JP7501140B2

JP7501140B2 - 量子デバイス

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Publication number: JP7501140B2
Application number: JP2020106149A
Authority: JP
Inventors: 克菊池; 明宮田; 秀渡辺; 教徳西; 英行佐藤; 兼二難波; 彩未山口
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: US20210399195A1; US20240234293A9; US20240136274A1; US12588530B2; JP2022002235A

Description

本発明は、量子デバイスに関する。

特許文献１は、第１の量子ビット基板と第２の量子ビット基板が、並行に伸びる超伝導配線を有するベース基板上にフリップチップ接続された構造を開示している。また、特許文献２は、複数のキュビットを生成するための量子デバイスダイと、量子デバイスダイの動作を制御するための制御回路ダイとが基板上に配置された量子コンピューティングアセンブリ（量子コンピューティングデバイス）を開示している。量子コンピューティングデバイスは、冷却装置を有し得る。

国際公開第２０１８／２１２０４１号特表２０１９－５３７２３９号公報

量子チップを用いた量子デバイス（量子計算機）は、１０ｍＫ（ミリケルビン；絶対温度）程度の極低温に冷却されて動作する。また、断熱性を得るため、量子デバイスの周囲は真空状態となることが多いが、真空は基本的に熱伝導パスとしては機能しない。ここで、上述した特許文献では、配線層が超伝導材料で形成されている。そして、超伝導状態では、超伝導材料は熱をほとんど通さない。したがって、上述した特許文献では、量子チップ（量子ビット基板，量子デバイスダイ）及び量子チップの周囲の冷却が効果的になされないおそれがある。

本開示の目的は、このような課題を解決するためになされたものであり、量子チップ及び量子チップの周囲の冷却を効果的に行うことが可能な量子デバイスを提供することにある。

本開示にかかる量子デバイスは、量子ビットが構成された量子チップと、前記量子チップが実装されたインターポーザと、を有し、前記インターポーザは、基板と、前記基板の前記量子チップの側の面に設けられた配線層と、を有し、前記配線層は、少なくとも一部の領域において、超伝導材料で形成された第１の金属層と、常伝導材料で形成された第２の金属層とを有するように構成されている。

本開示によれば、量子チップ及び量子チップの周囲の冷却を効果的に行うことが可能な量子デバイスを提供できる。

本実施の形態にかかる量子デバイスの概要を示す図である。比較例にかかる量子デバイスの構成を示す図である。実施の形態１にかかる量子デバイスを示す図である。実施の形態２にかかる量子デバイスを示す図である。実施の形態３にかかる、量子デバイスが試料台に搭載された状態を示す図である。実施の形態４にかかる、量子デバイスが試料台に搭載された状態を示す図である。実施の形態５にかかる、量子デバイスが試料台に搭載された状態を示す図である。実施の形態５にかかるサーマルビアの形状を例示する図である。実施の形態５にかかるサーマルビアの形状を例示する図である。実施の形態６にかかる抑え部材を例示する図である。実施の形態６にかかる抑え部材を例示する図である。

（本開示にかかる実施の形態の概要）
量子コンピューティングとは、量子力学的な現象（量子ビット）を用いてデータを操作する領域である。また、量子力学的な現象とは、複数の状態の重ね合わせ（量子変数が複数の異なる状態を同時にとる）、もつれ（複数の量子変数が空間または時間に関わらず関係する状態）などとなる。後述する量子チップには、量子ビットを生成する量子回路が設けられている。
以下、本開示の実施形態の説明に先立って、本開示にかかる実施の形態の概要について説明する。図１は、本実施の形態にかかる量子デバイス１の概要を示す図である。図１は、本実施の形態にかかる量子デバイス１を横から見た図（断面図）である。

図１に示すように、量子デバイス１は、量子チップ１０と、量子チップが実装されたインターポーザ２０とを有する。量子チップ１０は、共振器（ループ回路及びループ回路に接続された導電部材）等の量子回路（図示せず）を有する。量子回路は、超伝導における量子状態において、共振器を用いた処理を行う。このように、量子チップ１０は、量子回路を含み、量子状態を用いた処理を行う。つまり、量子デバイス１（量子チップ１０）によって、量子計算機（量子コンピュータ）が構成され得る。

インターポーザ２０は、インターポーザ基板２２（基板）と、インターポーザ配線層３０（配線層）とを有する。インターポーザ配線層３０は、インターポーザ基板２２の、量子チップ１０の側の面２２ａに設けられている。なお、図１では、量子チップ１０はインターポーザ配線層３０に、直接、接しているように描かれている。しかしながら、後述するように、例えば、量子チップ１０は、バンプ等を介して、インターポーザ２０（インターポーザ配線層３０）に実装されていてもよい。バンプは、例えば、後述するような超伝導材料で形成されていてもよい。

インターポーザ配線層３０は、複数の金属層を有している。具体的には、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料で形成された超伝導材料層３２（第１の金属層）と、常伝導材料で形成された常伝導材料層３４（第２の金属層）とを有する。ここで、超伝導材料とは、後述するような、極低温（１０ｍＫ程度）で超伝導状態となる材料である。また、常伝導材料とは、後述するような、全ての温度域で超伝導状態とならない材料である。

なお、図１では、インターポーザ配線層３０は、全ての領域で超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とで構成されているが、このような構成に限られない。少なくとも一部の領域において、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と、常伝導材料層３４とを有するように構成されている。例えば、少なくとも予め定められた一部の領域（第１の領域）において、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と、常伝導材料層３４とを有するように構成されていてもよい。また、図１では、超伝導材料層３２の方が常伝導材料層３４よりも量子チップ１０に近いように描かれているが、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４との位置関係は、このような構成に限られない。

なお、本実施の形態において、インターポーザ基板２２等の基板として、シリコン基板が用いられるが、基板の材料はこれに限られない。例えば、インターポーザ基板２２等の基板には、サファイヤ基板や化合物半導体基板（ＩＶ族、ＩＩＩ－Ｖ族、ＩＩ－ＶＩ族）又はガラス基板などが用いられてもよい。これらは、単結晶である方が望ましいが多結晶やアモルファスでも構わない。また、インターポーザ基板２２の表面は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２、ＴＥＯＳ膜等）で覆われていることが好ましい。また、本実施の形態において、超伝導材料は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）、ニオブ窒化物、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、レニウム（Ｒｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）、チタン窒化物、タンタル（Ｔａ）、または、これらのいずれかを含む合金である。また、本実施の形態において、常伝導材料は、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、または、これらのいずれかを含む合金である。なお、超伝導状態を実現するため、冷凍機により実現される例えば１０ｍＫ（ミリケルビン）程度の温度環境において、量子デバイス１は利用される。

以下、比較例を用いて、本実施の形態にかかる量子デバイス１の効果を説明する。
図２は、比較例にかかる量子デバイス９００の構成を示す図である。図２は、比較例にかかる量子デバイス９００を示す断面図である。量子デバイス９００は、量子チップ９１０と、インターポーザ９２０とを有する。量子チップ９１０の構成は、上述した量子チップ１０の構成と実質的に同様であってもよい。量子チップ９１０は、インターポーザ９２０に実装されている。具体的には、量子チップ９１０は、インターポーザ９２０にフリップチップ接続している。つまり、量子チップ９１０は、バンプ９０２を介してインターポーザ９２０と接続している。

量子チップ９１０は、量子チップ基板９１２と、超伝導配線層９１４とを有する。超伝導配線層９１４は、量子チップ基板９１２のインターポーザ９２０の側に設けられている。超伝導配線層９１４は、上述したような超伝導材料で形成されている。また、インターポーザ９２０は、インターポーザ基板９２２と超伝導配線層９２４とを有する。超伝導配線層９２４は、インターポーザ基板９２２の量子チップ９１０の側の面に設けられている。超伝導配線層９２４は、超伝導配線層９１４と、バンプ９０２を介して接続されている。また、超伝導配線層９２４は、端子７１０を介して外部基板７００と接続されている。

また、量子デバイス９００は、冷却機能を有する試料台８００に搭載されている。比較例では、インターポーザ９２０の量子チップ９１０とは反対側の面が、試料台８００と接している。試料台８００によって、量子デバイス９００は、極低温に冷却され得る。

上述したように、超伝導状態を実現するため、量子デバイス９００の周囲は真空状態となる。この場合、量子チップ９１０は、インターポーザ９２０及びバンプ９０２を介してのみ、試料台８００によって熱を奪われる。ここで、インターポーザ９２０の量子チップ９１０の側の面には、超伝導配線層９２４が設けられている。そして、上述したように、超伝導材料は、極低温（例えば１０ｍＫ）の超伝導状態では、ほとんど熱を通さない断熱状態となる。したがって、超伝導状態において、超伝導配線層９２４は熱をほとんど通さない。そのため、試料台８００を用いてインターポーザ９２０を介して量子チップ９１０及びその近傍の冷却を行っても、冷却が効率的に行われないおそれがある。

これに対し、本実施の形態にかかる量子デバイス１において、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とを有する。そして、常伝導材料は、極低温でも熱を通す。つまり、極低温において、常伝導材料の熱伝導度は、超伝導材料の熱伝導度よりも非常に高い。したがって、常伝導材料層３４が、量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の熱放散に寄与することとなる。これにより、冷却機能を有する試料台を用いてインターポーザ２０を介して量子チップ１０及びその周囲の冷却を行う場合に、試料台と量子チップ１０との間の熱伝導を、比較例と比較して改善することができる。したがって、本実施の形態にかかる量子デバイス１は、量子チップ及び量子チップの周囲の冷却を効果的に行うことが可能となる。

（実施の形態１）
以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図３は、実施の形態１にかかる量子デバイス１を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる量子デバイス１を示す断面図である。上述したように、量子デバイス１は、量子チップ１０と、インターポーザ２０とを有する。量子チップ１０は、インターポーザ２０にフリップチップ接続している。つまり、量子チップ１０は、バンプ２を介してインターポーザ２０と接続している。

量子チップ１０は、量子チップ基板１２と、超伝導配線層１４とを有する。量子チップ基板１２は、例えば上述したような、シリコン基板等で形成されている。超伝導配線層１４は、上述したようなニオブ（Ｎｂ）等の超伝導材料で形成されている。超伝導配線層１４は、量子チップ基板１２のインターポーザ２０の側に設けられている。超伝導配線層１４には、上述した量子回路が形成されている。また、超伝導配線層１４は、グランド電極の回路が形成されていてもよい。また、上述した量子回路のうち、ジョセフソン接合に用いる材料は、アルミニウム（Ａｌ）が好ましいが、他の超伝導材料でもよい。

インターポーザ２０は、インターポーザ基板２２と、インターポーザ配線層３０と、インターポーザ配線層２４と、貫通ビア２６とを有する。インターポーザ配線層２４は、インターポーザ基板２２の、量子チップ１０とは反対側の面２２ｂに設けられている。インターポーザ配線層２４は、上述した超伝導材料を含んでもよい。この場合、インターポーザ配線層２４は、超伝導配線層１４又はインターポーザ配線層３０（超伝導材料層３２）と同じ超伝導材料を含んでもよいし、異なる超伝導材料を含んでもよい。また、インターポーザ配線層２４は、常伝導材料を含んでもよい。この場合、インターポーザ配線層２４は、インターポーザ配線層３０（常伝導材料層３４）と同じ常伝導材料を含んでもよいし、異なる常伝導材料を含んでもよい。例えば、インターポーザ配線層２４は、表面が銅（Ｃｕ）、銅（Ｃｕ）の下にチタン（Ｔｉ）を含むことが好ましい。例えば、インターポーザ基板２２がシリコンを含む場合には、インターポーザ２０の反対側の面２２ｂについては、Ｃｕ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ（インターポーザ基板２２）という構成が好ましい。

また、図３に示したインターポーザ２０は、インターポーザ基板２２の両面に配線層を有する２層構造で構成されているが、配線層は、３層以上の多層配線構造で構成されてもよい。この場合、例えば、インターポーザ配線層２４のインターポーザ基板２２とは反対側に、さらに、貫通ビアが形成された基板を設け、その基板の、インターポーザ配線層２４とは反対側の面に、配線層を設けてもよく、絶縁層と絶縁層を挟むように配線層を設け、絶縁層間をつなぐビアにて多層配線構造としてもよい。

貫通ビア２６は、インターポーザ基板２２に設けられている。貫通ビア２６は、インターポーザ２０がシリコン基板にビアとして形成される場合、いわゆる（ＴＳＶ；（Through Silicon Via）と呼ばれ、基板を貫通する導体が形成されることによって構成されてもよい。貫通ビア２６は、インターポーザ基板２２を貫通するように形成されている。そして、貫通ビア２６によって、インターポーザ配線層２４とインターポーザ配線層３０とが電気的に接続されている。なお、貫通ビア２６は、上述した超伝導材料を含んでもよい。この場合、貫通ビア２６は、超伝導配線層１４等と同じ超伝導材料を含んでもよいし、異なる超伝導材料を含んでもよい。あるいは、貫通ビア２６は、上述した常伝導材料を含んでもよい。この場合、貫通ビア２６は、インターポーザ配線層２４等と同じ常伝導材料を含んでもよいし、異なる常伝導材料を含んでもよい。例えば、貫通ビア２６は、φ５０［μｍ］の貫通孔の側壁にＳｉＯ_２（例えば、熱酸化膜）を形成し、チタン（Ｔｉ）を密着層として銅（Ｃｕ）を充填されたものである。

インターポーザ配線層３０には、量子回路が形成されていてもよい。例えば、インターポーザ配線層３０には、共振器（ループ回路）に磁場を印加する磁場印加回路（図示せず）が形成されていてもよい。また、インターポーザ配線層３０には、共振器（導電部材）から量子状態の情報を読み出す読み出し回路（図示せず）が形成されていてもよい。また、インターポーザ配線層３０には、グランド電極の回路が形成されていてもよい。つまり、インターポーザ配線層３０には、量子回路としてグランド電極の回路が形成されていてもよい。このように、インターポーザ配線層３０に量子回路が形成されている場合、インターポーザ２０は、量子インターポーザとして機能する。

インターポーザ配線層３０は、複数の金属層を有する。具体的には、上述したように、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と、常伝導材料層３４とを有する。超伝導材料層３２は、超伝導配線層１４と同じ超伝導材料を含んでもよいし、異なる超伝導材料を含んでもよい。常伝導材料層３４は、インターポーザ配線層２４と同じ常伝導材料を含んでもよいし、異なる常伝導材料を含んでもよい。

また、インターポーザ配線層３０に回路が形成されている場合、積層された超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とによって、回路が形成されている。つまり、超伝導材料層３２の回路形状と常伝導材料層３４の回路形状とは互いに同じであり得る。言い換えると、超伝導材料層３２で形成された回路と、同じ形状の常伝導材料層３４で形成された回路とが、互いに重なり合っている。

そして、実施の形態１において、超伝導材料層３２は、常伝導材料層３４よりも量子チップ１０の近くに設けられている。つまり、インターポーザ配線層３０において、超伝導材料層３２は、量子チップ１０に最も近い金属層である。言い換えると、インターポーザ配線層３０を構成する複数の金属層のうち、最も近い金属層は、超伝導材料層３２である。例えば、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２をＮｂ（０．１［μｍ］厚）で形成し、Ｎｂの下に常伝導材料層３４をＣｕ（２［μｍ］厚）で形成し、Ｃｕの下にＴｉを形成することが好ましい。例えば、インターポーザ基板２２がシリコンを含む場合には、インターポーザ２０の量子チップ１０の側の面２２ａは、Ｎｂ／Ｃｕ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ（インターポーザ基板２２）という構成が好ましい。

インターポーザ２０において電気信号が流れるのは配線層（インターポーザ配線層３０）の表面（量子チップ１０の側の面３０ａ）である。また、量子デバイス１では超伝導状態において超伝導材料の抵抗値（電気抵抗）が略ゼロとなる特徴を利用している。したがって、量子チップ１０に対向する面３０ａに超伝導材料層３２を設けることにより、効果的に、抵抗が低い状態（超伝導状態）を利用することができる。また、量子状態（量子チップ１０の量子回路が量子ビットとして機能している状態）を長時間維持するためには、量子回路の近傍の、電磁界に影響する環境を合わせておく必要がある。ここで、量子チップ１０の量子回路が超伝導材料で形成されていることから、インターポーザ配線層３０の量子チップ１０の側の面３０ａも超伝導材料で形成されていることで、電磁界に影響する環境を、量子チップ１０と合わせることができる。

また、超伝導配線層１４は、バンプ２を介して、インターポーザ配線層３０と接続（フリップチップ接続）されている。より具体的には、超伝導配線層１４は、バンプ２を介して、インターポーザ配線層３０の超伝導材料層３２と接続されている。なお、バンプ２は、超伝導配線層１４と超伝導材料層３２との間で信号を通してもよい。例えば、バンプ２が、超伝導配線層１４のグランド電極の回路が形成された箇所とインターポーザ配線層３０（超伝導材料層３２）のグランド電極の回路が形成された箇所とを接続してもよい。これにより、両者のグランド電極が同電位となり得る。あるいは、バンプ２を介して熱伝導を行ってもよい。この場合、バンプ２は、超伝導材料と常伝導材料とを含んでもよい。つまり、バンプ２は、多層構造でもよい。また、好ましいフリップチップ接続は、Ｎｂ（量子チップ１０の配線）／Ｉｎ／Ｔｉ／Ｎｂ（インターポーザ２０の配線表面）／Ｃｕ、または、Ｎｂ（量子チップ１０の配線）／Ｎｂ（インターポーザ２０の配線表面）／Ｃｕといった層状であってもよい。Ｃｕの厚みを、インターポーザ配線層３０の２［μｍ］厚に、２～１０［μｍ］の範囲で追加してφ１００［μｍ］のバンプ２を設けることが好ましい。

また、超伝導材料層３２の厚さＨ１は、常伝導材料層３４の厚さＨ２よりも薄い。つまり、インターポーザ配線層３０において、常伝導材料層３４の厚さＨ２は、超伝導材料層３２の厚さＨ１よりも厚い。このように、インターポーザ配線層３０は、熱を通しやすい常伝導材料層３４の厚さＨ２が熱を通しにくい超伝導材料層３２の厚さＨ１よりも厚くなるように形成されているので、効果的に冷却を行うことができる。

さらに、以下に説明するように、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とを積層する場合、強度上の観点から、常伝導材料層３４の厚さを超伝導材料層３２の厚さよりも厚くしたほうがよい。量子ビットのコヒーレンス（量子状態を保持できる能力）を良好にするためには、ニオブ、ニオブ窒化物、タンタル又はチタン窒化物などの、ＩＶ族、Ｖ族又はＶＩ族の金属が、量子回路に用いられる。これらの材料を用いて成膜を行う場合、スパッタ法を採用することが多い。ここで、スパッタ法による成膜では、膜厚方向に結晶の成長が進むこと、及び、これらＩＶ族～ＶＩ族の金属では成膜中に収縮方向へのひずみが蓄積されることから、膜厚が厚くなると、割れ等の破断が発生するおそれがある。したがって、超伝導材料層３２については、５００ｎｍを超えない厚さ、例えば概ね１００ｎｍの厚さとすることが望ましい。

また、量子デバイス１（量子コンピュータ）は極低温で使用されるので、量子デバイス１を構成する部材では、冷却による材料収縮が発生し得る。ここで、常伝導材料と超伝導材料とで熱膨張率（熱膨張係数）が異なる。したがって、割れ等の破断しやすい超伝導材料が常伝導材料の変化に追従するようにすることが望ましい。したがって、超伝導材料の膜厚を常伝導材料の膜厚よりも薄くする必要がある。

以上の特性から、超伝導材料層３２は常伝導材料層３４よりも薄いことが望ましい。例えば、超伝導材料層３２をニオブ（Ｎｂ）で形成し、常伝導材料層３４を銅（Ｃｕ）で形成する場合、超伝導材料層３２の厚さを０．１μｍとし、常伝導材料層３４の厚さを２μｍとすることが好ましい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。実施の形態２では、インターポーザ配線層３０の構造が、実施の形態１と異なる。なお、実施の形態２において、インターポーザ配線層３０以外の構造については、実施の形態１と実質的に同様であるので、適宜、説明を省略する。

図４は、実施の形態２にかかる量子デバイス１を示す図である。図４は、実施の形態１にかかる量子デバイス１を示す断面図である。実施の形態１と同様に、量子デバイス１は、量子チップ１０と、インターポーザ２０とを有する。量子チップ１０は、バンプ２を介してインターポーザ２０にフリップチップ接続している。また、実施の形態１と同様に、インターポーザ２０の、量子チップ１０の側の面２０ａには、インターポーザ配線層３０が設けられている。

ここで、量子チップ基板１２とインターポーザ基板２２との間の領域を、予め定められた量子チップエリアＡｒ１（図４に太い実線で示す）とする。つまり、量子チップエリアＡｒ１（第１の領域）は、インターポーザ配線層３０のうち、量子チップ１０と対向する領域に対応する。ここで、上述したように、量子回路が量子状態を良好に維持するため、量子チップ１０の回路及びその近傍のインターポーザ配線層３０の回路は、超伝導材料で形成されることが好ましい。したがって、量子チップエリアＡｒ１において量子チップ１０に近い金属層は、超伝導材料で形成されることが好ましい。したがって、量子チップエリアＡｒ１（第１の領域）では、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とで構成されている。言い換えると、インターポーザ配線層３０の少なくとも量子チップエリアＡｒ１に対応する部分は、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とで構成されている。そして、超伝導材料層３２が、常伝導材料層３４よりも量子チップ１０の側に配置されている。

一方、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域の回路については、量子回路が量子状態を維持するためには、必ずしも、超伝導材料で形成されている必要はない。したがって、実施の形態２では、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域では、インターポーザ配線層３０は、常伝導材料で形成されている。つまり、インターポーザ配線層３０は、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域に、常伝導材料層３６を有する。そして、量子チップエリアＡｒ１の外側において、インターポーザ配線層３０は、常伝導材料層３６のみの単層構造で構成されている。なお、常伝導材料層３６は、常伝導材料層３４と一体に形成されてもよい。また、常伝導材料層３６は、常伝導材料層３４と同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

なお、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域でも、インターポーザ配線層３０は、超伝導材料層３２と常伝導材料層３４とで構成されてもよい。この場合、超伝導材料層３２が、常伝導材料層３４よりも量子チップ１０の側に配置されている必要はなく、常伝導材料層３４が量子チップ１０の側に配置されてもよい。したがって、実施の形態２では、インターポーザ配線層３０の量子チップエリアＡｒ１の外側の領域の少なくとも一部では、量子チップ１０の側の面３０ａが、常伝導材料で形成されている。

インターポーザ配線層３０がこのように構成されていることによって、量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍（量子チップエリアＡｒ１）の冷却時に、さらに効果的に、冷却を行うことができる。例えば、以下に説明する実施の形態のように量子デバイス１が冷却される場合に、常伝導材料層３４，３６が試料台に接することで冷却されることで、さらに冷却効果を向上させることができる。なお、図４では、インターポーザ配線層３０の、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域の全てにおいて、常伝導材料層３６が設けられている。しかしながら、後述する例のように、量子チップエリアＡｒ１の外側の領域の一部に、常伝導材料層３６が設けられていてもよい。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。実施の形態３においては、量子デバイス１が、冷却機能を有する試料台に搭載されている。

図５は、実施の形態３にかかる、量子デバイス１が試料台５０に搭載された状態を示す図である。図５は、量子デバイス１及び試料台５０の断面図である。なお、図５においては、貫通ビア２６は省略されている（以降の実施の形態でも同様）。

なお、量子デバイス１と試料台５０とによって、量子デバイスシステムが構成されているといってもよい。言い換えると、図５は、量子デバイスシステムを示し、量子デバイスシステムは、量子デバイス１と、試料台５０とを有する。このことは、後述する他の実施の形態でも同様である。

なお、図５には、実施の形態２にかかる量子デバイス１が試料台５０に搭載された状態が示されている。なお、図５の例では、インターポーザ配線層３０の量子チップ１０と対向する領域（量子チップエリアＡｒ１）の外側の領域の全てが、常伝導材料層３６で構成されているわけではない。後述するように、少なくとも、インターポーザ配線層３０の試料台５０と接する箇所の一部については、常伝導材料層３６が設けられている。

試料台５０は、例えば、冷凍機によって、１０［ｍＫ］程度の極温度に冷却可能なコールドステージである。試料台５０は、例えば、銅（Ｃｕ）、銅合金又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属を含むことが好ましい。また、アルミニウムを含む試料台５０の場合は、アルマイト処理による絶縁化を施していてもよい。本実施の形態の量子デバイス１は、例えば、量子チップ１０の超伝導材料として、ニオブ（Ｎｂ）を含む場合には９．２［Ｋ］以下、アルミニウム（Ａｌ）を含む場合には１．２［Ｋ］以下の極低温における超伝導現象を用いる。このため、このような極温度に冷却可能な試料台５０を用いる。なお、試料台５０自体が冷凍機（コールドステージ）として機能してもよいし、冷凍機（コールドステージ）の上に試料台５０を置いてもよい。コールドステージ（試料台５０）は、ヘリウム錯体を用いた冷却器で冷やされる部分とつながって熱伝導する構造を有してもよい。

試料台５０の上面５０ａには凹部５２が形成されている。量子デバイス１は、量子チップ１０が凹部５２の内部に配置されるように、試料台５０に搭載されている。なお、量子チップ基板１２の、インターポーザ２０と反対側の面１２ｂ、つまり凹部５２の底面５２ｂの側の面１２ｂは、凹部５２の底面５２ｂと接触していてもよいし、離れていてもよい。量子チップ基板１２の面１２ｂが底面５２ｂと接している場合、ワニス又はグリス等の接着剤によって、面１２ｂの少なくとも一部が底面５２ｂと接着していてもよい。あるいは、面１２ｂの少なくとも一部が底面５２ｂと金属層によって接合していてもよい。なお、面１２ｂが底面５２ｂと離れている場合、両者の間は真空状態であるので、試料台５０によって、直接、量子チップ１０から熱が奪われることは、ほとんどない。したがって、この場合、インターポーザ２０を経由して、熱を逃がすこととなる。

このように、実施の形態３では、試料台５０の凹部５２に量子チップ１０を挿入して冷却を行うように構成されている。これにより、インターポーザ２０の、量子チップ１０と反対側の面（インターポーザ配線層２４の側の面）を、量子チップ１０から情報を取り出すための端子に最大限用いることができる。よって、情報取り出し端子数を増加させることができる。

ここで、図５の上方から見たときに、量子チップ１０は凹部５２よりも小さいが、インターポーザ２０は凹部５２よりも大きい。したがって、インターポーザ２０の一部は、試料台５０に接している。したがって、量子チップ１０は、インターポーザ２０を介して、試料台５０によって冷却されることとなる。言い換えると、インターポーザ２０を熱流路として用いることで、量子チップ１０及びその近傍を冷却することができる。これにより、冷却性能を向上させることができる。

また、実施の形態３では、図５に示すように、インターポーザ配線層３０の常伝導材料層３６が、試料台５０の上面５０ａと接している。なお、インターポーザ配線層３０（常伝導材料層３６）は、試料台５０の上面５０ａと、接着剤によって接着されていてもよいし、金属層によって接合されていてもよい。また、常伝導材料層３６と試料台５０の上面５０ａとは、電気的に絶縁されていてもよい。例えば、常伝導材料層３６の試料台５０の上面５０ａと接した部分には、試料台５０との電気的導通を防ぐために、絶縁膜が形成されてもよいし、絶縁性のスペーサが配置されてもよい。但し、常伝導材料層３６と試料台５０の上面５０ａとの間の層は、熱伝導性が良いことが好ましい。

このように、常伝導材料層３６が試料台５０と接しているので、常伝導材料層３６が、直接、試料台５０によって冷却される。そして、常伝導材料層３６は、常伝導材料層３４と接している。したがって、試料台５０によって常伝導材料層３６が冷却され、さらに常伝導材料層３４が冷却される。これにより、さらに効果的に、量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の冷却を行うことができる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。実施の形態４においては、試料台５０の形状が、実施の形態３と異なる。

図６は、実施の形態４にかかる、量子デバイス１が試料台５０に搭載された状態を示す図である。図６は、量子デバイス１及び試料台５０の断面図である。実施の形態４では、図５に示した実施の形態３にかかる試料台５０とは異なり、図６に示すように、量子チップ基板１２の面１２ｂの側には、試料台５０が設けられていない例を示している。この構造をとることで、温度変化により試料台５０とインターポーザ２０が変形（収縮又は膨張）した場合に、試料台５０からインターポーザ２０に対して応力集中やひずみを与えることが発生し、変形による量子デバイス１の特性変化や破損することや、逆に隙間が発生して冷却性能を低下させることを抑制することができる。ただし、冷却後のインターポーザ２０と試料台５０との寸法が制御できる場合は、両側に試料台５０を設けても構わない。

また、実施の形態４では、試料台５０には、図６におけるインターポーザ２０の右側に、試料台部分５４が設けられている。したがって、インターポーザ２０は、図６における右側の側面において、試料台５０と接している。なお、図６におけるインターポーザ２０の左側には、試料台部分５４は設けられていない。

また、実施の形態４では、図６におけるインターポーザ配線層３０の左側については、実施の形態２及び実施の形態３のように、試料台５０と接する箇所に常伝導材料層３６が設けられている。したがって、インターポーザ配線層３０において、常伝導材料層３６は、試料台５０の上面５０ａと接している。

また、図６におけるインターポーザ配線層３０の右側においては、常伝導材料層３６が設けられていない。一方、上述したように、試料台部分５４が設けられているので、インターポーザ配線層３０の側面が、試料台５０と接している。このとき、図６の矢印Ａで示すように、インターポーザ配線層３０の常伝導材料層３４の側面が試料台５０の面５０ｃと接することとなる。

このように、常伝導材料層３４が試料台５０と接しているので、常伝導材料層３４が、直接、試料台５０によって冷却される。これにより、常伝導材料層３６を設けなくても、効果的に、量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の冷却を行うことができる。言い換えると、インターポーザ配線層３０において、量子チップ１０の側の面が常伝導材料層でなくても、効果的に、量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の冷却を行うことができる。なお、インターポーザ２０の左側に試料台部分５４を設けると、温度変化によりインターポーザ２０が変形（収縮又は膨張）した場合に、インターポーザ２０を制約するおそれがある。したがって、図６に示すように、インターポーザ２０の片方には、試料台部分５４がないことが好ましい。したがって、インターポーザ配線層３０の試料台部分５４がない方には、常伝導材料層３６が設けられていることが好ましい。これにより、実施の形態３のように、冷却効果を高めることができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。実施の形態５においては、インターポーザ２０の冷却される箇所が、実施の形態３及び実施の形態４と異なる。

図７は、実施の形態５にかかる、量子デバイス１が試料台５０に搭載された状態を示す図である。図７は、量子デバイス１及び試料台５０の断面図である。実施の形態３と同様に、図７に示すように、量子デバイス１は、量子チップ１０が凹部５２の内部に配置されるように、試料台５０に搭載されている。そして、実施の形態３と同様に、図７には、実施の形態２にかかる量子デバイス１が試料台５０に搭載された状態が示されている。なお、図７の例では、インターポーザ配線層３０の量子チップ１０と対向する領域の外側の領域の全てが、常伝導材料層３６で構成されているわけではない。また、インターポーザ配線層３０の試料台５０と接する箇所の全てに、常伝導材料層３６が設けられているわけではない。図７に示す例では、インターポーザ配線層３０の試料台５０と接する箇所の少なくとも一部に、常伝導材料層３６が設けられている。

また、インターポーザ２０の、量子チップ１０とは反対側の面２０ｂに、冷却部材５６が配置されている。面２０ｂは、冷却部材５６と接していてもよい。冷却部材５６は、冷却機能を有している。例えば、冷却部材５６は、試料台５０に熱的に接続することによって冷却機能を有してもよい。このような構成とすることにより、インターポーザ２０の面２０ｂを、冷却部材５６によって冷却することができ、冷却性能を向上させることができる。また、後述するサーマルビア２７を介して量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の冷却を効果的に行うように、冷却部材５６は、面２０ｂの量子チップ１０に対応する位置に配置されることが好ましい。つまり、図７において、冷却部材５６は、面２０ｂの量子チップ１０の領域に対応するように配置されることが好ましい。

また、インターポーザ基板２２には、サーマルビア２７（ビア）が形成されている。サーマルビア２７は、インターポーザ基板２２を貫通している。これにより、インターポーザ配線層２４とインターポーザ配線層３０とが、サーマルビア２７を介して接続される。具体的には、サーマルビア２７は、インターポーザ配線層３０とインターポーザ配線層２４との間で熱を移動させることができる。また、サーマルビア２７を介して量子チップ１０及び量子チップ１０の近傍の冷却を効果的に行うように、サーマルビア２７は、量子チップエリアＡｒ１（図４参照）に対応する位置に設けられていることが好ましい。

サーマルビア２７は、熱伝導性が高い材料で形成されている。したがって、サーマルビア２７は、極低温でも熱伝導性を有するように、上述した常伝導材料で形成されていてもよい。なお、貫通ビア２６を、サーマルビア２７として使用してもよい。この場合、貫通ビア２６を常伝導材料で形成するようにしてもよい。特に、貫通ビア２６がグランド電極と接続される場合、貫通ビア２６をサーマルビア２７として使用してもよい。また、サーマルビア２７は、窒化アルミニウム等の熱伝導性が高いセラミックで形成されていてもよい。

図８及び図９は、実施の形態５にかかるサーマルビア２７の形状を例示する図である。図８に例示するように、サーマルビア２７は、インターポーザ配線層３０の側の径よりもインターポーザ配線層２４の側の径の方が大きいテーパが形成された部分を含んでもよい。すなわち、サーマルビア２７は、インターポーザ配線層２４の側に向かってビア断面が大きくなる略円錐台状の部分を含んでもよい。極低温への温度変化によって、サーマルビア２７は、インターポーザ配線層３０とインターポーザ配線層２４との間で収縮差を生じる。したがって、テーパを形成することにより、収縮差を吸収し、サーマルビア２７における応力及びひずみの発生を抑制することができる。また、インターポーザ配線層３０の側の径よりもインターポーザ配線層２４の側の径の方が大きいテーパを形成することによって、冷却部材５６との接触面積を大きくとることができるため、効率的な熱移動を行うことができる。

また、図９に例示するように、インターポーザ２０は、複数のサーマルビア２７を接続する共通の接続部材２８を含んでもよい。例えば、板状の接続部材２８で複数のサーマルビア２７を接続させてもよい。接続部材２８は、熱伝導性が高い材料を含むことが好ましく、サーマルビア２７と同様の材料を含んでもよい。接続部材２８で接続された複数のサーマルビア２７は、熱容量を大きくすることができ、温度変化を抑制することができる。また、接続部材２８にグランド電位を印加することで、量子チップ１０又はインターポーザ２０は、グランド電位をサーマルビア２７からとることができる。なお、この場合には、サーマルビア２７及び接続部材２８は、熱伝導性が高く、導電性の材料を含むことが好ましい。

また、インターポーザ２０において、量子チップ１０に形成された量子回路（量子チップエリアＡｒ１）に接続された配線または信号線が実装された領域は、それ以外の領域よりも熱を発生する。よって、そのような熱を発生する領域である発熱エリアＡｒ２におけるサーマルビア２７の密度を、それ以外の領域における密度よりも大きくすることが好ましい。例えば、インターポーザ基板２２を上方から見て、量子チップ１０がインターポーザ２０の中央に実装された場合には、中央領域のサーマルビア２７の密度を、周辺領域のサーマルビア２７の密度よりも大きくする。また、インターポーザ２０において、量子回路からの信号を伝達する貫通ビア２６の近傍でも、サーマルビア２７の密度を、それ以外の領域の密度よりも大きくすることが好ましい。これにより、発熱エリアＡｒ２（量子チップエリアＡｒ１）の冷却効果を高めることができる。

また、冷却部材５６が、面２０ｂの量子チップ１０の真上の位置に配置される場合、インターポーザ基板２２に、量子チップ１０とやり取りされる信号を導通するための信号回路２５が設けられてもよい。信号回路２５は、その一端が量子チップ１０と対向する位置にあり、他端は、面２２ｂの、冷却部材５６の外側の領域にある。例として、信号回路２５は、インターポーザ基板２２内の配線とビアを介して構成されている。

また、冷却部材５６によって発熱エリアＡｒ２（量子チップエリアＡｒ１）を十分に冷却できる場合、インターポーザ配線層３０は、試料台５０と接していなくてもよい。しかしながら、インターポーザ配線層３０は、試料台５０と接することで、さらに効果的に、冷却を行うことができる。

また、実施の形態５では、インターポーザ配線層３０、インターポーザ配線層２４及びサーマルビア２７が、常伝導材料で形成されている。これにより、超伝導状態となる前の温度域（例えば－２００度程度）で、導通確認を行うことができる。超伝導状態となる前では、超伝導材料の抵抗値（電気抵抗）は高いので、この状態における抵抗値の細かな変化を捉えることは難しい。一方、この超伝導状態となる前の温度域において、銅（Ｃｕ）などの常伝導材料の抵抗値は、超伝導材料の抵抗値よりも低い。したがって、冷却中における部材（量子デバイス１を構成する部材）の収縮などの変形により導通の悪化（高抵抗化又は断線等）が発生していないかを判定することができる。これにより、常伝導材料の導通が悪化した場合に、超伝導材料の導通についても問題が発生している可能性があると推測することができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。実施の形態６では、試料台５０の所定面に抑え部材が設けられている。

図１０及び図１１は、実施の形態６にかかる抑え部材５３を例示する図である。図１０は、試料台５０の凹部５２及び抑え部材５３を例示した斜視図である。図１１は、試料台５０の凹部５２及び抑え部材５３を例示した平面図である。また、図１１には、量子デバイス１の平面図も示している。図１０及び図１１に示すように、試料台５０の凹部５２は、試料台５０の所定面、例えば、試料台５０の上面５０ａに形成されている。そして、凹部５２の周辺における上面５０ａには、複数の抑え部材５３が設けられている。例えば、４つの抑え部材５３は、上面５０ａに設けられている。

インターポーザ２０の側面の少なくとも一部は、上面５０ａに設けられた抑え部材５３に接している。例えば、インターポーザ２０は、上方から見て矩形である場合には、複数の抑え部材５３は、インターポーザ２０における各角部の近傍の側面を平面部分で抑えている。このような構成とすることにより、複数の抑え部材５３は、インターポーザ２０の側面を対角部分で非連続的かつ平面部分で押さえつけることができる。よって、インターポーザ２０または抑え部材５３が低温で収縮した場合に、直線状にスライド移動することを可能とし、収縮を均等化することができる。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、複数の量子チップ１０が一つのインターポーザ２０に実装された量子デバイスも、本実施形態の技術的思想の範囲に含まれる。また、例えば、図１及び図３～図７に示された量子デバイス１では、量子チップ１０がインターポーザ２０の下側に配置されているが、このような構成に限られない。図２に示した比較例と同じように、量子チップ１０がインターポーザ２０の上側に配置されていてもよい。そして、図２に示した比較例のように、この配置で、量子デバイス１が試料台５０に搭載されていてもよい。しかしながら、図４～図のように量子デバイス１を試料台５０に搭載することによって、インターポーザ２０のインターポーザ配線層３０を、直接、冷却することができるので、冷却効果を高めることができる。

また、図５～図７では、実施の形態２にかかる量子デバイス１が試料台５０に搭載されている。しかしながら、実施の形態１にかかる量子デバイス１が試料台５０に搭載されてもよい。一方、実施の形態２にかかる量子デバイス１が試料台５０に搭載されることで、熱伝導の良い常伝導材料層を容易に試料台５０に接触させることができる。したがって、冷却効果を高めることができる。

１量子デバイス
２バンプ
１０量子チップ
１２量子チップ基板
１４超伝導配線層
２０インターポーザ
２２インターポーザ基板
２４インターポーザ配線層
２５信号回路
２６貫通ビア
２７サーマルビア
２８接続部材
３０インターポーザ配線層
３２超伝導材料層
３４常伝導材料層
３６常伝導材料層
５０試料台
５２凹部
５３抑え部材
５４試料台部分
５６冷却部材

Claims

量子チップと、
前記量子チップが実装されたインターポーザと、
を有し、
前記インターポーザは、
基板と、
前記基板の前記量子チップの側の面に設けられた配線層と、
を有し、
前記配線層は、少なくとも予め定められた一部の領域であり記配線層の前記量子チップと対向する領域に対応する第１の領域において、超伝導材料で形成された第１の金属層と、常伝導材料で形成された第２の金属層とを有するように構成され、
前記配線層の前記第１の領域の外側の領域の少なくとも一部では、前記量子チップの側の面が常伝導材料で形成されている、
量子デバイス。
少なくとも前記第１の領域において、前記第１の金属層は前記量子チップに最も近い金属層である、
請求項１に記載の量子デバイス。
前記配線層において、前記第２の金属層の厚さは、前記第１の金属層の厚さよりも厚い、
請求項１又は２に記載の量子デバイス。
前記インターポーザは、前記量子デバイスが冷却される場合に、前記配線層の前記第１の領域の外側の領域の前記常伝導材料で形成されている面が、冷却機能を有する試料台と接するように、構成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の量子デバイス。
前記インターポーザは、前記量子デバイスが冷却される場合に、少なくとも前記第２の金属層が、冷却機能を有する試料台と接するように、構成されている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の量子デバイス。
前記基板には、前記基板を貫通し常伝導材料で形成されたビアが形成され、
前記インターポーザは、前記量子デバイスが冷却される場合に、少なくとも前記インターポーザの前記量子チップとは反対側の面が冷却されるように、構成されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の量子デバイス。
量子デバイスであって、
量子チップと、
前記量子チップが実装されたインターポーザと、
を有し、
前記インターポーザは、
基板と、
前記基板の前記量子チップの側の面に設けられた配線層と、
を有し、
前記配線層は、少なくとも一部の領域において、超伝導材料で形成された第１の金属層と、常伝導材料で形成された第２の金属層とを有するように構成されており、
前記インターポーザは、当該量子デバイスが冷却される場合に、少なくとも前記第２の金属層が、冷却機能を有する試料台と接するように、構成されている、
量子デバイス。
前記配線層において、前記第２の金属層の厚さは、前記第１の金属層の厚さよりも厚い、
請求項７に記載の量子デバイス。
前記基板には、前記基板を貫通し常伝導材料で形成されたビアが形成され、
前記インターポーザは、前記量子デバイスが冷却される場合に、少なくとも前記インターポーザの前記量子チップとは反対側の面が冷却されるように、構成されている、
請求項７又は８に記載の量子デバイス。