芯片组件和制造芯片组件的方法与流程

1.本发明涉及离子微阱芯片组件和制造离子微阱芯片组件的方法，在优选实施例中涉及光学离子微阱芯片组件。


背景技术：

2.离子微阱因其对诸如信息处理和计量等量子技术的适用性而备受关注。它们被期望成为未来高性能量子计算机的关键部件。这些将包含许多量子比特(或“量子位”)的计算机将能够解决当今难以解决的问题。
3.更具体地，微制造的离子阱(微阱)提供了一种陷俘单个离子或离子串的方法，以创建用于量子计算、传感、精密计量、科学研究、量子通信和网络的器件。由于这些阱是基于原子的，因此与固态电路设计相比，它们的优势在于可以潜在地制造可靠且相同的阱，从而能够扩大规模以在实际系统中使用。
4.目前已知几种类型的微阱，这些微阱通常根据其电极几何形状分类为二维(2-dimention,2d)和三维(3-dimention,3d)阱。微阱的性能通常随着尺寸方面而增加。然而，由于可用性的限制，许多研究人员使用2d阱。只有3d阱几何形状在优越的加热率和较低的误差方面具有必要的性能，适用于扩展到工业系统。特别地，申请人认为3d电极几何形状能够提供优越的操作特性，并且能够在室温下实现低噪声(运动退相干)操作，这超出了其他器件在室温下所实现的操作。在量子门中，预计较低的误差来自低测量加热率。
5.这种离子阱的测试和表征通过使用提供了良好光学接入以及用于直流(direct current,dc)信号和高压射频(radio frequency,rf)的多个电馈通的组合的设备，在超高真空(ultra high-vacuum,uhv)条件下进行。大多数已知的方法使用标准且通常庞大的uhv馈通，需要大量的真空布线和电子滤波才能靠近阱电极。一个广泛使用的示例添加了定制的插座器件，使其能够使用封装在针栅阵列(pin grid array,pga)载体中的离子阱。这有助于快速更换真空中的芯片。
6.us-2004/0212802、gb-2,328,035和us-4,896,936公开了不是离子微阱并且具有与下面结合图1和图2讨论的现有技术一致的特性的组件。
7.us-6,255,724公开了一种微结构组件，其依赖于一个对准部件相对于另一对准部件的变形。本文件与离子微阱组件无关，也不适用于此类精密组件。
8.us-5,432,878公开了一种组件，其中光电子器件安装在由柔性材料制成的载体上，并且该组件被设计为相对于衬底滑动以用于定位目的。本文件与离子微阱组件无关，也不适用于此类精密组件。
9.karan k.mehta等人在“离子量子位的集成光学寻址”，《自然纳米技术》，第11卷，2016年12月，(“integrated optical addressing of an ion qubit”,nature nanotechnology,vol.11,december 2016)中讨论了单个阱离子在量子计算方面显示出巨大的前景，但缺乏可扩展的光学接口来操纵和测量离子的量子态一直是大规模系统开发的主要限制。karan k.mehta等人提出了解决这一问题的方法，该方法利用集成在阱芯片内的
纳米光子单模波导和光栅耦合器。
10.r.j.niffenegger等人在“离子量子位的集成多波长控制”，《自然》，第586卷，第538-542页，2020年10月22日(“integrated multi-wavelength control of an ion qubit”,nature,vol.586,pp.538-542,22october 2020)中公开了陷俘的原子离子形成高保真量子信息处理器和高精度光学时钟的基础；但目前的实现依赖于自由空间光学器件进行离子控制，这限制了它们的便携性和可扩展性。他们建议作为解决这个问题的方法，原子系统控制技术的单片集成是开发量子计算机和便携式量子传感器的一条有前景的途径。
11.karan k.mehta等人在“集成光学多离子量子逻辑”，《自然》，第586卷，第533-537页，2020年10月22日(“integrated optical multi-ion quantum logic”nature,vol.586,pp.533-537,22october 2020)中公开了实用和有用的量子信息处理需要在基本操作的错误率和规模两者上对当前系统进行实质性改进。单个陷俘离子量子位的基本质量对于长期系统来说是有前景的，但其精确控制所涉及的光学器件是扩大规模的障碍。他们提出，集成在离子阱器件内的平面制造的光学器件可以同时使这种系统更加鲁棒和可并行，特别是通过使用与表面电极离子阱共同制造的可扩展光学器件来实现高保真度多离子量子逻辑门，这通常是建立精确、大规模纠缠的限制因素，对量子计算至关重要。
12.本领域中针对离子微阱设计的制造问题提出的方案专注于单个、单片结构的生产，以试图确保组件的光学和电气部件的对准。然而，本技术的发明人已经发现，这种方法能够限制单个部件的优化，而非对准。因此，本领域的方法可能导致不理想的组装。
13.所有这些方法都呈现了对离子阱表征和操作所需的特性的限制，特别是：高电压rf信号的低损耗传输；低噪声dc电压的传输；快速dc开关速度；rf拾波器的有效滤波；电子设置的灵活性；可扩展性；可靠性等等。灵活性需求的一个示例是用于测量异常加热率的电子滤波与用于离子的快速和受控穿梭的电子滤波之间的差异。
14.通过将离子阱耦接到光学腔，能够构建先进的量子信息系统，诸如量子中继器节点、分布在光子网络上的模块化量子计算机。
15.为了寻求满足可扩展性的挑战，一种方案是使用微机电系统(microelectromechanical system,mems)制造技术来使离子腔组件小型化。基于mems的离子阱也能够容易地集成到其他类型的mems器件中。mems技术还可以减少光学腔组件所占面积，特别是对于反射镜致动器。然而，当使用商业纳米级定位台时，它们对uhv(超高真空)组件提出了显著的空间需求。


技术实现要素：

16.本发明寻求提供一种改进的芯片组件和制造芯片组件的方法，特别是用于离子阱应用。
17.根据本发明的一个方面，提供了一种制造离子微阱芯片组件的方法，该组件包括具有芯片衬底的离子微阱芯片，以及设置在芯片衬底上的至少一个微结构；方法包括以下步骤：在芯片衬底中直接形成一个或更多个第一对准元件，在至少一个微结构中形成一个或更多个第二对准元件；其中，第一对准元件和第二对准元件是凹槽或突起，并且将至少一个微结构定位在芯片衬底上，其中至少一个第二对准元件键合到至少一个第一对准元件；以及将微结构附接在相对于芯片结构的位置，由此第一对准元件和第二对准元件键合以将
微结构在微型结构的平面内的所有方向上固定到芯片衬底。
18.本技术中教导的方法以前没有被考虑用于离子微阱芯片组件的制造。它能够优化组件的各个部件，例如离子微阱和与其耦接的光学组件。对于单片结构，这种优化是不可能的。
19.可以将凹槽或每个凹槽蚀刻到芯片衬底和/或微结构中。
20.有利地，突起或至少一个突起直接位于芯片衬底和/或微结构上。这提供了微结构与芯片衬底的直接对准，并因此提供了与离子阱的直接对准，以及精确组装。
21.在其他实施例中，间隔件元件可以位于第一对准元件中或者是第一对准元件，并且微结构布置在间隔件元件上。为此目的，该方法可以包括在芯片衬底中形成至少一个对准元件以及在间隔件元件中形成至少两个间隔件对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且间隔件对准元件中的另一个被布置为与芯片载体的至少一个对准元件接合。
22.优选地，对准元件由刚性材料制成。最优选地，芯片衬底和微结构由刚性材料制成。这使得能够实现非常精确的对准，这在为组件的元件提供一些可调节性的系统中是不可能的。
23.优选地，芯片衬底是晶体。有利地，对准元件或至少一个对准元件沿着芯片衬底的晶面形成。使用芯片衬底的结晶度可以提供具有制造可重复性的非常精确的对准特征。
24.芯片衬底可以由硅制成。
25.在实施例中，对准元件或每个对准元件是光刻形成的。
26.优选地，该组件是3d离子微阱芯片组件。
27.有利地，微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。
28.该方法可以包括形成用于容纳多个突起的多个凹槽，该微结构是包含波导和微透镜的阵列的光学模块。
29.根据本发明的另一个方面，提供了一种离子微阱芯片组件，包括：具有芯片衬底的离子微阱芯片，直接形成在芯片衬底上的一个或更多个第一对准元件；具有直接形成在微结构上的一个或更多个第二对准元件的一个或更多个微结构；其中，第一对准元件和第二对准元件是凹槽或突起；至少一个微结构被布置在芯片衬底上，其中至少一个第一对准元件键合到至少一个第二对准元件，由此第一对准元件和第二对准元件键合以将微结构在芯片组件的平面内的所有方向上固定到芯片衬底，从而将微结构以对准的方式附接到离子微阱。
30.有利地，凹槽或每个凹槽是在芯片衬底和/或微结构中的蚀刻形成物。
31.优选地，对准元件由刚性材料制成。最优选地，芯片衬底和微结构由刚性材料制成。
32.在一些实施例中，突起或每个突起直接形成在芯片衬底和/或微结构上。
33.在其他实施例中，该组件可以包括位于芯片衬底上的至少一个间隔件元件，该微结构被附接到该至少一个间隔件元件。为此目的，该组件可以包括芯片衬底中的至少一个对准元件和间隔件中的至少两个间隔件对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与所述芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且间隔件对准元件中的另一个被布置为与微结构的第二对准元件或至少一个第二对准元件接合。
34.优选地，芯片衬底是晶体。有利地，对准元件或至少一个对准元件沿着芯片衬底的晶面布置。
35.优选地，芯片是3d离子微阱芯片。
36.在优选实施例中，微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。
37.在实际实施例中，芯片组件包括容纳多个第二对准元件的多个第一对准元件，多个第二对准元件形成在包含波导和微透镜的阵列的光学模块上，光学模块是微结构。
38.通过以下优选实施例的描述，本文教导的其他优点、特征和方面对本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
39.以下仅通过示例的方式，参考附图描述本发明的实施例，其中：
40.图1是先前提出的与表面离子阱集成的基于mems的光纤腔的组件的透视图；
41.图2是图1的组件的一个光纤载体台的放大图；
42.图3是离子阱芯片的离子陷俘位点的放大图；
43.图4是根据本文教导的组件的实施例的具有多光束源的光学模块的示例的光路和示意图；
44.图5是用于图4的布置的光学元件的示意图；
45.图6是离子微阱芯片的示例的主要部分的透视图，本文的教导可以结合到该示例中；
46.图7是示出芯片衬底中蚀刻的对准凹槽的示例的示意图；
47.图8是离子阱芯片组件的实施例的示意图，其中光学部件安装在离子阱芯片上；
48.图9是图8的组件从反面看的视图，示出了多个光束通过离子微阱区的通路；
49.图10是示出组件的光学模块的进一步特性的示意图；
50.图11在上图中示出了微透镜阵列的光学显微镜图像，在下图中示出了阵列中不同微透镜的一系列扫描电子显微镜图像；
51.图12是由组件的光学模块产生的光束重叠引起的光束强度的一系列曲线图；
52.图13是用于在离子阱芯片中形成定位元件的芯片封装型(on-chip)间隔件和具有集成原子屏蔽件的光学支架的示意图；
53.图14是多芯片模块(mcm)的组件的部件的实施例的示意图；
54.图15示出了图14的组件，其中，部件处于适当位置；
55.图16示出了图15的组件，具有透镜阵列定位在组件的集成屏蔽孔径中的实施例；
56.图17示出了仅基于drie的用于形成具有集成原子屏蔽件的微阱芯片安装的光学模块的工艺流程的实施例，；
57.图18示出了基于drie和koh(光学支架)中各向异性湿法蚀刻的组合的工艺流程的实施例，用于形成具有集成原子屏蔽件的微阱芯片安装的光学模块；以及
58.图19是制造工艺的另一实施例的组件的示意图。
具体实施方式
59.图1至图3示出了与离子阱集成在一起的光纤腔的已知基于mems的设计示例。该组
件包括与基于mems的光纤腔系统集成的表面离子阱。微制造芯片具有线性保罗(paul)阱配置，所述保罗阱配置具有用于沿y轴产生赝势管的第一和第二射频(rf)轨道。离子的轴向约束是通过向外部dc电极施加电压来实现的。离子串的轴被设计为与腔的轴对准，使得多个离子可以耦接到腔模。第一和第二内部dc轨道提供陷俘电势的主轴，以确保多普勒冷却激光器的k矢量与所有轴重叠。阱表面上方的离子高度可以通过向内部dc电极添加rf电压来控制。两个内部dc电极之间设置有一个槽，允许从芯片下方对离子进行光学访问。腔由两个光纤反射镜形成，每个光纤反射镜由基于mems的光纤台支撑，具有提供3d位置控制的致动器。
60.特别是从图1中可以看出，带有u形或v形通道的支撑件支撑光纤。每个光纤还固定到致动器元件，该致动器元件在xy平面中产生运动。光纤可以经由台和下面的固定板之间的静电力沿着z轴移动。连续定位被设计为允许补偿光纤反射镜之间的任何未对准，将腔模与离子位置对准，并锁定腔频率。陷俘芯片和光纤台通过具有对准槽的公共基板固定在一起。光纤和陷俘芯片分别粘合在基板上。
61.据信，虽然这样的结构可以变得稳定，但部件之间可能存在潜在的未对准和张力，潜在地需要在光纤和馈通之间使用应变消除部件，例如压电元件。
62.本文的公开内容寻求提供一种改进的光学芯片组件和制造光学芯片组件的方法。
63.优选实施例的概念将对准特征直接形成在离子阱芯片衬底中，以将诸如间隔件和/或光学模块的微结构定位和对准到离子阱芯片上。这优选地使用微制造技术来实现，以将定位特征蚀刻到离子阱芯片的表面中。该方法可以以光刻精度进行，实现光束几何形状所需的高对准精度，通常达到几微米的精度。
64.在优选实施例中，用氢氧化钾(koh)对芯片衬底的硅或其他材料进行蚀刻。在其他实施例中，尽管这不是优选的，该形成物可以是微机械加工的。
65.在优选实施例中，特征被蚀刻到3d离子微阱芯片中，诸如光学模块的外部微结构可以被定位到该芯片中。
66.在优选实施例中，对准特征沿着限定的(例如芯片的硅衬底的)晶面蚀刻。这些对准凹槽可以通过光刻来限定。沿着自然晶体平面对准提供了非常高的对准精度和可重复性。
67.可以以光刻精度对外部微结构进行微加工，以包含将装配或“插入”芯片凹槽的定位特征，如上所述。
68.外部微结构可以是包含波导和微透镜的阵列的光学模块。这些可以被提供和布置用于将多个激光束引导到离子微阱芯片的孔径中的明确定义的空间位置。
69.在实施例中，外部微结构可以是间隔件(例如由硅微加工而成)和设置在间隔件顶部的光学模块的组合。间隔件的目的是使光学模块能够位于离微阱芯片明确定义的距离和位置处，因为电介质可能干扰由微阱芯片产生的电动陷俘电势。
70.光刻定义的特征的蚀刻和微机械加工的相同原理可以用于形成间隔件和光学模块两者，使得它们彼此互锁并与微阱芯片互锁。这使得光学模块能够以所需的相关定位精度和分辨率相对于微阱芯片进行精确定位。
71.优选实施例使得能够构造具有3d电极结构的微阱。光学模块可以具有用多个波长的激光照射阵列中的多个位置的多个波导。与提供与空间中的单个点相互作用的单个光学
腔模的系统相比，这是材料优势。
72.有利地，该组件包括芯片衬底中的多个接收形成物，由于处于芯片衬底的平面中，这些接收形成物彼此共面。这具有能够容易地在公共平面中对准诸如光导纤维、接收器和反射镜之类的微结构的优点。
73.优选实施例中的形成物提供了以对准但间隔开的关系定位光导纤维，以便在两个或更多个光导纤维之间形成光学腔。
74.一个或更多个光纤可以形成在间隔件或其他元件上，从而允许光导纤维通常在x-y平面中(并且在适当情况下沿着z轴)移动。
75.应理解，光学模块将包含微透镜以聚焦光，有利地将光束聚焦到所需的小光斑尺寸(通常在约30μm至约100μm的范围内，但不限于此)。未聚焦的光束可能会照射离子，但也会产生对量子位状态测量过程中的信噪比不利的大量背景散射光子。靠近波导输出的微透镜具有以下优点：
76.它将在离光学模块期望的距离处将光束聚焦到期望的尺寸(这将对应于离子微阱孔径的中心)；
77.它可以将从波导射出的光束定向到明确定义的方向上；这允许光束从不同的方向照射离子，这在实验上是有利的。
78.实现这种微透镜阵列的优选方法是使用衍射微透镜结构。
79.参考图4，这以示意图的形式示出了光学组件10的实施例，该光学组件10被设计用于耦接到离子阱芯片以形成根据本发明的组件。
80.图4的组件10包括多个光学元件，通常是光导纤维12，将在下文中变得显而易见的是，光导纤维12被设计成提供光学模块，该光学模块由光纤、波导和微透镜形成，能够照射分段电极的微阱阵列中的各个区域。照射每个区域意味着不同波长的激光束可以与存储在这些区域中的离子相互作用。这是为了冷却、量子位初始化和控制以及状态读出。
81.在光学组件10的输入侧，提供了保持在光纤支撑件14中容纳的光导纤维12的线性阵列，该线性阵列延伸到形成在衬底18中的波导阵列16。在该实施例中，波导阵列16将线性布置的输入光导纤维12从输入级重定向到波导阵列16的端部24处的输出级，在该输出级处，光纤12在垂直于组件10和光导纤维12的纵轴的x和y方向上移位，目的如下所述。
82.在波导阵列16的输出端24处，提供了衍射微透镜阵列30。微透镜阵列30被配置为使来自光导纤维12的输出的光束会聚到焦点34，焦点34在实践中被配置为位于离子微阱的孔径的中心处，下面将进一步详细描述。在实践中，从光学模块射出的激光束的子集将在空间中的特定点处会聚和重叠。该空间中的点对应于离子微阱阵列的特定区域。然后，激光束的这一子集将照射存储在微阱的该区域中的离子。该模块将包含多于一组的此类光束，用于照射微阱阵列中的其他区域。
83.为了支撑和稳定的目的，波导阵列16设置在支撑块40内，支撑块40具有延伸穿过其中的孔42，孔42具有与波导阵列衬底18的横向横截面形状基本匹配的横向横截面形状。在本实施例中，波导支撑块40的前表面44基本平坦(平面)，与微透镜单元30的平面后表面一致。这确保了波导阵列16相对于微透镜阵列30的精确光学定向，即与微透镜阵列30正交。显而易见的是，支撑块40的前表面44可以是任何其他形状或结构，其适合于确保与微透镜阵列30的精确对准和定向。
84.现在参考图5，这示出了光学组件10的元件，与截面图一起示出，截面图描绘了光导纤维12沿着组件10的长度的布置。波导支撑单元40未在图5中示出。
85.光导纤维12可以沿着整个台14、16延伸，尽管在其他实施例中，光纤可以是单独的部分，每个部分沿着组件10的相应台14、16延伸，并且以本领域已知的方式在其端部处光学耦接。
86.在输入台14处，光导纤维12的阵列保持在线性配置中，纵向地保持在输入台14内，并且也保持在相对于彼此的线性阵列中，如在输出60处所描绘的那样。
87.在波导阵列16内，光纤路径在xy平面中分叉，以在波导阵列16的端部24处的输出62的第一区域64中产生预设第一光输出图案，并且在从第一组64横向移位的第二区域66中产生第二组光输出。在实践中，这两组光输出提供两个不同的光束集合。微透镜阵列30被配置为使得形成两个集群64、66的两组光束在点34处朝向彼此会聚。光束将在空间中的同一点处重叠，以便照射陷俘离子。不同的波长用于不同的任务，例如冷却和状态读出、量子位状态初始化和控制以及其他任务。
88.现在参考图6，这示出了离子微阱芯片50的实施例，光学模块组件10被配置为耦接到该该离子微阱芯片50，以便将来自微透镜阵列30的光束引导到离子阱100中，在该示例中，离子阱100位于芯片50的中心处。芯片50是根据已知技术制造的，并且包括以已知形式沿着离子阱槽100的长度串联设置的多个电端子102、104。
89.返回参考图4，可以看出，来自光导纤维12的光束的重叠点34被布置为设置在离子阱槽100内，为此，需要相对于离子阱芯片50，特别是离子阱槽100，精确地对准和定向光学组件10。
90.根据本文的教导，除了在芯片50中形成离子阱室100并提供电端子102、104和离子阱芯片的其他标准部件之外，在离子阱芯片的衬底(通常由硅制成)内形成可以直接耦接到微结构(例如，但不限于图4和图5所示类型的光学组件)的一系列对准特征。
91.优选的是，对准特征(图6中未示出)设置在微阱芯片50的表面上，否则这些表面没有其他电子部件或用途。还优选的是，对准特征彼此间隔开，并且至少在一些实施例中包括产生横向(即在芯片表面的平面中)定向的特性，至少单独地和/或彼此组合。在图6所示的示例中，可以在芯片上的位置120、122和124处提供三个对准特征。如图6所示，在本示例中，这三个对准位置120-124设置在离子阱室100的相对端，其中对准位置120是细长的并且基本上垂直于离子阱室100延伸，而同样是细长形式的对准位置122和124设置在与离子阱室100相同的纵向方向上，但在横向方向上与离子阱室100间隔开，并且沿着室100的任一侧延伸。在这种特定的配置中，对准位置120-124被设置在可以被描述为离子阱室100周围的三角形布置中，结合起来可以提供用于将微结构精确对准和定位到芯片50上的位置，例如图4和图5所示类型的光学组件10。
92.在该实施例中，对准位置120-124中的每一个都是细长的，也使得能够定位和定向与其自身耦接的部件。
93.现在参考图7，这以示意图的形式示出了微阱芯片50的一个实施例衬底130的主要特征，该衬底130具有与上面结合图6所述的对准特性类似的对准特性。
94.在该实施例中，设置在位置120-124处的对准特征是蚀刻的通道132-136。这些可以通过在芯片或衬底的待保护部分上使用合适的蚀刻掩模用例如氢氧化钾蚀刻来形成。用
136的槽或通道的形状。这使得光束能够相对于离子阱室100非常精确地定位和定向。
105.原则上，图8的布置将使光学模块相对于微阱芯片定位。然而，在实践中，该模块可能需要稍远一点，其中包含微透镜的衬底表面与微阱芯片间隔约2mm。这可以通过将插入器定位到微阱芯片中以及将光学模块定位到插入器中来实现。
106.插入器的下侧将位于离子微阱芯片中，上侧将容纳光学模块。插入器优选地由大约2mm厚的硅晶圆材料制成。插入器芯片也可以由硅制成。适当地选择这种硅晶圆材料的晶体取向将意味着在插入器的下侧，可以蚀刻该材料以留下具有角度的突起，以匹配离子微阱芯片中的凹槽。因此，插入器突起可以高精度地定位到微阱芯片的凹槽中。这些凹槽和突起在形式上可以是角锥体的，也可以是截锥体的。
107.在上侧，在一些实施例中，可以通过在具有直侧壁的硅中形成深蚀刻(深反应离子蚀刻)来实现相对于插入器定位光学模块的手段(means)，而不是通过相同的工艺。
108.图9示出了形成图8组件另一侧的视图，其中可以看到，从衍射透镜阵列30发出的光束将在它们相互干涉的点处的非常精确的位置处穿过离子阱室100。
109.现在参考图10，这是当在如图8和图9所示的离子阱芯片中使用时图4的光学组件10的优选实施例的示意图。从图10中将显而易见的是，所示实施例包括10根光纤，通向10个波导，从而通向10个输出光束。这些光束分为两组，每组5个光束。每组5个光束在422nm处有三个，在1033nm处有一个，在1092nm处有一个。集合中的所有五个光束在空间中的一个唯一点处重叠。第二组5个光束在空间中的单独的唯一点处重叠。应理解的是，精确的波长并不重要，但相关波长通常在从uv或深蓝色到1微米的范围内。所需的确切波长取决于所使用的原子种类。
110.光学组件10具有四个有效的光学接口，接口1在输入或源处，接口2在线性光纤阵列支撑件14和波导阵列16之间的接合处，接口3在透镜衬底30处，接口4在自由空间中，并且出现在离子微阱100内。来自光导纤维12的光束正是在接口4处交叉并干涉。
111.现在参考图11和图12，接口3处的光束(在图11中标识为i3)在接口4处(在图11中标识为i4)产生干涉图案，其中四个示例如图11的下半部分所示。图12示出了图10和图11示例中各种光束交叉点处的光束强度值。
112.应理解的是，这种结构为由施加到微阱芯片的电极的电压产生的电动电势所产生的离子提供了阱。激光束用于冷却离子，控制它们的量子态并读出量子态。光学模块和离子微阱的组合结构为上述目的提供了用激光束照射微阱阵列中的各个区域的手段。
113.形成定位和对准特征的优选方法的实际实施例如图13至图18所示。
114.首先参考图13，微阱芯片(器件芯片)有三个矩形凹槽(由右侧示出的3个红色轮廓的矩形表示)，这些凹槽已经由深度反应离子蚀刻(deep reactive ion etching,drie)干法蚀刻到15微米厚的氧化物层中，如图中红色轮廓的矩形所示。这些凹槽是通向下面的硅(si)衬底的开口。
115.15微米厚的氧化物层中的矩形凹槽可以用作无源定位特征，以接收要堆叠到芯片上的结构中的突出特征。
116.矩形凹槽还可以作为对下面的si衬底进行各向异性湿法化学蚀刻的“掩模”，以创建原子定义的沟槽，该沟槽可以扩展具有安装结构(如光学接口)的器件芯片的定位选项。
117.所讨论的硅衬底优选为《100》型，这意味着由《111》原子平面定义的v型沟槽可以
蚀刻到衬底中，该衬底可以与堆叠在器件芯片上的结构中的突出的v型特征相匹配。
118.图14和图15示出了一种堆叠a形框架“间隔件”结构的方法，该结构由绝缘体上黏合硅(bonded silicon on insulator,bsoi)晶圆的drie形成。
119.现在参考图16，间隔件和光学支架结构的目的是：i)在光学透镜和光纤模块之间实现足够的垂直分离，以最大限度地减少与器件芯片的rf场耦合的损耗；以及ii)使用传统的硅微加工技术来创建多芯片模块(multi chip module,mcm)。
120.在上述实施例中，光学支架中的孔径是垂直的，但也可以采用与前面提到的相同的各向异性湿法化学蚀刻技术来形成v形开口，该开口与光学透镜阵列和光纤模块中的反射镜突出特征相匹配。
121.图14所示的支架可以单独与微阱芯片结合使用，作为原子屏蔽件。应理解，本文的教导不限于光学组件。
122.通常需要屏蔽电极结构的金属表面，使其免受用于产生加载到阱中的离子的原子蒸汽束的影响。这是使用一种例如图14中设置在微阱芯片表面上方的支架等结构来完成的，其关键特征是：
123.(i)屏蔽物具有小孔径，该小孔径使得蒸汽中的原子能够穿过并被加载到阱中，
124.(ii)它在其它方面具有足够的程度来阻挡原子并阻止它们撞击离子微阱器件的电极结构，
125.(iii)屏蔽孔径通常约为200μm x 600μm(确切尺寸将由阱芯片的设计以及微阱结构中孔径和电极的尺寸决定)；
126.(iv)所述屏蔽孔径与所述阱芯片中的孔径良好对准，以使所述原子能够撞击所述阱加载区并防止所述原子撞击所述电极。
127.在现有技术中，这一特征是使用手工组装的结构来实现的，并通过手工对准并安装在芯片载体上，而不是微阱芯片本身。
128.如本文所教导的包含孔径和自对准特征的微结构屏蔽可以实现更好的位置精度和可重复性。因此，光学模块相对于芯片的自对准原理可以类似地应用于独立的原子屏蔽件。这一点也如图9和图10所示。
129.所有的微阱芯片都可以受益于原子屏蔽件，以屏蔽电极免受原子蒸汽的影响。所有现有器件都是如此，以便它们能够在开始使用后数月和数年内可靠运行。
130.在实施例中，微机械加工结构结合了具有如本文所教导的自对准特征的原子屏蔽件，使得该结构可以堆叠在离子微阱芯片本身的顶部上。硅因其易于微加工而被用作原子屏蔽件的材料。一旦加工完成，屏蔽就会被金属化，从而可以在器件中接地(离子阱附近表面的浮动电势会以有害的方式扭曲器件的电动电势)。因此，本文的教导还包括在没有光学模块的情况下自对准到微阱芯片的微结构屏蔽(具有孔径)。
131.原子屏蔽件孔径通常位于微阱芯片表面上方约2mm处。光学模块将优选地在微阱芯片的表面上方大约4mm处。微阱芯片是不能完全金属化的介电表面，并且这样的距离防止了由微阱芯片产生的电动电势的失真。因此，光学模块本身(即，在没有任何原子屏蔽件的情况下)有利地包括其与阱芯片之间的间隔件。
132.可以设想，单个微结构部件或多于一个的微结构部件可以将原子屏蔽件的目的与间隔件的目的相结合，以使光学模块能够被容纳，所有这些都在具有自对准特征的单个堆
叠中。
133.图17和图18示出了间隔件和光学支架的两个工艺步骤示例，使用：i)drie工艺形成两者，以及ii)drie和各向异性湿法化学蚀刻的组合。
134.图19示出了另一实施例，其中无源硅对准机构可以被干法蚀刻(经由drie)到光学支架中，以精确地固定和保护要匹配到mcm微阱器件芯片上的透镜和光纤模块的x、y和z位置。
135.如果需要，可以经由drie在光学支架中形成柔顺的悬臂弹簧或夹子结构，并且与在与光学透镜和光纤模块匹配时避免短接的装置(means)一起，可以提供集成的封锁、锁定和对准机构，以允许不同尺寸和特性的光学模块“插入”光学支架，并且具有移除和更换的选项。
136.这种封锁或锁定机构可以是有源的，允许所谓的零插入力(zero-insertion force,zif)插入动作将光学模块安装到mcm芯片上的光学支架上。这种有源元件可以由微机电系统(mems)热致动器、压电致动器或静电致动器或这些致动器的组合来致动。
137.尚未设想优选实施例将使用这种封锁或锁定机构。
138.所描述的实施例和从属权利要求的所有可选和优选的特征和修改可用于本文教导的本发明的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征和修改是可组合的并且彼此可互换。
139.本技术要求其优先权的英国专利申请第2017243.3号以及本技术的摘要中的公开内容通过引用并入本文。

技术特征：
1.一种制造离子微阱芯片组件的方法，所述组件包括具有芯片衬底的离子微阱芯片，以及布置在所述芯片衬底上的至少一个微结构；所述方法包括以下步骤：在所述芯片衬底中直接形成一个或更多个第一对准元件，在所述至少一个微结构中形成一个或更多个第二对准元件；其中，所述第一对准元件和所述第二对准元件是凹槽或突起，并且将所述至少一个微结构定位在所述芯片衬底上，其中至少一个第二对准元件键合到至少一个第一对准元件；以及将所述微结构附接在相对于所述芯片结构的位置，由此所述第一对准元件和所述第二对准元件键合以在所述微结构的平面的所有方向上将所述微结构固定到所述芯片衬底。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽或每个凹槽被蚀刻到所述芯片衬底和/或所述微结构中。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述突起或所述突起中的至少一个直接位于所述芯片衬底和/或所述微结构上。4.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下步骤：将间隔件元件定位在所述第一对准元件或第一对准元件中，并将所述微结构定位在所述间隔件元件上。5.根据权利要求4所述的方法，包括在所述芯片衬底中形成至少一个对准元件以及在所述间隔件元件中形成至少两个对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与所述芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且另一个间隔件对准元件被布置为与所述微结构的至少一个第二对准元件接合。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述对准元件由刚性材料制成。7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述芯片衬底和所述微结构由刚性材料制成。8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述芯片衬底是晶体。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述对准元件或所述对准元件中的至少一个沿着所述芯片衬底的晶面形成。10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述芯片衬底由硅制成。11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述对准元件或每个对准元件是光刻形成的。12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述芯片是3d离子微阱芯片。13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。14.根据任一前述权利要求所述的方法，包括形成用于容纳多个突起的多个凹槽，所述微结构是包含波导和微透镜的阵列的光学模块。15.一种离子微阱芯片组件，包括：离子微阱芯片，其具有芯片衬底；一个或更多个第一对准元件，其直接形成在所述芯片衬底上；一个或更多个微结构，其具有直接形成在所述微结构上的一个或更多个第二对准元件；其中，所述第一对准元件和所述第二对准元件是凹槽或突起；所述至少一个微结构被布置在所述芯片衬底上，其中至少一个第一对准元件键合到至少一个第二对准元件，由此所述第一对准元件和所述第二对准元件键合以将所述微结构在所述芯片组件的平面内的所有方向上固定到所述芯片衬底，从而将所述微结构以对准的方式附接到所述离子微阱。
16.根据权利要求15所述的芯片组件，其中，所述凹槽或每个凹槽是在所述芯片衬底和/或所述微结构中的蚀刻形成物。17.根据权利要求15或16所述的芯片组件，其中，所述对准元件由刚性材料制成。18.根据权利要求15至17中任一项所述的芯片组件，其中，所述芯片衬底和所述微结构由刚性材料制成。19.根据权利要求15至18中任一项所述的芯片组件，其中，所述突起或每个突起直接形成在所述芯片衬底和/或所述微结构上。20.根据权利要求15或18中任一项所述的芯片组件，包括位于所述芯片衬底上的至少一个间隔件元件，所述微结构被附接到所述至少一个间隔件元件。21.根据权利要求20所述的芯片组件，包括在所述芯片衬底中的至少一个对准元件和在所述间隔件元件中的至少两个对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与所述芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且另一个间隔件对准元件被布置为与所述微结构的至少一个第二对准元件接合。22.根据权利要求15至21中任一项所述的芯片组件，其中，所述芯片衬底是晶体。23.根据权利要求22所述的芯片组件，其中，所述对准元件或所述对准元件中的至少一个沿着所述芯片衬底的晶面布置。24.根据权利要求15至23中任一项所述的芯片组件，其中，所述芯片衬底由硅制成。25.根据权利要求15至24中任一项所述的芯片组件，其中，所述对准元件或每个对准元件是光刻形成的。26.根据权利要求15至25中任一项所述的芯片组件，其中，所述芯片是3d离子微阱芯片。27.根据权利要求15至26中任一项所述的芯片组件，其中，所述微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。28.根据权利要求15至27中任一项所述的芯片组件，包括多个第一对准元件，所述多个第一对准元件容纳多个第二对准元件，所述多个第二对准元件形成在包含波导和微透镜的阵列的光学模块上，所述光学模块是所述微结构。

技术总结
用于光导纤维组件的对准特征(132-136)直接形成在离子阱芯片(50)中，以使光学模块(10)相对于离子阱芯片(50)对准。这是使用微制造技术以将对准元件蚀刻到离子阱芯片(50)的表面中来实现的，有利地以实现应用的光束几何形状所需的对准精度的光刻精度来执行，对准精度为几微米。对准元件(132-136)有利地沿着芯片(50)的硅衬底(100)的限定晶面蚀刻。外部微结构可以用光刻精度进行微加工，以包含将装配或“插入”到例如离子阱芯片的芯片的凹槽中的定位特征。位特征。位特征。


技术研发人员：阿拉斯泰尔
受保护的技术使用者：NPL管理有限公司
技术研发日：2021.10.29
技术公布日：2023/9/9