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1. WO2020207801 - VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER IONENFALLE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

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.