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On-chip stencil lithography for superconducting qubits

该研究开发了一种耐温且抗化学腐蚀的二氧化硅/氮化硅原位掩模光刻技术，成功制备了超导量子比特，验证了其在替代传统有机光刻胶方面的可行性并展示了优异的相干性能。

原作者： 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

发布于 2026-04-21

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CC0 1.0

原作者： 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

原始论文根据 CC0 1.0（http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/）发布到公有领域。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

这篇文章介绍了一种制造超导量子比特（超级计算机的核心部件）的新技术。为了让你更容易理解，我们可以把制造量子芯片的过程想象成在极其精密的蛋糕上绘制图案。

1. 过去的难题：脆弱的“糖纸”

在传统的制造方法中，科学家使用一种叫“光刻胶”的有机材料（你可以把它想象成一层脆弱的糖纸或蜡纸）盖在芯片表面，然后像用 stencil（模板）一样，把不需要的地方挡住，只让金属沉积在需要的地方形成电路。

但这层“糖纸”有两个大毛病：

怕脏：它很容易留下残留物（就像撕掉糖纸时留下的粘粘的胶），这些残留物会干扰量子比特的运行，导致计算出错。
怕热：它很娇气，温度稍微高一点（超过 300°C）就会融化或变形。这意味着科学家无法在高温下对芯片进行深度清洁或处理，就像不敢用高温消毒那个脆弱的糖纸一样。

2. 新的解决方案：坚硬的“陶瓷模具”

为了解决这个问题，研究团队发明了一种**“片上模板光刻”（On-chip stencil lithography）**技术。

材料升级：他们不再用脆弱的“糖纸”，而是用二氧化硅（SiO₂）和氮化硅（Si₃N₄）这两种无机材料，在芯片上直接制作一个坚硬的陶瓷模具。
耐高温：这个“陶瓷模具”非常强壮，可以承受高达1200°C的高温！这意味着科学家可以在真空环境中，用极高温度的火焰对芯片表面进行“大扫除”和“抛光”，把任何微小的杂质都烧掉，让芯片表面变得像镜子一样干净。
耐强酸：它还能抵抗强酸强碱的清洗，确保在沉积金属之前，芯片表面是绝对纯净的。

3. 神奇的“消失术”：如何取下模具？

既然模具这么硬，做完电路后怎么把它取下来呢？如果硬撕，肯定会把电路弄坏。

巧妙的设计：这个“陶瓷模具”下面垫着一层特殊的“牺牲层”（也是二氧化硅）。
定向溶解：当电路做好后，科学家使用一种气态氢氟酸（Vapor-HF）。这种气体非常神奇，它像一把只吃特定食物的钥匙：
- 它只吃下面的“牺牲层”（二氧化硅）。
- 它完全不吃上面的金属电路（铝）和绝缘层。
结果：下面的支撑层被“吃掉”后，上面的坚硬模具就像失去了地基的积木，自动从芯片上脱落（Lift-off），只留下完美、干净的量子电路。

4. 实验结果：真的好用吗？

团队用这种新方法制造了两个量子比特（Q1 和 Q2），并进行了测试：

寿命长：量子比特能保持“清醒”（相干性）的时间达到了75 微秒左右。这就像让一个在狂风中摇摆的陀螺，能多转好几圈才倒下。
稳定性好：即使改变频率或经过多次冷却循环，性能依然非常稳定。
结论：这种新方法不仅可行，而且性能与目前最好的传统方法相当，甚至更有潜力。

总结与展望

这项研究就像是为量子计算机的制造换了一套**“耐高温、耐强酸、无残留”的超级模具**。

以前：我们不敢用高温和强酸清洗芯片，怕弄坏那层脆弱的“糖纸”。
现在：有了这个“陶瓷模具”，我们可以肆无忌惮地用高温和强酸把芯片洗得干干净净，甚至尝试用以前不敢用的新材料。

这为未来制造更强大、更稳定、错误率更低的量子计算机打开了一扇新的大门。就像给超级计算机的“大脑”提供了一个更纯净、更坚固的诞生环境。

论文技术总结：用于超导量子比特的片上模板光刻技术

1. 研究背景与问题 (Problem)

超导量子比特（特别是约瑟夫森结，JJ）的相干性近年来在电路设计、材料科学和表面清洗方面取得了显著进步。然而，目前制造约瑟夫森结的主流方法仍依赖于有机光刻胶（Resist-based lithography），这带来了以下关键限制：

残留污染：光刻胶去除不彻底会留下有机残留物（常被称为“死亡之幕”），导致界面处存在两能级系统（TLS），降低相干性。
热稳定性差：有机光刻胶通常无法承受高温（>300°C），限制了在沉积前进行高温退火或表面清洗的能力。
清洗兼容性差：光刻胶限制了使用强腐蚀性清洗剂（如氢氟酸 HF、Piranha 溶液）进行预处理，导致基底表面可能氧化或存在缺陷。
工艺限制：为了去除光刻胶，往往无法使用某些特定的表面工程手段，阻碍了新材料（如钽 Ta 接地平面）和界面优化的探索。

2. 方法论 (Methodology)

为了解决上述问题，作者开发了一种基于**无机材料（SiO₂/Si₃N₄）的片上模板光刻（On-chip Stencil Lithography）**技术。该方法的核心流程如下：

材料堆叠：在蓝宝石（Sapphire）基底上通过低压化学气相沉积（LPCVD）生长一层 300 nm 的二氧化硅（SiO₂，作为牺牲层）和一层 100 nm 的氮化硅（Si₃N₄，作为掩模层）。
掩模制备：
- 使用电子束光刻（E-beam lithography）在 Si₃N₄层上定义图案（如 Dolan 桥或 Manhattan 风格）。
- 通过反应离子刻蚀（RIE）将 Si₃N₄刻蚀成掩模结构。
- 关键优势：在此阶段，光刻胶仅接触 Si₃N₄层，不接触基底。随后使用溶剂、氧等离子体灰化以及 Piranha 溶液（H₂SO₄:H₂O₂）进行彻底清洗，去除所有有机残留，而无机掩模层不受影响。
释放掩模：使用 1% 的水性氢氟酸（A-HF）选择性刻蚀 SiO₂牺牲层，在掩模边缘形成悬空结构（Under-etch），防止沉积时的侧壁遮挡。
阴影蒸发：利用制备好的模板掩模，进行双角度铝（Al）阴影蒸发，形成 Al-AlOx-Al 约瑟夫森结。
掩模去除（Lift-off）：
- 在沉积完成后，使用**气相氢氟酸（Vapor-HF, V-HF）**选择性刻蚀 SiO₂层。
- 选择性机制：V-HF 能高效刻蚀 SiO₂，但 AlOx（约瑟夫森结的绝缘层）对 V-HF 具有天然的阻挡作用（Etch-stop），从而保护了功能器件不被破坏。
- 芯片上设计了六边形网格孔洞，加速 V-HF 气体的渗透和刻蚀，确保掩模完全去除。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

无光刻胶界面：实现了从基底清洗到金属沉积全过程的“无光刻胶”（Resist-free）工艺，消除了有机残留对界面的污染。
极端工艺兼容性：
- 耐高温：无机掩模可承受高达 1200°C 的高温退火（在超高真空 UHV 条件下），为探索新材料和界面优化打开了大门。
- 耐强腐蚀：掩模可耐受 Piranha 溶液等强氧化性清洗剂，确保基底表面极度洁净。
高保真度去除：利用 V-HF 对 SiO₂的高选择性和 AlOx 的阻挡特性，实现了掩模的无损去除，且未对超导器件造成氟污染（EDX 检测未检出氟）。
首次应用于超导量子比特：这是首次将片上模板光刻技术成功应用于相干超导量子比特的制造，验证了其在量子器件领域的可行性。

4. 实验结果 (Results)

研究团队制造了两个基于铝（Al）的可调谐 Transmon 量子比特（Q1 和 Q2），并进行了详细的相干性测试：

弛豫时间 ( $T_1$ )：
- Q1：在 200 MHz 的频率范围内，平均 $T_1 \approx 75 \pm 11$ µs（单次冷却循环中 60 小时测量）。最大 $T_1$ 可达 140 µs，对应品质因数 $Q \sim 1.5 \times 10^6$ 。
- Q2：平均 $T_1 \approx 44 \pm 8$ µs。
- 这些数值与使用传统光刻胶工艺制造的最先进超导量子比特相当。
退相干时间 ( $T_2$ )：
- Q1 的 Ramsey 退相干时间 $T_2^{Ramsey} \approx 15$ µs，回波时间 $T_2^{Echo} \approx 28$ µs。
稳定性与纯度：
- 在不同磁通偏置点（频率扫描）下， $T_1$ 表现出良好的稳定性，未出现因模板工艺引入的额外噪声。
- 光谱纯度测试显示，器件具有典型的 Transmon 特征，且避免了由光刻胶残留引起的电荷噪声。
工艺验证：成功制造了 Manhattan 风格的约瑟夫森结，并通过透射电子显微镜（TEM）确认了 Al-AlOx-Al trilayer 的界面清晰，无氟污染。

5. 意义与展望 (Significance)

突破相干性瓶颈：该研究证明了无机模板光刻不会牺牲量子比特的性能，反而通过消除有机残留和允许更激进的表面清洗/高温处理，为进一步提升相干性提供了新途径。
新材料探索平台：由于掩模能承受 1200°C 高温，未来可以探索在超导量子比特中应用需要高温工艺的新材料（如某些氧化物、氮化物电极或更复杂的异质结）。
可扩展性与标准化：片上模板光刻避免了离片（Off-chip）模板的对准难题，且工艺步骤明确，有利于大规模制造和标准化。
未来方向：作者计划利用该技术的高温稳定性和化学鲁棒性，进一步探索新的结材料、表面清洗技术以及界面工程，以解决目前限制超导量子比特性能的主要退相干机制。

总结：这篇论文提出并验证了一种基于 SiO₂/Si₃N₄无机掩模的片上模板光刻技术。该技术成功克服了传统光刻胶工艺在污染、热稳定性和清洗兼容性方面的局限，制造出的 Transmon 量子比特表现出与现有技术相当的相干性能，为下一代高性能超导量子器件的制造奠定了重要的工艺基础。