【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.17】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24KT2231
利用課題名 / Title
RbN3パターニング基板を用いたMEMSガスセルのウェハレベル製造技術
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）-
キーワード / Keywords
陽極接合,異種材料接着・接合技術/ Dissimilar material adhesion/bonding technology,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
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-121：マスクレス露光装置
KT-203：電子線蒸着装置
KT-215：レーザアニール装置
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)
超スマート社会を実現するためには、エッジの通信デバイスが自律的かつ安定に正確な時刻、位置情報を獲得する技術が重要である。そこで従来の水晶時計と比較して高精度な時刻同期かつ低消費電力を達成できる小型原子時計の開発に期待が集まっている。我々は、小型原子時計に搭載するアルカリ金属（ルビジウム）が封入された「ガスセル」製造技術の開発を進めている。本研究では、ウェハレベルのガスセル製造技術として、インクジェットを用いてアジ化ルビジウム（RbN3）付ガラス基板を作製し、これを用いてRbをガスセルに封入する。このアプローチにより、ガスセルの性能指標の１つである周波数安定度を支配する窒素分圧の精密な制御に取り組んだ。
実験 / Experimental
RbN3を純水に溶解し、インクジェット装置を用いてピコリットルオーダーの液滴量で制御してガラス基板上に滴下し、RbN3パターニング基板を作製した（Fig. 1）。投入するRbN3の量はインクジェットで吐出する液滴数で制御した。次に、Si基板上に電子線蒸着装置（KT-203）およびマスクレス露光装置（KT-121）を利用しCrのマスクパターンを形成した。深掘りドライエッチング装置（KT-334）を利用したDRIEでSi基板に円筒状の貫通構造を作製した。ウエハ接合装置（KT-254）を利用してSi基板の両面にガラス基板および先ほどのRbN3パターニング基板を真空下で陽極接合した。その後、レーザアニール装置（KT-215）を利用してKrFエキシマレーザをガラス窓に照射することでRbを生成した（2RbN3→2Rb+3N2）。ガスセル内の窒素分圧は、作製したガスセルにRb-D1線（794.8 nm）レーザを照射し、Rb原子の干渉効果により生じるCPT（Coherent Population Trapping）共鳴を観測して計測した。
結果と考察 / Results and Discussion
4インチウェハ上にガスセルを作製した例とチップ化した例をFig. 2に示す。ガスセルは外形が6mm×6mmであり、中央に直径3mmで厚さ1.5mmの空間（キャビティ）が形成されている。Rbが飽和蒸気圧を超えて封入されたため、キャビティのガラス表面に析出し、金属光沢として確認できた。
作製したガスセルからCPT共鳴が観測できた。このことは原子時計に必要な量のRbが問題なく封止できていることを示している。また、CPT共鳴は窒素圧に比例して共鳴周波数がシフトすることを利用してガスセル内の窒素圧を評価したところ、インクジェットで吐出した液滴数と窒素圧との間に相関関係が得られた。これにより液滴数の制御でガスセル内部の窒素圧を制御できることが実証した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1. Patterning of RbN3 on glass substrate
Fig. 2. Vapor cell fabrication results (a) Wafer-scale vacuum sealing of RbN3 (b) Vapor cell after Rb generation
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.
- S. Kiyose et.al., “Wafer-Scale Microfabrication for Alkali-Metal Vapor Cells Using Inkjet Printed Rubidium Azide”, 2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium (IEEE UFFC-JS 2024), Taipei, Taiwan (September, 2024), #8710
- 清瀬俊 ほか，RbN3パターニング基板を用いたMEMSガスセルのウェハレベル製造技術，令和7年電気学会全国大会, 電気学会, 東京, 2025年3月, S20-1
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件