倒装焊工艺简介

1、随着超导量子比特技术的进一步发展，实验上需要可以表面误码差校正以及更复杂的高 保真量子电路1-2。 相关报道介绍了一些平面二维阵列的设计3-5，但是这几种现行的设 计方案中控制布线和读出电路往往使得量子比特数目与器件高保真度这二者与不能同时兼 顾。例如，二维阵列的X mon单量子位就需要利用电容耦合到四个最近量子比特和读出谐 振腔，此外还要考虑XY驱动线的设计6。多层膜加工工艺是解决这个问题的一种直观的 方案7，但是该方案中制备的量子比特基片上制备的绝缘层会造成额外的退相干，从而影 响量子比特的特性8。目前国际上解决上述困难的主流方法是通过将器件分离成两部分， 其中一部分是密集的布线基片并在该

2、基片上制备绝缘层，另一部分上制备量子比特而不生长 大面积的绝缘层，随后将这两种基片通过倒装焊工艺结合起来形成一种同时满足多量子比特 数目与高保真度的量子比特器件。该种工艺已经在半导体工业中得到了广泛的应用，从手机到大型强子对撞机都有应用9。而在低温技术中的应用还较少。该工艺对两部分基片的连接部分提出了如下的要求： 1.连接材料应是常规的量子比特制备工艺中常用的并可以与现有的量子比特制备工艺兼容。 2谐振腔的可加工数量与质量必须达到高要求。（在布线基片上需加工数百个高Q值的谐振 腔）。3在极低温的条件下可以保证两部分的联通。4.可以在不高的温度与大气压下进行两部分基片的连接，以避免退火改变约瑟夫

3、森结临界电 流10。5两部分基片的连接部分必须在测量条件下进入超导态，以保证芯片之间的无损连接与避免 局部生热破坏测量条件。6.相互连接偏置线临界电流应大于5nA,以保证可以进行实验测量。铟的临界温度相对较高为3.4K，室温铟焊接工艺也是一种在半导体工业中较为成熟的 技术11，而在量子比特的加工工艺中高纯度的铟可以通过常用的热蒸发工艺生长在指定的 位置，因此基片之间连接材料可选高纯铟。但是，由于量子比特的基底金属常用铝，而铝和铟接触层会形成交叠层12影响量子比特 的性能，因此热蒸发的时候必须在铝基底上生长氮化钛介质缓冲层以防止上述现象的出现， 氮化钛的临界温度高达5.64K，并且是一种高相干性

4、能的量子比特材料13, 14。倒装焊的简要工艺步骤如下：通过电子束蒸发生长 100nm 的铝膜，后利用电子束曝光或激光直写工艺制备所需的图形再 利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺获得所需的金属图形。在加工好的第一层金属上利用超高真空的磁控溅射工艺生长氮化钛层与剥离工艺在指定 的位置获得缓冲层。此后，将样品置于超高真空环境下利用离子束将缓冲层清理干净。最后 利用热蒸发的工艺分别在布线基片的缓冲层上生长5gm的连接用铟柱，在量子比特基片的 缓冲层上生长2gm的连接用铟柱，后将基片冷却到0C静止一段时间。用（氢、氦和氮的混合）离子束轰击以去除铟表面的氧化物并对铟表面进行钝化，以保证 焊接过程中铟柱之间的良好

5、连接15。 然后，翻转布线基片并对齐两个芯片，在室温下使 用SET FC-15 OFlip芯片键合器将二者焊接在一起，要求两部分之间的旋转小于0.5mRad, 对齐误差在2gm以内。ReferencesBarends R et al 2014 Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for faulttolerance Nature 508 500-3Fowler A G, Mariantoni M, Martinis J M and Cleland A N 2012 Surface codes: towar

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