超导真空桥及其制备方法与流程

本公开属于微米超导电路制备及应用技术领域，涉及一种超导真空桥及其制备方法。

背景技术：

空气桥是一种电路结构，它是以三维桥形方式实现平面电路的跨接的一种方式。由于使用空气作为两个导体之间的电介质，可以扩展线路的操作频率范围。与目前无空气桥的线路相比，它可以实现平面波导地线的连接，以及使平面波导交叉通过，能够增强电路稳定性，并构建复杂电路结构，在微米超导微波电路中具有重要意义。

对于超导线路，一般工作在真空中和低温下，因此需要制备超导真空桥。对于基于铝膜的超导线路，通常采用铝作为超导真空桥。但是铝真空桥存在接触强度弱的缺点，通常不能胜任多次的芯片涂胶及去胶流程，使得真空桥的长度受到很大限制。

在微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)中，本领域普遍使用聚甲基戊二酰亚胺(pmgi，polymethylglutarimide)作为牺牲释放层来制作空气桥和悬臂。使用pmgi作为牺牲层的制备方法中，存在如下问题：第一，需要对光刻胶进行掩模曝光并显影，在实际的工艺中，只显影光刻胶而不涉及pmgi层难以控制；第二，还需要对pmgi进行深紫外泛曝光和利用显影液进行显影，在pmgi的显影过程中利用该显影液将光刻胶去除；上述工艺需要分别对光刻胶和pmgi进行两次曝光和显影，同时还涉及深紫外泛曝光和掩膜曝光，去胶工艺繁琐且难以控制显影程度，容易产生由于显影时间控制不当导致pmgi也被显影液溶解，产生桥拱高度不一致的问题；第三，同时满足显影pmgi和去除光刻胶的参数不能制备出长度超过10微米的真空桥，因此，对于超导真空桥的制备来说，使用pmgi作为牺牲层的制备方法不再适用。

综上，有必要提出一种适合制备更长(10微米以上)超导真空桥、工艺简单的方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种超导真空桥及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种超导真空桥的制备方法，包括：在衬底上旋涂lor材料作为lor牺牲层；在lor牺牲层上旋涂第一光刻胶，进行掩膜曝光，该掩膜曝光定义出桥墩的位置；进行第一显影，得到桥墩和桥拱的三维结构；利用第一光刻胶和lor材料在丙酮中的溶解性差异，去除桥拱上未曝光的光刻胶；对桥拱处的lor材料进行设定温度加热回流，获得边缘圆拱化桥拱；在边缘圆拱化拱桥上依次旋涂lor层和第二光刻胶；曝光第二光刻胶，并进行第二显影；蒸镀超导金属层；以及释放超导金属层桥拱下方的lor牺牲层及非超导桥位置处的结构，得到超导真空桥。

在本公开的一些实施例中，进行第一显影，得到桥墩和桥拱的三维结构的步骤中，进行第一显影，对应掩膜曝光的桥墩位置处的第一光刻胶和lor牺牲层均在第一显影过程中被显影液去除，从而得到桥墩和桥拱的三维结构。

在本公开的一些实施例中，曝光第二光刻胶，并进行第二显影的步骤中，曝光第二光刻胶，对应曝光的桥墩和桥拱位置处的第二光刻胶和lor层均在第二显影过程中被显影液去除。

在本公开的一些实施例中，曝光第二光刻胶采用无掩模激光直写技术进行曝光。

在本公开的一些实施例中，曝光第二光刻胶采用掩膜板进行曝光。

在本公开的一些实施例中，第一显影的显影液为：mf319或az400k；和/或，第二显影的显影液为：mf319或az400k。

在本公开的一些实施例中，设定温度介于250℃-300℃之间。。

在本公开的一些实施例中，第一光刻胶和第二光刻胶为s18系列光刻胶。

在本公开的一些实施例中，释放超导金属层桥拱下方的lor牺牲层及非超导桥位置处的结构的方法为：浸泡于溶解剂removerpg中释放lor牺牲层及非超导桥位置处的结构。

根据本公开的另一个方面，提供了一种超导真空桥，其中，该超导真空桥由本公开提到的任一种超导真空桥的制备方法制得。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的超导真空桥及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)利用发现的剥离工艺光刻胶(lor，lift-off-resist)材料与微纳米制造常用光刻胶之间存在的溶解性差异，即常用光刻胶易溶于丙酮试剂，而lor对于丙酮完全不溶的特性，在lor牺牲层上旋涂光刻胶并进行掩膜曝光，对应曝光的桥墩位置处的光刻胶和lor均被显影液去除，得到桥墩和桥拱的三维结构，并直接通过利用光刻胶和lor的溶解性差异使用丙酮去除光刻胶；不需要进行泛曝光和采用显影液去除光刻胶的工艺，从本质上避免了lor在泛曝光后的显影过程中被溶剂溶解导致对桥拱高度的一致性控制差的问题，而且无需泛曝光设备和多次显影过程，从工艺设备使用和工艺流程操作的角度上进行了很大程度的简化；

(2)针对于超导器件，常用的超导材料为al，但al膜因性质活泼在常温下即可形成一层致密的氧化层，故本案在超导真空桥的制备工艺过程中，在沉积超导金属层之前确保al层表面氧化层的去除，用以确保该真空桥的超导特性；

(3)在牺牲层释放方面，因al膜性质活泼，采用去胶温度要求更低的去胶剂removerpg作为lor牺牲层的溶解剂，从而降低牺牲层释放过程中对超导芯片上已有器件的性能影响。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的超导真空桥的制备方法流程图。

图2为按照图1所示的制备方法流程各步骤对应的结构示意图。

表1为根据本公开一实施例所示的制备得到的超导真空桥的尺寸和形貌参数。

【符号说明】

11-衬底；12-lor牺牲层；

13-第一光刻胶；14-第一掩膜板；

15-桥墩；121-桥拱；

131-未曝光的光刻胶；

122-边缘圆拱化桥拱/回流后的形貌；

161-lor层；162-第二光刻胶；

17-第二掩膜板；18-超导金属层。

具体实施方式

本公开提供了一种超导真空桥及其制备方法，在lor牺牲层和光刻胶上采用掩膜曝光制作桥墩和桥拱的三维结构以及进行光刻定义超导桥的图形和所在位置，实现超导金属在桥墩和桥拱上的沉积，去除牺牲层之后得到超导真空桥；通过利用光刻胶和lor在丙酮中的溶解性差异去除光刻胶，并在沉积超导金属层之前去除氧化膜保证超导特性，不需要进行泛曝光和采用显影液去除光刻胶的工艺，从本质上避免了lor在泛曝光后的显影过程中被溶剂溶解导致对桥拱高度的一致性控制差的问题，而且无需泛曝光设备和多次显影过程，从工艺设备使用和工艺流程操作的角度上进行了很大程度的简化。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“光刻胶”是指常见的光刻胶，不包含lor光刻胶。术语“介于之间”包含端点值。

现有技术中，使用pmgi作为牺牲层的制备方法主要分为如下步骤：

(1)旋涂多层pmgi，并旋涂光刻胶；

(2)对光刻胶进行掩模曝光并显影；

(3)对pmgi进行深紫外泛曝光；

(4)对pmgi进行显影，同时光刻胶被显影液去除；

(5)pmgi层进行回流；

(6)旋涂光刻胶；

(7)掩模曝光光刻胶；

(8)显影光刻胶；

(9)沉积金属层；

(10)剥离pmgi、光刻胶、及上层金属，获得桥结构。

使用pmgi作为牺牲层的制备方法可以用来制备小于10微米长度的真空桥，但是对于超导真空桥的制备来说，使用pmgi作为牺牲层的制备方法不再适用，具体体现在：

1、在第(2)步中，在实际的工艺中，只显影光刻胶而不涉及pmgi层难以控制；在第(3)步和第(4)步中还需要对pmgi进行深紫外泛曝光和利用显影液进行显影，在pmgi的显影过程中利用该显影液将光刻胶去除；上述工艺需要分别对光刻胶和pmgi进行两次曝光和显影，同时还涉及深紫外泛曝光和掩膜曝光，去胶工艺繁琐且难以控制显影程度，容易产生由于显影时间控制不当导致pmgi也被显影液溶解，产生桥拱高度不一致的问题；

2、在第(4)步中同时满足显影pmgi和去除光刻胶的参数不能制备出长度超过10微米的真空桥；

3、在第(9)步中金属为铝时，沉积的超导金属中有氧化层不能保证超导接触。

通过对现有技术的分析，本公开提出一种超导真空桥及其制备方法，其中，超导真空桥的制备方法中采用lor作为牺牲层，并且在选用lor作为牺牲层时，通过设计工艺克服了lor在泛曝光后的显影过程中被溶剂溶解导致对桥拱高度的一致性控制差的缺陷，且制备工艺实现了很大程度的简化。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种超导真空桥的制备方法。

图1为根据本公开一实施例所示的超导真空桥的制备方法流程图。图2为按照图1所示的制备方法流程各步骤对应的结构示意图。

结合图1和图2所示，本公开的超导真空桥的制备方法，包括：

步骤s11：在衬底上旋涂lor材料作为lor牺牲层；

本实施例中，先清洗衬底11，使衬底11的表面洁净，衬底11如图2中(a)所示；在衬底11上旋涂lor材料作为牺牲层12，本公开为了突出该牺牲层的特点，将该牺牲层称为lor牺牲层12，该lor牺牲层12的厚度为h，该厚度h决定了超导真空桥的桥拱的高度，结合图2中(b)和(j)所示，在一实施例中，旋涂的lor可以为单层或多层。

步骤s12：在lor牺牲层上旋涂第一光刻胶，进行掩膜曝光，该掩膜曝光定义出桥墩的位置；

本实施例中，为了使曝光区域在显影液中容易溶解，提高分辨率，第一光刻胶优选正胶，这里以s1805光刻胶为例，本领域技术人员可以根据实际需要进行正胶的选取，其他类型的正胶也在本公开的保护范围之内。

在lor牺牲层12上旋涂第一光刻胶13，以第一掩膜板14作为掩膜，进行掩膜曝光，该掩膜曝光定义出桥墩的位置；其中，第一掩膜板14的图案参见图2中(c)所示意，曝光区域定义为桥墩的位置，图中以无填充的区块示意，非曝光区域定义为桥拱的位置，图中以填充有斜线的区块示意。

步骤s13：进行第一显影，对应掩膜曝光的桥墩位置处的第一光刻胶和lor牺牲层均被显影液去除，得到桥墩和桥拱的三维结构；

本实施例中，显影液采用mf319或az400k，由于光刻胶具有感光特性，光刻胶曝光后溶于显影液，lor光刻胶非感光但溶于显影液，因此，利用显影液将掩膜曝光的桥墩位置处的第一光刻胶和lor牺牲层去除，对应掩膜曝光的桥墩位置处的第一光刻胶和lor牺牲层均被显影液去除后的结构参见图2中(d)所示，得到一桥墩15对应的空间，剩下lor牺牲层作为桥拱121，以及位于桥拱121之上未曝光的光刻胶131。

步骤s14：利用第一光刻胶和lor材料在丙酮中的溶解性差异，去除桥拱上未曝光的光刻胶；

经过试验发现lor材料与微纳米制造常用光刻胶之间存在溶解性差异，微纳米制造常用光刻胶易溶于丙酮试剂，而lor材料对于丙酮完全不溶，基于该溶解性差异，利用丙酮去除位于桥拱121之上的未曝光的光刻胶131，得到的结构参见图2中(e)所示。

步骤s14的设置是由于后续工艺中还要进行加热，而光刻胶的耐温性差，不利于后期剥离，故利用溶解性差异，使用丙酮将桥拱上未曝光的光刻胶去除。

步骤s15：对桥拱处的lor材料进行设定温度加热回流，获得边缘圆拱化桥拱；

本实施例中，对桥拱处的lor材料进行设定温度加热回流，该设定温度例如介于250℃-300℃之间，本公开的设定温度不局限于实施例所示，任何本领域技术人员根据实际需要进行适应性设置的合理温度均在保护范围之内。利用lor材料的耐温性和回流特性，获得边缘圆拱化桥拱122，该边缘圆拱化桥拱122的三维形貌参见图2中(f)所示。

步骤s16：在边缘圆拱化拱桥上依次旋涂lor层和第二光刻胶；

在边缘圆拱化拱桥122上依次旋涂lor层161和第二光刻胶162的结构参见图2中(g)所示，本实施例中，第二光刻胶以光刻胶s1813为例。

步骤s17：曝光第二光刻胶，并进行第二显影，对应曝光的桥墩和桥拱位置处的第二光刻胶和lor层均被显影液去除；

本实施例中，第二光刻胶采用第二掩膜板17作为掩膜进行曝光，该第二掩膜版17的图案参见图2中(h)所示，曝光区域定义为桥墩和桥拱的位置，图中以无填充的区块示意，非曝光区域定义为非超导桥位置，图中以填充有斜线的区块示意。

在其它实施例中，还可以采用无掩模激光直写技术进行曝光，不需要采用如图2中(h)所示的第二掩膜板17即可实现第二光刻胶的曝光。曝光完第二光刻胶之后进行第二显影，本实施例中，显影液采用mf319或az400k，基于与步骤s13相同的理由，利用显影液将对应曝光的桥墩和桥拱位置处的第二光刻胶和lor层去除，去除曝光的桥墩和桥拱位置处的第二光刻胶和lor层之后的结构为图2中(i)不含超导金属层18的结构。

步骤s18：蒸镀超导金属层；

超导金属层的材料可以是铝、钛、铌、以及其它超导材料，该材料可以是单层超导材料，或两层及多层不同的超导材料。为了增强真空桥在后续工艺中的稳定性，在一优选实施例中，采用200nmal+900nmti的双金属超导桥工艺。本实施例中，超导金属层的材料为al，在蒸镀超导金属层之前确保al层表面氧化层的去除，用以确保该真空桥的超导特性。在一实例中，为了保证超导真空桥与基底图形的接触为超导接触，在超高真空蒸镀al膜前进行可控的ar离子的物理轰击，既确保al层表面的氧化层可被去除，从而实现超导接触，又保证不会对al层衬底本身造成缺陷而带来器件性能的影响。在其它示例中，为了保证超导真空桥与与基底图形的接触为超导接触，可以利用一腐蚀液去除氧化层，该腐蚀液不影响其他的结构和光刻胶。

在第二显影后蒸镀超导金属层18，该超导金属层18位于处于桥拱位置的lor牺牲层之上并和衬底接触，形成了实心的真空超导桥，参见图2中(i)所示，其中箭头表示掩膜曝光的光照方向，该真空超导桥的桥拱高度取决于lor牺牲层12的高度。

步骤s19：释放超导金属层桥拱下方的lor牺牲层及非超导桥位置处的结构，得到超导真空桥；

从器件性能角度方面，在器件工作时要求桥与其下方的超导线路之间为真空(介电常数＝1)，即超导真空桥在释放工艺时要求牺牲层被完全去除，且溶解牺牲层的溶剂不易产生残留物，同时释放所用溶剂亦不可与已制备好的超导线路之间发生反应。本实施例中，因al膜性质活泼，故先采用化学性质为中性的去胶温度要求更低的去胶剂removerpg作为lor牺牲层的溶解剂，而非超导桥位置处的结构也浸泡于该溶解剂中进行去除；但因removerpg本身不易挥发，无法直接将真空桥从removerpg溶液中干燥，故利用removerpg与有机溶剂的良好互溶，通过溶液置换的方式，将已制备的超导真空桥样品从removerpg溶液中置换为易于挥发的有机溶剂例如异丙醇溶液，并通过高纯n2令异丙醇挥发干燥从而获得性能可靠的超导真空桥的结构，参见图2中(j)所示，可有效降低牺牲层释放过程中对超导芯片上已有器件的性能影响。

作为牺牲层的lor经热回流工艺及物理攻击刻蚀后仍易于去除，且在超导真空桥的释放过程中不易形成残留；通过选取合适的置换溶液可使得超导真空桥在从溶液中取出干燥的过程中既不会引入其他介质层导致超导器件的性能降低，也不会因毛细力影响而导致吸附塌陷(如果用水溶液置换则会有吸附塌陷的风险)。

得到的超导真空桥的长度可以达10微米以上，在一实例中，利用本实施例所示的超导真空桥的制备方法，当lor旋涂厚度为2.4μm时，可以得到跨度60μm、桥拱高度(也称为桥高或拱高)为0.8μm的超导真空桥；在另一实例中，同样lor厚度条件下，可以得到跨度为36μm、桥拱高度为2μm的超导真空桥。

超导真空桥的形貌主要由跨度和桥高两个参数决定，而这两个参数与lor牺牲层12的尺寸及其回流(reflow)后的形貌122直接相关。lor在设定温度(比如250℃-300℃)之间进行热回流为高分子材料的热塑性流动过程，回流后的形貌因受到表面张力的影响而呈现圆拱形。然而当桥的跨度与牺牲层的厚度比大于一定比例后，热回流的影响不足以在桥拱处形成圆拱，在表面张力的作用下，桥拱中点位置的lor会向台阶处流动形成圆弧，而原桥拱中点位置处的lor高度会随着高分子材料的流失而降低，从而产生m型桥拱。这种m型桥拱在桥中心位置的高度远低于所涂lor牺牲层12的高度，亦远低于桥墩附近的高度。随着旋涂lor厚度的降低，大跨度真空桥的拱高急剧下降，一方面会降低引入过大的寄生电容(拱高＜0.9μm时)，降低器件的性能，另一方面会因为释放过程中的溶液表面张力影响导致桥面直接与底层金属吸附(尤其是m型桥拱的中心位置)，无法获得悬空的超导真空桥结构。

对于采用pmgi作为牺牲层制备超导真空桥的方案中，由于pmgi本身所能旋涂的厚度有限一般小于1.5μm，当跨度＞10μm时，受回流后的m型桥拱的影响将导致真空桥的高度过低甚至桥面吸附塌陷。而lor具有多种规格，通过选择合适的规格可使其旋涂厚度达到5μm以上，从而获得跨度更大的超导真空桥。

在本公开的第二个示例性实施例中，提出了一种由上述制备方法制得的超导真空桥。

本实施例中，利用上述制备方法得到的超导真空桥的尺寸和形貌如表1所示。在本实施例中，在相同工艺条件下，例如lor牺牲层12的旋涂厚度为2.4μm时，得到具有不同跨度的超导真空桥的形貌及高度，其中，以桥拱最低处计算拱高。

本公开提出的采用lor作为牺牲层的超导真空桥的制备方法具有如下优点：

1、工艺兼容性强，lor作为常用的工艺剥离光刻胶，可根据需求与多种光敏高分子材料(正胶、负胶等)配合使用；

2、工艺流程简化，仅需两步曝光显影，配合热回流及丙酮去胶；

3、桥拱高度的不会受去胶工艺的影响，仅由lor厚度及桥拱跨度决定，工艺一致性强；

4、工艺可靠性高：超导真空桥的释放及干燥过程既可有效控制桥拱下的残留物，也不会影响桥的形貌，可有效保障超导真空桥的合格率；

5、超导真空桥的尺寸参数可选范围大，可适用于不同超导器件的设计要求。

综上所述，本公开提供了一种超导真空桥及其制备方法，在lor牺牲层和光刻胶上采用掩膜曝光制作桥墩和桥拱的三维结构以及进行光刻定义超导桥的图形和所在位置，实现超导金属在桥墩和桥拱上的沉积，去除牺牲层之后得到超导真空桥；通过利用光刻胶和lor在丙酮中的溶解性差异去除光刻胶，并在沉积超导金属层之前去除氧化膜保证超导特性，不需要进行泛曝光和采用显影液去除光刻胶的工艺，从本质上避免了lor在泛曝光后的显影过程中被溶剂溶解导致对桥拱高度的一致性控制差的问题，而且无需泛曝光设备和多次显影过程，从工艺设备使用和工艺流程操作的角度上进行了很大程度的简化；在牺牲层释放方面，因al膜性质活泼，采用去胶温度要求更低的pgremover作为lor牺牲层的溶解剂，从而降低牺牲层释放过程中对超导芯片上已有器件的性能影响。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。