CN117835801A - 一种空气桥及提高空气桥稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种空气桥及提高空气桥稳定性的方法，属于量子计算机制造领域。提高空气桥稳定性的方法包括：获得用于制造空气桥的第一掩膜；加热第一掩膜以获得第二掩膜；通过第二掩膜依次执行沉积和图案化制得空气桥；空气桥的桥面和桥墩之间具有由所述曲线状弯曲的轮廓限定的弯曲分离迹线。通过上述方式制造空气桥能够使得空气桥的结构更稳定，不容易发生桥面塌陷的问题。

Description

一种空气桥及提高空气桥稳定性的方法

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算机制造领域，特别地，本申请涉及一种空气桥及提高空气桥稳定性的方法。

背景技术

在基于约瑟夫森结的超导量子计算体系中，量子芯片中会制造形成有多种信号传输线及各种电路元器件。

并且随着对执行量子计算性能的追求，量子芯片中存在集成更多超导量子比特得需求。而随着量子芯片中的量子比特数量的增加，量子芯片中的信号传输线以及各种电路元件数量也会随之增多。

因此，在量子芯片有限体积的现实状况下，就会导致前述的各种传输线以及元器件在量子芯片中的布置的复杂度以及难度显著地增大。因此，在配置这些结构时，需要考虑其彼此间的物理干涉，以及潜在的信号相互影响/串扰等问题。

在实践中，一种被描述为空气桥的三维金属导线结构被使用。利用空气桥可以将量子芯片中的不相连的电路元件跨接起来；并且，空气桥还能被利用以提供屏蔽，从而提高信号传输质量。

那么，如何制造一种高质量的空气桥就关乎于量子芯片的质量。

发明内容

本申请的示例提供了一种空气桥及提高空气桥稳定性的方法。通过前述的方案能够使得所制造的空气桥中的桥面获得来自于桥墩的更好支撑，从而使得桥面更不易塌陷，从而提高了空气桥的稳定性。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提供了一种提高空气桥稳定性的方法。

该空气桥具有两桥墩以及连接两桥墩的桥面，其中的方法包括：

获得用于制造空气桥的第一掩膜，第一掩膜采用光刻胶经曝光、显影而成，且具有对应于空气桥的桥墩位置的第一沉积窗口；

加热第一掩膜，以获得第二掩膜，其中加热被实施使得光刻胶发生回流，从而将第一沉积窗口形变为第二沉积窗口、且第二沉积窗口具有呈曲线状弯曲的轮廓；

通过第二掩膜依次执行沉积和图案化制得空气桥，空气桥的桥面和桥墩之间具有由曲线状弯曲的轮廓限定的弯曲分离迹线。

根据本申请的一些示例，加热第一掩膜的步骤中：

加热的温度被选择为光刻胶的玻璃化转变温度。

根据本申请的一些示例，光刻胶是多层胶，且不同层胶的玻璃化转变温度是不同的。

根据本申请的一些示例，通过第二掩膜沉积的步骤是以旋转镀膜的方式实施的。

根据本申请的一些示例，图案化的操作包括涂胶、曝光、显影、刻蚀以及除胶。

根据本申请的一些示例，刻蚀是通过湿法刻蚀的方式实现的。

根据本申请的一些示例，空气桥是超导材质。

根据本申请的一些示例，超导材质包括铝、铌、氮化钛、铟或铌钛氮。

根据本申请的一些示例，空气桥的两桥墩的分离迹线是呈相向的凸型弯曲形状。

根据本申请的一些示例，光刻胶是单层光刻胶。

在第二方面，本申请的示例公开了一种空气桥。其通过实施提高空气桥稳定性的方法而制得。

有益效果：

在本申请示例中，制造空气桥时，通过对光刻胶形成的掩膜加热使得其中的光刻胶回流，从而能够定制掩膜的形状。经由前述的方式，掩膜由具有相对规整的结构，转变为具有更圆滑的结构。在这样结构的掩膜的基础上，制造空气桥时，可以使得空气桥的桥墩与桥面的分界处由原来的直线型转变为弯曲状的曲线结构，从而允许桥墩提供更充分的对桥面的支撑作用，也就使得桥面更不容易发生塌陷。

附图说明

为了更清楚地说明，以下将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请示例中的一种空气桥的结构示意图；

图2为本申请示例中的另一种空气桥的结构示意图；

图3为本申请示例中记载的在共面波导上配置的空气桥发生坍塌的结构示意图；

图4为本申请示例中记载的容易发生坍塌且设置在共面波导上的空气桥中桥面与桥墩形成得直线状的界线的结构示意图；

图5为本申请示例中记载的不易发生坍塌且设置在共面波导上的空气桥中桥面与桥墩形成得弯曲状的分离迹线的结构示意图；

图6公开了图5所示的具有弯曲状的分离迹线的空气桥的制造工艺的流程示意图；

图7a记载了图6的工艺中的步骤S101中的形成的第一掩膜的制造示意图；

图7b记载了具有曲线状的光刻胶开口的结构示意图；

图7c记载了具有曲线状以及相对于衬底倾斜地贯穿光刻胶的开口的结构示意图；

图8记载了图6的工艺中的步骤S102中的形成的第一掩膜的制造示意图；

图9记载了图6的工艺中的步骤S103中沉积、涂胶、曝光、显影和刻蚀的制造空气桥的中间结构的示意图；

图10记载了图6的工艺中的步骤S103中洗胶以形成空气桥的制造示意图。

附图标记说明：101-衬底；102-共面波导；103-空气桥；104-空气桥；1031-上层桥；1032-下层桥；200-界线。

具体实施方式

在超导体系的量子芯片中，超导量子比特的读取腔电路和量子比特的控制电路都可以实现为共面波导传输线。这些传输线对量子芯片中的接地平面的割裂容易导致量子芯片中的信号传输时，在传输线的两侧接地结构产生电势差，从而会激发产生寄生槽线模式，并且据此不利地影响量子比特的相干性。

并且，随着量子芯片中的量子比特的数量不断地增加，前述的影响会愈来愈明显、严重，同时还会严重地限制在量子芯片中的各种线路的布线设计和实施工作。

因此，为了克服上述的问题，可以预见消除传输线两侧的接地层的前述电势差，并同时通过这样的方式消除对相干时间的影响将会有积极的意义。

实践中，作为一种能够连接两个或多个器件的悬空的结构，空气桥被提出并且能够将被分割的接地层连接起来以形成更大的整体的地平面。

本申请发明人在此前所实施的方案中，通过下述的方式制造空气桥。

以在量子芯片的硅衬底的薄膜元件如铝薄膜上制造空气桥为例：

直接利用掩膜图形层在薄膜元件上进行一次金属沉积工艺以形成空气桥图形，然后再进行刻蚀去除空气桥图形以外的残留金属。

通过上述方式可以简单地实现空气桥的制造，但是在实际制造量子芯片时，部分空气桥会发生坍塌的问题。并且考虑上在大规模比特数目的量子芯片中，空气桥的数量会显著地增加，因此，空气桥的坍塌现象也会表现得更加明显。

为了克服上述的一些问题，本申请发明人进行了如下一些尝试。

例如，图1中公开了一种空气桥103的构造方式。

在图1中，空气桥103被制造在形成于衬底101上的共面波导102之上。具体地，空气桥103具有四根立柱以及与这些立柱结合的顶层。其中四个立柱与顶层呈一体结构设计。

在该空气桥103中，四根立柱的截面形状的中心点两两相连构成预设四边形，而顶层则覆盖四根金属柱。同时，四根金属柱共同支撑金属层。立柱作为桥墩，而顶层则作为连接桥墩的桥面。由于桥墩有四根，且四根桥墩两两之间都连接有桥面，从而使得该形式的空气桥的结构强度得到加强，进而提高了空气桥的结构稳定性，也使得空气桥在制造和使用时不容易断裂和坍塌。

在另一些尝试中，发明人实现了如图2所示的空气桥104。该空气桥104在形成于衬底101上的共面波导102之上。具体地，空气桥104具有两个桥墩以及与该两个桥墩连接的桥面103。

特别地，在该空气桥104中，空气桥104是一种双层结构。因此，该空气桥104的桥墩和桥面都是双层结构，并且例如被描述为上层桥1031和下层桥1032。其中，下层桥1032的两侧与共面波导接触，而上层桥1031则受到下层桥1032的支撑。

并且为了使得该形式的空气桥104具有改善的结构稳定性(如桥面不容易坍塌)，对上层桥1031和下层桥1032予以设计，使得下层桥1032能够对上层桥1031起到支撑作用。

而具体实现时，可以通过对上层桥1031和下层桥1032的制造材料予以选择实现。例如，将下层桥1031的材料和上层桥1032的材料分别予以选择，从而使得上层桥1031的材料的硬度，小于下层桥1032的材料的硬度。如此，硬度更大的材料所形成的下层桥1032可以对上层桥1031形成支撑效果。

通过上述的双层桥以及下层比上层更硬，从而使得空气桥104更不容易发生塌陷。

上述的各种方案被证实在所实现的条件下能够实现一定程度地解决相关问题，例如，克服或者至少改善空气桥的塌陷、断裂、倾倒的风险。

但是，在不同的场景中，前述的方案可能有其局限性，因此，发明人仍然希望获得其他的解决方案。

在本申请的示例中，公开了一种提高空气桥稳定性的方法。通过实施该方法所制造获得的空气桥更不容易发生坍塌的风险。

为了方便阐述和讨论，空气桥具有两个桥墩，以及连接该两个桥墩的桥面。桥面从其中一个桥墩出发向另一个桥墩延伸，并且在两个桥墩之间形成间隙。该间隙作为空气桥跨过电路或者元器件的空间。

图3示意性地展示了空气桥发生坍塌的一种示例情况。在图3中，空气桥被使用来连接共面波导的两个地平面；而其桥面则是在共面波导的中心信号线/中心导体之上，即桥面跨过中心导体。作为空气桥坍塌的一种实例，在图3中可以发现空气桥的桥面向共面波导的中心导体发生了位移(例如描述为产生了向下的位移)。如此，发生坍塌的空气桥中的由桥面所提供的间隙减小，即空气桥的高度降低了。

在本申请示例中所提出的方案则能够使上述情况有所缓解。

区别于上述方案，在本申请的示例中主要通过改变空气桥的桥墩设计而前述之效果。分析上述桥面发生坍塌的问题，其主要诱因之一在于：桥面受到竖直方向朝下的作用力，而没有获得朝上的作用力或者说虽然获得了朝上的作用力但是不足以更好地抵消向下的作用力。

而更进一步对空气桥的结构予以分析发现，发生上述问题的更深层次的主要原因还在于桥墩对桥面的支撑作用不够，并且这是关联于桥墩的结构的。更具体而言，由于桥墩与桥面之间界线200为直线结构。例如在图4中，分别以俯视图和主视图表示了与共面波导配合的空气桥的的结构示意图。如前述桥墩和桥面之间界线200呈直线状，因此，桥墩向桥面提供的支撑作用也主要局限在界线200附近的直线区域。

因此，在本申请的示例中，发明人通过工艺选择实现了将空气桥的桥墩与桥面之间界线改造为弯曲状的曲线；如图5所示。在图5中，空气桥的两桥墩的分离迹线是呈相向的凸型弯曲形状。在其他示例中，空气桥的两桥墩的分离迹线是也可以是呈相互背离的凸型弯曲形状。

如此，桥墩对桥面的支撑作用不再局限于直线区域，而是由曲线所限定的多个区域，从而使得桥面能够获得更多的支撑作用。

在以直线形状构建的界线200的示例中，桥墩向桥面提供的支撑力是在桥面的宽度方向(垂直于由一个桥墩至另一个桥墩的轨迹的方向)分布的，而本申请示例的方案中通过将桥墩与桥面结合处的端部的轨迹设计为曲线，使得桥墩向桥面提供的支撑力还能够在桥面的长度方向(平行于由一个桥墩至另一个桥墩的轨迹的方向)分布。

为了实现上述的效果，在本申请中发明人给出了一种制造方法，用于实现具有前述结构的空气桥。

请参阅图6，该空气桥(可以是超导材质，如铝Al、铌Nb、氮化钛TiN、铟In或铌钛氮TiNbN)的制造方法主要包括以下步骤：

步骤S101、获得用于制造空气桥的第一掩膜，第一掩膜采用光刻胶经曝光、显影而成，且具有对应于空气桥的桥墩位置的第一沉积窗口；参阅图7a。

其中的第一掩膜可以配置的到衬底/基底/基板上，并且其中的衬底表面可以具有各种电子电路或元器件。例如，将空气桥用于连接共面波导的地平面。因此，其中的元器件例如就是共面波导传输线。

光刻胶可以选择微纳加工技术中各种已知的材料，例如S1813、LoR、PMMA等。

特别地，构成该第一掩膜的光刻胶可以是单层光刻胶，或者也可以是双层光刻胶。特别地，光刻胶可以是双层(为了区分，分别描述为上层和下层)；并且其中的下层和上层的是具有不同的温度特性(例如二者不同的玻璃化转变温度)，从而使得在后续对第一掩膜加热时，二者能够产生不同的形变，从而制造出质量更高、更具有定制化特点(例如桥墩和桥面的分离迹线过渡更加平滑，减少应力集中，从而有助于提高其形貌质量，例如减少表面毛刺或者粗糙)的第二掩膜。

通过使用双层光刻胶，可以使得桥面的结构在爬坡区段(从桥墩向桥面的顶部的过渡区段)具有更平缓的表面曲率，以减少形貌上的瑕疵。此外，当这样的双层光刻胶被使用以形成空气桥的桥墩时，可以使得桥墩具有台阶状结构，且每层台阶具有曲线的形状；而这同样能够为空气桥提供结构稳定性。

如图7a所示的实例中，以硅为衬底，通过旋涂的方式在硅衬底的表面制造厚度为2μm的S1813光刻胶，并进行空气桥的桥墩的曝光，以形成后续制造桥墩时沉积材料用的开口。

在图7a中，两开口分别用于形成空气桥的两个桥墩，并且具有大致为矩形的结构。因此，开口的边缘轮廓是平直的直线，并且在后续的步骤S102中通过光刻胶的加热而改变为弯曲形状。

但是，通过在实际的工艺中实践发现，如果将开口设计为曲线状(如图7b)，可以更方便地形成桥墩和桥面的分离线为曲线的形状的方案。或者说，开口为曲线状，则在后续加热光刻胶时，光刻胶更容易按照希望形变且更具有可控性的形状。

进一步地，第一掩膜中的开口既可以选择垂直(如图7a)于衬底的表面的方式贯穿光刻胶而被设置。或者，开口也可以是相对于衬底表面具有一定的倾斜角度；如此，开口以相同形状但是不同的尺寸在光刻胶的表面、在光刻胶内部以及在衬底表面位置的分布，如图7c所示。这样可以使得后续通过加热形成得第二掩膜中的第二沉积窗口也具有倾斜的轮廓，从而在制造空气桥时，可以使得桥墩也具有相使用的结构，即桥墩向桥面的延伸部分也具有渐变的形貌，从而可以避免从桥墩到桥面的直接抬升分离，进而有助于改善桥的结构稳定性。

步骤S102、加热第一掩膜，以获得第二掩膜，其中加热被实施使得光刻胶发生回流，从而将第一沉积窗口形变为第二沉积窗口、且第二沉积窗口具有呈曲线状弯曲的轮廓；参阅图8。

其中加热第一掩膜的温度可以被选择为光刻胶的玻璃化转变温度。具体的示例中，对于S1813光刻胶而言，其加热温度(回流温度)例如为150℃、烘烤时间为4分钟。

步骤S103、通过第二掩膜依次执行沉积和图案化制得空气桥，空气桥的桥面和桥墩之间具有由曲线状弯曲的轮廓限定的分离迹线；参阅图9和图10。

在沉积以形成镀膜的过程中，由镀膜厚度的不均匀性可能导致空气桥容易因厚度不均匀而容易在轻微波动(如超声处理时)的发生撕裂等风险。因此，部分示例中可以选择对沉积的方式予以选择，以改善沉积的膜厚均匀性。作为一种可选的方案，部分示例中，可以在通过第二掩膜沉积的过程中使用旋转镀膜的方式进行沉积镀膜。也即可以选择，在电子束蒸发镀膜的过程中，将衬底通过载具/样品台进行旋转。

而对于图案化方案的实现而言，图案化的操作可以包括涂胶、曝光、显影、刻蚀(例如湿法刻蚀)以及除胶。

在上述的步骤中，一个重要过程在于通过加热使得掩膜发生形边，从而改变后续基于其所制造的空气桥的桥墩结构。也即，当通过曝光和显影后形成的沉积窗口是具有平直(一般的工艺中希望这样做，以获得更好的形貌；并且这是与本申请示例方案所不同的)和更规则的轮廓，从而使得桥墩与桥面的分离部分的轮廓轨迹呈现直线状，而通过加热可以使得光刻胶发生形变并使得桥墩与桥面的分离部分的轮廓轨迹发生变化。

例如光刻胶受热，其中的水分、有机溶剂等发生挥发因素，以及表面张力作用等，会使得光刻胶的棱角变得光滑、圆润，从而使得边界由平直的直线转变为弯曲的曲线。

实例中，通过蒸发镀膜的方式制造900nm的铝膜。然后，使用S1813光刻胶涂胶，然后再曝光，经过显影后留下的光刻胶保护空气桥的桥面。再经过显影后，使用铝刻蚀液对裸露出的铝进行刻蚀。刻蚀完成后，进行洗胶工艺；例如，使用NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)溶液在80℃洗胶获得空气桥，从而获得桥墩与桥面连接处为弧形的空气桥结构。

通过上述的方法，能够解决空气桥的布线的设计问题，并且能够在不使制造工艺显著复杂的情况下，赋予空气桥具有更好的抗弯、抗坍塌的机械强度。

这里需要指出的是：以上在量子计算机中设置的量子芯片与上述量子芯片实施例中的结构类似，并具有同上述量子芯片实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本申请量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述量子芯片的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

本申请实施例提供的制造方法的过程中可能需要沉积一种或多种材料，例如超导体、电介质和/或金属。取决于所选择的材料，这些材料可以使用诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)的沉积工艺或外延技术以及其他沉积工艺来沉积。

示例性的，包括离子束辅助沉积法(IBAD)、真空蒸发镀膜法(Evaporation)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积法(CVD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)以及磁控溅射镀膜法(Magnetron 25Sputtering)等。

本申请实施例描述的制造方法还可能需要在制造过程期间从器件去除一种或多种材料。取决于要去除的材料，去除工艺可以包括例如湿蚀刻技术、干蚀刻技术或剥离(lift-off)工艺。可以使用已知的曝光(lithographic)技术(例如，光刻或电子束曝光)对形成本文所述的电路元件的材料进行图案化。

为了简洁起见，在本文中可以详细描述或不详细描述与半导体和/或超导器件以及集成电路(integratedcircuit，简称IC)制造相关的常规技术。此外，本文所述的各种任务和过程步骤可并入具有本文未详细描述的额外步骤或功能性的更综合程序或过程中。特别地，半导体和/或超导器件和基于半导体/超导体的IC的制造中的各个步骤是公知的，因此为了简洁起见，许多常规步骤将在此仅简要提及或将被完全省略而不提供公知的工艺细节。

上面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前文参考附图描述一个或多个实施例。其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在上文的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高空气桥稳定性的方法，所述空气桥具有两桥墩以及连接两桥墩的桥面，其特征在于，所述方法包括：

获得用于制造空气桥的第一掩膜，所述第一掩膜采用光刻胶经曝光、显影而成且具有对应于空气桥的桥墩位置的第一沉积窗口；

加热所述第一掩膜，以获得第二掩膜，其中加热被实施使得光刻胶发生回流，从而将第一沉积窗口形变为第二沉积窗口、且所述第二沉积窗口具有呈曲线状弯曲的轮廓；

通过第二掩膜依次执行沉积和图案化制得空气桥，所述空气桥的桥面和桥墩之间具有由所述曲线状弯曲的轮廓限定的弯曲分离迹线。

2.根据权利要求1所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，加热所述第一掩膜的步骤中：

加热的温度被选择为所述光刻胶的玻璃化转变温度。

3.根据权利要求2所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，所述光刻胶是多层胶，且不同层胶的玻璃化转变温度是不同的。

4.根据权利要求1或2或3所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，通过第二掩膜沉积的步骤是以旋转镀膜的方式实施的。

5.根据权利要求1所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，图案化的操作包括涂胶、曝光、显影、刻蚀以及除胶。

6.根据权利要求5所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，刻蚀是通过湿法刻蚀的方式实现的。

7.根据权利要求1所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，所述空气桥是超导材质。

8.根据权利要求7所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，所述超导材质包括铝、铌、氮化钛、铟或铌钛氮。

9.根据权利要求1所述的提高空气桥稳定性的方法，其特征在于，空气桥的两桥墩的分离迹线是呈相向的凸型弯曲形状；

和/或，所述光刻胶是单层光刻胶。

10.一种空气桥，其特征在于，通过实施权利要求1至9中任意一项的提高空气桥稳定性的方法而制得。