原子尺度处理如何为未来量子设备铺平道路

量子技术的里程碑和原子级处理的前景

在过去的两年中，量子计算领域取得了重大进展（图1）。IBM在2023年12月推出了首款1000量子比特的量子芯片，1谷歌展示了量子纠错的里程碑，2去年夏天，imec的研究人员能够依靠CMOS制造在300毫米晶圆上制造出transmon超导量子比特。3荷兰也通过其蓬勃发展的量子初创环境为量子技术的进步做出了重大贡献。例如，自2021年以来，QuantWare提供商用超导量子处理器，这是世界首创。2024年，他们与Qblox合作部署了全栈量子系统。同年，OrangeQS推出了世界上第一台100+量子比特的量子芯片测试设备。这些成就表明该领域正处于从嘈杂的中尺度向大规模转变的边缘。纵观IBM、谷歌和微软等公司的路线图，“纠错”、“弹性”和“扩展”等概念至关重要。在保持量子比特稳定性和连通性的同时增加其数量是该领域的重点关注领域。

图 1. 量子计算发展时间线，重点突出关键里程碑。该领域已从原理验证阶段（以IBM和Google的少传输量子比特系统（“量子优势”）为代表）快速发展到嘈杂的中间规模，以127 量子比特 IBM Eagle量子处理器为代表，该处理器采用高纵横比硅通孔实现 3D 连接。我们设想，原子级处理可以助力量子计算的规模化，就像它在纳米电子学的各个规模化时代所起到的作用一样，如图所示。

目前，几种潜在的量子计算硬件平台正在并行开发中，包括超导、离子阱、中性原子、色心、自旋和拓扑方法。制造工艺的高保真度和可重复性是这些平台持续发展的关键。这些方面通常被认为是原子级加工技术的优点，这也解释了为什么一些主要关注自旋或超导量子比特的量子技术参与者对原子层沉积 (ALD) 和原子层释放 (ALE) 的兴趣日益浓厚。超导量子比特是量子计算开发的领先方法之一，在本篇博文中，我们主要关注原子层沉积 (ALD) 和原子层释放 (ALE) 工艺如何提升此类量子比特系统中材料和界面的质量。然而，我们强调的是，ALD 和 ALE 的优势不仅限于超导量子比特，也适用于其他量子计算平台。下图以示意图的形式总结了 ALD 和 ALE 的优势及其在各种量子器件中的应用。

图 2. 原子层沉积 (ALD) 和原子层释放 (ALE) 技术在量子技术中的优势，分别以约瑟夫森结、超导纳米线单光子探测器、谐振器和硅通孔为例进行说明。图中重点突出的各项优势，对其他项目同样具有参考价值。

从二维到三维：共形超导特性

原子层沉积 (ALD) 凭借其晶圆级均匀性、原子级精度和保形性等优势，在提升超导量子比特的可扩展性方面发挥着至关重要的作用。人们日益需要在晶圆级上均匀沉积各种材料，并进行保形沉积，以适应量子器件在三维结构中的扩展。过去几年，有关超导氮化物原子层沉积 (ALD) 工艺的报道主要集中在平面结构上。

然而，3D连接对于可扩展的超导量子计算平台至关重要。硅通孔 (TSV) 的集成减少了有损布线的数量，同时有助于最大限度地减少微波干扰和热扰动。7它们的开发可以提高量子比特的相干性，并实现层间连接，从而使多芯片堆叠架构成为可能。这种从 2D 到 3D 的演变模拟了微电子领域自 2010 年代初通过 TSV 开始向 3D 封装（通常称为 2.5D）的过渡。8我们预计，随着量子技术的不断发展，成熟的半导体行业技术在量子器件中的集成将变得越来越普遍。

将超导氮化物的原子层沉积 (ALD) 工艺扩展到三维空间，面临着与在平面上沉积相比，在垂直侧壁上获得足够材料质量和超导性能的挑战。高质量的氮化物通常借助离子轰击获得。正如我们在在之前的博文中，离子能量是获得理想超导特性的关键参数。由于这些离子垂直于基底加速，垂直硅通孔表面离子能量剂量的降低将不可避免地导致获得高质量超导薄膜的挑战。与用于平面薄膜的条件相比，这需要对原子层沉积 (ALD) 工艺条件（例如等离子体参数、压力和温度）进行微调。尽管存在这些挑战，但最近已证明使用 TiN 9,10和 NbN 11通过原子层沉积 (ALD) 在硅通孔中制备超导薄膜取得了良好的效果，这将成为进一步推进超导硅通孔原子级工艺的基石。

图3. 左侧示意图表示硅通孔和超导层沉积的典型要求。右侧示意图显示了硅通孔在超导量子比特中的实现位置。

表面和界面对量子技术的重要性

量子比特的质量仅由其相干时间定义，相干时间是其所含信息寿命的度量。量子比特态对外部扰动极为敏感，而材料固有的缺陷则增加了这种敏感性。量子界已投入大量精力来确定材料中的损耗来源，例如空位和其他结构缺陷、薄膜不均匀性、界面无序或污染。人们特别关注由表面和界面引起的损耗因素，因为已经证明这些因素在限制量子比特质量方面起着重要作用。12量子比特设计的选择会影响哪个界面主导这种损耗，例如金属-空气、金属-基板或基板-空气界面。但量子比特设计无法完全避免这些损耗来源，因此需要寻求改善界面质量的工艺。

由于反应离子刻蚀具有各向异性特性和快速刻蚀速率，量子比特结构的图案化通常采用反应离子刻蚀技术。然而，这些工艺中使用的高离子能量会损伤不同材料的表面，从而损害量子比特的质量。湿法刻蚀工艺因其各向同性特性，更常用于去除或清洁原生氧化物，但它会降低超导体尖锐边缘的质量，并且仍会在表面留下化学杂质。13另一方面，由于ALE具有自限性，与传统的干法或湿法刻蚀工艺相比，ALE最终呈现出非常光滑的表面光洁度。ALE工艺的平滑效果确实可能是一种很有前景的工艺，可以减少缺陷对退相干的影响。此外，ALE既可以是各向同性的，也可以是各向异性的，从而提供了工艺的多功能性。14,15此外，ALE工艺还显示出使表面平滑的能力，可能作为缺陷去除步骤。这种平滑效应已在多种材料16–18以及最近在超导 TiN 薄膜上观察到。19这一吸引人的特性可能使 ALE 成为制造量子器件的关键工艺，因为界面缺陷是损耗的主要来源。每个工艺的另一个重要方面是其选择性，这意味着可以蚀刻特定材料，同时保持其他材料不变。与更传统的蚀刻工艺相比，ALE 步骤的自限制特性提供了更好的可调性，可以选择性地蚀刻一种特定材料而不是另一种。因此，ALE 有助于瞄准特定的表面：金属-空气、基底-空气或金属基底（图 4），同时保持器件的其他一些部分不受影响。例如，Mun J. 等人最近发表的一篇论文强调了开发蚀刻工艺的必要性，如下所示：

“可在不损害基板完整性的情况下增强侧壁的蚀刻技术” 20

这项任务需要 ALE 的三大优势：各向同性刻蚀、基底与超导体（或其他材料）之间的选择性以及平滑效果。本示例说明了 ALE 工艺如何帮助改善界面质量，从而提升超导量子比特和其他量子器件的品质因数。

图4. 超导约瑟夫森结和谐振器的示意图。图中突出显示了产生损耗的主要界面，以及在这些超导结构上应用ALE工艺的潜在优势。

连接 ALD/ALE 和量子社区的研讨会

作为即将举行的量子技术原子层沉积与刻蚀研讨会的先导，我们旨在简要介绍这些技术如何支持该领域的快速发展。我们已经阐述了原子层沉积 (ALD) 如何提供适用于 3D 超导互连的共形晶圆级沉积，而原子层刻蚀 (ALE) 则具有通过平滑处理、缺陷去除以及选择性和各向同性刻蚀来提升界面质量的潜力。这些原子级工艺已在半导体行业中得到应用，在提升超导量子比特和其他量子平台的量子比特性能和可制造性方面展现出巨大的潜力。

即将于2025年5月20日在埃因霍温校区De Zwarte Doos举办的研讨会将更深入地探讨这些主题及其他议题。

原文标题：How atomic scale processing can help to pave the way for future quantum devices: A Workshop to bridge ALD/ALE and Quantum communities

发布日期：2025年5月5日 原文链接 https://www.atomiclimits.com/2025/05/05/how-atomic-scale-processing-can-help-to-pave-the-way-for-future-quantum-devices-a-workshop-to-bridge-ald-ale-and-quantum-communities/