CN219958926U - 一种加工装置和芯片制造系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种加工装置和芯片制造系统，属于量子计算领域。加工装置包括加工室、限位机构以及流体供应机构。限位机构和流体供应机构的流体输出头位于加工室的工作腔内。限位机构通过固定部连接芯片；同时，由流体输出头将工作物料指向性地输出到位于固定部的芯片的被选择加工区域。通过该加工装置可是实现利用工作物料处理芯片，以便获得预期的芯片处理效果。

Description

一种加工装置和芯片制造系统

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种。

背景技术

为了在超导量子芯片中集成更多的量子比特，倒装焊被应用并被给于厚望。通过应用倒装焊工艺，可以将超导量子芯片中各种部件有选择地分配到不同层的芯片中，从而使得单个芯片中量子电路和元器件的布局空间更大、也更自由。

基于一些需要，可能希望有目的地将不同层的芯片中的量子电路和元器件进行电连接。因此，需要在相邻层的芯片之间配置连接结构，例如被描述为互联件。并且在超导量子芯片中，该互联件通常使用超导材料铟。然而，铟极易容易氧化，从而使得其难以在预期的条件下超导。并且，铟氧化后与金属铟具有不同的温度特性，从而使得在进行倒装焊时，可能不能实现希望的连接效果。

因此，控制铟的氧化将是明显有益的。

实用新型内容

本申请的示例提供了一种加工装置和芯片制造系统，其能够用于对芯片的被选择的区域进行局域化的加工处理，以获得高质量和符合预期性能、定制化的芯片。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提出了一种用于使用预选物料处理芯片的被选加工区域的加工装置。

该加工装置包括：

加工室，具有壳体、以及由壳体所限定的工作腔，其中工作腔被构造为提供容纳和加工倒装芯片所需的加工环境；

限位机构，配置到工作腔中，具有被构造为与芯片匹配连接的固定部；以及

具有至少以流体输出头设置到工作腔中的流体供应机构，流体输出头被定位至朝向固定部、以使流体输出头的出流口能够产生到达目标位置且含预选物料的指向性流体，其中目标位置关联于倒装芯片的被选加工区域。

上述加工装置，可以通过使用流体供应机构，向位于加工室内由限位机构的固定部所约束的芯片的被选择加工区域施加含预选物料的指向性流体，从而允许通过该流体中的预选物料与芯片的前述区域彼此相互作用，从而实现对该区域的区域化加工处理。

根据本申请的一些示例，壳体配置具有开启状态和关闭状态的流体出入口。

根据本申请的一些示例，壳体设置有各自独立地配置、且受控启闭的流体入口和流体出口。

根据本申请的一些示例，加工装置还包括尾流处理机构，与流体出口联通；和/或，流体供应机构还具有流体发生器，位于壳体外、且与流体入口联通；和/或，流体供应机构还具有定时开关，定时开关连接于流体供应机构的流体输送路径，定时开关被配置为依据选定模式开启或关闭流体输送路径。

根据本申请的一些示例，加工装置配置有被构造为在工作腔内产生真空的抽气组件，抽气组件通过管路与壳体连接、并联通工作腔。

根据本申请的一些示例，限位机构具有使固定部被移动和/或调整姿态的位移部件，位移部件与固定部连接。

根据本申请的一些示例，位移部件和固定部连接形成位移组件，加工装置具有两个位移组件；其中两个位移组件被配置通过各自位移部件的操作、使各自的固定部彼此定位至相对地接近到预设距离；

和/或，流体供应机构还具有朝向调整部件，位于工作腔内，流体输出头受控地连接于朝向调整部件、从而使得流体输出头的位置和朝向能够被朝向调整部件所改变。

根据本申请的一些示例，加工装置配置有向限位机构的固定部提供热量的加热组件；

和/或，加工装置配置有从限位机构的固定部提取热量的制冷组件。

根据本申请的一些示例，加工装置还包括与流体供应机构匹配连接、以使流体进入流体输出头前被加热的预热组件。

在第二方面，本申请的示例提出了一种芯片制造系统。其包括芯片传递装置和前述之加工装置，并且芯片传递装置临近加工装置的加工室设置。

有益效果：

本申请示例中的加工装置利用限位机构固定芯片，并且同时使用流体供应机构向芯片的被选择加工区域施用具有预选物料的指向性流体，使得预选物料能够有选择地主要作用于该被选择加工区域，从而实现对芯片的局域化加工处理，从而可以使得芯片能够表现出依赖于该加工方式的性能等。

附图说明

为了更清楚地说明，以下将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请示例中第一种加工装置的结构示意图；

图2为本申请示例中第二种加工装置的结构示意图；

图3为本申请示例中第三种加工装置的结构示意图。

附图标记说明：100-加工装置；101-加工室；1011-壳体；1012-工作腔；1021-固定部；1031-流体输出头；104-芯片；1041-铟柱；106-流体发生器；1061-甲酸；1062-氮气；107-抽气组件；108-尾流处理机构。

具体实施方式

超导量子芯片是主体结构为超导量子比特。利用约瑟夫森结及相邻电容构成非线性LC振荡电路，之后将该电路量子化就可以构建出超导量子比特。超导量子比特的单比特门可以使用微波脉冲实现，两比特门可用微波脉冲或方波脉冲实现。

在超导量子比特中，其X、Y、Z控制线均靠近SQUID(超导量子干涉仪)区域以获得最佳操控效果。通过XY线传输微波信号可以实现能级的翻转等操作。这种信号可以使量子比特从基态跃迁到激发态。改变Z线的电流将会改变其外加磁场，与此同时SQUID的磁通也会据此发生变化。而磁通的变化会导致量子比特的能级结构改变，使其频率发生变化。

为了避免不同量子比特的操控通道之间的串扰，需要对量子芯片的封装空间进行隔断，以阻止泄露的操控信号对临近量子比特的影响。每个量子比特通常都使用单独的读取腔进行读取，以避免读取腔中有多比特成分。同时，各量子比特的读取腔均接入滤波器，使得各量子比特读取合并，最后通过公共通道输入。

从结构而言，大多数的超导量子位处理器的多量子位布局都是在平面架构中进行的。量子位和互连都是在单片表面协同制造的，并且控制和读出布线从芯片的边缘横向引入。这种方法可能支持数十个至几十个量子位，但随着量子比特数量增多，在当前芯片尺寸下，无法兼容更多的信号线排布。并且，随着超导量子比特电路变得越来越复杂，处理大量的量子比特成为一个具有挑战性的工程问题。因此，密集的量子位阵列，需要通过特殊的封装的方式，以缓解互连的拥挤。

封装技术发展中的重要一环是内部互连技术的发展，目前行业内存在的互连方式主要有引线键合(wire bonding，WB)，倒装焊(flip chip，FC)，载带自动焊(tap automatedbonding，TAB)和硅通孔(through silicon vias，TSV)等。其中，使用最为普遍的是引线键合和倒装焊技术。

引线键合是封装技术发展过程中出现最早、使用最为普遍的一种互连方式。该技术是通过超声波、压力以及温度的共同作用，将芯片上的I/O口和封装载体的引脚用金线、铜线或铝线等相互连接起来，以实现芯片与封装体外部的电连接和信号连接。

凭借着工艺简单、过程稳定以及可靠性高等特点，引线键合技术长期以来一直是芯片封装中主流的互连方式之一。但是由于该工艺中所使用的载体框架容易受设备能力以及加工精度的限制。并且固定尺寸的载体上所能够布局的引脚数量是有限的，所以主要用于低引脚数的封装产品，也因此满足不了许多高输入高输出芯片的封装要求。同时，载体上引脚呈四周分布的特点也会限制封装效率的进一步提高，不利于器件的小型化。

在随着量子比特数的增加，引线键合的封装技术很难满足需求。在当今大于50bit的样品制备过程中，受制于量子比特的排布位置以及超导芯片现阶段多层布线难度的特性影响，需要开发出其他类型的跨引线连接方式。基于此，倒装焊的工艺由此产生，且其工艺显得尤为重要。

目前，通过倒装焊技术制作超导量子芯片的过程中，通常选择使用铟/In作为连接材料(一般以铟柱或铟凸块的方式实现)。从铟沉积直至倒装焊的工艺流程中，如果暴露在空气中，铟会非常快速地发生表面氧化。而铟的氧化层在充当连接导线时，会造成失超的现象。因此，需要着重于解决In氧化层在倒装焊后造成的线路连接问题。

铟的氧化层为氧化铟，为了消除该氧化层的影响。例如可以选择通过刻蚀的方式将氧化层去除。使得进行倒装焊作业时，与量子电路或元器件连接的结构为铟而非氧化层。

但是刻蚀工艺可能需要涉及到高能操作，或者需要使用操作难度大的工艺步骤(例如需要结合光刻、掩膜)等。此外，刻蚀的精度可能无法保证，或者说一致性存在差异。

作为一种替代的解决方案，于本申请的示例中，发明人提出了一种加工装置100，参阅图1、图2和图3。该装置可以实现对倒装芯片104表面的连接材料—铟—进行处理，使得其表面的氧化层被处理而不会影响超导线路的正常连接。示例中选择通过将铟表面的氧化层还原为铟单质，从而克服了氧化铟造成失超的问题。

由此示例中的加工装置100是一种可以用于实现对倒装芯片104中的发生氧化的铟柱1041施用还原物质，以获得无氧化的铟连接材料的设备。并且为了不失一般性，根据所施用的材料的不同，该加工装置100可以用于使用预选物料处理芯片104的被选加工区域。并且其中芯片104也可以被更换为其他有待加工处理的对象/被加工对象，例如衬底、量子电路、约瑟夫森结等等。

大体上，示例中的加工装置100包括加工室101、限位机构以及流体供应机构。其中，被加工对象在加工室101内被限位机构约束，流体供应机构用于向被加工对象施用流体—在不同的实例中可以具体为气体、液体或者固体粉末等。对于还原氧化铟实例，则流体被选择为甲酸1061。

其中加工室101具有壳体1011。该壳体1011限定工作腔1012，并且工作腔1012用于提供容纳和加工倒装被加工对象如芯片104所需的加工环境。此外，根据需要加工室101还可以配置各种需要之设备，本申请对此无具体限定。

壳体1011可以采用塑料、树脂、玻璃以及金属或其结合进行制作。可以理解，为了安置各种设备和方便进行维护以及安装加工对象考虑，壳体1011可以配置门。并且考虑到封闭效果，门与壳体1011的结合处进行气密性设计。

如果被加工对象需要在真空或者特定气氛中进行加工处理，则还可以考虑在供流体通过的通道。例如，部分示例中，壳体1011配置流体出入口；并且该流体出入口具有开启状态和关闭状态。因此，可以使用气泵与流体出入口连接，从而将工作腔1012内的气体排空；然后，在需要时，向工作腔1012内注入需要的流体。例如，加工装置100配置抽气组件107，并且抽气组件107通过管路与壳体1011连接、并联通工作腔1012。由此，抽气组件107用以实现在工作腔1012内产生真空。

或者，通过流体出入口持续地向工作腔1012内输送气流，使得工作腔1012气体溢出，直至将工作腔1012中的原始气体被置换为目标的气体。

或者，部分示例中，将即作为入口、也作为出口的流体出入口，用两个不同用途的结构替代。例如，加工装置100的壳体1011两个独立地被控制的流体入口和流体出口，且各口能够被操作实现启、闭。即壳体1011设置有各自独立地配置、且受控启闭的流体入口和流体出口。其中的启闭/开启和关闭可以由选择配置的如电磁阀实现；或者，由对应使用该口的设备上连接此口的管道配置阀门实现等。如此，流体出入口可以接受注入的气体，而流体出口则同时将需要排出的气体释放。那么，流体出入口可以连接气体注入设备，流体出口则可以连接抽气设备。

或者，根据需要，壳体1011还可以配置多个供气体或液体的通过的通道，并且对应地连接各种适当的设备。

为了实现对被加工对象的约束，在加工设备中配置了限位机构。限位机构配置到工作腔1012中，并且还具有被构造为与芯片104匹配连接的固定部1021。对于没有在加工过程中进行移动、调整需要的情况而言，固定部1021在加工室101在配置方式可以选择以固定、不可调节的形式实现，并且被预先设计到预选的位置、高度、方位等。当然，对于有需要进行移动和调整需要的情况而言，则可以将固定部1021配置为能够被调节。例如，限位机构还具有使固定部1021被移动和/或调整姿态的位移部件，并且位移部件与固定部1021连接。这样的位移部件可以是各种适当的工业机械臂，或者事各种多轴移动平台等。

限位机构配置位移部件对于诸如实现倒装焊工艺具有更好的收益。例如，该方案可使倒装量子芯片104在该加工设备中进行铟柱1041的氧化层的去氧化/还原操作，然后再于其中进行倒装互联/如倒装焊接—需要两芯片104或芯片104与载体、或者芯片104与基板等在适当近的距离下互联。此外，还可以在部分示例中如图3所示配置两个固定部1021，并且二者还各自配置位移机构和组件，从而使得两个芯片分别被固定时，可以接近以便向其附近输送流体。并且在处理完成后，还可以通过压合以及结合加热实现倒装焊接。

进一步地，部分示例中，可以考虑使倒装互联的两对象如两个芯片104、或芯片104与载体等分别可以进行位置调整，以提高倒装互联的效率和工艺操作的简便性。因此，这样的示例中，定义了位移部件和固定部1021连接形成位移组件。基于此，加工装置100具有两个位移组件，并且其中的该两个位移组件能够各自独立地操作，从而使得其中的任意一者的固定部1021被调整，而另一者则静止，或者，两者异步或同步地运动。也即，如果需要，可以将该两个位移组件设计为可以实现：通过各自位移部件的操作、使各自相应的固定部1021彼此定位至相对地接近到预设距离。并且可以知晓，在进行倒装互联时，能够施加需要的压力。

更进一步，对于有热压需要的倒装互联操作而言，则加工装置100还可以配置加热组件(图未绘示)，并且其用于向限位机构的固定部1021提供热量。例如，这样的加热组件可以是加热板；非限制性的示例中可以具体实施为陶瓷片和其内部的盘绕的电阻丝；示例性地，云母电热板。如此，可以选择实现对只对固定部1021进行加热，避免对其他部件加热的不利影响。同时，相比于通过在工作腔1012内的整体式加热的方式，使用加热板或其类似物进行加热可使加热的温度更可控、更精确。

作为一种有益的补充，基于加热的考虑，部分示例中也可选择配置制冷结构，以提供需要的制冷功能。例如，约束芯片104的固定部1021在加热后，于适当的时机希望被冷却，则可选择使用制冷结构执行制冷操作。因此，与此相关的示例中，加工装置100还配置有从限位机构的固定部1021提取热量的制冷组件。这样的制冷组件可以包括埋设在固定部1021内的管道结构。并且，通过向管道内输送冷媒如水/或水实现降温。或者，制冷组件也可以是半导体制冷片等。

可以理解的是，在加热和制冷环节中，可能需要控制温度(温度值和所希望的温度值持续的时间等)，因此，制冷和加热的结构可以配合于计时设备。或者，通过微处理等与相应的设备的配合实现。

在通过以上的结构实现对被加工对象的固定之后，可以选择流体供应机构向被加工对象提供物料进行处理。在本申请的示例中，至少将流体供应机构的流体输出头1031设置到工作腔1012中，以便局域化和定向地为被加工对象的某一个或某些位置提供物料。也因此，流体输出头1031被定位至朝向固定部1021，并且因此可使流体输出头1031的出流口能够产生到达目标位置且含预选物料的指向性流体。其中目标位置关联于倒装芯片104的被选加工区域。

因此，可以理解，流体供应机构的流体输出头1031的位置是与限位机构的固定部1021相关联等。二者在工作腔1012内的布局被预先设计和固定，以使流体输出头1031输出的流体可以准确地到达被加工对象的被选择区域—如前述的芯片104的铟柱1041的表面。例如，流体输出头1031通过万向管或万向竹节管等；其可以沿用机床冷却管，如万向塑料冷却管。

或者，基于调节位置的需要，流体输出头1031也可以通过位移设备如机械臂进行控制，并与限位机构中所对应的位移设备联动—这可通过各种控制器、处理器在各种设备之间协调实现。示例性地，流体供应机构还配置位于工作腔1012内的朝向调整部件。并且基于此，流体输出头1031受控地连接于朝向调整部件，因此流体输出头1031的位置和朝向能够被朝向调整部件所改变。朝向调整部件可以是配置有可转动件的运动机构，其可以配合于轴承、电机等。

由于工作腔1012内的气氛以及对芯片104处理之后气氛可能存在的各种有害或不利影响，部分示例中，如图2所示，加工装置100还可以包括尾流处理机构108，并且其与流体出口联通。通过尾流处理机构108可以将工作腔1012内的气体排出壳体1011外，且后续还可以有选择地进行无害化处理或后处理。尾流处理机构108，例如可具有气体收集瓶，通过管道与壳体1011连接，而气体收集瓶再与抽气泵连接。

而为了提供用于与被加工对象作用的流体，流体供应机构还可以配置流体发生器106。该流体发生器106位于加工室101的壳体1011外、并且与流体入口联通。基于实现更灵活的供流需要，还可以配置各种设备：

例如，流量计控制流量等；或者，流体供应机构还可以配置具有定时开关，定时开关连接于流体供应机构的流体输送路径，定时开关被配置为依据选定模式开启或关闭流体输送路径。定时开关可以是定时器和阀门的配合结构，可以设定时间执行开启和关闭动作。或者，将定时开关集成或整合到送气泵。或者，当需要输送多种流体的混合气时，也可选择将每种气体由独立且具有多个开度的阀门的管道输送，然后各个管道共同输入一个混合器，随后混合的流体送入工作腔1012内。

由此，根据需要可以对各个管道的阀门进行开启或关闭的操作，从而使得各管道的输送的流体比例被有意地调节至目标配比的混合物，从而获得混合物中的选定物质具有指定浓度。

当用于对被加工对象进行处理的流体需要进行预热时，部分示例中可以适应性地配置预热组件。预热组件与流体供应机构匹配连接，从而能够被用于以使流体进入流体输出头1031前被加热的预热组件。预热组件可以在流体供给的设备，例如将流体加热后再进行输送；或者预热组件配置到输送管路，例如，在输送过程中通过对管路的加热，进而对其内部流动的流体加热。

以使用倒装焊工艺实现的超导量子芯片104为例，对于作为互联结构的铟柱1041存在氧化情况的芯片104制作过程：

以甲酸1061为预选物料，对铟柱1041的被选加工区域进行处理。其中，甲酸1061作为工作气，能够与铟的氧化物/氧化铟进行化学反应—还原得到单质铟。考虑到，常温下甲酸1061为液体，因此，通过使用非氧化性气体作为载气形成含甲酸1061的气流。例如，在装有甲酸1061液体的容器中，向甲酸1061液面以下通入氮气1062；氮气1062从甲酸1061液体中溢出并携带甲酸1061，产生氮气1062和甲酸1061的混合气体。该混合气体通过加工设备中的流体供应机构输送至流体输出头1031，并且喷射到固定于限位机构的固定部1021的芯片104上，并且气流是直接地朝向铟柱1041的。其中，在通入含甲酸1061的气体之前，选择使用氮气1062将工作腔1012内地空气置换，以防止氧气的存在。

作为上述加工装置100的应用示例，其可以整合到芯片104的生产系统中，并且由此提出了一种芯片104制造系统，其包括芯片104传递装置和加工装置100，并且芯片104传递装置临近加工装置100的加工室101设置。其可以配置框架结构，并且通过树脂等结构与框架配合，形成系统的整体外部轮廓。并且，在此结构的基础上，在内部配置各种设备、管线等。

上面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前文参考附图描述一个或多个实施例。其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在上文的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种加工装置，用于使用预选物料处理芯片的被选加工区域，其特征在于，所述加工装置包括：

加工室，具有壳体、以及由壳体所限定的工作腔，其中工作腔被构造为提供容纳和加工倒装芯片所需的加工环境；

限位机构，配置到所述工作腔中，具有被构造为与芯片匹配连接的固定部；以及

具有至少以流体输出头设置到工作腔中的流体供应机构，所述流体输出头被定位至朝向固定部、以使流体输出头的出流口能够产生到达目标位置且含所述预选物料的指向性流体，其中所述目标位置关联于倒装芯片的所述被选加工区域。

2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述壳体配置具有开启状态和关闭状态的流体出入口。

3.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述壳体设置有各自独立地配置、且受控启闭的流体入口和流体出口。

4.根据权利要求3所述的加工装置，其特征在于，加工装置还包括尾流处理机构，与流体出口联通；

和/或，流体供应机构还具有流体发生器，位于壳体外、且与流体入口联通；

和/或，流体供应机构还具有定时开关，定时开关连接于流体供应机构的流体输送路径，所述定时开关被配置为依据选定模式开启或关闭流体输送路径。

5.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置配置有被构造为在工作腔内产生真空的抽气组件，所述抽气组件通过管路与壳体连接、并联通工作腔。

6.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，限位机构具有使固定部被移动和/或调整姿态的位移部件，位移部件与固定部连接。

7.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，所述位移部件和固定部连接形成位移组件，加工装置具有两个位移组件；其中所述两个位移组件被配置通过各自位移部件的操作、使各自的固定部彼此定位至相对地接近到预设距离；

和/或，流体供应机构还具有朝向调整部件，位于工作腔内，所述流体输出头受控地连接于朝向调整部件、从而使得流体输出头的位置和朝向能够被朝向调整部件所改变。

8.根据权利要求1或7所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置配置有向限位机构的固定部提供热量的加热组件；

和/或，所述加工装置配置有从限位机构的固定部提取热量的制冷组件。

9.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，加工装置还包括与流体供应机构匹配连接、以使流体进入流体输出头前被加热的预热组件。

10.一种芯片制造系统，其特征在于，包括芯片传递装置和如权利要求1至9中任意一些所述的加工装置，芯片传递装置临近加工装置的加工室设置。