微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

1 イオン トラップ チップ パッケージの作製 表面イオン トラップ チップの微細加工。 。 注: このセクションで説明するプロセス条件は、プロセスごとに最適なパラメーターが異なる機器の大幅異なるため、大まかな参照を提供します。温度条件は、高温プロセス、酸化など化学気相蒸着ののみ与えられます。製造プロセスは、100 mm 径のシリコン基板を使用してを実行されます。 単結晶シリコン 525 500 μ m の厚さのウェハし、15 分のピラニア溶液を使用してそれをきれいに準備 熱酸化炉管両側に 0.5 μ m 厚 SiO 2 誘電体層を形成するシリコンウエハー 。 注: これらの層は電気地上層からシリコン基板を分離できます。湿式酸化プロセス パラメーター: O 2 6,500 sccm、N 2 流量 5,000 sccm の 7,000 の sccm の H 2 流量流量 900 ° C の温度を処理し、処理時間 4.5 h (目次を参照してください。材料 装置の細部のため). 中に熱酸化膜を保護するために低圧化学気相蒸着 (LPCVD) プロセス ( 図 3 a) を用いた基板の両側の 0.2 μ m 厚 Si 3 N 4 層の預金、 図 3 k のウェット エッチング プロセス 。 注: LPCVD プロセスで使用されるプロセスのパラメーターは、: 30 sccm、NH 3 流量 100 sccm、785 ° C のプロセス温度と圧力 200 mTorr の H 2 SiCl 2 流量これは 40 の成膜速度による Å/分 (詳細については機器の 材料表 を参照してください). スパッタ プロセスおよび次のパラメーターを使用してウェーハ上 1.5 μ m 厚のアルミニウム/銅 (1%) の層を沈殿物: 40 sccm、2 mTorr の圧力、高周波電力が 300 W の Ar 流量 注: この結果速成 130 Å/分 (詳細については機器の 材料表 を参照してください). 注: この層は si 基板の高周波損失を防ぐために地面を提供しますもワイヤボンディング パッドの接触点を提供しています。1% の銅とアルミニウム合金を使用、超高真空環境を達成するために焼成の過程でのウィスカ発生を防止します。この作文はウイスカー防止に不可欠な。 ウェーハ上の 2 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターン平面とボンディング ワイヤ パッドをシールド RF を定義します 。 注: 2 μ m 厚膜レジストのプロセス パラメーターが: 5,000 rpm の速度をスピン、スピン時間 40 s、プリ ・ ベーク温度 95 ° C、90 プリ ・ ベーク時間 s、照射エネルギー量 144 mJ/cm 2 の開発の 60 時間 s、110 の後焼く温度° C、および 5 分の後焼く時間 (詳細については工業薬品及び装置 材料の表 を参照してください). パターン 1.5 μ m 厚アルミニウム/銅 (1%) 従来のドライ エッチング プロセス (反応性イオン エッチング (RIE) または誘導結合プラズマ (ICP) エッチング) を使用して、レイヤー、フォトレジストで模様をエッチング マスクとして 1.1.5 をステップします 。 注: ICP エッチングを使用する必要があります次のプロセス パラメーター: BCl 3 流量 20 sccm、Cl 2 流量 30 sccm、5 mTorr の圧力と RF 電力 750 Wこれは 3,600 Å/分のエッチング速度の結果 (詳細については機器の 材料表 を参照してください). 削除手順 1.1.6 使って O 2 プラズマ灰化プロセス ( 図 3 b) で使用されるフォトレジスト 。 注: アッシング プロセスのプロセス パラメーターが: O 2 流量 150 sccm、0.75 mTorr の圧力と RF 電力 300 W (詳細については機器の 材料表 を参照してください). プラズマ強化化学気相堆積 (PECVD) プロセス ( 図 3 c) を用いたウエハの両側の 14 μ m 厚の SiO 2 層の預金 。 注: プラズマ CVD プロセスで使用されるプロセスのパラメーターは、: 540 sccm、350 ° C のプロセス温度と 750 W 高周波電力 1.9 Torr の圧力の SiH 4 流量これは、結果、3,000 の成膜速度 Å/分 (詳細については機器の 材料表 を参照してください)。14 μ m 厚 SiO 2 層の堆積は、最も困難なプロセスの 1 つは、さらに詳しくは、ディスカッション で。 ウェハの前面に 6 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターンの電気的ボンディング ワイヤ パッドに直流電極を接続する穴を定義します 。 注: 6 μ m 厚膜レジストのプロセス パラメーターが: 5,000 rpm の速度をスピン、スピン時間 40 s、プリ ・ ベーク温度 95 ° C、プリ ・ ベーク時間 5 分、900 mJ/cm 2 の照射エネルギー量の 10 分の時間を開発、後 110 の温度を焼く° C、および 5 分の後焼く時間 (詳細については工業薬品及び装置 材料の表 を参照してください). 柄 14 μ m 厚 SiO 2 層エッチング マスクとして 1.1.9 の手順でパターン化されたフォトレジストで従来の RIE プロセスを用いた基板の前面にします 。 注: SiO 2 エッチングのプロセス パラメーターが: CHF 25 sccm, 5 sccm の CF 4 流量 50 sccm の Ar 流量, 130 mTorr の圧力と 600 ワットの高周波電力の 3 流量これは 3,600 Å/分のエッチング速度の結果 (詳細については機器の 材料表 を参照してください). は、ステップ 1.1.10 O 2 プラズマ灰化過程で使われるレジストを削除します。ウェハを浸し加熱溶媒または灰 ( 図 3) 前に超音波。 ウェーハの裏面に 6 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターン ( 図 3j) シリコン基板の深い反応イオン エッチング (DRIE) の酸化膜ハードマスクを形成しています。 エッチング マスクとして 1.1. 12 の手順でパターン化されたパターン、14 μ m 厚 SiO 2 層従来 RIE プロセスを用いたフォトレジスト ウェーハの裏面にします。 ステップ 1.1.13 O 2 プラズマ灰化プロセス ( 図 3e) で使われるレジストを削除します。 スパッタ法を用いた電極として使用される 1.5 μ m 厚アルミニウム/銅 (1%) 層を預金します。 プラズマ CVD プロセス ( 図 3 f) を用いたウエハ 1 μ m 厚の SiO 2 層を預金します。 ウェーハ上の 2 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターン電極を定義します。 パターン 1.5 μ m 厚アルミニウム/銅 (1%)エッチング マスクとして 1.1.17 の手順でパターン化された層と従来 ICP エッチング プロセス、フォトレジストを用いた 1 μ m 厚 SiO 2 層します。 ステップ 1.1.18 O 2 プラズマ灰化プロセス ( 図 3 g) で使われるレジストを削除します。 ウェーハ上 6 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターン 14 μ m 厚い酸化物柱パターンを定義します。 エッチング マスクとして 1.1. 20 の手順でパターン化された従来の RIE プロセスを用いたフォトレジスト パターン、14 μ m 厚 SiO 2 層します。 ステップ 1.1.21 O 2 プラズマ灰化プロセス ( 図 3 h) で使われるレジストを削除します。 ウェーハ上 6 μ m 厚ポジ型フォトレジスト層のスピンし、パターニング パターン ロード スロットを公開しています。 SiO 2 のパターンし、従来の RIE を用いた Si 3 N 4 層処理、エッチング マスクとして 1.1.23 の手順でパターン化されたフォトレジストで。 ステップ 1.1.24 O 2 プラズマ灰化プロセス ( 図 3 i) で使われるレジストを削除します。 柄 DRIE プロセス ( 図 3j) を用いたウエハの裏面からシリコン基板 。 注: エッチング深さは、シリコン基板裏面からの侵入を防ぐため繰り返し測定する必要があります。ターゲット エッチング深さ約 450 470 μ m です。DRIE プロセスを 5 C 4 F 8 沈着のイテレーションを行った s、C 4 F 8 エッチ 5 の 3 s、および Si エッチングの s。C 4 F 8 堆積工程、C 4 F 8 の流量で SF 6 Ar であった 100、0.5、および 30 sccm。C 4 F 8 および Si のエッチング速度を加速するために使用する Ar C 4 F 8 の堆積工程の圧力条件を安定させるために、同じ流量にも適用されますに注意してください。C 4 F 8 のエッチングのステップ、流量はそれぞれ 0.5、50、および 30 sccm に変更されました。Si etch でステップ、0.5、100、30 sccm の流量、それぞれ使用されました。825 W とすべての手順で 23 mTorr に RF 電力と燃焼室圧力が設定されました。これらの条件のための Si エッチング速度だった for each ループ 1 μ m (詳細については機器の 材料表 を参照してください). ウエハーをダイシング マシンを使用しての 10 mm x 10 mm の部分にサイコロします。 デタッチ アセトン 5 分でそれを浸すことによって金型からダイシング テープ クリーン 10 分と 2 分のイソプロピル アルコール (IPA) が 110 で 2 分間乾かして、純水 (DI) を実行しているそれを浸すことによって死ぬ ° C エッチング エッチング 60 酸化ウェットを使用して電極のオーバー ハング構造を作製する酸化物柱のそで壁はバッファー酸化エッチング液 (BOE)、s (NH 4 F:HF = 6:1) ( 図 3 k)。DI 水を実行して 10 分と 2 分の IPA 110 で 2 分間乾かして浸漬による金型をきれい ° C 貫通スリット状イオン DRIE プロセスを使用して金型の前面から穴を読み込みします 。 注: イオン トラップ チップの作製プロセスがこのステップ ( 図 3 l) で完了します。 2。光、電気機器、イオンをトラップの準備 注: 捏造トラップ チップはチップ キャリアに同梱されて、チップ キャリア、超高真空チャンバーにインストールされています。このセクションがイオンをトラップ、光・電気機器を設定するための詳細を説明しますトラップ チップ パッケージを製造するため、超高真空容器を準備するための手順は、補足文書 で提供、. 電気接続の準備。 対応する DC 制御電極に電圧を適用する接続超高真空容器の裏側でフィードスルーにマルチ チャンネル デジタルからアナログ コンバーター (DAC). 注: 図 4 トラップ チップに加わる電圧の一例を示しています。そのような物を設計するための詳細な方法 DC 電圧設定が 補足文書 で説明します。 奥フィードスルーのオーブン ピンに電流源を接続します。 は、RF 発生器とヘリカル共振器方向性結合器を追加します。方向性結合器の出力ポートに RF 発生器からの信号を接続します。また、方向性結合器の入力ポートをヘリカル共振器の入力ポートに接続します 。 注: この構成により 36 ヘリカル共振器からの反射電力を監視します。 ヘリカル共振器キャップの位置を調整して、反射が最低で周波数を見つけるためにジェネレーターの周波数をスキャンします。大域的極小値が見つかるまでこの手順を繰り返します 。 注: グローバル最低周波数は共振周波数です。使用トラッキング発生器とスペクトラム ・ アナライザーのオプションまたはネットワーク ・ アナライザーで S 11 パラメーターの測定最小反射のスキャン処理が簡単します。かどうか DAC の電圧源と電流源によるオーブン電気の接続のいずれかが変更された、RF フィードスルーのインピー ダンスを変更すると、および共振周波数がシフトします。 は、RF 発生器をオフにします 。 注意: ヘリカル共振器はトラップに高い RF 電圧を適用するときに、インピー ダンスの変化を引き起こすことができます任意の電気的接続を変更しないこと。突然インピー ダンス変化がチップのボンディング ワイヤを簡単に書き込むことができます。 369.5 nm レーザーとイメージング システムの配置。 コリメートのコリメーターを使用して光ファイバーから 369.5 nm レーザー チップの高さに光学テーブルの表面からコリメータの高さに合わせてみてください; 水平伝達ビームを作る。 は、 図 5 に示すように、超高真空チャンバーの左または右のビューポートによって、トラップ チップに向かって平行 369.5 nm 光の伝搬方向を設定します。レーザー トラップ チップ表面に平行に伝達ほぼチップの表面に触れて、it 粗く。 は、翻訳の段階で 369.5 nm レーザーの集光レンズをマウントします。チップの表面上のトラップ位置近く集中するレーザーそしてのでトラップ チップの表面に沿って伝搬集束レーザー伝播の方向に沿って焦点レンズを配置します。翻訳段階で焦点のレンズの位置を調整します。レーザ光線の焦点の位置が焦点レンズの動きに従ってください。 チップの表面 ( 図 5) からの距離を考慮した高開口イメージング レンズは、超高真空チャンバーの前に翻訳の段階でマウントされている場所です。 トラップ チップ表面 369.5 nm ビームを配置は、チップ表面からレーザー光散乱のいくつかの量があるようです 。 注: 散乱光の結像レンズによって収集されたレンズの像面の周りのかすかなイメージになります。蛍光紙エリアが十分に暗いときでもこの画像を観察することができます一般的にします。 蛍光用紙上のイメージがシャープになるまで結像レンズの位置を調整します。 レンズ、撮像面の位置を考慮した電子乗算荷電共役デバイス (EMCCD) 翻訳の段階でマウントされている場所を前の手順で見つけたします。 オーブンは加熱すると蒸発のオーブンからの黒体放射をブロックする EMCCD の前に赤外線 (IR) フィルターをマウントします。 マウント前に背景光を遮断する EMCCD 369.5 nm バンドパス フィルター. は、電極のレイアウトに、EMCCD のイメージを比較します。電極は、EMCCD と見ることができるまで、EMCCD とイメージ レンズの位置を調整します。結像レンズと、EMCCD の両方の画像がシャープになるまで調整します。 識別する電極、EMCCD で表示され、期待されるトラップの場所に中心を合わせて EMCCD を配置します。 は、それはトラップの位置を通過するように 369.5 nm ビームを垂直方向に配置します。ビームの散乱を最大まで移動トラップ表面に向かってビームをビームの中心とトラップ表面間の距離を調べるにします 。 注: ステップ 2.2.12 後、それが想定されるチップの表面にビームの中心である。 トラップ潜在的な 29 のシミュレーションから、チップ表面からのイオン トラップ位置の期待の高さを見つけます。レンズ翻訳段階のマイクロメータを使用して期待の高さによってチップ表面か 369.5 nm ビームを移動します。同じ距離で結像レンズと、EMCCD を戻る移動します。結像レンズの EMCCD マイクロメータの測定値を書き留めています。 、399 の配置 nm と 935 の nm のレーザーとオーブン テスト 置換 369.5 nm バンドパス フィルターします 399 nm バンドパス フィルター。結像レンズのシミュレーションから 399 nm の光の焦点距離と倍率色収差に起因 369.5 nm の光の違いを見つけます。結像レンズと 399 nm、EMCCD に焦点を当てたように EMCCD の縦方向の位置を調整します。 それぞれのコリメータで、光ファイバーから配信、399 ・ 935 nm のビームをコリメートし、両方の梁を水平方向に伝播するチップの高さに合わせてファイバコリメータの高さを調整します。 は、399 nm レーザーは 369.5 nm レーザーから逆方向に伝搬するよう別のビューポートからトラップ チップ表面に向かって 399 nm ビームを合わせます。平行 399 をしよう集光 369.5 nm レーザーと nm レーザー重複します。 935 nm コリメートのダイクロイック ミラーを使用して平行 399 nm のレーザーを組み合わせて、935 nm レーザーは共同 399 nm レーザー伝達よう 935 nm ビームに合わせます。どれだけ 2 つのビームは互いと重なっているを確認、商工会議所の入力ビーム プロファイラーまたはピンホールを使用してビームのパスに沿って梁の位置を測定する前に一時的なミラーとこれらの 2 つのビームをそらします。スペースは商工会議所と集光レンズとの間の一時のミラーを配置するために十分な小さな光のブレッド ボード; 上光のセットアップを置くことを検討します。重なりの程度は別の場所で確認できます。 は追加翻訳段階で両方のレーザの集光レンズをマウントし、ダイクロイック ミラーと一時的なミラーの焦点レンズを設定します。一時的なミラーからトラップの位置までの距離を推定し、399 nm レーザーはトラッピングの位置 ( 図 6 b) に焦点を当てているような焦点のレンズの位置を調整します。 では、399 nm レーザーのフォーカスが 935 nm レーザーの焦点と一致するかどうかを確認してください。935 nm レーザーを細かく配置 2 つの巣が重なっていない場合。 は、399 nm レーザーの経路に一時的なミラーを削除します。EMCCD を用いたチップ面上 399 nm レーザーのトレースを確認します。399 nm のレーザ光の痕跡を確認しない場合は、チップの周り 399 nm ビーム パスを移動します。また、チップ表面の画像がシャープになるまで若干チャンバーと結像レンズの間の距離を調整します。 は、それは予想されるトラップの位置を渡すようチップ表面に 399 nm ビームのトレースを合わせます。369.5 nm の光軸調整と同様に、移動散乱光の強度までチップ表面に向かって 399 nm ビームが最大化します。 は、ステップ 2.2.13 マイクロ メーターで使用される同じ高さでチップ表面か 399 nm のレーザ光を移動します。同じ距離で結像レンズと、EMCCD を戻します。 は、2.3.4 のステップ背部で使用される一時的なミラーを置きます。手順 2.3.6 を繰り返し、一時的なミラーを削除します 。 注: 手順 2.3.10 の後 935 nm レーザーが想定されるチップの表面上のトラップの位置を通過することです。 1 S 0 に近い 399 nm レーザーの波長を設定-174 Yb (751,526 GHz) の 1 P 1 遷移。オーブンが溢れる現在オンに Yb を自然発生して電流を徐々 に増加します 。 注: 一般的には、補足文書 に記載された残留ガス分析器 (RGA) で見つけた同じ現在の蒸発が必ずしも起動しないので、電流値が異なる蒸発が観察されるまで。中性の Yb 原子が蒸発し始める場合、レーザーの周波数は 1 秒 0 と共鳴-1 P 1 遷移 Yb の同位体の一つの中性 Yb 原子の吸収が開始されますレーザー光し、EMCCD と、Yb から蛍光が観察できるようにそれが再出力します。一般に、波長計で共振周波数が数十数百 MHz に至る公称値からシフトされます。したがって、現在設定ごとに走査レーザー周波数 1 GHz の範囲の範囲と 50 MHz 未満のステップをお勧めします。 天然オーブンから共鳴蛍光を観察すると、一度電流の低減まで蛍光を観察することはできません。 はレーザー周りの共振周波数をスキャンし、各共鳴蛍光性の量を書き留めます。蛍光強度と 37 から値を持つ共鳴間の間隔の分布を比較します。別の同位体の共振周波数を識別します 。 注: 174 Yb の共鳴は約 751.52646(2) THz に測定されています。ただし、この値が僅かに変わるドップラー効果と測定値は波長メーターの精度によって異なります。 イオンをトラップします。 399 nm バンドパス フィルターを置き換えて 369.5 nm バンドパス フィルター、イオンによって放出される 369.5 nm 蛍光、EMCCD で視覚化されるように手順 2.2.13 で取得した位置に結像レンズと、EMCCD を戻します。2.2.12 のステップを繰り返し、紫外線と赤外線のビーム オーバー ラップの外観検査のためのカードの表示を使用してすべてのレーザーの位置が 1 つより多くの時間を確認します。 チェックする DAC の電圧、再適切に設定します。非常に低消費電力設定で RF 発生器をオンにし、出力を徐々 に増加します。また、ヘリカル共振器からの反射電力が共鳴周り RF 周波数をスキャンすることによって最小まだことを確認します 。 注意: トラップ チップで増幅された電圧がブレーク ダウン電圧を超えていないことを確認します。大気圧の SiO 2 薄膜の誘電性強さは知られている約 10 7 V/cm がこの値を超高真空環境で想定できません。トラップの 8 μ m の水平ギャップ チップ 10 -11 で超高真空環境での正確な耐圧は明示的に測定されていないが-torr まで真空に耐える実験装置における RF 電圧振幅の 240 V. は 174 Yb、2.3.13 の手順で特定の共振周波数に 399 nm レーザの周波数を設定します。174 Yb + 同位体のための 935 nm レーザーの周波数を設定します 。 注: 波長計 320.57199(1) THz を使用できますが、波長計の精度がありますバリエーション数十 MHz。 周波数の設定値が 100 〜 200 で 369.5 nm レーザーの波長計の不正確さのいくつかの量がある場合も共振周波数より小さい MHz 周波数になりますまだ赤デチューンします 。 注: ここでは、200 MHz 離調から差し引かれます予想される共鳴とき 174 Yb + の予想される共振周波数の周り 811.29152(1) THz。 は、オーブン、2.3.12 の手順で見つかった値に達するまでゆっくりと電流増加の現在のソースを入れます。数分を待ちます。イオンをトラップしない場合、~0.1-0.2 A で電流を増加し、再び待ちます。まだイオンがトラップされない場合反射の RF まだ最低かどうかを確認、RF 発生器の出力を徐々 に増加します 。 注意: トラップ チップで増幅された電圧が予想される耐圧を超えないことを確認します。 は簡単に 935 nm レーザーをブロックし、イメージに変更があるかどうかを確認してください 。 注: EMCCD 設定 ((電子乗算 EM) ゲイン、露出時間と画像のコントラストを含む) がない場合適切な範囲内で、イオンが追い詰められたときにもそれは言うは簡単かどうかトラップ近傍の強度の変化原因が本当にトラップされたイオンか 369.5 nm レーザの散乱の変化によって。IR フィルターのため EMCCD カメラは、935 nm レーザーをブロックしていない任意の変更イメージにトラップされたイオンがない場合、935 nm レーザーですべての変更を表示できません。ただし、イオンを閉じ込め場合、369.5 nm レーザの散乱率が大幅に低下 935 nm レーザーなし。したがって、935 の nm レーザーを遮断することによって引き起こされる EMCCD イメージに変更はイオンをトラップの成功の良い指標です 。 注意: 935 nm レーザーが長時間ブロックされている場合捕捉イオン加熱され、トラップを逃れる可能性があります。 イオンは閉じ込められている後オーブンをオフにします。徐々 に頻度を増やすことによって 369.5 nm レーザーの共鳴を見つけることを試みます 。 注: 頻度は共鳴に近づくと散乱率は高まるが、369.5 nm レーザー開始イオンを加熱するのではなく、不安定になるトラップされたイオンのイメージで冷却することにより、共鳴を越えると。369.5 nm レーザの共振周波数が見つかったら、共鳴から 10 MHz でレーザーの頻度を減らします。 369.5 散乱率まで 935 nm レーザーの周波数をスキャン nm が最大取得します。 イオンのイメージをシャープにするまで結像レンズ、EMCCD カメラの位置を調整します。