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「本源量子计算」在超净间中制造超导量子处理器( 二 )


芯片设计还会影响整个面积的成品率 ， Y=exp（-DA） ， 其中A是芯片的面积 ， D是缺陷密度 。 如您所见 ， 制造小芯片比制造大芯片容易得多 。 缺陷密度产率由随机和系统两大部分组成 。 随机缺陷的例子有:保护膜上的针孔、晶圆片上的颗粒粘附、金属线的腐蚀等等 。 系统的缺陷来自于设备和操作人员的故障、原始材料中的杂质、设计错误(两个特征被放置得如此之近以至于它们会在无意中接触到) ， 或者化学物质中的杂质不允许足够低的泄漏电流 。
「本源量子计算」在超净间中制造超导量子处理器
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在研究了微纳米制造的一些基本原理之后 ， 我们可以进一步研究与量子计算机制造相关的特定问题 。 人们认识到量子计算机所能提供的强大能力 ， 这激发了人们对制造量子计算机的探索 。 制造这样的设备需要原子尺度的操作和每一步的仔细处理 ， 直到设备最终组装完成 。 换句话说 ， 为了拥有最好、最干净的无有机物的量子处理器设备 ， 人们在无尘室里花费了大量的工作时间 。
正常的制造过程通常从基片材料开始 ， 而基材在大多数情况下是硅（也可以使用其他基材 ， 如钻石 ， 蓝宝石） 。
选取哪种特性的基片 ， 取决于所制造的量子处理器类型 。 这些特性通常包括 ， 晶向 ， 材料电阻率 ， 基片厚度等 。
定义结构的图案化工艺（例如在我们涉及诸如CPW（共面波导） ， 通量线 ， 谐振器 ， 晶体管 ， 约瑟夫森结等结构的量子处理器的情况下）通常以两个步骤完成：光刻胶膜的光刻图案化（正或负） ， 然后用作蚀刻或修改基础材料的掩模（图1.4） 。
光掩模定义了感光膜（光刻胶）将被曝光的区域 。 然后 ， 该光刻胶将用作后续步骤的掩模 。 在此步骤之前 ， 根据设备的最终用途 ， 可以引入清洁步骤 ， 然后沉积其他金属基材（图1.5） ， 通常用于保护或增强最终设备的性能 。
「本源量子计算」在超净间中制造超导量子处理器
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图1.4:(a)SiO2deposition;(b)photoresistapplication,(c)UVexposureusingaphotomask,(d)developmentofresistimage,(e)etchingofoxideand(f)photoresistremoval
在显示出图案之后 ， 使用氧等离子体工艺或有机溶液剥离抗蚀剂 。 在此步骤中 ， 保留基底样式已成为该领域的主要重点之一 ， 因为本征损耗会严重缩短相干时间T1 。 在此 ， T1通常用来衡量代表量子位的量子状态保持相干的时间 。 较长的时间是可取的 ， 因为这将给定更多的时间来完成量子运算或在给定的算法中进行更多的运算 。 保持清洁的基材-金属界面可能很困难 ， 因为通常会使用粗糙的处理来获得无残留的表面 。
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图1.5:Exampleofdepositedfilmsonasubstrate
这些工艺之一是在半导体工业中广泛使用的常规清洗技术 ， 例如RCA-1 ， RCA-2 ， 食人鱼湿法蚀刻或其他比例的其他化学药品 ， 通常取决于用于基底的金属类型像铝（Al） ， 氮化钛（TiN）和铌（Nb）一样的图案 。 对于这一领域的研究/工艺工程师而言 ， 这一直是一场艰苦的努力 ， 因为纳米结构的图案在这种情况下极为敏感 ， 这很容易导致灾难性的故障 ， 例如过度蚀刻 ， 在器件不需要的区域重新沉积或使金属膜从基板上分层（图1.6） 。
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图1.6:Examplesofdelaminationofathinfilmafteroveretching
总而言之 ， 目前量子计算硬件制造所面临的挑战实质上是从小规模 ， 学术驱动的现状过渡到工业上可行的突破 。 目前的研究目标是实现一种类似于半导体集成电路的可扩展性公式 。 半导体集成电路在60年的时间里从屈指可数的几个晶体管发展到封装几十亿个晶体管 。 全球各地每天都在测试半导体工业等其他领域已经使用的新技术或方法的组合 ， 以提高量子位接口的质量以及量子处理器的可扩展性 。


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