倒裝焊工藝簡(jiǎn)介

1、隨著超導(dǎo)量子比特技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上需要可以表面誤碼差校正以及更復(fù)雜的高 保真量子電路1-2。 相關(guān)報(bào)道介紹了一些平面二維陣列的設(shè)計(jì)3-5，但是這幾種現(xiàn)行的設(shè) 計(jì)方案中控制布線和讀出電路往往使得量子比特?cái)?shù)目與器件高保真度這二者與不能同時(shí)兼 顧。例如，二維陣列的X mon單量子位就需要利用電容耦合到四個(gè)最近量子比特和讀出諧 振腔，此外還要考慮XY驅(qū)動(dòng)線的設(shè)計(jì)6。多層膜加工工藝是解決這個(gè)問(wèn)題的一種直觀的 方案7，但是該方案中制備的量子比特基片上制備的絕緣層會(huì)造成額外的退相干，從而影 響量子比特的特性8。目前國(guó)際上解決上述困難的主流方法是通過(guò)將器件分離成兩部分， 其中一部分是密集的布線基片并在該

2、基片上制備絕緣層，另一部分上制備量子比特而不生長(zhǎng) 大面積的絕緣層，隨后將這兩種基片通過(guò)倒裝焊工藝結(jié)合起來(lái)形成一種同時(shí)滿足多量子比特 數(shù)目與高保真度的量子比特器件。該種工藝已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，從手機(jī)到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)都有應(yīng)用9。而在低溫技術(shù)中的應(yīng)用還較少。該工藝對(duì)兩部分基片的連接部分提出了如下的要求： 1.連接材料應(yīng)是常規(guī)的量子比特制備工藝中常用的并可以與現(xiàn)有的量子比特制備工藝兼容。 2諧振腔的可加工數(shù)量與質(zhì)量必須達(dá)到高要求。（在布線基片上需加工數(shù)百個(gè)高Q值的諧振 腔）。3在極低溫的條件下可以保證兩部分的聯(lián)通。4.可以在不高的溫度與大氣壓下進(jìn)行兩部分基片的連接，以避免退火改變約瑟夫

3、森結(jié)臨界電 流10。5兩部分基片的連接部分必須在測(cè)量條件下進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，以保證芯片之間的無(wú)損連接與避免 局部生熱破壞測(cè)量條件。6.相互連接偏置線臨界電流應(yīng)大于5nA,以保證可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。銦的臨界溫度相對(duì)較高為3.4K，室溫銦焊接工藝也是一種在半導(dǎo)體工業(yè)中較為成熟的 技術(shù)11，而在量子比特的加工工藝中高純度的銦可以通過(guò)常用的熱蒸發(fā)工藝生長(zhǎng)在指定的 位置，因此基片之間連接材料可選高純銦。但是，由于量子比特的基底金屬常用鋁，而鋁和銦接觸層會(huì)形成交疊層12影響量子比特 的性能，因此熱蒸發(fā)的時(shí)候必須在鋁基底上生長(zhǎng)氮化鈦介質(zhì)緩沖層以防止上述現(xiàn)象的出現(xiàn)， 氮化鈦的臨界溫度高達(dá)5.64K，并且是一種高相干性

4、能的量子比特材料13, 14。倒裝焊的簡(jiǎn)要工藝步驟如下：通過(guò)電子束蒸發(fā)生長(zhǎng) 100nm 的鋁膜，后利用電子束曝光或激光直寫(xiě)工藝制備所需的圖形再 利用干法刻蝕或濕法刻蝕工藝獲得所需的金屬圖形。在加工好的第一層金屬上利用超高真空的磁控濺射工藝生長(zhǎng)氮化鈦層與剝離工藝在指定 的位置獲得緩沖層。此后，將樣品置于超高真空環(huán)境下利用離子束將緩沖層清理干凈。最后 利用熱蒸發(fā)的工藝分別在布線基片的緩沖層上生長(zhǎng)5gm的連接用銦柱，在量子比特基片的 緩沖層上生長(zhǎng)2gm的連接用銦柱，后將基片冷卻到0C靜止一段時(shí)間。用（氫、氦和氮的混合）離子束轟擊以去除銦表面的氧化物并對(duì)銦表面進(jìn)行鈍化，以保證 焊接過(guò)程中銦柱之間的良好

5、連接15。 然后，翻轉(zhuǎn)布線基片并對(duì)齊兩個(gè)芯片，在室溫下使 用SET FC-15 OFlip芯片鍵合器將二者焊接在一起，要求兩部分之間的旋轉(zhuǎn)小于0.5mRad, 對(duì)齊誤差在2gm以內(nèi)。ReferencesBarends R et al 2014 Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for faulttolerance Nature 508 500-3Fowler A G, Mariantoni M, Martinis J M and Cleland A N 2012 Surface codes: towar

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