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量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的 “大腦”，其核心地位堪比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）。但與傳統(tǒng)芯片依靠 “0”“1” 經(jīng)典比特運(yùn)算不同，量子芯片通過 “量子比特（Qubit）” 的量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)計(jì)算 —— 這一特性的實(shí)現(xiàn)，離不開電子束光刻技術(shù)的精準(zhǔn)支撐。本文將從量子比特的本質(zhì)出發(fā)，解析其與電子束光刻的關(guān)聯(lián)，并探討混合光刻技術(shù)如何破解量子芯片批量化難題。

一、量子比特：量子計(jì)算的 “最小單元”

傳統(tǒng)芯片（如 CPU、GPU）的晶體管雖已縮小至納米級(jí)，但核心仍是 “大量電子群體運(yùn)動(dòng)”；而量子芯片的核心 ——量子比特，則依賴單個(gè)或少數(shù)電子、光子的量子狀態(tài)（疊加、糾纏）工作，是量子計(jì)算的基本單位。

1.量子比特的核心特性

與經(jīng)典比特 “非 0 即 1” （類似硬幣落于地面非正即反）的固定狀態(tài)不同，量子比特具有三大獨(dú)特屬性，正是這些屬性賦予了量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)：

疊加態(tài)：量子比特可同時(shí)處于 | 0〉和 | 1〉的線性疊加狀態(tài)，類似 “硬幣直立高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，既是正面也是反面”。這種特性讓量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)求解多個(gè)可能解，具備強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。

糾纏態(tài)：兩個(gè)量子比特可形成 “糾纏”—— 即使相隔遙遠(yuǎn)，一個(gè)量子比特的狀態(tài)變化會(huì)瞬間影響另一個(gè)，如同 “兩個(gè)硬幣旋轉(zhuǎn)時(shí)狀態(tài)完全同步”，讓量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)高度協(xié)同操作。

可調(diào)控性：通過外部信號(hào)（如電磁場(chǎng)）可改變量子比特的狀態(tài)，類似 “用手拍停旋轉(zhuǎn)的硬幣”；同時(shí)需長時(shí)間保持狀態(tài)穩(wěn)定，避免環(huán)境噪聲（如溫度、電磁干擾）破壞量子態(tài)。

2. 約瑟夫森結(jié)：實(shí)現(xiàn)量子比特的 “關(guān)鍵元件”

要滿足量子比特的 “穩(wěn)定疊加、可調(diào)控、抗噪聲” 需求，約瑟夫森結(jié)成為超導(dǎo)量子比特的核心選擇。其結(jié)構(gòu)為 “超導(dǎo)體 - 絕緣體 - 超導(dǎo)體（S-I-S）”，具體構(gòu)成如下（參考結(jié)構(gòu)示意圖）：

基底：灰色的 Al?O?（氧化鋁）；

下層超導(dǎo)體：藍(lán)色的鋁層（100 nm 寬、50 nm 厚）；

絕緣層：紫色的 Al?O?（100 nm 寬、僅 2 nm 厚，極薄的絕緣層是關(guān)鍵）；

上層超導(dǎo)體：與下層鋁層對(duì)應(yīng)，形成 “夾著絕緣層” 的結(jié)構(gòu)。

約瑟夫森結(jié)的工作原理的核心是 “電荷量子化”：極薄的絕緣層讓電子對(duì)在結(jié)兩側(cè)的分布呈現(xiàn)離散狀態(tài)，通過外加電壓可調(diào)控結(jié)上的電荷數(shù) —— 將 “電荷為 0” 定義為 | 0〉態(tài)，“電荷為 1” 定義為 | 1〉態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子比特的精準(zhǔn)控制。

圖1 超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的物理結(jié)構(gòu)

二、電子束光刻：約瑟夫森結(jié)加工的 “必選項(xiàng)”

約瑟夫森結(jié)對(duì)尺寸精度的要求極高：核心區(qū)域（兩超導(dǎo)體夾絕緣層的部分）通常為亞微米（<1μm）甚至納米級(jí)（如 100 nm×100 nm），任何微小的結(jié)構(gòu)缺陷或尺寸偏差，都會(huì)直接破壞量子態(tài)、導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。而傳統(tǒng)光學(xué)光刻（如紫外光刻）無法滿足這一需求，電子束光刻技術(shù)成為唯一選擇。

1.電子束光刻的三大核心優(yōu)勢(shì)

電子束光刻是一種 “直寫式” 光刻技術(shù)，通過聚焦電子束在光刻膠上直接繪制圖形，相比傳統(tǒng)光學(xué)光刻，其優(yōu)勢(shì)恰好匹配約瑟夫森結(jié)的加工需求：

極致分辨率：光學(xué)光刻受 “光衍射” 限制，分辨率難以突破 100 nm；而電子束無衍射問題，可輕松實(shí)現(xiàn)納米級(jí)線寬，精準(zhǔn)刻寫約瑟夫森結(jié)的納米級(jí)核心區(qū)域。

無需掩模版，靈活性高：傳統(tǒng)光學(xué)光刻需制作昂貴的物理掩模版（一套掩模版成本數(shù)十萬甚至上百萬），且修改設(shè)計(jì)需重新制作；電子束光刻可直接修改設(shè)計(jì)并 “直寫”，在科研開發(fā)、原型驗(yàn)證階段能大幅縮短周期、降低試錯(cuò)成本。

對(duì)準(zhǔn)精度高：超導(dǎo)量子器件多為多層結(jié)構(gòu)（如約瑟夫森結(jié)的上下電極、連接線路），層與層需精準(zhǔn)對(duì)齊。電子束光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)納米級(jí)，確保結(jié)區(qū)與電極、線路完美連接，保障器件性能穩(wěn)定。

2. 約瑟夫森結(jié)的加工流程

電子束光刻在約瑟夫森結(jié)制備中承擔(dān) “圖案化定義” 的核心角色，完整加工流程如下（參考工藝示意圖）：

襯底預(yù)處理：清潔 Al?O?基底，去除表面雜質(zhì)；

涂膠：在襯底上均勻涂抹光刻膠（抗蝕劑）；

電子束曝光：用聚焦電子束在光刻膠上刻寫約瑟夫森結(jié)的圖案；

顯影：去除曝光后的光刻膠，露出需沉積金屬的區(qū)域；

傾斜蒸鍍：通過傾斜角度蒸鍍鋁（形成上下超導(dǎo)體）和 Al?O?（形成絕緣層）；

剝離：去除剩余光刻膠，留下完整的約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖2 約瑟夫森結(jié)的加工流程

三、混合光刻技術(shù)：破解量子芯片 “批量化難題”

電子束光刻雖精度高，但存在一個(gè)關(guān)鍵短板 ——曝光速度慢、加工時(shí)間長（直寫式需逐點(diǎn)繪制，一次只能加工少量器件），這嚴(yán)重限制了量子芯片的批量化生產(chǎn)和研發(fā)迭代。

1.混合光刻的核心邏輯

量子芯片的結(jié)構(gòu)中，約瑟夫森結(jié)的面積占比極?。ㄍǔ２蛔?1%），其余多為大尺寸結(jié)構(gòu)（如金屬連線、電極墊），這些結(jié)構(gòu)對(duì)精度要求較低（微米級(jí)即可）?；诖?，混合光刻策略應(yīng)運(yùn)而生：

核心精細(xì)結(jié)構(gòu)（約瑟夫森結(jié)）：采用電子束光刻，保障納米級(jí)精度；

非核心大尺寸結(jié)構(gòu)（金屬連線、電極墊）：采用傳統(tǒng)光學(xué)光刻（如紫外光刻、DMD 無掩膜光刻），利用其 “高速大面積曝光” 的優(yōu)勢(shì)提升效率。

這種策略既保留了電子束光刻的精度優(yōu)勢(shì)，又通過光學(xué)光刻提高了整體加工效率，同時(shí)降低了成本（減少電子束光刻的使用時(shí)間，避免光學(xué)光刻的掩模版浪費(fèi)）。

2. 澤攸科技的混合光刻實(shí)踐

圖3 澤攸科技ZEL304G電子束光刻機(jī)

作為同時(shí)擁有電子束光刻（ZEL304G）和光學(xué)光刻（ZML10A 無掩膜光刻機(jī)）技術(shù)的企業(yè)，澤攸科技已實(shí)現(xiàn)混合光刻工藝的落地，具體流程如下：

光學(xué)光刻環(huán)節(jié)：勻膠→DMD 曝光（刻寫大尺寸結(jié)構(gòu)）→顯影→金屬沉積（連線、電極墊）→剝離；

二維材料轉(zhuǎn)移：將二維材料（如石墨烯，用于優(yōu)化器件性能）轉(zhuǎn)移至目標(biāo)區(qū)域；

電子束光刻環(huán)節(jié)：再次勻膠→電子束曝光）→顯影→金屬沉積 →剝離；

樣品清洗：去除殘留雜質(zhì)，完成器件加工。

圖4 ZEL304G電子束光刻機(jī)與DMD混合光刻

此外，ZEL304G 電子束光刻機(jī)的 “三點(diǎn)定標(biāo)功能” 解決了混合光刻的 “套刻難題”—— 即使光學(xué)光刻與電子束光刻的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，也能實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)齊，可與 DMD 光刻機(jī)、激光直寫光刻機(jī)等設(shè)備兼容，實(shí)現(xiàn) “1+1>2” 的加工效果，為量子芯片的批量研發(fā)提供了可行方案。

圖5 ZEL304G電子束光刻機(jī)與激光直寫光刻機(jī)混合光刻

結(jié)語

量子比特的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)依賴約瑟夫森結(jié)的納米級(jí)加工精度，而電子束光刻正是這一精度的 “核心保障”；混合光刻技術(shù)則通過 “核心區(qū)域高精度 + 非核心區(qū)域高效率” 的組合策略，破解了量子芯片批量化生產(chǎn)的瓶頸。從基礎(chǔ)原理到工藝落地，電子束光刻與混合光刻技術(shù)共同推動(dòng)量子芯片從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?。未來澤攸科技的電子束光刻機(jī)系列產(chǎn)品同樣也將為混合光刻方案提供可靠的設(shè)備支撐，成為量子芯片加工領(lǐng)域的重要技術(shù)利器，助力推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。