一种垂直引线冷原子芯片制作方法与流程

本发明属于磁光阱冷原子囚禁技术领域和原子芯片陀螺仪应用领域，具体涉及一种垂直引线结构原子芯片制作方法。

背景技术：

基于物质波干涉可以实现原子陀螺仪，环形磁导引技术是原子干涉陀螺仪小型化的关键。环形磁导引结构可以在芯片上利用微纳加工技术制备，具有体积小，磁阱束缚能力强的优点。现有的原子芯片环形磁导引结构如图1所示，存在电流引线缺口大，不能形成闭合环形磁阱，或者环形磁阱束缚弱等缺点。2016年有文章提出了垂直引线原子芯片结构【物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 65，No. 6 （2016）060302】，将X-Y平面的电流引线变成Z方向的垂直电流引线，如图2所示，可以极大的减小外圈圆环的缺口，因而可以得到闭合的环形磁阱。该文章在工艺实现中提出了采用深硅刻蚀加金属电镀的硅通孔技术（TSV，Through Silicon Via）实现垂直引线结构。

TSV技术是半导体封装的新技术，可以在硅芯片上实现多层芯片互连。基于TSV技术的原子芯片工艺利用了半导体封装的新技术，但也带来了如下缺点：

1、TSV引线采用电镀工艺实现通孔的金属填充。金属电镀形成多晶结构，电阻率增大明显，在工艺没有优化的时候电阻率可以达到对应金属丝的10倍以上。原子芯片的工作电流在安培量级，因而电镀TSV引线的发热及热胀冷缩会影响芯片的寿命和可靠性。

2、TSV工艺需要对硅片减薄到100um-200um才能深硅刻蚀开孔。考虑到金属与硅之间的热胀系数不匹配，大电流发热下，薄硅片通孔处的大应力会使硅片开裂，降低芯片可靠性。

3、硅片减薄到200um后，硅片上方的环形磁阱与硅片下方的引线磁场存在串扰，影响环形磁阱的势能。硅片上环形磁阱与下方引线的高度需要大于500um才能忽略串扰，而TSV工艺难以实现500um以上厚度的深硅刻蚀。

技术实现要素：

本发明提出了一种垂直引线结构原子芯片制作方法，在已有的通用玻璃工艺的基础上，该方法是在内嵌金属丝的透明玻璃衬底上制作微磁金属线圈，线圈采用金属丝引入电流，可承载大电流，且线圈磁场闭合，可形成无间断的环形磁导引，非常具有实用性。

本发明的技术方案如下：

一种垂直引线结构原子芯片制作方法，其特征在于步骤包括：

步骤1，将金属丝作为内芯，制成玻璃棒；

步骤2，将所述玻璃棒拉丝制成金属玻璃线，直径不大于300um；

步骤3，将所述金属玻璃线沿径向减薄并抛光形成金属玻璃纤维；

步骤4，将所述金属玻璃纤维排版，并用玻璃粉填充、熔压制成毛坯棒；

步骤5，将所述毛坯棒切割、精抛，制成内嵌金属丝的玻璃衬底；

步骤6，在所述玻璃衬底上，以金属丝作为对准标记，用微纳加工工艺在玻璃衬底的正面制作环形磁导引结构，在玻璃衬底的背面制作金属焊盘及引线，即可形成环形磁导引原子芯片。

步骤1的金属丝作为垂直引线，直径为10um以上。

步骤3中得到的金属玻璃纤维的直径小于或等于30um。

步骤5中得到玻璃衬底的厚度根据需要制成百微米直至毫米量级。

根据上述步骤，本发明制得的玻璃衬底的上下两层的电连接通过内嵌的金属丝连接，不依赖电镀工艺，可以选用任意金属丝内嵌作为电连接；金属玻璃纤维经排版、熔压、切割、精抛制成透明衬底。

本发明的有益效果如下：

1.金属丝电阻率远小于电镀金属电阻率，提升了系统最大工作电流，减少了芯片功耗，原子芯片磁阱束缚能力和可靠性都相应增加；

2.不受制于TSV封装技术中深硅刻蚀工艺对于孔深宽比的要求，玻璃衬底厚度可以达到毫米级，衬底正面环形磁阱不受衬底背面电流引线附加磁场的影响；

3.垂直引线可以根据需要选择金丝、铜丝或银丝，不受电镀工艺的限制，工艺宽容度高。

附图说明

图1为传统冷原子芯片的平面引线环形磁阱结构示意图。

图2为新型冷原子芯片的垂直引线环形磁阱结构示意图。

图3为本发明中金丝为内芯的玻璃棒示意图。

图4为本发明中金丝玻璃纤维示意图。

图5为本发明中金丝玻璃纤维排版单元示意图。

图6为本发明中内嵌金丝的玻璃衬底示意图，其中阵列单元如图5所示。

图7为本发明形成的玻璃衬底表面金圆环磁阱示意图。

图8为图7的玻璃衬底表面金圆环磁阱的阵列单元结构示意图。

图9为本发明形成的玻璃衬底背面金属焊盘示意图。

图10为图9的玻璃衬底背面金属焊盘的阵列单元结构示意。

其中，附图标记为：1金丝，2玻璃棒，3金丝玻璃纤维，4玻璃衬底，5金圆环磁阱。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合原子芯片设计阐述本发明的具体实施方式。

选取原子芯片环形磁阱设计为第一圆环半径R1=500um，第二圆环半径R2=600um，第三圆环半径R3=700um，圆环线宽90um，相邻环线间隙10um（设计参考物理学报文章Acta Phys.Sin. Vol.65，No.6（2016）060302）。根据设计，设定垂直引线中心距为1/3（线宽+环线空隙）=34um。选定金丝做垂直引线，金丝直径12um，对应最大熔断电流大于5A。12um的金丝为集成电路的常规键合金丝尺寸，具备可实施性。

本发明的制作方法对应的一种实施方式如下：

步骤1，制作玻璃时，将金丝1为内芯，制成玻璃棒2，如图3所示。

可选用硼硅酸盐玻璃为皮料玻璃，熔点低于1000ºC。

所述玻璃棒2对包层玻璃折射率渐变没有要求，可采用机械成形玻璃棒工艺，将金丝1预制在玻璃管中心，填充玻璃粉，高温烧结成玻璃棒2。玻璃棒2的包层厚度在毫米量级。

完成后，所述玻璃棒2的直径为厘米量级，长度在10厘米量级。

步骤2，采用管棒法将所述玻璃棒2拉丝并切段制成金丝玻璃线，拉丝温度低于900 ºC，金丝1在玻璃棒2拉丝过程中直径保持不变，可利用线径测量仪监测拉丝直径。

根据所用拉丝设备能力，拉丝完成后金丝玻璃线直径约为300um。

步骤3，将金丝玻璃线切段，以金丝1为中轴将金丝玻璃线径向减薄到30um以下，然后再精抛到直径约17um，形成金丝玻璃纤维3，如图4所示。精抛时保持金丝1在所述金丝玻璃纤维3的中轴。

步骤4，根据原子芯片环形磁阱结构设计，采用6组金丝玻璃纤维3作为垂直引线。据此，将所述金丝玻璃纤维3以6根为一组，构成图5所示的排版单元，在单元中间、金丝玻璃纤维3中间均填充硼硅酸盐玻璃粉，最后在900 ºC以下温度熔压形成毛坯棒。

所述毛坯棒直径大于4英寸。

步骤5，所述毛坯棒径向减薄到直径4英寸，然后抛光、切片，形成内嵌金丝1的玻璃衬底4，如图6所示。

所述切片厚度设定为600um。

所述内嵌金丝1的玻璃衬底4的直径为4英寸，表面精抛到平面5个光圈。

步骤6，将所述玻璃衬底4正面用微纳加工的办法形成金圆环磁阱5，如图7所示。具体加工工艺是：按设计制作三组金圆环，三组金圆环的半径分别是R1=500um，R2=600um，R3=700um，线宽90um，相邻环线空隙10um。利用厚光刻胶为图形掩膜，溅射3um厚度的金层制作金圆环图形，然后去除光刻胶，形成阵列的金圆环磁阱5，如图7所示；阵列中的单个结构，如图8所示。Φ12um的金丝1作为对准标记，构成单个金圆环的起点和终点。

步骤7，将所述玻璃衬底4背面用微纳加工的办法制作金属焊盘，如图9所示；其中，阵列中的单个结构，如图10所示。

以Φ12um的金丝1作为对准标记，利用厚光刻胶作为掩膜，利用溅射或者电镀的办法制作金属焊盘。

所述金属焊盘可以是铜或者金，厚度不低于8um，焊盘面积大于100um^2。

步骤8，将所述内嵌金丝1的玻璃衬底4按金圆环磁阱5阵列单元划片，制成垂直引线结构原子芯片。

所述的原子芯片大小为3mmX3mm，最大工作电流5A。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。