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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-17
(45)【発行日】2024-10-25
(54)【発明の名称】量子ビットを形成するための接合製作方法
(51)【国際特許分類】
H10N 60/01 20230101AFI20241018BHJP
【ＦＩ】
H10N60/01 J ZAA
【請求項の数】
25
(21)【出願番号】P 2022524178
(86)(22)【出願日】2020-11-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-01-18
(86)【国際出願番号】 EP2020081661
(87)【国際公開番号】W WO2021094321
(87)【国際公開日】2021-05-20
【審査請求日】2023-04-24
(31)【優先権主張番号】16/684,423
(32)【優先日】2019-11-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390009531
【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100112690
【弁理士】
【氏名又は名称】太佐 種一
(72)【発明者】
【氏名】アディガ、ヴィヴェカナンダ
(72)【発明者】
【氏名】ワイモア、ベンジャミン
(72)【発明者】
【氏名】フォーゲル、キース
(72)【発明者】
【氏名】サンドバーグ、マーティン
【審査官】脇水 佳弘
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－１２２２８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３５８５３７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１３７８９１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ ６０／０１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法であって、第１のトレンチおよび第２のトレンチが画定された表面を有する下部構造を用意することであって、前記第１のトレンチが前記第２のトレンチに対して実質的に直角であり、前記第２のトレンチと交差し、前記下部構造が前記第１のトレンチと前記第２のトレンチとの交差点に隣接して前記第１のトレンチの上に延在するブリッジ構造を有する、下部構造を用意することと、
前記第１のトレンチの中に、第１の超伝導材料を、第１の方向に沿った視射角で蒸着して、前記第１の方向から前記ブリッジ構造の下に延在するように堆積させることと、
前記第１のトレンチの中に、第２の超伝導材料を、前記第１の方向と実質的に反対の実質的に前記視射角で蒸着して、前記第１の方向と実質的に反対の前記視射角から前記ブリッジ構造の下に延在するように堆積させ、第１の超伝導リードを設けることと、
前記第１の超伝導材料および前記第２の超伝導材料を酸化させて、少なくとも前記第１のトレンチの中で前記第１の超伝導材料および前記第２の超伝導材料の上に酸化層を形成することと、
前記下部構造を回転させることなく、前記下部構造の内部の前記第２のトレンチの中に、第３の超伝導材料を、前記下部構造の前記表面に対して実質的に垂直な角度で蒸着して堆積させ、第２の超伝導リードを形成することと、
堆積された前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料および前記第３の超伝導材料の領域、ならびに前記酸化層をリフトオフして、前記第１のトレンチと前記第２のトレンチとの前記交差点において、第１の終端において前記第１の超伝導リードにより電気的に接続され、第２の終端において前記第２の超伝導リードにより電気的に接続された垂直のジョセフソン接合を残すことと
を含む方法。
【請求項2】
前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料および前記第３の超伝導材料が同一の超伝導材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記下部構造を用意することが、基板を用意することと、
前記基板の表面上に第４の超伝導材料を堆積させることと、
前記基板の前記表面から前記第４の超伝導材料の一部分を除去して、前記基板の前記表面の一部分を表出させることと、
前記第４の超伝導材料の上および前記基板の前記表面の前記表出された一部分の上に第１のレジスト層を堆積させることと、
前記第１のレジスト層上に第２のレジスト層を堆積させて、重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層を形成することと
を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記第４の超伝導材料が、前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料、または前記第３の超伝導材料と同一の超伝導材料である、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記下部構造を用意することが、電子ビームまたは光学ビームのリソグラフィを適用して、前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の、第１の部分および第２の部分を露出させることをさらに含む、請求項１ないし４のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項6】
前記下部構造を用意することが、前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の前記露出した第１の部分を除去して、前記第１のトレンチを形成することと、
前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の前記露出した第２の部分を除去して、前記第２のトレンチを形成し、前記第２のレジスト層の残りの部分を有する前記第１のトレンチの上に、前記第２のトレンチに対して実質的に平行に延在する前記ブリッジ構造を形成することと
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記第１のトレンチの中に、前記第１の超伝導材料を、前記第１の方向に沿った前記視射角で蒸着して堆積させることが、前記ブリッジ構造の下に前記第１の超伝導材料を堆積させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記第１のトレンチの中に、前記第２の超伝導材料を、前記第１の方向と実質的に反対の実質的に前記視射角で蒸着して堆積させることが、前記第１の超伝導材料の前記蒸着中に、前記ブリッジ構造により陰になって前記第１の超伝導材料で満たされなかった領域に前記第２の超伝導材料を堆積させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、およびサファイアから成るグループから選択される、請求項１ないし８のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項10】
前記第１、第２、第３、および第４の超伝導材料が、ニオブ（Ｎｂ）およびアルミニウム（Ａｌ）から成るグループから選択される、請求項１ないし９のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項11】
前記基板の前記表面から前記超伝導材料の前記一部分を除去して、前記基板の前記表面の前記一部分を表出させることが、前記基板の前記表面の前記表出された一部分によって分離された前記第４の超伝導材料の４つのセクタおよび関連するバスを形成することを含む、請求項１ないし１０のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項12】
前記超伝導材料の上および前記基板の前記表面の前記表出された一部分の上に前記第１のレジスト層を堆積させることが、モノメチルメタクリレート（ＭＭＡ）の層を堆積させることを含み、前記第１のレジスト層上に前記第２のレジスト層を堆積させることが、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）の層を堆積させることを含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項13】
前記視射角が前記下部構造の前記表面に対して約５度～８５度である、請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法。
【請求項14】
基板を用意することと、前記基板の表面上に、前記第１の超伝導材料を、前記第１の方向に沿った前記視射角で蒸着して堆積させることと、
前記基板の前記表面上に、前記第２の超伝導材料を、前記第１の方向と実質的に反対の実質的に前記視射角で蒸着して堆積させ、前記基板の前記表面の前記表出された一部分によって分離された前記第１および第２の超伝導材料の４つのセクタならびに関連するバスを形成することと
をさらに含む、請求項１ないし１３のいずれかに記載され、かつ請求項３の特徴を有する方法。
【請求項15】
超伝導量子ビットを作製する方法であって、第１のトレンチおよび第２のトレンチが画定された表面を有する下部構造を用意することであって、前記第１のトレンチが前記第２のトレンチに対して実質的に直角であり、前記第２のトレンチと交差し、前記下部構造が、前記第１のトレンチの上に延在するブリッジ構造を有する、下部構造を用意することと、
前記第１のトレンチの中に、第１の超伝導材料を、第１の方向に沿った視射角で蒸着して、前記第１の方向から前記ブリッジ構造の下に延在するように堆積させることと、
前記第１のトレンチの中に、第２の超伝導材料を、前記第１の方向と実質的に反対の実質的に前記視射角で蒸着して、前記第１の方向と実質的に反対の前記視射角から前記ブリッジ構造の下に延在するように堆積させ、第１の超伝導リードを設けることと、
前記第１の超伝導材料および前記第２の超伝導材料を酸化させて、少なくとも前記第１のトレンチの中で前記第１の超伝導材料および前記第２の超伝導材料の上に酸化層を形成することと、
前記下部構造を回転させることなく、前記下部構造の内部の前記第２のトレンチの中に、第３の超伝導材料を、前記下部構造の前記表面に対して実質的に垂直な角度で蒸着して堆積させ、第２の超伝導リードを形成することと、
堆積された前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料および前記第３の超伝導材料の領域、ならびに前記酸化層をリフトオフして、前記第１のトレンチと前記第２のトレンチとの交差点において、第１の終端において前記第１の超伝導リードにより電気的に接続され、第２の終端において前記第２の超伝導リードにより電気的に接続された垂直のジョセフソン接合を残すことと
を含む方法。
【請求項16】
前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料および前記第３の超伝導材料が同一の超伝導材料である、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記下部構造を用意することが、基板を用意することと、
前記基板の表面上に第４の超伝導材料を堆積させることと、
前記基板の前記表面から前記第４の超伝導材料の一部分を除去して、前記基板の前記表面の一部分を表出させることと、
前記第４の超伝導材料の上および前記基板の前記表面の前記表出された一部分の上に第１のレジスト層を堆積させることと、
前記第１のレジスト層上に第２のレジスト層を堆積させて、重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層を形成することと
を含む、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項18】
前記第４の超伝導材料が、前記第１の超伝導材料、前記第２の超伝導材料、または前記第３の超伝導材料と同一の超伝導材料である、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記下部構造を用意することが、粒子ビームまたは光学ビームのリソグラフィを適用して、前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の第１の部分を露出させ、前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の第２の部分を露出させることをさらに含む、請求項１５ないし１８のいずれかに記載され、かつ請求項１７の特徴を有する方法。
【請求項20】
前記下部構造を用意することが、前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の前記露出した第１の部分を除去して、前記第１のトレンチを形成することと、
前記重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層の前記露出した第２の部分を除去して、前記第２のトレンチと、前記第２のレジスト層の残りの部分を有する前記第１のトレンチの上に、前記第２のトレンチに対して実質的に平行に延在するブリッジ構造とを形成することと
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項21】
前記第１のトレンチの中に、前記第１の超伝導材料を、前記第１の方向に沿った前記視射角で蒸着して堆積させることが、前記ブリッジ構造の下に前記第１の超伝導材料を堆積させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記第１のトレンチの中に、前記第２の超伝導材料を、前記第１の方向と実質的に反対の実質的に前記視射角で蒸着して堆積させることが、前記第１の超伝導材料の前記蒸着中に、前記ブリッジ構造により陰になって前記第１の超伝導材料で満たされなかった領域に前記第２の超伝導材料を堆積させることを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、およびサファイアから成るグループから選択される、請求項１５ないし２２のいずれかに記載され、かつ請求項１７の特徴を有する方法。
【請求項24】
前記第１、第２、第３、および第４の超伝導材料が、ニオブ（Ｎｂ）およびアルミニウム（Ａｌ）から成るグループから選択される、請求項１５ないし２３のいずれかに記載され、かつ請求項１７の特徴を有する方法。
【請求項25】
前記下部構造を用意することが、
基板を用意することと、
前記基板の表面上に第４の超伝導材料を堆積させることと、
前記基板の前記表面から前記第４の超伝導材料の一部分を除去して、前記基板の前記表面の一部分を表出させ、該表出された一部分によって分離された前記第４の超伝導材料の４つのセクタおよび関連するバスを形成すること
を含み、
前記ジョセフソン接合は、前記第１の超伝導リードおよび前記第２の超伝導リードにより、前記４つのセクタのそれぞれに接続される、
請求項１５ないし２４のいずれかに記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
ここにおいて特許請求する本発明の実施形態は超伝導量子ビットに関し、より具体的には、超伝導量子ビットを作製する方法およびこの方法を使用して作製された量子ビットに関する。
【背景技術】
【0002】
量子計算は、量子のビット（本明細書の全体にわたって量子ビットと呼ばれる）の信頼できる制御に基づくものである。量子アルゴリズムを実現するために必要な基本的動作には、１量子ビットの動作と、２つの個別の量子のビット間の相関を確立する２量子ビットの動作とのセットがある。忠実度の高い２量子ビットの動作を実現するには、量子計算の誤差閾値と、確実な量子シミュレーションとの両方に到達するのが望ましいものであり得る。
【0003】
超伝導量子プロセッサ（１つまたは複数の超伝導量子ビットを有する）は、絶縁基板（たとえばＳｉまたは高抵抗率Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３など）上に超伝導金属（たとえばＡｌ、Ｎｂなど）を含む。超伝導量子プロセッサは、一般的には、様々な格子対称性（たとえば四角、六角など）のカプラによって連結された個々の量子ビットの平坦な２次元格子構造およびフリップチップ上に置かれた読出し構造である。カプラは、キャパシタ、共振器、コイル、または量子ビット間を結合する任意のマイクロ波成分で作製され得る。
【0004】
超伝導量子ビットを製作する従来手法は、ＤｏｌａｎまたはＭａｎｈａｔｔａｎの方法を使用してブリッジを形成する標準的なジョセフソン接合製作に基づくものである。上記の方法は、超伝導材料の堆積中に量子ビットを支持する基板を回転させることを含む多くのステップを必要とする。
【発明の概要】
【0005】
本発明の一態様は、超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法を提供することである。この方法は、第１のトレンチおよび第２のトレンチが画定された表面を有する下部構造を用意することを含み、第１のトレンチは第２のトレンチに対して実質的に直角であり、第２のトレンチと交差し、下部構造は、第１のトレンチと第２のトレンチとの交差点に隣接して第１のトレンチの上に延在するブリッジ構造を有する。この方法は、第１のトレンチの中に、第１の超伝導材料を、第１の方向に沿った視射角で蒸着して、第１の方向からブリッジ構造の下に延在するように堆積させることをさらに含む。この方法は、第１のトレンチの中に、第２の超伝導材料を、第１の方向と実質的に反対の実質的に視射角で蒸着して、第１の方向と実質的に反対の視射角からブリッジ構造の下に延在するように堆積させ、第１の超伝導リードを設けることも含む。この方法は、第１の超伝導材料および第２の超伝導材料を酸化させて、少なくとも第１のトレンチの中で第１の超伝導材料および第２の超伝導材料の上に酸化層を形成することと、下部構造を回転させることなく、下部構造の内部の第２のトレンチの中に、第３の超伝導材料を、下部構造の表面に対して実質的に垂直な角度で蒸着して堆積させ、第２の超伝導リードを形成することとをさらに含む。この方法は、堆積された第１の超伝導材料、第２の超伝導材料および第３の超伝導材料の領域、ならびに酸化物層をリフトオフして、第１のトレンチと第２のトレンチとの交差点において、第１の終端において第１の超伝導リードにより電気的に接続され、第２の終端において第２の超伝導リードにより電気的に接続された垂直のジョセフソン接合を残すことも含む。
【0006】
本発明の別の態様は超伝導量子ビットを提供することである。超伝導量子ビットは、１）第１のトレンチおよび第２のトレンチが画定された表面を有する下部構造を用意することであって、第１のトレンチが第２のトレンチに対して実質的に直角であり、第２のトレンチと交差し、下部構造が、第１のトレンチの上に延在するブリッジ構造を有する、下部構造を用意することと、２）第１のトレンチの中に、第１の超伝導材料を、第１の方向に沿った視射角で蒸着して、第１の方向からブリッジ構造の下に延在するように堆積させることと、３）第１のトレンチの中に、第２の超伝導材料を、第１の方向と実質的に反対の実質的に視射角で蒸着して、第１の方向と実質的に反対の視射角からブリッジ構造の下に延在するように堆積させ、第１の超伝導リードを設けることと、４）第１の超伝導材料および第２の超伝導材料を酸化させて、少なくとも第１のトレンチの中で第１の超伝導材料および第２の超伝導材料の上に酸化層を形成することと、５）下部構造を回転させることなく、下部構造の内部の第２のトレンチの中に、第３の超伝導材料を、下部構造の表面に対して実質的に垂直な角度で蒸着して堆積させ、第２の超伝導リードを形成することと、６）堆積された第１の超伝導材料、第２の超伝導材料および第３の超伝導材料の領域、ならびに酸化物層をリフトオフして、第１のトレンチと第２のトレンチとの交差点において、第１の終端において第１の超伝導リードにより電気的に接続され、第２の終端において第２の超伝導リードにより電気的に接続された垂直のジョセフソン接合を残すことと、によって作製される。
【0007】
本開示、ならびに構造の関連する要素の使い方および機能、および製造の部品と経済性との組合せは、添付図面を参照しながら以下の説明および添付の特許請求の範囲を検討すればより明らかになるはずであり、これらのすべてが本明細書の一部を形成し、類似の参照数字は様々な図における対応部位を示す。しかしながら、図面は例証および説明のみを目的としており、本発明の制限の定義を意図するものではないことを、明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1A】本発明の一実施形態による、超伝導材料を堆積された基板の概略側面図である。
【図1B】本発明の一実施形態による、超伝導材料を堆積された基板の概略上面図である。
【図2A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積された基板の概略上面図である。
【図3A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の概略上面図である。
【図4A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の概略上面図である。
【図5A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。
【図5B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の、図５Ａに示された点線５Ｂ－５Ｂに沿った概略断面図である。
【図6A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。
【図6B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の、図６Ａに示された点線６Ｂ－６Ｂに沿った概略断面図である。
【図7A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。
【図7B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第１のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図７Ａに示された点線７Ｂ－７Ｂに沿った概略断面図である。
【図8A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、犠牲レジスト層の上に超伝導材料を堆積された基板の、概略上面図である。
【図8B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第１のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図８Ａに示された点線８Ｂ－８Ｂに沿った概略断面図である。
【図9A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、犠牲レジスト層の上に第１および第２の蒸着を用いて超伝導材料を堆積された基板の、概略上面図である。
【図9B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第２のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図９Ａに示された点線９Ｂ－９Ｂに沿った概略断面図である。
【図10A】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、第１のトレンチおよび第２のトレンチの中に超伝導材料を堆積された基板の概略上面図である。
【図10B】本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第２のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図１０Ａに示された点線１０Ｂ－１０Ｂに沿った概略断面図である。
【図11A】本発明の一実施形態による、前述の方法によって形成された量子ビット素子の概略上面図である。
【図12A】本発明の一実施形態による、前述の方法を使用して形成された量子ビット素子を示す、走査顕微鏡（ＳＥＭ）のズームイン画像である。
【図12B】本発明の一実施形態による、前述の方法を使用して形成された量子ビット素子を示す、走査顕微鏡（ＳＥＭ）のズームアウト画像である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
一実施形態では、本明細書において、超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法が提供される。一実施形態では、この方法は、基板および超伝導材料を含む下部構造を用意することを含む。図１Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料を堆積された基板の概略側面図である。一実施形態では、下部構造を用意することは、基板１００を用意して、基板１００の表面（たとえば頂面）１００Ａに超伝導材料１０２を堆積させることを含む。
【0010】
一実施形態では、基板１００は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびサファイアを含むが、これらに限定されない任意の不導体材料であり得る。一実施形態では、超伝導材料１０２は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）などを含むが、これらに限定されない任意の超伝導材料であり得る。
【0011】
図１Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料を堆積された基板の概略上面図である。一実施形態では、下部構造を用意することは、基板１００の表面１００Ａから超伝導材料１０２の一部分１０２Ａを除去して基板の表面１００Ａの一部分１００Ｂを表出させることを含む。図１Ｂは、超伝導材料１０２の一部分１０２Ａが既に除去された様子を示す。一実施形態では、基板１００の表面１００Ａから超伝導材料１０２の一部分１０２Ａを除去して基板１００の表面１００Ａの一部分１００Ｂを表出させることは、超伝導材料１０２および関連するバス１０６の複数（たとえば４つ）のセクタ１０４を形成することを含む。複数（たとえば４つ）のセクタ１０４は、基板１００の表面１００Ａの表出された一部分１００Ｂによって分離されている。複数のセクタ１０４は、以下の段落で詳細に説明されるように、ジョセフソン接合に結合するための結合パッドを画定する。バスまたは共振器１０６は、複数のセクタ１０４に結合して、ジョセフソン接合との間でマイクロ波エネルギを伝送するように構成されている。複数のセクタ１０４の各々と対応するバスまたは共振器１０６との間に形成されたギャップ１０５が、結合キャパシタを画定する。本明細書では、複数のセクタ１０４は、「扇形」の形状で示されているが、セクタまたはパッド１０４は「扇形」の形状に限定されず、任意の多角形（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形など）の形状または丸い（半円、円板などの）形状など、任意の他の形状であり得ることは理解する必要がある。
【0012】
図２Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積された基板の概略上面図である。図２Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積された基板の、図２Ａに示された点線２Ｂ－２Ｂに沿った概略断面図である。一実施形態では、下部構造を用意することは、基板１００の表面１００Ａから超伝導材料１０２の一部分１０２Ａを除去して基板１００の表面１００Ａの一部分１００Ｂを表出させることに続いて、超伝導材料１０２上と、基板１００の表面１００Ａの表出された一部分１００Ｂ上とに、第１のレジスト層２０２を堆積させることを含む。一実施形態では、下部構造を用意することは、第１のレジスト層２０２上に第２のレジスト層２０４を堆積させて、重層された第１のレジスト層および第２のレジスト層を形成することを含む。
【0013】
一実施形態では、第１のレジスト層２０２はたとえばモノメチルメタクリレート（ＭＭＡ）の層であり得、第２のレジスト層２０４はたとえばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）の層であり得る。一実施形態では、以下の段落でより詳細に説明されるように、犠牲レジスト層２０２と２０４とのこのセットは、第１のレジスト層２０２（たとえばＭＭＡ）が第２のレジスト層２０４（たとえばＰＭＭＡ）よりも速くエッチングされるように選択される。
【0014】
図３Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の概略上面図である。図３Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の、図３Ａに示された点線３Ｂ－３Ｂに沿った概略断面図である。図４Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の概略上面図である。図４Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチを形成された基板の、図４Ａに示された点線４Ｂ－４Ｂに沿った概略断面図である。
【0015】
一実施形態では、下部構造を用意することは、犠牲レジスト層２０２および２０４を堆積させることに続いて、電子ビームまたは光学ビームのリソグラフィを適用して、図３Ａおよび図４Ａに示されるように、重層された第１のレジスト層２０２および第２のレジスト層２０４の第１の部分３０２を露出し、重層された第１のレジスト層２０２および第２のレジスト層２０４の第２の部分３０４を露出することをさらに含む。
【0016】
一実施形態では、下部構造を用意することは、電子ビームまたは光学ビームのリソグラフィを適用することに続いて、重層された第１のレジスト層２０２および第２のレジスト層２０４の露出した第１の部分３０２を除去して第１のトレンチ３０６（図３Ｂに示される）を形成することと、重層された第１のレジスト層２０２および第２のレジスト層２０４の露出した第２の部分３０４を除去して第２のトレンチ３０８（図４Ｂに示される）を形成することとをさらに含む。図３Ｂに示されるように、露出した第１の部分３０２から第１のレジスト層２０２が除去されて第１のトレンチ３０６を画定する。図４Ｂに示されるように、露出した第２の部分３０４から第２のレジスト層２０４も除去されて第２のトレンチ３０８を画定する。一実施形態では、第１のトレンチ３０６と第２のトレンチ３０８とは、互いに対して実質的に直角である。第１のトレンチ３０６は、第２のトレンチ３０８に対して実質的に直角であり、第２のトレンチ３０８と交差する。
【0017】
加えて、図４Ｂに示されるように、露出した第２の部分３０４から第２のレジスト層２０４も除去されて第２のトレンチ３０８を画定する。しかしながら、図３Ｂに示されるように、露出した第１の部分３０２から第２のレジスト層２０４が除去され、第１のトレンチ３０６と第２のトレンチ３０８との交差点の近くを除いて第１のトレンチ３０６を形成し、第１のトレンチ３０６の上に延在する、第２のレジスト層２０４の残りの部分とのブリッジ構造４０２を形成する。一実施形態では、ブリッジ構造４０２は、第２のトレンチ３０８に対して実質的に平行である。
【0018】
ブリッジ４０２が含む第２のレジスト層２０４の２つのストリップ４０２Ａ、４０２Ｂは、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、どちらも第１のトレンチ３０６を横断し、第２のトレンチ３０８に対して実質的に平行であって、それぞれ第２のトレンチ３０８の片側を形成する。一実施形態では、ブリッジ４０２のこれら２つのストリップ４０２Ａおよび４０２Ｂが形成される理由は、これら２つのストリップ４０２Ａおよび４０２Ｂの下の第１のレジスト層２０２（たとえばＭＭＡ）が第２のレジスト層２０４（たとえばＰＭＭＡ）よりも速くエッチングされるためである。
【0019】
図５Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。図５Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の、図５Ａに示された点線５Ｂ－５Ｂに沿った概略断面図である。たとえば図５Ｂに示されるように、第２のレジスト層２０４に形成されたブリッジ構造４０２のストリップ４０２Ｂは、第１のトレンチ３０６の上に延在する。
【0020】
図６Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。図６Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の、図６Ａに示された点線６Ｂ－６Ｂに沿った概略断面図である。図６Ｂに示されるように、ライン６Ｂ－６Ｂに沿った断面において、第１のレジスト層２０２および第２のレジスト層２０４はどちらも、下部構造または基板１００のこの領域ではエッチングされず、または除去されない。したがって、ブリッジ構造４０２（ストリップ４０２Ａおよび４０２Ｂを含む）は、第２のトレンチ３０８の近くにのみ、これと平行に形成されて、第１のトレンチ３０６を横断する。
【0021】
その結果、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａおよび図６Ａの上面図ならびに図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂおよび図６Ｂにおける様々な断面図に示される、用意された下部構造５００は、基板１００、超伝導材料１０２、レジスト層２０２および２０４、トレンチ３０６および３０８、ならびにブリッジ構造４０２を含む。たとえば図６Ａに示されるように、下部構造５００の表面５０２には、第１のトレンチ３０６および第２のトレンチ３０８が画定されている。第１のトレンチ３０６は、第２のトレンチ３０８に対して実質的に直角であり、第２のトレンチ３０８と交差する。下部構造５００が有するブリッジ構造４０２は、第１のトレンチ３０６と第２のトレンチ３０８との交差点に隣接して第１のトレンチ３０６の上に延在する。
【0022】
図７Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成された基板の概略上面図である。図７Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第１のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図７Ａに示された点線７Ｂ－７Ｂに沿った概略断面図である。
【0023】
図７Ａおよび図７Ｂに表されるように、超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法は、第１のトレンチ３０６の中に、超伝導材料７００を、第１の方向７０２からブリッジ構造４０２の下に（ブリッジ構造４０２のストリップ４０２Ａとストリップ４０２Ｂの両方の下に）延在するように、第１の方向７０２に沿った視射角で蒸着して（第１の蒸着）堆積させることをさらに含む。図７Ａおよび図７Ｂに表されるように、超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法は、第１の超伝導リード７１０を設けるために、第１のトレンチ３０６の中に、超伝導材料７０１を、第１の方向７０２と実質的に反対の角度からブリッジ構造４０２の下に（ブリッジ構造４０２のストリップ４０２Ａとストリップ４０２Ｂの両方の下に）延在するように、第１の方向７０２と実質的に反対の方向７０４の実質的に視射角で蒸着して（第２の蒸着）堆積させることをさらに含む。
【0024】
一実施形態では、第１のトレンチ３０６の中に、超伝導材料７００を、第１の方向７０２に沿った視射角で蒸着して堆積させることは、ブリッジ構造４０２の下に超伝導材料７００を堆積させることを含む。一実施形態では、第１のトレンチ３０６の中に、超伝導材料７０１を、第１の方向７０２と実質的に反対の方向７０４の実質的に視射角で蒸着して堆積させることは、超伝導材料７００の蒸着中に、ブリッジ構造４０２により陰になって、超伝導材料７００によって満たされなかった、または完全には満たされなかった領域（図示せず）に超伝導材料７０１を堆積させることを含む。
【0025】
一実施形態では、視射角は、下部構造５００の表面５０２に対して約５度～８５度の任意の角度であり得る。一実施形態では、視射角は５５度～６５度である。さらなる実施形態では、視射角は約４５度である。一実施形態では、視射角は、使用されるレジスト層２０２および２０４の材料のタイプに依拠して、ブリッジ４０２のサイズ（すなわちストリップ４０２Ａのサイズおよびストリップ４０２Ｂのサイズ）、第１のトレンチ３０６のサイズ（たとえば幅）、またはレジスト層２０２および２０４の厚さもしくは奥行き、あるいはその組合せに依拠して、選択される。
【0026】
図８Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、犠牲レジスト層の上に超伝導材料を堆積された基板の、概略上面図である。図８Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第１のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図８Ａに示された点線８Ｂ－８Ｂに沿った概略断面図である。ライン８Ｂ－８Ｂおよび第２のトレンチ３０８に沿った断面を示す図８Ｂに表されるように、超伝導材料７００、７０１は、超伝導材料１０２上およびレジスト層２０２および２０４のスタック上に堆積される。しかしながら、図８Ｂに示されるように、超伝導材料７００、７０１は第２のトレンチ３０８には実質的に堆積されない。実際、超伝導材料７００、７０１は、図７Ａに示されるように、２つの反対方向の視射角で蒸着され、ブリッジ構造４０２（２つのストリップ４０２Ａおよび４０２Ｂを含む）が、超伝導材料７００、７０１が第２のトレンチ３０８の中に堆積するのを妨げる。しかしながら、第２のトレンチ３０８に沿った断面を示す図８Ｂは、第１および第２の蒸着中に堆積された超伝導材料７００、７０１の一部分３０９も示す。超伝導材料７００および７０１の一部分３０９は、第２のトレンチ３０８の幅に相当する、ブリッジ４０２のストリップ４０２Ａと４０２Ｂとの間に間隔があることにより堆積される。ブリッジ４０２のストリップ４０２Ａおよび４０２Ｂのために、一部分３０９の両側にギャップ３１１が存在する。
【0027】
上記で説明され、図９Ａにさらに示されるように、この方法は、上記の視射角で第１および第２の蒸着を実行することによって超伝導材料７００、７０１を堆積させた後に、図９Ｂに示されるように、超伝導材料７００、７０１を酸化させて、少なくとも第１のトレンチ３０６の中で、超伝導材料７００、７０１上に、酸化した層または酸化物層８００を形成することを含む。
【0028】
図９Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、犠牲レジスト層の上に第１および第２の蒸着を用いて超伝導材料を堆積された基板の、概略上面図である。図９Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第２のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図９Ａに示された点線９Ｂ－９Ｂに沿った概略断面図である。
【0029】
図９Ｂに示されるように、超伝導材料７００、７０１上に酸化物層８００を形成するための、超伝導材料７００、７０１の酸化中に、図９Ｂに示されるように、少なくとも第１のトレンチ３０６の中で、超伝導材料７００、７０１上に、超伝導材料８００の酸化物の層が形成される。図９Ｂに示されるように、第１のトレンチ３０６を含めて、超伝導材料７００、７０１が存在するところならどこにでも酸化物層８００が形成される。酸化物層８００は、第２のトレンチ３０８の中央にある超伝導材料７００、７０１の一部分３０９の上にも形成される。
【0030】
図９Ｂにさらに示されるように、この方法は、酸化物層８００の形成に続いて、下部構造５００の内部の第２のトレンチ３０８の中に、超伝導材料９００を、下部構造５００の表面５０２に対して実質的に垂直な角度で蒸着して堆積させること（第３の蒸着）を含む。超伝導材料９００の蒸着は、下部構造５００を回転させることなく実行される。図９Ｂに示されるように、第１のトレンチ３０６の中には超伝導材料９００の層も堆積され、それにより、超伝導材料７００、７０１と超伝導層９００との間に酸化物層８００をはさむ。したがって、第１のトレンチ３０６の中央には、超伝導材料層７００、７０１、酸化物層８００、および超伝導材料層９００のスタックが設けられる。
【0031】
図９Ｂに示されるように、第１のレジスト層２０２の厚さは、（第３の蒸着中に堆積された）超伝導材料９００と第２のレジスト層との間にギャップ「Ｇ」が設けられてブリッジ構造４０２を形成するように選択される。
【0032】
図１０Ａは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、第１のトレンチおよび第２のトレンチの中に超伝導材料を堆積された基板の概略上面図である。図１０Ｂは、本発明の一実施形態による、超伝導材料および犠牲レジスト層を堆積されて、犠牲レジスト層の内部にトレンチおよびブリッジを形成され、第２のトレンチに沿って超伝導材料を蒸着された基板の、図１０Ａに示された点線１０Ｂ－１０Ｂに沿った概略断面図である。
【0033】
図１０Ｂに示されるように、下部構造５００の表面５０２に対して実質的に垂直な角度で超伝導材料９００を蒸着して（第３の蒸着）、下部構造５００の内部の第２のトレンチ３０８の中に超伝導材料９００を堆積させる。超伝導材料９００を蒸着して、図１０Ｂに示されるように第２の超伝導リード９１０を形成する。第３の蒸着中に、超伝導材料は、超伝導材料７００、７０１の一部分３０９上の酸化物層の上にも堆積される。加えて、図１０Ｂに示されるように、超伝導材料９００は、第１および第２の蒸着中に生成された、一部分３０９の両側のギャップ３１１も満たす（図８Ｂに示される）。したがって、第２のトレンチ３０８の中央には、超伝導体層７００、７０１、酸化物層８００、および超伝導体材料層９００のスタックが設けられる。
【0034】
超伝導量子ビット用のジョセフソン接合を作製する方法は、堆積された超伝導材料７００、７０１および９００、ならびに酸化物層８００の領域をリフトオフして、第１のトレンチ３０６と第２のトレンチ３０８との交差点において、第１の終端において第１の超伝導リード７１０により電気的に接続され、第２の終端において第２の超伝導リード９１０により電気的に接続された垂直のジョセフソン接合を残すことをさらに含む。
【0035】
一実施形態では、超伝導材料１０２、７００、７０１および９００は同一の超伝導材料または異なる超伝導材料であり得る。たとえば、超伝導材料１０２はニオブであり得、超伝導材料７００、７０１および９００はアルミニウムまたは他の超伝導材料であり得る。加えて、超伝導材料７００、７０１および９００は、別の超伝導材料でもあり得る。加えて、超伝導材料１０２は、超伝導材料７００、超伝導材料７０１または超伝導材料９００と同一の超伝導材料であり得る。
【0036】
図１１Ａは、本発明の一実施形態による、前述の方法によって形成された量子ビット素子の概略上面図である。量子ビット素子が含む複数のセクタ１０４は、超伝導材料１０２で形成され、第１のトレンチ３０６は、とりわけ第１のリード７１０を形成する超伝導材料７００、１０１、および９００で満たされ、第２のトレンチ３０８は、とりわけ第２のリード９１０を形成する超伝導材料７００、１０１、および９００で満たされる。
【0037】
図１１Ｂは、本発明の一実施形態による、図１１Ａに示された点線１１Ｂ－１１Ｂに沿った、形成された量子ビット素子の概略断面図である。図１１Ｃは、本発明の一実施形態による、図１１Ａに示された点線１１Ｃ－１１Ｃに沿った、形成された量子ビット素子の概略断面図である。図１１Ｂおよび図１１Ｃに示されるように、ジョセフソン接合「ＪＪ」は、超伝導材料層７００、７０１と、酸化物層８００と、超伝導材料層９００とのスタックによって、垂直に形成されている。ジョセフソン接合ＪＪは、第１のトレンチ３０６に沿った第１のリード線７１０によって２つのセクタ１０４の超伝導材料１０２に接続されており、第２のリード線９１０によって２つの他のセクタ１０４の超伝導材料１０２に接続されている。
【0038】
図１２Ａは、本発明の一実施形態による、前述の方法を使用して形成された量子ビット素子を示す、走査顕微鏡（ＳＥＭ）のズームイン画像である。超伝導材料７００、７０１を堆積させるために使用された第１および第２の蒸着と、超伝導材料９００を堆積させるために使用された第３の蒸着とが、ＳＥＭ画像の矢印によって指示されている。文字「ＪＪ」によって参照される画像中央のフィーチャが、ジョセフソン接合に相当する。ジョセフソン接合は、超伝導材料層７００、７０１と、酸化物層８００と、超伝導材料層９００とのスタックを含む。
【0039】
図１２Ｂは、本発明の一実施形態による、前述の方法を使用して形成された量子ビット素子を示す、走査顕微鏡（ＳＥＭ）のズームアウト画像である。図１２Ｂに示されるように、ジョセフソン接合（ＪＪ）は、第１のリード線７１０に接続され、第１のリード線７１０によって第１の対のセクタ（四分区間すなわちパッド）１０４に接続されている。ジョセフソン接合（ＪＪ）は、第２のリード線９１０にも接続され、第２のリード線９１０によって第２の対のセクタ（四分区間すなわちパッド）１０４に接続されている。
【0040】
上記の段落では、本発明のいくつかの実施形態により、セクタ（四分区間すなわちパッド）１０４は、基板１００上に超伝導材料１０２を堆積させることによって別個に作製されることが説明されている。しかしながら、本発明の別の実施形態によれば、超伝導材料７００および７０１を堆積させるとき、すなわち第１および第２の蒸着中に、セクタ（四分区間すなわちパッド）１０４と関連するバス１０６とは同時に作製され得る。この場合、この方法は、超伝導材料７００を、第１の方向に沿った視射角で基板１００の表面１００Ａに蒸着して堆積させることと、超伝導材料７０１を、第１の方向と実質的に反対の実質的に視射角で基板１００の表面１００Ａ上に蒸着して堆積させ、４つのセクタ１０４および関連するバス１０６を形成することとを含む。４つのセクタすなわちパッド１０４は、基板１００の表面１０２Ａの表出された一部分１０２Ｂによって分離されている。
【0041】
上記の段落から理解され得るように、超伝導量子ビット素子も提供され、超伝導量子ビットは上記の方法によって作製さる。超伝導量子ビット素子用のジョセフソン接合（ＪＪ）を形成する前述の方法により、たとえば基板または下部構造を回転させることを省いて、代わりに基板または下部構造の表面に対して垂直に第３の蒸着を実行して超伝導層９００を堆積させると、量子ビット素子を製造するためのステップ数を減らすことができる。加えて、ジョセフソン接合の製作中にリードも同時に作製され、接触がより優れたものになり、低インダクタンス線路をもたらす。その上、本発明のいくつかの実施形態による方法によれば、より優れた接続のために望ましくない陰影を実質的に解消することができ、したがって、ジョセフソン接合との間のマイクロ波エネルギの伝送がより優れたものになる。
【0042】
本発明の様々な実施形態の説明が例証のために提示されてきたが、網羅的であることや、開示された実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者には、多くの修正形態および変形形態が、説明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明らかになるはずである。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実用的な用途、もしくは市場に見られる技術に対する技術的な改善について最もよく説明するように、または他の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を可能にするように、選択されたものである。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
