On-chip stencil lithography for superconducting qubits

Título: Litografía de plantilla (stencil) en chip para qubits superconductores

1. El Problema

El desarrollo de qubits superconductores coherentes ha avanzado gracias a mejoras en el diseño de circuitos, materiales y limpieza de superficies. Sin embargo, la fabricación de uniones de Josephson (JJ), el elemento no lineal clave, depende predominantemente de la litografía basada en resinas orgánicas (resists) y técnicas de evaporación en ángulo doble.

• Limitaciones de las resinas: Las resinas poliméricas son frágiles y limitan los métodos de limpieza previos al crecimiento (como tratamientos con ácido fluorhídrico, HF) y las temperaturas de deposición (generalmente limitadas a <300°C).
• Consecuencias: Esto puede provocar capas amorfas o policristalinas, superficies de sustrato oxidadas y residuos de resist (conocidos como "velo de la muerte"), que introducen sistemas de dos niveles (TLS) y degradan la coherencia del qubit.
• Alternativas existentes: Los métodos de litografía de plantilla (stencil) fuera del chip (off-chip) existen, pero sufren de problemas de alineación, sensibilidad a la tensión mecánica a altas temperaturas y falta de escalabilidad.

2. Metodología

Los autores desarrollaron una técnica de litografía de plantilla in situ en chip utilizando una máscara inorgánica robusta, eliminando la necesidad de resinas orgánicas durante las etapas críticas de preparación de la superficie y deposición.

• Materiales de la Máscara: Se depositaron dos capas inorgánicas sobre obleas de zafiro (Al₂O₃) mediante Deposición Química de Vapor a Baja Presión (LPCVD):
  1. Una capa sacrificatoria de SiO₂ (300 nm).
  2. Una capa de máscara de Si₃N₄ (100 nm).
• Proceso de Fabricación:
  1. Patronado: Se utiliza litografía de haz de electrones (e-beam) con resist para definir el patrón en la capa de Si₃N₄, seguida de grabado seco (RIE).
  2. Limpieza Agresiva: Antes de retirar la máscara, la muestra se somete a limpiezas extremas (solventes, plasma de O₂ y solución Piranha) que no afectan a las capas inorgánicas, permitiendo una interfaz libre de residuos orgánicos.
  3. Liberación de la Máscara (Pre-deposición): Se graba selectivamente la capa de SiO₂ con ácido fluorhídrico acuoso (A-HF 1%) para crear una región de "sub-grabado" (under-etch) alrededor de las estructuras de Si₃N₄, evitando la formación de "cercas" laterales durante la deposición.
  4. Deposición: Se realiza la evaporación de aluminio (Al) en ángulo doble para formar las uniones Josephson (Al/AlOx/Al). La máscara soporta temperaturas de hasta 1200°C en condiciones de ultra alto vacío (UHV).
  5. Retiro de la Máscara (Post-deposición): Para eliminar la máscara sin dañar el qubit, se utiliza HF en fase de vapor (V-HF). Este proceso graba selectivamente el SiO₂ (capa sacrificatoria) sin atacar la capa de AlOx de la unión Josephson, que actúa como una capa de parada de grabado efectiva.
  6. Diseño de la Plantilla: Se integró una cuadrícula hexagonal de agujeros en la máscara para permitir la penetración del gas V-HF y asegurar un retiro completo y uniforme de la máscara en todo el chip.

3. Contribuciones Clave

• Primera aplicación en qubits coherentes: Es la primera vez que se aplica la litografía de plantilla en chip para la fabricación de dispositivos cuánticos superconductores coherentes (qubits transmon).
• Interfaz libre de resist: Logran una superficie de sustrato completamente libre de contaminantes orgánicos antes de la deposición del metal, gracias a la compatibilidad de la máscara inorgánica con limpiezas agresivas.
• Estabilidad térmica extrema: Demuestran que la máscara de SiO₂/Si₃N₄ soporta tratamientos térmicos hasta 1200°C, abriendo la puerta a la exploración de nuevos materiales y optimización de interfaces que requieren altas temperaturas.
• Método de retiro selectivo: Validan el uso de HF en fase de vapor para retirar la máscara inorgánica sin dañar las uniones Josephson de aluminio, un desafío técnico significativo.

4. Resultados

Se fabricaron y caracterizaron dos qubits transmon sintonizables basados en aluminio (Q1 y Q2) utilizando esta técnica:

• Tiempos de Coherencia (T1):
  • Q1: Mostró un tiempo de relajación de energía promedio de T₁ ≈ 75 ± 11 µs en un rango de frecuencia de 200 MHz a lo largo de múltiples ciclos de enfriamiento. El valor máximo alcanzado fue de ~140 µs.
  • Q2: Mostró un T₁ promedio de T₁ ≈ 44 ± 8 µs.
• Estabilidad: Los tiempos de coherencia se mantuvieron estables a lo largo del tiempo y en diferentes puntos de flujo magnético, demostrando que el método es compatible con los dispositivos de estado del arte.
• Comparación: Los resultados son comparables a los de los qubits transmon convencionales fabricados con resinas orgánicas, confirmando que la nueva técnica no introduce pérdidas adicionales ni degrada el rendimiento.
• Caracterización Adicional: Se midieron tiempos de desfase de Ramsey (T₂*) y eco (T₂echo), y se observó una pureza espectral adecuada, validando la calidad de las uniones Josephson fabricadas.

5. Significado e Impacto

Este trabajo representa un avance crucial en la ingeniería de materiales para la computación cuántica:

• Superación de cuellos de botella: Al eliminar los residuos de resina y permitir limpiezas más agresivas y deposiciones a altas temperaturas, la técnica ataca directamente las fuentes de ruido (TLS) que limitan la coherencia de los qubits.
• Nuevas posibilidades de materiales: La capacidad de soportar 1200°C permite explorar nuevos materiales de uniones Josephson y técnicas de deposición que antes eran incompatibles con las resinas orgánicas.
• Escalabilidad: Al ser un proceso on-chip, evita los problemas de alineación y reproducibilidad de los métodos off-chip, ofreciendo una ruta viable hacia la fabricación escalable de qubits de alta coherencia.
• Validación de concepto: Demuestra que es posible reemplazar completamente las resinas orgánicas en la fabricación de qubits sin sacrificar el rendimiento, estableciendo un nuevo estándar para la limpieza de interfaces en circuitos cuánticos.