CN116683140A - 一种微波衰减器及其制作方法、超导量子计算机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及衰减器技术领域，公开了一种微波衰减器及其制作方法、超导量子计算机，包括：衬底；位于衬底上的氮化钽薄膜电阻以及与氮化钽薄膜电阻电性连接的共面波导；位于衬底远离共面波导的一侧且与共面波导电性连接的底部公共地层。上述微波衰减器利用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻以及采用共面波导的设计，可以实现极低温环境下对微信号的精确衰减，并且在结构上采用背面公共地连接方式，能够减小地线阻抗，提高抗干扰能力，便于统一接地，实现小型化，整体来看，具有精度高、匹配特性好、阻值精密稳定、温湿度系数低、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点，满足超导量子计算机发展需求。

Description

一种微波衰减器及其制作方法、超导量子计算机

技术领域

本发明涉及衰减器技术领域，特别是涉及一种微波衰减器及其制作方法、超导量子计算机。

背景技术

超导量子计算机是一种新体制计算机，量子芯片、核心电子器件、电子线路均需工作在10mK级低温环境中。对于超导量子计算机，宏观的微波操控信号必须经过多层衰减后才能作用到超导量子比特上，同时还要保持很好的信噪比。当前超导量子计算机的微波测控系统产生的微波信号需要衰减100dB以满足超导量子比特微波操控信号要求，在操控回路上大量使用微波衰减器。

在低温环境下，超导量子控线路设计需要微波衰减器满足10mK至4K的极低工作温度，且衰减量稳定。目前，现有的微波衰减器多为常温、低温衰减器，为数不多的极低温衰减器工作温度也仅到液氮温区。并且随着计算量的增大，量子比特数增加，操控线路所需的衰减器增多，而为量子计算提供低温环境的制冷机体积有限，现有的微波衰减器无法满足小型化的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微波衰减器，可以实现极低温环境下对微信号的精确衰减，具有精度高、匹配特性好、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点。其具体方案如下：

一种微波衰减器，包括：

衬底；

位于所述衬底上的氮化钽薄膜电阻以及与所述氮化钽薄膜电阻电性连接的共面波导；

位于所述衬底远离所述共面波导的一侧且与所述共面波导电性连接的底部公共地层。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述共面波导包括信号线和位于所述信号线两侧的地线；

所述地线通过多个通孔与所述底部公共地层电性连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，各所述通孔内设置有金属柱；所述金属柱贯穿所述地线和所述衬底。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述氮化钽薄膜电阻为π型氮化钽薄膜电阻；

所述π型氮化钽薄膜电阻包括一个Rs电阻和两个Rp电阻；

所述Rs电阻位于所述信号线上；两个所述Rp电阻均位于所述信号线和其中一条所述地线之间。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述信号线的宽度范围为10μm至200μm；

所述地线的宽度范围为200μm至1000μm；

所述信号线与所述地线之间的间距范围为5μm至100μm。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述共面波导的厚度范围为0.1μm至0.5μm；

所述底部公共地层的厚度范围为0.1μm至5μm；

所述衬底的厚度范围为300μm至1000μm。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述衬底为由氧化铝构成的蓝宝石。

优选地，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，所述微波衰减器为多通道集成衰减器时，所述底部公共地层为整层结构，所述共面波导的个数与通道个数相同。

本发明实施例还提供了一种如本发明实施例提供的上述微波衰减器的制作方法，包括：

在衬底上通过构图工艺形成氮化钽薄膜电阻的图形；

在形成有所述氮化钽薄膜电阻的所述衬底上形成共面波导的图形；所述共面波导与所述氮化钽薄膜电阻电性连接；

在所述衬底远离所述共面波导的一侧形成底部公共地层；所述底部公共地层与所述共面波导电性连接。

本发明实施例还提供了一种超导量子计算机，包括如本发明实施例提供的上述微波衰减器。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种微波衰减器，包括：衬底；位于衬底上的氮化钽薄膜电阻以及与氮化钽薄膜电阻电性连接的共面波导；位于衬底远离共面波导的一侧且与共面波导电性连接的底部公共地层。

本发明提供的上述微波衰减器，利用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻以及采用共面波导的设计，可以实现极低温环境下对微信号的精确衰减，并且在结构上采用背面公共地连接方式，能够减小地线阻抗，提高抗干扰能力，便于统一接地，实现小型化，整体来看，具有精度高、匹配特性好、阻值精密稳定、温湿度系数低、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点，满足超导量子计算机发展需求。

此外，本发明还针对微波衰减器提供了相应的制作方法、超导量子计算机，进一步使得上述微波衰减器更具有实用性，该制作方法、超导量子计算机具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微波衰减器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微波衰减器的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的π型氮化钽薄膜电阻的电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的氮化钽薄膜电阻的S参数仿真分析结果示意图；

图5为本发明实施例提供的微波衰减器的剖面示意图；

图6为本发明实施例提供的共面波导、金属柱与底部公共地层的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的微波衰减器的阻抗仿真分析结果示意图；

图8为本发明实施例提供的20通道衰减器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的24通道衰减器的封装示意图；

图10为本发明实施例提供的微波衰减器的制作方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种微波衰减器，如图1和图2所示，包括：

衬底1；

位于衬底1上的氮化钽(TaN)薄膜电阻2以及与氮化钽薄膜电阻2电性连接的共面波导(Coplanar waveguide，CPW)3；

位于衬底1远离共面波导3的一侧且与共面波导3电性连接的底部公共地层4。

在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，利用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻以及采用共面波导3的设计，可以实现极低温环境下对微信号的精确衰减，并且在结构上采用背面公共地连接方式，能够减小地线阻抗，提高抗干扰能力，便于统一接地，实现小型化，整体来看，具有精度高、匹配特性好、阻值精密稳定、温湿度系数低、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点，满足超导量子计算机发展需求。

需要说明的是，本发明针对超导量子计算机的极低温(10mK至4K)工作温度，从原理设计触发，选取氮化钽这种低温电阻材料的工艺设计，具有化学稳定性高、电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)小、阻值可调范围大的优点。氮化钽薄膜能在空气中氧化生成一层致密的五氧化二钽(Ta₂O₅)膜，使它能够抵御水气的侵蚀，从而具有优良的稳定性和可靠性。另外，当氮化钽薄膜结构主要包含六方Ta₂N相时，便能确保氮化钽电阻薄膜的高稳定性，且TCR不超过-50ppm/℃，甚至趋近于零。所以氮化钽薄膜是一种非常理想的电阻薄膜材料。因此本发明选用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻。

另外，需要说明的是，本发明采用底部接地共面波导(CPW-BG)结构作为信号传输线。共面波导为衬底正面的结构，它是电路的功能层。公共地是衬底背面的结构，它是为了在后续大片集成时候提供一个公共地。该共面波导的电磁波以准TEM模式传播，高频(这里通常为GHz以上)传输特性比较理想，可以满足信号在无线通信中DC～18GHz的应用频率要求。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，如图1所示，每个共面波导3可以包括一条位于中心的信号线31和位于信号线31两侧的地线32。每条地线32可以通过多个通孔与底部公共地层4电性连接。较佳地，本发明的微波衰减器可以采用硅通孔(Through Silicon Vias，TSV)工艺将地线32集成到底部，接地面积更大。通过TSV工艺实现背面公共地连接方式，简化了连接方式，便于小型化集成。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，如图1所示，各通孔内可以设置有金属柱5；金属柱5可以贯穿地线32和衬底1。较佳地，金属柱5的材质可以选用铜。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，氮化钽薄膜电阻2可以为π型氮化钽薄膜电阻，这样选用匹配性能较好的π型阻性衰减网络进一步实现微波衰减。如图3所示，π型氮化钽薄膜电阻可以包括一个Rs电阻21和两个Rp电阻22；如图2所示，Rs电阻21位于信号线31上；两个Rp电阻22均位于信号线31和其中一条地线32之间。

以20dB衰减器为例，可以先确定拟设计的20dB衰减器拓扑结构中的Rs、Rp等核心结构器件电阻参数，然后运用HFSS软件进行三维建模并进行仿真，图4示出了氮化钽薄膜电阻的S参数仿真分析结果示意图。

氮化钽薄膜电阻的插入损耗即为衰减电阻的实际衰减量，可用S21表示。插入损耗和标称衰减量越接近，说明衰减电阻的衰减精度越高，插入损耗的大小是由电阻网络的结构和阻值决定的。根据图4可以看出，在本发明设计的20dB的衰减器中，衰减量S21基本接近20dB，符合衰减电阻网络的设计要求，因此，π型衰减电阻符合程控衰减要求，可应用在衰减器中。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，如图5所示，信号线31的宽度S范围可以为10μm至200μm；地线32的宽度G范围可以为200μm至1000μm；信号线31与地线32之间的间距W范围可以为5μm至100μm。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，如图5所示，共面波导3的厚度t范围可以为0.1μm至0.5μm；底部公共地层4的厚度p范围可以为0.1μm至5μm；衬底1的厚度H范围可以为300μm至1000μm。如图6所示，单个衰减器的宽度L范围可以为5mm至20mm。

需要指出的是，本发明采用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻，优化衬底1的厚度H、相对介电常数εr、信号线31的宽度S，信号线31与地线32之间的间距W、共面波导3的厚度t等参数，可以实现电阻的精确控制，进而指导衰减器的精密制造工艺。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，由于本发明所设计衰减器的工作环境是超低温，针对材料的特殊性，衬底1可以为由氧化铝构成的蓝宝石。另一方面，为了降低导体损耗，需要选择电导率高的金属作为共面波导3的材料。此外，共面波导3结构的特征阻抗可实现5Ω至200Ω。

为了更为直观地研究各参数对共面波导特性的影响，本发明可以采用AdvancedDesign System仿真软件对共面波导的特征阻抗进行仿真匹配。在仿真中，采用的蓝宝石作为衬底，共面波导3结构使用的金属为Au，针对衰减器小体积的要求，这里设计共面波导信号线的宽度S＝100μm，经软件仿真后，仿真结果如图7所示。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述微波衰减器中，由于本发明所采用的片上氮化钽薄膜电阻式衰减模块，采用背面公共接地连接方式，易于拓展为多通道集成衰减器，当微波衰减器为多通道集成衰减器时，底部公共地层4为整层结构，共面波导3的个数与通道个数相同。这样采用基于微加工技术的片上薄膜电阻式衰减网络形式，能够进一步实现超导量子计算机内衰减器的高度集成。

以20通道低温集成衰减器为例，需要设计20个独立衰减通道，因此对单个衰减通道进行整体设计，尺寸如图8所示。由于采用背面公共接地连接，在布局时无需考虑地线连接，平面上单个衰减器可以自由排列，图8中展示了一种接口排列方式，20个共面波导3以并行排列的方式排布，信号线共有20条，分别包括信号线01、信号线02、信号线03、信号线04、信号线05、信号线06、信号线07、信号线08、信号线09、信号线10、信号线11、信号线12、信号线13、信号线14、信号线15、信号线16、信号线17、信号线18、信号线19、信号线20。20通道低温集成衰减器的长度范围在10.8mm至57.6mm之间。

由于底部公共地层4为整层结构，在多个衰减器集成时便于共同接地。封装时可以将完成的衰减器芯片安装进特定的封装中，将信号线分别接入连接口，地线统一接入封装壳体，这样便于将信号线和地线分隔外接，在将多个衰减器集成使用时，促使多个衰减器统一接地。图9示出了24通道衰减器的封装示意图。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种微波衰减器的制作方法，由于该制作方法解决问题的原理与前述一种微波衰减器相似，因此该制作方法的实施可以参见微波衰减器的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的微波衰减器的制作方法，如图10所示，具体包括以下步骤：

S1001、在衬底上通过构图工艺形成氮化钽薄膜电阻的图形；

具体地，在执行步骤S1001之前，可以包括：将衬底使用RCA溶液(碱性和酸性过氧化氢溶液)以及BOE溶液(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)清洗，以去除衬底表面的有机、金属以及表面氧化层杂质。清洗完毕后进入到氮化钽薄膜电阻的制备中。较佳地，衬底可以选用硅片。

执行步骤S1001的过程中，可以首先选择合适的匀胶机进行匀胶，在衬底上形成一层光刻胶。匀胶之前应确保衬底放置正中位置，并设置好匀胶参数，匀胶结束后可以对衬底背部进行去边处理。

接下来为光刻工艺，可以在紫外光刻机上对涂有光刻胶的衬底进行曝光，将曝光后的衬底放入显影液中晃动数秒，将被曝光区域(即待形成氮化钽薄膜电阻的图形区域)显露出来，然后立即取出浸入水中并冲洗干净。以上步骤均可以在黄光区进行。

然后，通过磁控在有光刻胶图形的衬底上溅射氮化钽薄膜，一般选取的厚度与衰减值以及设计的图形尺寸有关。

溅射完氮化钽薄膜后可以继续溅射保护层，该保护层是用来将氮化钽薄膜覆盖住，以避免后续电镀时被镀上金属。该保护层一般为氧化硅等易去除的氧化物介质。

溅射完成后将衬底浸入有机溶液NMP(N-甲基吡咯烷酮)或者丙酮中以实现氮化钽结构的剥离，并将溶液放置在热板上加热，温度80℃，以加快剥离速度，剥离完成后水洗冲干。

S1002、在形成有氮化钽薄膜电阻的衬底上形成共面波导的图形；共面波导与氮化钽薄膜电阻电性连接；

具体地，使用光刻版作为光刻掩膜进行厚胶曝光、显影形成电镀模具，之后利用氧等离子体去胶机将沟道的残胶去除。

涂胶显影完成后使用磁控溅射台溅射钛/金(Ti/Au)作为电镀Au共面波导的粘附层和种子层，黏附层可以作为金和衬底的过渡层，金在硅片上的黏附性不佳，容易掉落，镀上钛作为黏附层后，金可以很容易黏附在钛上，从而沉积在衬底上。种子层是针对电镀来说的，镀有金属的地方会作为阴极，阳极来的金属离子在阴极被还原，从而沉积在种子层上。溅射完成后对衬底进行电镀Au的共面波导。最后对Ti/Au层进行湿法腐蚀，形成设计所需的共面波导。

S1003、在衬底远离共面波导的一侧形成底部公共地层；底部公共地层与共面波导电性连接。

具体地，在形成共面波导后，可以在衬底远离共面波导的一侧形成底部公共地层，工艺过程可参照步骤S1002中溅射过程。然后，可以利用光刻版进行正胶光刻，曝光显影后，光刻胶做掩膜，反应离子刻蚀(Reactive ion etching，RIE)刻蚀上述步骤中淀积的保护层，使氮化钽薄膜电阻暴露出来。

为了实现共面波导与底部公共地层的电性连接，需要对衬底进行TSV工艺。为了实现TSV工艺，需要先沉积一层氧化硅作为硬掩模，该氧化硅的厚度一般选取1μm至5μm，厚度选取依据为刻蚀选择比和衬底的厚度。沉积完氧化层后，涂上光刻胶，对图形进行套刻，使得在制作共面波导时预留下来的开孔位置与TSV通孔图形位置对齐。套刻完成后显影，显影完成后将衬底放入RIE刻蚀机中，对正面的氧化硅进行刻蚀，刻蚀到硅层。RIE刻蚀完成后，进行清洗，把衬底正面的光刻胶清洗干净。清洗完成后将衬底放入电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀机中进行深硅刻蚀，直到刻蚀到背面金属层。刻蚀完成后，取出清洗，然后放入磁控溅射或者原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)机台中，对通孔沉积种子层，该种子层一般为钛或者氮化钛。种子层沉积完成后，进行通孔填铜，铜是通过电镀的方法填充。填充完成后对正面进行共面波导的抛光，将氧化层抛光到接近共面波导的高度。抛光完成后用RIE的方法将氧化层彻底去除，从而保护共面波导不受伤害。至此共面波导与底部公共地层产生了电连接。

在将共面波导与底部公共地层产生电连接的工艺制备完成后，可以使用砂轮高速旋转将玻璃片分割成一定大小的芯片，实现芯片分割的目的。然后，将样品从真空腔室传送到真空锁室，将样品取出。对制备完成的衰减器进行检测，可以包括：电阻温度系数、衰减系数等参数，确定衰减器性能。最后，将完成的衰减器芯片安装进特定的封装中，将信号线分别接入连接口，地线统一接入封装壳体。

在本发明实施例提供的上述微波衰减器的制作方法中，可以通过上述步骤制备出具有精度高、匹配特性好、阻值精密稳定、温湿度系数低、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点的微波衰减器，能够实现极低温环境下对微信号的精确衰减，减小地线阻抗，提高抗干扰能力，便于统一接地，实现小型化，满足超导量子计算机发展需求。

关于上述各步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

相应地，本发明实施例还公开了一种超导量子计算机，包括前述实施例公开的微波衰减器。关于上述超导量子计算机更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制作方法、超导量子计算机而言，由于其与实施例公开的微波衰减器相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见微波衰减器部分说明即可。

综上，本发明实施例提供的一种微波衰减器，包括：衬底；位于衬底上的氮化钽薄膜电阻以及与氮化钽薄膜电阻电性连接的共面波导；位于衬底远离共面波导的一侧且与共面波导电性连接的底部公共地层。上述微波衰减器利用氮化钽薄膜材料制作衰减电阻以及采用共面波导的设计，可以实现极低温环境下对微信号的精确衰减，并且在结构上采用背面公共地连接方式，能够减小地线阻抗，提高抗干扰能力，便于统一接地，实现小型化，整体来看，具有精度高、匹配特性好、阻值精密稳定、温湿度系数低、体积小和易于与控制电路一体化集成等特点，满足超导量子计算机发展需求。此外，本发明还针对微波衰减器提供了相应的制作方法、超导量子计算机，进一步使得上述微波衰减器更具有实用性，该制作方法、超导量子计算机具有相应的优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的微波衰减器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微波衰减器，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的氮化钽薄膜电阻以及与所述氮化钽薄膜电阻电性连接的共面波导；

位于所述衬底远离所述共面波导的一侧且与所述共面波导电性连接的底部公共地层。

2.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述共面波导包括信号线和位于所述信号线两侧的地线；

所述地线通过多个通孔与所述底部公共地层电性连接。

3.根据权利要求2所述的微波衰减器，其特征在于，各所述通孔内设置有金属柱；所述金属柱贯穿所述地线和所述衬底。

4.根据权利要求3所述的微波衰减器，其特征在于，所述氮化钽薄膜电阻为π型氮化钽薄膜电阻；

所述π型氮化钽薄膜电阻包括一个Rs电阻和两个Rp电阻；

所述Rs电阻位于所述信号线上；两个所述Rp电阻均位于所述信号线和其中一条所述地线之间。

5.根据权利要求4所述的微波衰减器，其特征在于，所述信号线的宽度范围为10μm至200μm；

所述地线的宽度范围为200μm至1000μm；

所述信号线与所述地线之间的间距范围为5μm至100μm。

6.根据权利要求5所述的微波衰减器，其特征在于，所述共面波导的厚度范围为0.1μm至0.5μm；

所述底部公共地层的厚度范围为0.1μm至5μm；

所述衬底的厚度范围为300μm至1000μm。

7.根据权利要求6所述的微波衰减器，其特征在于，所述衬底为由氧化铝构成的蓝宝石。

8.根据权利要求7所述的微波衰减器，其特征在于，所述微波衰减器为多通道集成衰减器时，所述底部公共地层为整层结构，所述共面波导的个数与通道个数相同。

9.一种如权利要求1至8任一项所述微波衰减器的制作方法，其特征在于，包括：

在衬底上通过构图工艺形成氮化钽薄膜电阻的图形；

在形成有所述氮化钽薄膜电阻的所述衬底上形成共面波导的图形；所述共面波导与所述氮化钽薄膜电阻电性连接；

在所述衬底远离所述共面波导的一侧形成底部公共地层；所述底部公共地层与所述共面波导电性连接。

10.一种超导量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的微波衰减器。