[发明专利]一种基于梯度曝光的空气桥制备方法

说明书

本发明公开了一种基于梯度曝光工艺制备空气桥的方法，包括：(1)在基片衬底上预制底层电路；(2)旋涂光刻胶，形成光刻胶层；(3)使用梯度曝光工艺对光刻胶进行曝光，空气桥桥墩部分的光刻胶完全曝透，桥面顶部曝光功率最弱，桥面整体进行阶梯欠曝光；(4)进行显影和定影，留下由光刻胶形成的阶梯拱形支撑；(5)去除基片桥墩部分金属表面的氧化膜，在整个基片上生长一层金属膜；(6)将芯片进行胶剥离而后即可得到空气桥。本发明操作简单、重复性好、性能稳定、且设计自由度大。

技术领域

本发明涉及超导量子芯片制备方法，尤其涉及一种基于梯度曝光的空气桥制备方法。

背景技术

超导量子电路是最有前途的量子计算候选平台之一。超导共面波导(CPW)传输线和谐振器是此类量子电路的关键组件。在超导电路中，通常会为了特定的电路布局而牺牲有限接地CPW的不连续性和不对称性。不连续性和不对称性可能导致电路的寄生模式，这可以耦合到超导量子位或电路的其他元件。耦合可能导致超导电路的复杂动力学行为，甚至减少量子位相干时间。为了消除这些寄生模式，通常制造金属跨接器以在接地平面之间进行电连接，避免接地平面被CPW结构中断。同时，CPW地平面之间的电连接可以抑制量子比特直流(DC)偏置的串扰，串扰的减少将方便超导量子比特芯片上的多比特操作。

CPW接地之间的电连接的重要功能引发了多种金属交叉连接形式的创新。最直观的形式是引线键合(wire-bond)，它可以方便地植入芯片封装过程中。然而，引线键合引入了不可忽略的寄生电感，这会影响每毫米槽线模式传播的衰减，并导致信号继续沿线传播而不是流到地。相对较大的焊线尺寸也限制了在超导量子电路中的应用。另一个例子是介电桥，其中使用绝缘介电层将CPW的中心导体与桥的金属隔开。虽然介电层的存在提供了介电桥的高可靠性，但介电层的有限厚度导致中心导体与地之间的额外分流电容。这种寄生的电容改变了CPW的特性阻抗，可能导致CPW中的额外的反射，并在量子电路中产生寄生模式。同时，介电层给超导CPW电路引入了额外的介电损耗，阻碍了超导电路量子相干时间的提高。为了减少寄生电容并消除额外的介电损耗，引入了空气桥以实现不连续CPW接地之间的电连接。这些空气桥通常是基于电子束光刻(EBL)技术或热回流光刻技术(re-flow)制造的。由于电子束光刻胶的厚度有限，EBL工艺制造的空气桥的高度和宽度通常比回流后光刻工艺制造的要小得多。为了获得更高和更大的空气桥，通常在超导量子芯片制造中使用回流光刻技术来获得拱桥形状的空气桥。在这种技术中，光刻次数较多，操作复杂，曝光所需时间更长，对量子芯片性能影响较大。且该技术需要在高温下烘烤以形成拱桥形状，高温会导致硅-铌界面中形成非晶夹层(α中间层)，非晶夹层引起的介电损耗会严重降低量子电路的相干性能。同时，高温还可能会改变约瑟夫森结的临界电流，从而改变量子比特的能谱，导致量子比特频率稳定性较差，而且回流过程对于光刻胶的形变不可控，无法自主设计所需结构。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种操作简单、性能更高更稳定、且可自主设计结构的基于梯度曝光的空气桥制备方法。

技术方案：本发明所述的基于梯度曝光的空气桥制备方法包括：

(1)在基片衬底上预制底层电路；

(2)将光刻胶旋涂到预制了底层电路的基片上，形成光刻胶层；

(3)对光刻胶层进行曝光，空气桥桥墩部分的光刻胶完全曝透，对空气桥桥面部分，按照下面方式进行欠曝光：

A、将空气桥桥面均分为高度差均等的一系列阶梯，阶梯的包络为桥面圆弧；

B、将光刻胶厚度减去每一阶梯的高度，得到形成每一阶梯所需减小的光刻胶厚度；

C、将形成每一阶梯所需减小的光刻胶厚度代入曝光功率-光刻胶减小的厚度的关系式，得到所需的曝光功率，并按照计算的曝光功率对每一阶梯进行欠曝光；

(4)曝光结束后进行显影和定影，定影后基片上形成由剩余光刻胶形成的阶梯拱形支撑；