氪气登场，200℃低温制备量子芯片钽薄膜

要实现量子计算商业化，芯片厂商不仅需要高品质超导材料，还需要一套可靠、可落地的纳米制造工艺。钽是一种耐腐蚀金属，能够满足材料性能要求，但却难以适配现有制造工艺。原因在于，钽薄膜沉积到衬底上，通常需要超过400℃的高温，而这个温度超出了多数半导体晶圆厂现有设备的承受范围。

康奈尔大学的研究人员开发出一种新工艺：采用氪气作为溅射气体，可将硅衬底上钽薄膜的沉积温度降至200℃，同时制备出电子导电性能大幅提升的薄膜。

“从器件性能角度来看，钽是非常有潜力的材料，但受工艺集成条件（例如所需高温）限制，它的可制造性一直存在疑问。” 该项目负责人、康奈尔达菲尔德工程学院助理教授、Aref and Manon Lahham讲席研究员Valla Fatemi表示，“我们借助物理与材料学认知，做了一个相对简单的改动，就把工艺温度降到工业纳米制造设备可适配的区间，并且在实验室条件下实现了器件的顶尖性能。”

该研究成果发表于《自然‑材料》（Nature Materials），论文第一作者为2026届博士毕业生、博士后研究员Maciej Olszewski。

量子芯片制造的一大瓶颈

量子计算依托超导体独特的量子力学特性，可以几乎无能量损耗地传输电流，有望完成速度更快、复杂度更高的计算。量子比特（qubit）是硬件的基础单元，能够存储和处理海量信息。但把高性能材料与纳米加工工艺良好结合，一直是制约这项技术商业化发展的主要瓶颈之一。

Fatemi的实验室主要研究凝聚态物理实验与量子器件的交叉方向。该团队此前已经开发出表征与纳米制备工艺，实现了铌基材料的高性能。在那项研究中，团队使用稀有气体氩离子轰击铌靶材，将铌原子溅射出来并沉积到衬底上形成薄膜，该工艺称为溅射。

“那项工作帮我们打开了局面，让我们充分理解表面科学，以及表面特性如何影响器件性能。”Fatemi说道。

硅衬底上钽薄膜的原子力显微镜（AFM）与扫描透射电子显微镜（STEM）分析。

钽材料的性能与工艺矛盾

研究团队将研究对象从铌换成钽。钽是一种过渡金属，表面性质更稳定、抗腐蚀能力强，是各类超导器件的热门候选材料。但钽同样存在难题：低温沉积得到的钽会形成性能不佳的晶体相。想要解决该问题，要么在400℃以上高温条件下进行沉积，要么在衬底表面引入其他材料做晶种层来调控性能。

与此同时，如果温度过高，钽会和硅衬底发生元素互混，生成一层厚界面层，造成信息损耗，降低芯片性能。

氪气拓宽工艺温度窗口

研究给出了新的解决思路：Olszewski提出假设，把溅射气体由氩气换成氪气，氪离子可以传递更大动量，以更高能量轰击剥离钽原子，从而在硅衬底上直接生成目标晶体相，并且整个过程可以在更低温度完成。

“很多成熟设备与产线的工艺上限就是400℃。旧工艺下，硅上沉积钽刚好卡在这个临界边界，可靠加工的余量非常小。”Olszewski表示，“使用氪气溅射之后，沉积阈值温度降到200℃，这样就拥有很宽裕的窗口，能够实现稳定制备。”

约瑟夫森结细微工艺变化开始影响器件表现

工艺的最后关键一步是制备约瑟夫森结：两层金属中间夹一层绝缘层形成叠层结构，电子可以发生量子隧穿效应，这正是量子比特的核心基础。

“现在我们实验室器件的性能对这一步工艺变得十分敏感。过去这点并不明显。但如今器件性能已经达到很高水平，约瑟夫森结制备过程中哪怕极其细微的工艺改动，都会带来巨大性能差异。”Fatemi说，“也就是说，我们进入了一个新阶段，很多从前被忽视的细节现在都变得至关重要。”

研究团队发现，采用该新工艺制备的钽薄膜，可以得到品质极高的量子比特，器件整体性能获得大幅提升。

“我们目前已经站在全球领先水平。这项成果不仅对我们课题组意义重大，也推动了康奈尔大学在超导量子信息器件领域的整体进展。”Fatemi表示。