专利名称：原子振荡器及制造方法
技术领域：
本发明涉及原子振荡器及制造方法，更具体而言，涉及发光元件、气室以及受光元 件形成为纵向层叠结构的原子振荡器及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着通信网和广播网等数字网络化的发展，对于用于生成传送装置的时 钟信号或广播电台的基准频率的时钟源等而言，高精度、高稳定性的振荡器是必不可缺的。 作为这种振荡器，大多使用振荡频率的精度、稳定性高的铷原子振荡器。此外，近年来，对原 子振荡器的小型化的要求变高，迫切需要实现包括气室在内的整体的小型化。与此同时，为 了降低单元成本，要求实现降低制造成本的制造方法。在专利文献1中，公开了如下的原子振荡器的结构，即从光源射出的光经棱镜折 射而透射过气室，然后进一步经棱镜折射而被受光元件所接收。专利文献1US6900702B2在现有的原子振荡器中，作为提高生产效率的一个手段，采用了一体地形成多个 气室、之后将它们切分为单体的制造方法，但是，其构成为，发光元件、气室以及受光元件是 在基板上横向排列的，并且在各部件之间隔开间隔而进行配置，而且还需要用于使光发生 折射的多个反射镜，由于采用了以上结构，因此，作为整体单元，很难说是实现了小型化。此外，专利文献1所公开的现有技术使用了棱镜等高价部件，因此存在单元成本 变高的问题。
发明内容
本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供这样一种原子振荡器该原 子振荡器在半导体基板上至少形成受光元件或发光元件、和气室，并在其上层叠其他部件， 由此能够实现小型化和成本的降低。本发明正是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，可作为以下方式或应用 例来实现。[应用例1]一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有受光元件，其具有 受光部；气室层，其层叠在所述受光元件上，且在该受光部的上部形成了具有开口部的空 腔；气体状的碱金属原子，其被封入在所述空腔中；透明部件，其将所述开口部封闭；以及 发光元件，其隔着所述透明部件和所述碱金属原子向所述受光部射出共振光。在本发明中，首先在半导体基板上形成受光元件。接着，进一步在受光元件上层叠 气室层，通过蚀刻而在与受光元件相对的面上形成具有开口部的空腔。通过将该气室层置 于碱金属原子环境内来使空腔中充满碱金属原子。在该状态下用透明部件将开口部封闭， 并利用凸块来连接发光元件。由此，能够容易地构成单片原子振荡器。[应用例2]—种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有发光元件，其具有 射出共振光的发光部；气室层，其层叠在所述发光元件上，且在该发光部的上部形成了具有开口部的空腔；气体状的碱金属原子，其被封入在所述空腔中；透明部件，其将所述开口部 封闭；以及受光元件，其隔着所述碱金属原子和所述透明部件接收所述共振光。在本发明中，采用了将应用例1的发光元件与受光元件的配置反过来的结构。艮口， 在半导体基板上形成发光元件。接着，进一步在发光元件上层叠气室层，通过蚀刻而在与发 光元件相对的面上形成具有开口部的空腔。该工序可用1次半导体加工工序来实现。通过 将该气室层置于碱金属原子环境内来使空腔中充满碱金属原子。在该状态下用透明部件将 开口部封闭，并利用凸块来连接受光元件。由此，能够容易地构成单片原子振荡器。[应用例3]—种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有受光元件，其具有 受光部；透明部件，其被接合在所述受光元件上，且在该受光部的上部形成了空腔；气体状 的碱金属原子，其被封入在所述空腔中；以及发光元件，其隔着所述透明部件向所述碱金属 原子射出共振光。在本发明中，省略了用透明部件封闭开口部的工序。即，在半导体基板上形成发光 元件。接着，在碱金属原子环境内，将形成了空腔的透明部件与受光元件接合，由此使空腔 中充满碱金属原子。接着，利用凸块来连接受光元件。由此，能够容易地构成单片原子振荡器。[应用例4]一种制造方法，其特征在于，该原子振荡器的制造方法包括以下工序 第1工序，在半导体基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上层 叠氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上层叠气室层；第4工序，在所述受光部的上部的所述 气室层中，以具有开口部的方式形成空腔；第5工序，在所述空腔中封入气体状的碱金属原 子；第6工序，利用透明部件来封闭所述开口部；以及第7工序，将向所述碱金属原子射出 共振光的发光元件连接到所述开口部上。起到与应用例1相同的作用效果。[应用例5]—种制造方法，其特征在于，该原子振荡器的制造方法包括以下工序 第1工序，在半导体基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上层叠 氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上层叠碱金属原子；第4工序，形成在所述受光部的上部 具有空腔的透明部件；第5工序，将所述透明部件与所述受光元件接合；以及第6工序，将 向所述碱金属原子射出共振光的发光元件连接到所述透明部件上。起到与应用例3相同的作用效果。
图1是示出本发明第1实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。图2是示出本发明第2实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。图3是示出本发明第3实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。图4是对图1的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。图5是对图2的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。图6是对图3的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。标号说明1 发光元件(VCSEL) ； Ia 发光部；2 凸块；3 电极；4 玻璃盖(coverglass) ；5 碱金属气体(Cs气体)；6 受光元件(PD) ；6a 受光部；7 电极；8 气室层；9 氧化膜；10 电极；50,51,52 原子振荡器。
具体实施例方式下面，使用图示的实施方式来详细说明本发明。不过，在没有特定记载的情况下， 该实施方式所记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等均只是单纯的说明例，其 主旨不是要将本发明的范围仅限定于此。图1是示出本发明第1实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。该原子振荡器50 构成为具有受光元件(PD =Photodiode 光电二极管)6，其形成在半导体基板上，且具有受 光部6a ；气室层8，其层叠在受光元件6上，且在受光部6a的上部形成了具有开口部8a的 空腔8b ；气体状的碱金属原子5，其被封入在空腔8b中；玻璃盖(透明部件)4，其将开口部 8a 封闭；以及发光元件(VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser (垂直腔面发 光激光器))1，其隔着玻璃盖4向碱金属原子5射出共振光。此外，在受光元件(PD)6上具 有电极7，在玻璃盖4上形成有发光元件1用的电极3。并且，发光元件1经由凸块2与电 极3连接。S卩，在本发明中，首先在半导体基板上形成具有受光部6a的受光元件6。接着，进 一步在受光元件6上层叠气室层8，通过蚀刻而在受光部6a的上部形成具有开口部8a的空 腔Sb。通过将搭载了该气室层8的状态下的结构体置于碱金属原子的环境内，来使空腔8b 中充满碱金属原子5。在该状态下用玻璃盖4将开口部8a封闭，由玻璃盖4和气室层8构 成具有凹部的盖。接着，利用凸块2将发光元件1连接到玻璃盖4的上表面的电极3上。
此外，为了高效地形成多个原子振荡器，优选采用批处理工艺。S卩，准备以如下方式形成的结构体在形成有多个受光部6a的晶片(wafer)状态 的半导体基板上叠置晶片状态的气室层8后，在期望的位置形成多个空腔8b，之后，在将碱 金属原子封入在空腔8b内的状态下，将晶片状态的玻璃盖4叠置并接合在晶片状态的气室 层8上，以将开口部8a封闭。然后，在该结构体上搭载发光元件1之前、或搭载了发光元件1之后的阶段中，按 照每个原子振荡器或按照搭载发光元件1之前的状态下的原子振荡器用的每个部分切断 结构体并进行固化。由此，能够容易地构成单片原子振荡器。此外，也可以准备在搭载到半导体基板6上之前已形成了空腔8b的气室层8。图2是示出本发明第2实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。该原子振荡器51 构成为具有受光元件6 (PD)，其形成在半导体基板上，且具有受光部6a ；玻璃盖(透明部 件)4，其被接合在受光元件6上，且在该受光部6a的上部形成了空腔4b ；气体状的碱金属 原子5，其被封入在空腔4b中；以及发光元件(VCSEL) 1，其隔着玻璃盖4向碱金属原子5射 出共振光。此外，在受光元件(PD)6上具有电极7，在玻璃盖4上形成有发光元件1用的电 极3。而且，发光元件1经由凸块2与电极3连接。这里，图1与图2的不同之处在于在 图1中，是在半导体基板上搭载了气室层8之后，形成空腔8b，并利用板状的玻璃盖4来将 空腔8b内的碱金属原子5封闭在内，而在图2中，是预先分体地构成受光元件6和盖，进而 在将碱金属原子5封入到空腔4b内的同时，将两者接合(制造方法将在后面叙述)。即，在本实施方式中，可省略用玻璃盖封闭开口部的工序。即，在半导体基板上形成具有受光部6a的受光元件6。接着，准备在透明材料(例如玻璃)中形成了空腔4b的 盖。之后，在碱金属原子的环境内，以将受光部6a收纳到空腔4b的开口内的方式，将盖与 受光元件6重叠地接合，由此在空腔4b中充满碱金属原子5。接着，利用凸块2来连接发光 元件1。由此，不用担心因蚀刻等化学处理对受光部6a造成损伤，能够容易地构成单片原子 振荡器。此外，在图1所示的单片原子振荡器的情况下，也可以分体地准备受光元件6和 盖，并在碱金属原子的环境内将两者接合。图3是示出本发明第3实施方式的原子振荡器的结构的剖视图。该原子振荡器52 构成为具有发光元件(VCSEL) 1，其形成在半导体基板上，且具有发光部Ia ；气室层8，其层 叠在发光元件1上，且在该发光部Ia的上部形成了具有开口部8a的空腔8b ；气体状的碱 金属原子5，其被封入在空腔8b中；玻璃盖(透明部件)4，其将开口部8a封闭；以及受光元 件(PD) 6，其隔着玻璃盖4接收透射碱金属原子5后的共振光。此外，在发光元件(VCSEL)I 上具有电极10，在玻璃盖4上形成有受光元件6用的电极3。并且，受光元件6经由凸块2 与电极3连接。这里，图1与图3的不同之处在于在图1中，是在层叠在受光元件6上的 气室层8中形成了空腔8b，而在图3中，是在层叠在发光元件1上的气室层8中形成了空腔 8b。S卩，在本发明中，采用了将图1的发光元件1与受光元件6的配置反过来的结构。 即，在半导体基板上形成具有发光部Ia的发光元件1。接着，进一步在发光元件1上层叠气 室层8，通过蚀刻而在发光部Ia的上部形成具有开口部8a的空腔Sb。通过将该气室层8 置于碱金属原子的环境内，由此使空腔8b中充满碱金属原子5。在该状态下用玻璃盖4将 开口部8a封闭，并通过凸块2来连接受光元件6。由此，能够容易地构成单片原子振荡器。图4是对图1的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。首先，在半导体基板 上形成受光元件6 (Si)，然后形成电极弓丨出用的金属膜(以下简称作电极7) (S2)。接着，在 受光元件6上层叠气室层(S； )。然后，对气室层的一部分进行蚀刻而形成空腔8b (S4)。此 时，在空腔8b的一方设置开口部8a。接着，在空腔8b中封入气体状的碱金属原子5 (S5)，利 用玻璃盖4将开口部8a封闭并进行接合(S6)。在该玻璃盖4上形成电极3 (S7)。最后，在 开口部8a上安装向碱金属原子5射出共振光的发光元件1，将电极3与凸块2连接(flip chip bonding 倒装键合)(S8)。图5是对图2的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。首先，在半导体基板 上形成受光元件6 (811)，然后形成电极7 (S12)。接着，在受光元件6上层叠氧化膜9 (S13)。 然后，在图2的A部上层叠碱金属原子(S14)。接着，从其上方接合在与受光元件6相对的 位置处具有空腔4b的盖(S15)。在该盖上形成电极3 (S16)。最后，在盖上安装向碱金属原 子5射出共振光的发光元件1，将电极3与凸块2连接(倒装键合)(S17)。图6是对图3的原子振荡器的制造工序进行说明的流程图。首先，在半导体基板上 形成发光元件1 (S21)，然后形成电极10 (S22)。接着，在发光元件1上层叠气室层8 (S23)。 然后，对气室层8的一部分进行蚀刻而形成空腔8b (S24)。接着，在空腔8b中封入气体状的 碱金属原子5(S25)，利用玻璃盖4将开口部8a封闭并进行接合(S^)。在该玻璃盖4上形 成电极3(S27)。最后，在开口部8a上安装接收共振光的受光元件6，将电极3与凸块2连 接(倒装键合)(S28)。
权利要求
1.一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有 受光元件，其具有受光部；气室层，其层叠在所述受光元件上，且在该受光部的上部形成了具有开口部的空腔； 气体状的碱金属原子，其被封入在所述空腔中； 透明部件，其将所述开口部封闭；以及发光元件，其隔着所述透明部件和所述碱金属原子向所述受光部射出共振光。
2.一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有 发光元件，其具有射出共振光的发光部；气室层，其层叠在所述发光元件上，且在该发光部的上部形成了具有开口部的空腔； 气体状的碱金属原子，其被封入在所述空腔中； 透明部件，其将所述开口部封闭；以及受光元件，其隔着所述碱金属原子和所述透明部件接收所述共振光。
3.一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有 受光元件，其具有受光部；透明部件，其被接合在所述受光元件上，且在该受光部的上部形成了空腔； 气体状的碱金属原子，其被封入在所述空腔中；以及 发光元件，其隔着所述透明部件向所述碱金属原子射出共振光。
4.一种原子振荡器的制造方法，其特征在于，该原子振荡器的制造方法包括以下工第1工序，在半导体基板上形成具有受光部的受光元件； 第2工序，在所述受光元件上层叠氧化膜； 第3工序，在所述氧化膜上层叠气室层；第4工序，在所述受光部的上部的所述气室层中，以具有开口部的方式形成空腔； 第5工序，在所述空腔中封入气体状的碱金属原子； 第6工序，利用透明部件来封闭所述开口部；以及第7工序，将向所述碱金属原子射出共振光的发光元件连接到所述开口部上。
5.一种原子振荡器的制造方法，其特征在于，该原子振荡器的制造方法包括以下工第1工序，在半导体基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上层叠氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上层叠碱金属原子；第4工序，形成在所述受光部的上部具有空腔的透明部件；第5工序，将所述透明部件与所述受光元件接合；以及第6工序，将向所述碱金属原子射出共振光的发光元件连接到所述透明部件上。
6.一种原子振荡器的制造方法，其特征在于，该原子振荡器的制造方法包括以下工第1工序，在半导体基板上形成具有发光部的发光元件； 第2工序，在所述发光元件上层叠氧化膜； 第3工序，在所述氧化膜上层叠气室层；第4工序，在所述发光部的上部的所述气室层中，以具有开口部的方式形成空腔； 第5工序，在所述空腔中封入气体状的碱金属原子； 第6工序，利用透明部件来封闭所述开口部；以及 第7工序，将受光元件连接到所述开口部上。
全文摘要
本发明提供原子振荡器，其能够缩短制造工序而降低单元成本。该原子振荡器(50)构成为具有受光元件(PD)(6)，其形成在半导体基板上，具有受光部；气室层(8)，其层叠在受光元件(6)上，且在该受光部的上部形成了具有开口部(8a)的空腔(8b)；封入在空腔(8b)中的气体状的碱金属原子(5)；将开口部(8a)封闭的玻璃盖(透明部件)(4)；发光元件(VCSEL)(1)，其隔着玻璃盖(4)向碱金属原子(5)射出共振光。在受光元件(PD)(6)上具有电极(7)，在玻璃盖(4)上形成有发光元件(1)用的电极(3)。而且，经由发光元件(1)的凸块(2)将发光元件(1)与发光元件(1)用的电极(3)连接。
文档编号H03L7/26GK102118165SQ20101057298
公开日2011年7月6日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年12月1日
发明者牧义之, 西田哲朗 申请人:精工爱普生株式会社