泽攸科技 | 量子芯片加工的核心支撑：电子束光刻技术的原理与应用-泽攸科技

首页

泽攸科技 | 量子芯片加工的核心支撑：电子束光刻技术的原理与应用

发布时间：

2025-09-17

量子芯片是量子计算机的 “大脑”，其核心地位堪比传统计算机的中央处理器（CPU）。但与传统芯片依靠 “0”“1” 经典比特运算不同，量子芯片通过 “量子比特（Qubit）” 的量子力学特性实现计算 —— 这一特性的实现，离不开电子束光刻技术的精准支撑。本文将从量子比特的本质出发，解析其与电子束光刻的关联，并探讨混合光刻技术如何破解量子芯片批量化难题。

一、量子比特：量子计算的 “最小单元”

传统芯片（如 CPU、GPU）的晶体管虽已缩小至纳米级，但核心仍是 “大量电子群体运动”；而量子芯片的核心 ——量子比特，则依赖单个或少数电子、光子的量子状态（叠加、纠缠）工作，是量子计算的基本单位。

1. 量子比特的核心特性

与经典比特 “非 0 即 1” （类似硬币落于地面非正即反）的固定状态不同，量子比特具有三大独特属性，正是这些属性赋予了量子计算的优势：

叠加态：量子比特可同时处于 | 0〉和 | 1〉的线性叠加状态，类似 “硬币直立高速旋转时，既是正面也是反面”。这种特性让量子计算机能同时求解多个可能解，具备强大的并行计算能力。
纠缠态：两个量子比特可形成 “纠缠”—— 即使相隔遥远，一个量子比特的状态变化会瞬间影响另一个，如同 “两个硬币旋转时状态完全同步”，让量子计算实现高度协同操作。
可调控性：通过外部信号（如电磁场）可改变量子比特的状态，类似 “用手拍停旋转的硬币”；同时需长时间保持状态稳定，避免环境噪声（如温度、电磁干扰）破坏量子态。

2. 约瑟夫森结：实现量子比特的 “关键元件”

要满足量子比特的 “稳定叠加、可调控、抗噪声” 需求，约瑟夫森结成为超导量子比特的核心选择。其结构为 “超导体 - 绝缘体 - 超导体（S-I-S）”，具体构成如下（参考结构示意图）：

基底：灰色的 Al₂O₃（氧化铝）；
下层超导体：蓝色的铝层（100 nm 宽、50 nm 厚）；
绝缘层：紫色的 Al₂O₃（100 nm 宽、仅 2 nm 厚，极薄的绝缘层是关键）；
上层超导体：与下层铝层对应，形成 “夹着绝缘层” 的结构。

约瑟夫森结的工作原理的核心是 “电荷量子化”：极薄的绝缘层让电子对在结两侧的分布呈现离散状态，通过外加电压可调控结上的电荷数 —— 将 “电荷为 0” 定义为 | 0〉态，“电荷为 1” 定义为 | 1〉态，从而实现量子比特的精准控制。

二、电子束光刻：约瑟夫森结加工的 “必选项”

约瑟夫森结对尺寸精度的要求极高：核心区域（两超导体夹绝缘层的部分）通常为亚微米（<1μm）甚至纳米级（如 100 nm×100 nm），任何微小的结构缺陷或尺寸偏差，都会直接破坏量子态、导致计算错误。而传统光学光刻（如紫外光刻）无法满足这一需求，电子束光刻技术成为唯一选择。

1. 电子束光刻的三大核心优势

电子束光刻是一种 “直写式” 光刻技术，通过聚焦电子束在光刻胶上直接绘制图形，相比传统光学光刻，其优势恰好匹配约瑟夫森结的加工需求：

极致分辨率：光学光刻受 “光衍射” 限制，分辨率难以突破 100 nm；而电子束无衍射问题，可轻松实现纳米级线宽，精准刻写约瑟夫森结的纳米级核心区域。
无需掩模版，灵活性高：传统光学光刻需制作昂贵的物理掩模版（一套掩模版成本数十万甚至上百万），且修改设计需重新制作；电子束光刻可直接修改设计并 “直写”，在科研开发、原型验证阶段能大幅缩短周期、降低试错成本。
对准精度高：超导量子器件多为多层结构（如约瑟夫森结的上下电极、连接线路），层与层需精准对齐。电子束光刻系统的对准精度可达纳米级，确保结区与电极、线路完美连接，保障器件性能稳定。

2. 约瑟夫森结的加工流程

电子束光刻在约瑟夫森结制备中承担 “图案化定义” 的核心角色，完整加工流程如下（参考工艺示意图）：

衬底预处理：清洁 Al₂O₃基底，去除表面杂质；
涂胶：在衬底上均匀涂抹光刻胶（抗蚀剂）；
电子束曝光：用聚焦电子束在光刻胶上刻写约瑟夫森结的图案；
显影：去除曝光后的光刻胶，露出需沉积金属的区域；
倾斜蒸镀：通过倾斜角度蒸镀铝（形成上下超导体）和 Al₂O₃（形成绝缘层）；
剥离：去除剩余光刻胶，留下完整的约瑟夫森结结构。

三、混合光刻技术：破解量子芯片 “批量化难题”

电子束光刻虽精度高，但存在一个关键短板 ——曝光速度慢、加工时间长（直写式需逐点绘制，一次只能加工少量器件），这严重限制了量子芯片的批量化生产和研发迭代。

1. 混合光刻的核心逻辑

量子芯片的结构中，约瑟夫森结的面积占比极小（通常不足 1%），其余多为大尺寸结构（如金属连线、电极垫），这些结构对精度要求较低（微米级即可）。基于此，混合光刻策略应运而生：

核心精细结构（约瑟夫森结）：采用电子束光刻，保障纳米级精度；
非核心大尺寸结构（金属连线、电极垫）：采用传统光学光刻（如紫外光刻、DMD 无掩膜光刻），利用其 “高速大面积曝光” 的优势提升效率。

这种策略既保留了电子束光刻的精度优势，又通过光学光刻提高了整体加工效率，同时降低了成本（减少电子束光刻的使用时间，避免光学光刻的掩模版浪费）。

2. 泽攸科技的混合光刻实践

作为同时拥有电子束光刻（ZEL304G）和光学光刻（ZML10A 无掩膜光刻机）技术的企业，泽攸科技已实现混合光刻工艺的落地，具体流程如下：

光学光刻环节：匀胶→DMD 曝光（刻写大尺寸结构）→显影→金属沉积（连线、电极垫）→剥离；
二维材料转移：将二维材料（如石墨烯，用于优化器件性能）转移至目标区域；
电子束光刻环节：再次匀胶→电子束曝光）→显影→金属沉积 →剥离；
样品清洗：去除残留杂质，完成器件加工。

此外，ZEL304G 电子束光刻机的 “三点定标功能” 解决了混合光刻的 “套刻难题”—— 即使光学光刻与电子束光刻的标准不统一，也能实现高精度对齐，可与 DMD 光刻机、激光直写光刻机等设备兼容，实现 “1+1>2” 的加工效果，为量子芯片的批量研发提供了可行方案。

结语

量子比特的稳定实现依赖约瑟夫森结的纳米级加工精度，而电子束光刻正是这一精度的 “核心保障”；混合光刻技术则通过 “核心区域高精度 + 非核心区域高效率” 的组合策略，破解了量子芯片批量化生产的瓶颈。从基础原理到工艺落地，电子束光刻与混合光刻技术共同推动量子芯片从实验室走向实用化。未来泽攸科技的电子束光刻机系列产品同样也将为混合光刻方案提供可靠的设备支撑，成为量子芯片加工领域的重要技术利器，助力推动量子计算产业的发展进程。