【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.03.25】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23KT1315
利用課題名 / Title
シリコンの三次元微細構造を利用したアルカリ金属ガス封入セル
利用した実施機関 / Support Institute
京都大学 / Kyoto Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
時刻同,原子時計チップ,MEMS,ガスセル,アルカリ金属,エッジデバイス,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,量子効果/ Quantum effect,異種材料接着・接合技術/ Dissimilar material adhesion/bonding technology
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
平井 義和
所属名 / Affiliation
京都大学 大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
清瀬俊,村上諒
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-104：高速マスクレス露光装置
KT-111：ウエハスピン洗浄装置
KT-203：電子線蒸着装置
KT-234：深堀りドライエッチング装置（１）
KT-254：ウエハ接合装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
次世代の情報通信社会を実現する基盤技術の一つに時刻同期技術があり、エッジデバイス間で容易かつ高精度に時刻同期が可能な原子時計チップに対する期待が大きい。本研究では、原子時計チップにおける時刻計測の鍵であるアルカリ金属をMEMS加工技術で封入した「ガスセル」のウェハレベル製造技術の確立を目指し、Siの微細な三次元構造の加工プロセスとこの微細構造を利用してガスセル内で簡便かつクリーンにアルカリ金属を生成・封入するプロセス技術の開発を行った。
実験 / Experimental
ガスセル内でアルカリ金属のセシウム（Cs）を生成・封止するための微細構造として、Si基板上にCrをパターニングし、これをエッチングマスクとしてDRIEプロセスを行い、ピラー構造の側壁に凹凸を有する三次元微細構造を作製した（Fig. 1a）。このプロセス技術の特徴は、DRIEにおける等方性の各エッチングのシーケンスを通常のSiの高アスペクト比加工におけるプロセス条件よりも数十倍の時間を処理することで、数十µm程度の凹形状を連続して作製することにある。ガスセル内でアルカリ金属アジ化物の加熱分解によってCsを高い効率で生成するため、ガスセル面内における上記のピラー構造の配置とCs生成試薬の三次元構造上への堆積状態について調べた。
結果と考察 / Results and Discussion
Cs生成試薬であるアルカリ金属アジ化物を水溶液にしてFig. 1bの直径1 mmのキャビティから注入して加熱乾燥すると、Siの三次元微細構造上へ試薬が再結晶化する。このキャビティ近傍に三次元微細構造を有するピラーを集中して配置することで、試薬を三次元構造上に均一に堆積させることができた(Fig. 2)。これは水溶液が効率よくピラー部分へ流入し、三次元構造全体に濡れ広がったためであると考えられる。今後は、作製したガスセルを原子時計に組み込み、時刻計測の精度を評価する予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 SEM image of Si three-dimensional structure (a) and optical image of the miniaturized alkali-metal vapor cell (b).
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- R. Murakami, S. Kiyose, Y. Hirai, "Smaller Footprint of Alkali-metal Vapor Cells With Microfabricated On-chip Dispensing Component", The 37th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2024), Austin, TX USA (January, 2024), M81-i
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：2件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件