用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法技术

本发明专利技术提供一种用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法，其包括如下步骤：(1)在衬底上形成金属膜；(2)在所述金属膜上形成光刻胶涂层；(3)采用布尔函数取反变换对所述光刻胶涂层进行曝光和显影；(4)在步骤(3)曝光和显影后所形成的结构上形成掩膜层；(5)去除光刻胶以在所述金属膜上留下具有期望图案的掩膜层；(6)对步骤(5)所形成的结构中的金属膜进行刻蚀，以形成具有期望图案的金属膜；(7)去除掩膜层；其中，所述掩膜层由选自金和/或铂的材料形成。本发明专利技术的方法可以长时间稳定的刻蚀金属膜，用以制备高质量的基于金属膜的量子比特芯片。芯片。芯片。

【技术实现步骤摘要】
用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法


[0001]本专利技术属于超导量子比特芯片制备领域。具体地，本专利技术涉及用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法。

技术介绍

[0002]量子计算芯片的制备是实现量子计算机的基础，而量子比特的退相干时间是评价量子计算芯片质量的关键指标，现如今广泛使用铝膜作为量子比特芯片的基层，但是其制备的量子比特相干时间局限在百微秒量级。最近基于钽膜的量子比特相干时间获得大幅提升，可以突破500微秒。但是基于钽膜的量子比特芯片制备难度极大，特别是芯片图案的刻蚀，以及芯片表面处理等问题。
[0003]对于量子比特芯片图案的在钽膜上的刻蚀，需要先在钽膜上制备掩膜层，再将掩膜层做出需要的图案，之后进行显影、刻蚀，最后再去除掩膜层。在一般的刻蚀方案中，是使用光刻胶做掩膜层，用激光直写，显影的方法制备掩膜层的图案，之后用干法或者湿法刻蚀底层的材料。最后用去胶液将光刻胶去除。
[0004]干法刻蚀虽然可以有良好的刻蚀形貌，但是在刻蚀过程中，离子轰击会对比特的特性造成无法避免的破坏，同时会使光刻胶变性造成衬底被严重污染，使制备出的量子比特芯片的退相干时间无法达到预期。而湿法刻蚀可以避免上述问题，但是由于钽膜的刻蚀液为氢氟酸和硝酸的混合液，由于氢氟酸极易破坏光刻胶，导致其难以黏附，无法保持刻蚀形貌等问题，使我们难以很好的得到所需的刻蚀图案。
[0005]目前，急需一种刻蚀效果稳定、图案形成与设计版图完美结合、具有改善的刻蚀边缘粗糙度的刻蚀方法，进而提高基于金属膜的量子器件的质量和制备的效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法。该方法可以长时间稳定的刻蚀金属膜，用以制备高质量的基于金属膜的量子比特芯片。本专利技术方法的刻蚀效果稳定、图案形成与设计版图可以完美结合并且本专利技术的方法具有改善的刻蚀边缘粗糙度。
[0007]本专利技术的上述目的是通过如下技术方案进行的。
[0008]在本专利技术上下文中，术语“布尔函数取反变换”是指对光刻胶进行曝光时，采用与设计版图或者期望图案互补的图案进行曝光的一种方式。
[0009]本专利技术提供一种用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法，其包括如下步骤：
[0010](1)在衬底上形成金属膜；
[0011](2)在所述金属膜上形成光刻胶涂层；
[0012](3)采用布尔函数取反变换对所述光刻胶涂层进行曝光和显影；
[0013](4)在步骤(3)曝光和显影后所形成的结构上形成掩膜层；
[0014](5)去除光刻胶以在所述金属膜上留下具有期望图案的掩膜层；
[0015](6)对步骤(5)所形成的结构中的金属膜进行刻蚀，以形成具有期望图案的金属膜；
[0016](7)去除掩膜层；
[0017]其中，所述掩膜层由选自金和/或铂的材料形成。
[0018]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述金属膜由选自铌、钽和铝中的一种或几种的材料形成。
[0019]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述光刻胶选自SPR 955、AZ1518，和SPR220中的一种或几种。
[0020]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(4)中的形成掩膜层是通过电子束蒸发镀膜进行的。
[0021]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(6)中的对步骤(5)所形成的结构中的金属膜进行刻蚀是通过湿法刻蚀进行的。
[0022]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述湿法刻蚀采用的刻蚀液包含氢氟酸、硝酸和水。
[0023]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述湿法刻蚀采用的刻蚀液通过包括以下步骤的方法制备：将40％的氢氟酸、65％的硝酸、超纯水按体积比1:9:10的比例混合。在本专利技术的40％的氢氟酸和65％的硝酸均是指的质量浓度，可以商购获得。
[0024]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(7)中的去除掩膜层是通过王水浸泡进行的。在本专利技术中，王水是指浓盐酸和浓硝酸按3:1的体积比进行混合而配制获得的混合酸。
[0025]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(7)中的去除掩膜层是通过干法进行的。
[0026]在本专利技术的具体实施方案中，使用铂或者金作为掩膜层。铂、金是少数不会被氢氟酸腐蚀的金属，将其代替光刻胶作为掩膜层覆盖在钽膜表面用以刻蚀可以避免光刻胶被氢氟酸侵蚀的问题，并且其除去方法恰好又不会破坏被保护的金属膜如钽膜，用它做钽刻蚀的掩膜层是非常合适的。
[0027]在本专利技术的具体实施方案中，由于铂、金是非常稳定的金属，使用常规方法将铂、金做出需要的图形且不破坏被保护的金属膜(如钽膜或者铌膜)是非常困难的，所以本方法使用了光刻胶互补曝光显影，再将铂，金使用电子束蒸发的方法长到钽膜上，再将互补曝光的光刻胶去除，就可以用铂、金将需要刻蚀的图形留在金属膜(如钽膜或者铌膜)上。由于电子束蒸发的温度不高，不会使金属膜(如钽膜或者铌膜)表面的光刻胶在镀膜时遭到破坏，可以使铂、金掩膜层完美的形成所需要的图案。
[0028]在本专利技术的具体实施方案中，金属膜(如钽膜或者铌膜)的刻蚀需要氢氟酸和硝酸混合溶液，由于氢氟酸和硝酸的特性对金属膜(如钽膜或者铌膜)刻蚀的影响不同，所以他们的混合溶液的配备至关重要。如果氢氟酸含量过高，可能导致掩膜层被剥离。如果硝酸含量过高，可能导致刻蚀过快，刻蚀边缘崎岖。本专利技术出乎意料地发现将40％的氢氟酸和65％的硝酸以及超纯水按1:9:10的体积比混合，效果为最佳。
[0029]在本专利技术的具体实施方案中，根据实验经验，使用浓盐酸和浓硝酸按3:1的体积比
例混合后，在45℃水浴加热的情况下，将样品浸泡一个小时左右，待样品表面不再有气泡冒出时，表明掩膜层(如铂、金)去除干净。
[0030]在本专利技术的具体实施方案中，对于金属膜(如钽膜或者铌膜)量子器件基层的制备，先要在金属膜(如钽膜或者铌膜)上形成合适的掩膜层。首先，在金属膜(如钽膜或者铌膜)上涂上紫外光刻胶，如图2所示，然后用紫外曝光的方式，互补曝光，显影。如图3所示，在金属表面形成与设计图互补的图形。再使用电子束蒸发镀膜在其上长上一层铂或者金，如图4所示。去胶后，金属膜(如钽膜或者铌膜)上将留下期望的金属掩膜层，如图5所示。掩膜层做好后，配置合适的刻蚀液，将氢氟酸和硝酸，按合适比例混合，以控制刻蚀效果。再加水稀释，以控制刻蚀速率，这样就可以配置出钽膜刻蚀液。刻蚀过程，将做好掩膜层的样品泡入配好的刻蚀液中，待刻蚀完毕后取出，如图6所示。将浓盐酸和浓硝酸按3:1体积比混合后，将样品泡入其中，即可去除金属掩膜层，如图7所示。如此，基于金属膜(如钽膜或者铌膜)，完成量子器件基层的制备。
[0031]本专利技术具有如下有益效果：
[0032]采用本专利技术的方法刻蚀金属膜(如钽膜或者铌膜)量子器件的基层，可以避免使用传统光刻胶作掩膜层时，由于刻蚀液中的氢氟酸极易破坏光刻胶，产生的光刻胶与钽膜的黏附问题、刻蚀过程光刻胶的变形问题、刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于刻蚀基于金属膜的超导量子比特芯片的方法，其包括如下步骤：(1)在衬底上形成金属膜；(2)在所述金属膜上形成光刻胶涂层；(3)采用布尔函数取反变换对所述光刻胶涂层进行曝光和显影；(4)在步骤(3)曝光和显影后所形成的结构上形成掩膜层；(5)去除光刻胶以在所述金属膜上留下具有期望图案的掩膜层；(6)对步骤(5)所形成的结构中的金属膜进行刻蚀，以形成具有期望图案的金属膜；(7)去除掩膜层；其中，所述掩膜层由选自金和/或铂的材料形成。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属膜由选自铌、钽和铝中的一种或几种的材料形成。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光刻胶选自SPR 955、AZ1518和SPR220中的一种或几...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕羽，相忠诚，宋小会，许凯，范桁，郑东宁，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：