原子级加工如何助力未来量子设备的发展

本文探讨原子层沉积（ALD）和原子层刻蚀（ALE）如何推动量子技术向前发展的愿景。文章首先聚焦量子领域主要参与者近期取得的里程碑，并依托开发量子技术的关键企业路线图，梳理量子技术发展中的重要概念。随后，探讨 ALD 和 ALE 在应对量子技术材料挑战方面的两大独特优势：ALD 在超导互连中的保形性，以及 ALE 在改善界面和表面质量方面的能力。这两大优势是当前研究的核心，清晰展现了 ALD 和 ALE 如何像在纳米电子学中那样，融入未来量子器件的制造工艺。

量子技术里程碑与原子级加工的前景

过去两年，量子计算领域取得了显著进展（图 1）。2023 年 12 月，IBM 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领域的里程碑成果，²imec 研究人员去年夏天借助 CMOS 制造工艺，在 300 毫米晶圆上成功制造出 transmon 超导量子比特。³ 荷兰凭借蓬勃发展的量子初创企业生态，也为量子技术的进步做出了重要贡献。例如，QuantWare 自 2021 年起开始商业化供应超导量子处理器，这在全球尚属首次；2024 年，该公司与 Qblox 合作部署了全栈量子系统。同年，OrangeQS 推出了全球首款支持 100 + 量子比特的量子芯片测试设备。这些成就表明，该领域正处于从含噪声中等规模量子计算向大规模量子计算过渡的临界点。从 IBM、谷歌和微软等企业的路线图来看，“纠错”“鲁棒性” 和 “规模化” 是核心概念。在增加量子比特数量的同时保持其稳定性和连通性，是该领域的关键聚焦方向。

图 1. 量子计算发展关键里程碑时间线

该领域已从原理验证阶段（以 IBM 和谷歌的少数 transmon 量子比特系统 “量子优越性” 为代表），迅速迈向含噪声中等规模阶段（以采用高深宽比硅通孔实现 3D 互联的 127 量子比特 IBM Eagle 量子处理器为代表）。如图所示，人们设想原子级加工可助力量子计算的规模化发展，其作用类似于在纳米电子学中推动各个规模化时代的演进。

目前，超导、离子阱、中性原子、色心、自旋和拓扑等多种潜在的量子计算硬件平台正同步开发。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。原子级加工技术常因具备这些特性而备受青睐，这也解释了为何部分聚焦自旋或超导量子比特的量子技术参与者，对原子层沉积（ALD）和原子层刻蚀（ALE）的兴趣与日俱增。

超导量子比特是量子计算发展的主流方向之一，本文将重点探讨 ALD 和 ALE 工艺如何提升此类量子比特系统中材料和界面的质量。需要强调的是，ALD 和 ALE 的优势不仅限于超导量子比特，对其他量子计算平台同样具有重要价值。下图以示意图形式总结了 ALD 和 ALE 的优势及其在各类量子器件中的应用，下文提及的量子器件详细描述可参见专业综述文献 [4-6]。

图 2. 原子层沉积（ALD）和原子层刻蚀（ALE）在量子技术中的优势（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），图中每项技术所强调的优势，对其他技术同样具有重要价值。

从二维到三维：保形超导特性

凭借晶圆级均匀性、原子级精度和保形性优势，原子层沉积（ALD）在提升超导量子比特的可扩展性方面可发挥关键作用。当前，量子器件对晶圆级各类材料的均匀沉积需求日益增长，同时为适应三维结构扩展，也需要保形沉积技术。过去几年，关于超导氮化物的 ALD 工艺研究主要集中于平面结构。

然而，三维互联对于可扩展的超导量子计算平台至关重要。硅通孔（TSV）的集成可减少有损布线数量，同时有助于最小化微波干扰和热扰动 [7]。其发展可改善量子比特的相干性，并实现层间互联，使多芯片堆叠架构成为可能。这种从二维到三维的演进，类似于 2010 年代初微电子领域通过硅通孔（TSV）开启的向 “2.5D” 三维封装的转型 [8]。我们预计，随着量子技术的持续发展，成熟半导体工业技术在量子器件中的集成将日益普遍。

将超导氮化物的 ALD 工艺扩展至三维领域面临的挑战是：与平面表面沉积相比，需在垂直侧壁上获得足够的材料质量和超导特性。高质量氮化物通常需要借助离子轰击工艺制备。如我们此前博文所述，离子能量是获得理想超导特性的关键参数。由于这些离子沿垂直于衬底的方向加速，垂直 TSV 表面的离子能量剂量降低将不可避免地导致难以制备高质量超导薄膜。这需要对 ALD 工艺条件（如等离子体参数、压力和温度）进行微调，而这些条件与平面薄膜的工艺条件有所不同。尽管存在这些挑战，最近已有研究利用 ALD 技术在 TSV 中成功制备了氮化钛（TiN）[9,10] 和氮化铌（NbN）[11] 超导薄膜，取得了令人鼓舞的结果，这些成果将为进一步推进超导 TSV 的原子级加工工艺奠定基础。

图 3. 左侧示意图展示了硅通孔（TSV）及其对超导层沉积的典型要求，

右侧示意图则说明了 TSV 在超导量子比特中的应用位置。

量子技术中表面与界面的重要性

量子比特的质量仅由其相干时间决定 —— 相干时间是衡量量子比特存储信息寿命的指标。量子比特态对外部干扰极其敏感，而材料的固有缺陷会进一步加剧这种敏感性。量子领域研究者已投入大量精力探寻材料损耗的来源，如空位及其他结构缺陷、薄膜不均匀性、界面无序或污染等。其中，表面和界面引发的损耗因素受到特别关注，因为已有研究表明，这些因素在限制量子比特质量方面起着关键作用 [12]。量子比特的设计选择会影响主导损耗的界面类型（如金属 - 空气界面、金属 - 衬底界面或衬底 - 空气界面），但设计无法完全规避这些损耗源，因此需要探索改善界面质量的工艺。

传统上，量子比特结构的图形化加工常采用反应离子刻蚀技术，因其具有各向异性刻蚀特性和较快的刻蚀速率。然而，这些工艺中使用的高离子能量会对不同材料的表面造成损伤，进而损害量子比特质量。湿法刻蚀工艺因其各向同性特性，更常用于去除原生氧化物或清洗，但可能会降低超导体尖锐边缘的质量，且仍可能在表面残留化学杂质 [13]。另一方面，原子层刻蚀（ALE）因其自限制特性，与传统干法或湿法刻蚀工艺相比，可实现非常光滑的表面加工效果。ALE 工艺的平滑作用确实可能成为减少缺陷对退相干影响的一种有前景的工艺。此外，ALE 工艺兼具各向同性和各向异性刻蚀能力，提供了工艺灵活性 [14,15]。

另外，ALE 工艺已显示出平滑表面的能力，这可能起到缺陷去除的作用。这种平滑效果已在多种材料 [16-18] 上观察到，最近也在超导氮化钛（TiN）薄膜上得到验证 [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，尤其是在界面缺陷为主要损耗源的场景中。每项工艺的另一个重要方面是其选择性，即能够在刻蚀特定材料的同时不损伤其他材料。与更传统的刻蚀工艺相比，ALE 步骤的自限制特性为选择性刻蚀一种特定材料提供了更多可调性。因此，ALE 有助于针对特定表面（如金属 - 空气界面、衬底 - 空气界面或金属 - 衬底界面，见图 4）进行加工，同时使器件的其他部分保持完好。例如，Mun J. 等人最近的一篇论文强调了开发以下刻蚀工艺的必要性：

“可在不损害衬底完整性的前提下改善侧壁的刻蚀技术”²⁰

这一目标可通过原子层刻蚀（ALE）的三大优势实现：各向同性刻蚀能力、衬底与超导体（或其他材料）之间的刻蚀选择性，以及表面平滑效应。该案例表明，ALE 工艺可通过改善界面质量，提升超导量子比特及其他量子器件的品质因数。

图 4. 超导约瑟夫森结和谐振器示意图

图中重点标注了产生损耗的主要界面，以及在这些超导结构上应用原子层刻蚀（ALE）工艺的潜在优势。

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

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/

参考:

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3.         Van Damme, J. et al. Advanced CMOS manufacturing of superconducting qubits on 300 mm wafers. Nature (2024) doi:10.1038/s41586-024-07941-9.

4.         de Leon, N. P. et al. Materials challenges and opportunities for quantum computing hardware. Science 372, eabb2823 (2021).

5.         Gao, Y. Y., Rol, M. A., Touzard, S. & Wang, C. Practical Guide for Building Superconducting Quantum Devices. PRX Quantum 2, (2021).

6.         Lock, E. H. et al. Materials Innovations for Quantum Technology Acceleration: A Perspective. Advanced Materials 35, 2201064 (2023).

7.         Yost, D. R. W. et al. Solid-state qubits integrated with superconducting through-silicon vias. npj Quantum Inf 6, 1–7 (2020).

8.         Zhang, X. et al. Heterogeneous 2.5D integration on through silicon interposer. Applied Physics Reviews 2, 021308 (2015).

9.         Grigoras, K. et al. Qubit-Compatible Substrates With Superconducting Through-Silicon Vias. IEEE Transactions on Quantum Engineering 3, 1–10 (2022).

10.       Grigoras, K. et al. Superconducting TiN through-silicon-vias for quantum technology. in 2019 IEEE 21st Electronics Packaging Technology Conference (EPTC) 81–82 (2019). doi:10.1109/EPTC47984.2019.9026646.

11.       Ren, Z. et al. Plasma Processes for Vertical Niobium Nitride Superconducting Through Silicon Vias. IEEE Electron Device Lett. 46, 175–178 (2025).

12.       Bruno, A. et al. Reducing intrinsic loss in superconducting resonators by surface treatment and deep etching of silicon substrates. Applied Physics Letters 106, 182601 (2015).

13.       Chudakova, T. A. et al. Effect of Etching Methods on Dielectric Losses in Transmons. Jetp Lett. 120, 298–305 (2024).

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20.       Mun, J., Zhou, C., Kisslinger, K., Liu, M. & Zhu, Y. Comparative S/TEM study of superconducting Ta quantum resonators by wet and dry etching types. Applied Physics Letters 125, 164002 (2024).