30.11.2021
An der PTB wurde eine Flip-Chip-Technologie etabliert, um den zunehmenden Erfordernissen hochintegrierter Quantenschaltungen bezüglich Hybrid-Chip-, Multi-Chip- und Chip-on-Chip-Lösungen zu entsprechen. Diese Technologie ist für diverse Anwendungsfelder von Interesse und birgt großes Innovationspotential, insbesondere für das optisch betriebene AC-Josephson-Spannungsnormal und für die zukünftige Kombination von optischen und supraleitenden Techniken.
Flip-Chip-Montage ist ein in der Halbleiterindustrie weitverbreitetes Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Kontaktierung mittels Thermokompression. Mit Hilfe des „state-of-the-art“ Flip-Chip-Verfahrens können nun auch in der PTB die vielfältigen Möglichkeiten dieser Technologie für die Herstellung hochintegrierter supraleitender Quantenschaltungen in Hybrid-Chip- und Multi-Chip-Modulen genutzt werden, wodurch sich deren Eigenschaften weiter verbessern lassen und völlig neue Funktionsprinzipien realisiert werden können.
Um die Technologie zu optimieren, wurden an der PTB verschiedene Chip-Designs und Carrier-Chips implementiert. Ziel war einerseits die Parameter-Optimierung bei der Erstellung der Kontaktstrukturen basierenden auf sogenannten Bump-Arrays (Bumps sind „Kontaktierhügel“ aus Gold mit Abmessungen von ca. 60 µm bis 70 µm) mittels eines bereits vorhandenen Ball-Bonder-Systems bei gleichzeitiger hoher Positioniergenauigkeit. Andererseits wurde der Prozess der Thermokompression an der Flip-Chip-Apparatur optimiert. Hierbei spielen die Optimierungen der Temperatur- und Kraftprofile eine wesentliche Rolle. Es wurde sichergestellt, dass für unterschiedliche Flip-Chip-Größen eine Prozessausbeute von 100% erreicht werden kann (Chipkantenlängen liegen im Bereich von 350 µm bis aktuell etwa 3 mm, perspektivisch bis maximal 10 mm). Dabei wurde eingehend untersucht, ob elektrische Isolation, Durchkontaktierung und mechanische Stabilität bei den für die jeweiligen Anwendungen eingesetzten Temperaturen von 300 K und 4 K gegeben sind. Ferner wurden bereits Photodioden erfolgreich auf diversen Si- bzw. GaAs-Carrier-Chips kontaktiert (siehe Bild).
Beispielsweise für das mit optischen Pulsen angetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal (JAWS: Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer) können mit der Flip-Chip-Technologie extrem schnell ansprechende und winzige Photodioden auf speziellen Carrier/Träger-Chips kontaktiert werden, die dann bei tiefen Temperaturen (4 K) in direkter Nähe des JAWS-Chips positioniert werden können. Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten für die Verbesserung des JAWS. Dazu zählen z.B. der vereinfachte Parallelbetrieb mehrerer JAWS Schaltungen sowie die Kostensenkung für das Gesamtsystem und bessere Signaleigenschaften bei hohen Signalausgangsfrequenzen oberhalb von 1 MHz.
Bild: Fotos von Schaltungsstrukturen, die diverse Prozessschritte der Flip-Chip-Technologie zeigen. a) Auf Kontaktflächen aufgebrachte Gold-Bumps als Kontaktstrukturen. b) Ausrichtung des Test-Chips zum Substrat-Chip nach dem "Alignment"-Schritt c) vier fertig kontaktierte Test-Chips und d) kontaktierte Photodiode auf einem GaAs-Carrier-Chip
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“