量子電腦要從實驗室走向商業化量產，除了需要具備高品質的超導材料，也必須配合能穩定運作的奈米製程。康乃爾大學團隊近日提出鉭薄膜低溫濺鍍技術，使用氪氣取代傳統濺鍍製程中的氬氣，成功將鉭沉積溫度從超過 400℃ 降至最高約 200℃，並直接在矽基板上形成具較高電子傳導性的薄膜。
相關研究論文已發表於《自然材料》（Nature Materials）期刊。研究重點在於改善鉭材料沉積時的溫度與薄膜品質，降低高溫製程對矽基板及量子元件性能造成的影響。
鉭材料的優勢與製程限制
量子位元是量子電腦用來儲存與處理資訊的核心元件，許多設計仰賴超導體接近零能量損耗的量子力學特性運作。鉭是超導元件常用的過渡金屬，具備穩定的表面性質與高耐腐蝕性，因此被視為適合製作量子電路的材料之一。
然而，鉭在較低溫度下沉積時，薄膜品質與導電表現可能不理想。傳統做法通常需要將沉積溫度提高至 400℃ 以上，或在材料表面加入其他成分以調整其性質。高溫沉積則可能讓鉭與矽基板發生反應，形成額外的厚層，進而造成資訊遺失並降低晶片性能。
氪氣如何改善鉭薄膜沉積
康乃爾大學團隊的方案，是在濺鍍過程中使用氪氣作為電離氣體，而非常見的氬氣。由於氪原子質量較高，電離後可向鉭材料傳遞更多動量，將鉭原子濺出並沉積到矽基板表面。
研究指出，這項方式能在較低溫度下形成品質更高、電子傳導性更佳的鉭薄膜。製程最高溫度可降至約 200℃，並具備利用現有設備與生產線導入的可能性。不過，實際量產效益仍取決於設備調校、薄膜一致性、良率與後續量子元件整合結果。
與約瑟夫森接面的量子位元製程
鉭薄膜完成後，量子元件還需要加入約瑟夫森接面。這種結構是在兩層金屬之間夾入一層電絕緣材料，使電子能夠發生量子穿隧效應，並藉此形成量子位元的重要電路元件。
因此，鉭薄膜沉積並不是量子位元製造的唯一關鍵，但材料導電性、表面狀態與基板介面品質，都會影響後續元件的電性與穩定性。低溫沉積若能在維持薄膜品質的同時降低對基板的影響，將有助於改善超導量子元件的製程整合。
對量子電腦商業化的意義
量子電腦商業化面臨的問題，並不只在於量子演算法或控制系統，也包括如何以可重複、可擴展的方式製造高品質量子位元。康乃爾大學團隊提出的鉭薄膜低溫濺鍍技術，針對高溫沉積與矽基板相容性問題提供另一種解決方向。
目前可確認的成果是，研究團隊以氪氣濺鍍方式降低鉭沉積溫度，並製成具較高電子傳導性的薄膜。至於這項技術是否能在大規模量產中持續維持量子位元品質、製程良率與長期可靠性，仍需要更多實際製造與系統測試驗證。
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