KR20160053115A - Apparatus for Trapping Ion Using Sacrificial Layer and Method for Fabricating the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 희생층을 이용한 이온 트랩 장치 및 그 제작 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to an ion trap apparatus using a sacrificial layer and a method of manufacturing the same.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the embodiment of the present invention and do not constitute the prior art.
현재 상업적으로 구현되고 있는 양자키분배(QKD: Quantum Key Distribution) 시스템의 가장 큰 한계점은 단일 광자가 광섬유를 통과하는 동안의 감쇄로 인해 통신시 한번에 보낼 수 있는 거리의 한계가 존재한다는 점이다. 이 단점을 극복하기 위하여 양자 중계기(Quantum Repeater)를 이용하여 신호를 증폭할 필요가 있으며, 이온 트랩은 양자 중계기의 제작에 필수적인 양자 메모리의 구현 방법 중 가장 각광받고 있는 방식이다.A major limitation of the currently commercially implemented Quantum Key Distribution (QKD) system is that there is a limit to the distance that a single photon can send at one time due to attenuation while passing through the optical fiber. In order to overcome this disadvantage, it is necessary to amplify the signal using a quantum repeater. The ion trap is one of the most popular methods of implementing a quantum memory, which is essential for the fabrication of a quantum repeater.
도 1은 3차원 트랩의 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle of a three-dimensional trap.
이온트랩은 전극의 배치에 따라 여러 가지 모양이 가능하나 가장 기본적으로는 도 1과 같이 4개의 전극봉(e1, e2, e3, e4)으로 인해 생성되는 필드의 모양으로 설명이 가능하다. 도 1의 (a)에서 e1과 e4를 접지하고 e2와 e3에 고전압의 RF신호를 인가하게 되면 도 1의 (b)와 같은 전기장이 형성되고, 인가되는 신호의 RF주파수로 전기장(E)의 방향이 지속적으로 바뀌게 된다. 이때 전기를 띈 입자의 전하량, 질량, 전기장의 세기, RF주파수가 특정한 수학적 조건을 만족하면 전기를 띈 입자는 평균적으로 도 1의 (b)에서 전극봉(e1, e2, e3, e4) 사이의 가운데 지점으로 힘을 받게 되고, 이러한 평균적인 힘에 의해 생긴 포텐셜(Potential)을 판더로모티브 포텐셜(Ponderomotive Potential)이라고 부른다.The ion trap can be variously shaped according to the arrangement of the electrodes, but it can be explained basically as the shape of the field generated by the four electrodes (e1, e2, e3, e4) as shown in FIG. 1 (a), when an e1 and an e4 are grounded and a high-voltage RF signal is applied to e2 and e3, an electric field as shown in Fig. 1 (b) is formed, and the electric field E The direction changes continuously. At this time, if the amount of electric charge, the mass, the intensity of electric field, and the RF frequency satisfy a specific mathematical condition, the electrically charged particles are averaged in the middle of the electrodes (e1, e2, e3, e4) And the potential created by this average force is called the ponderomotive potential.
도 1의 (c)는 전극봉(e1, e2, e3, e4) 사이에 형성되는 판더로모티브 포텐셜의 모양을 나타낸 도면이다. 여기서 판더로모티브 포텐셜은 전극봉(e1, e2, e3, e4) 사이에 트랩되는 전하의 부호에는 무관하다. 이렇게 형성된 포텐셜은 z축에서 멀어지려는 전하를 지속적으로 가운데로 끌어당겨 주지만, z축을 따라 어느 위치에 전하 입자가 포획될지는 정해주지 않는다. 따라서, 전하를 띈 입자를 도 1의 (a)와 같은 위치에 포획하기 위해서는 e1과 e4를 접지하는 대신 V1 > V2의 관계가 성립하도록 전압을 가해준다.1 (c) is a view showing the shape of a panda-shaped motive potential formed between the electrode rods e1, e2, e3 and e4. Here, the panda-motive potential is independent of the sign of the charge trapped between the electrode rods e1, e2, e3, and e4. The potential thus created pulls the charge away from the z axis steadily toward the center, but does not specify where along the z axis the charge particles will be trapped. Therefore, in order to trap the charged particles at the same position as in FIG. 1 (a), a voltage is applied so that the relationship of V1 > V2 is established instead of e1 and e4 being grounded.
도 2의 (a)는 2차원 트랩의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 2의 (b)는 발생하는 전기장의 방향과 이에 해당되는 판더로모티브 포텐셜을 나타낸 도면이다.FIG. 2 (a) is a view for explaining the principle of a two-dimensional trap, and FIG. 2 (b) is a view showing a direction of an electric field to be generated and a motive potential corresponding to the direction.
도 1과 같은 3차원 구조를 가진 이온 트랩 장치는 정밀한 제작이 어렵고 여러 개의 트랩을 집적하기 어려워서 양자 정보의 응용을 위해서는 MEMS공정을 이용하여 2차원의 웨이퍼 상에 제작할 수 있는 설계로 변형을 한다. 도 2의 (a)는 2차원 구조의 전극을 1차원에 컨포멀 매핑(Conformal Mapping)을 하는 방법을 보여준다. 도 2의 (a)는 원주의 빨간 부분에 RF 전압을 가하고 원주의 나머지 부분을 접지시킬 경우, 도 1의 (b)와 유사한 형태의 전기장이 원 내부에 형성된다. 이 경우, 도 2의 (a)와 같이 원주상에 있는 RF전극들의 접선을 연장시켜서 밑에 있는 선과 교차되는 부분을 찾고 이 부분들에 RF전압을 가하고 나머지 선 부분을 접지시키면 원의 중심이 있던 위치에 원 내부에 발생했던 전기장과 유사한 형태의 전기장이 형성되고, 도 2의 (b)에는 이와 같이 1차원으로 전극을 배치했을 때 발생하는 전기장의 방향과 이에 해당되는 판더로모티브 포텐셜을 보여준다(두 개의 빨간 전극에 RF를 가하고, 가운데와 RF의 양쪽 바깥을 접지시킴).The ion trap device having a three-dimensional structure as shown in FIG. 1 is difficult to precisely fabricate and it is difficult to integrate a plurality of traps. Therefore, a modification is made to a design that can be fabricated on a two-dimensional wafer using a MEMS process for application of quantum information. 2 (a) shows a method of performing conformal mapping on a two-dimensional electrode in one dimension. 2 (a), when an RF voltage is applied to the red portion of the circumference and the rest of the circumference is grounded, an electric field similar to that of FIG. 1 (b) is formed inside the circle. In this case, as shown in FIG. 2 (a), by extending the tangent of the RF electrodes on the circumference, finding the portion intersecting the underlying line, applying an RF voltage to these portions and grounding the remaining portion, 2 (b) shows the direction of the electric field generated when the electrodes are arranged in one dimension as shown in FIG. 2 (b) and the motive potentials corresponding to the directions of the electric fields Put RF on the red electrodes and ground both outside and center of the RF).
위와 같은 원리를 이용하여 전극 구조를 제작하면 도 2의 (b)의 세모 표시 위치에 전하를 띈 입자가 포획된다.When the electrode structure is fabricated using the above-described principle, charged particles are trapped at the triangular display position of FIG. 2 (b).
MEMS 공정 기술로 제작된 이온 트랩의 구성은 크게 전극과 전극 사이의 절연층으로 나뉜다. 이온 트랩 제작 또는 이온 포획 실험 도중에 절연층 측벽에 예기치 않은 원자들이 증착될 수 있는데 이러한 원자들은 전기장을 변형시켜 포획된 이온의 미세움직임(Micromotion)을 유발한다. 이온의 미세움직임은 이온의 가열 속도 (Heating rate)를 증가시켜 포획된 이온의 이탈 확률을 증가시킨다.The structure of the ion trap fabricated by the MEMS process technology is largely divided into an insulating layer between the electrode and the electrode. During ion trap fabrication or ion capture experiments, unexpected atoms can be deposited on the sidewalls of the insulation layer, which transforms the electric field to cause micromotion of the trapped ions. The fine movement of the ions increases the heating rate of the ions and increases the probability of leaving the captured ions.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예는, 이온 트랩 전극에서 희생층 공정을 통해 균일하고 정확한 길이의 전극 돌출부를 구현하여 이온 포획 위치에 절연층 측벽이 노출되는 면적을 최소화한 이온 트랩 구조물을 제작하고 이를 통해 트랩의 성능과 안정성을 향상시키는 데 목적이 있다.In order to solve such a problem, an embodiment of the present invention provides an ion trap structure in which uniform and precise electrode projections are realized through a sacrificial layer process in the ion trap electrode, thereby minimizing the area of the side wall of the insulating layer exposed at the ion trap position And to improve the performance and stability of traps.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 반도체 기판 상에 DC 연결패드, 및 상기 DC 연결패드에 연결된 DC 레일을 포함하는 하나 이상의 중앙 DC전극; 상기 DC 레일에 인접하여 위치하는 하나 이상의 RF 레일, 및 상기 하나 이상의 RF 레일에 연결된 RF 패드를 포함하는 RF 전극; 상기 RF 전극을 기준으로 상기 DC전극 반대측에 위치하는 하나 이상의 측방 전극 패드를 포함하는 하나 이상의 측방 전극; 및 각 전극과 상기 반도체 기판 사이에 상기 각 전극을 지지하는 절연층을 포함하고, 상기 각 전극 중에서 적어도 하나의 전극은 상기 절연층으로부터 폭 방향으로 돌출된 돌출부(Overhang)를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치를 제공한다.In order to accomplish the above object, one embodiment of the present invention provides a semiconductor device comprising: at least one central DC electrode comprising a DC connection pad on a semiconductor substrate and a DC rail connected to the DC connection pad; An RF electrode including at least one RF rail positioned adjacent to the DC rail, and an RF pad coupled to the at least one RF rail; At least one lateral electrode comprising at least one lateral electrode pad located on the opposite side of the DC electrode with respect to the RF electrode; And an insulating layer for supporting the electrodes between the electrodes and the semiconductor substrate, wherein at least one of the electrodes has an overhang protruding in the width direction from the insulating layer. Thereby providing a trap device.
상기 중앙 DC전극은 제1 중앙 DC전극 및 제2 중앙 DC전극을 포함하고, 상기 제1 중앙 DC전극의 DC 레일인 제1 DC레일 및 상기 제2 중앙 DC전극의 DC 레일인 제2 DC레일은 서로 이격되어 상기 제1 DC레일 및 상기 제2 DC레일 사이에 트랩 영역을 갖고, 상기 트랩영역에 대응되는 상기 반도체 기판 부분이 관통된 형태를 한다.Wherein the central DC electrode comprises a first central DC electrode and a second central DC electrode, the first DC rail being a DC rail of the first central DC electrode and the second DC rail being a DC rail of the second central DC electrode, The first DC rail and the second DC rail being spaced apart from each other and having a trap region, and the semiconductor substrate portion corresponding to the trap region is penetrated.
여기서, 상기 돌출부를 갖는 전극은 상기 트랩 영역에 인접한 전극일 수 있으며, 상기 돌출부는 상기 트랩 영역을 향하는 방향으로 돌출된 것일 수 있다.Here, the electrode having the protrusion may be an electrode adjacent to the trap region, and the protrusion may protrude in a direction toward the trap region.
상기 하나 이상의 측방 전극은 각각 상기 RF 전극의 길이 방향으로 소정의 간격으로 배열되며, 상기 적어도 하나의 전극을 지지하는 절연층의 측벽은 평탄한 형상을 한다.The at least one side electrode is arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction of the RF electrode, and the side wall of the insulating layer supporting the at least one electrode has a flat shape.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 반도체 기판에 절연층을 증착하는 과정; 제1 마스크를 이용하여 상기 절연층을 패터닝하여 전극을 지지하기 위한 절연층 패턴을 형성하는 과정; 및 상기 반도체 기판에 도전층을 증착하고 제2 마스크를 이용하여 상기 절연층 패턴 위에 RF 전극, 중앙 DC 전극 및 측방 전극을 포함하는 전극패턴을 형성하는 과정을 포함하여 이온 트랩 장치를 제조하되, 상기 제2 마스크는, 각 전극 중에서 적어도 하나의 전극은 상기 절연층으로부터 상기 이온 트랩 장치의 폭 방향으로 돌출된 전극 돌출부(Overhang)를 갖도록 형성된 전극패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, including: depositing an insulating layer on a semiconductor substrate; Forming an insulating layer pattern for supporting the electrode by patterning the insulating layer using a first mask; And forming an electrode pattern including an RF electrode, a central DC electrode, and a lateral electrode on the insulating layer pattern by depositing a conductive layer on the semiconductor substrate and using a second mask, And the second mask has an electrode pattern formed such that at least one of the electrodes has an electrode protrusion (Overhang) protruding from the insulating layer in the width direction of the ion trap device do.
상기 절연층 패턴을 형성하는 과정 이후에, 상기 절연층 패턴 사이 공간에 희생층(Sacrificial Layer)으로 채운 후 연마 공정을 통하여 상기 반도체 기판의 상면을 평탄화하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 상기 전극 패턴을 형성하는 과정 이후에, 상기 희생층 물질을 선택적으로 제거하여 상기 전극 돌출부를 부유시키는 과정을 더 포함할 수 있다.The method may further include filling a space between the insulating layer patterns with a sacrificial layer and then planarizing the upper surface of the semiconductor substrate through a polishing process after the process of forming the insulating layer pattern, And selectively floating the sacrificial layer material to float the electrode protrusions after the sacrificial layer material is formed.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 이온과 같은 하전입자의 트랩 시에 균일하고 정확한 길이의 전극 돌출부를 제작해 절연층 측벽의 노출을 최소화함으로써 하전입자의 트랩의 성능 및 안정성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to improve the performance and stability of the trap of the charged particle by minimizing the exposure of the side wall of the insulating layer by fabricating an electrode protrusion having uniform and precise length at the time of trapping charged particles such as ions .
도 1은 3차원 트랩의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)는 2차원 트랩의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 2의 (b)는 발생하는 전기장의 방향과 이에 해당되는 판더로모티브 포텐셜을 나타낸 도면이다.
도 3은 평면 이온 트랩에서 습식식각 공정을 이용해 구현한 전극 돌출부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 장치(10)를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 Y-Y'을 따라 자른 단면을 X 방향에서 본 형상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 칩 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 절연막(501)과 하부 도전층(510)의 증착 및 하부 전극 패터닝 과정이 수행된 후의 이온 트랩 칩(20)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 절연층(502)의 증착 및 제1차 패터닝 과정이 수행된 후의 이온 트랩 칩(20)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 도금과 평탄화 과정이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 상면 절연층(502)의 제2차 패터닝 및 배면 절연층(803) 식각 과정이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 상부 도전층의 증착 및 상부 전극 패터닝 과정이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 배면 실리콘 식각 및 희생층 제거 과정이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 상면 실리콘 식각 과정이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.1 is a view for explaining the principle of a three-dimensional trap.
FIG. 2 (a) is a view for explaining the principle of a two-dimensional trap, and FIG. 2 (b) is a view showing a direction of an electric field to be generated and a motive potential corresponding to the direction.
3 is a view for explaining a structure of an electrode protrusion implemented by a wet etching process in a planar ion trap.
4 is a view showing an
5 is a view showing a cross-section taken along the line Y-Y 'in FIG. 4 in the X direction.
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ion trap chip according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing the cross-sectional structure of the ion trap chip 20 after deposition of the
8 is a view showing the cross-sectional structure of the ion trap chip 20 after the deposition of the
FIG. 9 is a view showing a cross-sectional structure of the
10 is a view showing the cross-sectional structure of the
11 is a view showing a cross-sectional structure of the
12 is a view showing the cross-sectional structure of the
13 is a view showing the cross-sectional structure of the
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 평면 이온 트랩에서 습식식각 공정을 이용해 구현한 이온 트랩 장치(300)의 전극 돌출부 구조를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining a structure of an electrode protrusion of the
평면 이온 트랩에서는 전극 돌출부(Overhang)를 구현하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 절연층이 지탱하는 전극(310, 320)이 절연층보다 돌출되게 제작함으로써 포획된 이온에 노출되는 절연층 측벽 면적을 줄이며 측벽에 증착된 원자들이 이온에게 주는 영향을 감소시킨다.In planar ion traps, this problem can be solved by implementing electrode overhang. The
전극 돌출부를 구현하는 방법 중 하나는 도 3과 같이 습식 식각(Wet Etching) 공정을 이용한 절연층(330) 측면 식각을 하는 방법이 있다. 이 방법은 공정이 간편하다는 장점이 있으나 습식 식각의 특성상 식각 정도를 정확히 가늠하기 힘들어 돌출부 길이를 정밀히 제어하기 어려우며 절연층(330)이 다층 구조로 이루어졌을 시 절연층(330) 측벽에 톱니형상이 형성되는 단점이 있다. 전극(310, 320) 돌출부의 길이가 지나치게 작다면 절연층(330) 측벽이 노출되는 것을 효과적으로 막을 수 없다. 반대로 전극(310, 320) 돌출부의 길이가 지나치게 길다면 돌출된 전극(310, 320)이 쉽게 변형될 수 있기 때문에 비대칭적인 전기장을 형성하여 이온 포획을 방해하거나 주변 전극(310, 320)과의 브레이크다운(Breakdown)이 발생될 수 있다.One of the methods of implementing the electrode protrusion is a method of etching the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 장치(10)를 나타낸 도면이다.4 is a view showing an
도 4에 도시하듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 장치(10)는 반도체 기판(101)과, 반도체 기판(101) 상에 형성된 하나 이상의 중앙 DC전극(100), RF 전극(130) 및 하나 이상의 측방 DC전극(141, 142)을 포함한다.4, an
본 실시예에서 하나 이상의 중앙 DC전극(100)은 제1 중앙 DC전극(110) 및 제2 중앙 DC전극(120)을 포함한다.In this embodiment, the at least one
제1 중앙 DC전극(110)은 반도체 기판(101) 상에 형성된 제1 DC 연결패드(111), 및 제1 DC 연결패드(111)에 연결된 제1 DC 레일(112)을 포함한다.The first
제2 중앙 DC전극(120)은 반도체 기판(101) 상에 형성된 제2 DC 연결패드(121), 및 제2 DC 연결패드(121)에 연결된 제2 DC 레일(122)을 포함한다.The second
제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122)은 각각 가늘고 길게 뻗은 형상을 하며, 제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122) 사이는 소정거리 이격되어 이격된 공간부분에 이온 트랩영역(150)을 갖는다. 한편, 트랩영역(150)에 트랩되는 입자에는 이온이 포함될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되지는 않고 모든 하전입자(Charged Particle)에 적용될 수 있다.The
RF 전극(130)은 반도체 기판(101) 상에 하나 이상의 RF레일 및 RF 패드(133)를 포함한다. 예컨대, RF레일은 제1 RF 레일(131) 및 제2 RF 레일(132)을 포함하며, 제1 RF 레일(131) 및 제2 RF 레일(132)은 RF 패드(133)에 각각 연결된다.The
제1 RF 레일(131) 및 제2 RF 레일(132)은 각각 가늘고 길게 뻗은 형상을 하며, 제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122)에 비해 폭이 넓게 형성된다.The
하나 이상의 측방 DC전극(141, 142)은 제1 RF 레일(131)을 기준으로 트랩 영역(150)의 반대측에 복수의 제1 측방 전극(141)과, 제2 RF 레일(132)을 기준으로 트랩 영역(150)의 반대측에 복수의 제2 측방 전극(142)을 포함한다.The one or more
여기서, 측방 전극(141, 142)은 각각 RF 전극(130)의 길이 방향으로 기설정된 소정의 간격으로 배열된다. 예컨대, 복수의 제1 측방 전극(141) 및 복수의 제2 측방 전극(142)은 각각 제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122)의 길이 방향으로 소정의 간격으로 배열된다.Here, the
본 실시예에서, 반도체 기판(101)은 실리콘(Si)을 재료로 하여 제작된다. 또한, 중앙 DC전극(100), RF 전극(130) 및 하나 이상의 측방 DC전극(141, 142)은 실리콘(Si) 상에 형성된 도전층으로서 텅스텐, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속 및 폴리실리콘 등의 도전성 재료로 형성할 수가 있으며, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.In this embodiment, the
도 5는 도 4에서 Y-Y'을 따라 자른 단면을 X 방향에서 본 형상을 도시한 도면이다.5 is a view showing a cross-section taken along the line Y-Y 'in FIG. 4 in the X direction.
도 4와 도 5에서 도시하듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 장치(10)는 반도체 기판(101)과, 반도체 기판(101) 상에 형성된 하나 이상의 중앙 DC전극(110, 120), RF 전극(130) 및 하나 이상의 측방 DC전극(141, 142)을 포함하며 Z로 나타낸 평면을 기준으로 좌우 대칭된다.4 and 5, an
도 5에서 도시하듯이, 절연막(501)과 절연층(502)에 의해 반도체 기판(101)과 전극패턴(112, 122, 131, 132, 141, 142) 들이 전기적으로 분리된다.As shown in FIG. 5, the
또한, 절연막(501)과 절연층(502) 사이에 형성된 하부 도전층(510)의 일부(504)는 이온 트랩 장치(10)에 존재하는 측방 전극 연결용 본딩패드 부분(506)과 연결되어 비아홀(505)을 통하여 하나의 제1 측방 전극(141) 및 제2 측방 전극(142)과 각각 연결되며, 하부 도전층(510)에서 측방 전극 연결용 본딩패드(506)와 연결된 부분(504)을 제외한 나머지 부분(503)은 GND와 연결된다.A
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같은 이온 트랩 칩(10)에서 제1 중앙 DC전극(110) 및 제2 중앙 DC전극(120)에 DC를 연결하고, RF 전극(130)에 고전압의 RF 전원을 인가하고, 하부 도전층(503)에 GND를 연결하여 이온을 트랩하고자 하는 위치 주변의 복수의 제1 측방 전극(141) 및 복수의 제2 측방 전극(142)에 적절한 크기의 전압을 인가하면 이온을 트랩할 수 있게 된다.DC is connected to the first
또한, 트랩영역(150) 아래의 반도체 기판(101)은 수직 방향으로 관통되어 중성원자 주입구(508)를 형성하여 이온화 과정 전의 중성원자의 주입이 용이하도록 한다.The
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 칩 제조방법을 나타낸 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ion trap chip according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 트랩 칩 제조방법은, 반도체 기판을 준비하는 과정(S610), 하부 도전층의 증착 및 하부 전극 패터닝 과정(S620), 절연층의 증착 및 제1차 패터닝 과정(S630), 도금과 평탄화 과정(S640), 상면 절연층의 제2차 패터닝 및 배면 절연층 식각 과정(S650), 상부 도전층의 증착 및 상부 전극 패터닝 과정(S660), 배면 실리콘 식각 및 희생층 제거 과정(S670) 및 상면 실리콘 식각 과정(S680)을 포함한다.As shown in FIG. 6, a method of manufacturing an ion trap chip according to an embodiment of the present invention includes a process of preparing a semiconductor substrate (S610), a process of depositing a lower conductive layer and a process of patterning a lower electrode (S620) A second patterning of the upper insulating layer and a back insulating layer etching process (S650), a deposition of the upper conductive layer and an upper electrode patterning process (S660), a first patterning process (S630), a plating and planarizing process (S640) A backside silicon etching and sacrificial layer removing process (S670), and a top silicon etching process (S680).
도 7은 반도체 기판을 준비(S610)한 후에 절연막(501)과 하부 도전층(510)의 증착 및 하부 전극 패터닝 과정(S620)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 8은 절연층(502)의 증착 및 제1차 패터닝 과정(S630)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 9는 도금과 평탄화 과정(S640)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 10은 상면 절연층의 제2차 패터닝 및 배면 절연층 식각 과정(S650)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 11은 상부 도전층의 증착 및 상부 전극 패터닝 과정(S660)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 12는 배면 실리콘 식각 및 희생층 제거 과정(S670)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 13은 상면 실리콘 식각 과정(S680)이 수행된 후의 이온 트랩 장치(10)의 단면 구조를 나타낸 도면이다.7 is a view showing a sectional structure of the
도 7에서 도시하듯이, 절연막(501)은 반도체 기판(101)과 하부 도전층(510) 사이를 절연시키며 스트레스 보상을 위해 반도체 기판(101)의 상면 및 배면에 각각 증착된다. 본 실시예에서 절연막(501)은 이산화규소 막(703)과 질화규소 막(704)으로 구성되어있으나, 절연막(501)이 이에 한정되지 않고 다양한 재료를 사용할 수 있다. 한편, 증착 방법으로는 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.7, the insulating
또한, 상부의 절연막(501) 위에는 하부 도전층(510)이 증착된다. 본 실시예에서 하부 도전층(510)은 알루미늄으로 형성될 수 있으나, 텅스텐, 알루미늄, 금 등과 같은 금속 및 폴리실리콘 등의 도전성 재료로 형성할 수가 있으며, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 한편 하부 도전층(510)은 스퍼터링(Sputtering)이나 Evaporation 등의 방법을 사용하여 증착할 수 있다.A lower
이후 상면에 제작하고자 하는 이온 트랩 장치(10)의 트랩 영역(150)에 대응되는 위치를 패터닝하여 해당 부분의 하부 도전층(510) 및 절연막(501)을 제거한다. 여기서 트랩 영역에 대응되는 위치의 하부 도전층(510) 및 절연막(501)을 제거하는 방법으로는 플라즈마를 이용한 건식 식각(Dry Etching)이 사용될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.Then, a position corresponding to the
도 8에서 도시하듯이, 절연층 증착 및 제1차 패터닝 과정에서는 반도체 기판(101)의 상면 및 배면에 절연층(502, 803)을 각각 증착하고, 상면 절연층 패턴을 형성하기 위한 마스크를 이용하여 상면의 절연층(502)에서 트랩 영역(150) 아래, 중앙 DC전극(100)과 RF전극(130)을 분리하는 영역(805), RF전극(130)과 복수의 측방 DC전극(141, 142)을 분리하는 영역(806) 및 본딩패드(506) 부분에 대응되는 영역(807)을 패터닝하여 식각한다. 상면 및 배면 절연층(502, 803) 형성 물질은 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 방법으로 증착된 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate: TEOS) 또는 이산화규소(SiO2)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.8, insulating
도 9에서 도시하듯이, 도금 및 평탄과 과정에서는, 절연층 패턴 사이의 영역, 즉, 절연층(502)에서 식각된 트랩 영역(150) 아래, 중앙 DC전극과 RF전극을 분리하는 영역(805), RF전극과 복수의 측방 DC전극을 분리하는 영역(806) 및 본딩패드 부분에 대응되는 영역(807)을 희생층(Sacrificial Layer)으로 채우고, 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정을 통해 반도체 기판(101) 상면을 평탄화하여, 상부 전극(110, 120, 130, 141, 142)의 돌출부 구조(Overhang)를 지탱하는 희생층(910) 구조물을 형성한다. 희생층(910)을 형성하는 물질은 구리, 텅스텐, 니켈 등과 같은 금속일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 단, 이후의 습식식각을 통한 희생층(910) 제거 과정에서 이온 트랩 장치(10)를 구성하는 기타 다른 구조물을 손상시키지 않을 수 있도록 희생층(910)을 형성하는 물질은 상부 전극(110, 120, 130, 141, 142) 등 다른 구조물과는 다른 습식식각 특성을 갖는 물질을 선택한다. 또한, 희생층(910) 형성에는 도금 공정을 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.As shown in FIG. 9, in the process of plating and flattening, a
도 10에 도시하듯이, 상면 절연층(502)의 제2차 패터닝 및 배면 절연층(803) 식각 과정에서 상면 절연층(502)은 본딩패드(506) 부분의 하부 도전층과 연결하기 위한 비아홀(505) 영역을 패터닝하여 제거하고, 중성원자 주입구(508)에 대응되는 배면 절연층(803) 영역을 패터닝하여 제거한다. 이때, 중성원자 주입구(508)에 대응되는 배면의 절연막(501) 영역도 함께 제거될 수 있다.10, in the second patterning of the upper insulating
도 11에서 도시하듯이, 상부 도전층의 증착 및 상부 전극 패터닝 과정에서는 상부 도전층(1150)을 증착하여 전극패턴을 형성하기 위한 마스크를 이용하여 RF 전극(130), 중앙 DC전극(100) 및 측방 DC전극(141, 142)을 포함하는 전극패턴을 형성한다. 상부 도전층(1150)의 증착과정에서 측방 DC전극(141, 142)과 하부 도전층(510)에 존재하는 측방 전극 연결용 본딩패드(506) 부분은 비아홀(505) 영역에 채워진 상부 도전층 영역(1152)에 의해 전기적으로 연결된다. 11, in the process of depositing the upper conductive layer and patterning the upper electrode, the
상부 전극 패터닝 과정에서는 각 전극(110, 120, 130, 141, 142)의 패턴 폭이 상부 도전층(1150)의 각 전극(110, 120, 130, 141, 142)을 지지하는 절연층(502) 패턴의 폭보다 일정 길이만큼 큰 폭을 갖도록 패터닝하며, 전극(110, 120, 130, 141, 142)의 패턴 폭과 해당 지지 절연층(502) 패턴의 폭의 차이가 상부 전극 돌출부(1153, 1154)의 돌출 길이가 된다. 또한, 상부 전극 돌출부(1153, 1154)는 희생층(910) 구조물에 의해 지탱되어 안정적으로 패터닝될 수 있으며, 이를 통해 균일하고 정확한 길이의 상부 전극 돌출부(1153, 1154) 구조를 구현할 수 있다. 이러한 돌출부에 의해 포획된 이온에 노출되는 절연층 측벽 면적을 줄일 수 있다.In the upper electrode patterning process, the pattern width of each of the
여기서 패턴의 폭이란 제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122)의 길이 방향과 수직한 방향 기준의 길이(즉, 폭)를 의미한다. 예컨대, 상면 절연층 패턴을 형성하기 위한 마스크에서 상면 절연층(502)의 패턴의 폭이 전극(110, 120, 130, 141, 142) 패턴을 형성하기 위한 마스크에서 전극(110, 120, 130, 141, 142)의 패턴의 폭이 더 길도록 한다.Here, the width of the pattern means the length (i.e., width) of the
특히, 전극(110, 120, 130, 141, 142) 중에서 제1 DC 레일(112), 제2 DC 레일(122), 제1 RF 레일(131) 및 제2 RF 레일(132)의 경우만 폭 방향으로 돌출부(Overhang)를 가질 수도 있다. 경우에 따라서는 이온 트랩영역(150)과 인접한 전극(예컨대, 제1 DC 레일(112) 및 제2 DC 레일(122))만 폭 방향으로 돌출부를 가질 수도 있다. 또한, 이온 트랩영역(150)을 향하는 방향으로만 형성된 돌출부(1153)를 갖도록 할 수도 있다.Particularly, only the widths of the
본 실시예에서 상부 도전층(1150)은 알루미늄으로 형성될 수 있으나, 텅스텐, 알루미늄, 금 등과 같은 금속 및 폴리실리콘 등의 도전성 재료로 형성할 수가 있으며, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 한편 상부 도전층(1150)은 스퍼터링(Sputtering)이나 Evaporation 등의 방법을 사용하여 증착할 수 있다.In this embodiment, the upper
도 12에 도시한 바와 같이, 배면 실리콘 식각 및 희생층 제거 과정은 반도체 기판(101)의 배면에서 중성원자 주입구(508)에 대응되는 영역을 식각하여 소정 깊이의 반도체 기판(101)을 제거한다. 여기서 식각하는 방법으로 플라즈마를 이용한 식각 방법을 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않고 다양한 방법으로 식각을 할 수 있다.12, in the rear silicon etching and sacrificial layer removing process, the region corresponding to the neutral
또한, 희생층(910) 제거 과정에서는 희생층(910) 외에 이온 트랩 장치(10)를 구성하는 기타 다른 물질들을 손상시키지 않는 강산 또는 강염기의 액체성 화학 약품을 사용하여 희생층(910) 물질을 선택적으로 제거함으로써 상부 전극 돌출부(1153, 1154)를 부유시킨다.Also, in the process of removing the
도 12와 같이 희생층(910) 물질을 선택적으로 제거함으로써 상부 전극 돌출부(1153, 1154)를 부유시키는 상부 절연층(502)의 측벽이 평탄하도록 형성하여 절연층 측벽의 유효 면적을 줄임으로써 측벽에 원자가 증착될 가능성을 최소화할 수 있다.The side walls of the upper insulating
도 13에서 도시한 바와 같이, 상면 실리콘 식각 과정은 반도체 기판(101)의 상면에서 트랩 영역(150)을 식각하여 트랩 영역(150)에 대응되는 반도체 기판(101)의 영역을 제거한다. 여기서도 식각의 방법으로는 플라즈마를 이용한 건식 식각을 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.13, the upper surface silicon etching process removes the region of the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 이온과 같은 하전입자의 트랩 시의 성능 및 안정성 향상을 위하여 절연층 측벽이 포획된 이온에 노출되지 않도록 전극의 형상을 디자인함으로써 하전입자의 트랩의 성능과 안정성을 높이는 효과가 있어 유용한 발명이다.As described above, the present invention is designed to improve the performance and stability of a charged particle, such as ions, by designing the shape of the electrode so that the sidewall of the insulating layer is not exposed to trapped ions, Height is effective and useful invention.
10: 이온 트랩 장치
101: 반도체 기판
100: 중앙 DC전극
110: 제1 중앙 DC전극
111: 제1 DC 연결패드
112: 제1 DC 레일
120: 제2 중앙 DC전극
121: 제2 DC 연결패드
122: 제2 DC 레일
130: RF 전극
131: 제1 RF 레일
132: 제2 RF 레일
133: RF 패드
141, 142: 측방 DC전극
150: 이온 트랩영역
300: 이온 트랩 장치
310, 320: 전극
330: 절연층
501: 절연막
502: 상면 절연층
503, 504: 하부 도전층의 일부분
505: 비아홀
506: 본딩패드
508: 중성원자 주입구
510: 하부 도전층
703: 이산화규소 막
704: 질화규소 막
803: 배면 절연층
805: 중앙 DC전극과 RF전극을 분리하는 영역
806: RF전극과 복수의 측방 DC전극을 분리하는 영역
807: 본딩패드 부분에 대응되는 영역
910: 희생층
1150: 상부 도전층
1152: 비아홀 영역에 채워진 상부 도전층 영역
1153, 1154: 상부 전극 돌출부10: Ion trap device
101: semiconductor substrate
100: central DC electrode
110: first central DC electrode
111: first DC connection pad
112: first DC rail
120: second central DC electrode
121: second DC connection pad
122: second DC rail
130: RF electrode
131: first RF rail
132: second RF rail
133: RF pad
141, 142: Side DC electrodes
150: ion trap region
300: ion trap device
310, 320: electrode
330: insulating layer
501: insulating film
502: upper surface insulating layer
503, 504: a part of the lower conductive layer
505:
506: bonding pad
508: neutral atomizing inlet
510: lower conductive layer
703: Silicon dioxide film
704: Silicon nitride film
803: rear insulating layer
805: area separating the central DC electrode and the RF electrode
806: an area separating the RF electrode and the plurality of lateral DC electrodes
807: region corresponding to the bonding pad portion
910: sacrificial layer
1150: upper conductive layer
1152: upper conductive layer region filled in the via hole region
1153, 1154: upper electrode protrusion
Claims (10)
상기 DC 레일에 인접하여 위치하는 하나 이상의 RF 레일, 및 상기 하나 이상의 RF 레일에 연결된 RF 패드를 포함하는 RF 전극;
상기 RF 전극을 기준으로 상기 DC전극 반대측에 위치하는 하나 이상의 측방 전극 패드를 포함하는 하나 이상의 측방 전극; 및
각 전극과 상기 반도체 기판 사이에 상기 각 전극을 지지하는 절연층을 포함하고,
상기 각 전극 중에서 적어도 하나의 전극은 상기 절연층으로부터 폭 방향으로 돌출된 돌출부(Overhang)를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.At least one central DC electrode comprising a DC connection pad on the semiconductor substrate and a DC rail connected to the DC connection pad;
An RF electrode including at least one RF rail positioned adjacent to the DC rail, and an RF pad coupled to the at least one RF rail;
At least one lateral electrode comprising at least one lateral electrode pad located on the opposite side of the DC electrode with respect to the RF electrode; And
And an insulating layer for supporting the electrodes between the electrodes and the semiconductor substrate,
Wherein at least one of the electrodes has an overhang protruding in the width direction from the insulating layer.
상기 중앙 DC전극은 제1 중앙 DC전극 및 제2 중앙 DC전극을 포함하고,
상기 제1 중앙 DC전극의 DC 레일인 제1 DC레일 및 상기 제2 중앙 DC전극의 DC 레일인 제2 DC레일은 서로 이격되어 상기 제1 DC레일 및 상기 제2 DC레일 사이에 트랩 영역을 갖고,
상기 트랩영역에 대응되는 상기 반도체 기판 부분이 관통된 형태를 하는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.The method according to claim 1,
Wherein the central DC electrode comprises a first central DC electrode and a second central DC electrode,
Wherein a first DC rail as a DC rail of the first central DC electrode and a second DC rail as a DC rail of the second central DC electrode are spaced apart from each other to have a trap region between the first DC rail and the second DC rail ,
And the semiconductor substrate portion corresponding to the trap region penetrates the ion trap device.
상기 돌출부를 갖는 전극은 상기 트랩 영역에 인접한 전극인 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the electrode having the protrusion is an electrode adjacent to the trap region.
상기 돌출부는 상기 트랩 영역을 향하는 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the protruding portion protrudes in a direction toward the trap region.
상기 돌출부는 전극마다 그 길이가 균일한 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the projecting portion has a uniform length in each of the electrodes.
상기 하나 이상의 측방 전극은 각각 상기 RF 전극의 길이 방향으로 소정의 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the at least one lateral electrode is arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction of the RF electrode.
상기 적어도 하나의 전극을 지지하는 절연층의 측벽은 평탄한 형상을 하는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치.The method according to claim 1,
Wherein the side wall of the insulating layer supporting the at least one electrode has a flat shape.
제1 마스크를 이용하여 상기 절연층을 패터닝하여 전극을 지지하기 위한 절연층 패턴을 형성하는 과정; 및
상기 반도체 기판에 도전층을 증착하고 제2 마스크를 이용하여 상기 절연층 패턴 위에 RF 전극, 중앙 DC 전극 및 측방 전극을 포함하는 전극패턴을 형성하는 과정
을 포함하여 이온 트랩 장치를 제조하되,
상기 제2 마스크는, 각 전극 중에서 적어도 하나의 전극은 상기 절연층으로부터 상기 이온 트랩 장치의 폭 방향으로 돌출된 전극 돌출부(Overhang)를 갖도록 형성된 전극패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치 제조방법.Depositing an insulating layer on a semiconductor substrate;
Forming an insulating layer pattern for supporting the electrode by patterning the insulating layer using a first mask; And
A process of depositing a conductive layer on the semiconductor substrate and forming an electrode pattern including an RF electrode, a central DC electrode, and a lateral electrode on the insulating layer pattern using a second mask
To produce an ion trap device,
Wherein the second mask has an electrode pattern formed so that at least one of the electrodes has an electrode protrusion (Overhang) protruding from the insulating layer in the width direction of the ion trap device.
상기 절연층 패턴을 형성하는 과정 이후에, 상기 절연층 패턴 사이 공간에 희생층(Sacrificial Layer)으로 채운 후 연마 공정을 통하여 상기 반도체 기판의 상면을 평탄화하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치 제조방법.9. The method of claim 8,
Further comprising the step of filling the space between the insulating layer patterns with a sacrificial layer after the process of forming the insulating layer pattern and then planarizing the upper surface of the semiconductor substrate through a polishing process. Device manufacturing method.
상기 전극 패턴을 형성하는 과정 이후에, 상기 희생층 물질을 선택적으로 제거하여 상기 전극 돌출부를 부유시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 트랩 장치 제조방법.10. The method of claim 9,
Further comprising the step of selectively removing the sacrificial layer material to float the electrode protrusion after forming the electrode pattern.
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RU2806213C1 (en) * | 2023-04-14 | 2023-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") | Method for manufacturing surface ion trap |
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