底部基板140は、セル基板120に設けられた孔の底部123として設けられている。
底部基板140は、その材料としてシリコン基板やガラス基板等を用いることができる。底部基板140を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において底部基板140は、その一例として概ね0.25mm程度の厚みを有するガラス基板が用いられている。
封止基板160は、上述したセル基板120の第1面120aと接合されている。封止基板160は、セル基板120に設けられた孔を封止する蓋部として設けられている。
封止基板160は、その材料としてシリコン基板やガラス基板等を用いることができる。封止基板160を構成する材料は特に限定されない。本実施形態において封止基板160は、その一例として概ね0.25mm程度の厚みを有するガラス基板を用いている。
金属180は、底部基板140と封止基板160によって封止された穴122に設けられている。
金属180は、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、フランシウム(Fr)、など第1族元素で一価の陽イオンを有する金属を用いることができる。本実施形態のガスセル100において、金属180は特に限定されない。本実施形態において金属180は、その一例としてセシウム(Cs)を用いている。
常温において金属180(セシウム(Cs)など)は、その物性が液状である。したがって、金属180は、穴122の底部123に溜まるように封入されている。
なお、金属180と、セル基板120を構成するシリコンと、が反応して化合物が生成される場合がある。したがって、穴122に封入される金属180が少ない場合には、かかる反応によって金属180が消滅する虞がある。よって、光の透過を妨げない量、かつ十分な金属180が穴122に封入されていることが好ましい。
上述したガスセル100の製造工程について説明する。
ガスセル100を製造する工程は、ベース基板130を準備する工程と、ベース基板130と封止基板160とを重ね合わせる(積層する)工程と、ベース基板130と封止基板160とを接合する接合工程と、を含む。以下、工程順にガスセル100の製造方法について説明する。
図2(a)は、セル基板120と底部基板140とが接合され、ベース基板130が準備された状態を示している。また、 図2(b)は、ベース基板130に設けられた凹部125に金属180が載置された状態を示している。
ベース基板準備工程は、セル基板120と底部基板140とが接合されたベース基板130を準備する工程である。また、ベース基板準備工程は、凹部125にセシウム(Cs)などの金属180を載置する工程である。
ベース基板準備工程は、底部基板140と、穴122を備えるセル基板120と、が接合されたベース基板130を準備する。また、底部基板140とセル基板120とが接合されていることで、穴122および底部123で構成される凹部125が設けられている。凹部125は、封止基板160が接合される第1面120a側に開口を有するとともに、第2面120b側に底部123を有する。
なお、以下の説明においてベース基板130と称する場合は、セル基板120および底部基板140を含んだものとして説明する。
図2(c)は、金属180が載置されたベース基板130に、封止基板160が重ね合わせられた状態を示している。
封止基板積層工程は、ベース基板130の凹部125に設けられた金属180を封止するための蓋部となる封止基板160を、ベース基板130を構成するセル基板120の第1面120aに重ね合わせる(積層する)工程である。封止基板160をベース基板130に重ね合わせことで穴122に金属180を閉じ込めることができる。
封止基板160をセル基板120の第1面120a(ベース基板130)に積層する(重ね合わせる)方法は特に限定されない。本実施形態の封止基板積層工程は、例えば、減圧された空間で行うことが好ましい。
接合工程は、ベース基板130と封止基板160とを接合する工程である。接合工程は、後述する第1接合工程および第2接合工程を含む。
接合工程によって封止基板160と接合されるベース基板130には、セル基板120の第1面120a上で穴122の周囲に設定される封止領域134と、セル基板120の第1面120a上で前述の封止領域134と接する接合領域132と、の仮想領域が設定されている。
封止領域134とは、ガスセル100として残置される領域を示す。また、接合領域132とは、穴122を封止基板160によって封止するためにベース基板130と封止基板160とが接合される領域を示し、後述する個片化工程において切除される部分となる。
第2接合工程は、封止基板160と、ベース基板130を構成するセル基板120の第1面120aと、を封止領域134において接合する工程である。
第1接合工程は、第1面120a上に設定された仮想領域である接合領域132において、セル基板120と封止基板160との接合を行う。
第1接合工程は、その接合方法として加熱接合法を用いることができる。本実施形態のガスセル100の製造方法においては、加熱接合の一例として陽極接合法を用いてセル基板120と封止基板160との接合をおこなっている。
これにより、ベース基板130と封止基板160とは、接合されるセル基板120の第1面120a(ベース基板130と封止基板160との界面)において静電引力による共有結合が生じ、互いに強固に接合されるものである。
この様な特性を有する封止基板160を加熱し、可動元素が動きやすい条件で電極を介して封止基板160にマイナスの電圧(電位)を印加すると、電極が設けられた側に可動元素が移動する。封止基板160と、シリコンを含み構成されるセル基板120との接合面(第1面120a)である接合部152において、封止基板160側にはSiO−空乏層(Naイオンが欠乏した層)が形成される。また、セル基板120の第1面120aにはプラスの電荷が集まった層が形成される。
これにより、ベース基板130を構成するセル基板120の第1面120aと、封止基板160との界面(接合部152)で静電引力が発生することで共有結合が生じ、ベース基板130(セル基板120)と封止基板160とが接合される。
第2接合工程は、封止領域134において、セル基板120と封止基板160との接合を行う。
第2接合工程は、セル基板120と封止基板160との接合方法として加熱接合法を用いることができる。本実施形態のガスセル100の製造方法においては、加熱接合の一例として第1接合工程と同様に陽極接合法を用いてセル基板120と封止基板160とを接合を行っている。
そこで、本発明のガスセル100の製造方法は、金属180が封入される穴122から離間した接合領域132において第1接合工程を行い、接合に伴う熱が金属180に伝わることを抑制している。また、第1接合工程においてベース基板130と封止基板160とが接合部152によって封止領域134を囲む様に環状に接合される。これにより、封止領域134と、封止領域134を囲む様に環状に接合されたベース基板130と封止基板160との間で環状に接合された接合部154に内包される接合領域132と、に隙間Cが生じる。したがって、穴122を封止する第2接合工程で生じる熱に伴う金属180の蒸散(蒸気)を当該隙間Cに留めることができる。
例えば、図4(d11)に示す様に、最初に第1の方向に沿ってベース基板130と封止基板160とを接合部152yで接合し、次に、図4(d12)に示す様に第1の方向と交差する第2の方向に沿ってベース基板130と封止基板160とを接合部152xで接合しても良い。
図3に戻りガスセル100の製造方法の各工程を説明する。
図3(f)は、前述の接合工程によってベース基板130と封止基板160とが接合されるとともに、穴122に金属180が封止された状態を示している。
個片化工程は、接合工程によって接合されたベース基板130と封止基板160とを切断し、ガスセル100として個片化する工程である。
個片化工程は、封止領域134においてベース基板130と封止基板160とが接合された接合部154と、接合領域132と、の間にダイシングラインDLを設定し、ダイシングラインDLに沿ってガスセル100として個片化をおこなう。
ガスセル100の製造方法の各工程は、前述の個片化工程が終了することで一連の製造工程が完了する。
この様なガスセル100の製造方法によれば、金属180が設けられた穴122を封止する封止領域134を囲む様に、接合領域132においてベース基板130と封止基板160とを第1接合工程によって接合をおこなう。これにより、封止領域134を囲む様に環状に接合されたベース基板130と封止基板160との間で、環状に接合された接合部152に内包される接合領域132と封止領域134とに隙間Cが生じる。
したがって、穴122を封止する第2接合工程で生じる熱に伴う金属180の蒸散を環状に接合された接合部152に内包されるベース基板130と封止基板160との隙間Cに留めることができる。よって、本実施形態のガスセル100の製造方法は、穴122に封入される金属180の蒸散を抑制した高精度なガスセル100を製造することができる。
第2実施形態に係るガスセル100の製造方法について、図5および図6を用いて説明する。図5および図6は、第2実施形態に係るガスセル100の製造方法の工程のうち、接合工程を説明する図である。
第2実施形態に係るガスセル100の製造工程において接合工程は、第1接合工程と第2接合工程とを含む。
図5には、第1接合工程の一例として接合領域132において、複数回ベース基板130と封止基板160とを接合する例を示している。また、図6には、第1接合工程の一例として接合領域132において連続してベース基板130と封止基板160とを接合する例を示している。
本実施形態の第1接合工程は、封止基板160と、セル基板120の第1面120aと、を接合領域132において接合する工程であって、第1実施形態において上述したガスセル100の製造方法と略同様である。
第2接合工程は、封止基板160と、セル基板120の第1面120aと、を封止領域134において接合する工程である。第2接合工程は、封止領域134においてセル基板120と封止基板160との接合を行う。
第2接合工程は、上述した各接合工程と同様のため説明を省略する。
そこで、本実施形態の第1接合工程は、金属180が封入されている穴122から離間させた接合領域132上で1回目の接合をおこない、さらに1回目の接合による接合部152aと封止領域134との間で2回目の接合をおこなう。
これにより、第2接合工程で穴122が封止される際の熱によって金属180が蒸散する隙間Cの容積を少なくすることができる。また、ローラー電極220を用いた面接合の場合には、ベース基板130と封止基板160との隙間Cに滞留した金属180の蒸気を穴122に押出しながら接合することができる。
この様なガスセル100の製造方法によれば、接合領域132において封止領域134を囲む様にベース基板130と封止基板160とを複数回接合をおこなう。これにより、封止領域134を囲む様に環状に接合された接合部152a,152bに内包される隙間Cが複数形成される。したがって、穴122を封止する第2接合工程で生じる熱に伴って蒸散する金属180が滞留することができる隙間Cの容積が小さくなることから、金属180の蒸散を抑制することができる。
また、接合領域132から封止領域134に向かってベース基板130と封止基板160とを連続して面接合することで、ベース基板130と封止基板160と間の隙間Cに滞留する金属180の上記を封止領域134に押出すことができる。
したがって、上述したガスセル100の製造方法は、穴122に封入される金属180の蒸散をさらに抑制した高精度なガスセルを製造することができる。
図7(a1)に示す穴122が設けられたセル基板120と、図7(a2)に示す底部基板140と、を準備し、図7(a3)に示す様にセル基板120に底部基板140を接合する工程を含みベース基板130の形成および準備をおこなっても良い。
穴122を有するセル基板120と、穴122の底部123となる底部基板140と、を接合する工程を含むことで、セル基板120の厚みに応じて穴122の深さを決定することができる。したがって、穴122の底部123となる底部基板140と、穴122の蓋部となる封止基板160と、に囲まれる穴122の容積を容易に均一にすることができる。よって、上述したガスセル100の製造方法は、金属180が封入される穴122の容積が均一となることで高精度なガスセルを製造することができる。
第3実施形態に係る原子発振器について、図8ないし図9を用いて説明する。
図8は、第3実施形態に係る原子発振器の構造を示すブロック図である。図9は、原子発振器に搭載されるガスセルに封入された金属のエネルギー準位を説明する図である。図10は、原子発振器における電磁誘起透明化現象を説明するグラフである。
第3実施形態に係る原子発振器1は、第1実施形態および第2実施形態で上述したガスセル100が搭載されている。以下、ガスセル100が搭載された原子発振器1について説明する。
図8に示す原子発振器1は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
当該原子発振器1は、図8に示すように、光出射部21が設けられた第1ユニット2(光出射側ユニット)と、ガスセル100や光検出部32等が搭載されている第2電子部品である第2ユニット3(光検出側ユニット)と、光検出部32で検出された信号に基づき光出射部21等の制御をおこなう制御部7とを備える。
また、第2ユニット3は、ガスセル100と、光検出部32と、ヒーター33と、温度センサー34と、コイル35と、これらを収納する第2パッケージ36(光検出側パッケージ)とを備える。
制御部7は、第2ユニット3に設けられたヒーターを制御する温度制御部72と、コイル35を制御する磁場制御部73と、光検出部32からの信号に基づいて光出射部21の制御をおこなう励起光制御部71と、を備える。
原子発振器1の原理を簡単に説明する。
原子発振器1では、ガスセル100内に封入された金属180を気化させて、その金属180に光を透過させて原子発振器1を動作させている。金属180の気化は、ヒーター33による加熱によっておこなわれている。
この様な原子発振器1によれば、当該原子発振器1を構成するガスセル100の製造工程において封入される金属180の蒸散による損失が抑制されているため、安定した共鳴光(EIT信号)を得ることができる。したがって、上述した原子発振器1は、高精度な信号を発振することができる。
本発明の一実施形態に係るガスセル100を用いた原子発振器1を適用した実施例について、図11から図14を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係る原子発振器1を適用した電子機器について、図11から図13を参照しながら説明する。
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部1308が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1308は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部1308に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1310に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示される様に、ビデオ信号出力端子1312には液晶ディスプレイ1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1310に格納された撮像信号が、液晶ディスプレイ1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。この様なデジタルスチールカメラ1300には、その動作のクロック信号となる原子発振器1が搭載されている。このような原子発振器1は、原子発振器1を構成するガスセル100の製造工程において封入される金属180の蒸散による損失が抑制されているため、安定した共鳴光を得ることができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器1が搭載されることで信頼性の高いデジタルスチールカメラ1300を得ることができる。
図14は移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車1500は、加速度センサーとして機能する原子発振器1が各種制御ユニットに搭載されている。例えば、同図に示す様に、移動体としての自動車1500には、当該自動車1500の加速度を検知するセンサーを内蔵してエンジンの出力を制御する電子制御ユニット(ECU:electronic Control Unit)1508が車体1507に搭載されている。高精度なクロック信号を得られる原子発振器1が電子制御ユニット1508に搭載されることで、車体1507の姿勢に応じた適切なエンジン出力制御を高精度に実行し、燃料等の消費を抑制した効率的な移動体としての自動車1500を得ることができる。
また、原子発振器1は、他にも、車体姿勢制御ユニット、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、に広く適用できる。
このような原子発振器1は、原子発振器1を構成するガスセル100の製造工程において封入される金属180の蒸散による損失が抑制されているため、安定した共鳴光を得ることができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器1が搭載されることで信頼性の高い自動車1500を得ることができる。
Claims (9)
- 第1族元素の金属、第1面に開口する有底の穴を有するベース基板、および封止基板を準備する工程と、
前記穴内に前記金属を閉じ込める様に前記封止基板を前記第1面に重ね合わせる工程と、
前記ベース基板には、前記開口を囲んでいる封止領域と、前記封止領域を囲んでいる接合領域と、を有し、前記接合領域において前記ベース基板と前記封止基板とを加熱接合する第1の接合工程と、
前記封止領域において前記ベース基板と前記封止基板とを加熱接合し、前記穴を封止する第2の接合工程とを含むことを特徴とするガスセルの製造方法。 - 前記重ね合せる工程では、前記穴内に前記金属を配置するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載のガスセルの製造方法。
- 前記第1の接合工程は、前記接合領域において複数回の接合を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガスセルの製造方法。
- 前記第1の接合工程は、前記接合領域から前記封止領域に向かって連続して接合を行うことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
- 前記ベース基板には複数の前記穴を有し、前記第2の接合工程の後に前記穴ごとに分離をする工程を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
- 前記第1の接合工程は、前記ベース基板または前記封止基板の少なくとも一方を冷却し前記加熱接合をおこなうことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
- 前記第2の接合工程は、前記ベース基板または前記封止基板の少なくとも一方を冷却し前記加熱接合をおこなうことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
- 第1の接合工程または第2の接合工程の少なくとも一方の工程は、陽極接合法を用いることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
- 前記準備する工程では、貫通する孔を有する基板と、前記貫通する孔の一端を塞ぐための底部基板と、を接合して前記ベース基板を準備するステップを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法。
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