On-chip stencil lithography for superconducting qubits

1. بيان المشكلة

إن تطوير الكيوبتات فائقة التوصيل ذات التماسك العالي يواجه حالياً قيوداً بسبب الخسائر الناتجة عن عمليات التصنيع، لا سيما من المواد العضوية المقاومة للضوء (photoresists) المستخدمة في الليثوغرافيا القياسية.

• قيود المواد المقاومة: تعاني المواد المقاومة العضوية المستخدمة في التبخير الظلي (الطريقة القياسية لإنشاء وصلات جوزيفسون، أو JJs) من ضعف الاستقرار الحراري (تفشل عادةً فوق ~300 درجة مئوية) وعدم التوافق الكيميائي. وهي تمنع استخدام عوامل التنظيف القوية (مثل محلول بيرانها أو حمض الهيدروفلوريك) والتقليب (annealing) عند درجات حرارة عالية اللازم لإزالة الملوثات السطحية والأنظمة ذات المستوىين (TLS).
• مشكلات الرواسب: تؤدي رواسب المواد المقاومة، التي تُسمى غالباً "حجاب الموت" (veil of the death)، والطبقات غير المتبلورة أو متعددة البلورات الناتجة عن المعالجة منخفضة الحرارة إلى تدهور تماسك الكيوبت.
• البدائل الموجودة: بينما توجد ليثوغرافيا الستنسل خارج الشريحة (باستخدام أغشية قائمة بذاتها)، إلا أنها تعاني من الحساسية للمحاذاة، ومشكلات الميل، والإجهاد الميكانيكي عند درجات الحرارة العالية، مما يحد من القدرة على التوسع والتكرار.

2. المنهجية

طوّر المؤلفون تقنية ليثوغرافيا الستنسل غير العضوية داخل الشريحة باستخدام طبقة مزدوجة من ثاني أكسيد السيليكون ونيتريد السيليكون ($SiO_2/Si_3N_4$) على ركائز الياقوت (sapphire).

• تصنيع القناع:
  • تم ترسيب طبقة تضحية من $SiO_2$ بسمك 300 نانومتر وطبقة قناع من $Si_3N_4$ بسمك 100 نانومتر عبر الترسيب الكيميائي للبخار تحت ضغط منخفض (LPCVD) على رقاقة ياقوت.
  • تم تشكيل $Si_3N_4$ باستخدام الليثوغرافيا الإلكترونية القياسية (e-beam) والنحت بالأيونات التفاعلية (RIE).
  • إزالة المادة المقاومة: من الأهمية بمكان إزالة المادة المقاومة العضوية قبل تحرير الستنسل. خضعت الرقاقة لتنظيف بالمذيبات، وتطهير ببلازما الأكسجين، وغمس في محلول بيرانها. ولأن طبقة $SiO_2$ التضحية لا تزال سليمة، فإن سطح الياقوت لم يتلامس أبداً مع المادة المقاومة، مما يضمن واجهة نقية تماماً.
  • تحرير الستنسل: تم حفر $SiO_2$ انتقائياً باستخدام حمض الهيدروفلوريك المائي (A-HF)، مما خلق تجويفاً (undercut) أدى إلى تحرير قناع ستنسل $Si_3N_4$ من الركيزة.
• المعالجة عالية الحرارة: القناع الستنسل غير العضوي المتحرر قوي بما يكفي لتحمل درجات حرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية في الفراغ الفائق العالي (UHV)، مما يسمح بتنظيف سطحي مكثف وتقليب (annealing) قبل ترسيب المعدن.
• الترسيب: تُستخدم طريقة التبخير الظلي مزدوجة الزاوية القياسية لترسيب أقطاب الألمنيوم (Al) وتشكيل وصلات جوزيفسون Al/AlOx/Al عبر فتحات الستنسل.
• رفع القناع (Lift-off): على عكس رفع المواد المقاومة التقليدي، يتم إزالة القناع غير العضوي بعد الترسيب باستخدام حمض الهيدروفلوريك البخاري (V-HF).
  • يقوم V-HF بحفر طبقة $SiO_2$ التضحية بشكل انتقائي، لكنه يتوقف عند حاجز نفق أكسيد الألمنيوم (AlOx) الخاص بوصلة جوزيفسون، مما يحمي الجهاز الوظيفي.
  • لتسهيل ذلك، يتضمن تصميم الستنسل شبكة سداسية من الثقوب الصغيرة (~150 نانومتر) تسمح لغاز V-HF بالتغلغل وحفر $SiO_2$ الموجود بالأسفل بشكل متماثل المناحي (isotropically)، مما يؤدي إلى انفصال القناع.

3. المساهمات الرئيسية

• أول تطبيق على الكيوبتات: هذا هو أول عرض لليثوغرافيا الستنسل غير العضوية داخل الشريحة المطبقة على أجهزة كمية فائقة التوصيل متماسكة (transmon qubits).
• واجهة خالية من المواد المقاومة: تلغي هذه العملية رواسب المواد المقاومة العضوية من الواجهة الحرجة بين الركيزة والوصلة عن طريق إزالة المادة المقمة قبل تحرير الستنسل.
• المتانة الحرارية والكيميائية: تمكن هذه الطريقة من التقليب عالي الحرارة (حتى 1200 درجة مئوية) والتنظيف الكيميائي المكثف (بيرانا، HF) التي يستحيل تنفيذها مع المواد المقاومة العضوية.
• آلية الرفع الانتقائية: أظهر المؤلفون تقنية رفع موثوقة باستخدام V-HF تستغل الانتقائية الكيميائية بين $SiO_2$ و AlOx، مما يضمن بقاء الدائرة فائقة التوصيل الوظيفية سليمة.

4. النتائج

قام الفريق بتصنيع كيوبتات ترانسمون قابلة للضبط (Q1 و Q2) على شريحة واحدة وتوصيف تماسكها:

• أزمنة التماسك:
  • Q1: حقق متوسط زمن استرخاء الطاقة ($T_1$) قدره $75.37 \pm 7.42$ ميكروثانية على مدى 60 ساعة. ظل $T_1$ مستقراً عبر نطاق تردد 200 ميجاهرتز. كان زمن إلغاء الطور لرامزي ($T_2^*$) حوالي 15 ميكروثانية، وزمن الصدى ($T_2^{echo}$) حوالي 28 ميكروثانية.
  • Q2: حقق متوسط $T_1$ قدره $44.28 \pm 8.23$ ميكروثانية.
• مقارنة الأداء: أزمنة التماسك المحققة تضاهي الكيوبتات الحديثة المصنعة باستخدام الطرق التقليدية القائمة على المواد المقاومة، مما يثبت أن عملية الستنسل لا تسبب مصادر إضافية لفقدان التماسك.
• الاستقرار: أظهرت الكيوبتات نقاءً طيفياً مستقراً وقابلية للضبط بالتدفق، دون أي علامات على التدهور الناتج عن عملية رفع V-HF.
• جودة المواد: أكدت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وجود واجهات حادة وخلو الوصلة من تلوث الفلور بعد التعرض لـ V-HF.

5. الأهمية والآفاق المستقبلية

• التغلب على عقبة فقدان التماسك: من خلال تمكين المعالجة عالية الحرارة والتنظيف الكيميائي المكثف، تفتح هذه التقنية الباب لاستكشاف مواد وصلات ومعالجات سطحية جديدة كانت غير متاحة سابقاً بسبب قيود المواد المقاومة.
• القابلية للتوسع: يتجنب النهج داخل الشريحة مشكلات المحاذاة والاستقرار الميكانيكي الموجودة في الستنسل خارج الشريحة، مما يوفر مساراً أكثر تكراراً وقابلية للتوسع في تصنيع الكيوبتات.
• الإمكانات المستقبلية: يشير المؤلفون إلى أن الاستفادة من المتانة الحرارية لهذه الطريقة يمكن أن تؤدي إلى تحسينات إضافية في أداء الكيوبت، مما قد يدفع أزمنة التماسك إلى ما وراء الحدود الحالية من خلال القضاء على الأنظمة ذات المستويين (TLS) عند واجهة الركيزة.

في الختام، تثبت هذه الدراسة أن ليثوغرافيا الستنسل غير العضوية داخل الشريحة هي بديل فعال وعالي الأداء لليثوغرافيا المواد المقاومة العضوية للدوائر الكمية فائقة التوصيل، مما يوفر مساراً لواجهات أنظف وتصنيع أكثر متانة للكيوبتات.