[논문 리뷰] Superconducting Caps for Quantum Integrated Circuits

William O’Brien, Mehrnoosh Vahidpour외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 3D 초전도체 캡 아키텍처를 제안하며, 스퍼터링된 알루미늄 린어와 인듐 빔을 사용하여 캡 칩와 큐비트 회로 간에 저저항, 초전도 전기적 접합을 형성한다. 이 방법은 81개의 테스트 지점 중 80개에서 실온에서 5 Ω 이하의 저항을 달성하였고, 0.8 K 이하에서 저항이 0이 되어 초전도 연속성이 견고하게 확보됨을 확인하였다. 이는 큐비트의 양자 얽힘 시간 향상과 전자기적 차폐를 향상시킨다.

ABSTRACT

We report on the fabrication and metrology of superconducting caps for qubit circuits. As part of a 3D quantum integrated circuit architecture, a cap chip forms the upper half of an enclosure that provides isolation, increases vacuum participation ratio, and improves performance of individual resonant elements. Here, we demonstrate that such caps can be reliably fabricated, placed on a circuit chip, and form superconducting connections to the circuit.

연구 동기 및 목표

• dielectric 손실을 줄이기 위해 진공 참여도를 높임으로써 큐비트 공진기의 초전도성 연속성을 향상시키기 위한 3D 초전도체 캡 아키텍처를 개발한다.
• 인듐 빔과 내열 금속 캡 레이어를 사용하여 캡 칩와 양자 회로 칩 간에 신뢰성 있고 저저항의 초전도 전기적 연결을 가능하게 한다.
• 기존의 2D 양자 통합 회로 아키텍처와의 통합 가능성을 입증하여 전자기적 차폐를 향상시키고 교차 간섭을 줄인다.
• 테스트 구조에 대한 측정을 통해 대면적 칩에서 캡-회로 접합의 전기적 및 초전도적 무결성을 검증한다.

제안 방법

• 24 µm 두께의 실리콘 장치층과 1 µm 두께의 버티컬 산화막을 가진 실리콘 온 인슐레이터 웨이퍼를 사용하여, ICP-RIE를 통한 산화막 빔 패atter닝과 보쉬 공정을 이용한 깊은 반도체 이온 에칭(DRIE)을 통해 수직이고 24 µm 깊이의 포켓을 형성하는 이중 공정을 통해 초전도체 캡을 제작한다.
• 연속적인 초전도체 차폐를 형성하기 위해 1 µm 두께의 알루미늄을 균일하게 스퍼터링하고, 자연 산화막 형성을 방지하고 저저항 접촉을 확보하기 위해 인라인으로 200 nm 두께의 몰리브덴을 캡핑한다.
• 전자빔 증착과 리트로프로세스를 통해 티타늄 접착층을 포함한 인듐 빔 패턴을 형성하여, Tc > 3 K를 확보함으로써 회로 칩에 대한 견고한 접합을 형성하는 초전도체 연결을 만든다.
• 1 K에서 정상 상태 성질을 가지는 팔라디움을 회로 칩의 접합 패드로 사용하여, 인접 효과를 활용해 정상 상태 성질에도 불구하고 초전도성을 유지한다.
• 45 kg의 압력을 가하며 약 70 °C에서 정밀한 정렬과 접합을 수행하며, 1 µm 두께의 산화막 빔이 접촉 간격을 제한하고 기계적 안정성을 확보한다.
• 31 mm 및 29 mm 칩에 9×9 격자형 테스트 구조를 설계하여 표준 셀, 인듐으로 단락된 패드, 터널 에칭된 지점을 포함하여 알루미늄의 균일성과 접합 저항을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도체 캡은 저항과 초전도 연속성을 유지하면서 양자 회로 칩에 신뢰성 있게 제작되고 접합될 수 있는가?
• RQ2 이 아키텍처는 큐비트 공진기에서 진공 참여도를 높이고 유전체 손실을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 몰리브덴 캡핑 레이어는 알루미늄의 자연 산화막 분해를 얼마나 효과적으로 방지하고, 저저항 인듐 접합을 확보하는 데 기여하는가?
• RQ4 저온 및 실온 저항 측정을 통해 대면적 칩에서 초전도 경로의 균일성과 품질은 어떠한가?
• RQ5 밀리켈빈 온도에서 캡-회로 접합이 초전도성을 유지할 수 있으며, 이 연결 경로의 임계 전류는 얼마인가?

주요 결과

• 81개의 테스트 지점 중 80개에서 실온에서 직렬 저항이 5 Ω 이하로 측정되어 캡-회로 접합에서 높은 공정 정밀도와 우수한 전기적 연속성을 입증하였다.
• 인듐과 몰리브덴 사이의 접합 저항은 0.2 Ω 이하로 측정되어 접합 표면에서의 인터페이스 접촉이 매우 효과적임을 나타냈다.
• 칩 전반에 걸쳐 저항 비대칭성이 유의미하게 관측되지 않아 31 mm 영역에서 양호한 접합 평행성과 평탄성을 확인하였다.
• 저온 측정 결과에서 인듐의 경우 2.9–3.1 K, 몰리브덴/알루미늄의 경우 0.8–0.9 K에서 날카로운 초전도 전이가 관측되었고, 0.8 K 이하에서 저항이 0이 되어 초전도 연속성이 확인되었다.
• 접합 경로의 임계 전류는 36 µA 이하로 제한되어 있어 초전류가 연결 경로를 안정적으로 통과함을 나타냈다.
• 표준, 터널 에칭된, 인듐으로 단락된 테스트 구조 간에 저항 차이가 측정되지 않아 알루미늄 린어가 포켓 전역에서 균일하고 연속적임을 확인하였다.