專利名稱：原子振蕩器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子振蕩器及制造方法，更具體而言，涉及發(fā)光元件、氣室以及受光元 件形成為縱向?qū)盈B結(jié)構(gòu)的原子振蕩器及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著通信網(wǎng)和廣播網(wǎng)等數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，對(duì)于用于生成傳送裝置的時(shí) 鐘信號(hào)或廣播電臺(tái)的基準(zhǔn)頻率的時(shí)鐘源等而言，高精度、高穩(wěn)定性的振蕩器是必不可缺的。 作為這種振蕩器，大多使用振蕩頻率的精度、穩(wěn)定性高的銣原子振蕩器。此外，近年來(lái)，對(duì)原 子振蕩器的小型化的要求變高，迫切需要實(shí)現(xiàn)包括氣室在內(nèi)的整體的小型化。與此同時(shí)，為 了降低單元成本，要求實(shí)現(xiàn)降低制造成本的制造方法。在專利文獻(xiàn)1中，公開(kāi)了如下的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)，即從光源射出的光經(jīng)棱鏡折 射而透射過(guò)氣室，然后進(jìn)一步經(jīng)棱鏡折射而被受光元件所接收。專利文獻(xiàn)1US6900702B2在現(xiàn)有的原子振蕩器中，作為提高生產(chǎn)效率的一個(gè)手段，采用了一體地形成多個(gè) 氣室、之后將它們切分為單體的制造方法，但是，其構(gòu)成為，發(fā)光元件、氣室以及受光元件是 在基板上橫向排列的，并且在各部件之間隔開(kāi)間隔而進(jìn)行配置，而且還需要用于使光發(fā)生 折射的多個(gè)反射鏡，由于采用了以上結(jié)構(gòu)，因此，作為整體單元，很難說(shuō)是實(shí)現(xiàn)了小型化。此外，專利文獻(xiàn)1所公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)使用了棱鏡等高價(jià)部件，因此存在單元成本 變高的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述課題而完成的，其目的在于提供這樣一種原子振蕩器該原 子振蕩器在半導(dǎo)體基板上至少形成受光元件或發(fā)光元件、和氣室，并在其上層疊其他部件， 由此能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和成本的降低。本發(fā)明正是為了解決上述課題中的至少一部分而完成的，可作為以下方式或應(yīng)用 例來(lái)實(shí)現(xiàn)。[應(yīng)用例1]一種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有受光元件，其具有 受光部；氣室層，其層疊在所述受光元件上，且在該受光部的上部形成了具有開(kāi)口部的空 腔；氣體狀的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中；透明部件，其將所述開(kāi)口部封閉；以及 發(fā)光元件，其隔著所述透明部件和所述堿金屬原子向所述受光部射出共振光。在本發(fā)明中，首先在半導(dǎo)體基板上形成受光元件。接著，進(jìn)一步在受光元件上層疊 氣室層，通過(guò)蝕刻而在與受光元件相對(duì)的面上形成具有開(kāi)口部的空腔。通過(guò)將該氣室層置 于堿金屬原子環(huán)境內(nèi)來(lái)使空腔中充滿堿金屬原子。在該狀態(tài)下用透明部件將開(kāi)口部封閉， 并利用凸塊來(lái)連接發(fā)光元件。由此，能夠容易地構(gòu)成單片原子振蕩器。[應(yīng)用例2]—種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有發(fā)光元件，其具有 射出共振光的發(fā)光部；氣室層，其層疊在所述發(fā)光元件上，且在該發(fā)光部的上部形成了具有開(kāi)口部的空腔；氣體狀的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中；透明部件，其將所述開(kāi)口部 封閉；以及受光元件，其隔著所述堿金屬原子和所述透明部件接收所述共振光。在本發(fā)明中，采用了將應(yīng)用例1的發(fā)光元件與受光元件的配置反過(guò)來(lái)的結(jié)構(gòu)。艮口， 在半導(dǎo)體基板上形成發(fā)光元件。接著，進(jìn)一步在發(fā)光元件上層疊氣室層，通過(guò)蝕刻而在與發(fā) 光元件相對(duì)的面上形成具有開(kāi)口部的空腔。該工序可用1次半導(dǎo)體加工工序來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò) 將該氣室層置于堿金屬原子環(huán)境內(nèi)來(lái)使空腔中充滿堿金屬原子。在該狀態(tài)下用透明部件將 開(kāi)口部封閉，并利用凸塊來(lái)連接受光元件。由此，能夠容易地構(gòu)成單片原子振蕩器。[應(yīng)用例3]—種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有受光元件，其具有 受光部；透明部件，其被接合在所述受光元件上，且在該受光部的上部形成了空腔；氣體狀 的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中；以及發(fā)光元件，其隔著所述透明部件向所述堿金屬 原子射出共振光。在本發(fā)明中，省略了用透明部件封閉開(kāi)口部的工序。即，在半導(dǎo)體基板上形成發(fā)光 元件。接著，在堿金屬原子環(huán)境內(nèi)，將形成了空腔的透明部件與受光元件接合，由此使空腔 中充滿堿金屬原子。接著，利用凸塊來(lái)連接受光元件。由此，能夠容易地構(gòu)成單片原子振蕩器。[應(yīng)用例4]一種制造方法，其特征在于，該原子振蕩器的制造方法包括以下工序 第1工序，在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上層 疊氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上層疊氣室層；第4工序，在所述受光部的上部的所述 氣室層中，以具有開(kāi)口部的方式形成空腔；第5工序，在所述空腔中封入氣體狀的堿金屬原 子；第6工序，利用透明部件來(lái)封閉所述開(kāi)口部；以及第7工序，將向所述堿金屬原子射出 共振光的發(fā)光元件連接到所述開(kāi)口部上。起到與應(yīng)用例1相同的作用效果。[應(yīng)用例5]—種制造方法，其特征在于，該原子振蕩器的制造方法包括以下工序 第1工序，在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上層疊 氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上層疊堿金屬原子；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，將所述透明部件與所述受光元件接合；以及第6工序，將 向所述堿金屬原子射出共振光的發(fā)光元件連接到所述透明部件上。起到與應(yīng)用例3相同的作用效果。


圖1是示出本發(fā)明第1實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2是示出本發(fā)明第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3是示出本發(fā)明第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖4是對(duì)圖1的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。圖5是對(duì)圖2的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。圖6是對(duì)圖3的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1 發(fā)光元件(VCSEL) ； Ia 發(fā)光部；2 凸塊；3 電極；4 玻璃蓋(coverglass) ；5 堿金屬氣體(Cs氣體)；6 受光元件(PD) ；6a 受光部；7 電極；8 氣室層；9 氧化膜；10 電極；50,51,52 原子振蕩器。
具體實(shí)施例方式下面，使用圖示的實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。不過(guò)，在沒(méi)有特定記載的情況下， 該實(shí)施方式所記載的結(jié)構(gòu)要素、種類、組合、形狀及其相對(duì)配置等均只是單純的說(shuō)明例，其 主旨不是要將本發(fā)明的范圍僅限定于此。圖1是示出本發(fā)明第1實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。該原子振蕩器50 構(gòu)成為具有受光元件(PD =Photodiode 光電二極管)6，其形成在半導(dǎo)體基板上，且具有受 光部6a ；氣室層8，其層疊在受光元件6上，且在受光部6a的上部形成了具有開(kāi)口部8a的 空腔8b ；氣體狀的堿金屬原子5，其被封入在空腔8b中；玻璃蓋(透明部件)4，其將開(kāi)口部 8a 封閉；以及發(fā)光元件(VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser (垂直腔面發(fā) 光激光器))1，其隔著玻璃蓋4向堿金屬原子5射出共振光。此外，在受光元件(PD)6上具 有電極7，在玻璃蓋4上形成有發(fā)光元件1用的電極3。并且，發(fā)光元件1經(jīng)由凸塊2與電 極3連接。S卩，在本發(fā)明中，首先在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部6a的受光元件6。接著，進(jìn) 一步在受光元件6上層疊氣室層8，通過(guò)蝕刻而在受光部6a的上部形成具有開(kāi)口部8a的空 腔Sb。通過(guò)將搭載了該氣室層8的狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)體置于堿金屬原子的環(huán)境內(nèi)，來(lái)使空腔8b 中充滿堿金屬原子5。在該狀態(tài)下用玻璃蓋4將開(kāi)口部8a封閉，由玻璃蓋4和氣室層8構(gòu) 成具有凹部的蓋。接著，利用凸塊2將發(fā)光元件1連接到玻璃蓋4的上表面的電極3上。
此外，為了高效地形成多個(gè)原子振蕩器，優(yōu)選采用批處理工藝。S卩，準(zhǔn)備以如下方式形成的結(jié)構(gòu)體在形成有多個(gè)受光部6a的晶片(wafer)狀態(tài) 的半導(dǎo)體基板上疊置晶片狀態(tài)的氣室層8后，在期望的位置形成多個(gè)空腔8b，之后，在將堿 金屬原子封入在空腔8b內(nèi)的狀態(tài)下，將晶片狀態(tài)的玻璃蓋4疊置并接合在晶片狀態(tài)的氣室 層8上，以將開(kāi)口部8a封閉。然后，在該結(jié)構(gòu)體上搭載發(fā)光元件1之前、或搭載了發(fā)光元件1之后的階段中，按 照每個(gè)原子振蕩器或按照搭載發(fā)光元件1之前的狀態(tài)下的原子振蕩器用的每個(gè)部分切斷 結(jié)構(gòu)體并進(jìn)行固化。由此，能夠容易地構(gòu)成單片原子振蕩器。此外，也可以準(zhǔn)備在搭載到半導(dǎo)體基板6上之前已形成了空腔8b的氣室層8。圖2是示出本發(fā)明第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。該原子振蕩器51 構(gòu)成為具有受光元件6 (PD)，其形成在半導(dǎo)體基板上，且具有受光部6a ；玻璃蓋(透明部 件)4，其被接合在受光元件6上，且在該受光部6a的上部形成了空腔4b ；氣體狀的堿金屬 原子5，其被封入在空腔4b中；以及發(fā)光元件(VCSEL) 1，其隔著玻璃蓋4向堿金屬原子5射 出共振光。此外，在受光元件(PD)6上具有電極7，在玻璃蓋4上形成有發(fā)光元件1用的電 極3。而且，發(fā)光元件1經(jīng)由凸塊2與電極3連接。這里，圖1與圖2的不同之處在于在 圖1中，是在半導(dǎo)體基板上搭載了氣室層8之后，形成空腔8b，并利用板狀的玻璃蓋4來(lái)將 空腔8b內(nèi)的堿金屬原子5封閉在內(nèi)，而在圖2中，是預(yù)先分體地構(gòu)成受光元件6和蓋，進(jìn)而 在將堿金屬原子5封入到空腔4b內(nèi)的同時(shí)，將兩者接合(制造方法將在后面敘述)。即，在本實(shí)施方式中，可省略用玻璃蓋封閉開(kāi)口部的工序。即，在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部6a的受光元件6。接著，準(zhǔn)備在透明材料(例如玻璃)中形成了空腔4b的 蓋。之后，在堿金屬原子的環(huán)境內(nèi)，以將受光部6a收納到空腔4b的開(kāi)口內(nèi)的方式，將蓋與 受光元件6重疊地接合，由此在空腔4b中充滿堿金屬原子5。接著，利用凸塊2來(lái)連接發(fā)光 元件1。由此，不用擔(dān)心因蝕刻等化學(xué)處理對(duì)受光部6a造成損傷，能夠容易地構(gòu)成單片原子 振蕩器。此外，在圖1所示的單片原子振蕩器的情況下，也可以分體地準(zhǔn)備受光元件6和 蓋，并在堿金屬原子的環(huán)境內(nèi)將兩者接合。圖3是示出本發(fā)明第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的剖視圖。該原子振蕩器52 構(gòu)成為具有發(fā)光元件(VCSEL) 1，其形成在半導(dǎo)體基板上，且具有發(fā)光部Ia ；氣室層8，其層 疊在發(fā)光元件1上，且在該發(fā)光部Ia的上部形成了具有開(kāi)口部8a的空腔8b ；氣體狀的堿 金屬原子5，其被封入在空腔8b中；玻璃蓋(透明部件)4，其將開(kāi)口部8a封閉；以及受光元 件(PD) 6，其隔著玻璃蓋4接收透射堿金屬原子5后的共振光。此外，在發(fā)光元件(VCSEL)I 上具有電極10，在玻璃蓋4上形成有受光元件6用的電極3。并且，受光元件6經(jīng)由凸塊2 與電極3連接。這里，圖1與圖3的不同之處在于在圖1中，是在層疊在受光元件6上的 氣室層8中形成了空腔8b，而在圖3中，是在層疊在發(fā)光元件1上的氣室層8中形成了空腔 8b。S卩，在本發(fā)明中，采用了將圖1的發(fā)光元件1與受光元件6的配置反過(guò)來(lái)的結(jié)構(gòu)。 即，在半導(dǎo)體基板上形成具有發(fā)光部Ia的發(fā)光元件1。接著，進(jìn)一步在發(fā)光元件1上層疊氣 室層8，通過(guò)蝕刻而在發(fā)光部Ia的上部形成具有開(kāi)口部8a的空腔Sb。通過(guò)將該氣室層8 置于堿金屬原子的環(huán)境內(nèi)，由此使空腔8b中充滿堿金屬原子5。在該狀態(tài)下用玻璃蓋4將 開(kāi)口部8a封閉，并通過(guò)凸塊2來(lái)連接受光元件6。由此，能夠容易地構(gòu)成單片原子振蕩器。圖4是對(duì)圖1的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。首先，在半導(dǎo)體基板 上形成受光元件6 (Si)，然后形成電極弓丨出用的金屬膜(以下簡(jiǎn)稱作電極7) (S2)。接著，在 受光元件6上層疊氣室層(S； )。然后，對(duì)氣室層的一部分進(jìn)行蝕刻而形成空腔8b (S4)。此 時(shí)，在空腔8b的一方設(shè)置開(kāi)口部8a。接著，在空腔8b中封入氣體狀的堿金屬原子5 (S5)，利 用玻璃蓋4將開(kāi)口部8a封閉并進(jìn)行接合(S6)。在該玻璃蓋4上形成電極3 (S7)。最后，在 開(kāi)口部8a上安裝向堿金屬原子5射出共振光的發(fā)光元件1，將電極3與凸塊2連接(flip chip bonding 倒裝鍵合)(S8)。圖5是對(duì)圖2的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。首先，在半導(dǎo)體基板 上形成受光元件6 (811)，然后形成電極7 (S12)。接著，在受光元件6上層疊氧化膜9 (S13)。 然后，在圖2的A部上層疊堿金屬原子(S14)。接著，從其上方接合在與受光元件6相對(duì)的 位置處具有空腔4b的蓋(S15)。在該蓋上形成電極3 (S16)。最后，在蓋上安裝向堿金屬原 子5射出共振光的發(fā)光元件1，將電極3與凸塊2連接(倒裝鍵合)(S17)。圖6是對(duì)圖3的原子振蕩器的制造工序進(jìn)行說(shuō)明的流程圖。首先，在半導(dǎo)體基板上 形成發(fā)光元件1 (S21)，然后形成電極10 (S22)。接著，在發(fā)光元件1上層疊氣室層8 (S23)。 然后，對(duì)氣室層8的一部分進(jìn)行蝕刻而形成空腔8b (S24)。接著，在空腔8b中封入氣體狀的 堿金屬原子5(S25)，利用玻璃蓋4將開(kāi)口部8a封閉并進(jìn)行接合(S^)。在該玻璃蓋4上形 成電極3(S27)。最后，在開(kāi)口部8a上安裝接收共振光的受光元件6，將電極3與凸塊2連 接(倒裝鍵合)(S28)。
權(quán)利要求
1.一種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有 受光元件，其具有受光部；氣室層，其層疊在所述受光元件上，且在該受光部的上部形成了具有開(kāi)口部的空腔； 氣體狀的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中； 透明部件，其將所述開(kāi)口部封閉；以及發(fā)光元件，其隔著所述透明部件和所述堿金屬原子向所述受光部射出共振光。
2.一種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有 發(fā)光元件，其具有射出共振光的發(fā)光部；氣室層，其層疊在所述發(fā)光元件上，且在該發(fā)光部的上部形成了具有開(kāi)口部的空腔； 氣體狀的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中； 透明部件，其將所述開(kāi)口部封閉；以及受光元件，其隔著所述堿金屬原子和所述透明部件接收所述共振光。
3.一種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有 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，且在該受光部的上部形成了空腔； 氣體狀的堿金屬原子，其被封入在所述空腔中；以及 發(fā)光元件，其隔著所述透明部件向所述堿金屬原子射出共振光。
4.一種原子振蕩器的制造方法，其特征在于，該原子振蕩器的制造方法包括以下工第1工序，在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部的受光元件； 第2工序，在所述受光元件上層疊氧化膜； 第3工序，在所述氧化膜上層疊氣室層；第4工序，在所述受光部的上部的所述氣室層中，以具有開(kāi)口部的方式形成空腔； 第5工序，在所述空腔中封入氣體狀的堿金屬原子； 第6工序，利用透明部件來(lái)封閉所述開(kāi)口部；以及第7工序，將向所述堿金屬原子射出共振光的發(fā)光元件連接到所述開(kāi)口部上。
5.一種原子振蕩器的制造方法，其特征在于，該原子振蕩器的制造方法包括以下工第1工序，在半導(dǎo)體基板上形成具有受光部的受光元件；第2工序，在所述受光元件上層疊氧化膜；第3工序，在所述氧化膜上層疊堿金屬原子；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，將所述透明部件與所述受光元件接合；以及第6工序，將向所述堿金屬原子射出共振光的發(fā)光元件連接到所述透明部件上。
6.一種原子振蕩器的制造方法，其特征在于，該原子振蕩器的制造方法包括以下工第1工序，在半導(dǎo)體基板上形成具有發(fā)光部的發(fā)光元件； 第2工序，在所述發(fā)光元件上層疊氧化膜； 第3工序，在所述氧化膜上層疊氣室層；第4工序，在所述發(fā)光部的上部的所述氣室層中，以具有開(kāi)口部的方式形成空腔； 第5工序，在所述空腔中封入氣體狀的堿金屬原子； 第6工序，利用透明部件來(lái)封閉所述開(kāi)口部；以及 第7工序，將受光元件連接到所述開(kāi)口部上。
全文摘要
本發(fā)明提供原子振蕩器，其能夠縮短制造工序而降低單元成本。該原子振蕩器(50)構(gòu)成為具有受光元件(PD)(6)，其形成在半導(dǎo)體基板上，具有受光部；氣室層(8)，其層疊在受光元件(6)上，且在該受光部的上部形成了具有開(kāi)口部(8a)的空腔(8b)；封入在空腔(8b)中的氣體狀的堿金屬原子(5)；將開(kāi)口部(8a)封閉的玻璃蓋(透明部件)(4)；發(fā)光元件(VCSEL)(1)，其隔著玻璃蓋(4)向堿金屬原子(5)射出共振光。在受光元件(PD)(6)上具有電極(7)，在玻璃蓋(4)上形成有發(fā)光元件(1)用的電極(3)。而且，經(jīng)由發(fā)光元件(1)的凸塊(2)將發(fā)光元件(1)與發(fā)光元件(1)用的電極(3)連接。
文檔編號(hào)H03L7/26GK102118165SQ20101057298
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者牧義之, 西田哲朗 申請(qǐng)人:精工愛(ài)普生株式會(huì)社