ProQuantum - Prozess-Entwicklung für sächsische SpinQubit Pilotlinie

ProQuantum – Prozess-Entwicklung für die sächsische Spin-Qubit Pilotlinie

Projektlaufzeit: 03/2026 - 12/2027

© Fraunhofer IPMS
Übersicht der Technologiemodule (Substrate, Stack, Qubit) des ProQuantum Projekts. Dunkel blau hin-terlegte Technologien sind nicht Teil des Projekts.
© Matthias Künne (Forschungszentrum Jülich, RWTH Aachen),
3D Darstellung einen QuBus (a) und seines Wirkungsprinzips (b). Auf Basis dieses Elements kann so eine Tile- basierte Architektur (d) geschaffen werden, die eine schnelle Hochskalierung (c) ermöglicht.

Das Verbundprojekt ProQuantum unter der Koordination des Fraunhofer IPMS widmet sich der Erforschung und Bereitstellung von industriekompatiblen Fertigungsprozessen für hochskalierbare Quantenprozessoren.

Quanten-Schlüsseltechnologien verändern die Medizinforschung, Materialentwicklung und Systemoptimierung fundamental. Um eine krisenfeste europäische Wertschöpfungskette für die Quanten-Hardware von morgen zu sichern, schafft ProQuantum das Fundament für eine sächsische Pilotfertigung von Spin-Qubit-basierten Quantencomputern sowie ein regionales QC-Kompetenzzentrum.

 

Projektziel: Vom Labormaßstab zur industriellen Fertigung

Das Fraunhofer IPMS fungiert als entscheidendes Bindeglied zwischen der sächsischen Substratherstellung, der Chip-Fertigung und der Systemintegration.

Bisherige Quanten-Architekturen stoßen bei der Skalierung oft an technologische Grenzen. ProQuantum setzt daher auf Silizium-Spin-Qubits. Diese basieren auf der Kontrolle von Elektronenspins in nanoskaligen Quantenpunkten und bieten einen unschätzbaren Vorteil: Sie sind voll kompatibel mit etablierten CMOS-Fertigungsverfahren der Halbleiterindustrie. Dies ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion und extrem hohe Integrationsdichten auf dem Chip.

 

Überblick:

  • Prozessoptimierung (200mm): Erforschung optimierter Gate-Stapel auf einer bestehenden 200mm Forschungslinie zur Minimierung von Ladungsrauschen.
  • Skalierung (300mm): Transfer der Technologien auf industrielle 300mm Wafer, um zukünftige High-Density-Systemintegrationen zu ermöglichen.
  • Schnelle Charakterisierung: Entwicklung innovativer Messverfahren zur schnellen Qualitäts- und Defektbewertung der Qubit-Strukturen.

Arbeitspakete

Die technologischen Herausforderungen werden in drei eng verzahnten Arbeitspaketen (AP) gelöst, um am Ende eine vollständige Integrationsroute für Silizium-Spin-Qubits zu demonstrieren:

AP1: Prozessoptimierung auf 200mm Wafern

Um die Qualität (Fidelität) der Qubits signifikant zu verbessern, muss das sogenannte Ladungsrauschen im Gate-Oxid minimiert werden.

  • Gate-Oxid-Entwicklung: Einsatz neuartiger Hafnium- (Hf) und Zirkonium- (Zr) basierter Dielektrika bei niedrigem thermischen Budget.
  • Schonende Ätzprozesse: Entwicklung defektarmer, nasschemischer Reinigungen und Trockenätzverfahren zum Schutz empfindlicher Schichten.
  • Supraleitende Elektroden: Integration CMOS-kompatibler supraleitender Nitride (wie HfN, TiN und ZrN) in den Gate-Stapel.

 

AP2: Prozesstransfer auf den 300mm Technologieknoten

Die echte Skalierung auf tausende Qubits erfordert zwingend den Schritt auf die industrielle Wafergröße von 300mm.

  • 2DEG-Substratentwicklung: Evaluierung regionaler Zulieferer in Sachsen für hochentwickelte Si/SiGe-Heterostrukturen.
  • Anlagenübergreifender Transfer: Anpassung der Abscheidungs-, Ätz- und Reinigungsprozesse an die veränderten Kammergeometrien der 300mm-Industrieanlagen.
  • High-End-Lithographie: Kombination von DUV- und Elektronenstrahllithographie (eBeam) für Gatterstrukturen mit minimalen Abständen (Pitch < 80 nm) und einer Ausrichtungsgenauigkeit von bis zu 10 nm.

 

AP3: Schnelle Charakterisierung von Spin-Qubit Prozessen

Eine verlässliche Pilotlinie benötigt eine extrem präzise und schnelle Fehleranalytik.

  • Rauschmessungen & Defektanalyse: Anwendung innovativer Methoden wie Charge Pumping und Leitwert-Messungen zur präzisen energetischen Identifizierung von atomaren Defekten.
  • Modellierung: Entwicklung temperaturabhängiger Modelle zur beschleunigten Prozessevaluierung.

 

Zukunftsperspektiven und wirtschaftlicher Nutzen

Das Projekt ProQuantum sichert Sachsen und Deutschland eine technologische Führungsposition im globalen Quanten-Rennen.

  • Vorteile für die Wirtschaft: Kommerzielle Kunden und Foundries erhalten Zugriff auf ein hochskalierbares, zuverlässiges Gate-Modul. Technologisches Know-How kann flexibel an Partner wie Infineon lizenziert werden.
  • Synergien für den Standort: Durch die offene Pilotplattform entsteht eine einzigartige Infrastruktur, die Universitäten, Start-ups und KMU zu fairen Bedingungen zur Verfügung steht (Beitrag zu UN-Nachhaltigkeitsziel SDG 9).
  • Fachkräfte der Zukunft: Durch die Einbindung der Forschungsergebnisse in die akademische Ausbildung wird die nächste Generation von Quanten-Experten direkt am Standort Sachsen herangezogen.

Weitere Informationen:

 

Geförder durch

 

Gefördert durch

 

Quantentechnologien

Quantencomputing

 

Komponenten und Systeme

COMPUTING

Speichertechnik, Datenspeicherung und 300 mm Technologiemodule