WO2020207801A1 - Verfahren zum herstellen einer ionenfalle - Google Patents

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WO2020207801A1
WO2020207801A1 PCT/EP2020/058341 EP2020058341W WO2020207801A1 WO 2020207801 A1 WO2020207801 A1 WO 2020207801A1 EP 2020058341 W EP2020058341 W EP 2020058341W WO 2020207801 A1 WO2020207801 A1 WO 2020207801A1
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WO
WIPO (PCT)
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substrate
recess
substrates
area
ion trap
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/058341
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Genter
Christoph Schelling
Daniel Pantel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2020207801A1 publication Critical patent/WO2020207801A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0013—Miniaturised spectrometers, e.g. having smaller than usual scale, integrated conventional components
    • H01J49/0018—Microminiaturised spectrometers, e.g. chip-integrated devices, Micro-Electro-Mechanical Systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/424—Three-dimensional ion traps, i.e. comprising end-cap and ring electrodes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an ion trap and to such an ion trap, in particular a three-dimensional ion trap.
  • ions are held as electrically charged atoms or molecules by means of electric and magnetic fields. Depending on the type and strength of the acting fields, ions of a certain mass can be specifically trapped. Alternatively, all ions can be kept in the trap and ions of a certain mass can be removed by changing the fields and thus the ion supply can be scanned or scanned in a targeted manner, separated by mass.
  • Micromechanical processes such as those used in MEMS (Microelectromechanical Systems) are used to produce such an ion trap. It should be noted that micromechanical processes are a
  • the key technology is to represent scalable platforms, in particular qubit platforms, on the basis of ion traps.
  • a qubit too
  • Quantum bit is a two-state quantum system that can be manipulated in any way and thus a system that can be correctly described by quantum mechanics and can only have two distinguishable states.
  • Wafer bonding process is possible with very small tolerances.
  • Conventional, two-dimensional ion traps that are easy to manufacture have the disadvantage that the achievable containment energies are in the range of thermal energy at room temperature and are significantly lower than with three-dimensional ion traps.
  • three-dimensional ion traps are the best way of realizing those that function at room temperature
  • ion traps based on the Paul trap principle are preferably used, in which an electrostatic field in combination with an HF alternating field ensures that the ions are contained in potential.
  • Quantum states of the ions are usually radiated with high-energy light. However, stray charges can lead to undesirable interactions with the ions stored in the trap. For this reason, a higher conductivity of the trap walls is sought.
  • the described method is used to produce an ion trap, in particular a three-dimensional ion trap, and provides that the ion trap is constructed in a multi-stage process based on at least two substrates, in embodiments on two substrates.
  • the presented method can include the following steps: - providing two substrates,
  • the metallization can be applied in several layers.
  • the insulation area below the conductor tracks is formed by dielectric side walls of a cover layer and cavities.
  • the three-dimensional ion trap presented which is produced in particular by a method of the type presented here, enables high-quality three-dimensional ion traps to be represented.
  • the ion trap architecture enables a low HF absorption with higher conductivity of the trap walls and easier structuring of the substrate.
  • the presented three-dimensional ion trap device comprises in
  • Substrate recess with conductive side walls, the electrodes projecting beyond the substrate recess and with an insulation area being arranged in sections between the electrode metallization and the conductive substrate at least in the area of the conductor tracks.
  • the insulation area can have a thickness of 5 to 100 mhi, in an embodiment 20 to 100 mhi.
  • the insulation area can also be formed by a bridge structure made up of pillars or supporting walls and a cover layer over a cavity. This isolation area is alternatively formed by a porous structure.
  • the material of the isolation region can be an oxide, e.g. B. an S1O2.
  • Both substrates can have a substrate recess, the recesses at least partially overlapping in a projection along an axis perpendicular to a main direction of extent of the substrates.
  • the first substrate can have a further recess area directly adjoining the recess area on the surface facing the second substrate.
  • the substrates In a peripheral region of the surfaces facing one another, the substrates have bonding connection areas which consist, for example, of Au / Si, Au / Ge, Au / In or Au / Au.
  • the first substrate can be made of silicon, e.g. B. made of highly doped and thus conductive silicon.
  • the second substrate can be conductive, for example made of highly doped silicon, or insulating, e.g. B. made of glass.
  • the electrode metallization can be formed from Au or Pt and can have an adhesion promoter layer made from Ti, TiW, Cr at least in the area of the leads on the insulation area. Furthermore, the electrode metallization can consist of several layers of Au or Pt and thin intermediate layers of a further conductive material, such as, for example, Ti / Au / Ti / Au / Ti / Au in the insulation area and Au / Ti / Au / Ti / Au in the recess area.
  • the three-dimensional ion trap or the three-dimensional ion trap component can comprise a third substrate with a third layer of electrodes on a third substrate.
  • the second substrate projects beyond the first substrate in at least one main direction of extent, it being possible for contact regions for the electrodes to be provided on the second substrate.
  • the third substrate can correspond to the second substrate or with im
  • the electrodes can protrude beyond the substrate recess by at least 10 ⁇ m, for example by approximately the distance between the ions and the DC and HF electrodes.
  • the side walls of the substrate recess can be at least partially coated with a further conductive material, for example a noble metal.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section through an embodiment of the three-dimensional ion trap presented.
  • FIG. 2 shows the three-dimensional ion trap from FIG. 1 in a top view.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the ion trap presented.
  • FIG. 4 shows yet another embodiment of the ion trap.
  • FIG. 5 shows the provision of two substrates.
  • FIG. 6 shows the application and structuring of a metallization.
  • FIG. 7 shows the formation of bond areas.
  • FIG. 8 shows the formation of a continuous recess at least in a first substrate.
  • FIG. 9 the removal of the insulation area at least in the area of the recess in the first substrate.
  • FIG. 10 shows the connection of the two substrates by means of a bonding process.
  • FIG. 11 illustrates the uncovering of the covered bond pads on the second substrate.
  • FIG. 12 shows the isolation area in a detailed representation.
  • FIG. 1 shows in a schematic cross section an embodiment of the presented three-dimensional ion trap, which is designated as a whole by the reference number 10.
  • This ion trap 10 comprises an upper chip 12 and a lower chip 14.
  • the illustration shows a first substrate 20 and a second substrate 22, a bonding area 24, a first recess 26, a second recess 28, a further recess 30, a bond pad 32, a first insulation area 34, a second insulation area 36, a metallization 38, an adhesion promoting layer and diffusion barrier 40, a first HF electrode 42, a first DC electrode 44, a second HF electrode 46 and a second DC electrode 48.
  • An ion trap region 50 is provided in the first recess 26.
  • the illustrated ion trap 10 thus comprises two substrates 20, 22 with a crossed arrangement of the DC electrodes 44, 48 and HF electrodes 42, 46 according to Paul.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the three-dimensional ion trap 10 from FIG. 1.
  • the illustration shows the upper chip 12 and the lower chip 14, the bonding area 24, a bonding pad area 60, the first HF electrode 42, the first DC electrode 44, the first recess 26 and the ion trap regions 50.
  • FIG. 3 shows, in a schematic cross section, a further embodiment of the 3 D ion trap presented, which is designated as a whole with the reference number 100.
  • This ion trap 100 comprises an upper chip 112 and a lower chip 114.
  • the illustration shows a first substrate 120 and a second substrate 122, which is designed as an insulating lower substrate, a bonding area 124, a recess 126, a further recess 130, a bond pad 132, an isolation region 134, a metallization 138, a
  • Adhesion promoting layer and diffusion barrier 140 Adhesion promoting layer and diffusion barrier 140, a first HF electrode 142, a first DC electrode 144, a second HF electrode 146 and a second DC electrode 148.
  • An ion trap region 150 is provided in the recess 126.
  • the illustrated ion trap 100 thus comprises two substrates 120, 122 with a crossed arrangement of the DC electrodes 144, 148 and HF electrodes 142, 146 according to Paul.
  • the insulating lower substrate 122 is provided in the ion trap 100 from FIG.
  • FIG. 4 shows, in a schematic cross section, a schematic representation of a further embodiment of the three-dimensional ion trap, which is designated as a whole by reference numeral 200.
  • the ion trap 200 comprises an upper chip 212, a middle chip 214 and a lower chip 216.
  • the illustration shows a first substrate 220, a second substrate 222, a third substrate 224, a first bonding area 226, a second bonding area 228, and a first recess 230, a second recess 232, a third recess 234, a first further recess 240, a second further recess 242, a first bond pad 244, a second bond pad 246, a first insulation area 250, a second insulation area 252, a third insulation area 254, a Metallization 260, an adhesion promoting layer and
  • Diffusion barrier 262 first DC electrodes 270, first HF electrodes 272 and second DC electrodes 274.
  • An ion trap area 280 is provided in an area approximately between the first recess 230 and the second recess 232.
  • FIG. 5 shows the division into an upper chip 300 and a lower chip 302 and the provision of a first substrate 304 and a second substrate 306, with a first insulation area 310 on the first substrate 304 and a second insulation area 312 on the second substrate 302, respectively at least one surface is provided to the substrates 304, 306. Details can be found in Figure 12.
  • FIG. 6 shows the application and structuring of a metallization on both substrates 304, 306. After these steps are a
  • Adhesion promoting layer and diffusion barrier 322, a metallization 320 and a bond pad 324 are provided.
  • FIG. 7 illustrates the formation of bonding areas on the sides of the substrates 304, 306 which later face one another.
  • the illustration shows a bonding area 330 for this purpose.
  • FIG. 8 shows the formation of a continuous recess at least in a first substrate and possibly a further recess.
  • the illustration shows a first recess 340, a second recess 342 and a further recess 344.
  • the first recess 340 there is a
  • Ion trap area 350 is provided.
  • FIG. 9 shows the removal of the isolation area 310 or 312 at least in the area of the recess in the first substrate.
  • FIG. 10 shows the connection of the two substrates 304, 306 by one
  • FIG. 11 illustrates the uncovering of the covered bond pads on the second substrate.
  • FIG. 12 shows the isolation area in a detailed representation. This
  • Isolation area below the conductor tracks is made of dielectric
  • Side walls e.g. B. formed from oxide or nitride, a cover layer and cavities. Manufacturing can include the following steps:
  • Backfilling with a backfill material e.g. B. Oxide, (Ref. 402) - Open a sacrificial layer etch access + sacrificial layer etch from
  • Substrate material e.g. B. with XeF2, (reference number 404),
  • a top layer e.g. B. Oxide. (Reference number 406).
  • Realization form require a crossed quadrupole arrangement of DC and HF electrodes.
  • this arrangement is achieved by arranging two substrates with a recess.
  • the recess forms, on the one hand, an enclosure volume for the ions and, on the other hand, provides access both for the ions and for the light necessary for manipulating the qubits.
  • the substrate forming the side walls of the ion trap is designed to be conductive. In this way, unwanted charges on the side walls can be avoided.
  • the continuous recess is necessary to allow the trap to be loaded with ions
  • electromagnetic fields are as well defined as possible and are not shielded by the substrate.
  • the electrodes protrude beyond the substrate recess, the influence of possible stray charges on the walls of the substrate recess is also reduced.
  • the insulation area below the supply lines is intended to prevent the absorption or attenuation of the RF wave by the substrate and to prevent electrical breakdown to the substrate.
  • the insulation area typically has a thickness of 5 to 100 ⁇ m, in an embodiment 20 to 100 ⁇ m.
  • the isolation area must on the one hand meet electrical requirements as described above and on the other hand remain mechanically stable. It has been shown that a thickness of 5 to 100 ⁇ m represents a suitable compromise.
  • isolation area can be made up of a bridge structure made up of pillars or supporting walls and a Cover layer can be formed over a cavity or also from a porous structure.
  • An oxide for example an SiO 2, and / or a nitride, for example a Si-rich nitride, are preferably considered as the material.
  • Both substrates can have a substrate recess, the recesses overlapping in a projection along an axis perpendicular to a main direction of extent of the substrates. In this way there are two entrances for excitation light and ions.
  • the first substrate can have a further recess area on the surface facing the second substrate. This further recess area serves to isolate the upper substrate from the conductor tracks of the lower substrate.
  • the substrates have bonding areas in a peripheral area on the mutually facing surfaces, for example made of Au / Si,
  • the second substrate can be insulating, for example made of glass, sapphire or similar materials, with which the insulation requirements are automatically met.
  • the electrode metallization can be formed from Au or Pt. No oxidation can occur with these metals, so there are no localized ones
  • the electrode metallization can furthermore have an adhesion promoter layer made of Ti, TiW, Cr at least in the area of the supply lines on the insulation area. This improves the adhesion of the electrode metallization.
  • the adhesion promoter layer is removed there in one embodiment before the electrode metallization is applied.
  • the electrode metallization can consist of several layers of Au or Pt and thin intermediate layers of a further conductive material, eg Ti / Au / Ti / Au / Ti / Au in the isolation area and Au / Ti / Au / Ti / Au in the
  • the three-dimensional ion trap device can include a third substrate with a third layer of electrodes on a third substrate. This represents a further implementation possibility with a Paul trap, whereby in this configuration two DC cap electrodes and one ring-shaped HF electrode are required.
  • the second substrate protrudes beyond the first substrate in at least one
  • the side walls can be coated with a further conductive layer, for example Au or Pt.
  • the ion trap presented can be used for quantum computers or quantum sensors.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Ionenfalle (10) mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten Substrats (20) und eines zweiten Substrats (22), Bilden eines Isolationsbereichs (34, 36) auf einer ersten Oberfläche mindestens eines der Substrate(20,22), Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung (38) auf beiden Substraten (20,22), Ausbilden von Bondflächen auf einander zugewandten Seiten der Substrate (20,22), Ausbilden einer durchgängigen Ausnehmung in dem mindestens einen Substrat (20, 22), auf dem der Isolationsbereich (34, 36) gebildet ist, Entfernen des Isolationsbereichs (34,36) im Bereich der Ausnehmung des mindestens einen Substrats(20, 22), auf dem der Isolationsbereich (34, 36) gebildet ist, Verbinden der beiden Substrate (20,22) durch einen Bondprozess.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen einer lonenfalle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer lonenfalle und eine solche lonenfalle, insbesondere eine dreidimensionale lonenfalle.
Stand der Technik
In einer lonenfalle werden Ionen als elektrisch geladene Atome oder Moleküle mittels elektrischer und magnetischer Felder festgehalten. Abhängig von Art und Stärke der einwirkenden Felder kann man gezielt Ionen einer bestimmten Masse gefangen halten. Alternativ kann man sämtliche Ionen in der Falle vorrätig halten und durch Veränderung der Felder Ionen einer bestimmter Masse entnehmen und so den lonenvorrat gezielt massenaufgetrennt abtasten bzw. scannen.
Zur Herstellung einer solchen lonenfalle werden mikromechanische Prozesse, wie diese bei MEMS (Microelectromechanical Systems) zum Einsatz kommen, verwendet. Zu beachten ist, dass mikromechanische Prozesse eine
Schlüsseltechnologie sind, um skalierbare Plattformen, insbesondere Qubit- Plattformen, auf der Basis von lonenfallen darzustellen. Ein Qubit, auch
Quantenbit, ist ein beliebig manipulierbares Zweizustands-Quantensystem und somit ein System, das durch die Quantenmechanik korrekt beschrieben werden und nur zwei unterscheidbare Zustände aufweisen kann. In der
Quanteninformatik spielen Qubits die analoge Rolle zum klassischen Bit bei herkömmlichen Computern.
Die parallele Ausrichtung der Elektroden durch Lithographie und
Waferbondverfahren ist mit sehr geringen Toleranzen möglich. Herkömmliche, einfach herzustellende zweidimensionale lonenfallen haben den Nachteil, dass die erreichbaren Einschlussenergien im Bereich der thermischen Energie bei Raumtemperatur liegen und deutlich geringer als bei dreidimensionalen lonenfallen sind. Insbesondere stellen dreidimensionale lonenfallen die beste Möglichkeit zur Realisierung von bei Raumtemperatur funktionierenden
Quantencomputern dar.
Zum Einschluss der Ionen werden bevorzugt lonenfallen nach dem Paulschen Fallenprinzip eingesetzt, bei denen ein elektrostatisches Feld in Kombination mit einem HF- Wechselfeld für einen Potenzialeinschluss der Ionen sorgt.
Für die Herstellung der dreidimensionalen lonenfallen mit mikromechanischen Prozessen ist auf der einen Seite eine einfache Strukturierbarkeit des Substrats von Vorteil, weshalb bevorzugt auch auf Halbleitersubstrate, bspw. aus Silizium, zurückgegriffen wird. Auf der anderen Seite darf die HF- Welle nicht im Substrat absorbiert werden, weshalb isolierende keramische Substrate verwenden werden. Keramische Substrate sind jedoch sehr schwer zu strukturieren und können sich oberflächlich aufladen, zumal für die Manipulation der
Quantenzustände der Ionen in der Regel hochenergetisches Licht eingestrahlt wird. Streuladungen können jedoch zu unerwünschten Wechselwirkungen mit den in der Falle gespeicherten Ionen führen. Aus diesem Grund wird eine höhere Leitfähigkeit der Fallenwände angestrebt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Das beschriebene Verfahren dient zum Herstellen einer lonenfalle, insbesondere einer dreidimensionalen lonenfalle, und sieht vor, dass die lonenfalle basierend auf mindestens zwei Substraten, in Ausführungen auf zwei Substraten, in einem mehrstufigen Prozess aufgebaut wird.
Das vorgestellte Verfahren kann folgende Schritte umfassen: - Bereitstellen zweier Substrate,
- Bilden eines Isolationsbereichs zumindest auf einer ersten Oberfläche des ersten und/oder zweiten Substrats,
- Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung auf beiden Substraten,
- Ausbilden von Bondflächen auf den später einander zugewandten Seiten der Substrate,
- Ausbilden einer durchgängigen Ausnehmung in dem mindestens einen Substrat, auf dem bzw. auf denen der Isolationsbereich gebildet ist, und gegebenenfalls einer weiteren Ausnehmung,
- Entfernen des Isolationsbereichs im Bereich der Ausnehmung des mindestens einen Substrats, auf dem bzw. auf denen der Isolationsbereich gebildet ist,
- Verbinden der beiden Substrate durch einen Bondprozess,
- Freilegen der verdeckten Bondpads auf dem zweiten Substrat.
Zu beachten ist, dass das Aufbringen der Metallisierung in mehreren Lagen erfolgen kann.
Der Isolationsbereich unterhalb der Leiterbahnen wird von dielektrischen Seitenwänden einer Deckschicht und Hohlräumen gebildet.
Die vorgestellte dreidimensionale lonenfalle, die insbesondere durch ein Verfahren der hierin vorgestellten Art hergestellt wird, ermöglicht die Darstellung qualitativ hochwertiger dreidimensionaler lonenfallen. Die lonenfallenarchitektur ermöglicht dabei eine geringe HF- Absorption bei höherer Leitfähigkeit der Fallenwände und einfacher Strukturierbarkeit des Substrats.
Das vorgestellte dreidimensionale lonenfallenbauelement umfasst in
Ausgestaltung: - mindestens zwei übereinander angeordnete Substrate, von denen mindestens eines im Wesentlichen leitfähig ist,
- auf beiden Substraten Elektroden,
- eine im ersten leitfähigen Substrat ausgebildete durchgängige
Substratausnehmung mit leitfähigen Seitenwänden, wobei die Elektroden die Substratausnehmung überragen und wobei zwischen Elektroden-Metallisierung und leitfähigem Substrat abschnittsweise ein Isolationsbereich wenigstens im Bereich der Leiterbahnen angeordnet ist.
Der Isolationsbereich kann eine Dicke von 5 bis 100 mhi, in Ausgestaltung 20 bis 100 mhi, aufweisen. Der Isolationsbereich kann zudem von einer Brückenstruktur aus Pfeilern bzw. Stützwänden und einer Deckschicht über einen Hohlraum gebildet sein. Dieser Isolationsbereich wird alternativ von einer porösen Struktur gebildet. Das Material des Isolationsbereichs kann ein Oxid, z. B. ein S1O2, sein.
Beide Substrate können eine Substratausnehmung aufweisen, wobei die Ausnehmungen sich in einer Projektion längs einer Achse senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Substrate zumindest teilweise überlappen.
Das erste Substrat kann einen weiteren Ausnehmungsbereich im direkten Anschluss an den Ausnehmungsbereich auf der dem zweiten Substrat zugewandten Oberfläche aufweisen.
Die Substrate weisen in einem peripheren Bereich den aufeinander zugewandten Oberflächen Bondverbindungsflächen auf, die bspw. aus Au/Si, Au/Ge, Au/In oder Au/Au bestehen.
Das erste Substrat kann aus Silizium bestehen, z. B. aus hochdotiertem und damit leitfähigem Silizium. Das zweite Substrat kann leitfähig, bspw. aus hochdotiertem Silizium, oder isolierend, z. B. aus Glas, sein. Die Elektrodenmetallisierung kann aus Au oder Pt gebildet sein und kann eine Haftvermittlerschicht aus Ti, TiW, Cr zumindest im Bereich der Zuleitungen auf dem Isolationsbereich aufweisen. Weiterhin kann die Elektrodenmetallisierung aus mehreren Lagen Au bzw. Pt und dünnen Zwischenlagen aus einem weiteren leitfähigen Material bestehen, wie bspw. Ti/Au/Ti/Au/Ti/Au im Isolationsbereich und Au/Ti/Au/Ti/Au im Ausnehmungsbereich.
Darüber hinaus kann die dreidimensionale lonenfalle bzw. das dreidimensionale lonenfallenbauelement ein drittes Substrat mit einer dritten Lage Elektroden auf einem dritten Substrat umfassen. Das zweite Substrat überragt in Ausgestaltung das erste Substrat in wenigstens einer Haupterstreckungsrichtung, wobei auf dem zweiten Substrat Kontaktierungsbereiche für die Elektroden vorgesehen sein können.
Das dritte Substrat kann entsprechend dem zweiten Substrat oder mit im
Wesentlichen denselben Verfahrensschritten wie das zweite Substrat gebildet werden.
Die Elektroden können die Substratausnehmung um mindestens 10 pm überragen, bspw. um etwa den Abstand der Ionen zu den DC- und HF- Elektroden. Die Seitenwände der Substratausnehmung können mit einem weiteren leitfähigen Material, bspw. einem Edelmetall, zumindest teilweise überzogen sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch eine Ausführung der vorgestellten dreidimensionalen lonenfalle.
Figur 2 zeigt die dreidimensionale lonenfalle aus Figur 1 in einer Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung der vorgestellten lonenfalle.
Figur 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der lonenfalle.
Figur 5 zeigt das Bereitstellen zweier Substrate.
Figur 6 zeigt das Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung.
Figur 7 zeigt das Ausbilden von Bondflächen.
Figur 8 zeigt das Ausbilden einer durchgängigen Ausnehmung zumindest in einem ersten Substrat.
Figur 9 das Entfernen des Isolationsbereichs zumindest im Bereich der Ausnehmung des ersten Substrats.
Figur 10 zeigt das Verbinden der beiden Substrate durch einen Bondprozess.
Figur 11 verdeutlicht das Freilegen der verdeckten Bondpads auf dem zweiten Substrat.
Figur 12 zeigt in einer Detaildarstellung den Isolationsbereich. Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine Ausführungsform der vorgestellten dreidimensionalen lonenfalle, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese lonenfalle 10 umfasst einen oberen Chip 12 und einen unteren Chip 14. Die Darstellung zeigt ein erstes Substrat 20 und ein zweites Substrat 22, einen Bondbereich 24, eine erste Ausnehmung 26, eine zweite Ausnehmung 28, eine weitere Ausnehmung 30, ein Bondpad 32, einen ersten Isolationsbereich 34, einen zweiten Isolationsbereich 36, eine Metallisierung 38, eine Adhäsionsvermittlungsschicht und Diffusionsbarriere 40, eine erste HF- Elektrode 42, eine erste DC- Elektrode 44, eine zweite HF- Elektrode 46 und eine zweite DC- Elektrode 48. In der ersten Ausnehmung 26 ist ein lonenfallenbereich 50 vorgesehen.
Die dargestellte lonenfalle 10 umfasst somit zwei Substrate 20, 22 mit einer Überkreuz-Anordnung der DC- Elektroden 44, 48 und HF- Elektroden 42, 46 nach Paul.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht die dreidimensionale lonenfalle 10 aus Figur 1. Die Darstellung zeigt den oberen Chip 12 und den unteren Chip 14, den Bondbereich 24, einen Bondpadbereich 60, die erste HF-Elektrode 42, die erste DC- Elektrode 44, die erste Ausnehmung 26 und die lonenfallenbereiche 50.
Figur 3 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine weitere Ausführungsform der vorgestellten 3 D- lonenfalle, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Diese lonenfalle 100 umfasst einen oberen Chip 112 und einen unteren Chip 114. Die Darstellung zeigt ein erstes Substrat 120 und ein zweites Substrat 122, das als isolierendes unteres Substrat ausgebildet ist, einen Bondbereich 124, eine Ausnehmung 126, eine weitere Ausnehmung 130, ein Bondpad 132, einen Isolationsbereich 134, eine Metallisierung 138, eine
Adhäsionsvermittlungsschicht und Diffusionsbarriere 140, eine erste HF- Elektrode 142, eine erste DC-Elektrode 144, eine zweite HF-Elektrode 146 und eine zweite DC-Elektrode 148. In der Ausnehmung 126 ist ein lonenfallenbereich 150 vorgesehen. Die dargestellte lonenfalle 100 umfasst somit zwei Substrate 120, 122 mit einer Überkreuz-Anordnung der DC-Elektroden 144, 148 und HF-Elektroden 142, 146 nach Paul. Im Gegensatz zu der Ausführung aus Figur 1 ist bei der lonenfalle 100 aus Figur 3 das isolierende untere Substrat 122 vorgesehen.
Figur 4 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der dreidimensionalen lonenfalle, die insgesamt mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die lonenfalle 200 umfasst einen oberen Chip 212, einen mittleren Chip 214 und einen unteren Chip 216. Die Darstellung zeigt ein erstes Substrat 220, ein zweites Substrat 222, ein drittes Substrat 224, einen ersten Bondbereich 226, einen zweiten Bondbereich 228, eine erste Ausnehmung 230, eine zweite Ausnehmung 232, eine dritte Ausnehmung 234, eine erste weitere Ausnehmung 240, eine zweite weitere Ausnehmung 242, ein erstes Bondpad 244, ein zweites Bondpad 246, einen ersten Isolationsbereich 250, einen zweiten Isolationsbereich 252, einen dritten Isolationsbereich 254, eine Metallisierung 260, eine Adhäsionsvermittlungsschicht und
Diffusionsbarriere 262, erste DC-Elektroden 270, erste HF-Elektroden 272 und zweite DC-Elektroden 274. In einem Bereich in etwa zwischen der ersten Ausnehmung 230 und der zweiten Ausnehmung 232 ist ein lonenfallenbereich 280 vorgesehen.
Bei dieser Ausführung sind somit drei Substrate 220, 222, 224 mit einer
Anordnung der DC-Elektroden 270, 274 oben und unten sowie der HF- Elektroden 272 in der Mitte nach Paul vorgesehen.
Die nachfolgenden Figuren verdeutlichen in einem Prozessfluss, jeweils in schematischem Querschnitt, die Herstellung von Ausführungsformen der vorgestellten dreidimensionalen lonenfalle.
Figur 5 zeigt die Unterteilung in einen oberen Chip 300 und einen unteren Chip 302 und die Bereitstellung eines ersten Substrats 304 und eines zweiten Substrats 306, wobei auf dem ersten Substrat 304 ein erster Isolationsbereich 310 und auf dem zweiten Substrat 302 ein zweiter Isolationsbereich 312 auf jeweils zumindest einer Oberfläche den Substrate 304, 306 bereitgestellt wird. Details hierzu finden sich in Figur 12. Figur 6 zeigt das Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung auf beiden Substraten 304, 306. Nach diesen Schritten sind eine
Adhäsionsvermittlungsschicht und Diffusionsbarriere 322, eine Metallisierung 320 sowie ein Bondpad 324 vorgesehen.
Figur 7 verdeutlicht das Ausbilden von Bondflächen auf den später aufeinander zugewandten Seiten der Substrate 304, 306. Die Darstellung zeigt hierzu einen Bondbereich 330.
Figur 8 zeigt das Ausbilden einer durchgängigen Ausnehmung zumindest in einem ersten Substrat und ggf. eine weitere Ausnehmung. Die Darstellung zeigt hierzu eine erste Ausnehmung 340, eine zweite Ausnehmung 342 und eine weitere Ausnehmung 344. In der ersten Ausnehmung 340 ist ein
lonenfallenbereich 350 vorgesehen.
Figur 9 zeigt das Entfernen des Isolationsbereichs 310 bzw. 312 zumindest im Bereich der Ausnehmung des ersten Substrats.
Figur 10 zeigt das Verbinden der beiden Substrate 304, 306 durch einen
Bondprozess.
Figur 11 verdeutlicht das Freilegen der verdeckten Bondpads auf dem zweiten Substrat.
Figur 12 zeigt in einer Detaildarstellung den Isolationsbereich. Dieser
Isolationsbereich unterhalb der Leiterbahnen wird von dielektrischen
Seitenwänden, z. B. aus Oxid oder Nitrid, einer Deckschicht und Hohlräumen gebildet. Die Herstellung kann folgende Schritte umfassen:
- Trenchätzen der Pfeiler bzw. Stützwände (Bezugsziffer 400),
- Verfüllen mit einem Verfüllmaterial, z. B. Oxid, (Bezugsziffer 402) - Öffnen eines Opferschichtätzzugangs + Opferschichtätzen von
Substratmaterial, z. B. mit XeF2, (Bezugsziffer 404),
- optional Verschließen mit einer Deckschicht, z. B. Oxid. (Bezugsziffer 406).
Zu berücksichtigen ist, dass die Paulschen lonenfallen in einer ersten
Realisierungsform eine gekreuzte Quadrupolanordnung von DC- und HF- Elektroden erfordern. Diese Anordnung wird bei dem beschriebenen Verfahren durch das Anordnen von zwei Substraten mit einer Ausnehmung erreicht. Durch die Ausnehmung wird einerseits ein Einschlussvolumen für die Ionen gebildet und andererseits ein Zugang sowohl für die Ionen als auch für das für die Manipulation der Qubits notwendige Licht bereitgestellt.
Es kann dabei von Vorteil sein, wenn das die Seitenwände der lonenfalle bildende Substrat leitfähig ausgebildet ist. Dadurch lassen sich ungewollte Aufladungen an den Seitenwänden vermeiden. Die durchgängige Ausnehmung ist erforderlich, um eine Beladungsmöglichkeit der Falle mit Ionen zu
ermöglichen, ein Einschlussvolumen bereitzustellen und einen optischen Zugang für das Licht zur Manipulation zu schaffen. Die Elektoden überragen die
Substratausnehmung vorteilhaft, damit die elektrischen bzw.
elektromagnetischen Felder möglichst gut definiert sind und nicht vom Substrat abgeschirmt werden. Durch das Überragen der Subtratausnehmung duch die Elektroden wird außerdem der Einfluss von möglichen Streuladungen auf den Wänden der Substratausnehmung verringert. Der Isolationsbereich unterhalb der Zuleitungen soll die Absorption bzw. Dämpfung der HF- Welle durch das Substrat unterbinden und einen elektrischen Durchschlag zum Substrat verhindern.
Der Isolationsbereich weist typischerweise eine Dicke von 5 bis 100 pm, in Ausgestaltung 20 bis 100 pm, auf. Der Isolationsbereich muss einerseits wie zuvor beschrieben elektrischen Anforderungen genügen und andererseits mechanisch stabil bleiben. Es hat sich gezeigt, dass eine Dicke von 5 bis 100 pm einen geeigneten Kompromiss darstellt.
Zur Realisierung des Isolationsbereichs gibt es mehrere Möglichkeiten: So kann dieser von einer Brückenstruktur aus Pfeilern bzw. Stützwänden und einer Deckschicht über einen Hohlraum oder auch von einer porösen Struktur gebildet sein. Als Material kommt vorzugsweise Oxid, beispielsweise ein Si02, und/oder ein Nitrid, bspw. ein Si-reiches Nitrid, in Betracht.
Beide Substrate können eine Substratausnehmung aufweisen, wobei die Ausnehmungen sich in einer Projektion längs einer Achse senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Substrate überlappen. Auf diese Weise existieren zwei Zugänge für Anregungslicht und Ionen. Das erste Substrat kann einen weiteren Ausnehmungsbereich auf der dem zweiten Substrat zugewandten Oberfläche aufweisen. Dieser weitere Ausnehmungsbereich dient zur Isolation des oberen Substrats von den Leiterbahnen des unteren Substrats.
Die Substrate weisen in einem peripheren Bereich auf den aufeinander zugewandten Oberflächen Bondverbindungsflächen auf, bspw. aus Au/Si,
Au/Ge, Au/In oder Au/Au. Dies ermöglicht das Ausrichten und Verbinden der beiden Substrate auf Waferlevel, so dass sich kleine Toleranzen bezüglich Verdrehung und Versatz für die Elektrodenanordnung ergeben.
Als alternative Ausführungsform kann das zweite Substrat isolierend sein, bspw. aus Glas, Saphir oder ähnlichen Materialien, womit die Isolationsanforderungen automatisch erfüllt werden.
Die Elektrodenmetallisierung kann aus Au oder Pt gebildet sein. Bei diesen Metallen kann keine Oxidation auftreten, so dass sich keine lokalisierten
Oberflächenladungen bilden können.
Die Elektrodenmetallisierung kann weiterhin eine Haftvermittlerschicht aus Ti, TiW, Cr zumindest im Bereich der Zuleitungen auf dem Isolationsbereich aufweisen. Dies verbessert die Haftung der Elektrodenmetallisierung. Um eine Oxidation der Haftvermittlerschicht im Übertragungsbereich der Ausnehmung zu verhindern, wird die Haftvermittlerschicht dort in Ausgestaltung entfernt, bevor die Elektrodenmetallisierung aufgebracht wird.
Die Elektrodenmetallisierung kann aus mehreren Lagen Au bzw. Pt und dünnen Zwischenlagen aus einem weiteren leitfähigen Material bestehen, z.B. Ti/Au/Ti/Au/Ti/Au im Isolationsbereich und Au/Ti/Au/Ti/Au im
Ausnehmungsbereich. Durch die Ausbildung der Elektrodenmetallisierung als Multilagenstapel kann einem Schichtstressgradienten entgegengewirkt werden. Das dreidimensionale lonenfallenbauelement kann ein drittes Substrat mit einer dritten Lage Elektroden auf einem dritten Substrat umfassen. Dies stellt eine weitere Realisierungsmöglichkeit mit einer Paul-Falle dar, wobei in dieser Konfiguration zwei DC-Kappenelektroden und eine ringförmige HF-Elektrode benötigt werden.
Das zweite Substrat überragt das erste Substrat in wenigstens einer
Haupterstreckungsrichtung, wobei Kontaktierungsbereiche für die Elektroden vorgesehen sind. Auf diese Weise können beide Chips vorteilhaft von einer Seite bspw. mit Drahtbonds kontaktiert werden.
Zur weiteren Verhinderung des Entstehens von Streuladungen auf den
Seitenwänden der Substratausnehmung können die Seitenwände mit einer weiteren leitfähigen Schicht, bspw. Au oder Pt, überzogen werden. Die vorgestellte lonenfalle kann für Quantencomputer bzw. Quantensensoren verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen lonenfalle (10, 100, 200) mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines ersten Substrats (20, 120, 220, 304) und eines zweiten Substrats (22, 122, 222, 306),
- Bilden eines Isolationsbereichs (34, 36, 134, 250, 252, 254, 310, 312) auf einer ersten Oberfläche mindestens eines der Substrate (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306),
- Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung (38, 138, 260, 320) auf beiden Substraten (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306),
- Ausbilden von Bondflächen auf einander zugewandten Seiten der Substrate (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306),
- Ausbilden einer durchgängigen Ausnehmung (26, 28,126, 230, 232) in dem mindestens einen Substrat (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306), auf dem der Isolationsbereich (34, 36, 134, 250, 252, 254, 310, 312) gebildet ist,
- Entfernen des Isolationsbereichs (34, 36, 134, 250, 252, 310, 312) im Bereich der Ausnehmung des mindestens einen Substrats (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306), auf dem der Isolationsbereich (34, 36, 134, 250, 252, 310, 312) gebildet ist,
- Verbinden der beiden Substrate (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306) durch einen Bondprozess.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Substrat (22, 122, 222, 306) als isolierendes unteres Substrat gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein drittes Substrat (224) gebildet wird und anschließend mit dem zweiten Substrat (22, 122, 222, 306) verbunden wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Isolationsbereich (34, 36, 134, 250, 252, 254, 310, 312) durch folgende Schritte gebildet wird:
- Trenchätzen von Pfeilern,
- Verfüllen mit einem isolierenden Verfüllmaterial,
- Öffnen eines Opferschichtätzzugangs und Opferschichtätzen von
Substratmaterial.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Isolationsbereich (34, 36, 134, 250, 252, 254, 310, 312) mit einer Deckschicht verschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einem
abschließenden Schritt verdeckte Bondpads auf dem zweiten Substrat (22, 122, 222, 306) und ggf. dem dritten Substrat (224) freigelegt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem angrenzend zur Ausnehmung eine weitere Ausnehmung (30, 130, 240, 242) ausgebildet wird.
8. lonenfalle mit
- mindestens zwei übereinander angeordneten Substraten (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306), von denen mindestens eines leitfähig ist,
- Elektroden, die auf den mindestens zwei Substraten (20, 22, 120, 122, 220, 222, 304, 306) vorgesehen sind, - eine im ersten leitfähigen Substrat (20, 120, 220, 304) ausgebildete
durchgängige Substratausnehmung mit leitfähigen Seitenwänden, wobei die Elektroden die Substratausnehmung überragen und wobei zwischen Elektroden- Metallisierung und leitfähigem Substrat abschnittsweise ein Isolationsbereich wenigstens im Bereich der Leiterbahnen angeordnet ist.
9. lonenfalle nach Anspruch 8, bei der der Isolationsbereich eine Dicke von 5 bis 100 pm aufweist.
10. lonenfalle nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Isolationsbereich (34, 36, 134,
250, 252, 254, 310, 312) von einer Brückenstruktur aus Pfeilern und einer Deckschicht über einen Hohlraum gebildet ist.
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