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TWI470750B - 一種用於透明原子晶片之散熱裝置 - Google Patents

一種用於透明原子晶片之散熱裝置 Download PDF

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TWI470750B TW101118455A TW101118455A TWI470750B TW I470750 B TWI470750 B TW I470750B TW 101118455 A TW101118455 A TW 101118455A TW 101118455 A TW101118455 A TW 101118455A TW I470750 B TWI470750 B TW I470750B
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黃佳玄
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Description

一種用於透明原子晶片之散熱裝置
本發明「一種用於透明原子晶片之散熱裝置」係用於一般原子晶片設計，主要是用於原子物理領域需要將雷射光束從原子晶片正面穿透至晶片背面或是需要通入高電流至晶片正面的金屬導線上之原子捕捉實驗。
一般的原子晶片都是採用矽晶圓片(Silicon)或是氮化鋁(ALN)當作基板，並在基板的正面上鋪設金屬導線，用以通入電流產生相對應的磁場並配合幾道雷射光束來產生磁光陷阱(Magneto-Optical Trap,MOT)捕捉原子。但此類不具透明特性的原子晶片基板往往限制了磁光陷阱設計的彈性，因為少了一道可穿透原子晶片本身的雷射光束，因此常常無法滿足許多原子物理領域的實驗需求。此外，一般的原子晶片皆無設計任何散熱或是導熱的功能設計以提高晶片上金屬導線的極限電流承載值，因而常常限制了原子晶片在磁場設計時的彈性與功能性，也常常無法滿足許多原子物理實驗的需求。因此綜合以上各點，一般的原子晶片皆不能將晶片上所產的熱源有效地散去或是帶走，這對於需要通入較高電流值於晶片金屬導線上的使用者而言，常造成使用上的困擾與不便。另外，一般的原子晶片也無法讓雷射光束穿透晶片本身，因此大大地降低了磁場設計時的多樣性，因此常常無法達到特殊的原子物理實驗需求。
美國專利US 7,126,112,B2號所揭露之「Cold Atom System with Atom Chip Wall」，係以一單層金屬導線結構之原子晶片裝置成玻璃真空腔體的上蓋，而其磁場驅動電流是透過其原子晶片邊的導線接線板做傳輸，用以調整磁場梯度。其設計仍是以金屬導線結構為主來囚禁原子，且所產生的熱也是無法從晶片上有效地散去。美國專利US 6,796,481,B2號所揭露之「Chip Mounting Method」，提供了一種方法能夠將兩片單層原子晶片黏合成一片雙層的原子晶片。前述發明設計雖然可以免除上層金屬導線通大電流產生過熱而無法即時排除的問題，但此方式等於是將兩片單層原子晶片疊合而一片雙層的晶片，因此增加了原子晶片整體的體積。美國專利US 20100154570A1號「Atom Chip Device」為利用合金材料所製造的金屬導線以降低其通大電流時所產生的熱量，以提升金屬導線所能承載的電流並延長所囚禁原子的壽命。但是此一原子晶片的設計會提高製作的成本且也無法讓雷射光束穿透晶片，因而限制了磁場設計時的彈性與功能性，常常無法滿足許多原子物理實驗的需求。美國專利US 20070158541A1號「Atomic Device」其設計係藉由原子晶片上不同配對的電極做快速電壓切換以產生相對應的勢能將原子囚禁，因此晶片上並無其他金屬導線結構，只有許多的電極板。此一設計雖然可以達到囚禁原子的目的，但需要更多額外設備來驅動原子晶片而不只是單一個電源供應器即可。此外，比起傳統金屬導線結構的原子晶片，此發明的原子晶片需要更大的表面空間來放置許多的電極板，因此會使得原子晶片的整體面積變的更大。
綜此，以上不管是採用金屬導線結構設計或是兩片疊合而成的雙層原子晶片亦或是採用切換電極板式的原子晶片，雖然皆可以達到囚禁原子的目的，但是皆無法使雷射光束穿透原子晶片本身，因此其磁場的設計都較不具彈性且其原子晶片整體系統體積過大，較不符合輕巧、簡潔、低成本之要求。
因此，為解決上述原子晶片無法讓雷射光束穿透及晶片上無散熱或是導熱設計等缺點，本發明之目的在於設計一簡單的透明原子晶片及利用銅金屬良好的導熱特性，並搭配使用電鍍的銅柱及散熱銅塊做為原子晶片的散熱裝置，以提高晶片上金屬導線的極限電流承載值及原子晶片磁場設計時的裕度。
為達上述目的，本發明是構想出以透明的玻璃基板來製作原子晶片以取代傳統以矽晶圓材料來當原子晶片的基板，並且可在晶片的正面及背面上鍍一層抗反射層(Anti-reflection coating)，以減少雷射光束在玻璃基板的兩面做部分反射因而影響了原子物理實驗的精確度。如此一來，冷卻原子的雷射光束便可穿透具透明特性的原子晶片以完成另一種形式的磁光陷阱(Magneto-Optical Trap)，因此增加了原子物理實驗中雷射冷卻的自由度，而且原子晶片上所製作的金屬導線通入電流後又可產生相對應的磁場，因此 也同時保有了原本原子晶片的功能性。另外，由於本發明所使用的是玻璃基板而非傳統的矽晶圓材料，其中玻璃的熱傳導性比矽材料差，因此玻璃基板上的金屬導線所能承載的極限電流值會因此而下降許多。針對此問題，本發明在原子晶片的正面及背面構想出利用電鍍的銅塊來增加導熱的面積，另外也設計複數個電鍍銅柱在已鑽好的玻璃貫穿孔內，將晶片正面散熱銅塊上的熱傳遞至晶片背面的散熱銅塊上，再藉由裝置原子晶片的金屬固定座將熱源傳遞至真空腔體外，而此特殊散熱裝置的特徵在於它能夠提高晶片上的金屬導線承載電流值，且不需特殊的加工製程因此可以有效地將熱源傳導至晶片的背面，同時又能夠讓至少5安培的電流通過而不燒掉。因此可滿足晶片上金屬導線產生磁場時所需承載的電流值，以符合大部分原子物理實驗的需求。除此之外，本發明也將晶片正面、背面的散熱銅塊製程與晶片上的金屬導線製程做整合，因此不會增加原子晶片製作的成本及時間。
如前所述之一種用於透明原子晶片之散熱裝置，本發明之主要目的在於以透明的玻璃基板來製作原子晶片取代了傳統以矽材料做為原子晶片的基板，因此可以讓冷卻原子的雷射光束傳透晶片本身，並增加了原子晶片的使用方便性。
本發明之另一目的在於設計複數個散熱裝置於原子晶片正、背面上，並且將其製程與金屬導線的製程做整合，以提高金屬導線的電流承載能力讓使用者在晶片的磁場設計時增加彈性與功能性。
為具體說明本發明之原理及設計，特以下列具體實施例來做說明。圖十所示為本實施例之整體架構示意圖。整片具透明及散熱裝置之原子晶片的結構是在透明玻璃基板(101)上製作完成的，在晶片的透明玻璃基板(101)中裝置有導熱電鍍銅柱(302)，而在晶片的正背面也都裝置有晶片背面散熱銅塊(301)及晶片正面散熱銅塊(303)。能夠產生磁場的銅導線(401)及打線接合襯墊(402)則是裝置在晶片的正面上，在晶片正背面的中間處則設計有一雷射光束穿透窗(501)可讓冷卻原子用的雷射光束通過。
以下就本發明之製程技術做詳細說明。圖一所示為透明玻璃基板 (101)，圖二所示為透明玻璃基板(101)在經過鑽孔製程之後的剖面示意圖。接著在透明玻璃基板(101)的背面蒸鍍上一層黏著層鈦薄膜(201)與一層電鍍製程需要的種子層銅薄膜(202)，如圖三所示。然後從透明玻璃基板(101)的背面電鍍散熱用的晶片背面散熱銅塊(301)，如圖四所示。另外同樣也是散熱用的導熱電鍍銅柱(302)則是在電鍍的過程中採用由下向上(bottom-up)的方式來將透明玻璃基板(101)貫穿孔填滿，如圖五所示。接著利用化學機械平坦拋光製程(CMP)將突出的導熱電鍍銅柱(302)拋平，如圖六所示。然後在拋光好後的透明玻璃基板(101)上蒸鍍一層黏著層鈦薄膜(201)與一層電鍍製程需要的種子層銅薄膜(202)，如圖七所示。接著將晶片正面散熱銅塊(303)及銅導線(401)電鍍在晶片的正面上，如圖八所示。最後再將銅導線(401)與晶片正面散熱銅塊(303)之間連結在一起的電鍍銅與底部的黏著層鈦薄膜(201)與種子層銅薄膜(202)以濕蝕刻的方式蝕刻掉，如圖九所示。最後即可得到如圖十所示之本實施例整體架構圖。
本發明之特點係於使用透明玻璃基板(101)來製作原子晶片與其中具有熱傳遞功能的導熱電鍍銅柱(302)之設計如圖十一所示，即可將銅導線(401)通入高電流後所產生的熱擴散至整個晶片正面散熱銅塊(303)上，再藉由導熱電鍍銅柱(302)迅速地將熱傳遞至晶片背面散熱銅塊(301)上，使原子晶片不會因為使用了熱傳導性較差的透明玻璃基板(101)後，因而降低了銅導線(401)的極限電流承載能力。另外，在晶片正面與背面的中間處也設計了一雷射光束穿透窗(501)，用以讓冷卻原子的雷射光束穿過，如圖十二所示，以增加原子晶片的多功能性。
(101)‧‧‧透明玻璃基板
(201)‧‧‧黏著層鈦薄膜
(202)‧‧‧種子層銅薄膜
(301)‧‧‧晶片背面散熱銅塊
(302)‧‧‧導熱電鍍銅柱
(303)‧‧‧晶片正面散熱銅塊
(401)‧‧‧銅導線
(402)‧‧‧打線接合襯墊
(501)‧‧‧雷射光束穿透窗
第一圖 實施例之透明玻璃基板剖面示意圖
第二圖 實施例之透明玻璃基板鑽孔後剖面示意圖
第三圖 實施例之背面蒸鍍鈦與銅薄膜剖面示意圖
第四圖 實施例之電鍍晶片背面散熱銅塊剖面示意圖
第五圖 實施例之玻璃基板貫穿孔電鍍導熱銅柱剖面示意圖
第六圖 實施例之化學機械平坦拋光原子晶片正面後剖面示意圖
第七圖 實施例之原子晶片正面拋光後蒸鍍鈦與銅薄膜剖面示意圖
第八圖 實施例之電鍍銅導線及原子晶片正面散熱銅塊剖面示意圖
第九圖 實施例之蝕刻銅導線與散熱銅塊底部的鈦與銅薄膜後剖面示意圖
第十圖 一實施例之正面整體架構示意圖
第十一圖 一實施例之整體線架構示意圖
第十二圖 一實施例之背面整體架構示意圖
(101)‧‧‧透明玻璃基板
(302)‧‧‧導熱電鍍銅柱
(303)‧‧‧晶片正面散熱銅塊
(401)‧‧‧銅導線
(402)‧‧‧打線接合襯墊
(501)‧‧‧雷射光束穿透窗

Claims (3)

  1. 一種用於透明原子晶片之散熱裝置，裝置包含一透明玻璃基板、晶片正面及背面的散熱銅塊、晶片正面的金屬導線結構、貫穿晶片的導熱電鍍銅柱元件及晶片中間的一個雷射光束穿透窗，構成一具有透明與散熱功能特性的原子晶片，其特徵在於雷射光束能穿透晶片本身，且晶片具有散熱的功能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種用於透明原子晶片之散熱裝置，其中具導熱功能的導熱電鍍銅柱元件，設置於透明玻璃基板的貫穿孔中即晶片正背面散熱銅塊之間，其特徵在於能夠將晶片上的金屬導線結構通入電流後所產生的熱迅速地傳遞至晶片背面的散熱銅塊上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種用於透明原子晶片之散熱裝置，其中具散熱功能的晶片正背面散熱銅塊元件，設置於透明玻璃基板的正背面上，其特徵在於當金屬導線結構在通入高電流之後所產生的熱，能夠被晶片正面散熱銅塊迅速地擴散到導熱電鍍銅柱中，再由晶片背面散熱銅塊元件將熱傳遞至真空腔體外散去，使原子晶片能夠維持溫度正常的運作。
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