具有用于热化和量子位修改的穿硅通孔的永久晶片处置器的制作方法

具有用于热化和量子位修改的穿硅通孔的永久晶片处置器


背景技术：

1.本发明的当前要求保护的实施例涉及超导量子力学装置，并且更具体地，涉及具有永久基板处置器的量子力学装置及其制造方法。
2.量子计算基于量子位(在此通篇称为量子位)的可靠控制。实现量子算法所需的基本运算是建立两个单独量子位之间的相关性的一组单量子位运算和双量子位运算。为了达到量子计算的误差阈值和为了达到可靠的量子模拟，高保真双量子位运算的实现可能是期望的。
3.超导量子处理器(具有一个或多个超导量子位)包括在绝缘基板(例如，si或高电阻率si、al2o3等)上的超导金属(例如，al、nb等)。超导量子处理器通常是由耦合器以各种晶格对称性(例如，正方形、六边形等)链接的多个单独量子位的平面二维晶格结构，以及位于倒装芯片上的读出结构。耦合器可以由电容器、谐振器、线圈或提供量子位之间的耦合的任何微波部件制成。
4.对于给定量子位芯片区域中的相对大量的量子位，可能需要倒装芯片方法。当与具有相对较小尺寸的多芯片的连接相比时，具有相对较大尺寸(例如，大于20mm
×
20mm的尺寸)的量子位芯片提供了相干方面的益处。相对大量的量子位的实现将需要具有相对较大尺寸(例如，大于20mm乘20mm)的量子位芯片。然而，相对较大(例如，尺寸大于20mm乘20mm)将需要通孔来打破箱式模式。常规地，在量子位芯片基板中形成通孔需要使该基板(例如，硅基板)变薄。基板的变薄和通孔的存在可能使基板变得脆弱和易碎。在传统的封装方法中，为了减轻上述问题，在制造过程中使用平面支撑结构或平面基板处置器(例如，由玻璃、硅等制成)来加强基板。然而，这些传统的封装方法需要在最终结构中移除(即，脱粘)平的基板处置器。然而，在最终中去除基板处置器可能在最终结构中产生问题，包括损坏最终结构，例如在去除过程中损坏具有量子位的基板、量子位本身和/或中介板和/或其他部件。


技术实现要素：

5.本发明的一个方面是提供一种量子装置。该量子装置包括量子位芯片和中介板，该量子位芯片包括多个量子位，该中介板附接到并且电连接到量子位芯片。量子装置还包括附接到量子位芯片的一侧或中介板的一侧或两者的基板处置器，以便与量子位芯片或中介板或两者热接触。该基板处置器包括多个通孔。多个通孔的至少一部分填充有非超导材料，该非超导材料被选择为耗散在量子位芯片、中介板或两者中产生的热量。
6.在一个实施方案中，使用焊料凸块将该中介板附接至并且电连接至该量子位芯片。
7.在一个实施方案中，该量子装置进一步包括一种接合材料。使用该接合材料将该基板处置器附接到该量子位芯片的一侧或该中介板的一侧、或这两者。在一个实施例中，接合材料是粘合剂接合材料或金属或氧化物接合。在一个实施例中，接合材料可以是聚酰亚胺、苯并环丁烯(bcb)、丙烯酸、al-al接合、in-in接合、sn-sn接合、au-sn接合、au-in接合和sn-in接合、或其任何组合。
8.在一个实施例中，量子装置还包括多个导热柱，所述多个导热柱被配置和布置成将基板处置器热连接到量子位芯片的一侧或中介板的一侧或两者。
9.在一个实施方案中，该量子装置进一步包括一种超导材料。量子位芯片和中介板包括多个通孔，这些通孔的至少一部分填充有超导材料。在一个实施方案中，该量子位芯片的与具有该多个量子位的一侧相对的一个背侧具有该超导材料层，并且该中介板的与附接到并且电连接到该量子位芯片上的该中介板的一侧相对的一个背侧具有该超导材料层。
10.在一个实施例中，所述基板处置器具有多个通孔，所述多个通孔的一部分填充有超导材料，并且所述多个通孔中的至少一个基本上是空的，以用作至少一个窗口通孔。在一个实施方案中，所述至少一个窗口通孔位于所述多个量子位中的一个量子位的位置的背面上，以便使得激光束能够透射穿过所述至少一个窗口通孔，从而可控制地去除连接到所述量子位的金属层并且改变所述量子位的电容。在一个实施方案中，该中介板和该基板处置器包括至少一个窗口通孔，该窗口通孔横穿该中介板和该基板处置器两者以便使得激光束能够穿过其传输到该量子位的前侧以修改该量子位。
11.在一个实施例中，该中介板和该基板处置器包括至少一个窗口通孔，该窗口通孔横穿该中介板和该基板处置器两者以便使得等离子体能够穿过其传输到量子位芯片。
12.在一个实施例中，该中介板包括多个通孔，该多个通孔的第一部分填充有用于接地连接的超导材料，并且该多个通孔的第二部分填充有用于信号传输的超导材料。
13.在一个实施例中，量子装置还包括与基板处置器热且机械接触的第一散热器，该散热器被配置成进一步耗散由基板处置器耗散的热量。在一个实施方案中，该量子装置进一步包括一个有机基板，该有机基板使用多个焊料凸块附接至并且电连接至该中介板。在一个实施例中，第一散热器还附接到有机基板。
14.本发明的另一方面是提供一种制造量子装置的方法。该方法包括提供第一基板处置器；提供量子位芯片基板；形成多个通孔穿过所述第一基板处置器；用非超导导热材料填充所述多个通孔；在所述第一基板处置器的一侧上形成多个导热柱；在所述量子位芯片基板的第一面中形成多个通孔；用超导材料填充所述多个通孔；以及将量子位芯片基板的第一面接合到具有导热柱的第一基板处置器的一侧。
15.在一个实施方案中，该方法进一步包括研磨量子位芯片基板的第二面，该第二面与该第一面是相对的，直到到达量子位芯片基板的第一面中的多个通孔；使用超导材料在研磨后的第二面上形成电容器和总线；以及在该量子位芯片基板的研磨后的第二面上形成多个量子位并且将该多个量子位连接到这些电容器和总线线路上以获得量子位芯片支撑结构。
16.在一个实施例中，将量子位芯片基板的第一面接合到具有导热柱的基板处置器的一侧包括使用聚合物材料、金属接合或氧化物接合进行接合。
17.在一实施例中，该方法还包括提供第二基板处置器；提供中介基板；形成多个穿过所述第二基板处置器的通孔；用非超导导热材料填充所述多个通孔；在所述第二基板处置器的一侧上形成多个导热柱；在所述中介基板的第一面中形成多个通孔；用超导材料填充所述多个通孔；以及将中介基板的第一面接合到具有导热柱的第二基板处置器的一侧。
18.在实施例中，所述方法还包括研磨所述中介基板的第二面，所述第二面与所述第一面相对，直到到达所述中介基板的所述第一面中的所述多个通孔；使用超导材料形成读
出谐振器、电容耦合线和驱动线；以及在中介基板的研磨后的第二面上施加焊料凸块，以获得中介板支撑结构。
19.在一个实施方案中，该方法包括使具有量子位的量子位芯片支撑结构的一侧与具有焊料凸块的中介板支撑结构的一侧相接触。在一个实施方案中，在使具有该多个量子位的量子位芯片支撑结构的侧面与具有这些焊料凸块的该中介板支撑结构的侧面相接触之前，将具有该多个量子位的量子位支撑结构切成多个量子位芯片。在一个实施方案中，该方法进一步包括使具有这些量子位的该多个量子位芯片各自与具有这些焊料凸块的该中介板支撑结构的该侧面相接触。在一个实施例中，该方法还包括将中介板支撑结构接合到有机基板。
20.本方法和量子装置有许多好处，包括相对容易的实施以及消除不必要的常规步骤，例如在最终结构中去除基板处置器(即，使基板处置器脱粘)。事实上，相反地，本发明的基板处置器保持在最终结构中，且可在充当散热器的同时向所述结构提供额外刚性。
附图说明
21.在参考附图考虑以下描述和所附权利要求书之后，本公开以及操作方法和结构的相关元件的功能以及部件的组合和制造的经济性将变得更加明显，所有附图形成本说明书的一部分，其中，在各个附图中，相似的附图标记表示对应的部件。然而，应当清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的，而不是要作为对本发明的限制的定义。
22.图1是根据本发明的实施例的量子力学装置的示意性截面图；
23.图2是根据本发明的实施例的量子力学装置的示意性放大截面图；
24.图3是根据本发明的实施例的量子力学装置的示意性截面图；
25.图4是根据本发明的另一个实施例的量子力学装置的示意性截面图；
26.图5a是根据本发明的一个实施例的量子力学装置的示意性截面图；
27.图5b是根据本发明的一个实施例的量子力学装置的示意性顶视图；
28.图6是根据本发明的一个实施例的量子力学装置的示意性截面图；
29.图7是根据本发明的一个实施例的量子力学装置的示意性截面图；
30.图8a-图8h示出了根据本发明的实施例的制造上述图中所示的量子力学装置的方法的各个步骤；以及
31.图9a-图9g示出了根据本发明的实施例的制造上述图中所示的量子力学装置的方法的附加步骤。
具体实施方式
32.图1是根据本发明的一个实施例的量子力学装置100的示意性截面图。量子力学装置100包括量子位芯片102，该量子位芯片包括多个量子位104。在一个实施例中，多个量子位可以是，例如，超导量子位，如transmon量子位、xmon量子位、fluxonium量子位等。术语“量子位芯片”在此被广泛地用于表示包括两个或更多个量子位的一种基板。
33.量子力学装置100还包括附接到并且电连接到量子位芯片102的中介板106。在一个实施方案中，使用焊料凸块108将中介板106附接到并且电连接到量子位芯片102。
34.在一个实施例中，量子力学装置100还包括超导材料110。在一个实施例中，量子位
芯片102具有多个通孔102a，并且中介板具有多个通孔106a。在一个实施例中，至少一部分通孔102a和/或106a填充有超导材料110。在一个实施例中，中介板106具有多个通孔106a的第一部分和多个通孔106a的第二部分，所述第一部分填充有超导材料110以用于接地连接，所述第二部分填充有超导材料110以用于信号传输。在一个实施方案中，量子位芯片102的通孔102a对于圆形类型可以具有直径范围从3μm到100μm的尺寸，而对于环形类型具有3μm到100μm的环宽度。在一实施例中，中介板106的通孔106a的直径尺寸范围为3μm至100μm(对于圆形)，环宽度为3μm至100μm(对于环形)。
35.在一个实施方案中，与具有多个量子位104的量子位芯片102的前侧102c相对的量子位芯片102的背侧102b具有超导材料110的层110b。在一个实施例中，中介板106的与附接到并电连接到量子位芯片102的中介板106的前侧106c相对的后侧106b具有超导材料110的层110a。
36.量子力学装置100还包括附接到量子位芯片102的一侧或附接到中介板106的一侧或两者的基板处置器112a、112b。例如，在一个实施例中，基板处置器112a可以附接到量子位芯片102的背面102b并且与其热接触，并且基板处置器112b可以附接到中介板106的背面106b并且与其热接触。在一个实施例中，基板处置器112b可以由玻璃、硅等制成。
37.在一实施例中，基板处置器112a包括多个通孔114a，而基板处置器112b包括多个通孔114b。在一个实施例中，多个通孔114a和/或114b的至少一部分填充有非超导材料116。非超导材料116可以被选择为耗散在量子位芯片102、中介板106或两者中产生的热量。在一个实施例中，基板处置器112a、112b中的通孔114a、114b分别具有对于圆形类型直径为30μm到1mm的尺寸，对于环形类型为30μm到1mm的环宽度。在一个实施例中，基板处置器112a、112b的通孔114a、114b分别具有比量子位芯片102的通孔102a或中介板106的通孔106a更大的尺寸(例如，大约十倍大)。
38.在一个实施例中，量子力学装置100还包括接合材料118。使用接合材料118将基板处置器112a、112b附接到量子位芯片102的背面102b或中介板106的背面106b，或两者。例如，基板处置器112a使用接合材料118附接到量子位芯片102的背面102b，并且基板处置器112b使用接合材料118附接到中介板106的背面106b。在一个实施例中，接合材料118是粘合剂接合材料或金属或氧化物接合。在一个实施例中，接合材料118可以是聚酰亚胺、苯并环丁烯(bcb)、丙烯酸、al-al接合、in-in接合、sn-sn接合、au-sn接合、au-in接合和sn-in接合中的任何一种，或者其中的两种或更多种的任何组合。
39.在一个实施例中，量子力学装置100还包括多个导热柱120a、120b，其被配置和布置为将基板处置器112a、112b热连接到量子位芯片102的背面102b或中介板106的背面106b，或者热连接到这两者。例如，导热柱120a被配置和布置为将基板处置器112a热连接到量子位芯片102的背面102b，并且导热柱120b被配置和布置为将基板处置器112b热连接到中介板106的背面106b。在一个实施例中，导热柱120a、120b可以是任何导热材料，包括但不限于cu、au、电镀cu、电镀au、电镀re或其任何组合，和/或诸如sn、in等的焊料材料。
40.图2是根据本发明的实施例的量子力学装置100的示意性放大截面图。在图2中，相同的参考数字表示与图1中相同的组件，因此，相同组件的描述将不在下面的段落中重复，并且仅突出特定的特征。例如，在一个实施例中，除了(多个)基板处置器112a、112b、量子位芯片102、中介板106、接合材料118和柱102a、120b之外，量子力学装置100还包括散热器材
料202。例如，可以在量子位芯片102的背面102b和与导热柱120a接触的接合材料118之间提供散热器材料202。例如，散热器202也可以设置在中介板106的背面106b和与导热柱120b接触的接合材料118之间。这样，散热器202被配置成将热量从量子位芯片102、中介板106或两者传递到基板处置器112a或基板处置器112b或两者。
41.例如，来自量子位芯片102的热量可以由散热器202沿着量子位芯片102的背侧102b扩散出去，并且然后通过导热柱120a传输到基板处置器112a中的多个通孔114a，这些通孔填充有非超导散热材料116。类似地，来自中介板106的热量可以通过散热器202沿中介板106的背面106b扩散，然后通过导热柱120b传输到基板处置器112b中的多个通孔114b，所述通孔填充有非超导散热材料116。
42.图3是根据本发明的一个实施例的量子力学装置100的示意性截面图。类似地，相同的参考数字表示与上面关于图1和2所述的相同的部件。在一个实施例中，量子力学装置100还包括与基板处置器112a热和机械接触的散热器302a，基板处置器与量子位芯片102热接触。散热器302a被配置成进一步耗散由基板处置器112a耗散的热量。在一个实施例中，量子力学装置100还包括与基板处置器112b热和机械接触的散热器302b，该基板处置器与中介板106热接触。散热器302b被配置成进一步耗散由基板处置器112b耗散的热量。
43.在一个实施例中，量子力学装置100还包括附接到并电连接到中介板106的有机基板304。在一个实施例中，有机基板304使用多个焊料凸块306附接并电连接到中介板106。在一个实施例中，如图3所示，有机基板304附接并电连接到中介板106的前侧106c，该中介板附接并电连接到量子位芯片102。在一个实施例中，有机基板304可以是例如层压体。
44.在一个实施例中，散热器302a还使用多个紧固件308附接到有机基板304。紧固件308用于将散热器302a、有机基板304和散热器302b紧固在一起以形成刚性和坚固的结构。在一个实施例中，用于承载电磁信号(例如，微波信号)的电磁信号线、连接器等(例如，ardent连接器)310连接到有机基板304，其被配置为通过焊料凸块306将电磁信号传输到中介板106。
45.图4是根据本发明的另一个实施例的量子力学装置400的示意性截面图。量子力学装置400在许多方面与量子力学装置100类似。因此，这里使用相同的附图标记来指代相同的部件。与量子力学装置100类似，量子力学装置400包括量子位芯片102、中介板106和基板处置器112a和112b等。在量子力学装置100中，有机基板304附接并电连接到中介板106的正面106c。然而，在量子力学装置400中，有机基板304改为附接并电连接到中介板106的背面106b。在一个实施例中，有机基板304使用焊料凸块402附接并电连接到中介板106的背面106b。在一个实施例中，用于承载电磁信号(例如，微波信号)的电磁信号线、连接器等(例如，ardent连接器)404连接到有机基板304，其被配置为通过焊料凸块402将电磁信号传输到中介板106。
46.图5a是根据本发明的一个实施例的量子力学装置500的示意性截面图。量子力学装置500在许多方面与例如图2所示的量子力学装置100类似。因此，这里使用相同的附图标记来指代相同的部件。与量子力学装置100类似，量子力学装置400包括量子位芯片102、中介板106和基板处置器112a和112b等。
47.如前面参照量子力学装置100所述，附接到量子位芯片102的基板处置器112a包括多个通孔114a，附接到中介板106的基板处置器112b包括多个通孔114b。多个通孔114a和/
或114b的至少一部分填充有非超导材料116。可以选择非超导散热材料116以耗散量子位芯片102、中介板106或两者中产生的热量。如图5a所示，用非超导材料116填充一些通孔114a、114b，而不用非超导散热材料116填充一些通孔114a、114b。在一个实施例中，除了填充有非超导材料116的通孔114a、114b之外，还提供至少一个窗口通孔502。
48.图5b是根据本发明的一个实施例的量子力学装置500的示意性顶视图。图5b示出了一些通孔114a、114b填充有非超导散热材料116，而一些通孔保持为空，并且替代地，在其中提供至少一个窗口通孔502。至少一个窗口通孔502分别位于量子位芯片102和中介板106的背侧102b、106b上、在多个量子位104中的一个量子位104a的一个位置处。如图5a所示，至少一个窗口通孔502横穿基板处置器112a、112b以及接合材料118和非超导散热器202的整个深度。这可以使激光束能够传输通过至少一个窗口通孔502，以可控地移除连接到量子位104a的金属层，并且改变量子位104a的电容。
49.图6是根据本发明的一个实施例的量子力学装置500的示意性截面图。如图6所示，量子力学装置500具有多个窗口通孔502。例如，激光束600可以被传输通过窗口通道502之一以到达量子位芯片102的背侧102b，以便在或靠近安装量子位104a的量子位袋104b处从金属层或超导材料110中去除金属。通过去除量子位袋104b处或附近的金属，可以改变电容，并且因此可以如所希望的修改量子位104b的频率。
50.图7是根据本发明的一个实施例的量子力学装置700的示意性截面图。如图7所示，量子力学装置700在许多方面与以上段落中描述的量子力学装置100、400、500类似。因此，在图7中使用相同的参考数字来指代相同的组件。如图7所示，除了设置在中介板106内的至少窗口通孔502和附接到中介板106的背侧106b的基板处置器112b之外，还在中介板106和基板处置器112b内至少设置等离子体窗口通孔702。然而，如图7所示，激光束600被用于从量子位芯片102的安装量子位104a的前侧102c去除金属或超导材料。此外，至少等离子体窗通孔702横穿中介板106和基板处置器112b。这使得等离子体能够通过等离子体窗口通孔702传输到量子位芯片104，以例如修改或改善相干性。
51.图8a-图8h示出了根据本发明的实施例的制造上述段落中所述的量子力学装置100、400、500、700的方法的各个步骤。该方法包括提供第一基板处置器802和提供量子位芯片基板804，分别如图8a和8e所示。该方法还包括形成穿过第一基板处置器802的多个通孔806，如图8b所示，以及用非超导导热材料808填充多个通孔806，如图8c所示。该方法还包括在第一基板处置器802的一侧812上形成多个导热柱810，如图8d所示。
52.该方法还包括在量子位芯片基板804的第一面816中形成多个通孔814，如图8f所示。该方法还包括用超导材料818填充多个通孔814，如图8g所示。在用超导材料818填充多个通孔814之后，该方法包括将量子位芯片基板804的第一面816接合到具有导热柱810的第一基板处置器802的一侧812，如图8h所示。
53.在一个实施例中，将量子位芯片基板804的第一面816接合到具有导热柱810的基板处置器802的一侧812包括使用聚合物材料、金属接合或氧化物接合820的接合，如图8h所示。
54.图9a-图9g示出了根据本发明的一个实施例，制造上述段落中所述的量子力学装置100、400、500、700的方法的附加步骤。该方法进一步包括研磨量子位芯片基板804的第二面826，该第二面826与第一面816相对，直到到达量子位芯片基板804的第一面816中的多个
通孔814，如图9a中所示。该方法还包括使用超导材料在研磨后的第二面826上形成电容器和总线，如图9b所示。该方法包括在量子位芯片基板804的研磨后的第二面826上形成多个量子位824，并且将这多个量子位824连接到这些电容器和总线线路上以获得一个量子位芯片支撑结构828，如图9c所示。
55.该方法包括提供第二基板处置器902及提供中介基板904，如图9d所示。在一实施例中，该方法包括与上述参照图8a-图8h和图9a-9b所述的步骤类似的步骤，这些步骤在第二基板处置器902和中介基板904上执行。例如，该方法包括形成穿过第二基板处置器902的多个通孔906，并用非超导导热材料908填充多个通孔906，如图9d所示。该方法还包括在第二基板处置器902的一侧912上形成多个导热柱910，如图9d所示。该方法包括在中介基板904的第一面916中形成多个通孔914，如图9d所示。该方法还包括用超导材料918填充多个通孔914。该方法还包括将中介基板904的第一面916与具有导热柱910的第二基板处置器902的一侧912接合。在一实施例中，将中介基板904的第一面916与第二基板处置器902的一侧912的接合包括使用聚合物材料、金属接合或氧化物接合920的接合，如图9d所示。
56.该方法还包括研磨中介基板904的第二面926，第二面926与第一面916相对，直到到达中介基板904的第一面916中的多个通孔914，如图9d所示。该方法还包括使用超导材料在中介基板904的研磨后的第二面926上形成读出谐振器、电容耦合线和驱动线。
57.该方法包括在中介基板904的研磨后的第二面926上施加焊料凸块924，以获得中介板支撑结构928，如图9e所示。在一个实施方案中，该方法包括使具有量子位824的量子位芯片支撑结构828的一个侧面830与具有焊接凸块924的中介板支撑结构928的一个侧面930相接触，如图9f所示。
58.在一个实施方案中，在使具有多个量子位824的量子位芯片支撑结构828的侧面830与具有焊接凸块924的中介板支撑结构928的侧面930接触之前，将具有多个量子位824的量子位支撑结构828切成多个量子位芯片840，如图9g所示。在一个实施方案中，该方法进一步包括使具有量子位824的多个量子位芯片840的每一个与具有焊料凸块924的中介板支撑结构928的侧面930相接触，如图9g所示。在一个实施例中，该方法还包括将中介板支撑结构928接合到有机基板950。
59.可以理解，使用上述方法制造并在图9f和9g中示出的结构类似于例如在图1中示出的量子力学装置100。制造在上述段落中描述的量子力学装置100、400、500、700的本方法具有许多益处，包括相对容易实施以及消除不必要的常规步骤，例如在最终结构中去除基板处置器(即，使基板处置器脱粘)。事实上，相反，基板处置器可在充当散热器的同时向结构提供额外刚性。
60.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。