量子チップに適切な温度を与えるためには、単に「十分に熱くすればいい」というわけにはいきません。標準的な電子機器の組み立てと比べると、これははるかに難しい作業です。ほぼ完璧な温度安定性が求められます。
そのために、デジタル式の温度制御装置と高強度の赤外線ランプを組み合わせて使用します。これにより、大規模で不精密な加熱方式と、量子ビットが要求するナノメートル単位の精密な温度制御との間のギャップを埋めることができます。
PID制御が重要な理由
もし単純なオン/オフスイッチを使うと、問題が発生します。温度が急上昇してしまい、数秒でウェーハが破壊されてしまう可能性があります。わずか1度の温度変動だけでも、作業を台無しにしてしまいます。
だからこそPID制御装置を使用するのです。電力をオン/オフに切り替えるのではなく、エネルギーを調整するのです。急速に温度を上げてから、一定の温度に保つことができます。振動や不安定さはなく、安定した温度が得られます。
短波赤外線の素晴らしさ
私たちは短波赤外線ランプを使用するのには理由があります。それは、このランプが材料の内部まで熱を届けられるからです。長波の赤外線は単に材料の表面を反射するだけです。
このランプを使えば、ごく小さな範囲にエネルギーを集中させることができます。チップ自体を加熱できるので、装置全体をオーブンのようにする必要はありません。これにより、他の部品が膨張したり移動したりするのを防ぐことができます。
優先順位と課題
ただし、高い熱密度を得るにはコストがかかります。ランプを最大限に稼働させると、大量の放射熱が発生します。注意しないと、その熱がセンサーに影響を与えてしまいます。
そのため、シールドや冷却ファンの使用が不可欠です。冷却が不十分だと、サーモカップルが実際のワークピースの代わりに周囲の高温空気を測定してしまいます。そうなるとPID制御が効果を発揮せず、結果としてランプが壊れてしまいます。
設定方法
配線に関しては、シンプルで低インピーダンスのものを使うことが重要です。電圧降下によって精度が低下しては困ります。
私は常に高耐温性のシールドケーブルを推奨します。デジタル制御装置からは有害なEMIが発生する可能性があり、その雑音が敏感な測定機器に影響を与えてはいけません。
これは、従来の加熱オーブンに代わる優れた手段です。対流熱から放射熱へと切り替えることで、処理時間を大幅に短縮できます。本当に効率的です。