CN112582529A - 铌基平面多超导量子比特及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铌基平面多超导量子比特，所述铌基平面多超导量子比特包括衬底以及设置于衬底上的金属铌薄膜，所述金属铌薄膜表面刻蚀有超导电路且制备有一个或多个约瑟夫森结。还提供了其制备方法和应用。本发明成功得到铌基底为基底的平面多超导量子比特，解决了铝基底制备超导量子比特工艺所存在的问题。经中国科学院物理研究所测试，应用该工艺所得到的多量子比特性能达到世界相应水平。本发明可进一步应用于超导量子计算对科学问题的计算与仿真以及超导量子比特的3维加工工艺中。

Description

铌基平面多超导量子比特及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于超导量子领域，具体涉及一种铌基平面多超导量子比特及其制备方法和应用。
背景技术
超导量子计算是当下世界范围内被广泛关注的研究课题，近年来许多文献报道了利用超导量子比特对特定物理过程的研究和仿真，在新近的一些工作里其应用范围已经超出了物理学研究范围，在化学、信息学等领域也得到了很好的结果。我国在国家战略层次上也引起了足够的重视。作为超导量子计算的核心超导量子芯片，可以说其制备工艺与技术是超导量子计算的成败关键，而超导量子比特关键的性能参数是其退相干时间。
目前世界范围内，制备超导量子芯片的方法是以蓝宝石材料为基底的基片上通过特定方法生长金属铝薄膜，此后通过分子束外延薄膜生长、紫外光刻、碱性化学腐蚀或氯气干法刻蚀、电子束曝光、约瑟夫森结制备等一系列工艺加工超导电路与超导量子比特。根据现有技术制备的超导量子比特退相干时间约为15—40微秒。
采取金属铝制备多超导量子比特的工艺主要存在的问题有：
1.在后续(电子束曝光)工艺中必须在超导量子比特上的特殊位置生长一个由金薄膜组成的对准标志，这增加了制备的成本及工艺本身的复杂性。
2.金属铝较为容易与空气中的氧气发生反应形成不利于超导量子比特性能的氧化层。
3.金属铝的材质较软，在后续加工工艺中较为容易脱落或者划伤，从而导致超导量子比特加工过程的失败。
4.应用金属铝制备超导量子比特的工艺中需要用到剧毒气体氯气作为工艺气体，这极大的增加了技术风险。避免利用氯气的替代工艺又要利用化学腐蚀的方法，该方法对工艺实施者也有一定伤害且条件不稳定，重复性差。
5.在进一步扩展超导量子比特数量的三维立体封装工艺中，金属铝会与金属铟形成合金层从而影响超导量子比特的性能以及三维封装工艺的成功率。
6.金属铝化学性质较为活泼，可以与制备超导量子比特工艺中绝大多数必须的光刻显影液(碱性)发生反应，从而导致超导量子比特加工过程的失败。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种铌基平面多超导量子比特及其制备方法和应用，解决以金属铝为基底的制备超导量子比特工艺所存在的问题，应用新材料与工艺方法成功制备性能达到世界相应水平的多超导量子比特。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种铌基平面多超导量子比特，所述铌基平面多超导量子比特包括衬底以及设置于衬底上的金属铌薄膜，所述金属铌薄膜表面刻蚀有超导电路且制备有一个或多个约瑟夫森结；
优选地，所述衬底选自以下一种或多种：蓝宝石、高阻硅、非晶硅；优选为蓝宝石。
本发明的第二方面提供了第一方面所述的铌基平面多超导量子比特的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：
(1)清理衬底；
(2)在步骤(1)所得的衬底上生长金属铌薄膜；
(3)在步骤(2)制得的样品表面进行光刻与显影；
(4)对步骤(3)显影后的样品进行刻蚀；
(5)对步骤(4)刻蚀后的样品上制备约瑟夫森结。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(1)包括以下步骤：将所述衬底浸泡于溶剂中，超声清理，超声结束后以氮气吹淋所述衬底；
优选地，所述溶剂选自以下一种或多种：丙酮、异丙醇、去离子水；和/或
优选地，所述超声功率为20～100W，超声时间为1～30分钟；更优选地，所述超声功率为30～50W，超声时间为5～20分钟；最优选地，所述超声功率为40W，超声时间为10分钟。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(2)中，所述金属铌薄膜的厚度为50～200nm，优选为80～150nm，最优选为100nm；和/或
所述生长金属铌薄膜的方法选自以下一种或多种：磁控溅射、电子束蒸发；优选为磁控溅射。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(3)包括以下步骤：
(A)在步骤(2)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；
(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；
(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；
优选地，步骤(A)中，所述光刻胶的厚度为1～4.8微米，更优选为1～3微米，最优选为1.3～2.2微米；和/或
优选地，步骤(A)中，所述光刻胶选自以下一种或多种：S1813光刻胶、SPR220光刻胶，最优选为S1813光刻胶。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(4)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：反应离子刻蚀、化学腐蚀；优选为反应离子刻蚀；
更优选地，步骤(4)还包括对刻蚀完毕的样品进行除胶的步骤。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(5)包括以下步骤：
(a)清理步骤(4)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；
(b)对步骤(a)所得样品进行电子束曝光约瑟夫森结图形；
(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；
(d)切割步骤(c)所得样品，制备约瑟夫森结；
(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。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(a)中，所述MAA光刻胶的厚度为80～400纳米，优选为150～250纳米，最优选为200纳米；
所述PMMA光刻胶的厚度为100～400纳米，优选为150～250纳米，最优选为200纳米；和/或
所述SX AR-PC导电胶的厚度为30～80纳米，优选为40～60纳米，最优选为50纳米。
根据本发明第二方面的方法，其中，步骤(b)中，所述电子束曝光加速电压为10～50Kv，优选为10～30Kv，最优选为20Kv；和/或
所述电子束曝光的光阑直径为10～50微米，优选为10～30微米，最优选为20微米。
本发明的第三方面提供了一种超导量子芯片，所述超导量子芯片包括如第一方面所述的铌基平面多超导量子比特或按照第二方面所述的制备方法而制得的铌基平面多超导量子比特。
本发明的铌基平面多超导量子比特可以具有但不限于以下有益效果：
本发明成功得到铌基底为基底的平面多超导量子比特，解决了铝基底制备超导量子比特工艺所存在的问题。经中国科学院物理研究所测试，应用该工艺所得到的多量子比特性能达到世界相应水平。本发明可进一步应用于超导量子计算对科学问题的计算与仿真以及超导量子比特的3维加工工艺中。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明制备的铌基平面多超导量子比特显微镜光学照片(局部)。
图2示出了本发明制备的铌基平面多超导量子比特图(全貌)。
图3示出了试验例1中铌基平面多超导量子比特的退相干时间单次测量结果。
图4示出了试验例1中铌基平面多超导量子比特的退相干时间不同测量参数下的多次测量结果，其中图4(a)示出了上述结果的二维图，图4(b)示出了上述结果的点状图。
具体实施方式
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。
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。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
蓝宝石基片、丙酮、异丙醇、光刻胶、显影液、NMP除胶剂液体，购自苏州研材微纳科技有限公司。
仪器：
超高真空磁控溅射仪，购自物科光电公司、型号PVD400UHV；
旋转涂胶机，购自中国科学院微电子所、型号KW-4A；
激光直写仪器，购自德国海德堡公司、型号DWL66+；
反应离子刻蚀机，购自Samco公司，型号10NR；
微波等离子体除胶机，购自物科光电公司，型号PS210；
电子束曝光机，购自Raith公司，型号Raith150。
实施例1
本实施例用于说明本发明铌基平面多超导量子比特的制备方法。
(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
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40W的超声波清理10分钟。
步骤2：在步骤1后，使用洁净镊子在丙酮液体中夹取出标准2英寸蓝宝石基片后迅速(基片上丙酮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40W的超声波清理10分钟。
步骤3：在步骤2后，使用洁净镊子在异丙醇液体中夹取出标准2英寸蓝宝石基片后迅速(基片上异丙醇液体在此过程中应全覆盖基片)放入去离子水液体中，后以功率40W的超声波清理10分钟。
步骤4：在步骤3后，使用洁净镊子在去离子水液体中夹取出标准2英寸蓝宝石基片，后置于洁净无尘纸上，以高纯氮气不间断吹淋3分钟以去除表面去离子水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。
(2)高质量纯净的金属铌薄膜生长，该步骤为后续步骤多超导量子比特超导电路制备打下基础
步骤5：在步骤4后，将洁净的标准2英寸蓝宝石基片置于PVD400UHV超高真空磁控溅射仪的预真空进样室的样品托之上，该样品托下带有一加热板(其加热温度范围100℃—850℃)。此后抽真空使其背景真空优于5×10-5Pa后，打开标准2英寸蓝宝石基片下的加热板，在5秒之内使加热板的温度从室温提升到350℃后持续加热120分钟
步骤6：在步骤5后，关闭标准2英寸蓝宝石基片下的加热板，待加热板温度恢复室温、预真空室背景真空优于5×10-5Pa且主真空室背景真空优于5×10-7Pa后，打开预真空与主真空室的闸板阀，利用步进电机控制的传输杆将置于样品托上的样品连同样品托送入主真空室特定位置上，准备磁控溅射金属铌薄膜。将步进电机控制的传输杆撤回预真空室后关闭预真空与主真空室的闸板阀
步骤7：在步骤6后，等待主真空室背景真空优于5×10-7Pa后，将主真空室与低温冷泵之间的闸板阀关闭85％。此后在主真空室中通入高纯氩气，在5分钟内使主真空室的背景真空至1.7Pa。达到真空要求后稳定5分钟，打开磁控溅射靶材射频电源，将其功率设置为210W，待其稳定起辉后，预溅射2分钟以去除靶材上可能残留的杂质。此后打开靶材与洁净的标准2英寸蓝宝石基片之间的挡板，开始溅射金属铌薄膜，溅射时间100秒，溅射金属铌薄膜厚度约100纳米。
步骤8：在步骤7后，停止在主真空室中通入高纯氩气并完全打开主真空室与低温冷泵之间的闸板阀，待主真空室背景真空优于5×10-7Pa后打开预真空与主真空室的闸板阀，利用步进电机控制的传输杆将置于样品托上的样品连同样品托撤回到预真空室中，后关闭预真空与主真空室的闸板阀。
步骤9：在步骤8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氮气，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
(3)光刻与显影，该步骤是制备多超导量子比特超导电路的重要一步。
步骤10：在步骤9后，将生长好金属铌薄膜的蓝宝石基片置于旋转涂胶机上，均匀滴上5毫升的S1813光刻胶。此后启动旋转涂胶机，使其转速在10秒内从0均匀加速至4000转每分钟，转速稳定后持续旋转匀胶1分钟，此后将基片置于115℃热板上烘烤1分钟，使基片上存在1.3微米厚的S1813光刻胶层。
步骤11：在步骤10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，气浮聚焦模式自动曝光设计好的图形。
步骤12：在步骤11后，取曝光完毕的基片，于24℃下在ZX238型显影液中显影40秒，此后立即置于去离子水中定影10秒，后置于洁净无尘纸上，以高纯氮气不间断吹淋3分钟以去除表面去离子水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。
(4)刻蚀，该步骤是制备多超导量子比特超导电路的重要一步。
步骤13：在步骤12后，在Samco 10NR反应离子刻蚀机工作室中进行抽真空，使其背景真空优于5×10-2Pa后，关闭抽气闸板阀90％同时通入流量为5sccm的氧气与流量为3sccm的氩气，待气压稳定后启动射频电源，将射频电源的入射功率设置100W，仔细调节使反射功率为0W，保持起辉状态15分钟，此后通入流量为10sccm的氧气与流量为6sccm的氩气，待气压稳定后启动射频电源，将射频电源的入射功率设置为100W，仔细调节使反射功率为0W，保持起辉状态15分钟。
步骤14：在步骤13后，在Samco 10NR反应离子刻蚀机工作室中通入普通氮气使其可以在大气压下打开。后放入显影完毕的样品基片，关闭进样门，抽真空至工作室背景真空优于5×10-2Pa后，关闭抽气闸板阀90％同时通入流量为……的六氟化硫气体，待工作室气压稳定于4.5Pa后，以50W入射功率开始刻蚀，刻蚀时间3分钟，在刻蚀过程中需要时时调整反射功率使其基本为零。刻蚀完成后在Samco 10NR反应离子刻蚀机工作室中通入普通氮气使其可以在大气压下打开，取出刻蚀完毕的样品。
步骤15：在步骤14后，将刻蚀完毕的基片置于NMP除胶剂液体中后，在50℃的水浴温度环境中以功率20W的超声波清理20分钟。此后使用洁净镊子在NMP除胶剂液体中夹取出标准基片后迅速(基片上NMP除胶剂液体在此过程中应全覆盖基片)放入分析纯丙酮液体中，此后以功率20W的超声波清理10分钟。此后，使用洁净镊子在丙酮液体中夹取出标准基片后迅速(基片上丙酮液体在此过程中应全覆盖基片)放入去离子水液体中并以功率20W的超声波清理5分钟。完成上述清理后，将基片置于PS210型微波等离子体除胶机中调用除胶25纳米程序1次进行再除胶。
(5)制备约瑟夫森结，该步骤是制备多超导量子比特的必要步骤
步骤16：在步骤15后，重复步骤1-3。此后将基片置于旋转涂胶机上，均匀滴上5毫升的MAA(11)光刻胶。此后启动旋转涂胶机，使其转速在10秒内从0均匀加速至3000转每分钟，转速稳定后持续旋转匀胶1分钟，此后将基片置于170℃热板上烘烤1分钟，使基片上存在MAA(11)光刻胶层。此后将基片置于旋转涂胶机上，均匀滴上5毫升的PMMA(A5)光刻胶。此后启动旋转涂胶机，使其转速在10秒内从0均匀加速至3000转每分钟，转速稳定后持续旋转匀胶1分钟，此后将基片置于170℃热板上烘烤15分钟，使基片上存在PMMA(A5)光刻胶层。此后将基片置于旋转涂胶机上，均匀滴上5毫升的SX AR-PC 5000/90.1高性能导电胶。此后启动旋转涂胶机，使其转速在10秒内从0均匀加速至4000转每分钟，转速稳定后持续旋转匀胶1分钟，此后将基片置于115℃热板上烘烤1分钟，使基片上存在SX AR-PC 5000/90.1高性能导电胶层。其中，所述MAA光刻胶的厚度为200纳米，所述PMMA光刻胶的厚度为200纳米，所述SX AR-PC导电胶的厚度为50纳米。
步骤17：在步骤16后，将样品置于Raith150电子束曝光机中，以20Kv加速电压，20微米直径光阑条件下进行曝光指定约瑟夫森结图形。
步骤18：在步骤17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10秒，后置于洁净无尘纸上，以高纯氮气不间断吹淋3分钟以去除表面去离子水液体与可能落于基片之上的灰尘等杂物。
步骤19：在步骤18后，将曝光完毕的基片用金刚石刀切割至所需特定尺寸，后送入Plassys-MEB550s中调取特定程序进行约瑟夫森结的制备。
步骤20：在步骤19后，将样品从Plassys-MEB550s中取出，置于在40℃的水浴温度环境中的NMP除胶剂液体中静置120分钟，后对样品进行标准剥离工艺，此后即可得到铌基平面多超导量子比特。
图1示出了本发明制备的铌基平面多超导量子比特图(局部)。图2示出了本发明制备的铌基平面多超导量子比特图(全貌)。
试验例1
本实施例用于说明本发明铌基平面多超导量子比特的性能。
中国科学院物理研究所采用标准测量方法(QND测量法)对实施例1制备的样品进行了退相干时间测量。图3示出了试验例1中铌基平面多超导量子比特的退相干时间单次测量结果。在5.00GHz的工作点上，测得的比特退相干时间为26.1GHz。图4示出了试验例1中铌基平面多超导量子比特的退相干时间不同测量参数下的多次测量结果，在4.6GHz到5.6GHz的频率范围内利用标准测量方法对该方法制备的样品进行了51次测量，得到了每个工作点的特性，平均值为26.26微秒。其中图4(a)示出了上述结果的二维图，图4(b)示出了上述结果的点状图。本发明铌基平面多超导量子比特退相干时间平均值为26.26微秒，可见应用该工艺所得到的多量子比特性能达到世界相应水平。
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。

Claims (10)

1.一种铌基平面多超导量子比特，其特征在于，所述铌基平面多超导量子比特包括衬底以及设置于衬底上的金属铌薄膜，所述金属铌薄膜表面刻蚀有超导电路且制备有一个或多个约瑟夫森结；
优选地，所述衬底选自以下一种或多种：蓝宝石、高阻硅、非晶硅；优选为蓝宝石。
2.根据权利要求1所述的铌基平面多超导量子比特的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)清理衬底；
(2)在步骤(1)所得的衬底上生长金属铌薄膜；
(3)在步骤(2)制得的样品表面进行光刻与显影；
(4)对步骤(3)显影后的样品进行刻蚀；
(5)对步骤(4)刻蚀后的样品上制备约瑟夫森结。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：将所述衬底浸泡于溶剂中，超声清理，超声结束后以氮气吹淋所述衬底；
优选地，所述溶剂选自以下一种或多种：丙酮、异丙醇、去离子水；和/或
优选地，所述超声功率为20～100W，超声时间为1～30分钟；更优选地，所述超声功率为30～50W，超声时间为5～20分钟；最优选地，所述超声功率为40W，超声时间为10分钟。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属铌薄膜的厚度为50～200nm，优选为80～150nm，最优选为100nm；和/或
所述生长金属铌薄膜的方法选自以下一种或多种：磁控溅射、电子束蒸发；优选为磁控溅射。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：
(A)在步骤(2)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；
(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；
(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；
优选地，步骤(A)中，所述光刻胶的厚度为1～4.8微米，更优选为1～3微米，最优选为1.3～2.2微米；和/或
优选地，步骤(A)中，所述光刻胶选自以下一种或多种：S1813光刻胶、SPR220光刻胶，最优选为S1813光刻胶。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：反应离子刻蚀、化学腐蚀；优选为反应离子刻蚀；
更优选地，步骤(4)还包括对刻蚀完毕的样品进行除胶的步骤。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括以下步骤：
(a)清理步骤(4)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；
(b)对步骤(a)所得样品进行电子束曝光约瑟夫森结图形；
(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；
(d)切割步骤(c)所得样品，制备约瑟夫森结；
(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。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述MAA光刻胶的厚度为80～400纳米，优选为150～250纳米，最优选为200纳米；
所述PMMA光刻胶的厚度为100～400纳米，优选为150～250纳米，最优选为200纳米；和/或
所述SX AR-PC导电胶的厚度为30～80纳米，优选为40～60纳米，最优选为50纳米。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，所述电子束曝光加速电压为10～50Kv，优选为10～30Kv，最优选为20Kv；和/或
所述电子束曝光的光阑直径为10～50微米，优选为10～30微米，最优选为20微米。
10.一种超导量子芯片，其特征在于，所述超导量子芯片包括如权利要求1所述的铌基平面多超导量子比特或按照权利要求2至9中任一项所述的制备方法而制得的铌基平面多超导量子比特。
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