(57)【要約】【課題】量子ビット（キュービット）フリップ・チップ・アセンブリを形成するための方法およびフリップ・チップ装置を提供する。【解決手段】量子ビット（キュービット）フリップ・チップ・アセンブリは、キュービットが第１のチップ上に形成され、光透過性経路が第２のチップ上に形成されると形成される。２つのチップは、はんだバンプを使用して接合される。光透過性経路は、第１のチップ上のキュービットへの光学的アクセスを提供する。【選択図】図７
2021504935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ビット（キュービット）フリップ・チップ・アセンブリを形成するための方法であって、
第１のチップ上にキュービットを形成することと、
第２のチップ内に光透過性経路を形成することと、
前記第１のチップを前記第２のチップに接合することと、
を含み、
前記光透過性経路が前記キュービットの上方に配置される、
方法。
【請求項２】
前記経路が、前記キュービットの処理を可能にするのに十分な大きさの直径を備える開孔を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光透過性経路が１００ミクロン以下の開孔を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のチップに対向する前記キュービットのチップの表面を通してレーザを印加することによって前記キュービットをレーザ・アニーリングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記キュービットをイオン・エッチングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光透過性経路を前記形成することが、高出力レーザ・ビームを使用して前記第２のチップを穿孔して、前記第２のチップに貫通孔を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光透過性経路を前記形成することが、前記第２のチップに貫通孔をエッチングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングが深掘り反応性イオン・エッチングを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記エッチングが化学エッチングを含み、前記化学エッチングが水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチングである、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２のチップが透明基板を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記透明基板が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
キュービットを含む第１のチップと、
前記第１のチップに接合された第２のチップであって、前記第１のチップと前記第２のチップが複数のはんだバンプによって接合されている、前記第２のチップと、
を含み、
前記第２のチップの光透過性経路が前記第１のチップ上の前記キュービットへの光学的アクセスを提供する、
フリップ・チップ装置。
【請求項１３】
前記第２のチップが透明基板を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記透明基板がサファイアである、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記光透過性経路が、前記複数のキュービットのうちの１つまたは複数の処理を可能にするのに十分な大きさの直径を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記キュービットが、前記光透過性経路を介してレーザ・アニーリングのためにアクセス可能である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２のチップの前記光透過性経路が前記第１のチップ上の前記キュービットと位置合わせされている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記光透過性経路が化学エッチングにより形成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
前記光透過性経路が高出力レーザ・ビームを使用して形成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１のチップが透明基板から構成されている、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ製造に関し、より詳細には、量子コンピューティングで使用するためのチップ製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路技術は、３次元集積回路を含む。３Ｄ集積回路の１つのタイプは、垂直に積み重ねられ、基板貫通ビアおよびはんだバンプで電気的に接合された能動電子部品の２つ以上の層を含むことができる。３Ｄ集積回路は、シリコン貫通ビアの使用によって可能になった短い接続長により、パッケージ密度の向上、占有面積の縮小化、帯域幅の改善などの多くの利点を提供することができる。上述の３Ｄ集積回路は、任意の数の知られている方法で製造することができる。一部の３Ｄ集積回路には、シリコン・インターポーザが含まれることがあり、このシリコン・インターポーザを使用して、キャリアと１つまたは複数の上部チップとの間の回路を再配線することができる。
【０００３】
量子コンピューティングは、重ね合わせや量子もつれなどの量子力学的現象を操作する計算システムを使用して、情報処理を実行する。フォン・ノイマン・アーキテクチャを利用する古典的なコンピュータは、１または０として表されるバイナリデータを処理する。量子コンピューティングでは、量子ビット（または「キュービット」）は、０、１の状態、または状態の重ね合わせを保持することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子ビット（キュービット）フリップ・チップ・アセンブリを形成するための方法およびフリップ・チップ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の実施形態は、量子ビット（キュービット）・フリップ・チップ・アセンブリを形成するための方法を対象とすることができる。キュービットは、第１のチップ上に形成されてもよく、光透過性経路は、第２のチップ上に形成されてもよい。第１のチップと第２のチップが接合されてもよい。光透過性経路は、キュービットの上方に配置されてもよい。
【０００６】
本開示の実施形態は、第１および第２のチップを備えたフリップ・チップ装置を対象とすることができる。第１のチップは、キュービットを含んでもよく、第２のチップは、はんだバンプで第１のチップに接合されてもよい。第２のチップは、第１のチップ上のキュービットへの光学的アクセスを可能にするための光透過性経路を有することができる。
【０００７】
上記の概要は、例示された各実施形態または本開示のすべての実施態様を説明することを意図したものではない。
【０００８】
本開示の実施形態は、量子ビット（キュービット）フリップ・チップ・アセンブリを形成するための方法を対象とすることができる。本方法は、第１のチップ上にキュービットを形成することを含むことができる。次いで、第２のチップ上に光透過性経路を形成することができる。第１のチップと第２のチップを接合して、キュービットの上方に光透過性経路を配置することができる。
【０００９】
本開示の実施形態は、量子ビット（キュービット）を有する第１のチップと、第２のチップと、を備えるフリップ・チップ装置を対象とすることができる。第２のチップは、はんだバンプで第１のチップに接合されてもよい。第２のチップの光透過性経路は、第１のチップ上のキュービットへの光学的アクセスを提供することができる。
【００１０】
本出願に含まれる図面は、本明細書に組み込まれ、その一部を形成する。それらの図面は、本開示の実施形態を例示し、説明と共に、本開示の原理を説明するのに役立つ。図面は、特定の実施形態の単なる例示であり、本開示を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による、ジョセフソン接合と、並列に接続されたコンデンサと、を含むキュービットを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による、ジョセフソン接合の製造のための基板の上面図である。
【図３】本発明の実施形態による、レーザ・アニールを受ける例示的なキュービットの上面図である。
【図４】本発明の実施形態によるチップ・アセンブリの上面図の例示的な図である。
【図５】本発明の実施形態による、貫通孔の形成後のフリップ・チップ・アセンブリの上面図の例示的な図である。
【図６】本発明の実施形態による、キュービット処理を可能にするように修正されたフリップ・チップ・アセンブリの断面図である。
【図７】本発明の実施形態による、レーザ・アニールを受けるキュービットを備えるフリップ・チップ・アセンブリの断面図である。
【図８】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図９】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１０】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１１】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１２】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１３】本発明の実施形態による、フリップ・チップ・アセンブリの第１のチップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１４】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１５】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１６】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１７】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１８】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図１９】本発明の実施形態による、深掘り反応性イオン・エッチング技法を使用して、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップに貫通孔をエッチングする方法の図である。
【図２０】本発明の実施形態による、キュービット・フリップ・チップ・アセンブリを形成するための例示的な方法１１００の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、様々な修正形態および代替形態に適用できるが、その詳細が例として図面に示されており、詳細に説明される。しかしながら、その意図は、本発明を、記載された特定の実施形態に限定することではないことを理解されたい。それどころか、その意図は、本発明の範囲内に入るすべての修正形態、等価形態、および代替形態を網羅することである。
【００１３】
ここで、例示的な実施形態が示されている添付図面を参照して、例示的な実施形態について本明細書でより完全に説明する。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載されている例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本開示が完璧かつ完全なものとなり、本開示の範囲を当業者に伝えるように提供されている。説明において、よく知られている特徴および技法の詳細は、提示された実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために、省略されることがある。
【００１４】
以降の説明の目的のために、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」およびそれらの派生語などの用語は、図面内で方向付けされているような、開示された構造および方法に関連するものとする。「上方の」、「上にある」、「上部に」、「上部の」、「上に配置された」または「上部に配置された」などの用語は、第１の構造などの第１の要素が第２の構造などの第２の要素上に存在し、第１の要素と第２の要素との間に界面構造などの介在する要素が存在してもよいことを意味する。「直接接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素と第２の構造などの第２の要素が、２つの要素の界面に中間の導電層、絶縁層、または半導体層なしで接続されていることを意味する。実質的または実質的に類似するという用語は、長さ、高さ、または向きの違いが、明確な記述（例えば、実質的に類似する用語がない熟語）と実質的に類似する変形形態との間に実際的な違いをもたらさない事例を指す。一実施形態では、実質的な（およびその派生語）は、同様のデバイスについて一般的に受け入れられている工学的または製造公差による差、例えば、最大１０％の値の偏差または最大１０°の角度の偏差を意味する。
【００１５】
本発明の実施形態の提示を曖昧にしないために、以下の詳細な説明では、当技術分野で知られているいくつかの処理ステップまたは動作は、提示および例示目的のために一緒に組み合わされている場合があり、場合によっては、詳細に説明されていない。他の例では、当技術分野で知られているいくつかの処理ステップまたは動作は、まったく説明されない場合がある。以下の説明は、むしろ、本発明の様々な実施形態の特有の特徴または要素に焦点を合わせていることを理解されたい。
【００１６】
実施形態によると、量子コンピューティングでは、従来の集積回路ではなく、キュービット回路が使用されることがある。キュービット回路では、製造または動作後に特定のキュービットの周波数を変更することが有用な場合がある。実施形態では、本明細書で説明するように、集束アニーリングを使用して、例えば、レーザ・ビームまたは集束イオン・ビームを使用することによって周波数調整を達成することができる。様々な理由により、キュービットを含むチップが製造された後に、集束アニーリング（すなわち、キュービットの周波数の調整）が実行されることがある。製造された構造は、互いの上に積み重ねられた２つ以上のチップを含むことができるフリップ・チップである場合があり、例えば、はんだバンプによって電気的に接続されることがある。フリップ・チップは、上部チップおよび下部チップを含むことができる。下部チップは、１つまたは複数のキュービットを含み、キュービット・チップと呼ばれることがあり、上部チップは、入出力回路を含み、Ｉ／Ｏチップと呼ばれることがある。
【００１７】
上部のＩ／Ｏチップおよび下部のキュービット・チップで構成されたフリップ・チップでは、集束レーザ・アニーリングのためのキュービットへのアクセスができない状態になる可能性がある。したがって、上部チップ内のウィンドウまたは他の光透過性経路が、集束アニーリングを使用した周波数調整のためのキュービットへのアクセスを容易にすることができる。光透過性経路は、任意のスペクトル（例えば、赤外、可視、紫外）の光を透過させることできる開孔または経路である。本発明の実施形態によると、上部チップは、下部チップ内のキュービットへの光学的アクセスを提供するために、本明細書で説明されるいくつかの仕方で設計することができる。
【００１８】
キュービット・フリップ・チップ・アセンブリは、Ｉ／Ｏチップを含むチップを、１つまたは複数のキュービットを含むキュービット・チップに取り付けることによって製造することができる。Ｉ／Ｏチップおよびキュービット・チップは、複数のはんだバンプを使用して互いに取り付けられてもよい。本明細書で論じるように、光透過性経路は、Ｉ／Ｏチップ内に作成することができる。この経路は、本明細書で説明する様々な技法を使用して作成することができる。本経路は、対応するキュービットと位置合わせされるように作成することができ、それによって、対応するキュービットへの光学的アクセスを提供する。本経路は、キュービットの処理（例えば、周波数調整のためのレーザ・アニーリング、スパッタリング、イオン・エッチング、または他の処理）のために、キュービットへの十分なアクセスを可能にするのに十分な大きさの直径を備える開孔を有することができる。実施形態では、キュービット・チップの光学的透明基板は、チップ・アセンブリの裏側からのキュービットの処理を可能にすることがある。実施形態では、透明基板は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。
【００１９】
量子コンピューティング・システムの作成には、マルチ・キュービット・チップが用いられる。しかしながら、チップに追加される各追加のキュービットは、キュービットが共振周波数に基づいて他の近接キュービットと量子相互作用する可能性があるため、チップの設計複雑さを増大させる。このような挙動は、「周波数衝突」として知られている障害モードを構成する。周波数衝突は、量子力学系のモデリングによって予測することができる。周波数衝突の非限定的な例は、２つの近接するキュービットの共振周波数が似ている場合（例えば、１つのキュービットの周波数が別のキュービットの周波数と等しい場合）に起きる。高性能を実現するためには、各キュービットの周波数を非常に正確に設定することができることが望ましい。伝統的に、キュービットの周波数をシフトするために調節可能な磁場が使用されてきたが、必要な調整回路は、ノイズを導入し、マルチ・キュービット・システム内で余分な複雑さを追加する傾向がある。
【００２０】
本発明の例示的な実施形態では、キュービットは、以下の特性を含む。すなわち、測定中に、キュービットは、２つの異なる状態（｜Ａ＞または｜Ｂ＞）の一方に投影される。読み出しは、２つの状態｜Ａ＞および｜Ｂ＞が安定している間に行われ、その後、キュービットは、デコヒーレンスになる。読み出し共振器は、投影されたキュービットの状態に基づいて共振周波数を達成する。
【００２１】
キュービットの投影状態は、読み出し共振器の周波数に基づいて推測することができ、この周波数は、読み出し共振器の反射係数または透過係数に基づいて決定することができる。これは、様々な技法により実現することができる。例示的な一技法では、例示的な一実施形態に従って、マイクロ波信号が回路の入力に印加され、測定後の準安定状態のうちの１つの共振周波数にほぼ等しい周波数に調整される。キュービットが測定状態に投影されると、キュービットの伝送線への結合に応じて、印加されたマイクロ波信号が出力に伝達されるか、読み出し共振器によって反射される。したがって、キュービットの状態に応じて、マイクロ波信号は、固有の振幅および位相を取得する。この信号からのキュービットの状態の判定は、例えば、ＩＱミキサ、しきい値検出器などを使用して、様々な仕方で行うことができる。周波数または状態を測定するための他の様々な方法も同様に使用することができる。
【００２２】
場合によっては、ＳＱＵＩＤアンプまたはＨＥＭＴアンプなどの追加のアンプ、ならびにＩＱミキサなどの室温マイクロ波エレクトロニクスが必要になる場合がある。
【００２３】
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態によるキュービット３００が示されている。一部の実施形態では、キュービット３００は、図１に示すように、互いに並列に接続されたジョセフソン接合３０２とコンデンサ３０４を含む。並列のジョセフソン接合３０２およびコンデンサ３０４の構成は、結合コンデンサ３１０によって構造３０６に容量結合されるだけでなく、結合コンデンサ３２０によって接地にも容量結合されている。ジョセフソン接合３０２およびコンデンサ３０４に容量結合された単一の構造のみが示されているが、図示する並列のジョセフソン接合３０２およびコンデンサ３０４の構成に複数の構造が取り付けられてもよい。例えば、読み出し構造および他のキュービット構造への相互接続がそれぞれ、並列のジョセフソン接合３０２およびコンデンサ３０４の構成に容量的に接続されていてもよい。加えて、キュービット３００は、結合コンデンサ３１０および結合コンデンサ３２０を使用するものとして示されているが、キュービットを電気的に接続する他の方法が使用されてもよい。例示的な一実施形態によると、コンデンサ３０４は、０．１フェムトファラド（ｆＦ）〜２００フェムトファラド（ｆＦ）の範囲にある。例示的な一実施形態によると、ジョセフソン接合３０２は、約１０〜１００ナノアンペアの範囲の有効臨界電流を有する。臨界電流は、Ａｍｂｅｇａｏｋａｒ−Ｂａｒａｔｏｆｆの関係によって予測されるような超伝導状態を達成する前の、ジョセフソン接合の全体的な抵抗に関連する。より具体的には、この関係は、超伝導状態を達成する前のジョセフソン接合の抵抗が、超伝導になった後の臨界電流に反比例することを予測する。さらに、この臨界電流は、ジョセフソン接合のインダクタンスにも反比例する。
【００２４】
結果として、キュービットの共振周波数は、およそ数百ＭＨｚ〜最大約２０ＧＨｚの範囲にある。キュービットの結合コンデンサ３１０は、高忠実度読み出しするために設計することができる。この例示的な実施形態で説明されるキュービットは、単一接合トランズモン・キュービットとしても知られている。このようなキュービットは、磁場を使用した調整の影響を受けにくく、したがって、その共振周波数は、製造時に形成されるコンデンサおよび接合のパラメータによって確定される。他の実施形態は、別のタイプのキュービット（例えば、位相キュービット、電荷キュービット）を利用することができる。他の実施形態では、直列または並列回路要素として構成された２つ以上のジョセフソン接合が、図１に示す単一のジョセフソン接合３０２の代わりになる場合がある。
【００２５】
ここで図２を参照すると、本発明の実施形態による、基板４００上に製造した後の図１に示す容量結合キュービットの実施形態の例示的なレイアウトが示されている。ジョセフソン接合４０２の製造は、例えば、（１）３層（超伝導体−絶縁体−超伝導体）材料スタックのサブトラクティブ・パターニング、または（２）Ｄｏｌａｎブリッジ技法によって進めることができる。本明細書では、例示的な例として、Ｄｏｌａｎブリッジ技法を説明する。そのような技法では、ジョセフソン接合４０２は、コンデンサ４１０を介して線４０６に容量結合することができる容量性プレート４０４と、コンデンサ４２０を介して接地線４０８に容量結合することができる容量性プレート４０４との間にパターニングされ、すべて基板４００上に配置されている。単一の線４０６のみが示されているが、複数の線が容量性プレート４０４に通信可能に結合されてもよく、したがって、キュービット４００を複数の構造に容量的に接続することができる。
【００２６】
図２に示す例示的な実施形態では、キュービット回路が形成される基板４００は、高抵抗（真性の）８インチ・シリコン・ウエハとすることができる。共重合体メチル・メタクリレート（ＭＭＡ）層とそれに続くより薄いポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）層などの、２層のレジストがウエハ上にスピン・オンされる。電子ビーム・リソグラフィを使用して、ジョセフソン接合４０２のパターンがレジストに書き込まれる。このステップに続いて、ＭＩＢＫ：ＩＰＡ（メチル・イソブチル・ケトン（ＭＩＢＫ）イソプロピル・アルコール（ＩＰＡ））（１：３）溶液で約１分間現像が行われ、電子ビームに曝露されたレジストの領域を除去する。ＭＭＡ層は、電子ビームに対してより感度が高く、これにより、アンダーカットされたＰＭＭＡの領域が作成される。そのため、Ｄｏｌａｎブリッジとも呼ばれるＰＭＭＡからの懸架されたブリッジを、ＭＭＡが下にない状態で作成することができる。サンプルが電子ビーム蒸発器に配置され、ＡｌがＡｌ蒸発間に（Ａｒ／Ｏ２雰囲気で）酸化されて２つの角度で蒸発する。接合は、オーバーラップ領域に形成される。残っているレジストおよび不要な金属は、サンプルをアセトン中に配置することによって除去される。このリフト・オフ技法を使用すると、接合面積を０．０１μｍ２〜１μｍ２の範囲で作成することができる。この基本的な製造プロセスを、ＰＥＣＶＤ、光リソグラフィ、およびＲＩＥなどの他の追加の製造ステップと共に使用して、他のデバイスを作成することができる。例示的な実施形態では、ジョセフソン接合４０２は、Ａｌ／ＡｌＯｘ／Ａｌ構造を形成するため出発化合物としてアルミニウムを使用してシリコン（Ｓｉ）基板上に製造される。例示的な実施形態では、基板４００は、低温での誘電正接を低減させるように選択される。基板４００は、ジョセフソン接合４０２に使用される超伝導の誘電体材料に対して選択的にエッチングすることができる材料であるように選択することもできる。例えば、高抵抗率のＳｉウエハが実施されてもよい。
【００２７】
図２に示す例示的な実施形態では、容量性プレート４０４は、例えば、Ｎｂ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、ＮｂＴｉＮ、およびＰｂなどの超伝導材料を含むことができる。例示的な実施形態では、容量性プレート４０４は、約１〜１００マイクロメートル離れていてもよい。例示的な実施形態では、容量性プレート４０４は、約５〜約５００マイクロメートルの幅、約１〜約２００マイクロメートルの長さ、および基板４００の表面から約１０〜約５００ナノメートルの高さを有することができる。
【００２８】
製造プロセスの結果として、形成された各キュービット構造（例えば、容量性プレートならびにジョセフソン接合のサイズおよび形状）は、互いに実質的に同様の寸法を有することができる。しかしながら、ジョセフソン接合４０２の形成中の製造条件は、ナノメートル・レベルで制御されないプロセス・パラメータに起因して、結果として得られるジョセフソン接合４０２の抵抗の変動をもたらすことがある。単一接合のトランズモン・キュービットで利用されるジョセフソン接合の場合、この抵抗の変動は、＋／−２％になる場合がある。接合抵抗の変動により、対応する変動がキュービット周波数に導入される。例えば、単一接合のトランズモン・キュービットでは、接合抵抗の＋／−２％の変動により、キュービットの周波数に−／＋１％の変動が生じる。別のキュービットとの周波数衝突の確率を低減させるために、図３に従って、アニーリングを実行して、ジョセフソン接合４０２の抵抗を本来の所望の抵抗にそろえるように調節することができる。
【００２９】
図３を参照すると、キュービットの周波数を調節するために、キュービット５００をアニールして、ジョセフソン接合４０２の抵抗を調節することができる。ジョセフソン接合４０２のアニーリングは、抵抗の変化をもたらすジョセフソン接合４０２内での物理的変化を発生させることを可能にするジョセフソン接合４０２の加熱を含むことができる。ジョセフソン接合４０２のアニーリングでは、しきい値ドーズ未満でのアニーリングは、ジョセフソン接合４０２の抵抗の増加をもたらすことがあるが、そのしきい値を超えたアニーリングは、ジョセフソン接合４０２の抵抗の減少をもたらすことがある。一実施形態では、ジョセフソン接合４０２のアニーリングは、ジョセフソン接合４０２への局所的な加熱を可能にすることができる熱源５２０を介したレーザ・アニーリングによって行うことができる。例示的な実施形態では、レーザ・アニーリングは、５３２ｎｍの波長を有するレーザを放出する二重Ｎｄ：ＹＡＧ源を使用して実行することができる。しかしながら、他の様々な波長の光を使用またはテストして、キュービットの周波数をシフトする最適な経路を決定することができる。例示的な実施形態では、しきい値ドーズは、１０秒間で約１．４Ｗであってもよい。したがって、例示的な実施形態では、１．４Ｗ未満のドーズで１０秒間ジョセフソン接合４０２をアニールすると抵抗が増加するが、１．４Ｗを超えるドーズで１０秒間アニールすると抵抗が減少する。本実施形態の方法に基づいて、パワー、光周波数、およびアニールの持続時間は、所与の条件のセットに対して適切な周波数シフトを決定するためにテストし、またそれを達成するために調節することができる。
【００３０】
図４は、実施形態による、チップ・アセンブリの上面図の例示的な図を示す。上部チップ５０２は、位置合わせマーク５０４を有することができる。図５は、貫通孔５０６の形成後のフリップ・チップ・アセンブリ５００の上面図の例示的な図を示す。実施形態では、図４および図５のそれぞれのフリップ・チップ・アセンブリ５００は、例えば、高出力レーザ・ビームを使用して光透過性経路（例えば、貫通孔）が穿孔される前後の同じチップ・アセンブリの上面図であってもよい。同様に、図４および図５のチップ５０２は、上部チップ（すなわち、上面図から見えるチップのみ）を表してもよく、貫通孔が穿孔される前と後それぞれのチップ・アセンブリのＩ／Ｏチップであってもよい。
【００３１】
実施形態では、上部チップ５０２は、シリコンで作られていてもよい。本明細書で説明するように、上部チップまたはＩ／Ｏチップは、例えば、サファイアなどの透明材料で作ることもでき、したがって、チップ５０２に存在する貫通孔５０６の必要性を排除する。材料は、十分な光が材料を通過して所望の処理（例えば、レーザ・アニール）を実行することができる場合、透明である。実施形態では、シリコン・チップ５０２上に位置合わせマーク５０４を作成することができる。本マークは、レーザ穿孔のための正しい位置および場所を示すツールとしての役目を果たすことができる。図４の位置合わせマーク５０４は、貫通孔５０６の形成後、図５の５０４と同じ位置合わせマークであってもよい。実施形態では、貫通孔５０６の形成は、チップから材料の一部を除去することを含み、結果としてチップを貫通する孔が得られる。例示的な実施形態では、貫通孔の形成は、レーザ穿孔、機械的穿孔、または化学エッチング（図８〜図１３および図１４〜図１９で説明する）を使用して実行することができる。図５に示すように、位置合わせマーク５０４の一部は、貫通孔５０６の作成後に残ってもよい。実施形態において、貫通孔は、最大１００ミクロンの直径を有してもよい。実施形態では、貫通孔は、フリップ・チップ・アセンブリ５００のキュービット・チップ上の１つまたは複数のキュービットへのさらなるアクセスまたは処理を可能にするのに十分な大きさの直径であってもよい。
【００３２】
図６は、実施形態による、キュービット処理を可能にするように修正されたフリップ・チップ・アセンブリ５００の断面図を示す。実施形態において、フリップ・チップの製造は、図４および図５に示す貫通孔の形成の前または後に実行されてもよい。フリップ・チップ・アセンブリ５００は、図４および図５のフリップ・チップ・アセンブリ５００の断面図である。本明細書で説明するように、フリップ・チップ・アセンブリ５００は、上部すなわちＩ／Ｏチップ５０２および下部すなわちキュービット・チップ５０３を含む。Ｉ／Ｏチップ５０２およびキュービット・チップ５０３は、はんだバンプ５１０Ａおよびはんだバンプ５１０Ｂを含む複数のはんだバンプ（ひとまとめにして、はんだバンプ５１０）によって接続されている。実施形態では、知られている方法に従って、複数のはんだバンプを使用して２つのチップを接続し、３Ｄチップ・アセンブリ５００を形成することができる。３Ｄアセンブリは、１つまたは複数の構成要素（例えば、上部すなわちＩ／Ｏチップ５０２および下部すなわちキュービット・チップ５０３）を物理的に積み重ね、温度および圧力を印加して、はんだバンプ５１０をリフローさせ、２つの構成要素間の電気機械接続を形成することを含むことができる。実施形態において、フリップ・チップ・ボンダなどの熱圧縮ツールを使用して、温度および圧力を印加し、それによってはんだバンプ接続を形成することができる。
【００３３】
実施形態では、リフローが必要になる場合がある。一般的な鉛フリーはんだバンプのリフロー温度は、約２３０°Ｃ〜約２６０°Ｃの範囲にあり、熱圧縮ツールで使用される温度は、約２３０°Ｃ〜約４００°Ｃの範囲にある。熱圧縮ツールの印加温度は、相互接続材料およびチップサイズに依存することがある。約６．０×１０４Ｐａ〜約６．０×１０５Ｐａの範囲にある圧力を、熱圧縮ツールを使用して３Ｄアセンブリ中に印加することができるが、この圧力は、接触面積および相互接続される材料に基づいて調節されてもよい。一実施形態では、約５Ｎ〜約５０Ｎの範囲にある力が印加されてもよい。力も、接触面積および相互接続される材料に基づいて調節されてもよい。場合によっては、構成要素間に１，０００〜１７０，０００個のはんだバンプ接続が存在することがある。
【００３４】
一部の実施形態では、はんだバンプ５１０は、例えばインジウムなどの１つまたは複数の超伝導材料を含んでもよい。実施形態では、キュービット・チップは、１つまたは複数のジョセフソン接合５０８を含むことができる。
【００３５】
図７に示すように、（光透過性経路である）貫通孔５０６は、ジョセフソン接合５０８と位置合わせされて、ジョセフソン接合５０８へのアクセスを提供し、例えば、レーザまたは他のキュービット処理技法による処理を可能にする。図６〜図７のフリップ・チップ・アセンブリ５００のジョセフソン接合５０８は、ジョセフソン接合５０８をアニールするために、例えば、レーザ・ビーム５１２による処理を受けることがある。実施形態では、貫通孔５０６は、上述したようにレーザ・ビーム処理を可能にするように設計されてもよいが、レーザ・ビーム５１２による処理のためのアクセスをもっぱら提供することに必ずしも限定されない。例えば、貫通孔５０６は、物理的処理（例えば、集束イオン・ビーム処理、スパッタリング）または他の処理のためにジョセフソン接合５０８へのアクセスを提供するように構成されてもよい。したがって、経路は、「光学的透過性」として説明されるが、経路は、光学的に透過性であるだけでなく、物理的、電気的、またはその他の方法で透過性であってもよく、したがって、ジョセフソン接合５０８の様々な処理を提供することができることに留意されたい。
【００３６】
実施形態では、ジョセフソン接合５０８は、超伝導キュービットの一部であってもよい。そのような各キュービットは、少なくとも１つのジョセフソン接合（例えば、ジョセフソン接合５０８）またはそれよりも多いコンデンサあるいはその両方を含むことができる。実施形態では、貫通孔５０６（または他の光透過性経路）は、ジョセフソン接合（上述したように）、キュービットのコンデンサ、またはキュービットの別の構成要素へのアクセスを提供するように位置合わせされてもよい。
【００３７】
実施形態では、図７に示すように、レーザ・ビーム５１２を使用して、貫通孔５０６を通してジョセフソン接合５０８を処理することができる。図示するように、貫通孔５０６は、例えば、レーザ・ビーム５１２によるジョセフソン接合５０８へのアクセスを可能にするのに十分に幅が広い。加えてまたは代替として、エッチング、堆積、または研磨ステップなどの化学的または機械的処理のために、貫通孔５０６を使用してジョセフソン接合５０８にアクセスすることができる。本明細書で論じるように、レーザ・ビーム５１２を使用して、キュービット内のジョセフソン接合をアニールすることができる。
【００３８】
図８〜図１３は、本明細書に記載の方法による、フリップ・チップ・アセンブリのＩ／Ｏチップ９００（例えば、上部チップ、第１のチップ）内の光透過性経路の形成を示す。図８〜図１３の図式的な流れは、光透過性経路（例えば、貫通孔）の製造の異なる段階でのＩ／Ｏチップ９００を示す。図８〜図１３のエッチングは、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチングを使用して達成することができる。図８は、Ｉ／Ｏチップ９００を示す。Ｉ／Ｏチップ９００は、シリコンで構成されていてもよい。他の実施形態では、Ｉ／Ｏチップ９００は、典型的なチップに存在する可能性があるものを含む、他の要素も含むことができる。実施形態では、Ｉ／Ｏチップ９００は、フリップ・チップ・アセンブリの一部であってもよい。実施形態では、Ｉ／Ｏチップ９００は、図４〜図７に示すＩ／Ｏ（例えば、上部）チップ５０２であってもよい。Ｉ／Ｏチップ９００は、例えば、ＴＭＡＨエッチングを使用して、化学エッチング・プロセスにおける一連のステップを受けることができる。
【００３９】
図８では、チップ基板９０１は、知られている方法に従って形成することができる上面および下面にそれぞれ配置された２つの酸化物層である、第１の酸化物層９０２Ａおよび第２の酸化物層９０２Ｂ（ひとまとめにして酸化物層９０２）を有することができる。酸化物層９０２（すなわち、図８〜図１２における酸化物層９０２）は、ハードマスク、エッチ・ストップ、およびリソグラフィ・イネーブラとして機能することができる。図９では、第１の酸化物層９０２Ａをエッチングすることができる。フォトリソグラフィを使用して、追加のレジスト層（例えば、フォトレジスト９０４）の間隙によって示されるように、エッチング孔を画定することができ、このレジスト層もエッチング中に除去することができる。（図１０〜図１３に示す）各貫通孔９０６は、その最も狭い点で直径が最大１００ミクロンであってもよい。
【００４０】
図１０では、貫通孔９０６をチップ基板９０１に作成することができる。（図１０〜図１３に示す）貫通孔９０６を、図示するように、チップ基板９０１に作成することができる。実施形態では、図９のＩ／Ｏチップ９００に示されるフォトレジスト９０４は、ＴＭＡＨエッチングを使用するシリコン貫通エッチングに続く、前のステップ中に除去されてもよい。実施形態では、ＴＭＡＨエッチングは、材料を円錐状に除去し、結果として円錐台形の貫通孔が得られ、キュービットへの所望のレーザ出力の送達などの、下にあるキュービットの処理を可能にすることができる。図１１に示すように、上面の第１の酸化物層９０２Ａは、追加の酸化物プラズマまたは化学エッチングによって除去することができる。図１１では、Ｉ／Ｏチップ９００が反転している。貫通孔９０６のそれぞれに隣接する第２の酸化物層９０２Ｂの部分は、フォトリソグラフィを使用してパターニングされ、酸化物エッチングでエッチングされてもよい。レジスト保護を伴う酸化物エッチングは、ドライ・エッチングまたはフッ化水素酸（ＨＦ）気相エッチングであってもよい。実施形態では、ＨＦ気相エッチングは、ウエハの両側を一度にエッチングすることができる。実施形態では、ＨＦ気相エッチングの使用は、（例えば、さらなるフォトリソグラフィ処理を可能にするための）ウエハのエッチング孔の上の第２の酸化物層９０２Ｂの保存を可能にすることがある。実施形態では、より大きな孔に対しては、引張化学量論的窒化ケイ素層を使用することができる。
【００４１】
図１２では、マイクロ波共振器回路のために、チップ９００の上面に超伝導パターン９０８を形成することができる。次いで、フォトリソグラフィを使用して、マイクロ波共振器を画定し、これに続いて金属のリフト・オフ／ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）エッチングを行うことができる。超伝導パターン９０８は、スパッタリング、蒸着、または原子層堆積などの従来の手段によって堆積させたアルミニウム、ニオブ、または他の任意の超伝導材料を含むことができる。図１２に示すステップは、残っている第２の酸化物層９０２Ｂの上に堆積した金属（例えば、超伝導パターン９０８）の除去ももたらすことができる。
【００４２】
図１３では、酸化物特有のエッチング化学反応、例えば、ＨＦ気相エッチングを使用した酸化物のドライ・エッチングを実行することができる。エッチングが酸化物特有である実施形態では、パターン保護は不要である場合がある。他の実施形態では、酸化物の周りに、（例えば、超伝導パターン９０８を覆うために）パターン・レジストを使用することがある。このようにして、酸化物は、エッチングにさらされることができるが、フォトレジストが超伝導パターン９０８を保護することができる。この時点で、マイクロ波共振器回路の超伝導パターン９０８は、図１３のチップ基板９０１上に残っていてもよい。チップ９００は、本明細書で説明するように、別のチップ、例えば、キュービット・チップにバンプ接合されてもよい。
【００４３】
図１４〜図１９は、本明細書に記載の方法（例えば、ボッシュ・エッチング）による、フリップ・チップ・アセンブリの上部チップ１０００（例えば、Ｉ／Ｏチップ）内の光透過性経路の形成を示す。図１４〜図１９の図式的な流れは、光透過性経路（例えば、貫通孔）の製造の異なる段階での上部チップ１０００を示す。図１４は、上部チップ１０００を示す。上部チップ１０００は、シリコンで構成されていてもよい。他の実施形態では、上部チップ１０００は、典型的なチップに存在する可能性があるものを含む他の要素も含むことができる。実施形態では、上部チップ１０００は、フリップ・チップ・アセンブリ、例えば、Ｉ／Ｏチップの一部であってもよい。図１４〜図１９に示す上部チップ１０００は、例えば、ボッシュ・エッチングを使用する化学エッチング・プロセスにおいて一連のステップを受けることができる。
【００４４】
基板１００１は、基板１００１の上面および下面の両方に配置された、知られている方法に従って形成された第１の酸化物層１００２Ａおよび第２の酸化物層１００２Ｂ（ひとまとめにして酸化物層１００２）を有することができる。酸化物層１００２は、ハードマスク、エッチ・ストップ、またはリソグラフィ・イネーブラあるいはその組合せとして機能することができる。第１の酸化物層１００２Ａの一部をエッチングして、図１４に示すような上部チップ１０００を図１５に示すような上部チップ１０００に移行させることができる。フォトリソグラフィを使用して、エッチング孔１００３を画定することができ、エッチング孔１００３は、追加のレジスト層（例えば、フォトレジスト１００４）によってさらに画定されてもよく、このレジスト層もエッチングの前に堆積させ、エッチング中に除去することができる。各エッチング孔１００３は、直径が最大１００ミクロンであってもよい。
【００４５】
図１６では、実施形態に従って、基板１００１にシリコン・エッチングを行うことができる。貫通孔１００６（例えば、図１６〜図１９に描かれた貫通孔１００６）を、図示するように、基板１００１に作成することができる。実施形態では、図１５に示すフォトレジスト１００４は、貫通孔１００６形成の前または後に除去されてもよい。しかしながら、フォトレジスト１００４を除去する前にボッシュ・エッチングを実行すると、フォトレジスト１００４の除去がより困難になる可能性がある。実施形態では、ボッシュ・エッチングは、円筒形の材料を除去しており、ＴＭＡＨエッチングに比べてアスペクト比が高い（ＴＭＡＨよりもテーパが小さい）ため、アニーリング処理において、例えば、ウエハの厚さおよびレンズの焦点距離などに応じてサンプルに所望のレーザ出力を送達するために、別のエッチング、例えばＴＭＡＨエッチングよりも高い出力を必要とする場合がある。第１の酸化物層１００２Ａは、追加の酸化物プラズマまたは化学エッチングによって除去することができる。図１７では、上部チップ１０００を反転させることができ、実施形態に従って、フォトリソグラフィを使用して第２の酸化物層１００２Ｂを各エッチング孔の周りでパターニングし、それに続いて、エッチング孔を取り囲む第２の酸化物層１００２Ｂの酸化物エッチングを行うことができる。レジスト保護を伴う酸化物エッチングは、ドライ・エッチングまたはフッ化水素酸（ＨＦ）気相エッチングであってもよい。実施形態では、ＨＦ気相エッチングは、ウエハの両側を一度にエッチングすることができる。実施形態では、このＨＦ気相エッチングの使用は、（例えば、さらなるフォトリソグラフィ処理を可能にするための）ウエハのエッチング孔の上の第２の酸化物層１００２Ｂの保存を可能にすることがある。実施形態では、より大きな孔に対しては、引張化学量論的窒化ケイ素層を使用することができる。
【００４６】
図１８では、実施形態に従って、マイクロ波共振器回路のために、チップ１０００の表面に超伝導パターン１００８を形成することができる。次いで、フォトリソグラフィを使用して、マイクロ波共振器を画定し、これに続いて金属のリフト・オフ／ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）エッチングを行うことができる。超伝導パターン１００８は、スパッタリング、蒸着、または原子層堆積などの従来の手段によって堆積させたアルミニウム、ニオブ、または他の任意の超伝導材料を含むことができる。超伝導パターン１００８の形成に加えて、図１８に示すステップは、残っている酸化物８０２の上の金属（例えば、超伝導パターン１００８）の除去ももたらすことができる。
【００４７】
図１９では、実施形態に従って、酸化物特有のエッチング化学反応、例えば、ＨＦ気相エッチングを使用する酸化物のドライ・エッチングを上部チップ１０００に対して実行することができる。この時点で、マイクロ波共振器回路の超伝導パターン１００８は、基板１００１上に残っていてもよく、チップは、本明細書で説明されるように、例えば、キュービット・チップなどの別のチップに接合されてもよい。
【００４８】
図２０は、実施形態による、キュービット・フリップ・チップ・アセンブリを形成するための例示的な方法１１００の流れ図を示す。本明細書で説明するような方法１１００は、１つまたは複数の光透過性チャネルがＩ／Ｏチップ内に作成されるときに開始することができる。本明細書で説明されるように、光透過性チャネルは、チップのキュービット（例えば、キュービットの特定のジョセフソン接合）への光学的アクセス、物理的アクセス、または他のアクセスを提供する貫通孔もしくは他の光透過性経路であってもよい。光透過性チャネル（例えば、貫通孔）は、本明細書で説明されるように作成されてもよい。チャネルの作成に続いて、Ｉ／Ｏチップをキュービット・チップに取り付けることができる（１１０４）。実施形態では、各チップは、例えば、複数のはんだバンプを使用して、フリップ・チップを組み立てるために取り付けられてもよい。実施形態では、Ｉ／Ｏチップは、本明細書で説明されるように、Ｉ／Ｏ回路を含むことができ、キュービット・チップは、１つまたは複数のキュービットを含むことができる。実施形態では、動作１１０２および動作１１０４は、互いに対していずれの順序で行われてもよく、チャネルは、Ｉ／Ｏチップおよびキュービット・チップの取り付けの前または後に作成されてもよい。
【００４９】
上記のステップに従うことによって、キュービット・チップに固定されたＩ／Ｏチップを有する構造が形成される。Ｉ／Ｏチップは、キュービット・チップの１つまたは複数のキュービットの上方に配置された１つまたは複数の光学的に透明な経路を有する。光学的に透明な経路は、貫通穴であってもよく、または代替として透明な材料であってもよい。Ｉ／Ｏチップには、Ｉ／Ｏチップの上面または下面あるいはその両方に配置された超伝導回路を含むことができる。Ｉ／Ｏチップは、複数のはんだバンプを介して、または代替として２つのチップを化学的または機械的に固定する他の手段を介してキュービット・チップに接続することができる。
【００５０】
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定されることは意図されていない。記載された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの修正形態および変形形態が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実際の応用または技術的改良を最も良く説明するか、または当業者が本明細書で開示された実施形態を理解することができるように選択された。したがって、本発明は、説明および図示された正確な形態および詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図１】
2021504935.tif 000003
【図２】
2021504935.tif 000004
【図３】
2021504935.tif 000005
【図４】
2021504935.tif 000006
【図５】
2021504935.tif 000007
【図６】
2021504935.tif 000008
【図７】
2021504935.tif 000009
【図８】
2021504935.tif 000010
【図９】
2021504935.tif 000011
【図１０】
2021504935.tif 000012
【図１１】
2021504935.tif 000013
【図１２】
2021504935.tif 000014
【図１３】
2021504935.tif 000015
【図１４】
2021504935.tif 000016
【図１５】
2021504935.tif 000017
【図１６】
2021504935.tif 000018
【図１７】
2021504935.tif 000019
【図１８】
2021504935.tif 000020
【図１９】
2021504935.tif 000021
【図２０】
2021504935.tif 000022
【国際調査報告】
2021504935.tif 000023
2021504935.tif 000024