CLASS1000 無塵室

在精密的製造業、醫療器材甚至食品工業等皆會使用到無塵室。中研院物理所的無塵室等級為class1000的無塵室，1000的數字代表在每立方公尺粒徑≧0.5微米的微塵粒子數小於1000顆，因此這個數字越小代表無塵室的等級越高。人的頭髮的直徑大約是100微米，所以0.5微米大概是頭髮直徑的200分之一。在製作量子位元的晶片的過程中需要避免有顆粒或其他的污染源污染到我們的晶片因此我們在製作量子位元的晶片時需要在無塵室裡製作。

在中研院物理所的無塵室中，分為兩層樓，分別放置著不同功能的儀器設備，接著我會介紹這些儀器設備的功能。

無塵室設備簡介:電子束曝光系統/約瑟夫森結製作系統/掃描式電子顯微鏡

• 電子束曝光系統：以100千伏的加速電壓加速電子，用來在光阻上畫出我們想要的圖案，是超導量子位元中常見的製程設備。
• 約瑟夫森結製作系統：這套系統除了有傳統製作約瑟夫森結會使用到的電子束蒸發系統以及氧化系統以外，還有反應離子蝕刻系統以及高溫退火系統，是一套專門用來製作超導量子位元的系統。
• 掃描式電子顯微鏡：當到了光學顯微鏡的成像極限（~0.2微米）且又需看更清楚且細微的影像時，即需使用到此台儀器。利用電子與樣品表面的交互作用產生的電子成像，藉由掃描式電子顯微鏡我們可以清楚看到奈米等級的樣品表面形貌。

約瑟夫森結製作系統詳細說明

一開始會將樣品送進傳送腔裡面，這個腔體是進入這套系統連接外界的門，而進去之後，我們會在微機電濕製程系統將我們的樣品進行一些化學藥劑處理，這些處理過程我們稱為濕製程，處理完過後就進到我們的腔體裡開始進行乾製程 。

首先介紹反應離子蝕刻系統，這套系統會將通入系統內的氣體游離，這裏是通入氧氣，游離後產生的氧電漿會與有機物產生反應，達到清潔的效果。接著是退火腔，退火腔在這裡利用熱傳導的方式將樣品升溫至800~1000度，溫度的高低依我們實驗需求所定，而達到高溫保持一段時間後會再降回室溫，目的是為了恢復樣品的晶體結構或消除缺陷。電子束蒸發系統是利用帶有高能量的電子束將靶材加熱至飽和蒸氣壓後，蒸發後的靶材會再凝結至我們樣品的表面。氧化系統是我們製作約瑟夫森結的一個關鍵，在這我們會通入氧氣使樣品表面的金屬氧化。

透過這套逕向分佈傳輸系統裡的機械手臂樣品將在這些腔體間傳輸，整套設備的所有功能是透過這兩個機箱櫃來操控，而這些是我們樣品製作的流程，我們先將樣品從傳送腔裡傳至微機電濕製程系統進行樣品的表面清潔，將矽晶圓上的雜質去除，接著再透過逕向分佈傳輸系統將樣品傳到退火系統進行高溫退火，再將樣品傳至電子束蒸發系統進行金屬的沈積，再回到這套系統進行光阻的塗佈，再從傳送腔將樣品取出進行電子束的曝光製程，曝光結束後再將樣品送回這套系統裡進行顯影製程，顯影結束後依照我們一開始沈積的金屬選用不同的蝕刻方式，蝕刻我們會在反應離子蝕刻系統或者為機電濕製程系統裡完成，完成以後再做樣品表面的清潔、塗佈光阻，接者取出樣品進行電子束曝光，再將樣品送回微機電濕製程系統進行顯影，結束後將樣品透過電子束蒸發系統及氧化系統製作約瑟夫森結，最後把樣品送至微機電濕製程系統將樣品上的的光阻移除，量子位元的晶片就製作完成了，後面我們會簡單講解幾個製程。

曝光顯影製程

拿底片去照相館沖洗時會先將相片表面上一層感光藥劑，再將相片放在底片底下曝光，再另用化學藥劑將被感光的部分移除，相片就製作完成了。而我們的晶片製作是使用光阻覆在晶片上，再利用光罩上的圖案當作曝光用的遮罩曝光，此時曝光完成的晶片上面會有淡淡圖案，再將晶片被曝光的光阻移除掉，這步驟我們稱為顯影，若是沖洗相片的話到這就結束了，但是套用在我們的晶片製作的話，接下來步驟才是重點。

蝕刻製程

顯影完的晶片會有兩種不同的製程步驟，首先我們介紹蝕刻製程，蝕刻製程是利用物理或化學的方式將沒被光阻覆蓋的地方的金屬移除，當光阻移除後，就會剩下一開始沒被光阻覆蓋的地方就沒有金屬覆蓋，而顯影完的另一道製程是沉積製程。

沉積製程

沈積製程是將金屬覆蓋在顯影完的晶片上，當我們把光阻移除後就會剩下一開始沒被光阻覆蓋的地方有金屬覆蓋在表面

量子位元晶片製作

在此統整介紹前面所講過的各製程在實際製作超導量子位元的晶片時是如何運作:首先我們先定義出光罩上的圖案，接者利用光罩當作遮罩將光罩上的圖案複製在晶片上這一部份是曝光顯影製程，在曝光前會先將晶片表面附上高分子材料，在曝光時會將高分子的之間的鏈結裂解或聚合，實際在製作時會將曝光分為兩種，一種是光罩曝光，光罩曝光的製程時間較為短但是曝光出來的結構比較粗，因為曝光的光源波長，粗細的極限約在微米等級。另一種是電子束曝光，因為電子的物質波的波長較短，因此可曝光出奈米等級的結構，我們實驗室在製作樣品時使用的都是電子束曝光，沒有使用光罩曝光。曝光完成後進行顯影，在這裡會將晶片放進顯影液中，在我們的顯影製程中被曝光的光阻會被顯影液溶解，因此晶片上就會剩下曝光時的圖案，接著就會依照不同的結構去做蝕刻或金屬沈積製程。蝕刻製程中分為濕式及乾式蝕刻，濕式蝕刻通常會將晶圓浸泡在酸、鹼類溶液裡產身，利用化學反應的方法將材料移除；乾式蝕刻是利用氣體離子對晶圓上的材料進行物理轟擊或是化學反應將材料移除。沈積製程分為物理氣相沈積以及化學氣相沈積，在做金屬沈積製程時較常使用的是物理氣相沈積，物理氣相沈積的方式有很多種，在我們實驗室通常都使用電子束蒸鍍，將高能量的電子束直接轟擊金屬使金屬被加熱至熔點附近，並利用想要沈積的金屬的飽和蒸氣壓來進行沈積，蒸鍍厚度約一百奈米，在這裡是利用石英震盪片來偵測厚度，沈積金屬在晶片表面的同時石英震盪片的表面也會有金屬沈積，而這層薄膜會改變石英的振動頻率，藉此計算出沈積在石英震盪片表面的厚度來推估在晶片表面的厚度。

各製程透過掃描式電子顯微鏡顯示之影像

在這裡我們會展示一些我們各個步驟做出來的樣品進去掃描式電子顯微鏡裡所拍的照片，首先是顯影製程結束之後，在這裡我們使用的是兩層感光度不一樣的光阻，可以做出這種上窄下寬的特殊結構，利用這種特殊的光阻結構搭配我們的電子束蒸鍍機，首先我們鍍上第一層的超導金屬，在這裡我們使用鋁當作超導金屬的材料，第一層鍍完之後接著氧化，氧化完之後讓樣品轉九十度再鍍上第二層，最後再將光阻剝離就能夠做出約瑟夫森結的結構，約瑟夫森結的結構在超導量子位元中是非常重要的一個結構，透過這種它提供的特殊電感的特性，我們能夠實現超導量子位元。

量子位元晶片介紹

在這裡簡單介紹量子位元晶片上的一些元件以及基本原理，操控量子位元以及讀取時我們使用的是微波頻段的訊號，微波訊號都是從這個稱為電極的地方進入到我們的晶片，在實際上會將電極透過打線接合到外面的電路板，再由電路板連接外部的微波設備以供應我們需要的微波訊號。在晶片上這種類似蛇的蜿蜒的結構我們稱為共平面波導，微波的訊號會走在共平面波導的的中心訊號線。中間的十字結構就是我們的量子位元，也就是Qubit，透過與這兩個控制閘耦合，我們能夠操控Qubit的狀態。而當共振腔與Qubit耦合時會發生共振頻率的位移，這種位移會隨Qubit的狀態而改變，因此我們可以透過讀取共振腔的共振頻率實現讀取量子位元的狀態。