一种三维封装超导量子比特器件、其制备方法和设备

1.本发明属于量子器件领域，具体涉及一种三维封装超导量子比特器件、其制备方法和设备。


背景技术：

2.量子计算借助于量子态的叠加和纠缠等特性，在解决某些问题时具有相对经典计算机的指数级加速效应。近几年来，基于超导电路的量子计算研究取得了很大的进步，其良好的可扩展性和易操控性优势吸引了众多科研机构的研究兴趣。未来几年内，超导量子计算雏形机有可能集成50个以上的可同步调控的量子比特，并有可能在量子模拟和优化等有巨大实用价值的问题上超越经典计算机。
3.然而随着量子比特数的增加。原有的面内谐振腔，squid及测量引线的连接将不能满足越来越多的测试要求。三维立体封装技术可以减小连线距离，减小寄生电容电感的影响，提高封装密度，是多比特超导量子器件发展的关键步骤。目前的现由技术，在铝基比特样品上实现了三维倒装焊连接结构。然而由于铝膜与倒装焊连接所需要的铟柱子之间的合金化，需要在铝膜和铟之间增加隔离层tin，这一步骤增加了工艺的复杂性，不同材料界面处理不好容易形成非超导连接，限制了能够施加的超导电流的大小，进而影响器件的性能。急需提供一种克服铝材料与铟柱子之间合金化，形成非超导合金层，难以实现超导连接的弊端，简化工艺步骤的三维立体封装的超导连接器件。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种三维封装超导量子比特器件、其制备方法和设备。本发明采用超导铌膜为谐振腔，电容和电极的材料。在铌膜上蒸镀冷压焊接所需要的铟柱子。最后通过倒装焊仪器将上下两个芯片焊压在一起，实现了超导连接的三维封装。
5.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了所述铌基超导量子比特器件从下到上依次设置为：下层衬底、第一超导薄膜、金属柱子、第二超导薄膜、上层衬底；其中，
6.所述第一超导薄膜包括谐振腔、传输线和电极；和
7.所述第二超导薄膜包括电容和约瑟夫森结；
8.优选地，所述谐振腔和所述电容均通过微加工制备而成。
9.根据本发明第一方面的三维封装超导量子比特器件，其中，所述下层衬底和所述上层衬底的材料选自以下一种或多种：蓝宝石、高阻硅、非晶硅，优选为蓝宝石或高阻硅，最优选为蓝宝石；
10.所述第一超导薄膜和所述第二超导薄膜的材料选自以下一种或多种：铌基超导材料、钽基超导材料、tin基超导材料、nbn基超导薄膜、nbtin基超导薄膜，优选为铌基超导薄膜、钽基超导薄膜、氮化钛超导薄膜，最优选为铌基超导薄膜；和/或
11.所述金属柱子为铟柱子或铅-锡柱子，最优选为铟柱子；
12.优选地，所述谐振腔、传输线、电极和电容的材料选自以下一种或多种：铌基超导材料、钽基超导材料、tin基超导材料、nbn基超导薄膜、nbtin基超导薄膜，优选为铌基超导材料、钽基超导材料、氮化钛超导材料，最优选为铌基超导材料；和/或
13.优选地，所述约瑟夫森结的材料为al基超导材料或nb基超导材料，最优选为al基超导材料。
14.根据本发明第一方面的三维封装超导量子比特器件，其中，当所述谐振腔、所述电容和所述电极的材料均为铌基超导材料，所述金属柱子为铟柱子时，所述铌基超导材料和所述铟柱子的连接处反应生成超导材料nb3in；
15.优选地，所述铌基超导材料和所述铟柱子的连接处为超导连接。
16.本发明的第二方面提供了制备第一方面所述的三维封装超导量子比特器件的方法，所述方法包括以下步骤：
17.(1)清理上层衬底和下层衬底，并在所述上层衬底和/或下层衬底衬底上生长金属铌薄膜；
18.(2)在步骤(1)制得的样品表面进行光刻与显影；
19.(3)对步骤(2)显影后的样品进行刻蚀并去胶，得去胶后的上层衬底和下层衬底；
20.(4)在步骤(3)制得的去胶后的上层衬底上制备约瑟夫森结；
21.(5)在步骤(3)制备的下层衬底和步骤(4)制得的上层衬底表面光刻和显影；
22.(6)在步骤(5)制得的样品上生长金属柱子，并去胶剥离，得所述上层衬底和下层衬底；
23.(7)将步骤(6)制得的上层衬底和下层衬底对准压焊，得所述三维封装超导量子比特器件；
24.优选地，所述步骤(3)中，所述刻蚀的方法选自以下一种或多种:反应离子刻蚀、化学腐蚀，进一步优选为反应离子刻蚀；
25.更优选地，所述步骤(3)还包括对刻蚀完毕的样品进行除胶的步骤。
26.根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(1)中还包括以下步骤:将所述上层衬底和下层衬底浸泡于溶剂中，超声清理，超声清理结束后以氮气吹淋所述上层衬底和下层衬底；
27.优选地，所述溶剂为丙酮或异丙醇；
28.优选地，所述超声的功率为50～100w，更优选为90w；
29.优选地，所述超声的时间为1～30分钟，更优选为10分钟；
30.优选地，所述金属铌薄膜的厚度为50～200nm，更优选为80～150nm；和/或
31.优选地，所述生长金属铌薄膜的方法为磁控溅射或电子束蒸发，更优选为磁控溅射。
32.根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(2)中还包括以下步骤：
33.(a)在步骤(2)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；
34.(b)对旋涂好光刻胶的样品进行激光直写，曝光设计好的图形；
35.(c)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；
36.优选地，所述步骤(a)中，所述光刻胶的厚度为1.0～4.8微米，优选为1.3微米；和/或
37.优选地，所述步骤(a)中，所述光刻胶为s1813光刻胶或spr220光刻胶，最优选为s1813光刻胶。
38.根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(4)还包括以下步骤:
39.(a)清理步骤(3)所得的样品，并在其上依次旋涂maa光刻胶、pmma光刻胶和sx ar-pc导电胶；
40.(b)对步骤(a)所得样品进行电子束曝光约瑟夫森结图形；
41.(c)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；
42.(d)将步骤(c)所得样品放入plassys-meb550s中，制备约瑟夫森结；
43.(e)对步骤(e)所得样品进行除胶剥离，得到所述铌基平面多超导量子比特；
44.优选地，所述步骤(a)中，所述maa光刻胶的厚度优选为80～400纳米，更优选为150～250纳米，最优选为200纳米:和/或所述pmma光刻胶的厚度优选为100～400纳米，最优选为200nm。
45.根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(5)还包括以下步骤:
46.(f)在步骤(4)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；
47.(g)对旋涂好光刻胶的样品进行激光直写，曝光设计好的图形；
48.(h)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；
49.优选地，所述步骤(f)中，所述光刻胶的厚度为5～15微米，更优选为5～10微米，最优选为8微米；和/或所述光刻胶为az p4620光刻胶或spr220光刻胶，最优选为az p4620光刻胶。
50.根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(6)中，所述金属柱子的薄膜厚度为5～10um，优选为7um，和/或所述生长金属铟薄膜的方法选自以下一种或多种:热蒸发，电子束蒸发，磁控溅射，最优选为热蒸发；和/或
51.所述步骤(7)中，所述压焊压强为10～30n/mm2，优选为15n/mm2；和/或所述压焊方法为冷压压焊或热压压焊，优选为冷压压焊。
52.本发明的第三方面提供了一种基于超导电路的量子计算设备，所述量子计算设备包含第一方面的三维封装超导量子比特器件或按照第二方面的方法制备的三维封装超导量子比特器件。
53.本发明的三维封装超导量子比特器件可以具有但不限于以下有益效果：
54.1、本发明三维封装超导量子比特器件避免了铝基比特样品，铝材料与铟柱子之间合金化,形成非超导层,难以实现超导连接的弊端，简化了工艺步骤，实现了三维立体超导连接。
55.2、本发明三维封装超导量子比特器件，多个焊接点串联测试得到超导临界电流达到100ma，远大于铝基倒装焊器件30ma的临界电流。器件制备工艺简单，性能稳定。
56.3.由于超导材料铌与铟之间超导连接，可以在连接处施加大的电流而不会引起发热等现象，有助于对超导比特器件实现三维立体操控。
57.4.倒装芯片短的互连减小了电感，电阻和电容，信号完整性和频率特性更好。
58.5.倒装焊芯片之间实现三维立体超导连接，不仅仅局限于超导量子比特器件的制备。
附图说明
59.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
60.图1示出了实施例1中本发明的三维封装超导量子比特器件的上层和下层衬底的结构图，其中，图1(a)示出了本发明的三维封装超导量子比特器件的上层衬底的结构图；图1(b)示出了本发明的三维封装超导量子比特器件的下层衬底的结构图。
61.图2示出了实施例1中本发明的三维封装超导量子比特器件制备工艺示意图。
62.图3示出了实施例1制备的三维封装超导量子比特器件倒装压焊后上下片间距侧视图。
63.图4示出了试验例2中实施例3制备的6比特样品谐振腔测试结果。
64.图5示出了试验例3中实施例3制备的6比特样品t1测试结果。
具体实施方式
65.下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
66.本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
67.以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
68.试剂:
69.蓝宝石基片、丙酣、异丙醇、光刻胶、显影液、nmp除胶剂液体，均购自苏州研材微纳科技有限公司。
70.仪器:
71.超高真空磁控溅射仪，购自物科光电公司、型号pvd400uhv；
72.旋转涂胶机，购自中国科学院微电子所、型号kw-4a；
73.激光直写仪器，购自德国海德堡公司、型号dwl66+；
74.反应离子刻蚀机，购自samco公司，型号10nr；
75.电子束曝光机，购自raith公司，型号raith150；
76.蒸铟设备，购自北京世华尖峰公司，型号hybrid-600in；
77.倒装焊设备，购自法国set公司，型号accμra100。
78.实施例1
79.本实施例用于说明本发明三维封装超导量子比特器件的制备方法。
80.图1示出了实施例1中本发明的三维封装超导量子比特器件的上层和下层衬底的结构图，其中，图1(a)示出了本发明的三维封装超导量子比特器件的上层衬底的结构图，比特电容如图中标注所示；图1(b)示出了本发明的三维封装超导量子比特器件的下层衬底的结构图，谐振腔如图中标注所示。图2示出了实施例1中本发明的铌基三维封装超导量子比特器件制备工艺示意图。
81.(1)对基片的预清理，以保证后续步骤中高质量纯净的金属铌薄膜生长。
82.步骤1:将标准2英寸蓝宝石基片置于分析纯丙酮液体中后，以功率90w的超声波清
理10分钟。
83.步骤2:在步骤1后，使用洁净慑子在丙酣液体中夹取出标准2英寸蓝宝石基片后迅速(基片上丙酣液体在此过程中应全覆盖基片)放入分析纯异丙醇液体中，后以功率90w的超声波清理10分钟。
84.步骤3:在步骤2后，使用洁净慑子在异丙醇液体中夹取出标准2英寸蓝宝石基片，以高纯氮气不间断吹淋3分钟以去除表面异丙醇液体与可能落于标准2英寸蓝宝石基片之上的灰尘等杂物。
85.(2)高质量纯净的金属铌薄膜生长，该步骤为后续三维超导量子比特超导电路制备打下基础。
86.步骤4:在步骤3后，将洁净的标准2英寸蓝宝石基片置于超高真空磁控溅射仪的预真空进样室的样品托之上，此后抽预真空室使其背景真空优于5x10-4
pa后，传样至超高真空室。
87.步骤5:在步骤4后，在超高真空室加热至120℃，烘烤3小时，之后自然降温。等待主真空室背景真空优于5x10-7
pa后，将主真空室与分子泵之间的闸板阀关闭85％。此后在主真空室中通入高纯氩气，使主真空室的背景真空至0.5pa。达到真空要求后，打开磁控溅射直流电源，设置功率120w，预溅射10分钟以去除靶材上的氧化层获得新鲜的nb靶材表面。此后打开靶材与基片之间的挡板，溅射200s，获得铌膜厚度约100纳米。
88.步骤6:在步骤5后，停止在主真空室中通入高纯氩气并打开主真空室与分子泵之间的闸板阀，等待2小时，等待样品台温度降至室温后，将样品传样至预真空室。
89.步骤7:在步骤6后，关闭预真空室的分子泵与机械泵，打开放气阀，在预真空室中通入普通纯度氩气，使其可以在大气压下打开预真空室，将生长好金属铌薄膜的蓝宝石基片取出。
90.(3)光刻与显影，该步骤是制备三维超导量子芯片的重要一步。
91.步骤8:在步骤7后，将生长好金属铌薄膜的蓝宝石基片置于旋转涂胶机上，涂上s1813光刻胶，转速4000转，旋转匀胶60s，烘烤115度1min，使基片上存在1.3微米厚的s1813光刻胶层。
92.步骤9:在步骤8后，将旋涂好光刻胶的基片置于dwl66+激光直写仪器之上，以60w激光功率，光聚焦模式自动曝光设计好的图形。
93.步骤10:在步骤9后，取曝光完毕的基片，在zx238型显影液中显影40s，去离子水中定影10秒，之后取出，以高纯氮气吹干。
94.(4)刻蚀，该步骤是制备三维超导量子比特器件的重要一步。
95.步骤11:在步骤10后，将样品放入plasmalab 80plus反应离子刻蚀机工作室中，设置sf6气体流量30sccm，ar气流量5sccm，气压30mtorr，功率100w，运行6个刻蚀1分钟，冷却1分钟的循环程序，结束后，在刻蚀机工作室中通入普通氮气至大气，取出刻蚀完毕的样品。
96.步骤12:在步骤11后，将刻蚀完毕的基片置于nmp除胶剂液体中后，在80度烘烤台上浸泡3小时，之后取出放入异丙醇液体中浸泡10分钟，40w功率超声清洗1分钟，取出干燥氮气吹干。
97.(5)上层芯片制备约瑟夫森结，该步骤是制备三维超导量子比特的必要步骤。
98.步骤13:将上层芯片经过步骤12之后的样品置于旋转涂胶机上，滴上maa(8.5)光
刻胶。转速3000转，旋转匀胶1分钟，此后将基片置于160℃热板上烘烤10分钟，使其上均匀涂上maa(8.5)光刻胶。
99.此后将基片置于旋转涂胶机上，滴上pmma(a5)光刻胶。转速4000转，旋转匀胶1分钟，后将基片置于160℃热板上烘烤10分钟，使其上均匀涂上pmma(a5)光刻胶。
100.此后将基片冷却三分钟后置于旋转涂胶机上旋转涂胶机上，均匀滴上sx ar-pc 5000/90.1高性能导电胶。转速4000转，旋转匀胶1分钟，此后将基片置于110℃热板上烘烤2分钟，使其上均匀涂上ar-pc 5000/90.1高性能导电胶。
101.步骤14:在步骤13后，将样品置于jbx-6300fs电子束曝光机中，以100kv加速电压，500pa束流进行曝光指定约瑟夫森结图形。
102.步骤15：在步骤14后，取曝光完毕的基片，于24℃下在mibk:ipa(1:3)型显影液中显影50秒，此后立即置于去离子水中定影15秒，之后取出干燥氮气吹干。
103.步骤16:在步骤15后，将曝光显影后的样品放入plassys-meb550s中调取程序制备约瑟夫森结。
104.步骤17:在步骤16后，将做好结的样品置于nmp除胶剂液体中后，在80℃烘烤台上浸泡3小时，之后取出放入异丙醇液体中浸泡10分钟，40w功率超声清洗1分钟，取出干燥氮气吹干。
105.步骤18：在步骤17后，将基片置于旋转涂胶机上，滴上az-p4620光刻胶。转速500转，旋转匀胶10s，后转速升至1800转，旋转匀胶1分钟，此后将基片置于110度热板上烘烤3分钟，使其上均匀涂上az-p4620光刻胶，在激光直写中曝光需要的图形。
106.步骤19：在步骤18后，将基片至于hybrid 600in蒸铟镀膜机真空腔室内，在背底真空优于4x10-3
pa后，用离子源kdc75，400v 20ma轰击1分钟去除铌表面的氧化层，之后待真空优于5x10-4
pa后，热蒸发镀铟，镀铟电压5v,电流60a，蒸镀30分钟，获得7um厚的铟薄膜。之后重复步骤17，去胶吹干。
107.步骤20：将步骤19制备的上下层芯片样品分别放置于accμra100倒装焊设备上片，下片位置，调两片平行，图形对准后，上下两片室温冷压压焊，压力2000g，时间180s，之后减压取下后，得到三维封装超导比特样品。
108.图3示出了实施例1制备的三维封装超导量子比特器件倒装压焊后上下片间距侧视图。
109.测试结果表明：上下两层芯片之间压焊的铟柱子最大超导临界电流达到100ma，比铝基三维封装比特样品，上下芯片之间的最大超导电流30ma大2倍多。
110.实施例2
111.本试验例用于说明实施例1制备的6比特器件的谐振腔测试结果。
112.初步测试比特样品t1时间平均10us-20us，基本满足多比特超导量子器件应用要求。后续通过改进工艺可以进一步提高器件质量。
113.尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。