CN117642058A - 表面超导线路的制造方法和超导量子芯片 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式提供了一种表面超导线路的制造方法和超导量子芯片。所述方法包括：提供具有至少一个通孔的衬底；其中，所述衬底至少一个表面以及所述通孔孔壁上形成有互连的超导层；在所述衬底表面的超导层上形成图形化硬掩模层；其中，所述通孔位于所述图形化硬掩模层的覆盖范围内；在所述图形化硬掩模层保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层；去除所述图形化硬掩模层，形成与所述图形化硬掩模层形状相同的表面超导线路，一定程度上解决处于衬底表面且靠近通孔的超导层被刻蚀而导致的表面超导线路和通孔孔壁的超导层无法实现电气连接的问题。

Description

表面超导线路的制造方法和超导量子芯片

技术领域

本申请实施方式关于超导量子芯片领域，具体关于一种表面超导线路的制造方法和超导量子芯片。

背景技术

随着集成芯片技术的发展，通过将多个芯片层堆叠组合的3D集成技术成为了发展趋势。TSV(Through-Silicon Via)工艺是3D集成技术中一项较为关键的技术，该技术在量子芯片上已经广泛应用。在通过TSV工艺制作量子芯片的表面超导电路时，会在衬底形成通孔并在通孔孔壁以及衬底至少一侧表面形成超导层。进一步地，通过将衬底表面的超导层进行图形化刻蚀，可以形成与通孔内部的超导层连接的表面超导线路。

然而，现有技术中对衬底表面的超导层进行图形化刻蚀时，位于衬底表面且靠近通孔的超导层在刻蚀时容易被破坏，使得表面超导线路和通孔孔壁的超导层无法实现电气连接。

发明内容

有鉴于此，本申请多个实施方式致力于提供一种表面超导线路的制造方法和超导量子芯片，可以一定程度上解决处于衬底表面且靠近通孔的超导层在刻蚀时容易被破坏，使得表面超导线路和通孔孔壁的超导层无法实现电气连接的问题。

本申请中多个实施方式提供一种表面超导线路的制造方法，所述方法包括：提供具有至少一个通孔的衬底；其中，所述衬底至少一个表面以及所述通孔孔壁上形成有互连的超导层；在所述衬底表面的超导层上形成图形化硬掩模层；其中，所述图形化硬掩模层在所述衬底的投影覆盖所述通孔；在所述图形化硬掩模层保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层；去除所述图形化硬掩模层，形成与所述图形化硬掩模层形状相同的表面超导线路。

本申请实施方式提出一种超导量子芯片，所述超导量子芯片包括上述任一实施方式所述的表面超导线路的制造方法的制造得到的表面超导线路。

本说明书实施方式还一种量子计算机。所述量子计算机包括上述任一实施方式所述的表面超导线路的制造方法的制造得到的表面超导线路。

本申请提供的多个实施方式中，通过在衬底表面的超导层上形成与表面超导线路形状相同的图形化硬掩模层，并在图形化硬掩模层的保护下形成表面超导线路，实现解决处于衬底表面且靠近通孔的超导层被刻蚀而导致的表面超导线路和通孔孔壁的超导层无法实现电气连接的问题。具体的，本申请提供的多个实施方式中，提供有包括至少一个通孔的衬底，且所述衬底至少一个表面以及所述通孔孔壁上形成有互连的超导层。进一步地，在所述衬底表面的超导层上形成图形化硬掩模层。由于所述图形化硬掩模层在所述衬底的投影覆盖所述通孔，使得在图形化硬掩模层保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层时，可以较为有效地保护通孔附近的超导层不被刻蚀，从而在去除所述图形化硬掩模层后，可以形成与所述图形化硬掩模层形状相同且与通孔孔壁的超导层连接的表面超导线路。

附图说明

图1为本申请的一个实施方式提供的相关技术中通孔附近的光刻胶缺失的示意图。

图2为本申请的一个实施方式提供的表面超导线路的制造方法的流程示意图。

图3a为本申请的一个实施方式提供的形成有超导层的衬底的示意图。

图3b为本申请的一个实施方式提供的形成有超导层的衬底的截面图。

图4为本申请的一个实施方式提供的图形化硬掩模层的示意图。

图5为本申请的一个实施方式提供的光刻胶层的示意图。

图6为本申请的一个实施方式提供的在图形化硬掩模层保护下去除超导层的示意图。

图7为本申请的一个实施方式提供的表面超导线路的示意图。

图8为本申请的一个实施方式提供的表面超导线路的截面图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，在相关技术中，将衬底表面的超导层12000进行图形化刻蚀时，可以在衬底表面的超导层12000上涂覆光刻胶。进一步地，在对光刻胶进行曝光、显影等步骤后，可以在未被去除的光刻胶层14000的保护下刻蚀超导层12000。

然而，在光刻胶匀胶的过程中，因为通孔11000的存在，光刻胶会具有一定的流动性，使得围绕通孔11000的部分光刻胶，会向着通孔11000内流动，造成通孔11000周边的光刻胶不均匀。具体的，例如，通孔11000周边的光刻胶相对于其他地方的光刻胶厚度可能会偏薄或者更容易脱落。图1中通孔1100周围并未被光刻胶层14000完全覆盖。由此，在光刻胶的保护下刻蚀超导层12000时，通孔11000周边本应该保留的超导层12000可能会被刻蚀掉，导致通孔11000内的超导层12000和刻蚀形成的表面超导线路无法实现电气连接。

为此，本申请提供一种表面超导线路的制造方法和超导量子芯片。具体的，本申请采用了图形化硬掩模层作为刻蚀超导层时的图形化保护层。相比于光刻胶作为胶状物会从衬底表面渗透至通孔里的缺陷，图形化硬掩模层可以在一定程度上确保通孔附近的厚度和其他地方的厚度趋于一致。并且，由于图形化硬掩模层覆盖通孔，使得在图形化硬掩模层保护下去除衬底表面裸露的超导层时，可以较为有效地保护通孔附近的超导层不被刻蚀，从而在去除所述图形化硬掩模层后，可以形成与所述图形化硬掩模层形状相同且与通孔孔壁的超导层连接的表面超导线路。

请参阅图2至图7，本说明书实施方式提供一种表面超导线路1200的制造方法。所述表面超导线路1200的制造方法可以包括以下步骤。

步骤S110：提供具有至少一个通孔110的衬底100；其中，所述衬底100至少一个表面以及所述通孔110孔壁上形成有互连的超导层120。

请参阅图3a和图3b，衬底100可以是用于制备和支撑表面超导线路的底层基础材料。具体的，例如，衬底100可以是硅衬底、石英衬底或者碳化硅衬底等。本说明书实施方式在此不做具体限定。

请参阅图3a和图3b，衬底100具有至少一个通孔110。通孔110可以贯穿衬底，用于将多层超导量子芯片中的不同布线层之间实现电气连接。在一些实施方式中，不同布线层可以是衬底两侧分别形成的表面超导线路。

请参阅图3a和图3b，衬底100的至少一个表面以及通孔110孔壁上形成有互连的超导层120。即，衬底100表面的超导层120和通孔110孔壁上形成的超导层120电连接。在一些实施方式中，衬底的两个表面以及通孔110孔壁上均形成有互连的超导层120的情况下，衬底不同表面的超导层120可以通过通孔110孔壁上形成的超导层120电连接。

请参阅图3a和图3b，超导层120可以通过在超导条件下能表现出超导现象的材料形成。例如，超导层120可以由铝、铌和氮化钛等超导材料形成。

步骤S120：在所述衬底100表面的超导层120上形成图形化硬掩模层130；其中，所述通孔110位于所述图形化硬掩模层130的覆盖范围内。

请参阅图4，在本实施方式中，图形化硬掩模层130可以是硬掩模，具有较好的稳定性和耐久性。具体的，例如，图形化硬掩模层130可以是通过金属沉积形成的金属硬掩模。图形化硬掩模层130的材料可以是铜、铝等。本说明书实施方式在此不作具体限定。

在本实施方式中，图形化硬掩模层130可以用于将设计的表面超导线路1200的图案转移至超导层120上，形成实际的芯片结构。

在本实施方式中，通孔110位于所述图形化硬掩模层130的覆盖范围内。具体的，图形化硬掩模层130在衬底表面的投影覆盖通孔110在所述衬底表面的投影。由此，在图形化硬掩模层130保护下刻蚀衬底表面的超导层时，可以相对有效地保护通孔110周围以及通孔110内部的超导层不被刻蚀。

在一些实施方式中，请参阅图5，在所述衬底100表面的超导层120上形成图形化硬掩模层130的步骤，可以包括：在所述超导层120远离所述衬底100的一侧形成具有图形化窗口的光刻胶层140，所述图形化窗口露出所述超导层120和所述通孔110；在所述图形化窗口内制备图形化硬掩模层130。

在本实施方式中，图形化窗口的形状可以与需要制备的表面超导线路1200的形状相同。光刻胶层140用于覆盖超导层120上不形成表面超导线路1200的区域以及通孔110。

在本实施方式中，具有图形化窗口的光刻胶层140可以通过曝光、显影等工序形成。具体的，在曝光时可以通过与表面超导线路1200形状相同的掩模，将光源投影到不用于形成表面超导线路1200的超导层区域，接着在显影时将形成表面超导线路1200的超导层区域的光刻胶去除，得到具有图形化窗口的光刻胶层140。

在一些实施方式中，在所述图形化窗口内制备图形化硬掩模层130的步骤，可以包括：使用薄膜沉积工艺在所述图形化窗口内镀膜，形成所述图形化硬掩模层130；去除所述光刻胶层140。

具体的，使用薄膜沉积工艺在图形化窗口内镀膜，形成所述图形化硬掩模层130的方式，可以是在光刻胶层140和超导层120表面使用薄膜沉积工艺镀膜，接着通过去除光刻胶层140，使得保留下的镀膜区域为光刻胶层140暴露的区域，形成图形化硬掩模层130。其中，薄膜沉积工艺可以是电子束蒸发工艺。当然，薄膜沉积工艺也可以是物理气相沉积工艺或者化学气相沉积工艺等。本说明书实施方式在此不作具体限定。

在一些实施方式中，在所述衬底表面的超导层120上形成图形化硬掩模层130的方法，还可以包括：在超导层120表面镀膜，得到镀膜层；其中，镀膜层可以覆盖所述通孔110；通过在镀膜层上涂覆光刻胶并对镀膜层进行刻蚀，可以形成与表面超导线路1200形状相同的图形化硬掩模层130。

在本实施方式中，在对镀膜层刻蚀形成图形化硬掩模层130时，可以依照镀膜层和超导层120的材料之间的差异，使用特定的刻蚀工艺进行刻蚀。其中，特定的刻蚀工艺可以是对镀膜层的刻蚀速率大于对超导层120的刻蚀速率的刻蚀工艺。从而可以在一定程度上避免形成图形化硬掩模层130时超导层120被过多刻蚀。在一些实施方式中，对镀膜层刻蚀形成与表面超导线路1200形状相同的图形化硬掩模层130的过程，和在所述图形化硬掩模层130保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层120的过程，可以合并为一个过程。即，可以选用能同时刻蚀镀膜层和超导层120的刻蚀工艺，在同一过程中刻蚀掉暴露的镀膜层和超导层120。

步骤S130：在所述图形化硬掩模层130保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层120。

请参阅图6，在所述图形化硬掩模层130保护下可以去除所述衬底表面裸露的所述超导层120。具体的，在图形化硬掩模层130的保护下对超导层进行刻蚀，并进一步地去除覆盖在表面超导线路上方的图形化硬掩模层130，可以形成表面超导线路。

在所述图形化硬掩模层130保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层120的方法，可以通过刻蚀工艺将裸露的超导层120去除，所述刻蚀工艺可以作为第一刻蚀工艺。当然，在一些实施方式中，在所述图形化硬掩模层130保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层120的方法，也可以使用激光剥离将暴露的超导层120蒸发或去除。

在一些情况下，去除所述衬底表面裸露的所述超导层120的方法也可能会在一定程度上去除图形化硬掩模层130。具体的，例如，通过第一刻蚀工艺去除裸露的超导层120时，第一刻蚀工艺也可能在一定程度上刻蚀掉图形化硬掩模层130。

因此，本实施方式中通过选择合适的图形化硬掩模层130的材料、超导层120材料以及针对超导层120的第一刻蚀工艺，使得在刻蚀超导层120的阶段，图形化硬掩模层130的刻蚀速率低于所述超导层120的刻蚀速率。

在一些实施方式中，所述超导层使用干法刻蚀工艺去除，所述图形化硬掩模层的干法刻蚀速率低于所述超导层的干法刻蚀速率。

具体的，例如，图形化硬掩模层130可以使用铝。超导层120的材料可以使用氮化钛。相应的，第一刻蚀工艺可以是干法刻蚀工艺。干法刻蚀工艺使用的刻蚀气体可以是氟基气体。其中，氟基气体可以是四氟化碳(CF₄)或六氟化硫(SF₆)等。由于氟基气体与铝反应可以生成氟化铝(AlF₃)。氟化铝的挥发性较低。正常的刻蚀状态下，氟化铝为固体，因此氟基气体较难刻蚀图形化硬掩模层130。最终，图形化硬掩模层130保护的超导层120被保留，未保护的则被刻蚀。

在一些实施方式中，图形化硬掩模层130也可以使用铜。

在一些实施方式中，图形化硬掩模层130的材料和超导层120材料的选择，还需要在一定程度上保证，在去除图形化硬掩模层130阶段时采用的第二刻蚀工艺，对图形化硬掩模层130阶段的刻蚀速率大于对超导层120材料的刻蚀速率。

步骤S140：去除所述图形化硬掩模层130，形成与所述图形化硬掩模层130形状相同的表面超导线路1200。

请参阅图7和图8，在刻蚀完成超导层120后需要去除图形化硬掩模层130，得到表面超导线路1200。去除所述图形化硬掩模层130的方法也可以通过刻蚀工艺实现，所述刻蚀工艺可以作为第二刻蚀工艺。当然，在一些实施方式中，去除所述图形化硬掩模层130的方法也可以采用激光剥离的方法。

在去除图形化硬掩模层时，为了在一定程度上避免超导层120也被刻蚀，在本实施方式中，通过选择合适的图形化硬掩模层130的材料、超导层120材料以及针对图形化硬掩模层130的第二刻蚀工艺，使得在去除图形化硬掩模层130阶段，针对图形化硬掩模层130的刻蚀速率高于所述超导层120的刻蚀速率。

在一些实施方式中，所述图形化硬掩模层使用湿法刻蚀工艺去除，所述超导层的湿法刻蚀速率低于所述图形化硬掩模层的湿法刻蚀速率。

具体的，例如，去除所述图形化硬掩模层130的方法可以采用湿法刻蚀工艺刻蚀掉图形化硬掩模层130。图形化硬掩模层130的材料可以使用铝，超导层120材料可以使用氮化钛。湿法刻蚀工艺使用的刻蚀液是酸性溶液。酸性溶液可以是磷酸、硝酸、醋酸或者其中多项的混合溶液。其中，由于铝是一种相对活泼的金属，容易发生氧化反应。在酸性环境中，铝表面容易被氧化，形成氧化铝层。这个氧化层通常较薄，而且相对不稳定，使得铝更容易被酸性溶液刻蚀。相比之下，氮化钛是一种化合物，其结构相对稳定，具有较高的化学惰性。并且，氮化钛表面可能形成一层氮化钛的氧化物保护层。这种氧化物层通常比铝的氧化层更稳定，可以提供一定的保护，减缓酸性介质对氮化钛的侵蚀。

本说明书实施方式还提供一种超导量子芯片。所述超导量子芯片包括本说明书任一项实施方式提供的表面超导线路的制造方法制造得到的表面超导线路。

本说明书实施方式还一种量子计算机。所述量子计算机包括通过本说明书任一项实施方式提供的表面超导线路的制造方法制造得到的表面超导线路。

可以理解，本文中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施方式，而非限制本发明的范围。

可以理解，在本申请中的各种实施方式中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施方式的实施过程构成任何限定。

可以理解，本申请中描述的各种实施方式，既可以单独实施，也可以组合实施，本申请实施方式对此并不限定。

除非另有说明，本申请实施方式所使用的所有技术和科学术语与本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本申请的范围。本申请所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任意的和所有的组合。在本申请实施方式和所附权利要求书中所使用的单数形式的“第一”、“第二”、“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种表面超导线路的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供具有至少一个通孔的衬底；其中，所述衬底至少一个表面以及所述通孔孔壁上形成有互连的超导层；

在所述衬底表面的超导层上形成图形化硬掩模层；其中，所述通孔位于所述图形化硬掩模层的覆盖范围内；

在所述图形化硬掩模层保护下去除所述衬底表面裸露的所述超导层；

去除所述图形化硬掩模层，形成与所述图形化硬掩模层形状相同的表面超导线路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底表面的超导层上形成图形化硬掩模层的步骤，包括：

在所述超导层远离所述衬底的一侧形成具有图形化窗口的光刻胶层，所述图形化窗口露出所述超导层和所述通孔；

在所述图形化窗口内制备图形化硬掩模层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述图形化窗口内制备图形化硬掩模层的步骤，包括：

使用薄膜沉积工艺在所述图形化窗口内镀膜，形成所述图形化硬掩模层；

去除所述光刻胶层。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述薄膜沉积工艺为电子束蒸发工艺。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超导层使用干法刻蚀工艺去除，所述图形化硬掩模层的干法刻蚀速率低于所述超导层的干法刻蚀速率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述图形化硬掩模层使用湿法刻蚀工艺去除，所述超导层的湿法刻蚀速率低于所述图形化硬掩模层的湿法刻蚀速率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超导层的材料是氮化钛；所述图形化硬掩模层的材料是铜、铝；所述干法刻蚀工艺使用的刻蚀气体是氟基气体；所述湿法刻蚀工艺使用的刻蚀液是酸性溶液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述氟基气体是四氟化碳物或六氟化硫。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液至少包括以下之一：磷酸、硝酸、醋酸。

10.一种超导量子芯片，其特征在于，所述超导量子芯片包括如权利要求1至9任一所述的表面超导线路的制造方法制造的表面超导线路。