具有功能性间隔物的用于控制俘获离子的设备及其制造方法与流程

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1.本公开总体上涉及俘获离子的领域，并且具体地涉及用于控制用于量子计算的俘获离子的设备和制造此类设备的方法。

背景技术：

2.俘获离子是在量子计算机中用作量子位（量子比特）的最有前途的候选之一，因为它们可以借助于电磁场以长的存在期被俘获在可缩放阵列中。目前，最先进的离子阱可以单独地控制大约50量子位，并且可以将多达16量子位保持在完全纠缠的状态下。未来的量子计算机将需要使可控量子位的数量增加到超过100或甚至1000以胜过经典的超级计算机。此外，被用于每个量子位的离子的数量将来会提高到大约6到100个离子，以便在量子计算期间可以更高效地纠错。
3.随着离子数量的增加，对用于控制俘获离子的设备（诸如例如量子计算设备）的面积要求也增加了。假设相邻离子之间的平均距离为10至100μm，并且离子数量为10000，则总的所需面积可以大到100cm2至1m2。因此，增加同时俘获离子的数量同时保持单独控制和测量它们的能力是控制俘获离子并且尤其是在发展到实际量子计算中的主要挑战之一。
4.当按比例增加离子数量时出现的问题是提供大量俘获电极（例如，大于10000），这增加了电极和设备端子之间的电互连的复杂性。此外，设备越大，则需要更复杂的概念来选择性地将激光耦合到离子和使激光与离子去耦合以及保护设备免受外部和内部干扰。由于阱的电极具有微米范围内的制造公差，而这样的设备具有宏观维度，所以对于涉及到大数量离子的情况，设备的高机械稳定性和稳健性是一个主要问题。

技术实现要素：

5.根据本公开的一个方面，一种用于控制俘获离子的设备包括第一基板，所述第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物（spacer）设置在第一基板和第二基板之间并键合（bond）到第一基板和第二基板，间隔物包括将第一金属结构电连接到第二金属结构的电互连，其中，间隔物和第一基板之间或间隔物和第二基板之间的键合是通过晶片键合形成的键合。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。
6.根据本公开的另一方面，一种制造用于控制俘获离子的设备的方法包括提供包括半导体和/或介电材料的第一晶片，以及在第一晶片的主侧形成第一金属结构的图案。提供包括半导体和/或介电材料的第二晶片，并且在第二晶片的主侧形成第二金属结构的图案。提供包括介电材料的间隔物晶片。在间隔物晶片中形成电互连的图案，其中，电互连被配置成将第一金属结构电连接到第二金属结构。间隔物晶片被结构化以形成包括间隔物构件的图案的结构化间隔物晶片，其中，间隔物构件中的至少一些包括电互连。通过晶片键合将结
构化间隔物晶片键合到第一晶片和/或第二晶片，从而在电互连与第一晶片和/或第二晶片之间形成键合。从键合在一起的第一晶片和间隔物晶片或键合在一起的第二晶片和间隔物晶片中单个化用于控制俘获离子的设备。
附图说明
7.附图的要素不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的类似部件。各种所示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥，和/或可以选择性地省略，如果未描述为必需的话。实施例在附图中描绘，并且在以下的描述中示例性地进行了详细描述。
8.图1是用于控制俘获离子的示例性设备的示意性截面图。
9.图2是图1的设备的示意性截面图，其示出激光进入设备的横向光接入（optical access）。
10.图3是图1和2的设备的示意性截面图，其进一步示出包括电互连的间隔物构件。
11.图4a是包括电互连的示例性间隔物构件的示意性俯视图。
12.图4b是图4a的沿截面线a-a的间隔物构件的示意性截面图。
13.图5是包括光通道的示例性间隔物构件的示意性局部截面图。
14.图6是用于控制俘获离子的示例性设备的示意性截面图，其示出了包括光通道的示例性间隔物构件，并示出了配置为设备的内隔壁的示例性间隔物构件。
15.图7是玻璃间隔物的示意性侧视图，其示出了制造穿过玻璃间隔物的水平光通道和/或垂直贯穿连接和/或光阻挡器的过程的各阶段。
16.图8是示出用于控制俘获离子的设备的制造方法的各阶段的流程图。
17.图9a是其上形成第一金属结构的图案的示例性第一晶片（底部晶片）的俯视图。
18.图9b是包括间隔物构件的图案的示例性结构化间隔物晶片的俯视图。
19.图9c是其上形成第二金属结构的图案的示例性第二晶片（顶部晶片）的俯视图。
20.图10a是在设备单个化之后的用于控制俘获离子的示例性设备的透视图。
21.图10b是在设备单个化之后的配备有光阻挡器的示例性间隔物的俯视图。
具体实施方式
22.关于形成或定位或设置或布置或放置在表面“上方”或“下方”的部件、元件或材料层的词语“上方”或“下方”在本文中可用于表示部件、元件或材料层“直接”定位（例如，放置、形成、布置、设置、放置等）在所指表面“上”或“下”，例如，与所指表面直接接触。然而，关于形成或定位或设置或布置或放置在表面“上方”或“下方”的部件、元件或材料层所使用的词语“上方”或“下方”在本文中也可以用于表示部件、元件或材料层“间接”定位（例如，放置、形成、布置、设置、沉积等）在所指表面“上”或“下”，其中，一个或多个附加部件、元件或层布置在所指表面与该部件、元件或材料层之间。
23.参照图1，用于控制俘获离子的设备100可以包括第一基板120和第二基板140。第二基板140沿z方向设置在第一基板120上方。z方向可以代表设备100的高度维度。
24.第二基板140在z方向上与第一基板120间隔开，以便在第一基板120和第二基板140之间限定出空间。
25.第一和第二基板120、140可以是基本上平面的（除了例如通过电极、氧化物或钝化
而创建的表面结构之外）并且可以彼此平行地取向。在图1中，第一和第二基板120、140的平行度示例性地描绘在x方向上，并且例如也可以应用于y方向（未示出）。x方向和y方向彼此垂直，并且在设备100的宽度和长度方向上限定出垂直于z方向的平面。
26.第一基板120和/或第二基板140可以例如包括或者由半导体材料构成，例如硅或碳化硅或绝缘体上硅（soi）。第一基板120和/或第二基板140可以是例如微结构化半导体芯片。在其他示例中，第一基板120和/或第二基板140可以包括或由诸如例如熔融石英或蓝宝石的介电材料构成。
27.第一基板120与第二基板140之间的距离可在例如50μm至1000μm之间的范围内，特别是在100μm至400μm之间，或在200μm至300μm之间。第一基板120和第二基板140例如可以各自具有在例如250μm至1500μm之间的范围内的厚度，特别是在300μm至1000μm之间，更特别是在400μm至750μm之间或500μm至600μm之间。
28.如下面将更详细地进一步描述的，在第一基板120和第二基板140之间限定出的空间包括了一个或多个离子阱，所述离子阱被配置成俘获在该空间中的一个或多个离子180。离子180的位置可由一个或多个离子阱来控制，例如离子180可在空间中沿一个或多个横向方向（例如沿x方向或沿位于与z方向垂直的平面中的任何方向）移动。
29.第一基板120设有设置在第一基板120的主侧（例如，第一基板120的顶侧）的第一电极结构125_2。第二基板140设有设置在与第一基板120的主侧相对的第二基板140的主侧的第二电极结构145_2。也就是说，第二电极结构145_2可以例如在第二基板140的底侧处实现。
30.第一和/或第二电极结构125_2和145_2分别形成了设备100的（一个或多个）离子阱的电极。第一电极结构125_2可以由提供在第一基板120处的第一金属结构125的金属层m3构造出，和/或第二电极结构145_2可以由提供在第二基板140中的第二金属结构145的金属层m3构造出。此外，第一接触焊盘125_1可以被结构化在第一金属结构125的金属层m3中，和/或第二接触焊盘145_1可以被结构化在第二金属结构145的金属层m3中。
31.在一些示例中，第一金属结构125和/或第二金属结构145可以是单层金属结构，即仅由金属层m3构成的金属结构。然而，在下文中，在不失一般性的情况下，第一金属结构125被示例为第一多层金属结构125，并且第二金属结构145被示例为第二多层金属结构145。
32.第一多层金属结构125还可以包括外部端子125_3。外部端子125_3例如也可以在金属3（m3）中形成。外部端子125_3可以被配置成经由电连接170（例如，引线键合）将设备100（并且具体地，其离子阱）连接到外部电路（未示出）。
33.更具体地，第一多层金属结构125和/或第二多层金属结构145可以各自包括例如至少三个金属层。最下面的金属层即所谓的金属1（m1）可以被配置成电屏蔽相应的基板120、140。金属1（m1）可以是连续金属层。金属2（m2）即金属1上方的金属层可以是重分布层，即可以是被用于布线的结构化金属层，例如用于对第一接触焊盘125_1和第一电极结构125_2和/或第二接触焊盘145_1和第二电极结构145_2进行布线。金属2（m2）可通过布置在金属1（m1）与金属2（m2）之间的绝缘层而与金属1（m1）电绝缘。金属3（m3）顶部金属层可以限定用于一个或多个离子阱的电极布置、以及例如用于第一多层金属结构125和第二多层金属结构145之间的电互连（未示出）的接触焊盘布置。
34.如上所述，在图1的示例中，金属3（m3）形成第一接触焊盘125_1和第一电极结构
125_2以及第二接触焊盘145_1和第二电极结构145_2。因此，金属3（m3）通常是结构化金属层，其包括rf电极和（可选地）dc电极和接触焊盘。金属3（m3）通过通孔电连接至金属2（m2），所述通孔穿过布置在金属2（m2）和金属3（m3）之间的电绝缘层而连接。在所示的示例中，在每个（例如半导体）基板120、140上使用三个金属层m1、m2、m3。如果需要，也可以使用更多或更少的金属层。
35.金属层m1、m2、m3可以在微制造处理期间制造。诸如例如cu、al、au、pt、pd、ti、tiw等的金属可被用于金属层m1、m2、m3。金属3（m3）的表面可以镀有化学惰性和导电材料，诸如例如au或pt，以避免表面电荷产生。金属层m1、m2、m3之间的绝缘层可以例如包括硬钝化材料或者可以由硬钝化材料构成，诸如例如氮化硅和/或氧化硅。
36.用于金属层形成和结构化的微制造技术可以例如涉及光刻法（例如包括光致抗蚀剂施加、图案化、蚀刻）和/或沉积技术（例如化学气相沉积（cvd）、物理气相沉积（pvd）、溅射）和/或镀覆技术（例如化学镀覆、电镀）。此外，用于电极形成和结构化的微制造技术可以包括用于结构化光致抗蚀剂层、绝缘层和金属层的蚀刻工艺、和/或用于在（半导体材料的）第一和/或第二基板120、140中形成高度掺杂半导体材料的电极（例如退化硅电极）的半导体掺杂技术。
37.可以在第一基板120和第二基板140之间的空间中实现各种离子操纵区带。这样的不同的离子操纵区带可以在离子加载、离子处理和离子控制方面实现许多不同的功能。
38.例如，离子180可以被俘获在处理区带pz中，在该处理区带中，可以进行俘获离子180（然后充当所谓的量子比特（量子位））之间的量子操作。如果离子180被俘获为量子位，则量子位状态需要被控制和读出。因此，处理区带pz通常可以被俘获离子的基于激光的状态准备的激光所访问和用于读出量子位状态的激光所访问（或者替代地，读出操作可以在分开的读出区带中执行）。此外，可能需要收集来自处理区带pz中的离子180的荧光以用于状态测量。
39.用于控制俘获离子的设备100还可以包括存储区带mz，在该存储区带mz中，离子180被冷却并存储。需要激光以用于离子冷却。此外，离子180可以在存储区带mz与处理区带pz之间移动。
40.图2通过示例的方式示出了设备100允许激光220在设备100的一侧、多侧或所有侧处沿横向方向被引入到设备100的中心区（例如，通过间隔物构件360（图3）之间的自由空间，或者通过在间隔物构件360中实现的光学端口（例如，图5的光通道520、540））。由于在未来的应用中，要操纵多个离子操纵区带中的大量离子180，因此可能难以提供对俘获离子180的适当且充分的横向光接入。
41.此外，箭头oc指示由散射光引起的在不同离子操纵区带（例如处理区带pz和存储区带mz）中俘获的离子180之间的光串扰。离子180的数量越多，抑制不期望的光串扰oc就越困难。
42.更具体地说，可能发生两种不同类型的光串扰oc。在所示的示例中，横向激光束220聚焦在处理区带pz中的离子上，但是发散和表面散射光的一部分也会无意地撞击存储区带mz中的离子，从而导致它们的量子态的失相。此外，当读出处理区带pz中的离子的量子态时，它将在所有方向上发射具有读出波长的光。如果该光被例如存储区带mz中的其他离子吸收，则它们的量子态会由于被读出而塌缩。
43.具体讲，需要保护量子计算设备的处理区带pz中的俘获离子180免于散射光和干扰电场。因此，在设备100中，并且尤其是对于设备100中的处理区带pz，期望高度的光可接入性和高度的干扰屏蔽。
44.随着离子180的数量增加而加剧的另一问题是外部电路（未示出）与第一电极结构125_2及第二电极结构145_2之间的电互连的增加复杂性。
45.参照图3，间隔物360设置在第一基板120和第二基板140之间并键合到它们。间隔物360限定了第一和第二基板120、140之间的距离。如将在下文中更详细地描述的，间隔物360可包括多个间隔物构件，并设有应对以上解决的问题中的一个或多个的功能。
46.更具体讲，间隔物360包括将第一金属结构125电连接到第二金属结构145的电互连365。电互连365可以作为贯穿连接穿过间隔物360的块体材料361。例如，间隔物材料361可以是例如玻璃或任何其他介电材料，特别是在操作期间提供低rf损耗的任何介电材料。
47.根据一些示例，第二基板140可以不设有任何外部端子。换句话说，到外部电路（未示出）的整个电连接性可以由第一基板120提供，并且例如更具体地由在第一基板120处实现的外部端子125_3提供。外部电路（未示出）和第二金属结构145之间的电连接性可以经由间隔物360专门布线。
48.图4a示出了示例性间隔物460的俯视图。间隔物460可由多个单独的间隔物构件构成。在图4a所示的示例中，间隔物460包括两个间隔物构件460_1、460_2。
49.间隔物构件460_1、460_2可布置在设备100的纵向侧处（在x方向上）。例如，间隔物构件460_1、460_2可沿着设备100的整个长度延伸。
50.间隔物构件460_1、460_2各自可包括电互连365，其可例如包括多个垂直电贯穿连接。垂直贯穿连接例如可以由具有金属化内壁或填充有导电材料（诸如例如金属或掺杂半导体材料）的垂直孔462来实现。垂直孔462可以例如布置成排。每排垂直孔462可以例如与设备100的纵向侧对准。
51.图4b示出了沿图4a的截面线a-a延伸穿过间隔物460（例如间隔物构件460_1）的示例性垂直孔462的视图。截面图还示出了附接到间隔物460的第一和第二基板120、140。孔462的金属化内壁的侧壁金属464可以是例如金的。侧壁金属464连接到间隔物460的底表面和顶表面上的键合区域466（例如也是au的）。键合区域466分别键合到第一和第二基板120、140处的第一和第二接触焊盘125_1、145_1。如下面将更详细描述的，这些键合例如可以通过晶片键合来实现，即在晶片级上生成。
52.垂直孔462可通过晶片级微制造技术来制造，且因此可在邻近的孔壁之间彼此间隔开较短距离，诸如例如仅几微米或几十微米。这可以允许在间隔物460中在第一基板120和第二基板140之间容纳整个电连接。
53.间隔物460（例如，间隔物构件460_1、460_2）可以进一步提供额外的键合区域468。与键合区域466类似，额外键合区域468可以由金属层形成，例如与键合区域466的金属相同的金属（例如au）的层。然而，取决于被用于键合的技术（例如晶片键合），半导体材料或玻璃也可被用于键合目的。
54.通常，第一基板120和第二基板140可以由晶片来表示，或由已经从相应晶片切成小片的芯片来表示。如果第一基板120和第二基板140是晶片，则通过晶片键合技术将间隔物460或间隔物构件460_1、460_2键合到第一基板120（晶片）和/或第二基板140（晶片），所
述晶片键合技术被选择为适于键合间隔物460（或间隔物构件460_1、460_2）的材料361和第一基板120和/或第二基板140的材料（也参见图8a-8d）。或者，所选择的晶片键合技术可适于键合相应层的材料，其用作形成在第一基板120和/或第二基板140上和/或间隔物460上的键合界面层——诸如例如键合区域466和/或额外键合区域468。
55.间隔物460和第一基板120之间的键合或者间隔物460和第二基板140之间的键合可以是例如玻璃键合或者共晶键合或者阳极键合或者热压键合。其他合适的键合技术是粘合剂键合（中间层例如通过旋涂、喷涂等施加到晶片之一，并且一旦其固化就将晶片“粘”在一起）和slid（固液相互扩散）键合，其中，使用具有不同熔点的两相系统来产生金属间相，其中，金属间相产生已经在相对低的温度下发生。
56.晶片键合技术允许在例如几微米的范围内的第一基板120、间隔物360、460和第二基板140之间的对准精度。这允许将间隔物460功能化以在第一基板120和第二基板140之间提供密集的多通道电互连。此外，由于第一和第二（例如多层）金属结构125、145可以相对于彼此对准的高对准精度，这可以增加在第一基板120和第二基板140之间俘获的离子180的数量。
57.此外，晶片键合可提供高机械稳定性和稳健性。对于设备100的到更高数量的离子180的高级可缩放性来说，需要高机械稳定性和稳健性。
58.例如，第一基板120和/或第二基板140可以由块体硅基板来实现，和/或间隔物460可以是玻璃间隔物（即间隔物材料361是玻璃的）。在其他示例中，第一基板125和/或第二基板145可以是碳化硅、绝缘体上硅、熔融二氧化硅或蓝宝石。所有这些材料都可以在晶片级上处理，并且适于晶片键合。
59.如图4a所示，间隔物460（例如间隔物构件460_1、460_2）可以设有面向离子阱的内部金属化侧壁470。金属化侧壁470可以是具有例如等于或大于4ev的高功函数的金属的，以避免由读出激光引起的电子的光电发射。此外，金属化侧壁470的金属应该是化学惰性的，以最小化由表面污染引起的电荷散射。例如，au、pt或pd是用于金属化侧壁470的表面金属化的合适候选。
60.此外，如果用于形成金属化侧壁470的材料与用作键合材料的材料是相同的材料，即与用于键合区域466和/或额外键合区域468的材料是相同的材料，则是有益的。这些材料还需要提供高的机械性质和稳健性，以应对在设备100的操作期间的热应力。
61.此外，期望间隔物460（或间隔物构件460_1、460_2）的材料361具有低rf损耗（在大约1-50 mhz）的特征，以使第一电极结构125_2和/或第二电极结构145_2的rf电极的热功率耗散保持为低。
62.考虑到这些限制，已经发现，选择au作为侧壁金属464、键合区域金属466、额外键合区域金属468（如果存在的话）和金属化侧壁470的金属与玻璃的间隔物材料361的组合提供了设备100的最佳特性。玻璃提供了rf电极的非常低的热功率耗散。金的功函数是5.3ev，因此足够大以避免由读出激光引起的电子的光电发射。au是化学惰性的。此外，au可以实现au-au热压晶片键合和au-si共晶晶片键合。这两种晶片键合（即au-au和au-si）都具有高稳健性的特征，以成功地应对热应力。
63.可在间隔物460中（例如，在单独的间隔物构件460_1、460_2中）实现的附加功能性是光可接入性。更具体地说，在间隔物460中可以包括一个或多个光学端口，以允许激光被
引入和/或聚焦到第一和第二基板120、140之间的空间中。例如，参考图5，间隔物460可以包括至少一个间隔物构件460_3，其设有水平光通道520，该水平光通道被配置成使光通过间隔物构件460_3到达离子阱。光通道520可被限定在间隔物构件460_3的下部460_3l与间隔物构件460_3的位于下部460_3l上方的上部460_3u之间。水平光通道520可由具有例如金属化内壁524的一个或多个水平蚀刻开口（例如，形成为一个或多个狭缝）形成。上述所有金属特别是au可用于光通道金属化。
64.在一个示例中，光通道520可以是光波导（蚀刻波导）。
65.此外，间隔物460可以包括至少一个间隔物构件（例如，间隔物构件460_3），其设有被配置成使光通过间隔物构件460_3到达离子阱的另一个光通道540。光通道540可以位于间隔物构件460_3和第一基板120之间的界面处（或者，替代地或另外地，位于间隔物构件460_3和第二基板140之间的界面处）。光通道540可由在间隔物构件460_3的表面（这里，例如间隔物构件460_3的下部460_3l的下表面）处的一个或多个掺杂的微结构化的区域形成。
66.光通道540可以例如形成光波导，例如掺杂和结构化的界面波导。
67.参照图6，用于控制俘获离子的设备600可以配备有光学端口，例如图5所示的光通道520或波导（图5可以对应于图6的细节d），以及配备有多个垂直孔462，其具有金属化内壁或导电填充物，如例如图4a和4b所示。激光220通过在间隔物460中实现的光通道520耦合到离子阱。激光220与离子180相互作用，并且在相对侧被间隔物460的金属化侧壁470阻挡。
68.也就是说，可以与光通道520结合使用或独立使用的间隔物460的金属化侧壁470可以用作光阻挡器，以防止散射光到达其他离子俘获区带（图6中未示出）并且防止电子的光电发射。下面进一步更详细地描述集成在间隔物460中的光阻挡器（图8b和8d）。应当注意，间隔物460不必是单个部分间隔物，而是可以由多个间隔物构件460_1、460_2、460_3构成（见图4a-b、5）。
69.间隔物460还设有垂直贯穿连接，例如具有金属化内壁（或全金属填充物）的垂直孔462，其中两个垂直孔462a、462b在图6中示出。用作光阻挡器的金属化侧壁470的金属可以例如与用于电互连365的侧壁金属464相同。外部垂直孔462a通过第二金属结构145的金属m2将第二基板140处的第二电极结构145_2a互连到第一基板120处的外部端子125_3a。内部垂直孔462b通过第一金属结构125的金属m2将第二电极结构145_2b与第一金属结构125的外部端子125_3b互连。第一金属结构125的第一电极结构125_2a和125_2b分别布线到位于例如设备600的相对侧的外部端子125_3c和125_d。
70.换句话说，第一基板120的仅（中心）部分可以与第二基板140重叠，以便保持外部端子125_3a、125_3b、125_3c、125_3d可被访问，以用于将它们电连接到外部电路（例如，通过引线键合）。此外，图6示出了其中间隔物460与第一和第二基板120、140之间的晶片键合区域可以通过金属-玻璃键合和/或通过金属-金属键合（例如au-au热压键合）形成的示例。
71.图7示出了在玻璃间隔物360、460中制造水平光通道和/或垂直贯穿连接和/或光阻挡器的过程的制造阶段。例如，可以使用lide（激光诱导深蚀刻）工艺。lide技术可以在玻璃中产生具有高纵横比的深结构。结构（例如孔、狭缝等）可以具有小至仅几μm的宽度尺寸。
72.玻璃基板700（例如可以是玻璃晶片）经受lide工艺。根据所需的布局，通过激光对玻璃进行局部改性。通过这种称为lide激光图案化的工艺，产生了如图7所示的改性玻璃区域710。
73.通过湿法化学蚀刻，例如hf蚀刻，除去玻璃基板700的改性玻璃区域710，以产生开口（例如通道、孔、狭缝、切口等）720。
74.可选地，开口720的侧壁被金属层730涂覆。金属涂覆可以通过金属溅射或其他pvd（物理气相沉积）或cvd（化学气相沉积）工艺进行。如图7所示的金属涂覆可以用于产生金属化内壁524、侧壁金属464、金属化侧壁470和/或具有金属化内壁462的垂直孔。作为替选或附加地，无电镀覆可被用于金属沉积。
75.金属层730可以可选地通过例如喷涂光刻和选择性蚀刻来结构化，以提供结构化金属层730'。
76.参考图8，制造用于控制俘获离子的设备（例如设备100、600）的示例性工艺使用了微制造步骤和晶片键合技术。尽管图8的示例性工艺使用了晶片键合技术，但是可以执行类似的工艺，其中，第一基板120、第二基板140和间隔物360、460在芯片级而不是在晶片级上键合，即，其中，单个设备100、600逐设备地组装。
77.更具体讲，在s1，提供包括半导体和/或介电材料的第一晶片（底部晶片）。第一晶片在横向方向上的尺寸可以大于例如4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸。
78.在s2，在第一晶片的主侧形成第一金属结构的图案。可以使用标准的晶片级微制造技术，其包括金属沉积技术（例如pvd、cvd、溅射）和光刻技术。例如，图9a示出了其上形成有第一金属结构的图案（这里，描绘了包括四个金属结构的图案的一部分）的示例性第一晶片的俯视图。
79.在s3，提供包括半导体和/或介电材料的第二晶片（顶部晶片）。第二晶片可以是与第一晶片不同的材料，或者可以是与第一晶片相同的材料。第二晶片在横向方向上的尺寸可以等于或大于例如4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸。
80.在s4，在第二晶片的主侧形成第二金属结构的图案。第二金属结构的图案可以通过如上所述的晶片级微制造技术形成。每个图案可以提供用于控制俘获离子的特定设备的第二金属结构。例如，图9c示出了其上形成有第二金属结构的图案（这里，描绘了包括四个金属结构的图案的一部分）的示例性第二晶片的俯视图。
81.在s5，提供包括介电材料的间隔物晶片。间隔物晶片可以是玻璃、蓝宝石、熔融石英、半导体材料（例如硅）等。
82.在s6，在间隔物晶片中形成电互连的图案，其中，电互连被配置成将第一金属结构电连接到第二金属结构。例如，电互连可以由具有如上所述的金属化内壁的垂直孔来实现。
83.在s7，间隔物晶片被结构化以形成包括间隔物构件的图案的结构化间隔物晶片，其中，至少一些间隔物构件包括电互连。举例来说，图9b示出了包括间隔物构件的图案（此处，描绘了包括用于四个设备的间隔物构件的图案的一部分）的示例性玻璃间隔物晶片的俯视图。
84.作为示例，图4a示出了从间隔物晶片结构化的两个间隔物构件460_1、460_2。该结构化过程可以通过晶片级微制造技术（例如微机电系统（mems）领域中已知的技术）来执行。这种工艺可以产生具有高拓扑（例如，一百或几百微米或更大）的微系统，如在本文公开的用于控制俘获离子的设备中所用的。
85.在s8，通过晶片键合将结构化间隔物晶片键合到第一晶片和/或第二晶片。如上所述，该晶片键合步骤可以通过晶片键合技术来进行，诸如例如玻璃键合、共晶键合、阳极键
合、热压键合、粘合剂键合或固液相互扩散键合。
86.在一些示例中，可以使用玻璃晶片键合技术，其可以被应用于在半导体和/或介电材料的所有组合之间产生键合。玻璃键合不需要任何金属层作为键合剂。例如，特别地，如果间隔物晶片包括玻璃或是玻璃的，则可以使用玻璃键合技术。
87.共晶键合可以例如被用于将半导体（例如硅晶片）键合到另一个半导体晶片（例如硅晶片）或玻璃晶片（例如间隔物晶片）。在共晶键合中，使用中间界面金属层（例如au或al）来耦合要键合的晶片。
88.根据其他示例，可以使用阳极键合。在阳极键合中，玻璃晶片或半导体晶片上的玻璃层被键合到另一个半导体晶片。也就是说，该技术不需要任何金属层来进行键合。它可以将半导体晶片（加上中间玻璃层）或半导体晶片和玻璃晶片两者键合在一起。
89.其他合适的晶片键合技术包括热压键合（也称为扩散键合）。在热压键合中，使两种金属例如au-au进行接触，并且同时施加力和热。该键合技术可以例如用于设备600，其用于借助于通孔金属层462a、462b以及第一和/或第二基板（晶片）120、140上的相应金属层来控制俘获离子。
90.在s9，来自键合在一起的第一晶片和间隔物晶片或第二晶片和间隔物晶片（或键合在一起的第一晶片、间隔物晶片和第二晶片）的用于控制俘获离子的设备被单个化。可以在晶片堆叠处沿着公共切割线cl（见图9a、9b、9c）进行设备单个化。
91.图10a示出了在设备单个化之后的用于控制俘获离子的示例性设备1000。设备1000对应于图9a-9c中所示的晶片和间隔物图案化和设备单个化（沿切割线cl）。
92.设备1000类似于设备100和600，并且为了避免重复，参考以上描述。第一金属结构125可以包括可用于将第一金属结构125的rf和dc电极电连接到外部电路（未示出）的外部端子125_3、和位于限定在间隔物构件1060之间的自由空间的区域中的金属化区带125_4。
93.第二基板140可以可选地包括顶侧开口1050。例如形状为条状电极的第二金属结构145可以例如连接到外部端子145_3。
94.从图9a-9c和图10中可以明显看出，用于控制俘获离子的设备1000的设计提供了到离子俘获区带的垂直（通过顶侧开口1050）和横向光接入。由于沿切割线cl的设备单个化工艺，间隔物构件1060可以与第一基板120和/或第二基板140的转角对准。
95.图10b是包括图9b和10a所示的间隔物构件1060的示例性间隔物的俯视图。图10b所示的特征可用于本文所公开的所有间隔物360、460和所有间隔物构件360_1、360_2、360_3中。
96.图10b示出了一些间隔物构件1060（这里为两个左侧间隔物构件1060）配备有集成光阻挡器1060_1。如上文所提及的，光阻挡器1060_1可具有金属化侧壁470。
97.光阻挡器1060_1可以防止保持在不同离子操纵区带中的离子之间的光串扰。一些离子操纵区带可以在光阻挡器1060_1后彼此分离。更具体讲，图10b通过示例的方式示出了隐藏在光阻挡器1060_1后的离子存储区带mz（即，离子存储区）和/或隐藏在光阻挡器1060_1后的离子读出区带rz。在该示例中，离子处理区带pz和/或加载区带lz位于设备1000的中心区中，并且通过光阻挡器1060_1与存储区带mz和读出区带rz屏蔽。图10b中描绘的箭头示出了在不同离子操纵区带mz、pz、rz、lz之间可能的横向离子穿梭（shuttling）。
98.以下示例涉及本公开的其他方面。
99.示例1是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间并键合到第一基板和第二基板。该间隔物包括将第一金属结构电连接到第二金属结构的电互连。间隔物与第一基板或间隔物与第二基板之间的键合是由晶片键合形成的键合。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。
100.在示例2中，示例1的主题可以可选地包括，其中，所述键合是玻璃键合或共晶键合或阳极键合或热压键合或粘合剂键合或固液相互扩散键合。
101.在示例3中，示例1或2的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有水平光通道，所述水平光通道被配置成使光通过所述间隔物构件到达所述离子阱，所述光通道被限定在所述间隔物构件的下部与所述间隔物构件的上部之间。
102.在示例4中，示例1或2的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有水平光通道，所述水平光通道被配置成使光通过所述间隔物构件到达所述离子阱，所述光通道位于所述间隔物构件与所述第一基板或所述第二基板之间的界面处。
103.在示例5中，示例3或4的主题可以可选地包括，其中，所述光通道被形成为具有金属化内壁的开口。
104.在示例6中，示例3或4的主题可以可选地包括，其中，所述光通道是光波导。
105.在示例7中，任何前述示例的主题可以任选地包括，其中，电互连包括具有金属化内壁的多个垂直孔。
106.在示例8中，任何前述示例的主题可以任选地包括，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有面向所述离子阱的金属化侧壁。
107.在示例9中，任何前述示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物包括被配置为所述设备的内隔壁的至少一个间隔物构件，所述间隔物构件被配置成充当所述设备的第一离子阱和第二离子阱之间的光屏蔽。
108.在示例10中，任何前述示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。
109.在示例11中，任何前述示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物的金属化壁是au、pt、pd、nb、al或cu的。
110.示例12是一种用于控制俘获离子的设备的制造方法。该方法包括提供包括半导体和/或介电材料的第一晶片；在第一晶片的主侧形成第一金属结构的图案；提供包括半导体和/或介电材料的第二晶片；在第二晶片的主侧形成第二金属结构的图案；提供包括介电材料的间隔物晶片；在所述间隔物晶片中形成电互连的图案，其中，电互连被配置成将第一金属结构电连接到第二金属结构；结构化所述间隔物晶片以形成包括间隔物构件的图案的结构化间隔物晶片，其中，所述间隔物构件中的至少一些包括电互连；通过晶片键合将结构化间隔物晶片键合到第一晶片和/或第二晶片，从而在电互连与第一晶片和/或第二晶片之间形成键合；以及，从键合在一起的第一晶片和间隔物晶片或第二晶片和间隔物晶片中单个
化用于控制俘获离子的设备。
111.在示例13中，示例12的主题可以可选地包括，其中，通过玻璃键合或共晶键合或阳极键合或热压键合或粘合剂键合或固液相互扩散键合来执行晶片键合。
112.在示例14中，示例12或13的主题可以可选地包括，在晶片级上对间隔物构件的侧壁进行金属化。
113.在示例15中，示例12至14中的任一示例的主题可以可选地包括，在晶片级上在间隔物构件中形成水平光通道或光波导。
114.示例16是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间。该间隔物包括将第一金属结构电连接到第二金属结构的电互连。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。
115.在示例17中，示例16的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物与所述第一基板之间的键合或者所述间隔物与所述第二基板之间的键合是通过晶片键合而形成的键合。
116.在示例18中，示例17的主题可以可选地包括，其中，所述键合是玻璃键合或共晶键合或阳极键合或热压键合或粘合剂键合或固液相互扩散键合。
117.示例19是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。该间隔物包括至少一个间隔物构件，该间隔物构件设有水平光通道，该水平光通道被配置成使光通过该间隔物构件到达该离子阱，该光通道被限定在该间隔物构件的下部与该间隔物构件的上部之间。
118.在示例20中，示例19的主题可以可选地包括，其中，所述光通道被形成为具有金属化内壁的开口。
119.在示例21中，示例19的主题可以可选地包括，其中，所述光通道是光波导。
120.在示例22中，示例19至21中任一示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物包括将所述第一金属结构电连接到所述第二金属结构的电互连，其中，所述电互连包括具有金属化内壁的多个垂直孔。
121.在示例23中，示例19至22中任一示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。
122.示例24是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。该间隔物包括至少一个间隔物构件，该间隔物构件设有水平光通道，该水平光通道被配
置成使光通过该间隔物构件到达该离子阱，该光通道位于该间隔物构件与该第一基板或该第二基板之间的界面处。
123.在示例25中，示例24的主题可以可选地包括，其中，所述光通道被形成为具有金属化内壁的开口。
124.在示例26中，示例24的主题可以可选地包括，其中，所述光通道是光波导。
125.在示例27中，示例24至26中任一示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物包括将所述第一金属结构电连接到所述第二金属结构的电互连，其中，所述电互连包括具有金属化内壁的多个垂直孔。
126.在示例28中，示例24至27中任一示例的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。
127.示例29是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。该间隔物包括至少一个间隔物构件，该间隔物构件设有面向该离子阱的多个金属化侧壁。
128.在示例30中，示例29的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物的金属化侧壁是au、pt、pd、nb、al或cu的。
129.在示例31中，示例29或30的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。
130.示例32是一种用于控制俘获离子的设备。该设备包括第一基板，该第一基板包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，该第二基板包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。该间隔物包括被配置为该设备的内隔壁的至少一个间隔物构件，该间隔物构件被配置成充当该设备的第一离子阱和第二离子阱之间的光屏蔽。
131.在示例33中，示例32的主题可以可选地包括，其中，被配置为该设备的内隔壁的至少一个间隔物构件具有au、pt、pd、nb、al或cu的金属化壁。
132.在示例34中，示例32或33的主题可以可选地包括，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。
133.尽管在此已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以有各种替代和/或等同实现来替代所示出和描述的特定实施例。本技术旨在覆盖这里讨论的特定实施例的任何改编或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物来限定。

技术特征：

1.一种用于控制俘获离子的设备，所述设备包括：第一基板，包括半导体和/或介电材料；第一金属结构，设置在所述第一基板的主侧；第二基板，包括半导体和/或介电材料；第二金属结构，设置在与所述第一基板的主侧相对的所述第二基板的主侧；间隔物，设置在所述第一基板与所述第二基板之间并键合到所述第一基板和所述第二基板，所述间隔物包括将所述第一金属结构电连接到所述第二金属结构的电互连，其中，所述间隔物与所述第一基板之间或所述间隔物与所述第二基板之间的键合是通过晶片键合而形成的键合；以及至少一个离子阱，被配置成俘获在所述第一基板和所述第二基板之间的空间中的离子，所述第一金属结构和所述第二金属结构包括所述离子阱的电极。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述键合是玻璃键合或共晶键合或阳极键合或热压键合或粘合剂键合或固液相互扩散键合。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有水平光通道，所述水平光通道被配置成使光通过所述间隔物构件到达所述离子阱，所述光通道被限定在所述间隔物构件的下部与所述间隔物构件的上部之间。4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有水平光通道，所述水平光通道被配置成使光通过所述间隔物构件到达所述离子阱，所述光通道位于所述间隔物构件与所述第一基板或所述第二基板之间的界面处。5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述光通道被形成为具有金属化内壁的开口。6.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述光通道是光波导。7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电互连包括具有金属化内壁的多个垂直孔。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述间隔物包括至少一个间隔物构件，所述至少一个间隔物构件设有面向所述离子阱的金属化侧壁。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述间隔物包括被配置为所述设备的内隔壁的至少一个间隔物构件，所述间隔物构件被配置成充当所述设备的第一离子阱和第二离子阱之间的光屏蔽。10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述间隔物是玻璃间隔物。11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述间隔物的金属化壁是au、pt、pd、nb、al或cu的。12.一种制造用于控制俘获离子的设备的方法，所述方法包括：提供包括半导体和/或介电材料的第一晶片；在所述第一晶片的主侧形成第一金属结构的图案；提供包括半导体和/或介电材料的第二晶片；在所述第二晶片的主侧形成第二金属结构的图案；提供包括介电材料的间隔物晶片；
在所述间隔物晶片中形成电互连的图案，其中，电互连被配置成将第一金属结构电连接到第二金属结构；结构化所述间隔物晶片以形成包括间隔物构件的图案的结构化间隔物晶片，其中，所述间隔物构件中的至少一些包括电互连；通过晶片键合将所述结构化间隔物晶片键合到所述第一晶片和/或所述第二晶片，从而在所述电互连与所述第一晶片和/或所述第二晶片之间形成键合；以及从键合在一起的第一晶片和间隔物晶片或第二晶片和间隔物晶片中单个化用于控制俘获离子的所述设备。13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过玻璃键合或共晶键合或阳极键合或热压键合或粘合剂键合或固液相互扩散键合来执行晶片键合。14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：在晶片级上对间隔物构件的侧壁进行金属化。15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括：在晶片级上在间隔物构件中形成水平光通道或光波导。

技术总结

用于控制俘获离子的设备包括第一基板，其包括半导体和/或介电材料。第一金属结构设置在第一基板的主侧。该设备还包括第二基板，其包括半导体和/或介电材料。第二金属结构设置在与第一基板的主侧相对的第二基板的主侧。间隔物设置在第一基板和第二基板之间并键合到第一基板和第二基板。间隔物包括将第一金属结构电连接到第二金属结构的电互连。间隔物与第一基板或间隔物与第二基板之间的键合是由晶片键合而形成的键合。至少一个离子阱被配置成俘获在第一基板和第二基板之间的空间中的离子，第一金属结构和第二金属结构包括离子阱的电极。电极。电极。