[论文解读] Superconducting Caps for Quantum Integrated Circuits

William O’Brien, Mehrnoosh Vahidpour+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 14

一句话总结

本文提出一种用于量子集成电路的3D超导帽结构，采用溅射铝衬里和铟凸点，在盖芯片与量子比特电路之间形成低电阻、超导的电连接。该方法在81个测试点中的80个实现了室温电阻低于5 Ω，并在0.8 K以下表现出零电阻，证实了超导连续性，从而增强了量子比特相干性和电磁屏蔽。

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.

研究动机与目标

• 开发一种3D超导帽结构，通过增加真空参与度来减少介电损耗，从而提升量子比特相干性。
• 利用铟凸点和难熔金属盖层，实现盖芯片与量子电路芯片之间可靠、低电阻的超导电连接。
• 证明将超导帽与现有2D量子集成电路架构集成的可行性，以增强电磁屏蔽并减少串扰。
• 通过测试结构的计量测量，验证大尺寸芯片上帽-电路连接的电学与超导完整性。

提出的方法

• 使用24 µm硅器件层和1 µm埋氧层的绝缘体上硅（SOI）晶圆，通过两步刻蚀工艺制造超导帽：首先采用ICP-RIE图案化氧化物凸点，再利用博世工艺的深反应离子刻蚀（DRIE）形成垂直、深24 µm的凹槽。
• 通过共形溅射沉积1 µm铝，形成连续的超导屏蔽层，并在原位沉积200 nm钼层，防止天然氧化物形成，确保低电阻接触。
• 通过电子束蒸发和剥离工艺，对钛粘附层进行铟凸点图案化，形成Tc > 3 K的超导互连，实现与电路芯片的可靠连接。
• 在电路芯片上使用钯作为键合垫端子，利用临近效应在1 K时保持超导行为，尽管钯在正常态下为非超导。
• 在约70 °C下施加45 kg压力，精确对准并键合盖芯片与电路芯片，1 µm氧化物凸点限制接触间隙，确保机械稳定性。
• 在31 mm和29 mm的芯片上设计9×9的测试结构阵列，包括标准单元、铟短路垫和沟槽刻蚀位置，用于评估铝的共形性和接触电阻。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持低电阻和超导连续性的前提下，可靠地将超导帽制造并键合到量子电路芯片上？
• RQ2 该帽结构在多大程度上增强了量子比特谐振器的真空参与度并减少了介电损耗？
• RQ3 Mo盖层在防止Al的天然氧化物退化及确保低电阻铟键合方面效果如何？
• RQ4 在大尺寸芯片上，超导通路的均匀性和质量如何，通过低温和室温电阻测量评估？
• RQ5 该帽-电路连接能否在毫开尔文温度下保持超导性？其临界电流是多少？

主要发现

• 81个测试点中有80个在室温下表现出低于5 Ω的串联电阻，证明了工艺的高保真度和帽-电路连接处优异的电连续性。
• 测得的铟与钼之间的接触电阻小于0.2 Ω，表明键合界面具有极佳的界面接触效果。
• 芯片上未观察到显著的电阻不对称性，证实了在31 mm区域内键合的并行性和平面性良好。
• 低温测量显示，铟的超导转变温度为2.9–3.1 K，Mo/Al为0.8–0.9 K，且在0.8 K以下电阻为零，证实了超导连续性。
• 键合路径的临界电流下限为36 µA，表明超导电流可通过互连路径稳定传输。
• 在标准结构、沟槽刻蚀结构和铟短路结构之间未测得电阻差异，证实铝衬里在凹槽内具有良好的共形性和连续性。