利用 Microfabricated 表面离子阱捕获离子的实验方法

1. 离子阱芯片封装的制造 表面离子阱芯片的微细加工. 注: 本节中描述的工艺条件仅提供粗略的参考, 因为对于不同的设备, 每个工艺的最佳参数可能有很大差异。温度条件只给予高温过程, 如氧化和化学气相沉积。制作工艺采用100毫米直径硅片进行。 准备一个单晶硅片, 厚度为500-525 和 #181; m 和清洁它使用食人鱼解决方案为15分钟 热氧化炉管中的硅片, 形成0.5 和 #181; m 厚的芯片 2 双面介质层. 注意: 这些层可以电隔离硅基板从地面层。湿式氧化过程中使用的工艺参数有: O 2 的流量为 6500 sccm, N 2 流率为 5000 sccm, H 2 流率为 7000 sccm, 过程温度为900和 #176; C, 进程时间为 4.5 H (请参见 表材料 用于设备详细信息). 存款0.2 和 #181; m 厚 Si 3 N 4 层在晶圆的两侧使用低压化学气相沉积 (LPCVD) 过程 ( 图 3a ), 以保护热氧化物层湿蚀刻过程, 如 图 3k 所示. 注: LPCVD 过程中使用的工艺参数为: H 2 SiCl 2 流率为 30 sccm, NH 3 流率 100 sccm, 压力 200 mTorr, 过程温度为785和 #176;这将导致沉积速率为40和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息). 在硅片上存入1.5 和 #181; 用溅射工艺和以下参数对晶圆上的粗铝/Cu (1%) 层进行处理: Ar 流量 40 sccm, 压力 2 mTorr, RF 功率为 300 W. 注: 这将导致沉积速率为130和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息). 注: 这一层提供了一个地面平面, 以防止射频损耗通过硅衬底, 也提供了联系点的电线粘结垫。采用1% 铜铝合金, 防止在烘烤过程中形成晶须, 达到超高压环境。这种成分是必不可少的晶须预防. 旋转2和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 用于定义 RF 屏蔽平面和引线键合垫. 注: 2 和 #181 的工艺参数; m-厚的光刻胶是: 自旋速度 5000 rpm, 自旋时间四十年代, pre-bake 温度95和 #176; C, pre-bake 时间九十年代, 曝光能量144兆焦耳/cm 2 , 开发时间六十年代, post-bake 温度110和 #176; C 和 post-bake 时间5分钟 (请参阅 材料表 中的化学和设备详细信息). 使用常规的干蚀刻工艺 (反应离子蚀刻 (1.1.5) 或电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻) 对1.5 和 #181; m 厚的铝/铜 (1%) 层进行图案化, 将光刻胶图案作为蚀刻掩模. 注: ICP 蚀刻应使用以下工艺参数: 3 的流量为 20 sccm, Cl 2 流量为 30 sccm, 压力为 5 mTorr, RF 功率为 750 W。这将导致蚀刻率为3600和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息). 删除步骤 1.1.6 usung 中使用的光刻胶 2 等离子灰化过程 ( 图 3b )。 注意: 灰化过程的过程参数为: O 2 的流速率为 150 sccm, 压力为 0.75 mTorr, RF 功率为 300 W (请参阅 材料表 中的设备详细信息). 存入一个14和 #181; m 厚的芯片 使用等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 过程 ( 图 3c ) 的晶圆两侧的 2 层. 注: PECVD 过程中使用的工艺参数为: SiH 4 的流量为 540 sccm, 压力为1.9 乇, 过程温度为350和 #176; C, RF 功率为 750 W。这将导致沉积速率为3000和 #197;/分钟 (请参阅设备详细信息的 材料表 )。自存入14和 #181; m 厚的单层 2 图层是最困难的过程之一, 详细信息将在 讨论 中进一步介绍. 旋转6和 #181; 在晶片前部的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 模式, 它定义通过孔, 以电连接直流电极的电线粘合垫. 注: 6 和 #181 的工艺参数; m-厚的光刻胶是: 自旋速度 5000 rpm, 自旋时间四十年代, pre-bake 温度95和 #176; C, pre-bake 时间5分钟, 曝光能量为900兆焦耳/cm 2 , 开发时间10分钟, post-bake 温度110和 #176; C 和 post-bake 时间5分钟 (请参阅 材料表 中的化学和设备详细信息). 模式14和 #181; m 厚的芯片 2 层在晶片前面使用一个传统的蚀刻工艺, 与光刻胶图案的步骤1.1.9 作为刻蚀面具. 注: 2 蚀刻工艺参数为: CHF 3 流率为 25 sccm, CF 4 流率为 5 sccm, Ar 流量为 50 sccm, 压力 130 mTorr, RF 功率为 600 W。这将导致蚀刻率为3600和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息). 删除步骤1.1.10 中使用的光刻胶与 O 2 等离子灰化过程。将晶片浸入加热的溶剂或在灰化前几种 ( 图 3d ). 旋转6和 #181; 晶圆片背面的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 它形成了硅衬底的深层反应离子蚀刻 (DRIE) 的氧化物硬膜 ( 图 3j ). 图案14和 #181; m 厚的单片机 2 在晶片背面的一层, 使用传统的蚀刻工艺, 以步1.1.12 的光刻胶为刻蚀面具. 删除步骤1.1.13 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3e )。 沉积1.5 和 #181; m 厚的铝/Cu (1%) 层, 用作溅射过程的电极. 在硅片上存入1和 #181; m 厚的芯片 2 在晶圆上使用 PECVD 过程 ( 图 3f )。 旋转2和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案来定义电极. 图案1.5 和 #181; m 粗铝/铜 (1%)层和1和 #181; m 厚的 2 层, 使用传统的 ICP 蚀刻工艺, 以步1.1.17 的光刻胶为蚀刻掩模. 删除步骤1.1.18 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3g )。 旋转6和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 以定义14和 #181; m 厚的氧化物柱型. 图案14和 #181; m 厚的微带 2 层使用传统的蚀刻过程, 与光刻胶图案的步骤1.1.20 作为刻蚀面具. 删除步骤1.1.21 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3h )。 旋转6和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案以暴露加载槽. 阵列 2 和 Si 3 N 4 层使用一个传统的蚀刻过程, 与光刻胶图案的步骤1.1.23 作为刻蚀面具. 删除步骤1.1.24 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3i )。 使用 DRIE 工艺 ( 图 3j ) 从硅片背面对硅衬底进行图案. 注: 蚀刻深度应反复测量, 以防止硅衬底从背面渗透。目标蚀刻深度约450-470 和 #181; m。DRIE 过程是用 c 4 F 8 沉积的迭代进行的, 5 s, c 4 F 8 蚀刻3秒, Si 蚀刻 5 s。在 c 4 F 8 沉积步骤中, c 4 F 8 、SF 6 和 Ar 的流率分别为100、0.5 和 30 sccm。注意, Ar 用于加速 c 4 f 8 和 Si 的蚀刻速率, 但也适用于 c 4 f 8 沉积步骤, 具有相同的流速, 以稳定压力条件。在 C 4 F 8 蚀刻步骤中, 流率分别更改为0.5、50和 30 sccm。在 Si 蚀刻步骤中, 分别使用了0.5、100和 30 sccm 的流率。在所有步骤中, 射频功率和腔室压力设置为 825 W 和 23 mTorr。对于这些条件, Si 的蚀刻率是1和 #181; m 对于每个循环 (请参阅设备详细信息的 材料表 ). 使用切割机将硅片切成 10 mm x 10 mm 的碎片. 将切片胶带从模具中分离出来, 将其浸在丙酮中5分钟. 清洗模具, 将其浸泡在运行的去离子 (DI) 水中, 为10分钟和异丙醇 (国际音标) 进行2分钟的干燥, 在110和 #176; C. 在一个缓冲氧化物蚀刻 (NH 4 F:HF=6:1) ( 图 3k ) 中, 使用六十年代的氧化物湿蚀刻工艺, 对氧化物柱的侧进行蚀刻, 以制造电极悬垂结构。将模具浸泡在自来水中10分钟和2分钟的水中进行清洗, 在110和 #176 中烘干2分钟; C. 使用 DRIE 过程从模具前面穿透狭缝形状的离子加载孔. 注: 离子阱芯片的制作过程在这一步完成 ( 图 3l ). 2。光学和电气设备和俘获离子的制备 注意: 所制作的陷印芯片是用芯片载体封装的, 而芯片载体安装在特高压室中。虽然在 补充文件 中提供了制作陷阱芯片封装和准备超高压室的程序, 但本节介绍了设置光学和电气设备以及捕获离子的详细信息. 电气连接的准备. 将多通道模拟转换器 (DAC) 连接到特高压室背面的馈, 将电压施加到相应的直流控制电极上. 注意: 图 4 显示了应用于陷印芯片的电压的一个示例。在 辅助文档 中描述了设计这种直流电压集的详细方法. 将当前源连接到背面的馈中的烤箱针脚. 在 RF 发生器和螺旋谐振腔之间添加一个定向耦合器。将射频发生器的信号连接到定向耦合器的输出端。同时, 将定向耦合器的输入端口连接到螺旋谐振腔的输入端. 注意: 此配置允许从螺旋谐振器 36 中监视反射的功率. 调整螺旋谐振器帽的位置并扫描发生器的频率, 以找出反射最小的频率。重复此步骤, 直到找到全局最小值. 注意: 在全球最小的频率是谐振频率。使用带有跟踪生成器选项的频谱分析器或通过网络分析器测量 S 11 参数可以简化最小反射的扫描过程。如果任何与 DAC 电压源或电流源的电连接发生变化, RF 馈的阻抗会改变, 谐振频率也会发生变化. 关闭 RF 发生器 警告: 当螺旋谐振器将高射频电压施加到陷阱时, 不要改变任何能引起阻抗变化的电连接。突然阻抗变化可以很容易地烧毁芯片的粘合线. 369.5 nm 激光和成像系统的对齐方式. 使用准直器从光纤中准 369.5 nm 的激光器, 并尝试将准直仪的高度与光学工作台的表面与芯片的高度相匹配; 使光束水平传播. 将准直 369.5 nm 光束的传播方向设置为通过特高压室的左或右视区, 如图 5 所示。粗对齐, 这样, 激光束传播平行于陷阱芯片表面, 几乎触及芯片的表面. 在平移阶段为 369.5 nm 激光安装聚焦透镜。将聚焦透镜沿传播方向放置, 使激光器聚焦在芯片表面上方的陷印位置附近, 使聚焦激光沿着陷波片表面传播。将聚焦透镜的位置调整到平移阶段;激光束聚焦的位置将跟随聚焦透镜的运动. 在特高压室前面的平移台上放置一个 high-numerical 孔径成像透镜, 考虑到芯片表面的距离 ( 图 5 ). 将 369.5 nm 光束与陷印片表面对齐, 以便从芯片表面产生一定数量的激光散射. 注意: 由成像透镜收集的散射光会在透镜的图像平面周围形成一个微弱的图像。这个图像通常可以观察到, 即使有荧光纸, 当区域足够暗. 调整成像透镜的位置, 直到荧光纸上的图像变得锋利. 将电子倍增带电耦合设备 (EMCCD) 安装在平移阶段, 考虑到前一步中发现的透镜的成像平面位置. 在 EMCCD 的前面安装红外线 (IR) 过滤器, 以阻止烤箱受热蒸发时的黑色身体辐射. 在 EMCCD 前安装 369.5 nm 带通滤波器以阻挡背景光. 将 EMCCD 的图像与电极的布局进行比较。调整 EMCCD 和图像镜头的位置, 直到电极可以看到与 EMCCD。将成像镜头和 EMCCD 对齐, 直到图像变尖. 标识 EMCCD 中显示的电极, 并将 EMCCD 与其中心对齐以匹配预期的补漏白位置. 垂直对齐 369.5 nm 光束, 使其通过陷印位置。为了找出光束中心与陷波面之间的距离, 将光束移向陷波面, 直至光束的散射最大化. 注: 步进2.2.12 后, 可以假定光束的中心在芯片表面上. 从陷阱电位的数值模拟 29 中, 从芯片表面找到离子俘获位置的期望高度。使用透镜平移阶段的千分尺将 369.5 nm 光束从芯片表面移离所需高度。移动成像镜头和 EMCCD 回相同的距离。记下成像透镜和 EMCCD 的千分尺读数. 399 nm 和 935 nm 激光器的对齐方式和烤箱测试. 将 369.5 nm 带通滤波器替换为 399 nm 通配滤波器。从成像透镜的数值模拟中, 找出 399 nm 光的焦距与由色差产生的 369.5 nm 光的焦长之间的差异。调整成像透镜和 EMCCD 的纵向位置, 使 399 nm 聚焦在 EMCCD 上. 准399和 935 nm 光束, 从光纤传送, 与各自的直, 并调整高度的光纤直匹配的高度芯片, 使两个光束横向传播. 通过另一个视口将 399 nm 光束对准陷印芯片表面, 使 399 nm 激光从 369.5 nm 激光向相反方向传播。尝试使准直 399 nm 激光重叠与聚焦 369.5 nm 激光. 将准直 935 nm 光束与准直 399 nm 激光器结合使用分色镜, 并使 935 nm 光束与 399 nm 激光同的 935 nm 激光相对准。为了检查两个光束相互重叠的程度, 在进入会议厅之前, 用一个临时的镜子将两束光束转移, 然后用光束探查器或针孔测量光束沿波束轨迹的位置。如果空间不足, 无法将临时镜像放置在腔室和聚焦透镜之间, 请考虑将光学设置放在小型光学板上;重叠程度可以在一个单独的位置进行检查. 在附加的平移阶段为两个激光器安装聚焦透镜, 并在分色镜和临时镜像之间设置聚焦透镜。估计从临时镜像到补漏白位置的距离, 并调整聚焦透镜的位置, 使 399 nm 激光器聚焦于陷印位置 ( 图 6b ). 检查 399 nm 激光器的焦点是否与 935 nm 激光器的焦点重合。如果两个焦点不重叠, 精细对准 935 nm 激光器. 删除 399 nm 激光路径中的临时镜像。使用 EMCCD 检查芯片表面的 399 nm 激光的踪迹。如果不能观察到 399 nm 激光束的踪迹, 可将 399 nm 光束路径移动到芯片周围。另外, 稍微调整房间和成像透镜之间的距离, 直到芯片表面的图像变得锋利. 将 399 nm 光束的轨迹对准芯片表面, 使其通过预期的陷印位置。类似于 369.5 nm 光束对准, 移动 399 nm 光束向芯片表面, 直到散射光的强度变得最大化. 将 399 nm 激光光束从芯片表面移开, 其使用的高度与步骤2.2.13 中使用的千分尺相同。将成像镜头和 EMCCD 移回相同的距离. 将在步骤2.3.4 中使用的临时镜像放回。重复步骤 2.3.6, 然后删除临时镜像. 注: 步进2.3.10 后, 可以假定 935 nm 激光器通过芯片表面上方的陷印位置. 设置 399 nm 激光器的波长接近 1 的 0 – 1 P 1 转换 174 Yb (751526 GHz)。打开电流的烤箱充满自然发生 Yb 和逐渐增加电流. 注: 一般而言, 蒸发并不一定从残留气体分析仪 (RGA) 所发现的相同电流开始, 如 补充文档 中所述, 因此请尝试不同的电流值直到观察到蒸发。只有当中性的 yb 原子开始蒸发, 并且激光器的频率与 1 S 0 1 P 1 的一个 yb 同位素的转换共振时, #160; 中性的 yb 原子将开始吸收激光光和 re-emit 它这样荧光从 Yb 可以被观察与 EMCCD。通常, 由波长计测量的共振频率从标称值转移, 从几十到几百 MHz 不等。因此, 对于每一个当前设置, 建议扫描激光频率的跨度范围为 1 GHz 和一个不到 50 MHz 的步骤. 一旦观察到自然发生的烤箱的共振荧光, 就会减少电流直到荧光无法被观察到. 在第一个谐振频率周围扫描激光, 并在每次共振时记下荧光量。比较了荧光强度的分布和共振与 37 值之间的距离。识别不同同位素的共振频率. 注: 174 Yb 的共振量被测量为大约 751.52646 (2) 太赫兹。然而, 这个值是轻微地改变了多普勒效应, 和测量值可能会因波长计的精确度而变化. 陷印离子。 将 399 nm 带通滤波器替换为 369.5 nm 通配滤波器, 并将成像透镜和 EMCCD 返回到步骤2.2.13 中获得的位置, 这样, 被捕获离子发出的 369.5 nm 荧光就可以在 EMCCD 上成像。通过重复步骤2.2.12 和使用 UV 和 IR 查看卡对光束重叠的视觉检查, 再次检查所有激光器的对准. 检查 DAC a 的电压重新正确设置。在极低的功率设置下打开射频发生器, 并逐渐增加输出功率。此外, 确保从螺旋谐振器的反射功率仍然是最小的扫描射频周围的共振频率. 注意: 确保在陷印芯片上的放大电压不超过击穿电压。在大气压下, 一层 2 薄膜的介电强度已知约为 10 7 V/厘米, 但在特高压环境中不能假定此值。虽然在特高压环境中的击穿电压没有显式测量, 但 8-#181; m 侧隙的陷阱芯片在 10 -11 -乇真空承受 240 V 的射频电压振幅的实验设置. 将 399 nm 激光器的频率设置为 174 Yb 的共振频率, 在步骤2.3.13 中标识。为 174 Yb + 同位素设置 935 nm 激光器的频率. 注: 用波长计, 320.57199 (1) 太赫兹可以使用, 但由于波长米的精确度有限, 可以有一个变化高达几十兆赫. 将 369.5 nm 激光器的频率设置为 100-200 MHz 小于谐振频率的值, 这样即使有一定量的波长表不准确, 频率仍会谐. 注意: 在这里, 当 174 Yb + 的预期谐振频率为 811.29152 (1) 太赫兹时, 从预期共振中减去 200 MHz 失谐. 打开烤箱的当前源并缓慢地增大电流, 直到到达步骤2.3.12 中找到的值。等一会儿。如果没有离子被困住, 增加电流〜 0.1-0.2 A, 并再次等待。如果离子仍然没有被困住, 检查反射 rf 是否仍然是在极小值然后逐渐增加射频发生器的输出功率. 注意: 确保在陷印芯片上的放大电压不超过预期的击穿电压. 简要地阻止 935 nm 激光器并检查图像是否有任何变化. 注意: 如果 EMCCD 设置 (包括电子倍增 (EM) 增益、曝光时间和图像对比度) 不在适当的范围内, 即使离子被捕获, 也不容易分辨出俘获区域附近的强度变化是否是由一个真正的陷阱离子或由 369.5 nm 激光散射的变化造成的。由于红外线过滤器, EMCCD 相机不能显示任何变化的 935 nm 激光器, 所以阻挡 935 nm 激光器不做任何改变的图像时, 没有被困离子。然而, 如果一个离子被捕获, 369.5 nm 激光的散射率明显下降, 没有 935 nm 激光器。因此, 由于阻挡 935 nm 激光器而导致的 EMCCD 图像的变化是捕获离子成功的一个很好的指示器. 警告: 如果 935 nm 激光器被阻塞太长时间, 被俘获的离子会被加热, 并可能逃脱陷阱. 在离子被困后关闭烤箱。尝试通过逐渐增加频率来找到 369.5 nm 激光器的共振. 注: 当频率接近共振时, 散射速率会增加, 但一旦共振越过, 369.5 nm 激光器开始加热离子而不是冷却, 这反过来导致被困离子的图像变得不稳定。一旦 369.5 nm 激光的共振频率被发现, 减少激光的频率由10兆赫从共鸣. 扫描 935 nm 激光器的频率, 直到 369.5 nm 的散射速率得到最大化. 调整成像镜头和 EMCCD 相机的位置, 直到离子锐化的图像.