Бельгийский исследовательский центр микроэлектроники (imec) 19 мая на ежегодном технологическом форуме ITF World в Антверпене впервые представил устройство на квантовых точках-кубитах, изготовленное с использованием литографии в экстремальном ультрафиолете с высокой числовой апертурой (High NA EUV). В этом устройстве физический зазор между соседними управляющими электродами был уменьшен примерно до 6 нанометров, и в отрасли его считают первым аппаратным устройством, интегрированным с помощью этого передового техпроцесса, что знаменует собой ключевой прорыв в переходе кремниевых квантовых вычислений от лабораторных прототипов к промышленному массовому производству на 300-миллиметровых пластинах.

Кубиты на квантовых точках хранят квантовую информацию, используя спиновое состояние отдельных электронов, удерживаемых в кремниевых наноструктурах (затворных слоях). Управление этими кубитами требует прецизионного формирования многослойных затворных структур на нанометровом уровне, где зазор между plunger gate, отвечающим за модуляцию потенциала квантовой точки, и барьерным затвором напрямую определяет силу связи между кубитами и их помехоустойчивость. Исследователь imec и руководитель программы квантовых вычислений Кристиан Де Греве прямо заявил в пресс-релизе: «High NA EUV позволяет добиться точного формирования рисунка для кремниевых квантовых точек-кубитов. Поскольку сила связи между соседними квантовыми точками экспоненциально возрастает с уменьшением расстояния между ними, мы должны надежно создавать зазоры всего в несколько нанометров между управляющими электродами квантовых точек. Это настоящее инженерное достижение, ставшее возможным благодаря нашей команде по интеграции и формированию рисунка, а также превосходной технологии High NA EUV от ASML». Данное исследование было выполнено в совместной лаборатории High NA imec и ASML в Велдховене, Нидерланды.

Ключевое значение достижения 6-нанометрового зазора заключается в том, что оно фундаментально решает самую сложную физическую проблему масштабируемости кремниевых кубитов. Сила связи между квантовыми точками экспоненциально затухает с увеличением зазора; если зазор не может быть уменьшен до менее чем 10 нанометров, между квантовыми точками невозможно сформировать достаточно сильную запутанность и способность к выполнению логических операций. В то же время сами кубиты чрезвычайно чувствительны к зарядовому шуму и дефектам на границах раздела — чем больше зазор между затворами, тем большая площадь квантовой точки подвергается воздействию окружающей среды, что делает ее более восприимчивой к флуктуациям заряда и дефектным состояниям на границах раздела, ускоряя квантовую декогеренцию и снижая точность воспроизведения кубитов и вероятность успешных операций. Команда imec, используя литографическую систему High NA EUV от ASML с источником экстремального ультрафиолета и числовой апертурой 0,55, достигла предела разрешения, значительно превосходящего традиционную 193-нанометровую иммерсионную литографию (0,33 NA), уменьшив зазор между канальным и барьерным затворами до 6 нанометров и успешно создав функциональную сеть кубитов. В таком масштабе теоретически уже возможно интегрировать миллионы кубитов на одном чипе, что удовлетворяет базовым инженерным требованиям для современных практически применимых квантовых компьютеров.

Выбор imec спиновых кубитов на кремниевых квантовых точках в качестве технологического маршрута обусловлен их ключевым преимуществом — высокой совместимостью с существующими производственными процессами КМОП-микросхем. Руководитель проекта imec и инженер по квантовой интеграции Софи Бейн, объясняя выбор этого технологического маршрута, отметила: «Мы можем опереться на десятилетия полупроводниковых инноваций и повторно использовать всю экосистему кремниевого производства, что позволяет квантовым устройствам перейти от лабораторных экспериментов к крупномасштабным, пригодным для производства системам. Именно в этом заключается значительное преимущество кремниевых кубитов». Структура затворного стека кремниевых устройств на квантовых точках очень похожа на структуры FinFET или транзисторов с многомостовым каналом (MBCFET) в передовых логических микросхемах по таким ключевым технологическим модулям, как многослойная металлическая разводка, осаждение диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) и атомно-слоевое травление, и все они могут быть изготовлены с использованием зрелых технологических процессов на существующих 300-миллиметровых фабриках. По сравнению с другими направлениями квантовых вычислений, такими как сверхпроводящие или ионные ловушки, кремниевый подход не требует строительства специализированных фабрик для квантовых вычислений и может напрямую использовать существующую цепочку поставок полупроводников для масштабной верификации, что и является основной причиной, по которой его называют «кубитами промышленного уровня».

Технические особенности данной демонстрации также отражены в конкретном процессе применения High NA EUV-литографии при производстве квантовых устройств. Команда imec по интеграции и формированию рисунка сначала вырастила высококачественную гетероструктуру кремний/кремний-германий на 300-миллиметровой кремниевой пластине, а затем сформировала начальные слои затворного стека с помощью атомно-слоевого осаждения и химико-механической планаризации. Этап High NA EUV-литографии является ядром всего процесса: проекционная оптическая система с NA 0,55 фокусирует экстремальный ультрафиолет на фоторезист, позволяя за одну экспозицию определить зазоры между электродами на уровне 6 нанометров, избегая ошибок совмещения и шероховатости краев линий, которые трудно контролировать в традиционных методах множественного формирования рисунка. После экспонирования команда использовала высокоселективное плазменное травление для переноса рисунка в материал металлического затвора и завершила межсоединения электродов с помощью последующего дамасского процесса. Весь технологический процесс был выполнен в стандартных условиях чистых помещений на фабрике по обработке 300-миллиметровых пластин и в основном идентичен производственному процессу передовых КМОП-логических микросхем.

Ранее imec уже добился воспроизводимых операций со спиновыми кубитами высокой точности на структурах с квантовыми точками, используя оптимизированный технологический процесс, совместимый с 300-миллиметровыми фабриками, подтвердив стабильность КМОП-совместимых процессов в производстве кубитов. Внедрение технологии High NA EUV-литографии на этот раз смещает фокус исследований и разработок с изолированных лабораторных прототипов на этап воспроизводимого стандартизированного производства на пластинах, доказывая, что самые передовые литографические технологии также применимы для высокоточного производства квантовых устройств. Штаб-квартира imec находится в Лёвене, Бельгия, в компании работает более 6500 сотрудников, а выручка в 2025 году достигла 1,2 миллиарда евро; центр занимает ключевые позиции в мировых исследованиях и разработках в области передовых полупроводниковых процессов. Литографические установки High NA EUV широко признаны ключевой технологией, лежащей в основе развития передовых логических микросхем с нормами менее 2 нанометров и памяти высокой плотности, а данная демонстрация imec показывает, что эта технологическая платформа также может стать ключевым фактором для масштабирования аппаратного обеспечения квантовых вычислений. Поскольку оборудование High NA EUV в Лёвене готово к работе, исследовательская группа уже приступила к подготовке следующего этапа — масштабированию до промышленного уровня.