JP6179277B2 - Method for producing alkali metal cell and method for producing atomic oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ金属セルの製造方法及び原子発振器の製造方法に関する。 The present invention relates to an alkali metal cell manufacturing method and an atomic oscillator manufacturing method.
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、単一波長のコヒーレント光を出力するレーザ素子９１０、コリメートレンズ９２０、λ／４波長板９３０、アルカリ金属セル９４０、受光素子９５０、変調器９６０を有している。アルカリ金属セル９４０には、アルカリ金属が封入されており、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、アルカリ金属セル９４０に照射される。アルカリ金属セル９４０に照射され、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光は受光素子９５０に入射し検出される。 In the CPT type atomic clock, as shown in FIG. 1, a laser element 910 that outputs coherent light of a single wavelength, a collimating lens 920, a λ / 4 wavelength plate 930, an alkali metal cell 940, a light receiving element 950, and a modulator 960 have. Alkali metal is sealed in the alkali metal cell 940, and the laser light emitted from the laser element 910 is irradiated to the alkali metal cell 940 through the collimator lens 920 and the λ / 4 wavelength plate 930. The laser beam irradiated to the alkali metal cell 940 and transmitted through the alkali metal cell 940 enters the light receiving element 950 and is detected.
レーザ素子９１０より出射される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、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。 The laser light emitted from the laser element 910 is modulated, and two transitions of electrons in the alkali metal atom are simultaneously performed and excited by sideband wavelengths appearing on both sides of the carrier wave having a specific wavelength. The transition energy in this transition is invariant, and when the sideband wavelength of the laser light coincides with the wavelength corresponding to the transition energy, a transparency phenomenon occurs in which the light absorption rate in the alkali metal is lowered. In this way, the wavelength of the carrier wave is adjusted so that the light absorption rate by the alkali metal is lowered, and the signal detected by the light receiving element 950 is fed back to the modulator 960, and the modulator 960 outputs the signal from the laser element 910. An atomic clock characterized by adjusting the modulation frequency of laser light.
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、多くの場合はコヒーレントで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８９４．６ｎｍ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。この際、図１に示される受光素子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. As a light source to be the laser element 910, a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) that is coherent, can easily obtain a single wavelength, and can easily perform high-speed modulation is often selected. The oscillation wavelength of this VCSEL is made substantially the same as the wavelength 894.6 nm of the D1 line transition in Cs. A signal around the frequency (ν clock / 2) which is half the difference between the | 1> level and the | 2> level is superimposed on the drive current of the VCSEL, and the frequency is swept. For the D1 line transition in Cs, ν clock is 9.192 GHz and ν clock / 2 is 4.596 GHz. When the frequency of the superimposed signal coincides with ν clock or ν clock / 2, the transition of | 1> → | 3> and | 2> → | 3> disappears and a dark resonance state occurs. At this time, the transmitted light intensity in the light receiving element 950 shown in FIG. 1 shows a peak. A frequency standard is realized by stabilizing the frequency of the superimposed signal so as to coincide with this resonance peak.
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、アルカリ金属セル９４０に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、アルカリ金属セル９４０を作製する際に、最も重要な課題は、量産性が高く、アルカリ金属セル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。 In order to make CSAC more compact and capable of mass production at low cost, various methods using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have been developed when manufacturing its physical package, especially the gas cell that is the central part. It has been advanced. Note that the alkali metal sealed in the alkali metal cell 940 has a very high reactivity with oxygen and moisture, and the most important issue in producing the alkali metal cell 940 is high mass productivity, It is to establish a cell structure and a sealing method in which the inclusion in the metal cell 940 does not change with time.
非特許文献３に開示されている方法は、Ｓｉウェハにエッチング法により貫通穴をあけ、貫通穴の開けられているＳｉウェハの一方の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、Ｓｉウェハの他方の面に第２のガラスウェハを陽極接合し、アルカリ金属セルを作製する方法である。 In the method disclosed in Non-Patent Document 3, a through hole is formed in an Si wafer by an etching method, a glass wafer is anodically bonded to one surface of the Si wafer in which the through hole is formed, and a half hole having a concave hole is formed. A laminate is produced. Then, in the anaerobic glove box, the liquid Cs taken out from the ampoule using a micropipette is dropped into the concave hole of this semi-laminate, transported to the vacuum chamber as it is, and vacuumed, After the introduction, a second glass wafer is anodically bonded to the other surface of the Si wafer to produce an alkali metal cell.
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、ＢａＮ3＋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により、第２のガラスウェハを陽極接合しアルカリ金属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 3 + RbCl is heated in a semi-laminate produced in the same manner as that disclosed in Non-Patent Document 3 in an anaerobic glove box. Then, after reacting and depositing Rb in a concave hole, the second glass wafer is anodically bonded by the same process as that disclosed in Non-Patent Document 3 to produce an alkali metal cell.
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のガラスウェハを陽極接合し、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 in the method disclosed in Non-Patent Document 3 is set in a vapor deposition apparatus, and a CsN 3 film is vapor-deposited. Next, this is set in an anodic bonding apparatus, a high vacuum is drawn, the second glass wafer is anodic bonded, taken out, and then irradiated with UV light to decompose CsN 3 into Cs metal and N 2 gas, and Cs This is a method for producing a gas cell containing atoms and N 2 buffer gas.
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、Ｓｉウェハの他方の面と第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発生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 Non-Patent Document 6, two types of through-holes communicated with each other by a groove are formed in an Si wafer by an etching method, and a glass wafer is anodically bonded on one surface thereof to form two types of concave holes. A semi-laminated body is produced. An alkali metal generator is placed in the first concave hole in the atmosphere, a high vacuum is drawn, a buffer gas is introduced, and then a laminated body in which the other surface of the Si wafer and the second glass wafer are anodically bonded is produced. To do. This is a method for producing a gas cell by irradiating an alkali metal generator in the laminate with a laser beam from the outside and heating it to generate an alkali metal vapor.
上述した、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。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。 The alkali metal generator described above can be handled in the atmosphere at room temperature, and generates an alkali metal vapor when heated to a predetermined temperature. 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 Chemical Formula 1. Such alkali metal generators are disclosed in Patent Documents 3 to 6.
ＣｓやＲｂなどのアルカリ金属は、通常の陽極接合温度範囲で高い蒸気圧をもつ。例えば４００℃でＣｓの蒸気圧は約２．１ｋＰａ、Ｒｂの蒸気圧は約１．６ｋＰａである。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、すで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をとる場合は、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３００℃〜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。一方、Ｓｉウェハとホウケイ酸ガラスウェハの陽極接合時に、Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏなどが脱ガスすることがよく知られている。低温で接合するほど長期にわたり接合面からこれらのガス種をセル内に放出し続ける。ＣｓやＲｂなどのアルカリ金属は、酸素、水との反応性が非常に高い。このため、これらのガス種が、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。 Alkali metals such as Cs and Rb have a high vapor pressure in the normal anodic bonding temperature range. For example, at 400 ° C., the vapor pressure of Cs is about 2.1 kPa, and the vapor pressure of Rb is about 1.6 kPa. For this reason, in the second bonding disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4, when using a method in which a single alkali atom has already been introduced into the concave hole of the semi-laminate, it is milder than the normal bonding conditions. Performed under various conditions. That is, normally, a voltage of about 1 kV is applied at a temperature of 300 ° C. to 450 ° C., but in the methods disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4, it is 1 kV at a temperature of 200 ° C. to 250 ° C. On the other hand, it is well known that O 2 , H 2 , H 2 O and the like are degassed during anodic bonding of a Si wafer and a borosilicate glass wafer. As the bonding is performed at a low temperature, these gas species are continuously released from the bonding surface into the cell. Alkali metals such as Cs and Rb have very high reactivity with oxygen and water. For this reason, these gas species react with an alkali metal to produce a solid oxide, which adheres to the window of the cell and reduces the reliability of the gas cell.
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脱ガスの問題が生じる。 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 of degassing similar to the methods disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4 described above occurs.
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に投入され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２６０℃〜４５０℃と従来よりも高い条件で行うことが可能になる。これにより、低温での接合せざるをえない非特許文献３、４、５の場合より、Ｏ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏなどのガス放出が少なくなり、周波数安定度の劣化を抑制することができる。 In the method disclosed in Non-Patent Document 6, the alkali metal generator introduced into the concave hole of the semi-stacked body before the second anodic bonding is stable in the atmosphere and the reaction starts even at about 500 ° C. do not do. Therefore, the second anodic bonding can be performed at 260 ° C. to 450 ° C. under a higher condition than before. As a result, outgassing of O 2 , H 2 , H 2 O, etc. is less than in Non-Patent Documents 3, 4 and 5 that must be joined at a low temperature, thereby suppressing deterioration of frequency stability. Can do.
しかしながら、この作製方法では、アルカリ金属発生後の残渣がバッファガスを吸収することがあり、特に、Ｎ２ガスがバファガスの場合は吸収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計測光を遮り周波数計測精度を低下させることが懸念される。また、原子時計のガスセルは４０〜１００℃内の特定の温度にヒーターで加温して使用されるが、十分な周波数計測精度を得るには非常に高い精度で一定温度に保つ必要がある。また、ガスセルにＣＰＴ共鳴を検出するセルにアルカリ金属発生剤を投入した部分を残す構成にするとセルの熱容量が大きくなりセルの温度制御特性が低下する。更には、セルの熱容量が大きくなると消費する電力も大きくなる等の課題がある。 However, in this manufacturing method, the residue after the generation of the alkali metal sometimes absorbs the buffer gas. In particular, when N 2 gas is buffer gas, the influence of absorption cannot be ignored. In addition, there is a concern that the fine powder generated from the residue may block the measurement light and reduce the frequency measurement accuracy. Further, the gas cell of the atomic clock is used by heating to a specific temperature within 40 to 100 ° C. with a heater, but it is necessary to keep the temperature constant at a very high accuracy in order to obtain sufficient frequency measurement accuracy. In addition, if the gas cell is configured to leave a portion where an alkali metal generator is introduced in the cell that detects CPT resonance, the heat capacity of the cell increases and the temperature control characteristics of the cell deteriorate. Furthermore, there is a problem that, as the heat capacity of the cell increases, the power consumed increases.
よって、本発明は、上記に鑑みなされたものであり、信頼性が高く、原子発振器に用いた場合に精度の高いアルカリ金属セルの製造方法を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a highly reliable method for producing an alkali metal cell when used in an atomic oscillator.
本実施の形態の一観点によれば、本体基板に前記本体基板を貫通する第１の開口部と、第２の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路を前記本体基板に形成する工程と、前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する第１の接合工程と、前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料を設置する工程と、前記接続通路に封止材を設置する工程と、前記第１の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料及び前記封止材が設置されている本体基板の他方の面に第２の透明基板を接合する第２の接合工程と、前記第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する空間分離工程と、を有し、前記接続通路には、前記本体基板を貫通する接続貫通穴が設けられており、前記接続貫通穴は、開口径が徐々に狭くなるテーパー穴部を有しており、前記封止材は前記テーパー穴部に設置されることを特徴とする。 According to one aspect of the present embodiment, a step of forming a first opening and a second opening through the main body substrate in the main body substrate, the first opening and the second opening forming a connecting passage that connects the parts to the body base plate, a first bonding step of bonding the first transparent substrate on one surface of the body board, an alkali metal generated in the second opening The other surface of the main substrate on which the alkali metal generating material and the sealing material are installed after the step of installing the material, the step of installing the sealing material in the connection passage, and the first bonding step After the second bonding step for bonding the second transparent substrate to the second bonding step, the alkali metal generating material is heated to generate an alkali metal gas after the second bonding step. A step of diffusing into the first opening, and an alkali in the first opening. A space separation step of diffusing the metal gas, melting the sealing material, closing the connection passage, and separating the space between the first opening and the second opening; The connection passage is provided with a connection through hole penetrating the main body substrate, the connection through hole has a tapered hole portion whose opening diameter is gradually narrowed , and the sealing material is It is installed in a taper hole.
本発明によれば、信頼性が高く、原子発振器に用いた場合に精度の高いアルカリ金属セルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an alkali metal cell with high reliability and high accuracy when used in an 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アルカリ金属セルの製造方法について、図３〜図１１に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用いた場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は、透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有する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]
The manufacturing method of the alkali metal cell in 1st Embodiment is demonstrated based on FIGS. In the description of this embodiment, a case where a bismuth-based low-melting glass ball is used as the sealing material will be described. The present embodiment is a manufacturing method using a first transparent substrate formed of a glass substrate, a main substrate formed of a Si substrate, and a second transparent substrate formed of a glass substrate. In the manufacturing method, the substrates are joined by anodic bonding. The first transparent substrate and the second transparent substrate are transparent substrates and have a thickness of 0.05 mm to 3 mm and are formed of a glass wafer such as borosilicate glass containing mobile ions. .
最初に、図３に示すように、本体基板１０の一方の面に、接続通路１３が形成される領域に開口部６１ａを有するレジストパターン６１を形成する。本体基板１０には、両面が鏡面研磨されている厚さ０．２〜５．０ｍｍのＳｉ基板が用いられており、本実施の形態においては、厚さＬ１が２ｍｍのＳｉ基板が用いられている。接続通路１３は、後述する第１の開口部１１となる貫通穴と、第２の開口部１２となる貫通穴とを接続するためのものである。尚、図３（ａ）は、この工程における上面図であり、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る。 First, as shown in FIG. 3, a resist pattern 61 having an opening 61 a in a region where the connection passage 13 is formed is formed on one surface of the main body substrate 10. The main body substrate 10 is a Si substrate having a thickness of 0.2 to 5.0 mm that is mirror-polished on both sides. In the present embodiment, a Si substrate having a thickness L1 of 2 mm is used. Yes. The connection passage 13 is for connecting a through hole to be a first opening 11 to be described later and a through hole to be the second opening 12. 3A is a top view in this step, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 3A-3B in FIG. 3A.
次に、図４に示すようにＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターン６１の開口部６１ａにおける本体基板１０のＳｉを一部除去する。これにより、第１の開口部１１が形成される領域と第２の開口部１２が形成される領域との間に接続通路１３を形成する。接続通路１３は、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間の中央部分に形成される幅の広い中央溝１３ａを有している。更に、中央溝１３ａよりも幅が狭く中央溝１３ａと第１の開口部１１を接続する枝溝１３ｂと、中央溝１３ａよりも幅が狭く中央溝１３ａと第２の開口部１２を接続する枝溝１３ｃとを有している。即ち、接続通路１３は、中央部における幅Ｗ１が１．２ｍｍ、深さＤ１が０．５ｍｍの中央溝１３ａと、中央溝１３ａの両側に形成される幅Ｗ２が０．５ｍｍ、深さＤ１が０．５ｍｍの２本の枝溝１３ｂ、１３ｃからなる。尚、後述する中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間には、テーパー状の傾斜領域１３ｄが形成されており、中央溝１３ａと枝溝１３ｃとの間には、テーパー状の傾斜領域１３ｅが形成されている。このように形成された接続通路１３となる中央溝１３ａと２本の枝溝１３ｂ、１３ｃにより、後述する第１の開口部１１と第２の開口部１２とが空間的に接続される。この後、レジストパターン６１は有機溶剤等により除去する。尚、図４（ａ）は、この工程における上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における一点鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 4, a part of Si of the main substrate 10 in the opening 61a of the resist pattern 61 is removed by dry etching using CF 4 gas. Thereby, the connection passage 13 is formed between the region where the first opening 11 is formed and the region where the second opening 12 is formed. The connection passage 13 has a wide central groove 13 a formed in the central portion between the first opening 11 and the second opening 12. Further, the branch groove 13b is narrower than the central groove 13a and connects the central groove 13a and the first opening 11, and the branch is narrower than the central groove 13a and connects the central groove 13a and the second opening 12. And a groove 13c. That is, the connection passage 13 has a central groove 13a having a width W1 of 1.2 mm and a depth D1 of 0.5 mm at the center, and a width W2 formed on both sides of the central groove 13a of 0.5 mm and a depth D1. It consists of two branch grooves 13b and 13c of 0.5 mm. A tapered inclined region 13d is formed between a central groove 13a and a branch groove 13b, which will be described later, and a tapered inclined region 13e is formed between the central groove 13a and the branch groove 13c. Has been. A first opening 11 and a second opening 12 which will be described later are spatially connected by the central groove 13a and the two branch grooves 13b and 13c which are the connection passage 13 formed in this way. Thereafter, the resist pattern 61 is removed with an organic solvent or the like. 4A is a top view in this step, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 4A-4B in FIG. 4A.
次に、図５に示すように、本体基板１０の一方の面に、第１の開口部１１が形成される領域及び第２の開口部１２が形成される領域に開口部６２ａ及び６２ｂを有するレジストパターン６２を形成する。尚、図５（ａ）は、この工程における上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における一点鎖線５Ａ−５Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 5, openings 62 a and 62 b are provided on one surface of the main substrate 10 in a region where the first opening 11 is formed and a region where the second opening 12 is formed. A resist pattern 62 is formed. 5A is a top view in this step, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 5A-5B in FIG. 5A.
次に、図６に示すように、レジストパターン６２の開口部６２ａ及び６２ｂにおける本体基板１０のＳｉを除去し、貫通穴を形成することにより第１の開口部１１及び第２の開口部１２を形成する。具体的には、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、ＩＣＰプラズマ中でＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給しエッチングする方法であり、高速でＳｉの深堀エッチングができる。この後、レジストパターン６２は有機溶剤等により除去する。尚、図６（ａ）は、この工程における上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 6, the first opening 11 and the second opening 12 are formed by removing Si of the main substrate 10 in the openings 62 a and 62 b of the resist pattern 62 and forming through holes. Form. Specifically, the first opening 11 and the second opening 12 are formed by forming a through hole in the main substrate 10 by dry etching using a Bosch process. The Bosch process is a method in which SF 6 and C 4 F 8 gases are alternately supplied and etched in ICP plasma, and deep etching of Si can be performed at a high speed. Thereafter, the resist pattern 62 is removed with an organic solvent or the like. 6A is a top view in this step, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 6A-6B in FIG. 6A.
尚、本実施の形態においては、第１の開口部１１の中心と第２の開口部１２の中心を結ぶ方向をＸ方向とした場合、中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間の傾斜領域１３ｄの側壁及び中央溝１３ａと枝溝１３ｃとの間の傾斜領域１３ｅの側壁がテーパー状に形成されている。即ち、接続通路１３は、中央溝１３ａから枝溝１３ｂに向かう方向においては、傾斜領域１３ｄにおける幅が徐々に狭くなり、テーパー構造となっている。また、中央溝１３ａから枝溝１３ｃに向かう方向においては、傾斜領域１３ｅにおける幅が徐々に狭くなり、テーパー構造となっている。 In the present embodiment, when the direction connecting the center of the first opening 11 and the center of the second opening 12 is the X direction, the inclined region 13d between the central groove 13a and the branch groove 13b. And the side wall of the inclined region 13e between the central groove 13a and the branch groove 13c are tapered. That is, the connecting passage 13 has a tapered structure in which the width in the inclined region 13d gradually decreases in the direction from the central groove 13a to the branch groove 13b. Further, in the direction from the central groove 13a to the branch groove 13c, the width in the inclined region 13e is gradually narrowed to form a tapered structure.
また、本実施の形態においては、本体基板１０に形成される第１の開口部１１及び第２の開口部１２の大きさは、ともに３．２×３．２ｍｍの略矩形の形状である。また、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間隔、即ち、接続通路１３の長さＬ２は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍである。 In the present embodiment, the first opening 11 and the second opening 12 formed in the main body substrate 10 have a substantially rectangular shape of 3.2 × 3.2 mm. Moreover, the space | interval of the 1st opening part 11 and the 2nd opening part 12, ie, the length L2 of the connection channel | path 13, is 0.05 mm-30 mm.
上記における説明では、本体基板１０に、第１の開口部１１、第２の開口部１２、接続通路１３を形成する際、ドライエッチングを用いたが、ウェットエッチング、サンドブラスト、ミリング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の開口部１２は本体基板１０を貫通しているが、必ずしも貫通させる必要はなく、本体基板１０の一部が残るようエッチングを行なうことにより凹状の穴を形成したものであってもよい。 In the above description, dry etching is used when the first opening 11, the second opening 12, and the connection passage 13 are formed in the main body substrate 10. However, the wet etching, sand blasting, milling, or the like is used. Can also be formed. In the above, the second opening 12 penetrates the main body substrate 10, but it is not always necessary to penetrate, and a concave hole is formed by etching so that a part of the main body substrate 10 remains. It may be a thing.
次に、図７に示すように、本体基板１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板１０及び第１の透明基板２０を設置し。４００℃に加熱して、本体基板１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。尚、図７（ａ）は、この工程における上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 7, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 10 by an anodic bonding method. This process may be referred to as a first bonding process. Specifically, the main body substrate 10 and the first transparent substrate 20 are installed in a chamber of an anodic bonding apparatus (not shown). It heats to 400 degreeC, the other surface of the main body board | substrate 10 and the 1st transparent substrate 20 are contacted, and it joins by applying the voltage of -800V to the main body board | substrate 10 side. In this application, what was joined in this process may be described as a preform substrate. 7A is a top view in this step, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 7A-7B in FIG. 7A.
次に、図８に示すように、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続通路１３の中央溝１３ａに封止材５０を設置する。封止材５０は、低融点ガラスからなる円筒状の封止片であって、ビスマス系低融点ガラス（Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３）に加熱光吸収材としてＣｕ２Ｏが添加されているものにより形成されている。本実施の形態においては、封止材５０の大きさは、外径φが１．０ｍｍ、厚さが０．４５ｍｍである。 Next, as shown in FIG. 8, an alkali metal generating material 40 is installed inside the second opening 12 of the main substrate 10 in which the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 10. The sealing material 50 is installed in the central groove 13 a of the connection passage 13. The sealing material 50 is a cylindrical sealing piece made of low-melting glass, and Cu 2 O is added to the bismuth-based low-melting glass (Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 ) as a heating light absorbing material. It is formed by what has been. In the present embodiment, the sealing material 50 has an outer diameter φ of 1.0 mm and a thickness of 0.45 mm.
この後、本体基板１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置されており、接続通路１３の中央溝１３ａに封止材５０が設置されている。この後、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０．０１ｋＰａ〜１０００ｋＰａとする。この後、本体基板１０及び第２の透明基板３０を４００℃に加熱し、本体基板１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように電圧を印加し接合する。この工程においては、バッファガス圧力が低圧（０．０１ｋＰａ〜１００ｋＰａ）の場合は、第２の透明基板３０の電位を−８００Ｖに昇圧する途中で接合装置の減圧チャンバー内で放電することがある。この場合は、放電を開始する電圧よりやや絶対値が小さい負電圧を印加することにより仮接合し、この後、減圧チャンバー内圧力を大気圧に戻して、本接合する２段階接合プロセスを行う。以上の工程により、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものが形成される。尚、図８（ａ）は、この工程における上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面図である。 Thereafter, one surface of the main substrate 10 and the second transparent substrate 30 are anodic bonded in a buffer gas atmosphere. This process may be referred to as a second bonding process. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main body substrate 10 and the second transparent substrate 30 are installed in the decompression chamber of the bonding apparatus, and the vacuum evacuation is performed to a high vacuum. To do. In the case where the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main body substrate 10, the alkali metal generating material 40 is installed inside the second opening 12, and the central groove 13 a of the connection passage 13 is formed in the central groove 13 a. A sealing material 50 is installed. Thereafter, a buffer gas composed of one or more of Ne, Ar, Xe, Kr, and N 2 is introduced into the decompression chamber, and the pressure inside the decompression chamber is set to 0.01 kPa to 1000 kPa. After that, the main substrate 10 and the second transparent substrate 30 are heated to 400 ° C. to bring one surface of the main substrate 10 and the second transparent substrate 30 into contact with each other, so that the second transparent substrate 30 is in contact with the main substrate 10. The voltage is applied so that the potential becomes −800 V and bonding is performed. In this step, when the buffer gas pressure is low (0.01 kPa to 100 kPa), discharge may occur in the decompression chamber of the bonding apparatus while the potential of the second transparent substrate 30 is increased to -800V. In this case, a temporary bonding is performed by applying a negative voltage having a slightly smaller absolute value than the voltage at which discharge is started, and thereafter, the pressure in the decompression chamber is returned to the atmospheric pressure, and a two-stage bonding process is performed for main bonding. Through the above steps, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 10 and the second transparent substrate 30 is bonded to one surface. 8A is a top view in this step, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 8A-8B in FIG. 8A.
次に、図９に示すように、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この後、レーザ加熱装置より、本体基板１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第２の透明基板３０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料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、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路１３を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。 Next, as shown in FIG. 9, the alkali metal generating material 40 is irradiated with laser light to generate an alkali metal gas 41 from the alkali metal generating material 40. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main substrate 10 and the second transparent substrate 30 bonded to one surface are installed in the laser heating apparatus. This laser heating apparatus has a laser light source with a wavelength of 808 nm band and an optical system for condensing the laser light emitted from the laser light source. Thereafter, the laser heating device irradiates the alkali metal generating material 40 installed in the second opening 12 of the main body substrate 10 with the laser light through the second transparent substrate 30 or the like, and thereby the alkali metal generating material 40. Heat until more alkali metal gas 41 is generated. Thereby, the alkali metal gas 41 generated from the alkali metal generating material 40 enters the first opening 11 through the connection passage 13 from the second opening 12. This process may be referred to as an alkali metal generation process.
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路１３を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。尚、この際用いられるレーザ光の光源としては、１〜２００Ｗ程度の出力を有する波長が６３０ｎｍ帯、８０８ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯の半導体レーザであってもよい。また、波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、１４５５ｎｍ帯ラマンファイバーレーザ、１０μｍ帯ＣＯ２レーザ等であってもよい。また、レーザ光源のほかにハロゲンランプ、ＬＥＤ光源も使用することが可能である。アルカリ金属ガス４１が発生する温度は、アルカリ金属発生材料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。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。尚、図９（ａ）は、この工程における上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）における一点鎖線９Ａ−９Ｂにおいて切断した断面図である。 In this manner, the alkali metal gas 41 is filled into the first opening 11 from the inside of the second opening 12 through the connection passage 13. The laser light source used at this time may be a semiconductor laser having a wavelength of 630 nm band, 808 nm band, 940 nm band, 980 nm band, or 1550 nm band having an output of about 1 to 200 W. Further, an Nd: YAG laser having a wavelength of 1064 nm, a 1455 nm band Raman fiber laser, a 10 μm band CO 2 laser, or the like may be used. In addition to the laser light source, a halogen lamp and an LED light source can be used. The temperature at which the alkali metal gas 41 is generated is about 700 ° C. when the reducing agent is Ti or Al and the oxidizing agent is chromate, and the reducing agent is Si and oxidized. When the agent is molybdate, the temperature is about 900 ° C. Thereafter, the heating / cooling plate having unevenness is brought into contact, and the temperature of the region of the second opening 12 is made higher than the temperature of the region of the first opening 11, whereby the gas and liquid in the second opening 12 are formed. Most of the alkali metal in the mixed state is moved to the first opening 11. 9A is a top view in this step, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 9A-9B in FIG. 9A.
次に、図１０に示すように、第１の開口部１１が第２の開口部１２よりも下側となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路１３を塞ぐ。具体的には、第１の開口部１１が第２の開口部１２よりも下側となるように設置することにより、封止材５０となるビスマス系低融点ガラスボールは、接続通路１３における中央溝１３ａと枝溝１３ｂとの間の傾斜領域１３ｄに接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱して溶融させ、接続通路１３の傾斜領域１３ｄまたは枝溝１３ｂの近傍において、封止材５０と第２の透明基板３０と本体基板１０を溶着させる。これにより、封止材５０により第１の開口部１１と第２の開口部１２とを空間的に遮断して、第１の開口部１１と第２の開口部１２との空間を分離する。この工程を空間分離工程と記載する場合がある。尚、図１０（ａ）は、この工程における上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 10, the first opening 11 is placed below the second opening 12, and the sealing material 50 is irradiated with a laser beam to be melted and connected. The passage 13 is blocked. Specifically, the bismuth-based low-melting-point glass ball serving as the sealing material 50 is placed in the center in the connection passage 13 by installing the first opening 11 below the second opening 12. It contacts the inclined region 13d between the groove 13a and the branch groove 13b. Thereafter, the sealing material 50 is irradiated with laser light having a wavelength of 808 nm band through the second transparent substrate 30 to heat and melt the sealing material 50, and the inclined region 13 d or the branch groove 13 b of the connection passage 13 is heated. In the vicinity, the sealing material 50, the second transparent substrate 30, and the main body substrate 10 are welded. Accordingly, the first opening 11 and the second opening 12 are spatially blocked by the sealing material 50, and the space between the first opening 11 and the second opening 12 is separated. This process may be described as a space separation process. 10A is a top view in this step, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 10A-10B in FIG. 10A.
次に、図１１に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製することができる。尚、図１１（ａ）は、この工程における上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における一点鎖線１１Ａ−１１Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 11, the portion where the first opening 11 sealed by the sealing material 50 is formed is cut along the two-dot chain line by dicing or the like in the direction indicated by the arrow. To separate the chip. As a result, an alkali metal cell having a thickness L1 of 2 mm (optical path length) in which the alkali metal gas is sealed in the first opening 11 can be manufactured. 11A is a top view in this step, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 11A-11B in FIG. 11A.
ところで、２室構成セルの１つのセルにアルカリ金属発生材料を入れ、これを封止してからアルカリ金属を発生させる方法は、他の方法と比較して十分な接合温度で接合することができる。よって、内部に含まれるアルカリ金属ガスの純度が高く、不純物が少ないアルカリ金属セルを得ることができるため、高い精度の原子時計を得ることができる。しかしながら、この方法はアルカリ金属セル内に反応後のアルカリ金属発生材料の残渣が残るため、残渣によりアルカリ金属セルの計測光の強度が変動する場合や、バッファガス圧を変動する場合がある。このため、原子発振器における計測周波数の精度を高めるのに限界があった。更に、他の方法と比べ、２室構成セルでありアルカリ金属セルの大きさが大きく、熱容量が大きくなるため、温度を一定に維持することが困難となり、これにより計測周波数の精度を高めるのには限界があり、原子時計全体の消費電力の低減にも限界があった。 By the way, the method of putting an alkali metal generating material in one cell of a two-chamber configuration cell and generating the alkali metal after sealing it can be bonded at a sufficient bonding temperature compared to other methods. . Therefore, an alkali metal cell having high purity of the alkali metal gas contained therein and few impurities can be obtained, so that an atomic clock with high accuracy can be obtained. However, in this method, since the residue of the alkali metal generating material after reaction remains in the alkali metal cell, the intensity of the measurement light of the alkali metal cell may vary or the buffer gas pressure may vary due to the residue. For this reason, there is a limit to increasing the accuracy of the measurement frequency in the atomic oscillator. Furthermore, compared with other methods, the size of the alkali metal cell is large and the heat capacity is large because it is a two-chamber cell, making it difficult to maintain a constant temperature, thereby increasing the accuracy of the measurement frequency. There is a limit, and there is a limit to reducing the power consumption of the whole atomic clock.
本実施の形態においては、第１の開口部１１と第２の開口部１２との２室を連結する接続通路１３に移動可能な封止材５０を配置し、テーパー状に形成された傾斜領域１３ｄ等において、封止材５０により接続通路１３を塞ぐことができる。また、接続通路１３の第１の開口部１１に近い傾斜領域１３ｄにおいて封止材５０により封止することができる。この結果、アルカリ金属発生材料４０の残渣は、第２の開口部１２内に残り切り離されるため、アルカリ金属の純度が高く、小型のアルカリ金属セルを得ることができる。これにより、計測光の強度変動やバッファガスの圧力変動が少なくなり、原子時計における計測周波数の精度と信頼性をさらに高めることができる。また、熱容量が小さくなるため、高い精度で温度を制御できるようになり、より一層計測周波数の精度と信頼性を高めることができる。よって、アルカリ金属セル及びこのアルカリ金属セルを用いた原子時計の消費電力も低減させることができる。従って、本実施の形態では、周波数安定度が高く消費電力が小さく、長期信頼性の高いアルカリ金属セル及び原子発振器を提供することができる。 In this embodiment, the movable sealing material 50 is disposed in the connection passage 13 that connects the two chambers of the first opening portion 11 and the second opening portion 12, and the inclined region is formed in a tapered shape. In 13d or the like, the connection passage 13 can be closed by the sealing material 50. Further, the sealing material 50 can be sealed in the inclined region 13 d of the connection passage 13 near the first opening 11. As a result, the residue of the alkali metal generating material 40 remains in the second opening 12 and is cut off, so that the alkali metal has a high purity and a small alkali metal cell can be obtained. As a result, fluctuations in the intensity of the measurement light and pressure fluctuations in the buffer gas are reduced, and the accuracy and reliability of the measurement frequency in the atomic clock can be further increased. In addition, since the heat capacity is reduced, the temperature can be controlled with high accuracy, and the accuracy and reliability of the measurement frequency can be further improved. Therefore, the power consumption of the alkali metal cell and the atomic clock using the alkali metal cell can also be reduced. Therefore, in this embodiment, an alkali metal cell and an atomic oscillator with high frequency stability, low power consumption, and high long-term reliability can be provided.
また、本実施の形態においては、本体基板１０に複数の第１の開口部１１、第２の開口部１２及び接続通路１３を形成することにより、複数のアルカリ金属セルを同時に製造することも可能である。即ち、ウェハ等を用いることにより、低コストで複数のアルカリ金属セルを製造することができる。 In the present embodiment, a plurality of alkali metal cells can be simultaneously manufactured by forming a plurality of first openings 11, a second opening 12, and a connection passage 13 in the main body substrate 10. It is. That is, by using a wafer or the like, a plurality of alkali metal cells can be manufactured at low cost.
本実施の形態においては、本体基板１０はＳｉ、第１の透明基板２０と第２の透明基板３０はホウケイ酸ガラスにより形成されている場合について説明しているが、これらの材料に限定されるものではなく、セラミック、金属等により形成される基板であってもよい。例えば、本体基板１０はステンレス、第１の透明基板２０と第２の透明基板３０はソーダライムガラスにより形成されるものであってもよい。 In the present embodiment, the case where the main substrate 10 is made of Si and the first transparent substrate 20 and the second transparent substrate 30 are made of borosilicate glass has been described. However, the present invention is limited to these materials. It may be a substrate formed of ceramic, metal or the like instead of the one. For example, the main body substrate 10 may be formed of stainless steel, and the first transparent substrate 20 and the second transparent substrate 30 may be formed of soda lime glass.
また、これらのアルカリ金属発生材料４０は、アルカリ金属イオンを含む酸化剤と還元剤との組み合わせからなる薬剤に限定されるものではない。アルカリ金属発生材料４０は、室温において取り扱いが可能で、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ものであればよい。 Moreover, these alkali metal generating materials 40 are not limited to the chemical | medical agent which consists of a combination of the oxidizing agent containing an alkali metal ion, and a reducing agent. The alkali metal generating material 40 may be any material that can be handled at room temperature and generates an alkali metal vapor when heated to a predetermined temperature.
同様に、本体基板１０と第１の透明基板２０との接合、及び、本体基板１０と第２の透明基板３０との接合を陽極接合法により行なう場合について説明した。しかしながら、これらの接合は、Ａｕ-Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉによる共晶接合、Ａｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｃｕによる拡散接合、ＡｕやＡｇによる微粒子接合、直接接合、ガラスフリット接合等であってもよい。また、上述した陽極接合法の場合においては、接合温度や手順は上記内容に限定されるものではない。 Similarly, the case where the bonding between the main body substrate 10 and the first transparent substrate 20 and the bonding between the main body substrate 10 and the second transparent substrate 30 are performed by an anodic bonding method has been described. However, these bonding methods include eutectic bonding with Au-Si, Au-Sn, Al-Ge, and Al-Si, diffusion bonding with Au-Au and Cu-Cu, fine particle bonding with Au and Ag, direct bonding, and glass frit. Bonding or the like may be used. Further, in the case of the above-described anodic bonding method, the bonding temperature and procedure are not limited to the above contents.
また、本実施の形態では、アルカリ金属発生材料４０と封止材５０を加熱する方法として光加熱を用いているが、これに限定されることはなく、マイクロ波加熱や単なる加熱等であってもよい。 In the present embodiment, light heating is used as a method of heating the alkali metal generating material 40 and the sealing material 50. However, the present invention is not limited to this, and microwave heating, simple heating, etc. Also good.
また、ガラス及び金属材料を所望の形状する方法としては、モールドプレス成形、研削、研磨方法によって成形する方法、不活性ガス雰囲気中において、加熱溶融して滴下させて、球状に急冷凝固させる方法、これらを組み合わせた方法等が挙げられる。 In addition, as a method of forming glass and metal material in a desired shape, a method of molding by mold press molding, grinding, polishing method, a method of heating and melting and dropping in an inert gas atmosphere, and rapidly solidifying into a spherical shape, The method etc. which combined these are mentioned.
尚、本実施の形態においては、アルカリ金属セルにバッファガスを封入する場合について説明した。しかしながら、アルカリ金属セルの内壁をワックスで被覆する方法等により、アルカリ金属ガスがアルカリ金属セルの内壁に衝突し、ＣＰＴ共鳴状態の寿命が短くなることを防ぐことができれば、必ずしもバッファガスを封入する必要がない。 In the present embodiment, the case where the buffer gas is sealed in the alkali metal cell has been described. However, if it is possible to prevent the alkali metal gas from colliding with the inner wall of the alkali metal cell and shortening the lifetime of the CPT resonance state by a method such as coating the inner wall of the alkali metal cell with wax, the buffer gas is not necessarily sealed. There is no need.
また、上記においては、本体基板１０に中央溝１３ａと枝溝１３ｂ、１３ｃとを有する接続通路１３を形成する場合について説明した。しかしながら、本実施の形態においては、第１の透明基板２０または第２の透明基板３０に中央溝１３ａと枝溝１３ｂ、１３ｃとを有する接続通路１３に相当するものを形成したものであってもよい。 Moreover, in the above, the case where the connection channel | path 13 which has the center groove | channel 13a and the branch grooves 13b and 13c was formed in the main body board | substrate 10 was demonstrated. However, in the present embodiment, even if the first transparent substrate 20 or the second transparent substrate 30 is formed so as to correspond to the connection passage 13 having the central groove 13a and the branch grooves 13b and 13c. Good.
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態におけるアルカリ金属セルの製造方法について、図１２から図２２に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、封止材により封止される領域に下地膜として無アルカリガラスが成膜されている場合について説明する。本実施の形態は、ガラス基板により形成される第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される本体基板と、ガラス基板により形成される第２の透明基板とを用いた製造方法であり、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。尚、第１の透明基板と第２の透明基板は透明な基板であり、厚さが０．０５ｍｍ〜３ｍｍであって、可動イオンを含有する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。
[Second Embodiment]
Next, the manufacturing method of the alkali metal cell in 2nd Embodiment is demonstrated based on FIGS. In the description of this embodiment, a case where a bismuth-based low-melting glass ball is used as a sealing material and an alkali-free glass is formed as a base film in a region sealed with the sealing material will be described. The present embodiment is a manufacturing method using a first transparent substrate formed of a glass substrate, a main substrate formed of a Si substrate, and a second transparent substrate formed of a glass substrate. In the manufacturing method, the substrates are joined by anodic bonding. The first transparent substrate and the second transparent substrate are transparent substrates and have a thickness of 0.05 mm to 3 mm, and are formed of a glass wafer such as borosilicate glass containing movable ions.
最初に、図１２に示すように、本体基板１１０の他方の面に、後述する接続通路１３０の一部となる第１の接続溝１１３を形成する。具体的には、本体基板１１０の他方の面の第１の接続溝１１３が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成した後、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンの開口部における本体基板１１０のＳｉを一部除去する。これにより、本体基板１１０の他方の面に第１の接続溝１１３を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。本体基板１１０には、両面が鏡面研磨されている厚さ０．２〜５．０ｍｍのＳｉ基板が用いられており、本実施の形態においては、厚さＬ１が２ｍｍのＳｉ基板が用いられている。尚、図１２（ａ）は、この工程における上面図であり、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る。 First, as shown in FIG. 12, a first connection groove 113 that becomes a part of a connection passage 130 described later is formed on the other surface of the main body substrate 110. Specifically, after forming a resist pattern (not shown) having an opening in a region where the first connection groove 113 is formed on the other surface of the main substrate 110, the resist is formed by dry etching using CF 4 gas. A part of Si of the main substrate 110 in the opening of the pattern is removed. As a result, the first connection groove 113 is formed on the other surface of the main body substrate 110. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed with an organic solvent or the like. The main substrate 110 is a Si substrate having a thickness of 0.2 to 5.0 mm that is mirror-polished on both sides. In this embodiment, a Si substrate having a thickness L1 of 2 mm is used. Yes. 12A is a top view in this step, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 12A-12B in FIG. 12A.
次に、図１３に示すように、本体基板１１０の一方の面より、後述する接続通路１３０の一部となる接続貫通穴１１４を形成する。具体的には、本体基板１１０の一方の面に接続貫通穴１１４が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成し、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、前述のように高速でＳｉの深堀エッチングができる特長のほかに、２種のガスのスイッチング時間を制御することにより穴側壁を垂直にもテーパー状にも形成することが可能である。これにより、本体基板１１０の一方の面から他方の面に向かって、広穴部１１４ａ、テーパー穴部１１４ｂ、細穴部１１４ｃを連続的に形成することができ、接続貫通穴１１４を形成することができる。本実施の形態においては、広穴部１１４ａと細穴部１１４ｃとを接続するテーパー穴部１１４ｂは、広穴部１１４ａから細穴部１１４ｃに向かって、徐々に狭くなるように、即ち、開口径が徐々に狭くなるようにテーパー状に形成されている。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。この際、細穴部１１４ｃは、本体基板１１０の他方の面に形成されている第１の接続溝１１３に接続するように形成される。形成される接続貫通穴１１４は、本体基板１１０の基板面に対し略垂直に形成されている。尚、図１３（ａ）は、この工程における上面図であり、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る。 Next, as shown in FIG. 13, a connection through hole 114 that forms a part of a connection passage 130 described later is formed from one surface of the main body substrate 110. Specifically, a resist pattern (not shown) having an opening is formed in a region where the connection through hole 114 is formed on one surface of the main substrate 110, and the through hole is formed in the main substrate 110 by dry etching using a Bosch process. Form by forming. In addition to the feature that enables deep etching of Si at a high speed as described above, the Bosch process can form the hole sidewall vertically or tapered by controlling the switching time of the two gases. . Accordingly, the wide hole portion 114a, the tapered hole portion 114b, and the narrow hole portion 114c can be continuously formed from one surface of the main body substrate 110 to the other surface, and the connection through hole 114 is formed. Can do. In the present embodiment, the tapered hole portion 114b that connects the wide hole portion 114a and the narrow hole portion 114c gradually narrows from the wide hole portion 114a toward the narrow hole portion 114c, that is, the opening diameter. Is formed in a tapered shape so as to gradually narrow. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed with an organic solvent or the like. At this time, the narrow hole portion 114 c is formed so as to be connected to the first connection groove 113 formed on the other surface of the main body substrate 110. The formed connection through hole 114 is formed substantially perpendicular to the substrate surface of the main body substrate 110. 13A is a top view in this step, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 13A-13B in FIG.
次に、図１４に示すように、本体基板１１０の一方の面に、後述する接続通路１３０の一部となる第２の接続溝１１５を形成する。具体的には、本体基板１１０の一方の面の第２の接続溝１１５が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成した後、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンの開口部における本体基板１１０のＳｉを一部除去する。これにより、本体基板１１０の一方の面に第２の接続溝１１５が形成される。第２の接続溝１１５は、接続貫通穴１１４の広穴部１１４ａと接続するように形成される。このようにして、本体基板１１０の一方の面から他方の面に向かって形成される第２の接続溝１１５、接続貫通穴１１４、第１の接続溝１１３により接続通路１３０が形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。尚、図１４（ａ）は、この工程における上面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）における一点鎖線１４Ａ−１４Ｂにおいて切断した断面図であり、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）の要部拡大図である。 Next, as shown in FIG. 14, a second connection groove 115 that forms a part of a connection passage 130 described later is formed on one surface of the main body substrate 110. Specifically, after forming a resist pattern (not shown) having an opening in a region where the second connection groove 115 is formed on one surface of the main substrate 110, the resist is formed by dry etching using CF 4 gas. A part of Si of the main substrate 110 in the opening of the pattern is removed. As a result, the second connection groove 115 is formed on one surface of the main body substrate 110. The second connection groove 115 is formed so as to be connected to the wide hole portion 114 a of the connection through hole 114. In this way, the connection passage 130 is formed by the second connection groove 115, the connection through hole 114, and the first connection groove 113 formed from one surface of the main body substrate 110 toward the other surface. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed with an organic solvent or the like. 14A is a top view in this step, FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 14A-14B in FIG. 14A, and FIG. It is a principal part enlarged view of FIG.14 (b).
以上の工程により形成された接続通路１３０における第１の接続溝１１３は、幅が０．６ｍｍ、深さＤ２が０．５ｍｍとなるように形成される。また、接続貫通穴１１４における広穴部１１４ａ、テーパー穴部１１４ｂ、細穴部１１４ｃは略円形に形成されており、広穴部１１４ａは直径φ１が１．２ｍｍであり、細穴部１１４ｃは直径φ２が０．６ｍｍであり、長さＤ３が１ｍｍとなるように形成される。接続貫通穴１１４において広穴部１１４ａと細穴部１１４ｃとを接続するテーパー穴部１１４ｂは側面におけるテーパー角θの角度が約６５°となるように形成される。第２の接続溝１１５は、幅が０．６ｍｍ、深さＤ４が０．２５ｍｍとなるように形成される。 The first connection groove 113 in the connection passage 130 formed by the above steps is formed to have a width of 0.6 mm and a depth D2 of 0.5 mm. Further, the wide hole portion 114a, the tapered hole portion 114b, and the narrow hole portion 114c in the connection through hole 114 are formed in a substantially circular shape, and the wide hole portion 114a has a diameter φ1 of 1.2 mm, and the narrow hole portion 114c has a diameter. It is formed so that φ2 is 0.6 mm and the length D3 is 1 mm. In the connection through hole 114, the tapered hole portion 114b that connects the wide hole portion 114a and the narrow hole portion 114c is formed so that the taper angle θ on the side surface is about 65 °. The second connection groove 115 is formed to have a width of 0.6 mm and a depth D4 of 0.25 mm.
次に、図１５に示すように、第１の開口部１１が形成される領域及び第２の開口部１２が形成される領域に開口部６２ａ及び６２ｂを有するレジストパターン６２を形成する。尚、図１５（ａ）は、この工程における上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）における一点鎖線１５Ａ−１５Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 15, a resist pattern 62 having openings 62 a and 62 b is formed in a region where the first opening 11 is formed and a region where the second opening 12 is formed. FIG. 15A is a top view in this process, and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 15A-15B in FIG. 15A.
次に、図１６に示すように、レジストパターン６２の開口部６２ａ及び６２ｂにおける本体基板１１０のＳｉを除去し、貫通穴を形成することにより第１の開口部１１及び第２の開口部１２を形成する。具体的には、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより、本体基板１１０に貫通穴を形成することにより形成する。ボッシュプロセスは、ＩＣＰプラズマ中でＳＦ６、Ｃ４Ｆ８ガスを交互に供給しエッチングする方法であり、高速でＳｉの深堀エッチングができる。この後、レジストパターン６２は有機溶剤等により除去する。尚、図１６（ａ）は、この工程における上面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）における一点鎖線１６Ａ−１６Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 16, the Si of the main substrate 110 in the openings 62a and 62b of the resist pattern 62 is removed, and the first opening 11 and the second opening 12 are formed by forming through holes. Form. Specifically, the first opening 11 and the second opening 12 are formed by forming a through hole in the main substrate 110 by dry etching using a Bosch process. The Bosch process is a method in which SF 6 and C 4 F 8 gases are alternately supplied and etched in ICP plasma, and deep etching of Si can be performed at a high speed. Thereafter, the resist pattern 62 is removed with an organic solvent or the like. 16A is a top view in this step, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 16A-16B in FIG.
尚、本実施の形態においては、第１の開口部１１と接続通路１３０における第１の接続溝１１３とが接続され、第２の開口部１２と接続通路１３０における第２の接続溝１１５とが接続されるように形成する。また、本実施の形態においては、本体基板１１０に形成される第１の開口部１１及び第２の開口部１２の大きさは、ともに３．２×３．２ｍｍの略矩形の形状である。また、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間隔は、０．０５ｍｍ〜３０ｍｍである。 In the present embodiment, the first opening 11 and the first connection groove 113 in the connection passage 130 are connected, and the second opening 12 and the second connection groove 115 in the connection passage 130 are connected. Form to be connected. Further, in the present embodiment, the first opening 11 and the second opening 12 formed in the main body substrate 110 have a substantially rectangular shape of 3.2 × 3.2 mm. Moreover, the space | interval of the 1st opening part 11 and the 2nd opening part 12 is 0.05 mm-30 mm.
上記における説明では、本体基板１１０に、第１の開口部１１、第２の開口部１２、接続通路１３０を形成する際、ドライエッチングを用いたが、ウェットエッチング、サンドブラスト、ミリング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の開口部１２は本体基板１１０を貫通しているが、必ずしも貫通させる必要はなく、本体基板１１０の一部が残るようエッチングを行なうことにより凹状の穴を形成したものであってもよい。 In the above description, dry etching is used when the first opening 11, the second opening 12, and the connection passage 130 are formed in the main body substrate 110. However, the wet etching, sand blasting, milling, or the like is used. Can also be formed. In the above description, the second opening 12 penetrates through the main substrate 110, but it is not necessarily required to penetrate, and a concave hole is formed by etching so that a part of the main substrate 110 remains. It may be a thing.
次に、図１７に示すように、本体基板１１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板１１０及び第１の透明基板２０を設置し、４００℃に加熱して、本体基板１１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板１１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。尚、図１７（ａ）は、この工程における上面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）における一点鎖線１７Ａ−１７Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 17, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 110 by an anodic bonding method. This process may be referred to as a first bonding process. Specifically, the main substrate 110 and the first transparent substrate 20 are installed in a chamber of an anodic bonding apparatus (not shown), heated to 400 ° C., and the other surface of the main substrate 110 and the first transparent substrate. 20 is brought into contact with each other, and a voltage of −800 V is applied to the main body substrate 110 side for bonding. In this application, what was joined in this process may be described as a preform substrate. FIG. 17A is a top view in this step, and FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 17A-17B in FIG.
次に、図１８に示すように、接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂの表面に無アルカリガラス（ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ）からなる下地膜１３１を形成する。下地膜１３１は後述する封止材５０を加熱し溶融した際に、本体基板１１０における溶着封止を良好に行うために形成する。具体的には、レジストマスク又はメタルマスクを用い、無アルカリガラス（ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ）のターゲットを用いて、スパッタリングを行なう。これにより、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂの表面に、下地膜１３１を成膜することにより形成する。尚、図１８（ａ）は、この工程における上面図であり、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（ｂ）の要部拡大図である。 Next, as shown in FIG. 18, a base film 131 made of non-alkali glass (SiO 2 —Al 2 O 3 —B 2 O 3 —CaO—BaO) is formed on the surface of the tapered hole 114 b in the connection passage 130. . The base film 131 is formed so that the sealing material 50, which will be described later, is heated and melted so that the sealing of the main body substrate 110 can be performed satisfactorily. Specifically, sputtering is performed using a resist mask or a metal mask and using a target of non-alkali glass (SiO 2 —Al 2 O 3 —B 2 O 3 —CaO—BaO). Thus, the base film 131 is formed on the surface of the tapered hole portion 114 b of the connection passage 130. 18A is a top view in this step, FIG. 18B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 18A-18B in FIG. 18A, and FIG. It is a principal part enlarged view of FIG.18 (b).
次に、図１９に示すように、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板１１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂに封止材５０を設置する。封止材５０は、低融点ガラスからなる球状の封止片であって、ビスマス系低融点ガラス（Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３）に加熱光吸収材としてＣｕ２Ｏが添加されているものにより形成されている。本実施の形態においては、封止材５０の大きさは、外径φが０．８ｍｍである。 Next, as shown in FIG. 19, an alkali metal generating material 40 is placed inside the second opening 12 of the main substrate 110 in which the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 110. The sealing material 50 is installed in the tapered hole 114b of the connection passage 130. The sealing material 50 is a spherical sealing piece made of low-melting glass, and Cu 2 O is added to the bismuth-based low-melting glass (Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 ) as a heating light absorbing material. It is formed by what is. In the present embodiment, the sealing material 50 has an outer diameter φ of 0.8 mm.
この後、本体基板１１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置されており、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂに封止材５０が設置されている。この後、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０．０１ｋＰａ〜１０００ｋＰａとする。この後、本体基板１１０及び第２の透明基板３０を４００℃に加熱し、本体基板１１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板１１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように電圧を印加し接合する。この工程においては、バッファガス圧力が低圧（０．０１ｋＰａ〜１００ｋＰａ）の場合は、第２の透明基板３０の電位を−８００Ｖに昇圧する途中で接合装置の減圧チャンバー内で放電することがある。この場合は、放電を開始する電圧よりやや絶対値が小さい負電圧を印加することにより仮接合し、この後、減圧チャンバー内圧力を大気圧に戻して、本接合する２段階接合プロセスを行う。以上の工程により、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものが形成される。尚、図１９（ａ）は、この工程における上面図であり、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における一点鎖線１９Ａ−１９Ｂにおいて切断した断面図である。 Thereafter, one surface of the main substrate 110 and the second transparent substrate 30 are anodic bonded in a buffer gas atmosphere. This process may be referred to as a second bonding process. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main body substrate 110 and the second transparent substrate 30 are installed in the decompression chamber of the bonding apparatus, and the vacuum evacuation is performed to a high vacuum. To do. In the case where the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main body substrate 110, the alkali metal generating material 40 is installed inside the second opening 12, and the tapered hole portion 114 b of the connection passage 130 is provided. The sealing material 50 is installed in the. Thereafter, a buffer gas composed of one or more of Ne, Ar, Xe, Kr, and N 2 is introduced into the decompression chamber, and the pressure inside the decompression chamber is set to 0.01 kPa to 1000 kPa. After that, the main substrate 110 and the second transparent substrate 30 are heated to 400 ° C., the one surface of the main substrate 110 and the second transparent substrate 30 are brought into contact with each other, and the second transparent substrate 30 is in contact with the main substrate 110. The voltage is applied so that the potential becomes −800 V and bonding is performed. In this step, when the buffer gas pressure is low (0.01 kPa to 100 kPa), discharge may occur in the decompression chamber of the bonding apparatus while the potential of the second transparent substrate 30 is increased to -800V. In this case, a temporary bonding is performed by applying a negative voltage having a slightly smaller absolute value than the voltage at which discharge is started, and thereafter, the pressure in the decompression chamber is returned to the atmospheric pressure, and a two-stage bonding process is performed for main bonding. Through the above steps, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 110, and the second transparent substrate 30 is bonded to one surface. FIG. 19A is a top view in this step, and FIG. 19B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 19A-19B in FIG. 19A.
次に、図２０に示すように、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板１１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この際、第１の透明基板２０が上、第２の透明基板３０が下となるように設置する。これにより、封止材５０は接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂより離れ、隙間が形成される。この後、レーザ加熱装置より、本体基板１１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第１の透明基板２０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料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、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路１３０を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。 Next, as shown in FIG. 20, the alkali metal generating material 40 is irradiated with laser light to generate an alkali metal gas 41 from the alkali metal generating material 40. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main substrate 110 and the second transparent substrate 30 bonded to one surface are installed in the laser heating device. This laser heating apparatus has a laser light source with a wavelength of 808 nm band and an optical system for condensing the laser light emitted from the laser light source. At this time, the first transparent substrate 20 is placed on the top and the second transparent substrate 30 is placed on the bottom. Thereby, the sealing material 50 is separated from the tapered hole portion 114b in the connection passage 130, and a gap is formed. Thereafter, the laser heating device irradiates the alkali metal generating material 40 installed in the second opening 12 of the main body substrate 110 with the laser light through the first transparent substrate 20 or the like, and thereby the alkali metal generating material 40. Heat until more alkali metal gas 41 is generated. Thereby, the alkali metal gas 41 generated from the alkali metal generating material 40 enters the first opening 11 through the connection passage 130 from the second opening 12. This process may be referred to as an alkali metal generation process.
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路１３０を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。尚、図２０（ａ）は、この工程における上面図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂにおいて切断した断面図である。 In this manner, the alkali metal gas 41 is filled into the first opening 11 from the inside of the second opening 12 through the connection passage 130. Thereafter, the heating / cooling plate having unevenness is brought into contact, and the temperature of the region of the second opening 12 is made higher than the temperature of the region of the first opening 11, whereby the gas and liquid in the second opening 12 are formed. Most of the alkali metal in the mixed state is moved to the first opening 11. 20A is a top view in this step, and FIG. 20B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 20A-20B in FIG. 20A.
次に、図２１に示すように、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路１３０を塞ぐ。具体的には、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置することにより、封止材５０となるビスマス系低融点ガラスボールは、接続通路１３０におけるテーパー穴部１１４ｂの表面に形成された下地膜１３１と接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱して溶融させ、接続貫通穴１１４のテーパー穴部１１４ｂに溶着させることにより、接続通路１３０を塞ぐ。これにより、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間的に遮断される。この工程において用いられる光加熱装置とアルカリ金属充填工程において用いられる光加熱装置とは、同一の装置であってもよく、また、異なる装置であってもよい。尚、図２１（ａ）は、この工程における上面図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）における一点鎖線２１Ａ−２１Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 21, the first transparent substrate 20 is placed on the lower side and the second transparent substrate 30 is placed on the upper side. The passage 130 is blocked. Specifically, the bismuth-based low-melting-point glass ball serving as the sealing material 50 is tapered in the connection passage 130 by placing the first transparent substrate 20 on the lower side and the second transparent substrate 30 on the upper side. It contacts the underlying film 131 formed on the surface of the hole 114b. Thereafter, the sealing material 50 is irradiated with laser light having a wavelength of 808 nm band through the second transparent substrate 30, the sealing material 50 is heated and melted, and welded to the tapered hole portion 114 b of the connection through hole 114. By doing so, the connection passage 130 is closed. Thereby, the 1st opening part 11 and the 2nd opening part 12 are interrupted | blocked spatially. The light heating device used in this step and the light heating device used in the alkali metal filling step may be the same device or different devices. FIG. 21A is a top view in this step, and FIG. 21B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 21A-21B in FIG.
次に、図２２に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２２（ａ）は、この工程における上面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）における一点鎖線２２Ａ−２２Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 22, the portion where the first opening 11 sealed by the sealing material 50 is formed is cut along the two-dot chain line by dicing or the like in the direction indicated by the arrow. To separate the chip. Thus, an alkali metal cell having a thickness L1 of 2 mm (optical path length) in which the alkali metal gas is sealed in the first opening 11 is manufactured. 22A is a top view in this step, and FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 22A-22B in FIG. 22A.
本実施の形態においては、接続通路１３０における接続貫通穴１１４の一部には、テーパー穴部１１４ｂが形成されているため、封止材５０を加熱し溶融させた場合によりテーパー穴部１１４ｂにおいて融着しやすい。よって、容易に２室間の遮断が可能になり遮断の信頼性を高くすることができる。これにより、より一層低コストで、信頼性の高い原子発振器を提供することができる。 In the present embodiment, since a tapered hole 114b is formed in a part of the connection through hole 114 in the connection passage 130, the sealing material 50 is melted in the tapered hole 114b when heated and melted. Easy to wear. Therefore, the two rooms can be easily blocked, and the reliability of the blocking can be increased. Thereby, it is possible to provide a highly reliable atomic oscillator at a lower cost.
また、本実施の形態においては、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂの内壁の封止材５０が溶着する領域において、ガラス材料からなる下地膜１３１が形成されているため、ガラスからなる封止材５０がより融着しやすい。よって、さらに低コストで、信頼性の高い原子発振器を提供することができるようになる。 In the present embodiment, since the base film 131 made of glass material is formed in the region where the sealing material 50 on the inner wall of the tapered hole portion 114b of the connection passage 130 is welded, the sealing material made of glass. 50 is easier to fuse. Therefore, it is possible to provide a highly reliable atomic oscillator at a lower cost.
更に、接続通路１３０のテーパー穴部１１４ｂが本体基板１１０面に垂直である場合は、下地膜１３１を容易に形成することができるため、さらに低コストで、さらに信頼性の高い原子発振器を提供することができる。 Further, when the tapered hole portion 114b of the connection passage 130 is perpendicular to the surface of the main body substrate 110, the base film 131 can be easily formed. Therefore, a more reliable atomic oscillator can be provided at lower cost. be able to.
尚、本実施の形態において、封止材５０と下地膜１３１との組み合わせは、以下の場合が挙げられる。 In the present embodiment, examples of the combination of the sealing material 50 and the base film 131 include the following cases.
封止材５０がガラス材料からなる薄膜被覆のないボールである場合では、封止材５０としては、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスからなるボールが挙げられる。更には、これらのボールにＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属又はこれらの金属を含む化合物からなる光加熱の光を吸収する材料を０．１〜１０体積％の範囲で含有させることが好ましい。但し、作製したアルカリ金属セルを原子時計や磁気センサに使用する場合は磁性を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等を含むものを用いることは好ましくない。また、下地膜１３１としては、酸化ケイ素、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスホウケイ酸ガラス、低融点ガラスからなる薄膜が挙げられる。 In the case where the sealing material 50 is a ball made of a glass material without a thin film coating, examples of the sealing material 50 include balls made of low melting point glass, borosilicate glass, alkali-free glass, soda lime glass, and lead glass. . Furthermore, a material that absorbs light of light heating made of a metal such as Cu, Au, Ag, Se, Mn, Co, Fe, Cr, Ni or a compound containing these metals is added to these balls in an amount of 0.1 to 10. It is preferable to make it contain in the range of volume%. However, when the produced alkali metal cell is used for an atomic clock or a magnetic sensor, it is not preferable to use a cell containing magnetic Co, Fe, Cr, Ni or the like. Examples of the base film 131 include a thin film made of silicon oxide, low melting glass, borosilicate glass, alkali-free glass, soda lime glass, lead glass borosilicate glass, and low melting glass.
次に、封止材５０が光吸収膜の被覆されているガラスボールである場合には、封止材５０は、ホウケイ酸ガラスボールや低融点ガラスボールの表面の少なくとも一部の領域に、光加熱の光を吸収する材料からなる薄膜を形成したものが挙げられる。この際形成される薄膜の例としては、Ｓｉ膜、Ｇｅ膜、ＴｉＯｘ、金属膜（Ｔｉ、Ｔａ等）等が挙げられる。また、下地膜１３１としては、酸化ケイ素、低融点ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、鉛ガラスホウケイ酸ガラス、低融点ガラスからなる薄膜等が挙げられる。 Next, when the sealing material 50 is a glass ball covered with a light absorbing film, the sealing material 50 is formed on at least a part of the surface of the borosilicate glass ball or the low-melting glass ball. Examples include a thin film formed of a material that absorbs heating light. Examples of thin films formed at this time include Si films, Ge films, TiOx, metal films (Ti, Ta, etc.), and the like. Examples of the base film 131 include silicon oxide, low-melting glass, borosilicate glass, alkali-free glass, soda lime glass, lead glass borosilicate glass, and a thin film made of low-melting glass.
また、封止材５０が金属材料により形成されているボールである場合では、封止材５０は、Ａｕ−Ｇｅ（Ｇｅ：２８ａｔ％、ｍｐ．３６１℃）、Ａｕ−Ｓｎ（Ｓｎ２９ａｔ％、ｍｐ．２７８℃）、Ａｕ−Ｓｉ（Ｓｉ：１８．６ａｔ％、ｍｐ．３６３℃）、Ａｌ−Ｇｅ （Ｇｅ：２８．６ａｔ％、ｍｐ．４２０℃）、Ａｌ−Ｓｉ（Ｓｉ：１２．２ａｔ％、ｍｐ．５７７℃）等の材料により形成されているボールが挙げられる。また、下地膜１３１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜（下層／中間層／上層）等が挙げられる。但し、作製したアルカリ金属セルを原子時計や磁気センサに用いる場合には、磁性をもつＣｒ膜、Ｎｉ膜等は用いない方が好ましい。 In the case where the sealing material 50 is a ball formed of a metal material, the sealing material 50 includes Au—Ge (Ge: 28 at%, mp 361 ° C.), Au—Sn (Sn 29 at%, mp. 278 ° C.), Au—Si (Si: 18.6 at%, mp. 363 ° C.), Al—Ge (Ge: 28.6 at%, mp. 420 ° C.), Al—Si (Si: 12.2 at%, mp .577 ° C.) and the like. Examples of the base film 131 include a Ti / Pt / Au laminated film, a Cr / Pt / Au laminated film, and a Ti / Ni / Au laminated film (lower layer / intermediate layer / upper layer). However, when the produced alkali metal cell is used for an atomic clock or a magnetic sensor, it is preferable not to use a Cr film, a Ni film or the like having magnetism.
また、封止材５０と下地膜１３１が金属材料からなる場合は、封止材５０が下地膜１３１と溶着するだけでなく、封止材５０と下地膜１３１と本体基板１１０との間で共晶反応がおこり封止をより強固に行なうことができる場合もある。 In the case where the sealing material 50 and the base film 131 are made of a metal material, not only the sealing material 50 is welded to the base film 131 but also between the sealing material 50, the base film 131, and the main substrate 110. In some cases, a crystal reaction occurs and sealing can be performed more firmly.
また、低融点ガラスボール及び低融点ガラス膜の材質は、バナジウム系ガラス、スズ−リン酸系ガラス、ビスマス系ガラス、酸化鉛系ガラス等が挙げられる。これらの低融点ガラス及び光加熱の光を吸収する材料を含有させる方法については特許文献８、９等において開示されている。また、封止材５０の形状はボール形状のほかに、円錐形状、円柱形状、直方体形状等であってもよい。 Examples of the material of the low melting glass ball and the low melting glass film include vanadium glass, tin-phosphate glass, bismuth glass, and lead oxide glass. Patent Documents 8 and 9 disclose methods for incorporating these low-melting glass and light-absorbing material. In addition to the ball shape, the shape of the sealing material 50 may be a conical shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, or the like.
尚、上記外の内容については、第１の実施の形態と同様である。 The contents other than the above are the same as those in the first embodiment.
〔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２３〜図２５に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材５０としてＡｕ−Ｇｅボールを用い、下地膜１３１としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合される。
[Third Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the third embodiment will be described with reference to FIGS. In the description of the present embodiment, a case where an Au—Ge ball is used as the sealing material 50 and a Ti / Pt / Au film is used as the base film 131 will be described. In the present embodiment, a first transparent substrate having a thickness of 0.4 mm formed by a borosilicate glass substrate, a main substrate having a thickness of 2 mm formed by a Si substrate, and a thickness formed by a borosilicate glass substrate. This is a manufacturing method using a second transparent substrate having a thickness of 0.4 mm. Each substrate is bonded by anodic bonding.
図２３に示すように、本体基板２１０には、第１の開口部１１となる貫通穴と、第２の開口部１２となる貫通穴を有しており、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは、接続通路２３０により接続されている。接続通路２３０は、第１の接続溝２３１、第１の接続貫通穴２３２、第２の接続溝２３３、第２の接続貫通穴２３４、第３の接続溝２３５を有している。第１の接続貫通穴２３２及び第２の接続貫通穴２３４は、略円形であって、本体基板２１０の一方の面から他方の面に向かって略垂直に形成されている。第１の接続貫通穴２３２は、一方の面から深くなるに伴い徐々に直径が狭くなるテーパー穴部２３２ａとテーパー穴部２３２ａよりも深く、本体基板２１０の他方の面側に形成された細穴部２３２ｂとを有している。同様に、第２の接続貫通穴２３４は、一方の面から深くなるに伴い徐々に直径が狭くなるテーパー穴部２３４ａとテーパー穴部２３４ａよりも深く、本体基板２１０の他方の面側に形成された細穴部２３４ｂとを有している。 As shown in FIG. 23, the main body substrate 210 has a through hole that becomes the first opening 11 and a through hole that becomes the second opening 12, and the first opening 11 and the second opening 12. The opening 12 is connected by a connection passage 230. The connection passage 230 includes a first connection groove 231, a first connection through hole 232, a second connection groove 233, a second connection through hole 234, and a third connection groove 235. The first connection through hole 232 and the second connection through hole 234 are substantially circular, and are formed substantially vertically from one surface of the main body substrate 210 to the other surface. The first connection through hole 232 is deeper than the tapered hole portion 232a and the tapered hole portion 232a whose diameter gradually decreases as the depth increases from one surface, and is a narrow hole formed on the other surface side of the main body substrate 210. Part 232b. Similarly, the second connection through hole 234 is formed on the other surface side of the main body substrate 210 deeper than the tapered hole portion 234a and the tapered hole portion 234a whose diameter gradually decreases as the depth increases from one surface. And a narrow hole portion 234b.
第１の接続溝２３１と第３の接続溝２３５は、本体基板２１０の他方の面に形成されており、第２の接続溝２３３は、本体基板２１０の一方の面に形成されている。第１の接続溝２３１と第２の接続溝２３３とは、第１の接続貫通穴２３２により接続されており、第２の接続溝２３３と第３の接続溝２３５とは第２の接続貫通穴２３４により接続されている。 The first connection groove 231 and the third connection groove 235 are formed on the other surface of the main body substrate 210, and the second connection groove 233 is formed on one surface of the main body substrate 210. The first connection groove 231 and the second connection groove 233 are connected by the first connection through hole 232, and the second connection groove 233 and the third connection groove 235 are the second connection through hole. 234.
本実施の形態においては、本体基板２１０の厚さＬ１は約２ｍｍである。本体基板２１０の一方の面における第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ａ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ａにおける直径φ３は１．２ｍｍである。また、本体基板２１０に形成された第１の接続貫通穴２３２の細穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４の細穴部２３４ｂにおける直径φ４は０．４ｍｍである。第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ａ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ａにおけるテーパー角γは約７０°である。 In the present embodiment, the thickness L1 of main body substrate 210 is about 2 mm. The diameter φ3 of the tapered hole portion 232a of the first connection through hole 232 and the tapered hole portion 234a of the second connection through hole 234 on one surface of the main body substrate 210 is 1.2 mm. The diameter φ4 of the narrow hole portion 232b of the first connection through hole 232 and the narrow hole portion 234b of the second connection through hole 234 formed in the main body substrate 210 is 0.4 mm. The taper angle γ in the tapered hole portion 232a of the first connection through hole 232 and the tapered hole portion 234a of the second connection through hole 234 is about 70 °.
また、第１の接続溝２３１及び第３の接続溝２３５は、幅が約０．４ｍｍであり、深さＤ５が約０．５ｍｍである。本体基板２１０に形成された第１の接続貫通穴２３２の細穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４の細穴部２３４ｂの長さＤ６は約０．９ｍｍである。第２の接続溝２３３は、幅が約０．６ｍｍであり、深さＤ７は、約０．２５ｍｍである。 The first connection groove 231 and the third connection groove 235 have a width of about 0.4 mm and a depth D5 of about 0.5 mm. The length D6 of the narrow hole portion 232b of the first connection through hole 232 and the narrow hole portion 234b of the second connection through hole 234 formed in the main body substrate 210 is about 0.9 mm. The second connection groove 233 has a width of about 0.6 mm and a depth D7 of about 0.25 mm.
本実施の形態において、第１の接続溝２３１及び第３の接続溝２３５は、第２の実施の形態における第１の接続溝１１３と同様の方法により形成することができる。また、第１の接続貫通穴２３２及び第２の接続貫通穴２３４は、第２の実施の形態における接続貫通穴１１４と同様の方法により形成することができる。また、第２の接続溝２３３は、第２の実施の形態における第２の接続溝１１５と同様の方法により形成することができる。尚、第１の開口部１１及び第２の開口部１２は第２の実施の形態において形成されるものと同様のものである。 In this embodiment, the first connection groove 231 and the third connection groove 235 can be formed by a method similar to that of the first connection groove 113 in the second embodiment. Moreover, the 1st connection through-hole 232 and the 2nd connection through-hole 234 can be formed by the method similar to the connection through-hole 114 in 2nd Embodiment. The second connection groove 233 can be formed by the same method as the second connection groove 115 in the second embodiment. The first opening 11 and the second opening 12 are the same as those formed in the second embodiment.
上述したように、第２の実施の形態における製造方法における工程と同様の工程を行なうことにより、本実施の形態における本体基板２１０を作製する。尚、図２３（ａ）は、このように作製された本体基板２１０の上面図であり、図２３（ｂ）は、図２３（ａ）における一点鎖線２３Ａ−２３Ｂにおいて切断した断面図であり、図２３（ｃ）は、図２３（ｂ）の要部拡大図である。 As described above, main body substrate 210 in the present embodiment is manufactured by performing the same steps as those in the manufacturing method in the second embodiment. FIG. 23A is a top view of the main body substrate 210 manufactured as described above, and FIG. 23B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 23A-23B in FIG. FIG.23 (c) is a principal part enlarged view of FIG.23 (b).
次に、図２４に示すように、本体基板２１０の他方の面に、第１の透明基板２０を接合し、テーパー部２３２ｂ等に下地膜２３６を形成し、テーパー部２３２ｂ等に封止材５０を設置する。 Next, as shown in FIG. 24, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 210, a base film 236 is formed on the tapered portion 232b and the like, and the sealing material 50 is formed on the tapered portion 232b and the like. Is installed.
最初に、本体基板２１０の他方の面に、第１の透明基板２０を陽極接合法により接合する。この工程を第１の接合工程と記載する場合がある。具体的には、不図示の陽極接合装置のチャンバー内に、本体基板２１０及び第１の透明基板２０を設置し。４００℃に加熱して、本体基板２１０の他方の面と第１の透明基板２０とを接触させて、本体基板２１０側に−８００Ｖの電圧を印加することにより接合する。本願においては、この工程において接合されたものをプレフォーム基板と記載する場合がある。 First, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 210 by an anodic bonding method. This process may be referred to as a first bonding process. Specifically, the main body substrate 210 and the first transparent substrate 20 are installed in a chamber of an anodic bonding apparatus (not shown). It heats to 400 degreeC, the other surface of the main body board | substrate 210 and the 1st transparent substrate 20 are contacted, and it joins by applying the voltage of -800V to the main body board | substrate 210 side. In this application, what was joined in this process may be described as a preform substrate.
次に、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂの表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（下層／中間層／上層）からなる下地膜２３６を形成する。下地膜２３６は後述する封止材５０を加熱し溶融した際に、本体基板２１０における溶着封止を良好に行うために形成する。具体的には、レジストマスク又はメタルマスクを用い、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次スパッタリングにより成膜する。これにより、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂの表面に下地膜２３６を形成する。 Next, the base film 236 made of a Ti / Pt / Au film (lower layer / intermediate layer / upper layer) is formed on the surfaces of the tapered hole part 232b of the first connection through hole 232 and the tapered hole part 234b of the second connection through hole 234. Form. The base film 236 is formed in order to satisfactorily weld and seal the main substrate 210 when a sealing material 50 described later is heated and melted. Specifically, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially formed by sputtering using a resist mask or a metal mask. As a result, the base film 236 is formed on the surfaces of the tapered hole portion 232 b of the first connection through hole 232 and the tapered hole portion 234 b of the second connection through hole 234.
次に、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものの本体基板２１０の第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０を設置し、テーパー穴部２３２ｂ及びテーパー穴部２３４に封止材５０を設置する。封止材５０は、Ａｕ−Ｇｅ（Ｇｅ：２８ａｔ％）により形成されているボールであり、封止材５０の大きさは、外径φが０．６ｍｍである。尚、図２４は、この段階における状態を示すものである。 Next, although the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the main substrate 210, the alkali metal generating material 40 is installed inside the second opening 12 of the main substrate 210, and the tapered hole portion 232b and the tapered portion are formed. The sealing material 50 is installed in the hole 234. The sealing material 50 is a ball formed of Au—Ge (Ge: 28 at%). The sealing material 50 has an outer diameter φ of 0.6 mm. FIG. 24 shows the state at this stage.
次に、本体基板２１０の一方の面と第２の透明基板３０とをバッファガス雰囲気中で陽極接合する。この工程を第２の接合工程と記載する場合がある。具体的には、接合装置の減圧チャンバー内に、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合されたものと、第２の透明基板３０とを設置し、高真空に真空排気する。尚、本体基板２１０に第１の透明基板２０が接合されたものには、第２の開口部１２の内部にアルカリ金属発生材料４０が設置され、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂに封止材５０が設置されている。この後、減圧チャンバー内にＮｅをバッファガスとして導入し、減圧チャンバー内部の圧力を約２５ｋＰａとする。この後、本体基板２１０及び第２の透明基板３０を約３５０℃に加熱し、本体基板２１０の一方の面と第２の透明基板３０とを接触させ、本体基板２１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−１００から−３００Ｖとなるように印加し仮接合する。この電位は減圧チャンバー内でバッファガスが放電を開始しない値であることが好ましい。この後、減圧チャンバー内に窒素を導入することにより圧力を大気圧に戻し、本体基板２１０に対し第２の透明基板３０の電位が、−８００Ｖとなるように印加し本接合する。 Next, one surface of the main substrate 210 and the second transparent substrate 30 are anodically bonded in a buffer gas atmosphere. This process may be referred to as a second bonding process. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main substrate 210 and the second transparent substrate 30 are installed in the decompression chamber of the bonding apparatus, and evacuated to a high vacuum. To do. In the case where the first transparent substrate 20 is bonded to the main body substrate 210, the alkali metal generating material 40 is installed inside the second opening 12, and the tapered hole portion 232 b of the first connection through hole 232 is provided. And the sealing material 50 is installed in the taper hole part 234b of the 2nd connection through-hole 234. FIG. Thereafter, Ne is introduced as a buffer gas into the decompression chamber, and the pressure inside the decompression chamber is set to about 25 kPa. After that, the main substrate 210 and the second transparent substrate 30 are heated to about 350 ° C. to bring one surface of the main substrate 210 into contact with the second transparent substrate 30, so that the second transparent substrate is in contact with the main substrate 210. A temporary potential is applied by applying a potential of 30 to −100 to −300V. This potential is preferably a value at which the buffer gas does not start discharging in the decompression chamber. Thereafter, nitrogen is introduced into the decompression chamber to return the pressure to atmospheric pressure, and the main substrate 210 is applied so that the potential of the second transparent substrate 30 is −800 V and is finally bonded.
次に、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料４０よりアルカリ金属ガス４１を発生させる。具体的には、本体基板２１０の他方の面に第１の透明基板２０が接合され、一方の面に第２の透明基板３０が接合されたものをレーザ加熱装置に設置する。このレーザ加熱装置は、波長が８０８ｎｍ帯のレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光するための光学系を有している。この際、第１の透明基板２０が上、第２の透明基板３０が下となるように設置する。これにより、封止材５０は、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂより離れ、隙間が形成される。この後、レーザ加熱装置より、本体基板２１０における第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０に第１の透明基板２０等を介してレーザ光を照射し、アルカリ金属発生材料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、アルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第２の開口部１２より接続通路２３０を通り第１の開口部１１に進入する。即ち、第２の開口部１２に設置されているアルカリ金属発生材料４０より発生したアルカリ金属ガス４１は、第１の接続溝２３１、第１の接続貫通穴２３２、第２の接続溝２３３、第２の接続貫通穴２３４、第３の接続溝２３５を通り第１の開口部１１に進入する。この工程をアルカリ金属発生工程と記載する場合がある。 Next, the alkali metal generating material 40 is irradiated with laser light to generate an alkali metal gas 41 from the alkali metal generating material 40. Specifically, the first transparent substrate 20 bonded to the other surface of the main substrate 210 and the second transparent substrate 30 bonded to one surface are installed in the laser heating apparatus. This laser heating apparatus has a laser light source with a wavelength of 808 nm band and an optical system for condensing the laser light emitted from the laser light source. At this time, the first transparent substrate 20 is placed on the top and the second transparent substrate 30 is placed on the bottom. Thereby, the sealing material 50 is separated from the tapered hole portion 232b of the first connection through hole 232 and the tapered hole portion 234b of the second connection through hole 234, and a gap is formed. Thereafter, the laser heating device irradiates the alkali metal generating material 40 installed in the second opening 12 of the main body substrate 210 with the laser light through the first transparent substrate 20 or the like, and thereby the alkali metal generating material 40. Heat until more alkali metal gas 41 is generated. As a result, the alkali metal gas 41 generated from the alkali metal generating material 40 enters the first opening 11 through the connection passage 230 from the second opening 12. That is, the alkali metal gas 41 generated from the alkali metal generating material 40 installed in the second opening 12 is the first connection groove 231, the first connection through hole 232, the second connection groove 233, The second connection through hole 234 and the third connection groove 235 enter the first opening 11. This process may be referred to as an alkali metal generation process.
このようにして、第２の開口部１２の内部より接続通路２３０を介して第１の開口部１１の内部にアルカリ金属ガス４１を充填させる。この後、凹凸のある加熱冷却板を接触させ、第２の開口部１２の領域の温度を第１の開口部１１の領域の温度より高くすることにより、第２の開口部１２における気体と液体の混在状態にあるアルカリ金属の大部分を第１の開口部１１に移動させる。 In this way, the alkali metal gas 41 is filled into the first opening 11 from the inside of the second opening 12 through the connection passage 230. Thereafter, the heating / cooling plate having unevenness is brought into contact, and the temperature of the region of the second opening 12 is made higher than the temperature of the region of the first opening 11, whereby the gas and liquid in the second opening 12 are formed. Most of the alkali metal in the mixed state is moved to the first opening 11.
次に、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置し、封止材５０にレーザ光を照射して溶融させて、接続通路２３０を塞ぐ。具体的には、第１の透明基板２０が下、第２の透明基板３０が上となるように設置することにより、封止材５０となるＡｕ−Ｇｅボールは、接続通路２３０におけるテーパー穴部２３２ｂ及び２３４ｂの表面に形成された下地膜２３６と接触する。この後、第２の透明基板３０を介して、波長が８０８ｎｍ帯レーザ光を封止材５０に照射し、封止材５０を加熱し溶融させることにより、第１の接続貫通穴２３２のテーパー穴部２３２ｂ及び第２の接続貫通穴２３４のテーパー穴部２３４ｂに溶着させる。これにより、接続通路２３０は封止材５０により塞がれるため、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間的に遮断され、第１の開口部１１と第２の開口部１２とは空間が分離される。 Next, the first transparent substrate 20 is placed on the lower side and the second transparent substrate 30 is placed on the upper side, and the sealing material 50 is melted by irradiating the sealing material 50 with the laser beam, thereby closing the connection passage 230. Specifically, the Au-Ge ball serving as the sealing material 50 is placed in a tapered hole portion in the connection passage 230 by placing the first transparent substrate 20 on the bottom and the second transparent substrate 30 on the top. It contacts with the base film 236 formed on the surfaces of 232b and 234b. Thereafter, the sealing material 50 is irradiated with laser light having a wavelength of 808 nm band through the second transparent substrate 30, and the sealing material 50 is heated and melted, whereby the tapered hole of the first connection through hole 232 is formed. It welds to the taper hole part 234b of the part 232b and the 2nd connection through-hole 234. FIG. Accordingly, since the connection passage 230 is blocked by the sealing material 50, the first opening 11 and the second opening 12 are spatially blocked, and the first opening 11 and the second opening are separated. 12 separates the space.
次に、図２５に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２５（ａ）は、この工程における上面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）における一点鎖線２５Ａ−２５Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 25, the part where the first opening 11 sealed by the sealing material 50 is formed is cut along the two-dot chain line by dicing or the like in the direction indicated by the arrow. To separate the chip. Thus, an alkali metal cell having a thickness L1 of 2 mm (optical path length) in which the alkali metal gas is sealed in the first opening 11 is manufactured. Note that FIG. 25A is a top view in this step, and FIG. 25B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 25A-25B in FIG.
封止材５０により遮断される部分が１ヶ所である場合には、ダイシング等による切断により、チップ分離する際に、アルカリ金属発生材料４０の残渣とアルカリ金属が存在している第２の開口部１２が空気や水に晒される。このため、ダイシング等による切断の際には、徐々にリークしアルカリ金属と緩やかに反応させる等の手間がかかり、また、ダイシング排出液の管理が必要となるため、高コストになりやすい。 When there is only one portion blocked by the sealing material 50, the second opening in which the residue of the alkali metal generating material 40 and the alkali metal are present when the chip is separated by cutting by dicing or the like. 12 is exposed to air and water. For this reason, when cutting by dicing or the like, it takes time and effort to gradually leak and react with the alkali metal, and it is necessary to manage the dicing effluent, which tends to be expensive.
本実施の形態においては、チップ分離時にアルカリ金属発生材料４０の残渣が残っている第２の開口部１２まで封止しているため、製造プロセスにおける負荷を軽減することができ、製造コストを低減することができる。尚、上記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, since the sealing is performed up to the second opening 12 where the residue of the alkali metal generating material 40 remains at the time of chip separation, the load in the manufacturing process can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. can do. The contents other than the above are the same as those in the second embodiment.
〔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２６、図２７に基づき説明する。本実施の形態における説明では、封止材としてＡｕ−Ｇｅボール、下地膜としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を用いた場合について説明する。本実施の形態は、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍの第１の透明基板と、Ｓｉ基板により形成される厚さ約２ｍｍの本体基板と、ホウケイ酸ガラス基板により形成される厚さ約０．４ｍｍ第２の透明基板とを用いた製造方法である。尚、各基板間は、陽極接合により接合する製造方法である。本実施の形態は、例えば、第２の実施の形態における製造方法において、複数の第１の開口部と、１つの第２の開口部を形成することにより製造する製造方法である。
[Fourth Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. In the description of this embodiment, a case where an Au—Ge ball is used as a sealing material and a Ti / Pt / Au film is used as a base film will be described. This embodiment is formed by a first transparent substrate having a thickness of approximately 0.4 mm formed by a borosilicate glass substrate, a main substrate having a thickness of approximately 2 mm formed by a Si substrate, and a borosilicate glass substrate. And a second transparent substrate having a thickness of about 0.4 mm. In addition, it is the manufacturing method joined between each board | substrate by anodic bonding. The present embodiment is, for example, a manufacturing method that is manufactured by forming a plurality of first openings and one second opening in the manufacturing method according to the second embodiment.
具体的には、図２６に示すように、本体基板３１０には、３つの第１の開口部１１となる貫通穴と、１つの第２の開口部３１２となる貫通穴とが形成されている。また、３つの第１の開口部１１の各々に対応して１つずつ設けられた接続通路１３０を介し１つの第２の開口部３１２に接続されている。尚、本体基板３１０は、第２の実施の形態における製造方法における本体基板１１０と同様にＳｉ基板により形成されており、第２の開口部３１２は、第２の実施の形態における製造方法における第２の開口部１２と同様の工程により形成されている。尚、図２６（ａ）は、この工程における上面図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）における一点鎖線２６Ａ−２６Ｂにおいて切断した断面図である。 Specifically, as shown in FIG. 26, the body substrate 310 is formed with three through holes to be the first openings 11 and through holes to be the one second openings 312. . In addition, each of the three first openings 11 is connected to one second opening 312 via a connection passage 130 provided one by one. The main body substrate 310 is formed of a Si substrate in the same manner as the main body substrate 110 in the manufacturing method in the second embodiment, and the second opening 312 is the second in the manufacturing method in the second embodiment. The second opening 12 is formed in the same process. FIG. 26A is a top view in this step, and FIG. 26B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 26A-26B in FIG.
本実施の形態における製造方法は、第２の実施の形態における製造方法における工程と同様の工程により製造することができ、封止材５０を溶融させ封止する箇所が３箇所になる以外は第２の実施の形態と同様である。尚、図２６及び図２７においては、接続通路１３０における接続貫通穴１１４の広穴部は一部省略されている。 The manufacturing method in the present embodiment can be manufactured by the same process as that in the manufacturing method in the second embodiment, except that the sealing material 50 is melted and sealed in three locations. This is the same as the second embodiment. 26 and 27, the wide hole portion of the connection through hole 114 in the connection passage 130 is partially omitted.
次に、図２７に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１が形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ１が２ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図２７（ａ）は、この工程における上面図であり、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）における一点鎖線２７Ａ−２７Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 27, the portion where the first opening 11 sealed by the sealing material 50 is formed is cut along the two-dot chain line by dicing or the like in the direction indicated by the arrow. To separate the chip. Thus, an alkali metal cell having a thickness L1 of 2 mm (optical path length) in which the alkali metal gas is sealed in the first opening 11 is manufactured. FIG. 27A is a top view in this step, and FIG. 27B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 27A-27B in FIG.
本実施の形態においては、１つの第２の開口部３１２に複数の第１の開口部１１が、各々に対応する接続通路１３０により接続されているため、１回のレーザ加熱工程により同時に複数の第１の開口部１１にアルカリ金属ガスを供給し充填することができる。よって、より一層低コストで、アルカリ金属セルを製造することができる。 In the present embodiment, since the plurality of first openings 11 are connected to one second opening 312 by the connection passages 130 corresponding to each second opening 312, a plurality of the first openings 11 can be simultaneously performed by one laser heating process. The first opening 11 can be filled with an alkali metal gas. Therefore, an alkali metal cell can be manufactured at a much lower cost.
〔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２８から図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、光路長の長いアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材としてビスマス系低融点ガラスボール、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
[Fifth Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is a method for producing a gas cell in an atomic oscillator, and is a method for producing an alkali metal cell having a long optical path length. In the description of this embodiment mode, a case where a bismuth-based low-melting glass ball is used as a sealing material and a non-alkali glass sputtered film is used as a base film will be described.
本実施の形態は、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第１の透明基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第１の本体基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第２の本体基板と、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第２の透明基板とが用いられる。本実施の形態においては、第１の本体基板と第２の本体基板を直接接合し、第１の本体基板と第１の透明基板、及び、第２の本体基板と第２の透明基板は、陽極接合により接合することにより製造する製造方法である。 In the present embodiment, a first transparent substrate made of borosilicate glass having a thickness of 0.4 mm, a first main body substrate made of Si having a thickness of 1.2 mm, and a first substrate made of Si having a thickness of 1.2 mm. 2 and a second transparent substrate made of borosilicate glass having a thickness of 0.4 mm are used. In the present embodiment, the first main body substrate and the second main body substrate are directly joined, and the first main body substrate and the first transparent substrate, and the second main body substrate and the second transparent substrate, It is a manufacturing method manufactured by joining by anodic bonding.
最初に、図２８に示すように、第１の本体基板４１０に、第１の本体基板４１０を貫通する第１の開口部４１１及び第２の開口部４１２をボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成する。このように形成された第１の開口部４１１と第２の開口部４１２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部４１１と第２の開口部４１２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図２８（ａ）は、この工程における上面図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）における一点鎖線２８Ａ−２８Ｂにおいて切断した断面図である。 First, as shown in FIG. 28, a first opening 411 and a second opening 412 penetrating the first main body substrate 410 are formed in the first main body substrate 410 by dry etching using a Bosch process. The first opening 411 and the second opening 412 formed in this way are both rectangles having a size of 3.2 × 3.2 mm, and the first opening 411 and the second opening 412 are formed. The distance between is 3.5 mm. Note that FIG. 28A is a top view in this step, and FIG. 28B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 28A-28B in FIG.
次に、図２９に示すように、第２の本体基板４２０に、第２の本体基板４２０を貫通する第１の開口部４２１と、第２の開口部４２２を形成する。また、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２との間には、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２とを接続する接続通路４３０を形成する。接続通路４３０は、第２の実施の形態における接続通路１３０と同様の構造のものであり、第１の接続溝４３１、接続貫通穴４３２、第２の接続溝４３３を有している。また、接続貫通穴４３２は、第２の実施の形態における接続貫通穴１１４に形成されているものと同様の広穴部４３２ａ及びテーパー穴部４３２ｂが形成されている。テーパー穴部４３２ｂは、略円形であって、深くなるほど直径が狭くなるように形成されている。尚、接続貫通穴４３２は、第１の接続溝４３１を介して第１の開口部４２１に接続されており、第２の接続溝４３３を介して第２の開口部４２２に接続されている。第１の接続溝４３１は第２の本体基板４２０の他方の面に形成されており、第２の接続溝４３３は第２の本体基板４２０の一方の面に形成されている。 Next, as shown in FIG. 29, a first opening 421 that penetrates the second main body substrate 420 and a second opening 422 are formed in the second main body substrate 420. Further, a connection passage 430 that connects the first opening 421 and the second opening 422 is formed between the first opening 421 and the second opening 422. The connection passage 430 has the same structure as the connection passage 130 in the second embodiment, and has a first connection groove 431, a connection through hole 432, and a second connection groove 433. Further, the connection through hole 432 is formed with a wide hole portion 432a and a taper hole portion 432b similar to those formed in the connection through hole 114 in the second embodiment. The tapered hole portion 432b is substantially circular and is formed such that the diameter becomes narrower as the depth increases. The connection through hole 432 is connected to the first opening 421 via the first connection groove 431 and is connected to the second opening 422 via the second connection groove 433. The first connection groove 431 is formed on the other surface of the second main body substrate 420, and the second connection groove 433 is formed on one surface of the second main body substrate 420.
尚、第２の本体基板４２０の厚さＬ３は約１．２ｍｍである。接続貫通穴４３２における広穴部４３２ａは、直径φ５が１．２ｍｍであり、第２の本体基板４２０における一方の面より深さＤ８が０．３ｍｍとなるように形成されている。また、テーパー穴部４３２ｂは、第２の本体基板４２０における他方の面に向かって直径が狭くなるように形成されており、第１の接続溝４３１との境界部分において直径φ６が０．６ｍｍとなるように形成されている。本実施の形態におけるテーパー穴部４３２ｂにおけるテーパー角ωは約６５°である。第１の接続溝４３１は、第２の本体基板４２０の他方の面において、幅が０．６ｍｍであり、深さＤ９が０．２ｍｍとなるように形成されており、接続貫通穴４３２におけるテーパー穴部４３２ｂと接続されている。また、第２の接続溝４３３は、第２の本体基板４２０の一方の面において、幅が０．６ｍｍ、深さＤ１０が０．２ｍｍとなるように形成されている。尚、第２の本体基板４２０は、第２の実施の形態における本体基板１１０と同様の工程により作製することができる。このように形成された第１の開口部４２１と第２の開口部４２２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部４２１と第２の開口部４２２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図２９（ａ）は、この工程における上面図であり、図２９（ｂ）は、図２９（ａ）における一点鎖線２９Ａ−２９Ｂにおいて切断した断面図であり、図２９（ｃ）は、図２９（ｂ）の要部拡大図である。 The thickness L3 of the second main body substrate 420 is about 1.2 mm. The wide hole portion 432a in the connection through hole 432 has a diameter φ5 of 1.2 mm and is formed so that the depth D8 is 0.3 mm from one surface of the second main body substrate 420. Further, the tapered hole portion 432b is formed so that the diameter becomes narrower toward the other surface of the second main body substrate 420, and the diameter φ6 is 0.6 mm at the boundary portion with the first connection groove 431. It is formed to become. The taper angle ω in the tapered hole portion 432b in the present embodiment is about 65 °. The first connection groove 431 is formed to have a width of 0.6 mm and a depth D9 of 0.2 mm on the other surface of the second main body substrate 420, and a taper in the connection through hole 432. It is connected to the hole 432b. The second connection groove 433 is formed on one surface of the second main body substrate 420 so that the width is 0.6 mm and the depth D10 is 0.2 mm. The second main body substrate 420 can be manufactured by the same process as the main body substrate 110 in the second embodiment. The first opening 421 and the second opening 422 formed in this way are both rectangles having a size of 3.2 × 3.2 mm, and the first opening 421 and the second opening 422 are formed. The distance between is 3.5 mm. 29A is a top view in this step, FIG. 29B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 29A-29B in FIG. 29A, and FIG. It is a principal part enlarged view of FIG.29 (b).
尚、第１の本体基板４１０における第１の開口部４１１及び第２の開口部４１２と、第２の本体基板４２０における第１の開口部４２１及び第２の開口部４２２は、第１の本体基板４１０と第２の本体基板４２０とを接合した際に、開口部が整合するように形成する。 Note that the first opening 411 and the second opening 412 in the first body substrate 410 and the first opening 421 and the second opening 422 in the second body substrate 420 are the first body. When the substrate 410 and the second main body substrate 420 are joined, the openings are formed so as to be aligned.
次に、第１の本体基板４１０の一方の面と、第２の本体基板４２０の他方の面を減圧下窒素ガスでプラズマ処理した後、接触させ、２００℃まで加熱して荷重をかけ接合し、更に、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で熱処理することにより直接接合する。 Next, one surface of the first main body substrate 410 and the other surface of the second main body substrate 420 are subjected to plasma treatment with nitrogen gas under reduced pressure, then brought into contact, heated to 200 ° C., and subjected to a load to be bonded. Further, direct bonding is performed by heat treatment at a temperature of 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere.
これにより、図３０に示されるように、第１の本体基板４１０の一方の面と第２の本体基板４２０の他方の面とが強固に接合される。このようにして、第１の本体基板４１０における第１の開口部４１１と第２の本体基板４２０における第１の開口部４２１とにより、第１の開口部１１ａが形成される。また、第１の本体基板４１０における第２の開口部４１２と第２の本体基板４２０における第２の開口部４２２とにより、第２の開口部１２ａが形成される。 Thereby, as shown in FIG. 30, one surface of the first main body substrate 410 and the other surface of the second main body substrate 420 are firmly bonded. In this way, the first opening 11 a is formed by the first opening 411 in the first main body substrate 410 and the first opening 421 in the second main body substrate 420. Further, the second opening 12 a is formed by the second opening 412 in the first main body substrate 410 and the second opening 422 in the second main body substrate 420.
次に、第１の本体基板４１０の他方の面に第１の透明基板２０を接合し、第２の開口部１２ａにアルカリ金属発生材料４０を設置し、接続貫通穴４３２におけるテーパー穴部４３２ｂに封止材５０を設置する。この後、第２の本体基板４２０の一方の面に第２の透明基板３０を接合し、アルカリ金属発生材料４０にレーザ光を照射することにより加熱しアルカリ金属ガスを発生させ、接続通路４３０を介して発生したアルカリ金属ガスを第１の開口部１１ａに充填させる。この後、封止材５０にレーザ光を照射することにより加熱し溶融させて、テーパー穴部４３２ｂ等において接続通路４３０を塞ぐことにより、第１の開口部１１ａと第２の開口部１２ａとを空間的に分離する。尚、上記における製造工程は、第２の実施の形態における製造方法の工程と同様の工程である。 Next, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the first main body substrate 410, the alkali metal generating material 40 is installed in the second opening 12 a, and the tapered hole 432 b in the connection through hole 432 is formed. The sealing material 50 is installed. Thereafter, the second transparent substrate 30 is bonded to one surface of the second main body substrate 420, and the alkali metal generating material 40 is heated by irradiating laser light to generate alkali metal gas. The first opening portion 11a is filled with the alkali metal gas generated through the first and second openings 11a. Thereafter, the sealing material 50 is heated and melted by irradiating a laser beam, and the first opening 11a and the second opening 12a are formed by closing the connection passage 430 at the tapered hole 432b or the like. Spatial separation. In addition, the manufacturing process in the above is the same process as the process of the manufacturing method in 2nd Embodiment.
次に、図３１に示すように、封止材５０により封止されている第１の開口部１１ａが形成されている部分を矢印で示す方向に二点鎖線に沿ってダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１ａ内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さＬ４が２．４ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。尚、図３１（ａ）は、この工程における上面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）における一点鎖線３１Ａ−３１Ｂにおいて切断した断面図である。 Next, as shown in FIG. 31, the portion where the first opening 11a sealed by the sealing material 50 is formed is cut along the two-dot chain line by dicing or the like in the direction indicated by the arrow. To separate the chip. Thereby, an alkali metal cell having a thickness L4 of 2.4 mm (optical path length) in which an alkali metal gas is sealed in the first opening 11a is manufactured. FIG. 31A is a top view in this step, and FIG. 31B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 31A-31B in FIG.
尚、本実施の形態においては、第１の本体基板４１０と第２の本体基板４２０との接合には、直接接合を用いた。しかしながら、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｇｅ、Ａｌ−Ｓｉ等の共晶接合、Ａｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｃｕの拡散接合、ＡｕやＡｇの微粒子接合、直接接合、ガラスフリット接合などを用いてもよい。 In this embodiment, direct bonding is used for bonding the first main body substrate 410 and the second main body substrate 420. However, eutectic bonding such as Au-Si, Au-Sn, Al-Ge, Al-Si, diffusion bonding of Au-Au, Cu-Cu, fine particle bonding of Au or Ag, direct bonding, glass frit bonding, etc. are used. May be.
本実施の形態においては、ＣＰＴ共鳴方式原子時計におけるＣＰＴ観測レーザ光の光路長を２．４ｍｍのように長くする場合、本体基板が１枚では、本体基板に深い第１の開口部、第２の開口部及び接続貫通穴を形成する必要がある。このため、第１の開口部等をドライエッチング法、ウェットエッチング法、又は他の方法で形成する場合には、エッチング速度が大きい深堀エッチング用の高価な装置が必要になり、高いプロセス制御が必要になり歩留まりが低下する。このため、製造コストが高くなる。本実施の形態においては、本体基板を複数の基板を積層することにより形成しているため、製造コストの上昇を抑制することができ、低コストでアルカリ金属セルを製造することができる。 In the present embodiment, when the optical path length of the CPT observation laser light in the CPT resonance type atomic clock is increased to 2.4 mm, the number of the first opening deep in the main body substrate, It is necessary to form an opening and a connection through hole. For this reason, when the first opening or the like is formed by a dry etching method, a wet etching method, or another method, an expensive apparatus for deep etching with a high etching rate is required, and high process control is required. And the yield decreases. For this reason, a manufacturing cost becomes high. In this embodiment, since the main body substrate is formed by stacking a plurality of substrates, an increase in manufacturing cost can be suppressed and an alkali metal cell can be manufactured at low cost.
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 contents other than the above are the same as those in the second embodiment.
〔第６の実施の形態〕
次に、第６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３２から図３４に基づき説明する。本実施の形態は、第５の実施の形態の原子発振器におけるアルカリ金属セルと同様に、長い光路長をもつアルカリ金属セルの製造方法である。本実施の形態における説明では、封止材５０としてビスマス系低融点ガラスボールを用い、下地膜として無アルカリガラスをスパッタリングした膜を用いた場合について説明する。
[Sixth Embodiment]
Next, a method for manufacturing an atomic oscillator in the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is a method for manufacturing an alkali metal cell having a long optical path length, similar to the alkali metal cell in the atomic oscillator of the fifth embodiment. In the description of the present embodiment, a case will be described in which a bismuth-based low-melting glass ball is used as the sealing material 50 and a film obtained by sputtering alkali-free glass is used as the base film.
本実施の形態は、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第１の透明基板と、厚さ１．４ｍｍのＳｉからなる第１の本体基板と、厚さ１．２ｍｍのＳｉからなる第２の本体基板と、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスからなる第２の透明基板とが用いられる。本実施の形態は、第１の本体基板と第２の本体基板とが直接接合し、第１の本体基板と第１の透明基板、及び、第２の本体基板と第２の透明基板は、陽極接合により接合することにより製造する製造方法である。 In the present embodiment, a first transparent substrate made of borosilicate glass having a thickness of 0.4 mm, a first body substrate made of Si having a thickness of 1.4 mm, and a first substrate made of Si having a thickness of 1.2 mm. 2 and a second transparent substrate made of borosilicate glass having a thickness of 0.4 mm are used. In the present embodiment, the first main body substrate and the second main body substrate are directly joined, and the first main body substrate and the first transparent substrate, and the second main body substrate and the second transparent substrate are: It is a manufacturing method manufactured by joining by anodic bonding.
最初に、図３２に示すように、第１の本体基板５１０に、接続溝５１３をドライエッチングにより形成し、第１の本体基板５１０を貫通する第１の開口部５１１及び第２の開口部５１２をボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成する。第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、第１の開口部５１１となる貫通穴と、第２の開口部５１２となる貫通穴とが連結されるように形成されている。また、第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０と接合した際に、第２の本体基板５２０に形成されている接続貫通穴５２３と接続する位置に形成されている。第１の本体基板５１０は、厚さＬ５は１．４ｍｍであり、第１の本体基板５１０の一方の面に形成される接続溝５１３は、幅が０．４ｍｍ、深さＤ１１は０．２ｍｍである。このように形成された第１の開口部５１１と第２の開口部５１２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部５１１と第２の開口部５１２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図３２（ａ）は、この工程における上面図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂにおいて切断した断面図であり、図３２（ｃ）は、図３２（ｂ）の要部拡大図である。 First, as shown in FIG. 32, a connection groove 513 is formed in the first main body substrate 510 by dry etching, and a first opening 511 and a second opening 512 that penetrate the first main body substrate 510 are formed. Is formed by dry etching using a Bosch process. The connection groove 513 formed on one surface of the first main body substrate 510 is formed so that the through hole that becomes the first opening 511 and the through hole that becomes the second opening 512 are connected. ing. The connection groove 513 formed on one surface of the first main body substrate 510 is formed on the second main body substrate 520 when the first main body substrate 510 and the second main body substrate 520 are joined. The connection through hole 523 is formed at a position to be connected. The first main body substrate 510 has a thickness L5 of 1.4 mm. A connection groove 513 formed on one surface of the first main body substrate 510 has a width of 0.4 mm and a depth D11 of 0.2 mm. It is. The first opening 511 and the second opening 512 formed in this way are both rectangles having a size of 3.2 × 3.2 mm, and the first opening 511 and the second opening 512 are formed. The distance between is 3.5 mm. 32A is a top view in this step, FIG. 32B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 32A-32B in FIG. 32A, and FIG. It is a principal part enlarged view of FIG.32 (b).
次に、図３３に示すように、第２の本体基板５２０に、第２の本体基板５２０を貫通する第１の開口部５２１と、第２の開口部５２２を形成する。また、第１の開口部５２１と第２の開口部５２２との間の領域に、第２の本体基板５２０を貫通する接続貫通穴５２３を形成する。接続貫通穴５２３は、第２の本体基板５２０の一方の面に形成された広穴部５２３ａと一方の面から他方の面に向かって直径が狭くなるテーパー穴部５２３ｂとを有しており、広穴部５２３ａとテーパー穴部５２３ｂは略円形となるように形成されている。 Next, as shown in FIG. 33, a first opening 521 and a second opening 522 that penetrate the second main body substrate 520 are formed in the second main body substrate 520. In addition, a connection through hole 523 that penetrates the second main body substrate 520 is formed in a region between the first opening 521 and the second opening 522. The connection through hole 523 has a wide hole portion 523a formed on one surface of the second main body substrate 520 and a tapered hole portion 523b whose diameter decreases from one surface to the other surface. The wide hole portion 523a and the tapered hole portion 523b are formed to be substantially circular.
第２の本体基板５２０の厚さＬ６は、約１．０ｍｍである。また、接続貫通穴５２３は、円柱状の広穴部５２３ａと、広穴部５２３ａに接続されたテーパー穴部５２３ｂとにより形成されている。広穴部５２３ａは、第２の本体基板５２０の一方の面から直径φ７が１．２ｍｍで、深さＤ１２が約０．３ｍｍの円柱状に形成されており、広穴部５２３ａに接続されたテーパー穴部５２３ｂは、テーパー角τが６５°となるように形成されている。尚、テーパー穴部５２３ｂにおける第２の本体基板５２０の他方の面における開口の直径φ８は約０．６ｍｍである。 The thickness L6 of the second main body substrate 520 is about 1.0 mm. The connection through hole 523 is formed by a cylindrical wide hole portion 523a and a tapered hole portion 523b connected to the wide hole portion 523a. The wide hole portion 523a is formed in a cylindrical shape having a diameter φ7 of 1.2 mm and a depth D12 of about 0.3 mm from one surface of the second main body substrate 520, and is connected to the wide hole portion 523a. The tapered hole portion 523b is formed so that the taper angle τ is 65 °. The diameter φ8 of the opening on the other surface of the second main body substrate 520 in the tapered hole portion 523b is about 0.6 mm.
第２の本体基板５２０において、第１の開口部５２１、第２の開口部５２２、接続貫通穴５２３は、ボッシュプロセスによるドライエッチングにより形成されている。このように形成された第１の開口部５２１と第２の開口部５２２は、ともに３．２×３．２ｍｍの大きさの矩形であり、第１の開口部５２１と第２の開口部５２２との間の間隔は、３．５ｍｍである。尚、図３３（ａ）は、この工程における上面図であり、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）における一点鎖線３３Ａ−３３Ｂにおいて切断した断面図であり、図３３（ｃ）は、図３３（ｂ）の要部拡大図である。 In the second main body substrate 520, the first opening 521, the second opening 522, and the connection through hole 523 are formed by dry etching using a Bosch process. The first opening 521 and the second opening 522 formed in this way are both rectangles having a size of 3.2 × 3.2 mm, and the first opening 521 and the second opening 522 are formed. The distance between is 3.5 mm. 33A is a top view in this step, FIG. 33B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 33A-33B in FIG. 33A, and FIG. It is a principal part enlarged view of FIG.33 (b).
尚、第１の本体基板５１０における第１の開口部５１１及び第２の開口部５１２と、第２の本体基板５２０における第１の開口部５２１及び第２の開口部５２２は、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０とを接合した際に、開口部が整合するように形成する。 Note that the first opening 511 and the second opening 512 in the first body substrate 510 and the first opening 521 and the second opening 522 in the second body substrate 520 are the first body. When the substrate 510 and the second main body substrate 520 are bonded to each other, the openings are formed so as to be aligned.
次に、第１の本体基板５１０の一方の面と、第２の本体基板５２０の他方の面を減圧下窒素ガスでプラズマ処理した後、接触させ、２００℃まで加熱して荷重をかけ接合し、更に、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で熱処理することにより直接接合する。 Next, one surface of the first main body substrate 510 and the other surface of the second main body substrate 520 are subjected to plasma treatment with nitrogen gas under reduced pressure, and then brought into contact with each other. Further, direct bonding is performed by heat treatment at a temperature of 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere.
これにより、図３４に示されるように、第１の本体基板５１０の一方の面と第２の本体基板５２０の他方の面とが強固に接合される。このようにして、第１の本体基板５１０における第１の開口部５１１と第２の本体基板５２０における第１の開口部５２１とにより、第１の開口部１１ｂが形成される。また、第１の本体基板５１０における第２の開口部５１２と第２の本体基板５２０における第２の開口部５２２とにより、第２の開口部１２ｂが形成される。 Thereby, as shown in FIG. 34, one surface of the first main body substrate 510 and the other surface of the second main body substrate 520 are firmly bonded. In this manner, the first opening 11 b is formed by the first opening 511 in the first main body substrate 510 and the first opening 521 in the second main body substrate 520. Further, the second opening 12 b is formed by the second opening 512 in the first main body substrate 510 and the second opening 522 in the second main body substrate 520.
次に、第１の本体基板５１０の他方の面に第１の透明基板２０を接合し、第２の開口部１２ｂに不図示のアルカリ金属発生材料を設置し、図３５に示すように、接続貫通穴５２３におけるテーパー穴部５２３ｂに封止材５０を設置する。
この後、第２の本体基板５２０の一方の面に第２の透明基板３０を接合し、第２の開口部１２ｂに設置されている不図示のアルカリ金属発生材料にレーザ光を照射することにより加熱しアルカリ金属ガスを発生させる。これにより、第２の開口部１２ｂにおいて発生したアルカリ金属ガスは、接続溝５１３及び接続貫通穴５２３を通り、第１の開口部１１ｂ内に進入し、アルカリ金属ガスを第１の開口部１１ｂに充填させる。この後、封止材５０にレーザ光を照射することにより加熱し溶融させて、接続貫通穴５２３におけるテーパー穴部５２３ｂを塞ぐことにより、第１の開口部１１ｂと第２の開口部１２ｂとを空間的に分離する。
Next, the first transparent substrate 20 is bonded to the other surface of the first main body substrate 510, an alkali metal generating material (not shown) is installed in the second opening 12b, and connection is performed as shown in FIG. The sealing material 50 is installed in the tapered hole portion 523b in the through hole 523.
Thereafter, the second transparent substrate 30 is bonded to one surface of the second main body substrate 520, and laser light is irradiated to an alkali metal generating material (not shown) installed in the second opening 12b. Heat to generate alkali metal gas. As a result, the alkali metal gas generated in the second opening 12b passes through the connection groove 513 and the connection through hole 523 and enters the first opening 11b, and the alkali metal gas enters the first opening 11b. Fill. Thereafter, the sealing material 50 is heated and melted by irradiating a laser beam, and the tapered hole portion 523b in the connection through hole 523 is closed to thereby close the first opening portion 11b and the second opening portion 12b. Spatial separation.
尚、上記における製造工程は、第２の実施の形態における製造方法の工程と同様の工程である。 In addition, the manufacturing process in the above is the same process as the process of the manufacturing method in 2nd Embodiment.
次に、封止材５０により封止されている第１の開口部１１ｂが形成されている部分をダイシング等により切断することによりチップ分離する。これにより、第１の開口部１１ｂ内にアルカリ金属ガスが封入されている厚さが２．４ｍｍ（光路長）のアルカリ金属セルを作製する。 Next, the chip is separated by cutting the portion where the first opening 11b sealed by the sealing material 50 is formed by dicing or the like. As a result, an alkali metal cell having a thickness of 2.4 mm (optical path length) in which the alkali metal gas is sealed in the first opening 11b is manufactured.
本実施の形態においては、第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０とが積層されているため、接続溝５１３と接続貫通穴５２３とを異なる基板に形成することができる。これにより、精密なエッチング加工精度を有する接続貫通穴５２３の深さを第１の本体基板５１０と第２の本体基板５２０との厚さの和よりも浅くすることができるため、製造コストを低減できる。よって、より一層低コストでアルカリ金属セルを製造することができる。 In this embodiment mode, since the first main body substrate 510 and the second main body substrate 520 are stacked, the connection groove 513 and the connection through hole 523 can be formed on different substrates. As a result, the depth of the connection through hole 523 having precise etching processing accuracy can be made shallower than the sum of the thicknesses of the first main body substrate 510 and the second main body substrate 520, thereby reducing the manufacturing cost. it can. Therefore, an alkali metal cell can be manufactured at a much lower cost.
〔第７の実施の形態〕
次に、第７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６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３６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。この原子発振器は、光源６１０より出射されたサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル６４０に入射させることにより、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ものである。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment will be described. This embodiment is an atomic oscillator using the gas cell manufactured in the first to sixth 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 light source 610, a collimating lens 620, a λ / 4 wavelength plate 630, an alkali metal cell 640, a photodetector 650, and a modulator 660. . This atomic oscillator makes light of two different wavelengths out of the light including the sideband emitted from the light source 610 incident on the alkali metal cell 640, and thereby has a light absorption characteristic due to the quantum interference effect by two types of resonance light. It controls the oscillation frequency.
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は、第１から第６の実施の形態のいずれかにおいて製造されたアルカリ金属セルであり、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 light source 610, a surface emitting laser element is used. The alkali metal cell 640 is an alkali metal cell manufactured in any one of the first to sixth embodiments, in which Cs (cesium) atomic gas is enclosed as an alkali metal, and the transition of the D1 line is used. It is. A photodiode is used for the photodetector 650.
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 light source 610 is irradiated to the alkali metal cell 640 in which the cesium atom gas is sealed, thereby exciting the cesium atoms. The light transmitted through the alkali metal cell 640 is detected by the photodetector 650, and the signal detected by the photodetector 650 is fed back to the modulator 660, and the modulator 660 modulates the surface emitting laser element in the light source 610.
図３７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同時にコヒーレント光を照射するとＣＰＴ共鳴状態になりガスセルを透過する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３８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３９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。よって、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. 37 shows the structure of atomic energy levels related to CPT. When the coherent light is irradiated simultaneously from two ground levels to the excited level, a CPT resonance state occurs and the absorption rate of light transmitted through the gas cell is reduced. 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. 38, sidebands are generated on both sides of the carrier wave by modulation, and the frequency difference is modulated at 4.6 GHz so that the frequency difference coincides with the natural frequency of the Cs atom, 9.2 GHz. . As shown in FIG. 39, the laser light passing through the excited Cs gas becomes maximum when the sideband frequency difference matches the natural frequency difference of Cs atoms. Therefore, the modulation frequency of the surface emitting laser element in the light source 610 is adjusted by feedback in the modulator 660 so that the output of the photodetector 650 maintains the maximum value. Since the natural frequency of the atom is extremely stable, the modulation frequency becomes a stable value, and this information is extracted as an output. When the wavelength is 894.6 nm, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required. That is, a light source having a wavelength in the range of 893.6 nm to 895.6 nm is required.
本実施の形態における原子発振器は第１から第６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 sixth 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４０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、光源には、ＣｓにおけるＤ１ライン遷移の波長８９４．６ｎｍ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からなる光源６１０が用いられている。アルカリ金属セル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ヒーター６７１、６７２により挟まれている。また、地磁気などの磁気雑音を遮蔽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不図示のコイルが設けられている。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６７３が設けられている。 FIG. 40 shows another structure of the atomic oscillator according to the present embodiment. The light source is a laser whose polarization is constant in a single mode having the same wavelength as the wavelength 894.6 nm of the D1 line transition in Cs. A light source 610 made of a VCSEL from which light is emitted is used. The alkali metal cell is sandwiched between two ITO heaters 671 and 672 whose current path pattern is adjusted so as to cancel the magnetic field generated by the drive current. In addition, a magnetic shield that shields magnetic noise such as geomagnetism and a coil (not shown) for generating a magnetic field that causes Zeeman splitting to a hyperfine level of cesium in order to obtain a sharp peak of the CPT resonance signal are provided. An ND filter 673 is provided between the λ / 4 wavelength plate 630 and the alkali metal cell 640.
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６７４において直流電流を数十ｋＨｚで変調する。これにより、ＶＣＳＥＬ駆動用電源６７５及びバイアスティー６７６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６７７において数ｋＨｚの変調波を発生させる。これにより、電圧制御水晶発振記（ＶＣＯ）６７８、マイクロ波電源６７９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 alkali metal cell 640 is detected by the photodetector 650, and the direct current is modulated at several tens of kHz in the first lock-in amplifier 674 based on the signal detected by the photodetector 650. Thereby, the output wavelength of the VCSEL which is the light source 610 can be locked to the maximum absorption wavelength via the VCSEL driving power source 675 and the bias tee 676. The second lock-in amplifier 677 generates a modulated wave of several kHz based on the signal detected by the photodetector 650. As a result, the CPT signal can be locked to half the clock transition frequency (ν clock / 2: 4.596 GHz) via the voltage controlled crystal oscillator (VCO) 678 and the microwave power source 679.
また、本実施の形態においては、第１から第６の実施の形態において作製したアルカリ金属セルをＣＰＴ方式の原子発振器に搭載した場合について説明した。しかしながら、これらのアルカリ金属セルは、同じ原理を利用する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搭載してもよい。 In the present embodiment, the case where the alkali metal cell manufactured in the first to sixth embodiments is mounted on a CPT type atomic oscillator has been described. However, these alkali metal cells measure the intensity of the external magnetic field by detecting the energy between the hyperfine structure energy levels due to the external magnetic field due to the light absorption characteristics due to the quantum interference effect by the two types of resonance light using the same principle. You may mount in a magnetic sensor.
更に、第１から第６の実施の形態において作製したアルカリ金属セルは、アルカリ金属原子の超微細構造エネルギー準位間及び微細構造エネルギー準位間の遷移を利用する他の原理を利用した原子時計や磁気センサに搭載してもよい。 Furthermore, the alkali metal cells fabricated in the first to sixth embodiments are atomic clocks using other principles that utilize transitions between hyperfine structure energy levels of alkali metal atoms and between fine structure energy levels. Or may be mounted on a magnetic sensor.
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 本体基板
１１ 第１の開口部（一の開口部）
１２ 第２の開口部（他の開口部）
１３ 接続通路
１３ａ 中央溝
１３ｂ 枝溝
１３ｃ 枝溝
１３ｄ 傾斜領域
１３ｅ 傾斜領域
２０ 第１の透明基板
３０ 第２の透明基板
４０ アルカリ金属発生材料
４１ アルカリ金属ガス
５０ 封止材
６１ レジストパターン
６１ａ 開口部
６２ レジストパターン
６２ａ 開口部
６２ｂ 開口部
６１０ 光源
６２０ コリメートレンズ
６３０ λ／４板
６４０ アルカリ金属セル
６５０ 光検出器
６６０ 変調器
10 body substrate 11 first opening (one opening)
12 Second opening (other opening)
13 connecting passage 13a central groove 13b branch groove 13c branch groove 13d inclined region 13e inclined region 20 first transparent substrate 30 second transparent substrate 40 alkali metal generating material 41 alkali metal gas 50 sealing material 61 resist pattern 61a opening 62 Resist pattern 62a Opening 62b Opening 610 Light source 620 Collimating lens 630 λ / 4 plate 640 Alkali metal cell 650 Photo detector 660 Modulator
Claims (9)
前記第１の開口部と前記第２の開口部を接続する接続通路を前記本体基板に形成する工程と、
前記本体基板の一方の面に第１の透明基板を接合する第１の接合工程と、
前記第２の開口部にアルカリ金属発生材料を設置する工程と、
前記接続通路に封止材を設置する工程と、
前記第１の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料及び前記封止材が設置されている本体基板の他方の面に第２の透明基板を接合する第２の接合工程と、
前記第２の接合工程の後、前記アルカリ金属発生材料を加熱して、アルカリ金属ガスを発生させ、前記接続通路を介し、前記第１の開口部内に拡散させる工程と、
前記第１の開口部内にアルカリ金属ガスを拡散させた後、前記封止材を溶融させて、前記接続通路を塞ぎ、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離する空間分離工程と、
を有し、
前記接続通路には、前記本体基板を貫通する接続貫通穴が設けられており、
前記接続貫通穴は、開口径が徐々に狭くなるテーパー穴部を有しており、
前記封止材は前記テーパー穴部に設置されることを特徴とするアルカリ金属セルの製造方法。 Forming a first opening penetrating the main body substrate in the main body substrate and a second opening;
Forming a connection passage in the main body substrate for connecting the first opening and the second opening;
A first bonding step of bonding a first transparent substrate to one surface of the main body substrate;
Installing an alkali metal generating material in the second opening;
Installing a sealing material in the connection passage;
After the first bonding step, a second bonding step of bonding a second transparent substrate to the other surface of the main substrate on which the alkali metal generating material and the sealing material are installed;
After the second bonding step, heating the alkali metal generating material to generate an alkali metal gas and diffusing into the first opening through the connection passage;
After diffusing the alkali metal gas into the first opening, the sealing material is melted to block the connection passage, and the space between the first opening and the second opening is separated. A space separation process;
Have
The connection passage is provided with a connection through hole penetrating the main body substrate,
The connection through hole has a tapered hole portion whose opening diameter is gradually narrowed,
The method of manufacturing an alkali metal cell, wherein the sealing material is installed in the tapered hole portion.
前記第１の接合工程の前に、前記テーパー穴部に、ガラス材料を含む材料により下地膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ金属セルの製造方法。 The sealing material is formed of a material including a glass material,
Wherein before the first bonding step, the tapered hole portion, the manufacturing method of the alkali metal cell according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a step of forming a material with underlying film comprising a glass material.
前記第１の接合工程の前に、前記テーパー穴部には、金属を含む材料により下地膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ金属セルの製造方法。 The sealing material is formed of a material containing a metal,
Wherein before the first bonding step, wherein the taper hole portion, a manufacturing method of the alkali metal cell according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a step of forming a material with underlying film containing metal.
前記第１の透明基板または前記第２の透明基板を介し、前記封止材に光を照射して溶融させることにより、前記第１の開口部と前記第２の開口部との空間を分離することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 The space separation step includes
The space between the first opening and the second opening is separated by irradiating the sealing material with light through the first transparent substrate or the second transparent substrate to melt it. The method for producing an alkali metal cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein:
前記接続貫通穴は、前記第１の本体基板または前記第２の本体基板のいずれか一方、または、双方に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 The main body substrate is formed by laminating a first main body substrate and a second main body substrate,
The alkali metal according to any one of claims 1 to 6 , wherein the connection through hole is formed in one or both of the first main body substrate and the second main body substrate. Cell manufacturing method.
前記第１の開口部及び前記封止材が設けられている領域と、前記第２の開口部との間を切断する工程を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアルカリ金属セルの製造方法。 After the space separation step,
A region where the first opening and the sealing material is provided, according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a step of cutting between the second opening A method for producing an alkali metal cell.
前記アルカリ金属セルに光を照射する光源を設置する工程と、
前記光源より照射された光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器を設置する工程と、
を有し、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が制御される原子発振器の製造方法。 A method for producing an alkali metal cell according to any one of claims 1 to 8 ,
Installing a light source for irradiating the alkali metal cell with light;
A step of installing a photodetector for detecting light transmitted through the alkali metal cell among the light irradiated from the light source;
A method of manufacturing an atomic oscillator in which the oscillation frequency is controlled by light absorption characteristics due to the quantum interference effect of two types of resonance light.
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