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On-chip stencil lithography for superconducting qubits

यह शोध पत्र एक सुदृढ़ अकार्बनिक SiO $_2$ /Si $_3$ N $_4$ ऑन-चिप स्टेंसिल लिथोग्राफी मास्क प्रस्तुत करता है जो उच्च तापमान और आक्रामक सफाई को सहन कर सकता है, जो पारंपरिक कार्बनिक रेजिस्ट की सीमाओं को पार करते हुए अत्याधुनिक उपकरणों के समान जीवनकाल वाले उच्च-सुसंगत (high-coherence) Al-आधारित ट्रांसमोन क्वबिट्स के निर्माण को सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Roudy Hanna, Sören Ihssen, Simon Geisert, Umut Kocak, Matteo Arfini, Albert Hertel, Thomas J. Smart, Michael Schleenvoigt, Tobias Schmitt, Joscha Domnick, Kaycee Underwood, Abdur Rehman Jalil, Jin Hee

प्रकाशित 2026-04-21

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CC0 1.0

मूल लेखक: Roudy Hanna, Sören Ihssen, Simon Geisert, Umut Kocak, Matteo Arfini, Albert Hertel, Thomas J. Smart, Michael Schleenvoigt, Tobias Schmitt, Joscha Domnick, Kaycee Underwood, Abdur Rehman Jalil, Jin Hee Bae, Benjamin Bennemann, Mathieu Féchant, Mitchell Field, Martin Spiecker, Nicolas Zapata, Christian Dickel, Erwin Berenschot, Niels Tas, Gary A. Steele, Detlev Grützmacher, Ioan M. Pop, Peter Schüffelgen

मूल पेपर CC0 1.0 (http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) के तहत सार्वजनिक डोमेन को समर्पित है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक बहुत ही छोटा, अविश्वसनीय रूप से नाजुक मशीन—एक सुपरकंडक्टिंग क्वबिट (superconducting qubit)—बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जो एक क्वांटम कंप्यूटर की तरह सोच सके। इस मशीन को काम करने के लिए, आपको एक विशिष्ट स्विच बनाना होगा जिसे जोसेफसन जंक्शन (Josephson Junction) कहा जाता है। इस स्विच को क्वबिट का "हृदय" मानकर चलें।

वर्षों से, वैज्ञानिक इन हृदयों को बनाने के लिए एक ऐसी विधि का उपयोग कर रहे हैं जिसमें ऑर्गेनिक फोटोरेसिस्ट (organic photoresists) शामिल होते हैं। यदि आप इसे सरल रूप में समझाना चाहते हैं, तो कल्पना करें कि आप कांच के एक टुकड़े पर स्टेंसिल बनाने के लिए गीले, चिपचिपे गोंद (रेसिस्ट) का उपयोग कर रहे हैं, फिर उन खाली जगहों को भरने के लिए धातु का छिड़काव कर रहे हैं। एक बार जब धातु सूख जाती है, तो आप अपने आकार को प्रकट करने के लिए गोंद को धोकर हटा देते हैं।

समस्या:
इस "गोंद" विधि के साथ समस्या यह है कि यह गोंद नाजुक होता है।

यह गंदा है: जब आप इसे धोते हैं, तो अक्सर चिपचिपे अवशेष के छोटे कण पीछे रह जाते हैं। यह ऐसा है जैसे आप रसोई का फर्श साफ करने की कोशिश कर रहे हों लेकिन पीछे चिकनाई की एक पतली, अदृश्य परत छोड़ दें जो अगले भोजन को खराब कर दे। क्वांटम शब्दों में, यह "चिकनाई" क्वबिट की याददाश्त (decoherence) को बहुत जल्दी खो देती है।
यह कमजोर है: आप इस गोंद के साथ कठोर रसायनों या उच्च ताप का उपयोग नहीं कर सकते। यदि आप इस गोंद को कठोर क्लीनर से रगड़ने या ओवन में बेक करने की कोशिश करते हैं, तो गोंद पिघल जाता है या घुल जाता है, जिससे आपका स्टेंसिल खराब हो जाता है। यह वैज्ञानिकों को सबसे अच्छे सफाई तकनीकों या उन सामग्रियों का उपयोग करने से रोकता है जिन्हें ठीक से जुड़ने के लिए उच्च ताप की आवश्यकता होती है।

समाधान: "ऑन-चिप स्टेंसिल" (On-Chip Stencil)
इस टीम ने इन स्विचों को बनाने का एक शानदार नया तरीका निकाला है। चिप पर चिपचिपे गोंद का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने सीधे चिप पर एक स्थायी, पत्थर जैसा कठोर मास्क बनाया।

यहाँ उपमा दी गई है:
कल्पना कीजिए कि आप एक मूर्तिकार हैं। एक अस्थायी कागज के टेम्पलेट के बजाय जो पानी से खराब हो जाता है, आप चिप पर मौजूद बर्फ की एक परत (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) के ऊपर पत्थर से एक मास्क (सिलिकॉन नाइट्राइड) तराशते हैं।

मास्क बनाना: वे चिप पर पत्थर और बर्फ की परतें उगाते हैं। वे पत्थर की परत में छोटे छेद करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, जिससे एक स्टेंसिल बन जाता है।
"आक्रामक" सफाई: क्योंकि उनका मास्क गोंद से नहीं, बल्कि पत्थर से बना है, इसलिए अब वे चिप को कल्पना योग्य सबसे शक्तिशाली रसायनों (जैसे "पिरान्हा" एसिड) से रगड़ सकते हैं और इसे पिज्जा ओवन से भी अधिक तापमान (1,200°C तक) पर बेक कर सकते हैं। यह सतह को पूरी तरह से साफ करता है और इसे सर्वोत्तम सामग्रियों के लिए तैयार करता है, बिना मास्क के पिघलने की चिंता किए।
धातु का छिड़काव: वे पत्थर के मास्क के छेदों के माध्यम से धातु (एल्युमीनियम) का छिड़काव करते हैं। धातु ठीक वहीं गिरती है जहाँ उसे होना चाहिए, जिससे सुपरकंडक्टिंग स्विच बनता है।
जादुई निष्कासन: अब, वे पत्थर के मास्क को कैसे हटाते हैं? इसके लिए वे वेपर हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (V-HF) का उपयोग करते हैं।
- "बर्फ" की परत (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) को एक गुप्त घुलनशील परत के रूप में समझें।
- वे चिप के ऊपर एक विशेष गैस प्रवाहित करते हैं। यह गैस केवल बर्फ की परत को खाती है लेकिन पत्थर के मास्क और धातु के स्विच को अनदेखा करती है।
- एक बार जब बर्फ निकल जाती है, तो पत्थर का मास्क अपना आधार खो देता है और तैरकर अलग हो जाता है, जिससे पीछे एक पूरी तरह से साफ, अवशेष-मुक्त स्विच बच जाता है।

परिणाम:
उन्होंने इन नए तरीकों का परीक्षण दो क्वबिट्स (Q1 और Q2) बनाकर किया।

Q1 ने लगभग 75 माइक्रोसेकंड तक अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रखा।
Q2 ने लगभग 44 माइक्रोसेकंड तक इसे बनाए रखा।

हालाँकि ये संख्याएँ छोटी लग सकती हैं, लेकिन क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, ये उत्कृष्ट हैं। ये पुराने "गोंद" विधि से बने सर्वश्रेष्ठ क्वबिट्स के समान या कभी-कभी उनसे भी बेहतर हैं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है:
यह शोध सिद्ध करता है कि क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आपको नाजुक गोंद की आवश्यकता नहीं है। "पत्थर और बर्फ" वाले स्टेंसिल का उपयोग करके, जो अत्यधिक गर्मी और कठोर सफाई को झेल सकता है, वैज्ञानिक अब:

सतह को पहले से कहीं बेहतर साफ कर सकते हैं।
उन नई सामग्रियों का परीक्षण कर सकते हैं जिन्हें काम करने के लिए उच्च ताप की आवश्यकता होती है।
उस सारी "चिकनाई" को हटा सकते हैं जो त्रुटियों का कारण बनती है।

निष्कर्ष:
यह शोध एक कागज के टेम्पलेट से लेजर-कट मेटल स्टेंसिल में अपग्रेड करने जैसा है जिसे आप डिशवॉशर में धो सकते हैं और ओवन में बेक कर सकते हैं। यह स्वच्छ, मजबूत और अधिक विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटर बनाने का मार्ग खोलता है, जो संभावित रूप से उस सबसे बड़ी बाधा को हल करता है जो आज इस तकनीक को रोक रही है।

सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स के लिए ऑन-चिप स्टेंसिल लिथोग्राफी

1. समस्या का विवरण

उच्च-सुसंगतता (high-coherence) वाले सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स का विकास वर्तमान में फैब्रिकेशन-प्रेरित नुकसानों से सीमित है, विशेष रूप से मानक लिथोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले ऑर्गेनिक फोटोरेसिस्ट (organic photoresists) के कारण।

रेसिस्ट की सीमाएं: शैडो इवेपोरेशन (जो जोसेफसन जंक्शन या JJs बनाने की मानक विधि है) के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑर्गेनिक रेसिस्ट खराब थर्मल स्थिरता (आमतौर पर ~300°C के ऊपर विफल हो जाते हैं) और रासायनिक असंगतता से ग्रस्त होते हैं। वे सतह के संदूषकों (contaminants) और टू-लेवल सिस्टम (TLS) को हटाने के लिए आवश्यक आक्रामक सफाई एजेंटों (जैसे पिराना सॉल्यूशन या हाइड्रोफ्लोरिक एसिड) और उच्च-तापमान एनीलिंग के उपयोग को रोकते हैं।
अवशेष (Residue) संबंधी मुद्दे: रेसिस्ट अवशेष, जिन्हें अक्सर "वेइल ऑफ डेथ" (veil of the death) कहा जाता है, और लो-टेम्परेचर प्रोसेसिंग के कारण बने अमोर्फस/पॉली-क्रिस्टलाइन परतें, क्वबिट की सुसंगतता (coherence) को कम करती हैं।
मौजूदा विकल्प: हालांकि ऑफ-चिप स्टेंसिल लिथोग्राफी (फ्री-स्टैंडिंग मेम्ब्रेन का उपयोग करके) मौजूद है, लेकिन यह एलाइनमेंट संवेदनशीलता, टिल्ट (tilt) संबंधी समस्याओं और उच्च तापमान पर मैकेनिकल स्ट्रेस से ग्रस्त है, जो स्केलेबिलिटी और पुनरुत्पादकता (reproducibility) को सीमित करती है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने सफायर सबस्ट्रेट्स पर एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड/सिलिकॉन नाइट्राइड ( $SiO_2/Si_3N_4$ ) बाइलेयर स्टैक का उपयोग करके एक इनऑर्गेनिक ऑन-चिप स्टेंसिल लिथोग्राफी तकनीक विकसित की है।

मास्क फैब्रिकेशन:
- एक सफायर वेफर पर लो-प्रेशर केमिकल वेपर डिपोजिशन (LPCVD) के माध्यम से 300 nm की सैक्रिफिशियल $SiO_2$ परत और 100 nm की $Si_3N_4$ मास्क परत जमा की जाती है।
- $Si_3N_4$ को मानक इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी (e-beam) और रिएक्टिव आयन एचिंग (RIE) का उपयोग करके पैटर्न किया जाता है।
- रेसिस्ट हटाना: महत्वपूर्ण रूप से, स्टेंसिल को रिलीज करने से पहले ही ऑर्गेनिक रेसिस्ट को हटा दिया जाता है। वेफर को सॉल्वेंट क्लीनिंग, $O_2$ प्लाज्मा ऐशिंग, और पिराना सॉल्यूशन डिप से गुजारा जाता है। चूंकि $SiO_2$ सैक्रिफिशियल लेयर अभी भी बरकरार है, इसलिए सफायर की सतह कभी भी रेसिस्ट के संपर्क में नहीं आती, जिससे एक शुद्ध इंटरफेस सुनिश्चित होता है।
- स्टेंसिल रिलीज: $SiO_2$ को जलीय हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (A-HF) का उपयोग करके चयनात्मक रूप से एच (etch) किया जाता है, जिससे एक अंडरकट बनता है जो $Si_3N_4$ स्टेंसिल मास्क को सबस्ट्रेट से अलग कर देता है।
उच्च-तापमान प्रसंस्करण: रिलीज किया गया इनऑर्गेनिक स्टेंसिल मास्क अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (UHV) में 1200°C तक के तापमान को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत है, जो धातु जमा करने से पहले आक्रामक सतह सफाई और एनीलिंग की अनुमति देता है।
डिपोजिशन: एल्युमीनियम (Al) इलेक्ट्रोड्स जमा करने और स्टेंसिल अपर्चर के माध्यम से Al/AlOx/Al जोसेफसन जंक्शन बनाने के लिए मानक डबल-एंगल शैडो इवेपोरेशन का उपयोग किया जाता है।
मास्क लिफ्ट-ऑफ: रेसिस्ट-आधारित लिफ्ट-ऑफ के विपरीत, इनऑर्गेनिक मास्क को जमाव के बाद वेपर हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (V-HF) का उपयोग करके हटाया जाता है।
- V-HF चयनात्मक रूप से $SiO_2$ सैक्रिफिशियल लेयर को एच करता है, लेकिन यह JJ के नेटिव एल्युमीनियम ऑक्साइड (AlOx) टनल बैरियर द्वारा रोका जाता है, जिससे कार्यात्मक डिवाइस सुरक्षित रहता है।
- इसे सुविधाजनक बनाने के लिए, स्टेंसिल डिजाइन में छोटे छिद्रों (~150 nm) का एक हेक्सागोनल ग्रिड शामिल है जो V-HF गैस को नीचे की $SiO_2$ को आइसोट्रोपिक रूप से एच करने के लिए प्रवेश करने और मास्क को अलग करने की अनुमति देता है।

3. मुख्य योगदान

क्विबिट्स के लिए प्रथम अनुप्रयोग: यह कोहेरेंट सुपरकंडक्टिंग क्वांटम डिवाइसेस (ट्रांसमोन क्वबिट्स) पर ऑन-चिप स्टेंसिल लिथोग्राफी का पहला प्रदर्शन है।
रेसिस्ट-मुक्त इंटरफेस: यह प्रक्रिया क्रिटिकल सबस्ट्रेट-जंक्शन इंटरफेस से ऑर्गेनिक रेसिस्ट अवशेषों को समाप्त करती है क्योंकि स्टेंसिल को रिलीज करने से पहले ही रेसिस्ट को हटा दिया जाता है।
थर्मल और केमिकल मजबूती: यह विधि उच्च-तापमान एनीलिंग (1200°C तक) और आक्रामक रासायनिक सफाई (पिराना, HF) को सक्षम बनाती है, जो ऑर्गेनिक रेसिस्ट के साथ असंभव है।
चयनात्मक लिफ्ट-ऑफ तंत्र: लेखकों ने एक विश्वसनीय लिफ्ट-ऑफ तकनीक का प्रदर्शन किया जो $SiO_2$ और AlOx के बीच रासायनिक चयनात्मकता का लाभ उठाती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि कार्यात्मक सुपरकंडक्टिंग सर्किट बरकरार रहे।

4. परिणाम

टीम ने एक ही चिप पर ट्यूनेबल ट्रांसमोन क्वबिट्स (Q1 और Q2) बनाए और उनकी सुसंगतता (coherence) का परीक्षण किया:

सुसंगतता समय (Coherence Times):
- Q1: 60 घंटे की अवधि में औसत ऊर्जा रिलैक्सेशन टाइम ( $T_1$ ) $75.37 \pm 7.42$ µs प्राप्त किया। $T_1$ एक 200 MHz फ्रीक्वेंसी रेंज में स्थिर रहा। रामसे डीफेजिंग टाइम ( $T_2^*$ ) $\approx 15$ µs था, और इको टाइम ( $T_2^{echo}$ ) $\approx 28$ µs था।
- Q2: औसत $T_1$ $44.28 \pm 8.23$ µs प्राप्त किया।
प्रदर्शन तुलना: इनकी सुसंगतता का समय पारंपरिक रेसिस्ट-आधारित विधियों का उपयोग करके बनाए गए अत्याधुनिक क्वबिट्स के बराबर है, जो यह सिद्ध करता है कि स्टेंसिल प्रक्रिया अतिरिक्त डिकोहेरेंस (decoherence) स्रोत उत्पन्न नहीं करती है।
स्थिरता: क्वबिट्स ने स्थिर स्पेक्ट्रल प्योरिटी और फ्लक्स ट्यूनेबिलिटी दिखाई, जिसमें V-HF लिफ्ट-ऑफ प्रक्रिया से होने वाले किसी भी क्षरण के संकेत नहीं मिले।
सामग्री की गुणवत्ता: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) ने शार्प इंटरफेस और V-HF एक्सपोजर के बाद जंक्शन में फ्लोरीन संदूषण की अनुपस्थिति की पुष्टि की।

5. महत्व और भविष्य की संभावनाएं

डिकोहेरेंस की बाधा को पार करना: उच्च-तापमान प्रसंस्करण और आक्रामक सफाई को सक्षम करके, यह तकनीक उन नए जंक्शन सामग्रियों और सतह उपचारों की खोज के द्वार खोलती है जो रेसिस्ट सीमाओं के कारण पहले अप्राप्य थे।
स्केलेबिलिटी: ऑन-चिप दृष्टिकोण ऑफ-चिप स्टेंसिल के एलाइनमेंट और मैकेनिकल स्थिरता के मुद्दों से बचता है, जो क्वबिट फैब्रिकेशन के लिए अधिक पुनरुत्पादक पथ प्रदान करता है।
भविष्य की क्षमता: लेखक सुझाव देते हैं कि इस विधि की थर्मल मजबूती का लाभ उठाकर, क्वबिट के प्रदर्शन में और सुधार किया जा सकता है, जो संभवतः सबस्ट्रेट इंटरफेस पर TLSs को समाप्त करके सुसंगतता समय को वर्तमान सीमाओं से आगे बढ़ा सकता है।

निष्कर्षतः, यह कार्य प्रमाणित करता है कि ऑन-चिप इनऑर्गेनिक स्टेंसिल लिथोग्राफी, सुपरकंडक्टिंग क्वांटम सर्किट के लिए ऑर्गेनिक रेसिस्ट लिथोग्राफी के एक व्यवहार्य, उच्च-प्रदर्शन वाले विकल्प के रूप में, स्वच्छ इंटरफेस और अधिक मजबूत क्वबिट फैब्रिकेशन के मार्ग को प्रशस्त करती है।

1. समस्या का विवरण

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

3. मुख्य योगदान

4. परिणाम

5. महत्व और भविष्य की संभावनाएं

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