【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.15】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0162
利用課題名 / Title
メタサーフェス集積化原子時計セルの開発
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
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）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（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
光学材料・素子,光デバイス/ Optical Device,メタマテリアル/ Metamaterial,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,フォトニクス/ Photonics,ボンディング/ Bonding
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)
岩見 健太郎
所属名 / Affiliation
東京農工大学 大学院工学研究院
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
PONRAPEE PRUTPHONGS,片岡勇斗
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
TU-251：SUSS ウェハ接合装置
TU-056：両面アライナ
TU-305：Dektak 段差計
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、原子時計に必要とされるガスセルのさらなる小型化を目指し、反射型ガスセルに多機能メタサーフェスを組み合わせた低背なガスセルの開発を目的とする。多機能メタサーフェスは、Fig. 1(a)に示すように直方体のシリコン柱を配列し、プリズム、1/4波長版、レンズとして同時に機能する構造を持つ。Fig. 1(b)のように結晶異方性エッチングによりSi{111}面が形成された基板とメタサーフェスが製作されたガラス基板を陽極接合することでガスセルを製作する。これにより、従来の原子時計の物理パッケージの大幅な縮小が可能である。
本研究では陽極接合のためにARIM東北大学マイクロシステム融合研究開発センターの装置を利用した。
実験 / Experimental
本研究では、あらかじめ準備した20 mm角メタサーフェスガラス基板と20 mm角Si基板の陽極接合を行った。Si基板はウェットエッチングにより溝が形成されており、{111}面での反射率を高めるため、高反射膜が施工されている。まず、SUSS両面アライナ(MA6/BA6)を用いて基板の位置合わせを行った。アライメントマークを参考に、メタサーフェスとSi基板の溝の位置が合うようにした。その後、SUSSウェハ接合装置(SB6e)を用いて真空での陽極接合(温度：420℃、荷重：5 kPa、電圧：-1000 V)を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
接合後の基板をFig. 2(a)に示す。電圧をかけた際に流れる電流が小さく、接合された面積は小さかった。これは、高反射膜を施工した範囲が広く、接合が阻害されたためだと考える。Dektak段差計を用いて高反射膜の厚さを測定したところ5 µmであり、Fig. 2(b)に示すように高反射膜の影響でガラスとSiの接触面積が減少してしまった。
そこで、Si基板を研磨することで溝以外の高反射膜を除去し、陽極接合(温度：400℃、荷重：5 kPa、電圧：-1000 V)を行った。接合後の基板をFig. 3に示す。一部欠陥はあるものの、全面的な接合に成功した。今後は、内部でガスを発生させ、ガスセルとしての性能評価を行う。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 (a) Schematic diagram of the proposed metasurface, (b) Schematic side view of a reflection-type vapor cell.
Fig. 2 (a) Anodically bonded substrate (1st sample), (b) Thickness of high reflection film.
Fig. 3 Anodically bonded substrate (2nd sample).
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
他の利用機関：東京大学武田先端知スーパークリーンルーム
課題番号：24UT1019
共同研究者：国立研究開発法人 情報通信研究機構 原基揚様
装置の利用にあたってサポートしてくださった学術研究員の邉見政浩様に深く感謝申し上げます。
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)
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Ponrapee Prutphongs, Highly efficient multifunctional metasurface integrating lens, prism, and wave plate, Optics Express, 32, 28599(2024).
DOI: https://doi.org/10.1364/OE.524027
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Ponrapee Prutphongs, Yuto Kataoka, Motoaki Hara, and Kentaro Iwami, “Merging MEMS Vapor Cell with Meatasurfaces for Next-Gen Chip-Scale Atomic Clocks”, IEEE MEMS 2025, Kaohsiung Taiwan, 22/Jan/2025
- Ryosei Ito, Ponrapee Prutphongs, Katsuma Aoki, Satoshi Ikezawa, Motoaki Hara, and Kentaro Iwami, ”Development of Vapor Cells Based on Tri-functional Metasurface forMicrofabricated Atomic Clock”, The 14th International Conference on Metamaterials,Photonic Crystals and Plasmonics (META 2024), Toyama Japan, 19/July/2024
- 片岡 勇斗，Ponrapee Prutphongs，伊藤 遼成，岩見 健太郎*，「小型原子時計パッケージのための多機能メタサーフェスの効率向上」，第 41 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（仙台国際センター），27P3-PS-14，2024年 11月 27日
- Ponrapee Prutphongs，片岡 勇斗，伊藤 遼成，原基揚，岩見 健太郎*，「チップスケール原子時計へ用いる複合メタサーフェスの検証」，Optics & Photonics Japan (OPJ) 2024（電気通信大学），30pMS10， 2024 年 11 月 30日
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