크립톤 스퍼터링으로 탄탈럼 증착 온도 절반 낮춰 양자칩 공정 병목 완화

탄탈럼이 양자 칩에 쓰이는 이유와 제조 상의 한계

탄탈럼은 부식 저항성이 뛰어나고 표면 안정성이 높아 초전도 양자 부품의 유력 소재로 자리잡고 있다. 그러나 이 금속을 실리콘 기판 위에 적절한 결정 구조로 형성하려면 증착 온도가 400°C를 초과해야 했다. 문제는 반도체 파운드리의 기존 설비 대부분이 이 온도 임계치 근처에서 운용되도록 설계되어 있어, 공정 신뢰성과 수율 확보에 실질적인 어려움이 있다는 점이다. 온도를 낮추면 탄탈럼이 원하지 않는 결정상으로 형성되고, 반대로 온도가 지나치게 높으면 실리콘 기판과 혼합층이 형성돼 큐비트 성능을 저하시킨다. 이처럼 허용 온도 창(window)이 매우 좁아 안정적 공정 구현이 어려웠다.

크립톤 스퍼터링의 물리적 원리

기존 연구에서 니오븀 박막을 형성할 때 아르곤 이온 스퍼터링이 활용됐다. Cornell 팀의 박사후 연구원 Maciej Olszewski는 아르곤보다 원자량이 큰 크립톤 이온이 탄탈럼 원자에 더 큰 운동량을 전달함으로써, 낮은 온도에서도 목표 결정상이 안정적으로 형성될 수 있다는 가설을 세웠다. 실험 결과 증착 온도는 200°C까지 낮아졌고, 이는 반도체 공정 설비가 일반적으로 허용하는 범위 안에 들어온다. 동시에 생성된 박막의 전자 전도도도 기존 대비 눈에 띄게 향상됐다. 원소 교체라는 비교적 단순한 변수 조정이 공정 창을 크게 넓힌 셈이다.

조지프슨 접합 정밀도의 새로운 기준

큐비트 형성에 핵심적인 조지프슨 접합은 두 초전도 금속 사이에 절연체를 삽입해 전자가 양자 터널링을 통해 이동하도록 만든 구조다. 이번 연구에서 박막 품질이 크게 향상되자 조지프슨 접합 형성 과정의 미세한 공정 변화가 소자 성능에 곧바로 반영되기 시작했다. 이는 소자 자체의 성능 수준이 높아질수록 공정의 세부 변수 하나하나가 결과에 민감하게 작용하는 새로운 단계에 진입했음을 의미한다. 연구팀은 이번 공정으로 제작된 큐비트가 세계 최고 수준의 성능에 근접한다고 밝혔다.

산업적 함의와 향후 과제

이번 성과가 갖는 산업적 의의는 소재 자체의 성능 개선에 그치지 않는다. 증착 온도 요건을 기존 반도체 파운드리 인프라와 양립 가능한 수준으로 낮춤으로써, 탄탈럼 기반 초전도 양자 칩의 양산 경로를 실질적으로 넓혔다는 점이 핵심이다. 다만 학술 연구 환경에서 확인된 성능이 산업 규모의 설비와 공정 변수 하에서도 동일하게 유지되는지는 추가 검증이 필요하다. Fatemi 팀은 이전에 니오븀 소재 분야에서도 유사한 방식으로 성능을 개선한 경험이 있으며, 이번 연구는 그 연장선에 있다.