Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Atomfalle sowie eine da- nach hergestellte Atomfalle.

Atomfallen sind Vorrichtungen zur Speicherung von neutralen Atomen und/oder lo- nen. Diese werden üblicherweise im Falle von Ionen mittels eines elektrischen Fel- des und im Falle von neutralen Atomen mittels eines magnetischen Felds sowie Küh- lung der zu fangenden Ionen oder Neutralatome in der Atomfalle gefangen. Zur Küh- lung kann beispielsweise das Verfahren der Laserkühlung eingesetzt werden.

Unter Speichern ist insbesondere zu verstehen, dass die Neutralatome oder Ionen die Atomfalle oder das jeweilige Feld über einen Zeitraum von zumindest einer Se- kunde, vorzugsweise von zumindest einer Minute, weiter vorzugsweise von zumin- dest 10 Minuten nicht verlassen.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter einer Atomfalle eine Vorrichtung zur Er- zeugung eines solchen elektrischen und/oder magnetischen Feldes verstanden, mit- tels derer Atome oder Ionen speicherbar sind. Mit anderen Worten sind gegebenen- falls notwendige Kühlvorrichtungen nicht Teil der beanspruchten Erfindung.

Zum Fangen bzw. Speichern der Neutralatome oder Ionen werden bevorzugt inho- mogene Magnetfelder oder inhomogene elektrische Felder verwendet. Es ist mög- lich, beispielsweise mittels Photoionisation, Neutralatome zunächst in Ionen zu über- führen und diese dann in elektrischen Feldern zu speichern.

Bei den Ionen kann es sich insbesondere um einatomige, aber auch um mehrato- mige Ionen, also Molekül-Ionen, handeln.

Atomfallen werden unter anderem in der Quanteninformationsverarbeitung, beispiels- weise als Quantensensoren oder für Quantensensoren, eingesetzt. Sie können aus mikrotechnischen Strukturen gebildet werden. Hierbei ist es beispielsweise möglich und insbesondere vorteilhaft, mehrlagige Atomfallen zu bilden. Diese weisen meh- rere übereinanderliegende Lagen auf, die ihrerseits jeweils elektrische Leiterstruktu- ren aufweisen. Hierbei ist es notwendig, dass die einzelnen Lagen reproduzierbar und mit geringen Abweichungen herstellbar sind, da sich Unregelmäßigkeiten durch das Aufeinanderaufbringen der Lagen fortpflanzen und sich addieren. Dies führt im Stand der Technik häufig zu Herstellungsschwierigkeiten.

Darüber hinaus sollen die unterschiedlichen Leiterstrukturen in den einzelnen Lagen miteinander leitend in Verbindung stehen, was im Stand der Technik, insbesondere bei einem Prozess mit der notwendigen Reproduzierbarkeit und Freiheit von Unre- gelmäßigkeiten sowie den benötigten Schichtdicken und Materialkombinationen, nur schwierig zu realisieren ist.

Zudem sind Atomfallen sehr anfällig gegenüber insbesondere elektrischen Störfel- dern. Atomfallen benötigen ein insbesondere zeitlich in sich möglichst wohldefinier- tes, insbesondere konstantes elektrisches und/oder magnetisches Feld zum Spei- chern von Atomen und/oder Ionen.

Zur Erzeugung der elektrischen Felder müssen insbesondere hohe Spannungen von mehreren Volt bis zu mehreren Hundert Volt an die Leiterstrukturen angelegt werden, ohne die Strukturen zu beschädigen. Die resultierenden, insbesondere stark inhomo- genen elektromagnetischen Felder dienen dazu, die Atome möglichst stark in der Atomfalle einzuschließen, sodass der hierdurch gegebene Einschluss wesentlich stärker ist als eventuell auftretende Störfelder.

Weiterhin lassen sich beispielsweise Störfelder minimieren, indem große Aspektver- hältnisse realisiert werden, sodass auf exponierten Dielektrika unterhalb der Leiter- schicht akkumulierte Ladungen möglichst kleine elektrische Felder am Ort oberhalb der Struktur erzeugen, wo die Atome gespeichert werden. Unter Aspektverhältnis ist insbesondere die Höhe der elektrischen Leiterstrukturen im Vergleich zu den Lücken zwischen denselben Leiterelementen zu verstehen.

Aus dem Artikel„Fabrication of a planar micro Penning trap and numerical investiga- tions of versatile ion positioning protocols” von Hellwig et al, New J. Phys. 12 (2010), S. 065019-1 - 065019-10 wird die Herstellung einer Penning-Falle mit wabenförmi- ger Fallenstrukur beschrieben. Dazu wird in einem Formschritt Gold elektrochemisch abgeschieden. Die Herstellung von Strukturen, mittels derer komplexe magnetische Felder erzeugt werden können, ohne dass Störfelder auftreten, ist mit einem solchen Verfahren kaum möglich.

Aus dem Artikel„Experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps“ von Hong et al, J. Vis. Exp. 126 (2017), S. e56060-1 - e56060-14 wird eine Paul-Falle beschrieben, die durch sukzessives Aufbringen von Leiterbah- nen hergestellt wird. Die Leiterbahnen werden durch Aufschleudern von Fotolack, Strukturieren und Entfernen hergestellt. Mit dem dort beschriebenen Verfahren ist das Herstellen von Strukturen, die große elektrische Ströme mit hinreichend elektri- schem Widerstand leiten, kaum möglich.

In der Dissertation„Integrated electromagnets and radiofrequency spectroscopy in a planar Paul trap“ von Bautista-Salvador, Kapitel 3; Dissertation, Universität Ulm, 2015; DOI: 10.18725/OPARU-3352 wird die Herstellung einer Paul-Falle beschrie- ben, bei der Goldlagen elektrochemisch aufgebracht werden. In unterschiedlicher Richtung verlaufende Elektroden in verschiedenen Ebenen werden in der Disserta- tion nicht beschrieben.

In dem Artikel„Implementation of a Symmetrie surface-elektrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect“ von Allcock et al, New J. Phys. 12 (2010), S. 053026-1 - 053026-18 wird ebenfalls eine Paul-Falle beschrieben, in der Elektroden durch elektrochemisches Abscheiden hergestellt wurden. Auch diese Druckschrift befasst sich nicht mit dem Aufbringen mehrerer Lagen an Elektroden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung von Atomfallen zu verbessern.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Schritten: (a) Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Startschicht auf ein Substrat, (b) Aufbringen zumindest ei- nes elektrischen Leiterelements auf die Startschicht mittels elektrochemischer Ab- Scheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren, (c) Aufbringen zumindest eines Kontaktie- rungselements mittels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfah- ren, sodass das zumindest eine Kontaktierungselement elektrisch leitend mit dem zumindest einen elektrischen Leiterelement verbunden ist, (d) Entfernen der Start- schicht in Bereichen, in denen kein elektrisches Leiterelement aufgebracht wurde, (e) Aufbringen einer Isolierschicht, die das zumindest eine elektrische Leiterelement und das zumindest eine Kontaktierungselement zumindest teilweise überdeckt, (f) Plan- arisieren der Isolierschicht und Freilegen des zumindest einen Kontaktierungsele- ments und (g) Aufbringen zumindest eines weiteren elektrischen Leiterelements mit- tels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren, sodass das zu- mindest eine weitere elektrische Leiterelement elektrisch leitend mit dem zumindest einen Kontaktierungselement verbunden ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe zudem durch eine Atomfalle, die nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und die zumindest ein durch elektrochemi- sche Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren aufgebrachtes elektrisches Lei- terelement und zumindest ein durch elektrochemische Abscheidung und/oder im Lift- Off-Verfahren aufgebrachtes Kontaktierungselement aufweist, wobei das zumindest eine elektrische Leiterelement und das zumindest eine Kontaktierungselement eine Schichtdicke von zumindest 1 miti und ein Aspektverhältnis von zumindest 1 aufwei- sen.

Bei dem Substrat handelt es sich beispielsweise um einen Wafer aus Siliziumdioxid oder Korund. Das Substrat kann zudem aus einem Körper aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sein, beispielsweise Silizium, der eine isolierende, also elektrisch nicht leitende, Beschichtung, beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, aufweist.

Auf dieses Substrat wird im ersten Schritt eine elektrisch leitfähige Startschicht auf- gebracht, vorzugsweise aus einer Legierung oder einem Metall, wie beispielsweise Kupfer, Silber oder Nickel. Bevorzugt wird die Startschicht aus Gold oder einer gold- haltigen Legierung gebildet. Gold wird in der Halbleitertechnik nur wenig verwendet, da es mehrere nachteilige Ei- genschaften aufweist. So kann es beispielsweise als Reinräume ausgebildete Labo- ratorien kontaminieren, sodass beispielsweise in Laboratorien, in denen mit Gold ge- arbeitet wird, keine CMOS-Halbleiter mehr herstellbar sind. Darüber hinaus ist Gold sehr weich, schlecht insbesondere mechanisch polierbar und zudem teuer.

In der vorliegenden Erfindung wird Gold dennoch bevorzugt eingesetzt, da es bei spielsweise wenig reaktiv ist und nur eine geringe Tendenz zum Anhaften von Adsor- baten aufweist.

In einem weiteren Schritte wird zumindest ein elektrisches Leiterelement mittels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren auf die Startschicht aufgebracht. Die elektrisch leitende Startschicht fungiert hierbei insbesondere als Gegenelektrode für die elektrochemische Abscheidung, die auch als galvanische Ab- scheidung bezeichnet wird.

Hierzu wird vorzugsweise zunächst mittels Fotolithografie eine Struktur auf die Start- schicht aufgebracht. Bei dem Fotolack kann es sich beispielsweise um einen Positiv- oder Negativlack handeln, wobei das zumindest eine elektrische Leiterelement mit- tels elektrochemischer Abscheidung in den Bereichen aufgebracht wird, in denen die Startschicht nicht von Fotolack bedeckt ist.

Abschließend wird mittels Fotolithografie eine weitere Schicht Fotolack aufgetragen, wobei vorzugsweise der im vorherigen Schritt aufgetragene Fotolack zuvor entfernt wurde.

Mittels dieser Struktur aus Fotolack, der Positiv- oder Negativlack sein kann, wird die Lage der späteren Kontaktierungselemente vorgegeben. Diese werden mittels elekt- rochemischer Abscheidung in den Bereichen gebildet, in denen sich kein Fotolack befindet.

Diese Bereiche befinden sich insbesondere oberhalb der auf die Startschicht aufge- brachten Leiterelemente, so dass die Kontaktierungselemente elektrisch leitend mit diesen verbunden sind. Anschließend wird die Startschicht in Bereichen, in denen kein elektrisches Leiterele- ment aufgebracht wurde, entfernt. Hiervor wird insbesondere der zuvor aufgebrachte Fotolack entfernt und die Startschicht beispielsweise durch Nass- oder Trockenätzen entfernt.

Bevorzugt ist das Substrat in allen Bereichen, in denen sich kein elektrisches Lei- terelement befindet, freigelegt. Alternativ werden nur schmale Bereiche der Start- schicht entfernt, sodass die voneinander beabstandeten elektrischen Leiterelemente nicht mehr elektrisch leitend über die Startschicht untereinander verbunden sind, und weiterhin Bereiche verbleiben, in denen die Startschicht nicht entfernt wurde.

Das Entfernen der Startschicht kann alternativ auch vor dem Aufbringen des zumin- dest einen Kontaktierungselements erfolgen.

Die Isolierschicht besteht vorzugsweise aus einem Dielektrikum oder einer Mischung unterschiedlicher Dielektrika, wie beispielsweise einem Polyimid, einem Silikon oder einem Polymer aus oder mit Benzocyclobuten (BCB).

Die Isolierschicht kann beispielsweise mittels Schleuderbelackung (engl. Spin- Coating) aufgebracht werden. Dies ist besonders bevorzugt, wenn es sich bei dem Dielektrikum, aus dem die Isolierschicht besteht, um ein Polyimid oder um ein Poly- mer aus oder mit BCB handelt.

Die Isolierschicht wird derart aufgebracht, dass sie das zumindest eine Leiterelement und das zumindest eine Kontaktierungselement zumindest teilweise, bevorzugt voll- ständig, überdeckt. Die Isolierschicht umschließt das zumindest eine Leiterelement und das zumindest eine Kontaktierungselement vorzugsweise vollständig oberhalb des Substrats und/oder der Startschicht.

Die Erfindung löst die Aufgabe zudem durch ein Verfahren mit den Schritten: (a) Auf- bringen einer elektrisch leitfähigen Startschicht auf ein Substrat, (b) Aufbringen zu- mindest eines elektrischen Leiterelements auf die Startschicht mittels elektrochemi- scher Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren, (c) Entfernen der Startschicht in Bereichen, in denen kein elektrisches Leiterelement aufgebracht ist, (d) Aufbringen einer Isolierschicht, die das zumindest eine Leiterelement zumindest teilweise, insbe- sondere vollständig überdeckt, (e) Entfernen der Isolierschicht in vorbestimmten Be- reichen oberhalb des zumindest einen elektrischen Leiterelements, sodass das zu- mindest eine Leiterelement teilweise freigelegt wird, (f) Aufbringen von Durchkontak- tierungselementen mittels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off-Ver- fahren in den Bereichen, in denen das zumindest einen elektrische Leiterelement freigelegt ist, und (g) Aufbringen zumindest eines weiteren elektrischen Leiterele- ments mittels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren, sodass das zumindest eine weitere elektrische Leiterelement elektrisch leitend mit dem zu- mindest einen Kontaktierungselement verbunden ist. Optional erfolgt vor der Durch- führung von Schritt (e), nämlich dem Entfernen der Isolierschicht in vorbestimmten Bereich oberhalb des zumindest einen elektrischen Leiterelements, sodass das zu- mindest das eine Leiterelement freigelegt wird, ein Planarisieren der Isolierschicht, insbesondere durch chemisch-mechanisches Polieren. Vor dem Aufbringen von Durchkontaktierungselementen in Schritt (f) kann eine Startschicht aufgebracht wer- den, welche insbesondere an den Stellen, an denen keine Kontaktierungselemente vorgesehen sind, mit einem Fotolack abgedeckt werden. Alle zum Gegenstand des Hauptanspruchs getroffenen Aussagen gelten entsprechend auch für diese Ausge- staltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Durch die bisher aufgebrachten unterschiedlichen Strukturen, die insbesondere un- terschiedliche Höhen aufweisen, weist die Isolierschicht keine ebene Oberfläche auf, sondern vielmehr eine unebene Oberflächenstruktur. Diese korrespondiert insbeson- dere zu den darunter liegenden Strukturen, sodass die Isolierschicht insbesondere eine größere Höhe über dem Substrat in den Bereichen aufweist, in denen elektri- sche Leiterelemente und/oder Kontaktierungselemente liegen, als in solchen Berei- chen, in denen die Isolierschicht lediglich das Substrat überdeckt. Insbesondere weist die Isolierschicht eine Struktur auf, die der darunterliegenden Struktur aus Sub- strat, der verbleibenden Startschicht, den elektrischen Leiterelementen und den Kon- taktierungselementen entspricht.

Die Isolierschicht wird nach dem Aufbringen planarisiert und das zumindest eine Kontaktierungselement freigelegt. Planarisieren bedeutet insbesondere, dass die Oberfläche der Isolierschicht geglättet wird, sodass sie insbesondere möglichst eben ist und bevorzugt parallel zur Oberfläche des Substrats verläuft. Das Planarisieren der Isolierschicht erfolgt bevorzugt durch chemisch-mechanisches Polieren.

Das Freilegen des zumindest einen Kontaktierungselements erfolgt insbesondere in einem der zwei im Folgenden dargestellten alternativen Verfahren.

Bevorzugt wird beim Planarisieren insbesondere so viel Material der Isolierschicht entfernt, dass das zumindest eine Kontaktierungselement zwar noch von der Isolier- schicht überdeckt wird, die Schichtdicke des, das zumindest eine Kontaktierungsele- ment überdeckenden, Materials der Isolierschicht jedoch möglichst gering ist. Diese Schichtdickte beträgt vorzugsweise weniger als 500 nm, besonders bevorzugt weni- ger als 250 nm.

Bevorzugt wird zum Freilegen des zumindest einen Kontaktierungselements zu- nächst Fotolack auf die planarisierte Isolierschicht aufgebracht. Bei diesem Fotolack kann es sich wiederum um Positiv- oder Negativlack handeln. Der Fotolack wird be- vorzugt derart auf die Isolierschicht aufgebracht, dass er sich nicht in den Bereichen befindet, unterhalb derer sich das zumindest eine Kontaktierungselement befindet. Besonders bevorzugt bleiben ausschließlich Bereich frei von Fotolack, unterhalb de- rer sich das zumindest eine Kontaktierungselement befindet.

Anschließend kann beispielsweise mittels Nass- oder Trockenätzens das Dielektri kum, also die Isolierschicht, oberhalb des zumindest einen Kontaktierungselements entfernt werden und dieses so freigelegt werden.

Der hiernach entstehende Flöhenunterschied zwischen der Isolierschicht und dem zumindest einen Kontaktierungselement gegenüber dem Substrat beträgt bevorzugt höchstens 500 nm, besonders bevorzugt höchstens 250 nm.

Vor dem Aufbringen des zumindest einen weiteren elektrischen Leiterelements wird vorzugsweise der zuvor aufgebrachte Fotolack entfernt.

Besonders bevorzugt wird vor dem Aufbringen des zumindest einen weiteren elektri- schen Leiterelements eine weitere elektrisch leitfähige Startschicht aufgebracht, die sich insbesondere sowohl auf der Isolierschicht als auch auf den zuvor freigelegten Kontaktierungselementen befindet.

Das zumindest eine weitere elektrische Leiterelement wird derart aufgebracht, dass es elektrisch leitend mit dem zumindest einen Kontaktierungselement verbunden ist. Erfindungsgemäß ist daher jedes weitere elektrische Leiterelement elektrisch leitend mit zumindest einem darunterliegenden Kontaktierungselement verbunden. Es ist je doch ebenfalls möglich, dass einige oder alle elektrischen Leiterelemente mit mehr als einem Kontaktierungselement verbunden sind.

Diese Verbindung erfolgt bevorzugt über die aufgebrachte weitere Startschicht, so- dass das zumindest eine weitere elektrische Leiterelement und das zumindest eine Kontaktierungselement nicht in direkter Verbindung miteinander stehen, sondern elektrisch leitend miteinander über die weitere Startschicht verbunden sind.

Bevorzugt bestehen die elektrischen Leiterelemente und/oder die Kontaktierungsele- mente aus Gold oder Kupfer oder einer gold- und/oder kupferhaltigen Legierung.

Trotz der beschriebenen allgemeinen Nachteiligkeit der Verwendung von Gold in der Mikrotechnik ist es für die erfindungsgemäße Atomfalle bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Atomfalle vorteilhaft. So weist Gold eine hohe elektri sche Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus ist es wenig reaktiv und hat eine geringe Ten- denz zum Anhaften von Adsorbaten. Diese können zum Entstehen von Störfeldern führen, welche das Einfangen der Atome und/oder Ionen erschwert oder sogar ver- hindert.

Bevorzugt erfolgt das Freilegen des zumindest einen Kontaktierungselements durch das Planarisieren der Isolierschicht in Schritt (f).

Dies bedeutet, dass die Isolierschicht so lange planarisiert wird, bis sie das zumin- dest eine Kontaktierungselement nicht mehr überdeckt. Hierbei ist es insbesondere möglich, dass durch ein Planarisieren zusätzlich zu dem Material der Isolierschicht auch Material des zumindest einen Kontaktierungselements abgetragen wird. Insbesondere wenn das Planarisieren der Isolierschicht mittels chemisch-mechani- schem Polieren erfolgt, kann dieses Verfahren bei Kontaktierungselementen aus wei- chem Material, wie beispielsweise reinem Gold, zu einem Verschmieren des Kontak- tierungselements führen, sobald dieses von der Polierscheibe erreicht wird.

Dieses Verfahren wird daher bevorzugt bei ausreichend harten Materialien für das Kontaktierungselement eingesetzt, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel oder Legie- rungen, insbesondere Goldlegierungen, mit einer ausreichenden Härte.

Bevorzugt weist das Verfahren einen Schritt (h) auf, der insbesondere nach Schritt (g) des Hauptanspruchs, nämlich dem Aufbringen zumindest eines weiteren elektri- schen Leiterelements mittels elektrochemischer Abscheidung und/oder im Lift-Off- Verfahren, sodass das zumindest eine weitere elektrische Leiterelement elektrisch leitend mit dem zumindest einen Kontaktierungselement verbunden ist, durchgeführt wird. Der Schritt (h) umfasst das Entfernen der Isolierschicht in Bereichen, in denen kein weiteres elektrisches Leiterelement aufgebracht wurde, sodass Lücken ausge- bildet werden.

Sofern eine weitere elektrisch leitende Startschicht auf die Isolierschicht und die Durchkontaktierungselemente aufgebracht wurde, wird diese zunächst in den Berei- chen entfernt, in denen kein weiteres elektrisches Leiterelement aufgebracht wurde. Dies kann auch in demselben Arbeitsschritt geschehen, in dem auch die Isolier- schicht in diesen Bereichen entfernt wird. Mit anderen Worten werden hierdurch da- runterlegende Schichten freigelegt. Die Isolierschicht wird beispielsweise bis zum Er- reichen eines darunterliegenden elektrischen Leiterelements oder aber bis zum Errei- chen des Substrats entfernt.

Unter einer Lücke ist hierbei insbesondere ein materialfreier Raum zu verstehen, der seitlich in zumindest zwei Raumrichtungen parallel zum Substrat durch aufgebrachte Strukturen begrenzt wird. Es kann sich beispielsweise um einen vollständig, das heißt seitlich in alle vier Raumrichtungen parallel zum Substrat umgebenen material- freien Raum handeln. Es kann sich aber auch um einen Kanal handeln, der lediglich zweiseitig begrenzt wird und die Atomfalle von einer Seite des Substrats zu einer an- deren Seite des Substrats parallel zum Substrat durchzieht. Zudem ist es möglich, dass eine solche Lücke einen Kanal ausbildet, der die Atom- falle nicht vollständig durchzieht. Mit anderen Worten wird dieser Kanal dreiseitig von Strukturen umgeben.

Bevorzugt weisen die Lücken ein Aspektverhältnis von zumindest 1 auf. Unter As- pektverhältnis wird die Höhe oder Tiefe eines Objekts im Verhältnis zu seiner kleins ten lateralen Ausdehnung verstanden.

Vorliegend bezieht sich das Aspektverhältnis folglich auf das Verhältnis der räumli- chen Tiefe einer Lücke zu deren kleinster Breite, insbesondere parallel zum Substrat.

Unter Tiefe einer Lücke ist insbesondere ein Abstand senkrecht zu dem Substrat zu verstehen, der von der niedrigsten Kante eines die Lücke seitlich begrenzenden Strukturelementes bis zum insbesondere parallel zu dieser Kante verlaufenden Bo- den der Lücke, der beispielsweise durch ein elektrisches Leiterelement oder das Substrat gebildet wird.

Je größer das Aspektverhältnis ist, je größer also die Tiefe der Lücke im Verhältnis zu ihrer kleinsten Breite ist, desto vorteilhafter ist dies für eine Atomfalle. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn die Lücken so schmal wie möglich sind. Sie weisen daher vorzugsweise ein Aspektverhältnis von zumindest 3, weiter vorzugsweise von zumindest 4, noch weiter vorzugsweise von zumindest 5 auf.

Bevorzugt weist das Verfahren den Schritt: Wiederholen der Schritte (c) bis (g) oder (c) bis (h), sodass eine mehrlagige Atomfalle erhalten wird, auf. Mit anderen Worten ist das Herstellungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform der Atomfalle nach Durchführung der Schritte (a) bis (g) oder (a) bis (h) nicht beendet. Vielmehr wird ein Teil der Schritte zumindest einmal wiederholt.

Vorzugsweise werden also weitere Kontaktierungselemente mittels elektrochemi- scher Abscheidung und/oder im Lift-Off-Verfahren aufgebracht, die elektrisch leitend mit den in Schritt (g) aufgebrachten elektrischen Leiterelementen verbunden sind. Sofern eine Startschicht aufgebracht worden ist und diese nicht zuvor bereits, bei spielsweise zum Erzeugen von Lücken, entfernt wurde, so wird diese nun anschlie- ßend entfernt. Sofern keine Startschicht mehr in Bereichen, in denen kein elektri- sches Leiterelement aufgebracht wurde, vorhanden ist, so muss insbesondere Schritt (d) nicht durchgeführt werden.

Die sich anschließenden Schritte werden analog den bereits dazu getroffenen Aus- sagen durchgeführt.

Vorzugsweise werden die Schritte (c) bis (g) oder (c) bis (h) zumindest einmal, weiter vorzugweise zumindest fünfmal, besonders bevorzugt zumindest zehnmal und weiter besonders bevorzugt zumindest zwanzigmal durchgeführt. Mit anderen Worten ent- steht eine mehrlagige Struktur von Leiterelementen, die über Durchkontaktierungs- elemente in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat miteinander verbunden sind.

Insbesondere in Bereichen, in denen zuvor Lücken ausgebildet wurden, wird kein er- neutes Material aufgetragen. Mit anderen Worten vergrößert sich das Aspektverhält- nis der Lücke mit jeder weiteren aufgebrachten Lage, da die sie umgebenden Struk- turelemente höher werden.

Darunter, dass das Aspektverhältnis vorzugsweise zumindest 1 , besonders bevor- zugt zumindest 3, weiter besonders bevorzugt zumindest 4 und ganz besonders be- vorzugt zumindest 5 beträgt, ist insbesondere das Aspektverhältnis der resultieren- den Lücken, also in der fertigen, vorzugsweise mehrlagigen Atomfalle zu verstehen.

Mit anderen Worten ist es möglich, nicht aber notwendig, dass die genannten As- pektverhältnisse bereits beim Ausbilden der Lücken durch Entfernen von Material er- reicht werden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn das geforderte Aspektverhältnis in der fertigen Atomfalle, also beispielsweise nach mehrmaligem Wiederholen der Schritte (c) bis (g) oder (c) bis (h), erreicht wird.

Ein möglichst großes Aspektverhältnis ist vorteilhaft, da möglicherweise störende Substanzen oder Adsorbate nur mit geringerer Wahrscheinlichkeit in diese Lücken eindringen können und sich dort niederschlagen. Durch solche störenden Substan- zen oder Adsorbate ist beispielsweise die Bildung von elektrischen Störfeldern mög- lich, die das Einfangen von Neutralatomen oder Ionen in der Atomfalle erschweren oder sogar verhindern. Ein möglichst großes Aspektverhältnis ist zudem vorteilhaft, weil Dielektrika im unteren Bereich der Lücke Oberflächenladungen tragen können. Diese Oberflächenladungen erzeugen, wenn sie so tief in den Lücken versteckt wer- den, nur geringe elektrische Felder am Ort der gespeicherten Atome und stören diese somit weniger.

Bevorzugt werden die elektrischen Leiterelemente mit einer Schichtdicke von zumin- dest 1 pm aufgebracht und/oder die Isolierschicht und/oder das zumindest eine Kon- taktierungselement werden mit einer Schichtdicke von zumindest 1 pm aufgebracht.

Eine möglichst große Dicke der elektrischen Leiterelemente steht diametral zu den in der Mikrotechnik üblichen Versuchen zur weitergehenden Miniaturisierung. Im Falle von Atomfallen sind jedoch möglichst dicke Leiterelemente von Vorteil, da diese grö- ßere Ströme führen können. Insbesondere zum Fangen von Neutralatomen und für das dafür insbesondere notwendige Magnetfeld sind solche großen Ströme vorteil haft oder sogar notwendig.

Bevorzugt weisen auch die Kontaktierungselemente eine Schichtdicke von zumin- dest 1 pm auf.

Eine solche Schichtdicke von zumindest 1 pm lässt sich beispielsweise mit dem an- sonsten in der Mikrotechnik nachteiligen Verfahren der elektrochemischen Abschei- dung realisieren. Dieses birgt üblicherweise den Nachteil, dass zu dicke und für viele mikrotechnische Anwendungen zu unregelmäßige Elemente erzeugt werden.

Bevorzugt weist auch die Isolierschicht eine Schichtdicke von zumindest 1 pm auf.

Die Dicke der Isolierschicht korrespondiert bevorzugt zu der Schichtdicke der Kontak- tierungselemente. Sie ist bevorzugt gleich groß oder größer. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der elektrischen Leiterelemente und/oder der Kontaktierungselemente und/oder der Isolierschicht mehr als 3 miti, weiter bevorzugt mehr als 5 miti und besonders bevorzugt mehr als 10 miti.

Bevorzugt weisen die Leiterelemente und/oder die Kontaktierungselemente ein As- pektverhältnis von zumindest 1 auf. Mit anderen Worten ist die räumliche Ausdeh- nung in Richtung senkrecht zu dem Substrat zumindest gleich groß zur kleinsten la- teralen Ausdehnung, die insbesondere parallel zu dem Substrat verläuft.

Besonders bevorzugt weisen die Leiterelemente und/oder die Kontaktierungsele- mente ein Aspektverhältnis von zumindest 3, weiter bevorzugt von zumindest 4, wei- ter besonders bevorzugt von zumindest 5 auf.

Bevorzugt weist das Substrat eine Ausnehmung zum Durchleiten eines Atomstrahls auf oder eine solche Ausnehmung wird in das Substrat eingebracht. Bei einer sol- chen Ausnehmung kann es sich beispielsweise um einen Kanal handeln, der das Substrat vollständig von einer Unterseite zu einer Oberseite durchzieht und damit in allen vier Raumrichtungen parallel zum Substrat von diesem umgeben ist. Es ist je- doch auch möglich, dass die Ausnehmung in nur drei Raumrichtungen von dem Sub- strat umgeben wird.

Durch eine solche Ausnehmung kann ein Atomstrahl geleitet werden, aus welchem Atome oder Ionen durch die Atomfalle eingefangen werden. Es kann sich bei dem Atomstrahl erfindungsgemäß ebenso um einen lonenstrahl handeln.

Ein solcher Strahl kann beispielsweise durch punktuelles Erhitzen eines Metalldrah- tes, wie beispielsweise eines Berylliumdrahtes, erzeugt werden. Zudem ist es mög- lich, mittels Photoionisation aus einem Atomstrahl punktuell Ionen zu erzeugen und diese dann zu fangen und zu speichern.

Bevorzugt weist das Substrat zumindest ein Substrat-Durchkontaktierungselement auf oder dieses wird in das Substrat eingebracht. Das Substrat weist eine Oberseite und eine Unterseite auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere an der Oberseite des Substrats durchgeführt wird. Von der Oberseite zur Unterseite des Substrats erstreckt sich vorzugsweise das zumindest eine elektrisch leitfähige Sub- strat-Durchkontaktierungselement.

Auf die Oberseite des Substrats werden die elektrischen Leiterelemente bevorzugt derart aufgebracht, dass sie elektrisch leitend mit diesem zumindest einen Substrat- Durchkontaktierungselement verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich die zur Bestromung der elektrischen Leiterelemente notwendige Stromquelle rückseitig an das Substrat anschließen. Der elektrische Strom kann dann über das Substrat- Durchkontaktierungselement in das zumindest eines elektrische Leiterelement einge- leitet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass an den elektrischen Leiterelementen le- diglich ein Potential, insbesondere statische Spannungen, anliegt. Mit anderen Wor- ten ist ein Bestromen des zumindest einen elektrischen Leiterelements möglich, nicht aber notwendig.

Eine erfindungsgemäße Atomfalle zeichnet sich dadurch aus, dass sie Leiterele- mente und Kontaktierungselemente aufweist, deren Schichtdicke zumindest 1 pm beträgt. Dies wird insbesondere erst durch die elektrochemische Abscheidung bei der Herstellung möglich. Andere Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Sputtern, führen insbesondere zu deutlich geringeren Schichtdicken und sind somit technisch sinnvoll nicht einsetzbar.

Eine hohe Schichtdicke ist vorteilhaft, weil insbesondere Fallen für Neutralatome hohe Ströme führen können müssen, um Feldkonfigurationen mit einer stabilen und sehr großen räumlichen Inhomogenität zur Speicherung der Atome bereitzustellen. Darüber hinaus weisen die Leiterelemente und die Kontaktierungselemente ein As- pektverhältnis von zumindest 1 auf, sodass insbesondere schmale Strukturen ausge- bildet sind. Vorzugsweise weisen auch etwaig ausgebildete Lücken Aspektverhält- nisse von zumindest 1 auf. Hierdurch ist insbesondere gewährleistet, dass auf di- elektrischen Schichten im Wandbereich der Lücken unterhalb von Leiterelementen akkumulierte Ladungen möglichst kleine Störfelder am Ort der Atome hervorrufen.

Die erfindungsgemäße Atomfalle zeichnet sich zudem insbesondere dadurch aus, dass ihr Aufbau besonders einfach skalierbar ist. Mit anderen Worten können insbe- sondere nahezu beliebig viele Lagen, insbesondere zumindest 10 Lagen, ausgebil- det werden, ohne dass sich Unregelmäßigkeiten derart fortpflanzen, dass ein funkti onsfähiger Aufbau nicht mehr gegeben ist.

lm Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figur 1 den ersten Teil einer Ablaufdarstellung eines erfindungsgemäßen Herstel lungsverfahrens einer Atomfalle,

Figur 2 den zweiten Teil der Ablaufdarstellung des erfindungsgemäßen Herstel- lungsverfahrens,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Atomfalle,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer er- findungsgemäßen Atomfalle, mit einer Ausnehmung zum Durchleiten ei- nes Atomstrahls sowie Substrat-Durchkontaktierungselementen, und

Figur 5 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittdarstellung einer erfindungs- gemäßen mehrlagigen Atomfalle.

In den Figuren 1 und 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfah- ren dargestellt.

Die hier metallische Startschicht 2 ist in Fig. 1 bereits auf das Substrat 1 , insbeson- dere vollflächig und mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht. Auf diese wird an- schließend Fotolack 3, insbesondere mittels Schleuderbelackung oder Sprühbela- ckung aufgebracht.

Bei dem Fotolack handelt es sich vorzugsweise entweder um Negativlack oder Posi- tivlack. Im Falle von Positivlack wird eine Maske verwendet, die an den Stellen licht- durchlässig ist, an denen die späteren elektrischen Leiterelemente 4 (4.1 , 4.2) ange- ordnet sein sollen. Durch Belichtung wird der Positivlack an den belichteten Stellen flüssig oder lösbar, sodass er in diesen Bereichen entfernt werden kann. In der Folge ist der Fotolack 3 nur noch in den Bereichen angeordnet, in denen keine elektrischen Leiterelemente 4 aufgebracht werden sollen. Er dient insofern als Form oder Schab- lone zum Aufbringen des zumindest einen elektrischen Leiterelements 4. Im Falle des Negativlacks sind die Bereiche der Maske lichtdurchlässig, in denen die späteren elektrischen Leiterelemente 4 nicht aufgebracht werden sollen. In diesen Bereichen härtet der Fotolack 3 unter Belichtung aus. In den nicht belichteten Berei- chen kann er entsprechend entfernt werden und es ergibt sich wiederum eine Form oder Schablone zum Aufbringen des zumindest einen elektrischen Leiterelements 4.

In Figur 1 wurden zwei elektrische Leiterelemente 4.1 und 4.2 aufgebracht. Diese sind räumlich voneinander getrennt und zunächst über die Startschicht 2 elektrisch leitend miteinander verbunden.

Die Startschicht 2 fungiert bei der galvanischen Abscheidung der elektrischen Lei- terelemente 4.1 und 4.2 als Gegenelektrode.

Anschließend wird weiterer Fotolack 3 aufgebracht, der als Form oder Schablone für die Kontaktierungselemente 6 dient. Hierzu kann der zuvor aufgebrachte Fotolack zunächst entfernt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den weiteren Fotolack auf den bereits vorhandenen aufzubringen, diesen also vorher nicht zu entfernen.

Anschließend werden die Kontaktierungselemente 6, vorliegend die drei Kontaktie- rungselemente 6.1 bis 6.3, mittels elektrolytischer Abscheidung in den Bereichen auf- gebracht, in denen kein Fotolack 3 vorhanden ist.

Der Fotolack 3 wird anschließend insbesondere vollständig entfernt. Dies kann mit- tels eines geeigneten Lösemittels, wie beispielsweise Aceton, geschehen.

Zudem wird die Startschicht 2 in den Bereichen, in denen keine Leiterelemente 4 auf sie aufgebracht sind, entfernt. Es ist vorzugsweise möglich, die Startschicht 2 und den Fotolack 3 in einem einzelnen Arbeitsschritt zu entfernen.

Die Startschicht 2 kann alternativ bereits vor dem Aufbringen der Kontaktierungsele- mente 6 entfernt werden. Anschließend wird eine Isolierschicht 7 aufgebracht. Diese besteht vorliegend aus ei- nem Polyimid und wird mittels Schleuderbelackung aufgebracht. Vorzugsweise über- deckt die Isolierschicht die zuvor aufgebrachten Strukturen vollständig. Aufgrund der unterschiedlichen Höhen der einzelnen Strukturen gegenüber dem Substrat 1 , weist die Isolierschicht eine Struktur auf, die insbesondere zu den darunterliegenden Struk- turen korrespondiert. Vorzugsweise ist die Höhe der Isolierschicht, also der Abstand zwischen Oberfläche und der darunterliegenden Struktur, nahezu konstant. Dies ist in Fig. 1 als h1 angedeutet. Die absolute Höhe der Isolierschicht über dem Substrat variiert jedoch und führt zu der genannten korrespondierenden Struktur.

Um diese störende Struktur der Isolierschicht zu entfernen wird die Isolierschicht 7 anschließend planarisiert. Sie wird vorzugsweise mittels chemisch-mechanischem Polieren planarisiert, sodass sie anschließend vorzugsweise eine konstante Höhe h2 über dem Substrat 1 aufweist. Es wird folglich Material der Isolierschicht abgetragen.

In der dargestellten Ausführungsform wird die Isolierschicht 7 nur so weit planarisiert, also nur so viel Material abgetragen, dass die Kontaktierungselemente 6.1 bis 6.3 noch von der Isolierschicht 7 überdeckt sind. Die Höhe dieser die Kontaktierungsele- mente 6.1. bis 6.3 überdeckenden Schicht ist insbesondere möglichst gering. Vor- zugsweise beträgt sie weniger als 250 nm.

Anschließend wird erneut Fotolack 3 aufgebracht, der die Bereiche ausspart, unter- halb derer sich die Kontaktierungselemente 6.1. bis 6.3 befinden. In diesen ausge- sparten Bereichen wird die Isolierschicht beispielsweise durch Ätzen oder ein geeig- netes Lösemittel entfernt. Vorzugsweise wird ein Verfahren zur Entfernung einge- setzt, dass die Kontaktierungselemente 6 nicht angreift.

In den von dem Fotolack 3 überdeckten Bereichen der Isolierschicht 7 ist die Höhe weiterhin die, insbesondere konstante, Höhe h2.

Auf die Isolierschicht 7 und die freigelegten Kontaktierungselemente 6.1 bis 6.3 wird anschließend eine weitere elektrisch leitende Startschicht 12 aufgebracht. Auf diese wird erneut Fotolack 3 aufgebracht, der als Form oder Schablone für die weiteren elektrischen Leiterelemente 14.1 und 14.2 dient. Diese werden mittels elekt- rochemischer Abscheidung auf die weitere Startschicht 12 aufgebracht.

Anschließend wird der Fotolack entfernt. Die weitere Startschicht 12 wird zudem in den Bereichen entfernt, in denen kein weiteres elektrisches Leiterelement 14 aufge- bracht ist. Dies erfolgt in zwei separaten Schritten oder vorzugsweise in einem Ar- beitsschritt.

In diesen Bereichen, in denen der Fotolack 3 und die Startschicht 2 entfernt wurden, ist nun die Isolierschicht 7 freigelegt. Diese wird anschließend, beispielsweise durch Ätzen, ebenfalls entfernt, sodass sich Lücken 8 ausbilden. Diese Lücken werden durch die elektrischen Leiterelemente 4 und/oder das Substrat nach unten begrenzt. Vorliegend wird die Lücke 8.1 durch das elektrische Leiterelement 4.1 begrenzt. Die am Rand angedeutete Lücke 8.2. wird hingegen durch das Substrat 1 begrenzt.

Anschließend können weitere Kontaktierungselemente 16 auf die Leiterelemente 14 aufgebracht werden, um eine mehrlagige Atomfalle zu erhalten. Die zuvor skizzierten Verfahrensschritte können dazu mehrfach wiederholt werden.

Es ist zudem möglich, das dargestellte Verfahren lediglich in bestimmten Bereichen des Substrats 1 durchzuführen. Es ist darüber hinaus möglich, das Verfahren in meh- reren unterschiedlichen Bereichen desselben Substrats 1 durchzuführen.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Atomfalle 20. In dieser sind mehrere mehrla- gige und räumlich voneinander getrennte Leiterstrukturen 21 bis 23 schematisch dar- gestellt. Diese wurden entsprechend dem in Figur 1 und 2 skizzierten Verfahren auf das Substrat 1 aufgebracht. Die Leiterstrukturen 21 bis 23 sind untereinander vor- zugsweise nicht leitend verbunden und weisen jeweils einen eigenen elektrischen Anschluss 29 zum Bestromen auf.

Die Leiterstrukturen 21 bis 23 dienen dazu, ein, insbesondere inhomogenes, elektri- sches Feld oberhalb der Atomfalle hervorzurufen. In diesem werden vorliegend Ionen 24.1 bis 24.3 eingefangen und gespeichert. Diese Ionen wurden zuvor mittels Photo- Ionisation aus Neutralatomen erzeugt. Zur Photoionisation wird ein Laserstrahl 25 eingesetzt.

Die mehrlagigen Leiterstrukturen 21. i (mit i = 1 , 2) sind an Gleichspannung ange- schlossen. Die Leiterstrukturen 22.1 und 22.2 sind an Wechselspannung und die Lei- terstrukturen 23.1 und 23.2 an Masse angeschlossen. Es ist jedoch ebenfalls mög- lich, dass die Leiterstrukturen 23 an eine von 0 verschiedene Gleichspannung ange- schlossen sind.

In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Atomfalle 20 schematisch dargestellt. Diese Atomfalle weist wiederum mehrlagige Leiterstrukturen 21 bis 23 auf, wobei zusätzlich eine Ausnehmung 26 in Form eines Kanals in das Substrat 1 eingebracht wurde. Durch diese Ausnehmung wird ein Atomstrahl 27 ge- leitet.

Der Atomstrahl 27 kann durch Erhitzen eines Metalldrahtes erzeugt werden, bei spielsweise durch punktuelles Erhitzen eines Berylliumdrahtes auf über 1000 K.

Vorliegend werden Atome des Atomstrahls mittels Photoionisation in Ionen 24.1 bis 24.3 überführt, welche in dem elektrischen Feld, das durch die mehrlagigen Lei- terstrukturen 21 bis 23 hervorgerufen wird, gespeichert werden.

Das Substrat weist zudem Substrat-Durchkontaktierungselemente 28 auf, über die die mehrlagigen Leiterstrukturen 21 bis 23 bestromt werden. Vorzugsweise ist jeder mehrlagigen Leiterstruktur 21 bis 23 zumindest ein Substrat-Durchkontaktierungsele- ment 28 zugeordnet. Mittels der Substrat-Durchkontaktierungselemente 28 kann das Bestromen auf besonders einfache Weise von der Rückseite des Substrats 1 aus er- folgen.

Figur 5 zeigt eine exemplarische Schnittdarstellung einer mehrlagigen Atomfalle. Die Schnittdarstellung entspricht der Atomfalle aus dem in den Figuren 1 und 2 darge- stellten Herstellungsverfahren. Auf die zuletzt aufgebrachten Leiterelemente 14.1 und 14.2 wurden weitere Kontaktierungselemente 16.1 und 16.2 mittels elektroche- mischer Abscheidung aufgebracht. Diese sind bevorzugt identisch dimensioniert wie die Kontaktierungselemente 6.1 bis 6.3. In den Bereichen, in denen kein weiteres Kontaktierungselement 16 auf die weiteren elektrischen Leiterelemente 14.1 und 14. 2 aufgebracht wurde, wurde eine weitere Isolierschicht 17 mittels Schleuderbela- ckung aufgebracht. In Figur 5 sind die Kontaktierungselemente freigelegt und es schließt sich eine nicht dargestellte weitere Startschicht an, die auf den weiteren Kontaktierungselementen 16.1 und 16.2 und der weiteren Isolierschicht 17 aufgela- gert ist.

Figur 5 ist zu entnehmen, dass das Aspektverhältnis, also das Verhältnis der Breite zur Höhe der Lücken 8.1 und 8.2 durch das Aufbringen weiterer Lagen zunimmt. So weisen die Lücken 8.1 und 8.2 in Figur 5 eine größere Höhe auf als in Figur 2, was bei gleichbleibender Breite zu einem größeren Aspektverhältnis führt.

Bezugszeichenliste

1 Substrat

2 Startschicht

3 Fotolack

4 Elektrisches Leiterelement

6 Kontaktierungselement

7 Isolierschicht

8 Lücke

12 Weitere Startschicht

14 Weiteres elektrisches Leiterelement

16 Weiteres Kontaktierungselement

17 Weitere Isolierschicht

20 Atomfalle

21 Mehrlagige Leiterstruktur, an Gleichspannung angeschlossen

22 Mehrlagige Leiterstruktur, an Wechselspannung angeschlossen

23 Mehrlagige Leiterstruktur, an Masse angeschlossen

24 Ion

25 Laserstrahl

26 Ausnehmung

27 Atomstrahl

28 Substrat-Durchkontaktierungselement

29 Elektrischer Anschluss h Höhe