倒裝焊工藝簡介

1、隨著超導(dǎo)量子比特技術(shù)的進一步發(fā)展，實驗上需要可以表面誤碼差校正以及更復(fù)雜的高 保真量子電路1-2。 相關(guān)報道介紹了一些平面二維陣列的設(shè)計3-5，但是這幾種現(xiàn)行的設(shè) 計方案中控制布線和讀出電路往往使得量子比特數(shù)目與器件高保真度這二者與不能同時兼 顧。例如，二維陣列的X mon單量子位就需要利用電容耦合到四個最近量子比特和讀出諧 振腔，此外還要考慮XY驅(qū)動線的設(shè)計6。多層膜加工工藝是解決這個問題的一種直觀的 方案7，但是該方案中制備的量子比特基片上制備的絕緣層會造成額外的退相干，從而影 響量子比特的特性8。目前國際上解決上述困難的主流方法是通過將器件分離成兩部分， 其中一部分是密集的布線基片并在該

2、基片上制備絕緣層，另一部分上制備量子比特而不生長 大面積的絕緣層，隨后將這兩種基片通過倒裝焊工藝結(jié)合起來形成一種同時滿足多量子比特 數(shù)目與高保真度的量子比特器件。該種工藝已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，從手機到大型強子對撞機都有應(yīng)用9。而在低溫技術(shù)中的應(yīng)用還較少。該工藝對兩部分基片的連接部分提出了如下的要求： 1.連接材料應(yīng)是常規(guī)的量子比特制備工藝中常用的并可以與現(xiàn)有的量子比特制備工藝兼容。 2諧振腔的可加工數(shù)量與質(zhì)量必須達到高要求。（在布線基片上需加工數(shù)百個高Q值的諧振 腔）。3在極低溫的條件下可以保證兩部分的聯(lián)通。4.可以在不高的溫度與大氣壓下進行兩部分基片的連接，以避免退火改變約瑟夫

3、森結(jié)臨界電 流10。5兩部分基片的連接部分必須在測量條件下進入超導(dǎo)態(tài)，以保證芯片之間的無損連接與避免 局部生熱破壞測量條件。6.相互連接偏置線臨界電流應(yīng)大于5nA,以保證可以進行實驗測量。銦的臨界溫度相對較高為3.4K，室溫銦焊接工藝也是一種在半導(dǎo)體工業(yè)中較為成熟的 技術(shù)11，而在量子比特的加工工藝中高純度的銦可以通過常用的熱蒸發(fā)工藝生長在指定的 位置，因此基片之間連接材料可選高純銦。但是，由于量子比特的基底金屬常用鋁，而鋁和銦接觸層會形成交疊層12影響量子比特 的性能，因此熱蒸發(fā)的時候必須在鋁基底上生長氮化鈦介質(zhì)緩沖層以防止上述現(xiàn)象的出現(xiàn)， 氮化鈦的臨界溫度高達5.64K，并且是一種高相干性

4、能的量子比特材料13, 14。倒裝焊的簡要工藝步驟如下：通過電子束蒸發(fā)生長 100nm 的鋁膜，后利用電子束曝光或激光直寫工藝制備所需的圖形再 利用干法刻蝕或濕法刻蝕工藝獲得所需的金屬圖形。在加工好的第一層金屬上利用超高真空的磁控濺射工藝生長氮化鈦層與剝離工藝在指定 的位置獲得緩沖層。此后，將樣品置于超高真空環(huán)境下利用離子束將緩沖層清理干凈。最后 利用熱蒸發(fā)的工藝分別在布線基片的緩沖層上生長5gm的連接用銦柱，在量子比特基片的 緩沖層上生長2gm的連接用銦柱，后將基片冷卻到0C靜止一段時間。用（氫、氦和氮的混合）離子束轟擊以去除銦表面的氧化物并對銦表面進行鈍化，以保證 焊接過程中銦柱之間的良好

5、連接15。 然后，翻轉(zhuǎn)布線基片并對齊兩個芯片，在室溫下使 用SET FC-15 OFlip芯片鍵合器將二者焊接在一起，要求兩部分之間的旋轉(zhuǎn)小于0.5mRad, 對齊誤差在2gm以內(nèi)。ReferencesBarends R et al 2014 Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for faulttolerance Nature 508 500-3Fowler A G, Mariantoni M, Martinis J M and Cleland A N 2012 Surface codes: towar

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