特許 7134220 イオントラップを収めるパッケージおよび加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-01

(45)【発行日】2022-09-09

(54)【発明の名称】イオントラップを収めるパッケージおよび加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/42 20060101AFI20220902BHJP

【ＦＩ】

H01J49/42 200

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020502428

(86)(22)【出願日】2018-07-18

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-09-10

(86)【国際出願番号】 US2018042717

(87)【国際公開番号】W WO2019018544

(87)【国際公開日】2019-01-24

【審査請求日】2021-06-25

(31)【優先権主張番号】15/935,312

(32)【優先日】2018-03-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/533,927

(32)【優先日】2017-07-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503164937

【氏名又は名称】デューク・ユニバーシティ

【氏名又は名称原語表記】ＤＵＫＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ジュンサン・キム

(72)【発明者】

【氏名】カイ・ヒュデク

(72)【発明者】

【氏名】ギアート・ヴリーセン

(72)【発明者】

【氏名】ロバート・スパイヴィ

(72)【発明者】

【氏名】ピーター・マウンツ

【審査官】松平 佳巳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０３１８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１６９８８２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４９／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオントラップエンクロージャであって、
第１の主要表面と、前記第１の主要表面の遠位にある第２の主要表面とを有するチップキャリアと、
イオントラップであって、前記第１の主要表面上に配設される基板上に配設されている、イオントラップと、
原子フラックスを前記イオントラップに供給するように動作可能であるソースであって、前記原子フラックスは第１の材料の原子を含む、ソースと、
第１のハウジングであって、前記第１のハウジングおよび前記第１の主要表面は前記第１のハウジングおよび前記第１の主要表面が前記イオントラップを収容する第１のチャンバーをまとめて画成するように第１のシールのところで接合される、第１のハウジングと、
第２のハウジングであって、前記第２のハウジングおよび前記第２の主要表面は前記第２のハウジングおよび前記第２の主要表面が前記ソースを収容する第２のチャンバーをまとめて画成するように第２のシールのところで接合される、第２のハウジングとを備え、
前記第１のチャンバーおよび第２のチャンバーは流体的に結合されていて、
前記第１のハウジングは、前記イオントラップと第１の光信号との間の光結合を可能にする第１の窓を備え、
前記第１の光信号は、前記原子フラックス内の前記第１の材料の中性原子を光イオン化することによって前記イオントラップをロードするように動作可能である、イオントラップエンクロージャ。

【請求項2】

前記ソースは、第１の材料のレーザーアブレーションを介して前記原子フラックスを発生させるように動作可能であるアブレーションオーブンを備え、
前記第１のハウジング、イオントラップ、およびチップキャリアは、前記第１の材料と第２の光信号との間の光結合を可能にするように構成され、
前記第２の光信号は、前記第１の材料のアブレーションを行うように動作可能である、請求項１に記載のイオントラップエンクロージャ。

【請求項3】

前記ソースは、前記第１の材料の昇華を介して前記原子フラックスを発生させるように動作可能であるサーマルオーブンを備え、
前記第１のチャンバーと前記第２のチャンバーとの間の熱流を制限するために、前記イオントラップ、基板、及びチップキャリアのうちの少なくとも一つが設けられている、請求項１に記載のイオントラップエンクロージャ。

【請求項4】

前記イオントラップエンクロージャは、１０^－９Ｔｏｒｒ以下である前記第１のチャンバーおよび第２のチャンバー内の圧力レベルを可能にする、請求項１に記載のイオントラップエンクロージャ。

【請求項5】

前記第１のチャンバーと流体的に結合されているポンプをさらに備え、前記ポンプは、ゲッターポンプ、イオンポンプ、及び低温吸着ポンプからなる群から選択される、請求項１に記載のイオントラップエンクロージャ。

【請求項6】

動作によってイオントラップエンクロージャを形成するステップを含む方法であって、前記動作は、
第１の主要表面と前記第１の主要表面の遠位にある第２の主要表面とを有するチップキャリア上に配設されている基板上に配設されるようにイオントラップを設けるステップと、
第１の材料の原子を含む原子フラックスを供給するように動作可能であるソースを収容する第１のチャンバーを画成するように第１のハウジングと前記第２の主要表面とを接合するステップと、
前記イオントラップが前記ソースから前記原子フラックスの少なくとも一部を受け入れることができるように前記第１のチャンバーと流体的に結合される第２のチャンバーを画成するように第２のハウジングと前記第１の主要表面とを接合するステップとを含み、
前記第１のハウジング、第２のハウジング、およびチップキャリアは、前記イオントラップエンクロージャが１０^－９Ｔｏｒｒ以下である前記第１のチャンバー内の圧力レベルを可能にするように接合され、
前記第２のハウジングは、前記イオントラップと第１の光信号との間の光結合を可能にするように設けられ、
前記第１の光信号は、前記原子フラックス内の前記第１の材料の中性原子を光イオン化することによって前記イオントラップをロードするように動作可能である、方法。

【請求項7】

前記ソースを、第１の材料のレーザーアブレーションを介して前記原子フラックスを発生させるように動作可能であるレーザーアブレーションオーブンを備えるように設けるステップと、
前記第１のハウジングを、前記第１の材料と第１の光信号との間の光結合が可能にされるように設けるステップとをさらに含み、
前記第１の光信号は、前記第１の材料のアブレーションを行うように動作可能である、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記第１の光信号を、前記イオントラップを通して伝搬した後に前記第１の材料上に入射するように供給するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記第１のチャンバーに収容されるポンプを設けるステップをさらに含み、前記ポンプは、前記第２のチャンバーと流体的に結合され、前記ポンプは、イオンポンプ、低温吸着ポンプ、およびゲッターポンプからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。

【請求項10】

前記ソースを、前記第１の材料の昇華を介して前記原子フラックスを発生させるように動作可能であるサーマルオーブンを備えるように設けるステップをさらに含み、
前記第１のチャンバーと前記第２のチャンバーとの間の熱流を制限するために、前記イオントラップ、基板、及びチップキャリアのうちの少なくとも一つが設けられている、請求項６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

連邦政府による資金提供を受けた研究の記載
本発明は、米陸軍研究事務所により授与された連邦補助金番号Ｗ９１１ＮＦ－１０－１－０２３１の下で政府支援によりなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。

【0002】

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１７年７月１８日に出願した米国仮出願第６２／５３３，９２７号、名称「Ｃｏｍｐａｃｔ ＵＨＶ Ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ Ｔｒａｐｐｅｄ Ｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ」（整理番号ＤＵ５３０８ＰＲＯＶ）の利益を主張するものである。本出願とこの事例における請求項の解釈に影響を及ぼす恐れのある参照により組み込まれている事例のうちの１つまたは複数との間に言い回しの相反または矛盾がある場合、この事例における請求項はこの事例における言い回しと一致するものと解釈されるべきである。

【0003】

本発明は、一般に、量子コンピューティングシステムに関するものであり、より具体的には、量子コンピューティングシステムにおけるイオントラップを収容するための超高真空パッケージングに関するものである。

【背景技術】

【0004】

量子コンピューティングは、情報を処理するために古典系では利用可能でない量子力学的現象（たとえば、重ね合わせおよびエンタングルメントなど）を利用する最先端技術である。従来のコンピューティングシステムでは、情報の基本単位はビットであり、これは「１」または「０」のいずれかの状態を取り得る２状態要素である。対照的に、量子コンピューティングシステムにおける情報の基本単位はｑｕｂｉｔと呼ばれ、同時に両方の状態の任意の重ね合わせであり得る（「重ね合わせ状態」と呼ばれる）。さらに、多数のｑｕｂｉｔは、系が個別のｑｕｂｉｔ状態の積として記述され得ないような相関状態の重ね合わせとなり得る（「もつれた状態」と呼ばれる）。情報を表すこれらの形態のｑｕｂｉｔ状態は、従来の（古典的）コンピュータでは利用可能でない。結果として、理論的には、大規模な量子コンピュータは、従来のコンピューティングアプローチを使用したのでは単に実用上実現できないいくつかの問題を解くことができる。しかし残念なことに、量子コンピュータは、大規模であるが故に実現が困難であることが証明されている。

【0005】

実用的な量子コンピューティングを実現する１つの魅力的な道が、「トラップイオン処理（ｔｒａｐｐｅｄ－ｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」であり、これは電磁場を利用して原子イオンを自由空間内に閉じ込め、１つまたは複数のレーザービームを介してｑｕｂｉｔの光アドレッシングおよび読み出しを行う。トラップイオン処理は、大規模な量子コンピューティングおよびロバストな量子情報処理（ＱＩＰ）のための潜在的に実現可能な技術と見られている。スケーラブルな量子コンピューティングおよび長距離量子通信を可能にする新しいトラップイオンプロトコルが提案され、実証に成功しているが、従来のイオントラップのサイズおよび複雑さは、配備可能である実用的で大規模なトラップイオンＱＩＰシステムの実現の制限要因であることが証明されている。

【0006】

近年、微細加工（表面）トラップが進歩したことで、従来手作業で組み立てられていた巨視的トラップをしのぐ高性能なｑｕｂｉｔ測定および量子ゲートが実証されている。実際、数百個のイオンを潜在的に担持することができる微細加工表面トラップが実証されており、単一ｑｕｂｉｔ特性は巨視的トラップにおいて実証されている特性に匹敵する。結果として、そのようなトラップは、量子コンピューティングが直面しているスケーリング問題を克服することに向かう主要なステップを表すと信じられている。

【0007】

しかし残念なことに、チップベースのイオントラップの使用により、他のいくつかの問題が生じ、あるものはチップ技術に内在するものであり、他のものはこのアプローチのスケーラブルな性質に単に由来するものである。

【0008】

１つの著しい問題は、イオントラップが異常加熱に曝されるという事実から生じ、イオンは、捕獲電極の表面により近いところで捕獲されるときに予想以上に高い運動加熱を受ける。これは、イオンに対する運動自由度によって媒介されるマルチｑｕｂｉｔゲートの品質に実質的な影響を及ぼす。幸いなことに、近年の研究は、トラップ電極の原位置洗浄が基本熱雑音限界の大きさのオーダーの範囲内に加熱速度を実質的に低減することができることを示唆している。

【0009】

チップベースのイオントラップの別の問題は、背景残留ガス分子から捕獲されたイオンを分離する必要があることである。結果として、イオントラップは、極端に高い真空レベル－－典型的には１０^－９Ｔｏｒｒ以上で動作させなければならない。歴史的に、そのような真空レベルを達成するために複雑で扱いにくいインフラストラクチャが必要であった。結果として、微細加工表面トラップを採用する従来の量子コンピューティングシステムのスケーラビリティは、問題として残っている。

【0010】

それに加えて、微細加工表面トラップは、トラップをロードするためにイオンソースを必要とする。典型的には、イオンは、サーマルオーブンなどの、ソースによって生成される原子プルームから捕捉される。しかし残念なことに、従来のソースによって生成される熱は、イオントラップ動作に干渉し得る。イオントラップシステムを小型化することによって、ソースとイオントラップとの間の距離が縮小し、それらの間の熱的結合をさらに悪化させる。

【0011】

高真空条件、高電圧無線周波数（ＲＦ）信号の生成、多数のＤＣ信号をサポートし、捕獲状態のアドレッシング／読み出しのために１つまたは複数のレーザービームに対する光アクセス、および原子フラックスのソースの動作を可能にすることができる実用的なイオントラップエンクロージャの必要性は、今までのところ従来技術では依然として満たされていない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0012】

【文献】Ｂｒｏｗｎら、「Ｃｏ－Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｔｒａｐｐｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｉｏｎｓ」、ａｒＸｉｖ：１６０２．０２８４０ｖ１ ［ｑｕａｎｔ－ｐｈ］（２０１６年）

【文献】Ｓｔｉｃｋら、「Ｉｏｎ Ｔｒａｐ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｈｉｐ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第２巻、３６～３９頁（２００６年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明は、従来技術のコストおよび不利点のいくつかをなくした実用的な大規模量子コンピュータを可能にする。本発明の実施形態は、量子コンピュータの動作に必要なイオントラップエンクロージャのサイズおよび複雑度を、イオントラップとトラップをロードするために使用されるソースとの間の熱的クロストークを低減することによってその動作を改善しながら、著しく低減するために統合パッケージング技術を採用している。

【0014】

従来技術のエンクロージャのように、本発明は、チップキャリアの表面と接合されているハウジングを接合することによって形成される高真空チャンバー内にイオントラップを収容する。従来技術では、高真空チャンバーは、また、トラップをロードするために使用される原子フラックスを供給するためのソースも収容する。結果として、ソースによって生成される熱は、トラップ動作に干渉し得る、イオントラップと容易に結合する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

従来技術とは際立って対照的に、本発明の実施形態は、イオントラップとソースとをチップキャリアの対向側に配置されている異なる高真空チャンバーに分離する。ソースによって生成された原子フラックスは、２つのチャンバーの間の導管を通して伝搬し、イオンをトラップにロードすることを可能にするが、ソースとイオントラップとをチップキャリアの対向側の別々のチャンバーに分離することで、それらの間の熱的結合を低減する。したがって、本発明の実施形態は、従来技術に比べて低温での動作が優れている。

【0016】

本発明の例示的な一実施形態は、チップキャリアの第１の側に配置されている第１のチャンバーと、チップキャリアの対向側に配置されている第２のチャンバーとを備えるイオントラップエンクロージャであり、第１のチャンバーはイオントラップを収容し、第２のチャンバーは原子フラックスを供給するためのソースを収容する。チップキャリア内に形成された貫通孔、イオントラップ、および任意選択のインターポーザーは、イオントラップがソースから原子フラックスを受け入れることを可能にする導管を２つのチャンバーの間にまとめて画成するように整列される。低温吸着ポンプがエンクロージャ内に設けられ、両方のチャンバー内の高真空条件の実現を円滑にする。

【0017】

いくつかの実施形態において、第１のチャンバーは、トラップ寿命を改善するためにイオントラップに近接近するところに非蒸発型ゲッターを位置決めするように構成される。

【0018】

いくつかの実施形態において、ソースは、ソース材料の昇華を介して原子フラックスを生成するサーマルオーブンである。

【0019】

いくつかの実施形態において、ソースは、アブレーションレーザーとソース材料を保持するためのるつぼとを備えるアブレーションオーブンである。アブレーションレーザーおよびるつぼは、レーザーの出力がソース材料を擺脱し、原子フラックスを生成するように配置構成される。

【0020】

いくつかの実施形態において、低温吸着ポンプはイオンポンプで置き換えられる。

【0021】

本発明の一実施形態は、第１の主要平面と、第１の主要平面の遠位にある第２の主要平面とを有するチップキャリアと、イオントラップであって、第１の主要表面上に配設される基板上に配設されている、イオントラップと、原子フラックスをイオントラップに供給するように動作可能であるソースであって、原子フラックスは第１の材料の原子を含む、ソースと、第１のハウジングであって、第１のハウジングおよび第１の表面は第１のハウジングおよび第１の主要表面がイオントラップを収容する第１のチャンバーをまとめて画成するように第１のシールのところで接合される、第１のハウジングと、第２のハウジングであって、第２のハウジングおよび第２の主要表面は第２のハウジングおよび第２の主要表面がソースを収容する第２のチャンバーをまとめて画成するように第２のシールのところで接合される、第２のハウジングとを備え、第１のチャンバーおよび第２のチャンバーは流体的に結合されている、イオントラップエンクロージャである。

【0022】

本発明の別の実施形態は、イオントラップを収容する第１のチャンバーであって、イオントラップは基板の第１の表面上に配設され、第１のチャンバーは、イオントラップと第１の光信号との間の光結合を可能にする第１のハウジングを備える、第１のチャンバーと、第１の材料の原子を含む原子フラックスを供給するように動作可能であるソースを収容する第２のチャンバーとを備えるイオントラップエンクロージャであり、第１のチャンバーおよび第２のチャンバーは、原子フラックスがイオントラップのところで受け入れられるように流体的に結合され、第１のチャンバーと第２のチャンバーとの間の熱流は、制限され、基板は、イオントラップとソースとの間に配置され、イオントラップエンクロージャは、１０^－９Ｔｏｒｒ以下である第１のチャンバー内の圧力レベルを可能にする。

【0023】

本発明のさらに別の実施形態は、第１の主要表面と第１の主要表面の遠位にある第２の主要表面とを有するチップキャリア上に配設されている基板上に配設されるようにイオントラップを設けることと、第１の材料の原子を含む原子フラックスを供給するように動作可能であるソースを収容する第１のチャンバーを画成するように第１のハウジングと第２の主要表面とを接合することと、イオントラップがソースから原子フラックスの少なくとも一部を受け入れることができるように第１のチャンバーと流体的に結合される第２のチャンバーを画成するように第２のハウジングと第１の主要表面とを接合することとを含む動作によりイオントラップエンクロージャを形成することを含み、第１のハウジング、第２のハウジング、およびチップキャリアは、イオントラップエンクロージャが１０^－１０Ｔｏｒｒ以下である第１のチャンバー内の圧力レベルを可能にするように接合される、方法である。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1A】従来技術によるイオントラップエンクロージャの断面図の概略図である。

【図1B】従来技術による初期のイオントラップエンクロージャの斜視図の写真である。

【図1C】従来技術によるイオントラップエンクロージャの斜視図の写真である。

【図2】本発明の例示的な一実施形態によるイオントラップエンクロージャの断面図の概略図である。

【図3】本発明の例示的な実施形態によりエンクロージャ２００を形成するのに適している方法の動作を示す図である。

【図4A】加工の際の異なる点におけるエンクロージャ２００の顕著な特徴を示す図である。

【図4B】加工の際の異なる点におけるエンクロージャ２００の顕著な特徴を示す図である。

【図4C】加工の際の異なる点におけるエンクロージャ２００の顕著な特徴を示す図である。

【図4D】加工の際の異なる点におけるエンクロージャ２００の顕著な特徴を示す図である。

【図5】方法３００とともに使用するのに適している例示的なＵＨＶ処理システムの概略図である。

【図6】本発明の第１の代替的な実施形態による低温での動作を円滑にするためのマルチチャンバーエンクロージャの一部を示す概略図である。

【図7】本発明の第２の代替的な実施形態によるエンクロージャの顕著な特徴部の断面の概略図である。

【図8】本発明の第３の代替的な実施形態によるエンクロージャの顕著な特徴部の断面図の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１Ａは、従来技術によるイオントラップエンクロージャの断面図の概略図を示す。エンクロージャ１００は、チップキャリア１０２と、イオントラップ１０４と、ハウジング１０６と、シール１０８と、低温吸着ポンプ１１０と、ソース１１２とを備え、すべて単一のチャンバー内に収容される。エンクロージャ１００は、参照により本明細書に組み込まれている、Ｂｒｏｗｎら、「Ｃｏ－Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｔｒａｐｐｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｉｏｎｓ」、ａｒＸｉｖ：１６０２．０２８４０ｖ１ ［ｑｕａｎｔ－ｐｈ］（２０１６年）において説明されているものなどの、従来技術において知られているイオントラップエンクロージャに類似している。

【0026】

イオントラップ１０４は、従来のセラミックチップパッケージ－－たとえば、セラミックピングリッドアレイ（ＣＰＧＡ）－－であるチップキャリア１０２の表面１１４上にダイアタッチ（ｄｉｅ ａｔｔａｃｈｅｄ）される。

【0027】

イオントラップ１０４は、基板１３２（たとえば、シリコンウェハ、ガラス基板など）の頂面上に正確に配置構成して形成されている、複数の高電圧および／またはＲＦ電極１３０を備える従来の微細加工表面トラップである。イオントラップ１０４は、高出力レーザービームが電極表面の近くの領域にアクセスし、著しい光散乱を受けることなくクーロンゲート（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｇａｔｅ）および／または光結合を生じさせることができるように構成される。微細加工イオントラップの例は、参照により本明細書に組み込まれている、Ｓｔｉｃｋら、「Ｉｏｎ Ｔｒａｐ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｈｉｐ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第２巻、３６～３９頁（２００６年）において開示されている。

【0028】

イオントラップ１０４がチップキャリア上にダイアタッチされた後、電極１３０は、ワイヤボンド１２２を介してチップキャリア１０２の電気リード１２０に電気的に接続される。いくつかの場合において、チップキャリア１０２は、電気リード１２０ではなく、その底面に配設される従来のハンダバンプボンディングに適しているハンダバンプを備える。

【0029】

図１Ｂは、従来技術による初期のイオントラップエンクロージャの斜視図の写真を示す。図１Ｂは、イオントラップ１０４がチップキャリア１０２上に配置されている任意選択のインターポーザー上に装着された後のエンクロージャ１００を示している。

【0030】

チャンバー１１６を形成するために、ハウジング１０６がシール１０８を介してチップキャリア１０２の表面１１４に接合される。ハウジングは、典型的には、中心空洞を備える機械的剛体構造であり、構造は、その内部で少なくとも１０^－１０Ｔｏｒｒの真空レベルに耐えるように構成される。ハウジング１０６は、イオントラップの動作に必要な１つまたは複数の光信号に対する光アクセスを可能にする、窓１１８－１から１１８－３を備える。窓は、真空気密シールを作るのに適している封止技術を使用してハウジング１０６内の貫通孔の上に貼り付けられる。

【0031】

シール１０８は、典型的には、イオントラップチップを囲むインジウムのリングである。ハウジングがチップキャリア上の適所にあれば、典型的にはチャンバー１１６内に初期真空状態を確立するために高真空環境内に配置されている間に、インジウムを溶かしてそれらの間に真空気密シールを形成し、チャンバー１１６内の真空環境の維持をサポートする。

【0032】

図１Ｃは、従来技術によるイオントラップエンクロージャの斜視図の写真を示す。

【0033】

ハウジング１０６がチップキャリアに取り付けられる前に、低温吸着ポンプ１１０およびソース１１２は、エンクロージャ１００が完成したときに封止されたチャンバー１１６内に適切に位置決めされるようにハウジング内に装着される。

【0034】

ソース１１２は、原子フラックス１２８を含む、原子プルーム１２６を生成するために材料１２４を昇華させる動作をするサーマルオーブンである。動作時に、ソース１１２は、材料１２４を加熱して原子プルーム１２６を生成することによってイオントラップ１０４をロードし、この原子プルームの一部は原子フラックス１２８であり、イオントラップ１０４の方へ見通し内で伝搬する。典型的には、材料１２４は、イッテルビウムを含むが、ベリリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カルシウム、および同様のものなどの他の材料も、いくつかの従来技術の応用において使用される。

【0035】

低温吸着ポンプ１１０は、典型的には、極低温動作時にエンクロージャ内の環境からヘリウムなどの不活性分子を取り除くように動作可能である木炭吸着ポンプである。

【0036】

エンクロージャ１００は、イオントラップのための少容量高真空環境の一例であるが、単一チャンバー内でイオントラップ１０４およびソース１１２が同じ場所にあるのは実際には不利である。特に、材料１２４を昇華させるときに、ソース１１２は著しい熱を発生し（最大数百℃）、イオン捕獲動作に干渉することがある。これは、チャンバー１１６内のヘリウム含有量を低減するために低温吸着ポンプが利用される図示されている例など、極低温動作が望ましいエンクロージャに対して特に有害である。

【0037】

しかしながら、本発明の一態様は、改善されたイオン捕獲動作がソース１１２とイオントラップ１０４とを別々のチャンバー－－好ましくはチップキャリアの対向側に配置される－－内に配置することによって実現され得ることである。そのような配置構成は、ソース１１２の動作時に発生する熱の効果を弱める一定レベルの熱的分離をソースとイオントラップとの間にもたらす。

【0038】

図２は、本発明の例示的な一実施形態によるイオントラップエンクロージャの断面図の概略図を示す。エンクロージャ２００は、チャンバー２０２－１および２０２－２と、導管２０４と、イオントラップ２０６と、チップキャリア２０８と、ゲッター２１８と、低温吸着ポンプ１１０とを備える。

【0039】

チャンバー２０２－１および２０２－２は、チップキャリア２０８の対向側に配置されている別々のチャンバーである。

【0040】

チャンバー２０２－１はチャンバー１１６に類似している。チャンバー２０２－１は、イオントラップ２０６とゲッター２１８とを収容するが、ソース１１２を除いている。チャンバー２０２－１は、チップキャリア２０８およびハウジング２１０－１によって画成され、これはシール２１６－１のところでチップキャリアの表面２１２に接合される。

【0041】

チャンバー２０２－２もチャンバー１１６に類似している。チャンバー２０２－２は、ソース１１２と低温吸着ポンプ１１０とを収容するが、イオントラップ２０６を除いている。チャンバー２０２－２は、チップキャリア２０８およびハウジング２１０－２によって画成され、これはシール２１６－２のところでチップキャリア２０８の表面２１４に接合される。

【0042】

チャンバー２０２－１および２０２－２は、チップキャリア２０８の対向側に配置され、ソースとイオントラップとの間の熱的結合を緩和する。原子フラックス１２８がソース１１２からイオントラップ２０６に流れることを可能にするために、チャンバー２０２－１および２０２－２は、導管２０４を介して流体的に結合される。以下で説明されているように、導管２０４は、イオントラップ２０６のチップキャリア２０８、インターポーザー２２０、および基板１３２の各々に形成された貫通孔を備える。

【0043】

図３は、本発明の例示的な実施形態によりエンクロージャ２００を形成するのに適している方法の動作を示す。方法３００は動作３０１から始まるが、ここで、イオントラップ２０６はチップキャリア２０８上に配置されている。方法３００は、引き続き図２Ａ～図２Ｂを参照しつつ、さらには図４Ａ～図４Ｃを参照しつつ説明される。

【0044】

図４Ａ～図４Ｄは、加工の際の異なる点におけるエンクロージャ２００の顕著な特徴を示す図である。

【0045】

図４Ａは、キャリア２０８上に配設されているイオントラップ２０６を示す初期のエンクロージャ２００の断面図の概略図を示す。

【0046】

チップキャリア２０８は上で説明されているチップキャリア１０２に類似しているが、チップキャリア２０８は、ポート４０２と、シール２１６－１および２１６－２とを備える。

【0047】

シール２１６－１および２１６－２は、それぞれ、表面２１２および２１４上に形成された金属トレースである。図示されている例では、シール２１６－１および２１６－２は、チップキャリアをハウジング２１０－１および２１０－２の各々と接合するための金－スズ共晶接合（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｂｏｎｄ）を形成するのに適している金およびスズの層を含む環状トレースである。いくつかの代替的実施形態において、これらのシールのうちの少なくとも１つは、チップキャリアおよびハウジングを接合するのに適している異なる材料を含む。

【0048】

ポート４０２は、イオントラップ２０６を受け入れるように構成されているダイアタッチ領域内でチップキャリア２０８の厚さ部分を貫通する開口である。

【0049】

イオントラップ２０６は、基板１３２が、チップキャリア２０８の表面２１２上に置かれる、任意選択のインターポーザー２２０上に置かれるようにチップキャリア上に配設される。付属の請求項を含む、本明細書の目的のために、「上に配設される」という言い回しは、下にある層または構造「上に存在する」として定義される。過渡的層、インターポーザーなどの、中間層または構造は、好適な表面／配置構成を確実にするために必要に応じて、要素とそれが配設される構造との間の介在する空間内に存在する可能性がある。たとえば、要素が「基板上に配設されている」と記述された場合、これは、（１）要素の材料が基板と緊密に接触しているか、または（２）要素の材料が基板上に置かれている１つまたは複数の過渡的層／構造と接触していることのいずれかを意味するものとしてよい。

【0050】

図４Ｂは、イオントラップ２０６の上面図の概略図を示す。イオントラップ２０６は、基板１３２と、電極１３０と、ポート４０４と、ワイヤボンドパッド４１０とを備える。

【0051】

電極１３０は、電極アレイ１３０Ａおよび１３０Ｂを備え、その端面はギャップｇにわたって互いに対向する。

【0052】

ポート４０４は、ギャップｇの領域内で基板１３２の厚さ部分を貫通する貫通孔である。以下で説明されるように、ポート４０４は、イオントラップ２０６がチップキャリア２０８上に配設された後、導管２０４の一部を形成する。

【0053】

ワイヤボンドパッド４１０は、基板１３２の外縁に沿って配置構成されている従来のワイヤボンドパッドである。ワイヤボンドパッド４１０は、電極１３０に電気的に接続される。

【0054】

インターポーザー２２０は、その厚さ部分を貫通する、ポート４０６を備える従来の集積回路インターポーザーである。インターポーザー２２０は、イオントラップの高さを電極１３０が窓１１８－２と１１８－３との間に延在する、軸Ａ１の近くにあるようにチップキャリアより上に設定するために備えられる。

【0055】

イオントラップ２０６、インターポーザー２２０、およびチップキャリア２０８は、導管２０４をまとめて画成するためにポート４０２、４０４、および４０６の少なくとも一部が重なり合うように配置構成される。結果として、両方のチャンバーは、同じポンプシステムによるポンプ動作が行われるものとしてよく、ソース１１２の出力は、イオントラップ／インターポーザー／チップキャリアアセンブリを通して伝搬し得る。

【0056】

イオントラップ２０６がチップキャリア２０８上に配設された後、ワイヤボンドパッド４１０（さらにはエンクロージャ２００内に含まれる追加の電子機器とのワイヤボンドパッド接続）とワイヤボンドパッド４０８との間にワイヤボンドが作られ、これらは電気的リード１２０に電気的に接続される。

【0057】

いくつかの実施形態において、イオントラップ２０６は、インターポーザーを備えることなくチップキャリアの表面２１２上に直接置かれる。

【0058】

動作３０２において、シール２１６－２を介してハウジング２１０－２をチップキャリア２０８の表面２１４に接合することによってチャンバー２０２－２が形成される。

【0059】

図４Ｃは、ハウジング２１０－２およびチップキャリア２０８が接合されチャンバー２０２－２を形成した後の、エンクロージャ２００の断面図の概略図を示している。

【0060】

ハウジング２１０－２は、中心空洞を備える機械的剛体構造である。ハウジング２１０－２は、その内部で１０^－９Ｔｏｒｒ以下の真空レベルに耐えるように構成される。図示されている例では、ハウジング２１０－２はチタンを含むが、十分な強度および寸法安定性を有する材料であればどのような材料でも、ハウジング２１０－２に使用できる。

【0061】

ソース１１２は、軸Ａ１に沿って整列されるようにハウジング２１０－２の内部底面上に配置され、イオントラップ２０６とともに中心に位置決めされる。好ましくは、ソース１１２は、軸Ａ１に沿ってイオントラップ２０６と同心円状になるように配置されるが、ソースおよびイオントラップの他の配置構成も、本発明の範囲から逸脱することなく使用できる。

【0062】

ソース１１２およびイオントラップ２０６の配置構成の結果、原子フラックス１２８は導管２０４を通して背面（すなわち、基板）側からイオントラップに向けられる。

【0063】

ハウジング２１０－２は、エンクロージャ２００の要素とのすべての電気的接続性をもたらす、電気的リード１２０の間の開放領域内に置かれるように構成されることに留意されたい。そのような構成は、漏出を引き起こし得る電気的貫通接続を回避することによってエンクロージャ内の高い真空レベルを得て維持することを簡素化する。それに加えて、電気信号をチップキャリアを通してエンクロージャに出し入れすることで、エンクロージャの内側に追加の配線を行う必要をなくし、イオントラップを動作させるために必要な高密度電子機器（図示せず）のための従来のプリント基板および集積回路の使用を可能にする。

【0064】

動作３０３において、初期のエンクロージャ２００は、初期のエンクロージャが真空状態にある間に追加の処理動作が行われることを可能にする超高真空（ＵＨＶ）処理システム内に置かれる。

【0065】

図５は、方法３００とともに使用するのに適している例示的なＵＨＶ処理システムの概略図を示す。

【0066】

処理システム５００は、従来のロードロック（ｌｏａｄ ｌｏｃｋ）５０２と、サンプルパーキングステージ（ｓａｍｐｌｅ ｐａｒｋｉｎｇ ｓｔａｇｅ）５０４と、表面処理および解析サブシステム５０６と、パッケージングサブシステム５０８と、堆積サブシステム（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｕｂ－ｓｙｓｔｅｍ）５１０と、トロリーサブシステム５１２とを備える。

【0067】

表面処理および解析サブシステム５０６は、ハウジングおよび／またはイオントラップ／チップキャリアアセンブリの１つまたは複数の表面を、完成したエンクロージャを完全に封止する前に、１０^－９Ｔｏｒｒ以下の底面圧力、さらには１つまたは複数の改質表面の特徴付けで、改質するためのサブシステムである。図示されている例では、表面処理および解析サブシステム５０６は、アルゴンイオンスパッタガンおよびＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）ツールを備える。いくつかの実施形態において、異なる表面処理ツールおよび／または表面解析ツール（たとえば、オージェ分光法、ケルビンプローブツールなど）が、表面処理および解析サブシステム５０６に含まれる。

【0068】

パッケージングサブシステム５０８は、約１０^－９Ｔｏｒｒ以下の底面圧力でエンクロージャ２００のチャンバーの間に真空気密シールを形成するためのサブシステムである。図示されている例では、パッケージングサブシステム５０８は、ハウジングおよび／またはイオントラップ／チップキャリアアセンブリを、いくつかの実施形態では、１２００℃と高い温度を必要とすることもある、シール２１６－１および２１６－２を形成するのに適している温度で処理するように構成されているグラファイトヒーターを備える。また、機械的誘導構造によって可能にされるセルフアライメントプロセスでハウジングおよびチップキャリアを一緒に整列させ積み重ねるように動作可能でもある。パッケージングサブシステム５０８は、トラップ表面のアニーリングおよびハウジングに任意選択で含まれる１つまたは複数の窓の原位置封止も可能にする。

【0069】

堆積サブシステム５１０は、エンクロージャ２００の１つまたは複数の表面を、１０^－９Ｔｏｒｒ以下の底面圧力に保持されている間にスパッタリングするように構成されている従来のスパッタリングシステムである。いくつかの実施形態において、堆積サブシステム５１０は、蒸発システム（たとえば、熱蒸発システム、電子ビーム蒸発システムなど）、化学堆積システム（たとえば、プラズマ増強化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）など）、原子層堆積（ＡＬＤ）システム、および同様のものなどの、異なる材料堆積システムを含む。

【0070】

トロリーサブシステム５１２は、初期のエンクロージャをプロセスシステム全体に通して運ぶことを、１０^－９Ｔｏｒｒ以下の底面圧力に保持されている間に行うことを可能にする。

【0071】

動作３０４において、イオントラップ２０６の表面は、その動作中にトラップ内のイオンが受ける異常加熱を緩和するように処理される。イオントラップの表面の処理は、初期のエンクロージャ２００が高真空に保持されている間に表面処理および解析サブシステム５０６内でアルゴンイオンスパッタシステムを介してスパッタリングを行うことを含む。いくつかの実施形態において、イオントラップ表面は、所望の表面状態を達成するのに適している異なる処理で処理される。

【0072】

動作３０５で、初期のエンクロージャは加熱され、低温吸着ポンプ１１０を活性化する。

【0073】

動作３０６において、シール２１６－１を介してハウジング２１０－１をチップキャリア２０８の表面２１２に接合することによってチャンバー２０２－１が形成される。初期のエンクロージャがシステム５００内で高真空に保持されている間にチャンバー２０２－１を形成することによって、チャンバー２０２－１は、システム５００の状態に等しい初期真空状態－－典型的には、約１０^－９Ｔｏｒｒ以下－－にされる。

【0074】

図４Ｄは、ハウジング２１０－１およびチップキャリア２０８が接合されチャンバー２０２－１を形成した後の、エンクロージャ２００の断面図の概略図を示している。

【0075】

ハウジング２１０－１はハウジング１０６に類似しているが、ハウジング２１０－１はさらにシールド２２２を備える。ハウジング１０６と同様に、ハウジング２１０－１は、窓１１８－１から１１８－３を備え、イオントラップ２０６の動作時にｑｕｂｉｔを光学的に制御するために使用される光信号に対するイオントラップへの光アクセスを提供する。いくつかの実施形態において、ハウジング２１０－１は、その窓のうちの１つまたは複数を置き、封止する前に、チップキャリア２０８に接合される。そのような場合、窓は、また、初期のエンクロージャ２００がシステム５００内に高真空状態で置かれている間に取り付けられ封止される。

【0076】

上で説明されているように、チップキャリア２００より上のイオントラップ２０６の高さは、軸Ａ２に隣接する場所にイオントラップを置くように確立され（インターポーザー２２０を介して）、これは窓１１８－２および１１８－３からイオントラップ２０６の表面に対して平行に配置される。結果として、光信号２２４が電子フラックス１２８内の原子を光イオン化するように軸Ａ２に沿って供給されたときに、その伝搬方向は、軸Ａ１に沿ってこれらの原子の流れに直交し、原子フラックスの速度に関連付けられているドップラー偏移／拡がりを緩和する。

【0077】

ゲッター２１８は、シールド２２２の表面２２６上に配設される、非蒸発型ゲッター（ＮＥＧ）である。シールド２２２は、ハウジング２１０－１がチップキャリア２０８と接合された後にイオントラップ２０６の表面の近くにゲッター２１８を位置決めするように構成される。イオントラップ２０６の表面の近くに置かれるようにゲッター２１８を設けることによって、トラップ寿命が改善される。

【0078】

いくつかの実施形態において、ゲッター２１８は、ハウジング２１０－１の追加の前にチップキャリア２０８に接合される別個の支持体上に配設される。そのような実施形態は、ハウジング２１０－１の構成およびその窓の配置と無関係にゲッターポンプの分離が制御され得るという点で都合がよい。

【0079】

低温吸着ポンプ１１０およびゲッター２１８のいずれかまたは両方は、本発明の範囲から逸脱することなく、チャンバー２０２－１内に配置できることに留意されたい。

【0080】

さらに、方法３００の動作は、任意の順序で実行することができる－－たとえば、チャンバー２０２－１はチャンバー２０２－２の前に形成できる、などである。

【0081】

イオントラップ２０６およびソース１１２を異なるチャンバー内に配置することで材料１２４を昇華させるときに発生する熱の有害な効果を低減するけれども、いくつかの実施形態において（たとえば、極低温動作が必要なときに）、追加の熱安定性が必要になる。結果として、本発明のいくつかの実施形態において、材料１２４の熱昇華ではなく材料１２４のレーザーアブレーションによって原子プルーム１２６が得られる。

【0082】

図６は、本発明の第１の代替的な実施形態による低温での動作を円滑にするためのマルチチャンバーエンクロージャの一部の概略図を示す。エンクロージャ６００はエンクロージャ２００に類似しているが、エンクロージャ６００は原子フラックスを生成するためのアブレーションオーブンを備える。結果として、原子プルームの生成時に発生する熱は著しく減る。

【0083】

ソース６０２は、るつぼ６０４とレーザー６０６とを備えるアブレーションオーブンである。ソース６０２は、アブレーションビーム６０８を材料１２４に照射することによって原子フラックス６１０を含む原子プルームを発生し、ビームは、軸Ａ１に沿って伝搬するように窓１１８－１を通してエンクロージャ６００内に導かれる。結果として、アブレーションビーム６０８は、材料１２４への途中で、導管２０６を通過する。

【0084】

るつぼ６０４は、材料１２４を保持するための従来のるつぼである。いくつかの実施形態において、るつぼ６０４は、ハウジング２１０－１内に組み込まれる。

【0085】

ソース６０２は、それがもっぱら中性原子を含むように原子フラックス６１０を形成するように構成される。したがって、イオントラップ２０６をロードするために、中性原子がイオン化されなければならない。図示されている例では、エンクロージャ６００はレーザー６１２を備え、これは軸Ａ２に沿ってレーザービーム６１４を供給し、原子フラックス６１０内の中性原子を光イオン化し捕獲に適したイオンを形成する共振ソースである。上で説明されているように、好ましくは、軸Ａ１およびＡ２は直交しており、原子フラックスの速度に関連付けられているドップラー偏移／拡がりを緩和する。

【0086】

当業者であれば、本明細書を読んだ後に、ギャップｇの幅が典型的には極めて狭いことを認識するであろう。結果として、イオントラップ２０６内のポート４０４の幅も非常に狭い。結果として、イオントラップに対するアブレーション／ダメージは、アブレーションビーム６０８がポート４０４を通過するときに発生する可能性がある。したがって、いくつかの実施形態において、アブレーションビームは、イオントラップを通過しないようなルートを辿り、イオントラップへのダメージのリスクを軽減する。

【0087】

図７は、本発明の第２の代替的な実施形態によるエンクロージャの顕著な特徴部の断面の概略図を示す。エンクロージャ７００はエンクロージャ６００に類似しているが、エンクロージャ７００は、イオントラップ２０６を通過することなく材料１２４に向けられるアブレーションビームを有するアブレーションオーブンを備える。エンクロージャ７００は、チャンバー２０２－１および７０２と、導管２０４と、イオントラップ２０６と、チップキャリア２０８と、ゲッター２１８（図示せず）と、低温吸着ポンプ１１０と、ソース７０４とを備える。

【0088】

チャンバー７０２は、ハウジング７０６およびチップキャリア２０８の表面２１４によって画成され、これらは、上で説明されているように、シール２１６－２のところで接合される。

【0089】

ソース７０４は、レーザー６０６と、るつぼ７０８と、反射鏡７１０とを備える。エンクロージャ６００と同様に、レーザー６０６はハウジング７０６の外側に配置される。

【0090】

ハウジング７０６は、上で、図１に関して説明されているハウジング１０６に類似している。ハウジング７０６は、レーザー６０６のために材料１２４への光アクセスを可能にするように構成されている窓１１８を備える。

【0091】

るつぼ７０８はるつぼ６０４に類似しているが、るつぼ７０８は、反射鏡７１０を装着し、さらには反射鏡から届くアブレーションビーム６０８の光路に適応するように構成される。アブレーションビーム６０８を受けたことに応答して、るつぼ７０８は、上で説明されているように、軸Ａ１に沿って向けられる、原子フラックス６１０を含む原子プルームを引き起こす。

【0092】

反射鏡７１０は、レーザー６０６からのアブレーションビーム６０８を材料１２４の方へ反射するように配置構成されている従来の第１の表面反射体である。

【0093】

ソース７０４およびハウジング７０６は、レーザー６０６から材料１２４への光路７１２を、アブレーションビーム６０８をイオントラップ２０６に通過させることなく可能にするように構成される。

【0094】

いくつかの実施形態において、極低温動作は重要ではない。そのような実施形態において、低温吸着ポンプ１１０は、小型イオンポンプで置き換えられてよい。

【0095】

図８は、本発明の第３の代替的な実施形態によるエンクロージャの顕著な特徴部の断面図の概略図を示す。エンクロージャ８００はエンクロージャ２００に類似しているが、エンクロージャ８００において、低温吸着ポンプはイオンポンプで置き換えられる。

【0096】

エンクロージャ８００は、チャンバー２０２－１および８０２と、導管２０４と、イオントラップ２０６と、チップキャリア２０８と、ゲッター２１８（図示せず）と、ソース１１２と、イオンポンプ８０４とを備える。

【0097】

チャンバー８０２はチャンバー２０２－２に類似しているが、チャンバー８０２は、流体的に結合されている、サブチャンバー８０８－１および８０８－２を備える。ソース１１２はサブチャンバー８０８－１内に収容され、イオンポンプ８０４はサブチャンバー８０８－２内に収容される。チャンバー８０２は、ハウジング８０６および表面２１４によって画成され、これらは、上で説明されているように、シール２１６－２のところで接合される。

【0098】

エンクロージャ８００は、サーマルオーブンを備えるソースを具備するけれども、他のオーブン（たとえば、アブレーションオーブン）は、本発明の範囲から逸脱することなく、ソース１１２において使用され得ることに留意されたい。

【0099】

本開示は本発明による実施形態のいくつかの例だけを教示すること、および本発明の多くの変更形態は本開示を読んだ後であれば当業者によって容易に考案され得ること、および本発明の範囲は次の請求項によって決定されるべきであることは理解されるべきである。

【符号の説明】

【0100】

１００ エンクロージャ
１０２ チップキャリア
１０４ イオントラップ
１０６ ハウジング
１０８ シール
１１０ 低温吸着ポンプ
１１２ ソース
１１４ 表面
１１６ チャンバー
１１８－１から１１８－３ 窓
１２０ 電気リード
１２２ ワイヤボンド
１２４ 材料
１２６ 原子プルーム
１２８ 原子フラックス
１３０ 高電圧および／またはＲＦ電極
１３０Ａおよび１３０Ｂ 電極アレイ
１３２ 基板
２００ エンクロージャ
２０２－１および２０２－２ チャンバー
２０４ 導管
２０６ イオントラップ
２０８ チップキャリア
２１０－１ ハウジング
２１０－２ ハウジング
２１２ 表面
２１４ 表面
２１６－１ シール
２１６－２ シール
２１８ ゲッター
２２０ インターポーザー
２２２ シールド
２２４ 光信号
２２６ 表面
３００ 方法
４０２ ポート
４０４ ポート
４０６ ポート
４０８ ワイヤボンドパッド
４１０ ワイヤボンドパッド
５００ 処理システム
５０２ ロードロック
５０４ サンプルパーキングステージ
５０６ 表面処理および解析サブシステム
５０８ パッケージングサブシステム
５１０ 堆積サブシステム
５１２ トロリーサブシステム
６００ エンクロージャ
６０２ ソース
６０４ るつぼ
６０６ レーザー
６０８ アブレーションビーム
６１０ 原子フラックス
６１２ レーザー
６１４ レーザービーム
７００ エンクロージャ
７０２ チャンバー
７０４ ソース
７０６ ハウジング
７０８ るつぼ
７１０ 反射鏡
７１２ 光路
８００ エンクロージャ
８０２ チャンバー
８０４ イオンポンプ
８０６ ハウジング
８０８－１および８０８－２ サブチャンバー

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】