薄膜沉積

薄膜沉積是工程師把量子晶片賴以構建的各層長出來的那一步——既包括將來成為量子位元和導線的超導金屬，也包括夾在它們之間的絕緣層。一切從一片裸露、拋光好的晶圓開始，在真空腔體裡一次一層、薄至原子尺度地把材料加上去，堆出一層往往只有幾十到幾百奈米厚的鍍層。之後的所有工序——把電路圖案畫出來、再蝕刻成形——都只能在最先鋪下的這層薄膜上做文章，所以這一步看似不起眼的鍍膜，其實在很大程度上決定了成品量子位元能有怎樣的表現。

做法主要有幾種。濺射用高能離子把金屬靶材上的原子轟擊下來，讓它們像雨一樣落到晶圓上，鈮和氮化鈦常用這種方式。蒸鍍則是在高真空中把金屬輕輕加熱汽化，讓原子飄上去、凝結在晶片表面，鋁的經典做法就是如此。原子層沉積（ALD）每個循環只長一層化學單分子層來堆出絕緣體，厚度控制極為精細。真正要緊的旋鈕是真空的潔淨度、溫度、沉積速率，以及事先晶圓表面有多乾淨——因為它們每一個都在塑造金屬的晶粒結構，更關鍵的是，塑造新薄膜與下方原有材料相接處那個雜亂的界面。

誠實的難處在於：這些界面，連同薄膜自身的表面，正是量子位元損耗能量的地方。真空稍髒一點，或者鍍在帶有一層雜散氧化皮的表面上，沉積出來的薄膜就會埋下縮短相干時間的微觀缺陷，而這種損害早在電路圖案還沒畫出來之前就已經定型。各實驗室靠更潔淨的腔體、原位表面清洗和更受控的生長，確實擠出了實打實的進步，但要在整片晶圓上、一爐接一爐地都做出低損耗又均勻的薄膜，至今仍是一門尚未收尾的手藝，而非一套已經寫定的配方。