CN220731522U - 一种测试结构和倒装芯片 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种测试结构和倒装芯片，属于量子芯片制造领域。该测试结构包括总线、多个空气带以及与总线耦合的多个谐振器。其中空气带跨过谐振器，将谐振器的两侧连接使得电流能够从一侧流到另一侧，从而为谐振器形成一个信号的防干扰区域。由于多个空气带以及谐振器的配置，使得可以设置不同形式的空气带以及谐振器，并且通过比对以确定空气带对传输信号的影响。

Description

一种测试结构和倒装芯片

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子芯片制造领域，特别地，本申请涉及一种测试结构和倒装芯片。

背景技术

通过约瑟夫森结实现的超导量子芯片中会具有多种量子部件、电路。

例如，其中可以包括量子比特、耦合器、读出谐振器、读出总线、滤波器以及控制线等。

另外，超导量子芯片中还可以配置空气带。实践中，空气带可以用于将诸如共面波导形式的传输线两侧的地平面连接，从而抑制共面波导形式槽线模式传播，以及其还具有一定的抑制串扰的功能。因此，在超导量子芯片中配置空气带可以起到积极的作用。

考虑到传输线的数量庞大，并且不同传输线可以在材质、结构以及尺寸等方面具有不同，那么是否必要针对不同传输线以及如何针对不同传输线配置不同形式的空气带就是一个待确定的问题。

实用新型内容

本申请的示例提供了一种测试结构和倒装芯片，能够用于通过测量品质因数来验证、表征空气带的信号传输性能以及对其他结构的影响。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请示例提供了一种用于测试超导量子芯片中的空气带的测试结构。

其中，测试结构定义有纵横交错的第一方向和第二方向，并且测试结构包括：

总线，沿第一方向延伸，具有沿第一方向依次间隔的至少两个位置；

在第二方向延伸设置且分别与总线耦合的至少两个谐振器，至少两个谐振器与至少两个位置一一对应，每个谐振器的一端从相对应的位置处以接近但不接触的方式配置于总线附近、且另一端沿第二方向远离总线；以及

数量少于谐振器的至少一个空气带，空气带跨接于对应的被选择谐振器沿第二方向的两侧，且被选择谐振器的数量与空气带的数量相同、且一一对应。

根据本申请的一些示例，总线和谐振器各自独立地构造为共面波导；

和/或，空气带具有沿着谐振器的延伸轨迹定义的覆盖长度，至少部分空气带的覆盖长度是各自不同的。

根据本申请的一些示例，谐振器呈蜿蜒曲折的结构。

根据本申请的一些示例，谐振器具有远离总线的端部，且端部形成凹型结构，凹型结构限定腔。

根据本申请的一些示例，空气带的数量比谐振器的数量少一个。

根据本申请的一些示例，谐振器为共面波导且包括中心导体和中心导体的两侧的地平面；

空气带包括两个基部以及从其中一个基部连接、并且延伸至与其中另一个基部连接的悬空部，悬空部开设有条状空隙，且条状空隙的延伸方向与中心导体的延伸方向是纵横交错的；

其中基部与地平面连接，悬空部以悬空方式跨过中心导体、使得悬空部与中心导体之间具有间隙。

根据本申请的一些示例，条状空隙延伸至基部。

根据本申请的一些示例，空气带包括桥墩和桥面，其中桥面由基部和悬空部构成，基部通过桥墩与地平面连接。

根据本申请的一些示例，至少两个谐振器由第一组合和第二组合构成，其中第一组合包括至少三个谐振器、且各个谐振器具有相同的结构，第二组合包括至少三个谐振器且各个谐振器具有不同的结构；

至少一个空气带由第三组合和第四组合构成，其中第三组合包括比第一组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有不同的结构，第四组合包括比第二组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有相同的结构。

在第二方面，本申请的示例提出了一种倒装芯片，其包括：

测试结构；以及

相对设置并且通过互联结构彼此连接的第一芯片和第二芯片，测试结构配置于第一芯片和第二芯片其中的一者、且面向另一者。

本申请示例的方案至少具有下述效果：

一条总线与多个谐振器耦合，因此，通过一条总线能够与该多个谐振器实现通信互连。例如，在超导量子芯片中，谐振器能够与量子比特耦合；因此，一条总线可以多次根据需要传输针对不同量子比特的操作信号，如读取操作的信号。

由于被选择数量的谐振器还对应配置有空气带，相应地部分的谐振器未配置空气带，那么就可以通过测量这些谐振器的品质因子来判断有无空气带对谐振器的信号传输是否存在影响，以及如果有影响其程度等。

进一步地，通过对同样构造的谐振器各自配置不同的空气带，或者对不同构造的谐振器配置相同的空气带；并且在此基础上，分别测试，从而也可以获得不同构造的空气带对传输信号的影响，同时也能识别何种谐振器与空气带的配合能够实现更好的信号传输效果。

另外，由于该方案是能够通过测量谐振器的品质因子判断空气带的作用或者说影响，也使得空气带的性能评估更加简单和方便。

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为本申请示例中通过直连形式测试空气带的传输性能时空气带与传输线的配合结构示意图；

图2记载了本申请示例中的空气带在不同视角下的结构示意图；

图3公开了本申请示例中的测试结构中总线与三个谐振器的配合的结构示意图。

附图标记说明：101-基部；102-悬空部；103-条状空隙；200-测试结构；201-总线；202-谐振器。

具体实施方式

在超导量子芯片中，使用空气带可以将传输线两侧的地平面连接，从而抑制共面波导槽线模式传播，并且还能够有一定抑制串扰的功能。但是在大规模量子芯片中—具有较多的量子比特—会配置相应较多的传输线，例如比特的控制线且包括xy控制线和z控制线，以及比特读取线，如读取总线和读取谐振器等。并且这些线路可以具有不同的构造方式，包括材质、形状以及尺寸等。

针对这些具有多种可选实现方案的线路，如何配置空气带使得这些线路能够更好地抗干扰并传输性能，可能需要慎重地考虑。

在既有的方案中，申请人选择以直接测量的方式来衡量空气带的性能表现。这主要基于这样的考虑：对于空气带传输性能而言，一般来说，传输线的信号传输的能量泄露越小，则传输性能越好。

因此，通过直连形式，即直接使用配置空气带的传输线的传输信号，再由输入输出信号比得到空气带的传输性能，参阅图1。

在超导量子芯片的场景中，芯片在低温(如几十毫开的温度)下运行和使用，那么可以遇见空气带也会在低温条件下使用。而空气带可使用超导材料，而超导态和非超导态下的空气带可能具有不同的性能状态。因此，低温条件下进行测试可能是更直接或更准确地反映空气带的有关性能表现的方案。

但是在超导量子芯片中，芯片前级、后级会链接各种射频器件，从而会引入较大的误差，甚至会高于线路中传输的信号的强度。同时，在有限的低温资源下——如稀释制冷机中的低温线路紧张，对多个相同或多种不同构造的空气带通过直连测试，会配置多根线，作不同线路对比，从而使得测试资源的需求与所能够提供的测试资源存在矛盾。更严重的是，即使满足上述要求的情况下，直连方式中的测试线路加入空气带后的传输性能也很微弱(较大可能被环境噪声如热噪声、泄漏信号产生的噪声等)，导致难以表征。

对于这样的现状，本申请示例的方案另辟蹊径，不选择直接测量传输信号，而是通过测量与传输线配合的器件的品质因子/品质因数(Q值)来衡量、表征的空气带的相关性能。其中空气带与该器件对应地配置。

在这样的思考的基础上，可以将其中的器件实例为谐振器，并且在超导量子芯片中可以是共面波导(Coplanar Waveguide，简称CPW)。空气带跨接共面波导的两侧的地平面。那么，通过测量谐振器的Q值，当谐振器的Q值越高，则表面其能量泄露越小，从而表面空气带的传输性能越好；反之亦然。换言之，在本申请的示例中，涉及增加谐振器以及将空气带转移配置到相应的谐振器等改进。

此外针对多种空气带的表征需求，在本申请示例中还可以配置多个谐振器，通过对谐振器的构造形式的选择以及独立地或者结合空气带的构造形式，可以实现单独地考察不同的空气带或者考察谐振器和空气带的组合，与信号传输之间的关联。

因此，示例中通过将总线与谐振器以及空气带配置构成一种可用的测试结构，再通过测量谐振器的Q值来作为衡量空气带性能的指标。当相同的谐振器与不同的空气带的组合中，测得的一个谐振器的Q值大，而另一个谐振器的Q值小时，则表面具有大Q值的谐振器所对应的空气带的性能更加可以提供更好的抗串扰。即空气带较好地实现了抑制谐振器的性能泄漏。

作为一种实现方式，本申请示例提供了一种用于测试超导量子芯片中的空气带的测试结构。为了方便对测试结构中的各部件定位和阐述，在测试结构中定义了两个方向，分别为第一方向和第二方向，并且二者是彼此纵横交错的，例如第一方向与第二方向垂直。在图示的示例中，第一方向为水平方向，而第二方向则可以为竖直方向。

该测试结构包括总线、谐振器以及空气带。进一步地，作为一些应用的实例，可以基于该测试结构构建一种倒装芯片。倒装芯片包括第一芯片和第二芯片，以及测试结构。其中，第一芯片和第二芯片彼此相对地设置，并且通过互联结构如铟柱彼此连接。测试结构则可以选择性地配置到第一芯片和第二芯片中的任意一者，并且面向另一者。也即，测试结构可以是在第一芯片面向第二芯片的表面予以配置；或者，测试结构可以是在第二芯片面向第一芯片的表面予以配置。

部分示例中，总线和谐振器分别可以被选择为共面波导。共面波导是具有作为传输信号的中心导体，以及在中心导体的两侧的地平面导体；并且中心导体和地平面导体之间具有间隙。或者，在其他示例中，总线和谐振器也可以是其他形式的。还可以选择构建为其他形式的传输线。其他形式的传输线例如包括：带状线谐振器或微带谐振器。

其中，总线是一种传输线，其能够传输高频的微波信号。其被表述为总线以表示其可以对应于实现对多个谐振器完成测试，而不是为每个谐振器各自单独地配置线路。总线沿着第一方向延伸，从而大致具有线型结构。总线的延伸长度根据谐振器的数量进行配置。即以总线能够与谐振器耦合为限。可以理解，谐振器与总线是通过空间耦合(电容耦合)的，因此，总线为与谐振器耦合提高空间。在示例中，可以限定总线具有位置，并且在该位置总线与谐振器耦合。作为示例，总线具有沿第一方向依次间隔的至少两个位置。

在总线以上述方式配置的情况下，谐振器可以的设计可以有相应的配合方案。在总线确定各位置的情况下，与之相应的是，谐振器为至少两个，即定义在总线的位置的数量与谐振器的数量是相同的。可以理解，一个位置与一个谐振器相对应，或者说谐振器与位置是一一对应的，并且总线与谐振器耦合。谐振器是从一端延伸到第二端的结构。据此，谐振器以一端从相对应的位置处以接近但不接触的方式配置于总线附近、且另一端沿第二方向远离总线。

谐振器可以是直线型结构，对于诸如在基于约瑟夫森结的超导量子芯片中，由于芯片空间如表面积有限，而芯片中的各种量子电路和元器件的数量多，因此，在满足性能需求或设计目标的同时还解决空间时，可以使谐振器配置为蜿蜒曲折的结构，例如蛇形结构。通过在减少占用空间的同时，还能够达到相应的性能指标。如谐振器的频率可以关联于其长度，因此，在设计的目标中可能需要关注谐振器的长度。那么，就可以通过使得谐振器是弯曲的结构来满足长度的指标以及减小空间占用。

进一步地，当谐振器作为量子比特的读取结构被使用时，谐振器可以具有远离总线的端部，且该端部形成凹型结构，凹型结构限定腔。当量子比特是常用xmon形式(例如具有四个臂的十字电容)构建时，上述凹型结构限定的腔可以容纳十字电容的一个臂。

下面转到对空气带的描述。

对应于谐振器，空气带的数量被选择，从而使得两者能够配合使用。为了实现对比，空气带的数量少于谐振器的数量；例如，空气带的数量比谐振器的数量少一个。例如两个谐振器对应地配置一个空气带。空气带与谐振器一一对应；即，对于配置空气带的谐振器而言，一个谐振器配置一个空气带。换言之，被指定配置空气带的谐振器，则被选择谐振器的数量与空气带的数量相同、且一一对应。

如前述，部分示例中，空气带的数量比谐振器的数量少一个；或者其他示例中，空气带的数量还可以比谐振器的数量少两个，或更多。将空气带的数量配置得比谐振器的数量少，在一方面是考虑到通过有无配置空气带的两谐振器的可以用于评价空气带的影响。

基于实现更多样的评价或表征空气带性能的考虑，可以将测试结构中的全部谐振器(即由所提及的至少两个谐振器所表示各谐振器)归类为两组—第一组合和第二组合。

其中的第一组合包括至少三个谐振器，并且各个谐振器具有相同的结构；与之所不同的是其中的第二组合包括至少三个谐振器且各个谐振器具有不同的结构。

与这些谐振器对应地，测试结构中的全部空气带(即由所提及的至少一个空气带所表示各空气带)归类为第三组合和第四组合。其中第三组合包括比第一组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有不同的结构；第四组合包括比第二组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有相同的结构。

因此，在有第一组谐振器和第三组空气带配合，以及第二组谐振器和第四组空气带配合的方案中，可以分别用于实现对谐振器是否配置空气带，相同谐振器配置不同空气带，以及不同谐振器配置相同空气带，三种情况下，空气带的信号传输性能或者说对谐振器中传输信号的影响(如防信号泄漏)等进行定性，甚至定量的表征。

空气带与谐振器除了可以在部分示例中，建立上述的数量以及配合使用的关系之外，二者在彼此的空间位置上还可以形成如下的关系。

在阐述二者之间的空间关系之前可以对空气带的示例性结构进行说明。空气带包括两个基部101以及从其中一个基部连接、并且延伸至与其中另一个基部连接的悬空部102，悬空部102开设有条状空隙103(或者描述为释放孔)，且条状空隙的延伸方向与被其所跨过的共面波导形式的谐振器的中心导体的延伸方向是纵横交错的。部分示例中，其中的条状空隙103可以是仅在悬空部配置；或者其他示例中，条状空隙103还可以是从悬空部延伸至基部。

其中，空气带可以具有如图2中所标示的一些结构尺寸，例如，空气带宽度D3、空气带高度D4、条状空隙D1、空隙间隔D2。因此，在制造空气带时，可以对这些参数予以选择，以获得其性能和制造工艺方面平衡。

此外，为了防止空气带下沉或塌陷—例如主要是指悬空部分—可以在空气带的基部配置桥墩(图未绘示)，其可以起到一定的支撑作用。实际在制造该形式的空气带时，在基底/衬底的表面形成桥墩，然后再制造基部和悬空部。因此在这样的示例中，空气带可以包括桥墩和桥面，而其中桥面则由前述的基部和悬空部构成。同时这样的空气带的基部通过桥墩与地平面连接。

在是上述的空气带结构的基础上，当谐振器被选择为共面波导形式且因此包括中心导体和中心导体的两侧的地平面的情况下，空气带的基部与地平面(直接地，或通过其他实体间接地)连接，同时，空气带的悬空部则以悬空方式跨过中心导体、使得悬空部与中心导体之间具有间隙。

例如，空气带与谐振器的构造关系为：空气带跨接于对应的被选择谐振器沿第二方向(即谐振器延伸轨迹)的两侧。在谐振器是共面波导的示例中，空气带的一端连接到中心导体一侧的地平面导体，同时，空气带的另一端连接到中心导体另一侧的地平面导体。空气带在两端之间的结构则悬空地跨过中心导体。

空气带的具体构造在本申请中并无特别的限定；例如，以空气带俯视角度的形状为矩形结构为例，空气带的长度和宽度可以被根据实际情况选择。例如在考虑空气带的具体实现时，可以主要关注其宽度是否太大使得其在被制造时容易塌陷。又或者，宽度不宜太小，以避免空气带的端部无法结合到地平面导体。类似地，空气带的长度在部分示例中可能也不能过长，否则可能影响其他部件的配置；或者，部分示例中，空气带的长度也不必太短，否则可能其所起到的连接地平面的效果达不到预期。

由于多个空气带的存在，在设计、制造这些空气带时，可以针对不同的空气带实施不同的配置。例如，空气带具有沿着谐振器的延伸轨迹定义/测量的覆盖长度。因此，全部或者至少部分的空气带的覆盖长度是各自不同的。

在测试结构中的上述各部件描述之外，可以按照如图3所示的方式布置总线和各谐振器；其中未绘示空气带。

在图3的测试结构200中公开了具有一条总线201，以及三个谐振器202(从图3中的左至右，分别标记为I、II和III)，以及未绘制但是被设计存在的两个空气带。其中一个空气带配置于谐振器II、另一个空气带配置于谐振器III。其中，未配置空气带的谐振器I可以作为基准，用以对照。谐振器II和谐振器III则可以各自配置不同参数的空气带，用于筛选。在此结构的基础上，通过测量谐振器的品质因子即可判断空气带对谐振器的性能的影响。

其中测定谐振腔的品质因子可以是通过将测试结构接入网络分析仪测量实现，例如通过配合测试S参数计算、数据拟合获得相应的品质因子。考虑到测试结构中的空气带在超导量子芯片中被用于极低温(如几十毫开)的环境中，因此，可能存在信号强度小、噪声大等问题，因此，各输入和输出信号可以通过衰减器、滤波器、放大器等器件处理，再继续传输。本领域技术人员可以根据既有知识予以实施测试品质因子，本申请中不在此赘述。

为了简洁起见，在本文中可以详细描述或不详细描述与半导体和/或超导器件以及集成电路(integrated circuit，简称IC)制造相关的常规技术。此外，本文所述的各种任务和过程步骤可并入具有本文未详细描述的额外步骤或功能性的更综合程序或过程中。特别地，半导体和/或超导器件和基于半导体/超导体的IC的制造中的各个步骤是公知的，因此为了简洁起见，许多常规步骤将在此仅简要提及或将被完全省略而不提供公知的工艺细节。

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。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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。

另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

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)

1.一种测试结构，用于测试超导量子芯片中的空气带，其特征在于，测试结构定义有纵横交错的第一方向和第二方向，所述测试结构包括：

总线，沿所述第一方向延伸，具有沿第一方向依次间隔的至少两个位置；

在第二方向延伸设置且分别与总线耦合的至少两个谐振器，所述至少两个谐振器与所述至少两个位置一一对应，每个谐振器的一端从相对应的所述位置处以接近但不接触的方式配置于总线附近、且另一端沿第二方向远离总线；以及

数量少于谐振器的至少一个空气带，空气带跨接于对应的被选择谐振器沿第二方向的两侧，且被选择谐振器的数量与空气带的数量相同、且一一对应。

2.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述总线和所述谐振器各自独立地构造为共面波导；

和/或，空气带具有沿着谐振器的延伸轨迹定义的覆盖长度，至少部分空气带的覆盖长度是各自不同的。

3.根据权利要求2所述的测试结构，其特征在于，所述谐振器呈蜿蜒曲折的结构。

4.根据权利要求1或3所述的测试结构，其特征在于，所述谐振器具有远离总线的端部，且所述端部形成凹型结构，所述凹型结构限定腔。

5.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，空气带的数量比谐振器的数量少一个。

6.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述谐振器为共面波导且包括中心导体和中心导体的两侧的地平面；

空气带包括两个基部以及从其中一个基部连接、并且延伸至与其中另一个基部连接的悬空部，所述悬空部开设有条状空隙，且条状空隙的延伸方向与中心导体的延伸方向是纵横交错的；

其中基部与所述地平面连接，悬空部以悬空方式跨过中心导体、使得悬空部与中心导体之间具有间隙。

7.根据权利要求6所述的测试结构，其特征在于，所述条状空隙延伸至基部。

8.根据权利要求6或7所述的测试结构，其特征在于，空气带包括桥墩和桥面，其中所述桥面由基部和悬空部构成，基部通过所述桥墩与地平面连接。

9.根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述至少两个谐振器由第一组合和第二组合构成，其中第一组合包括至少三个谐振器、且各个谐振器具有相同的结构，第二组合包括至少三个谐振器且各个谐振器具有不同的结构；

所述至少一个空气带由第三组合和第四组合构成，其中第三组合包括比第一组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有不同的结构，第四组合包括比第二组合中的谐振腔数量少一个的至少两个空气带、且各空气带具有相同的结构。

10.一种倒装芯片，其特征在于，包括：

根据权利要求1至9中任意一项所述的测试结构；以及

相对设置并且通过互联结构彼此连接的第一芯片和第二芯片，所述测试结构配置于第一芯片和第二芯片其中的一者、且面向另一者。