一种超导量子芯片光刻工艺的监控方法与流程

本发明属于半导体制造，具体涉及一种超导量子芯片光刻工艺的监控方法。

背景技术：

1、超导量子比特是实现量子计算的主流方案之一。其核心结构（如约瑟夫森结、谐振腔、耦合器等）通常由铝或铌等超导材料通过电子束光刻和薄膜沉积工艺制备。随着量子比特数量的增加，对芯片制造工艺的稳定性与重复性提出了极高要求。

2、在超导量子芯片的光刻工艺中，尤其是在定义纳米级关键结构（如约瑟夫森结的氧化层区域）时，光刻胶的显影是否完全、曝光剂量是否精准，直接决定了器件的最终性能。如果光刻胶残留（即“显影不净”或“曝光不足”），会导致本应被刻蚀去除的超导薄膜残留，从而引发芯片短路、寄生电容异常或量子比特性能退化。

3、传统的光学检测手段（如扫描电子显微镜，sem）只能进行抽检，无法实现晶圆级、高密度的在线监控，且检测过程可能引入污染或损伤，具体缺陷如下：

4、1.检测手段的“非原位”与“破坏性”风险

5、对于超导量子芯片而言，sem的高能电子束会损伤超导金属膜及其表面，导致量子比特的相干时间（t1/t2）退化。此外，抽检无法覆盖整片晶圆上的每一个光刻单元，而量子比特对制造误差极度敏感，一个局部的光刻胶残留就可能导致整个芯片因短路而报废。

6、2.灵敏度与工艺窗口的错配

7、超导量子芯片中的约瑟夫森结氧化层厚度通常在1-3nm量级，而常规光学检测或电子显微镜难以有效分辨几纳米厚度的残留污染物；现有监控手段与超导量子芯片纳米级薄膜工艺之间缺乏匹配的灵敏度。

8、因此，提供一种能够快速、无损、原位反映光刻工艺完整性的监控手段，是当下亟需研究的重点方向。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超导量子芯片光刻工艺的监控方法。本发明引入牺牲性导电桥作为“牺牲”导体，将光刻工艺中“有/无胶”的二元状态强制转化为电学上“断/通”的二元状态，由此不可见的光刻胶残留问题被转化为清晰、可快速判读的电学信号，实现了对光刻工艺窗口的无损原位监控；该监控方法的灵敏度远超光学显微镜检测，甚至能够捕捉极轻微的光刻胶残留，且无需引入电子束检测，避免了电子束对超导量子芯片的潜在损伤，可实现晶圆级全检；同时，工艺问题转化为简单的通断电学测试，极大地降低了判定难度，数据易于自动化采集与分析，适合大规模生产。此外，牺牲性导电桥的引入并不会占用有效量子比特面积，不参与最终工作电路构建，不会引入额外的电容耦合或漏电通道，实现了零附加寄生，与现有超导量子芯片工艺完全兼容。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种超导量子芯片光刻工艺的监控方法，所述监控方法包括以下步骤：

4、提供衬底，在所述衬底上沉积超导薄膜，通过第一光刻和第一刻蚀，形成超导电路图形以及位于所述衬底边缘区域的检测图形；所述检测图形处露出衬底的表面。

5、进行第二光刻，在所述检测图形内形成导电桥图形窗口，然后沉积金属导电层；进行剥离处理并保留位于所述导电桥图形窗口内的金属导电层作为牺牲性导电桥；所述牺牲性导电桥包括连接相邻超导电路图形的桥头以及连接两端桥头的桥身。

6、进行光刻工艺，在所述牺牲性导电桥的桥身区域形成监控图形，然后去除所述监控图形对应区域的光刻胶。

7、进行湿法刻蚀处理，去除所述牺牲性导电桥的桥身。

8、去除衬底上剩余的光刻胶，然后对所述牺牲性导电桥进行电学测试：若测试结果为开路，则判定光刻工艺正常；若测试结果为导通，则判定光刻工艺异常。

9、本发明引入牺牲性导电桥作为“牺牲”导体，将光刻工艺中“有/无胶”的二元状态强制转化为电学上“断/通”的二元状态：当光刻工艺正常时，桥身暴露并被刻蚀完全断开，电学测试为开路；当光刻工艺异常时，桥身区域残留的光刻胶作为保护层阻止刻蚀，铝桥保持完整，电学测试为导通。由此，不可见的光刻胶残留问题被转化为清晰、可快速判读的电学信号，实现了对光刻工艺窗口的无损原位监控；该监控方法的灵敏度远超光学显微镜检测，甚至能够捕捉极轻微的光刻胶残留，且无需引入电子束检测，避免了电子束对超导量子芯片的潜在损伤，可实现晶圆级全检；同时，工艺问题转化为简单的通断电学测试，极大地降低了判定难度，数据易于自动化采集与分析，适合大规模生产。此外，牺牲性导电桥的引入并不会占用有效量子比特面积，不参与最终工作电路构建，不会引入额外的电容耦合或漏电通道，实现了零附加寄生，与现有超导量子芯片工艺完全兼容。

10、本发明属于逆向思维，即通过检测牺牲性导电桥的桥身是否被完全刻蚀来反推光刻胶的完整性，为超导量子芯片光刻工艺提供了一种快速、无损、原位的监控手段。

11、本发明在第一光刻的过程中，同步定义了超导电路图形以及位于所述衬底边缘区域的检测图形，而后在第一刻蚀的工艺下，将未被光刻胶掩膜的超导薄膜区域刻蚀掉，留下所需的超导电路图形，同时检测图形区域的超导薄膜也被刻蚀掉，露出衬底表面，为后续制作牺牲性导电桥提供了基础。

12、优选地，所述衬底包括高阻硅、蓝宝石或soi中的任意一种。需要说明的是，soi指的是绝缘体上硅。

13、优选地，所述超导薄膜的材质包括铝、铌、钽或氮化钛中的任意一种或至少两种的组合。

14、优选地，所述超导薄膜的厚度为100-500nm，例如可以是100nm、200nm、300nm、400nm或500nm等。

15、优选地，所述金属导电层的厚度为10-20nm，例如可以是10nm、12nm、14nm、15nm、16nm、18nm或20nm等。

16、本发明选择厚度为10-20nm的金属导电层用作制备牺牲性导电桥的原材料，该厚度可以在后续湿法刻蚀处理的过程中，刻蚀时间被精确控制在仅能去除该厚度牺牲性导电桥桥身的范围内，从而当光刻工艺正常（曝光充分）时，桥上的光刻胶被完全去除，桥身暴露，在刻蚀中被完全断开，电学测试为开路；当光刻工艺异常（曝光不足或显影不净）时，桥上的光刻胶存在残留，该残留光刻胶作为保护层阻止了刻蚀，导致桥身保持完整，电学测试为导通。该厚度范围避免了因过薄（<10nm）导致未能连续成膜导致判断不准确，存在偶然性。

17、优选地，所述金属导电层的材质包括铝、铬或锌中的任意一种或至少两种的组合。

18、优选地，所述金属导电层的沉积方法包括磁控溅射法、电子束蒸发法或原子层沉积法中的任意一种或至少两种的组合。

19、优选地，所述剥离处理的方法包括：将芯片浸入剥离液中，对非导电桥图形窗口的金属导电层以及光刻胶同步去除。

20、本发明利用剥离处理的技术手段，使得非导电桥图形窗口的金属导电层以及光刻胶同步去除，同时保留位于导电桥图形窗口内的金属导电层作为牺牲性导电桥，测试区域和导电桥区域无明显残留即可。

21、示例性的，剥离液例如可以是n-甲基吡咯烷酮（nmp）基剥离液等。

22、优选地，所述剥离液的温度为60-80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。

23、本发明进行剥离处理时，所采用的剥离液的温度为60-80℃，此温度范围剥离液溶解光刻胶效果最佳。

24、优选地，所述牺牲性导电桥的桥宽为1-50μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm等。

25、优选地，所述光刻工艺包括依次进行的涂胶、曝光和显影。

26、优选地，所述涂胶后形成的光刻胶厚度为850-950nm，例如可以是850nm、900nm或950nm等。

27、优选地，所述显影的时间为50-80s，例如可以是50s、60s、65s、70s、75s或80s等。

28、本发明中，显影的时间对于牺牲性导电桥的完整至关重要，时间过短会有光刻胶残留，后续会阻止刻蚀；时间过长会显影液直接消耗欠曝的光刻胶，甚至消耗底部导电桥，影响最终判断。

29、优选地，所述显影液包括az300mif或mf319。

30、优选地，所述湿法刻蚀处理的过程中，使用的刻蚀液包括酸液。

31、优选地，所述湿法刻蚀处理的时间预先标定，满足理论上完全去除所述牺牲性导电桥的桥身的要求。

32、本发明在不知桥身所在区域的光刻胶是否去除干净的情况下预先标定湿法刻蚀处理的时间，该时间满足理论上完全去除牺牲性导电桥的桥身的要求，有助于将光刻胶的残留状态精准反映为牺牲性导电桥的通断结果。由此无需预先判断光刻胶是否去除干净，而是仅通过简单的电学测试即可逆向推断光刻工艺的优劣，实现了对光刻胶残留的高灵敏、无损、原位监控。

33、优选地，所述湿法刻蚀处理的时间为10-15s，例如可以是10s、11s、12s、13s、14s或15s等。

34、优选地，所述电学测试的步骤包括：采用探针台分别对接所述牺牲性导电桥的两端桥头所在的超导薄膜作为第一电极和第二电极，进行阻值检测。

35、本发明采用上述电学测试的方法，一方面以接牺牲性导电桥两端的桥头所在的超导薄膜作为测试电极，可在室温下毫秒级完成阻值检测，操作简便、数据易于自动化采集，适合晶圆级全检；另一方面，桥头仅连接相邻的超导电路图形且位于衬底边缘区域，并不参与量子比特核心工作电路，不会引入额外的电容耦合或漏电通道，也不会对超导量子芯片的相干时间等关键性能产生任何影响，实现了无损、原位的在线监控。

36、优选地，所述监控方法包括以下步骤：

37、（1）提供衬底。

38、在所述衬底上沉积厚度为100-500nm的超导薄膜。

39、在所述超导薄膜的表面进行第一光刻和第一刻蚀，形成超导电路图形以及位于所述衬底边缘区域的检测图形；所述检测图形处露出衬底的表面。

40、（2）进行第二光刻，在所述检测图形内形成铝桥图形窗口，露出待沉积铝层的区域。

41、在所述待沉积铝层的区域沉积厚度为10-20nm的铝层，然后浸入60-80℃的剥离液中，剥离液通过铝层在光刻胶侧壁处的薄弱点渗透，接触并溶胀光刻胶，带动上层的铝层剥离，实现非铝桥图形窗口的铝层以及光刻胶的同步去除，保留位于所述导电桥图形窗口内的金属导电层作为牺牲性导电桥。

42、所述牺牲性导电桥包括连接相邻超导电路图形的桥头以及连接两端桥头的桥身；所述牺牲性导电桥的桥宽为1-50μm。

43、（3）在步骤（2）得到的芯片上旋涂紫外光刻胶，形成厚度为850-950nm的光刻胶层。

44、采用激光直写进行曝光处理，从而在所述牺牲性导电桥的桥身区域形成监控图形。

45、将芯片浸入显影液中进行显影处理，时间为50-80s；所述显影处理的过程中，若所述曝光处理时的曝光剂量充分，则所述牺牲性导电桥的桥身上方的光刻胶被完全去除；若所述曝光处理时的曝光剂量不足，则所述牺牲性导电桥的桥身上方的光刻胶存在残留。

46、（4）采用酸液对步骤（3）得到的芯片进行湿法刻蚀处理，时间为10-15s；其中，所述酸液的浓度为50-90wt%（例如可以是50wt%、60wt%、70wt%、80wt%或90wt%等），所述酸液包括磷酸、硝酸和乙酸；所述湿法刻蚀处理的时间预先标定，满足理论上完全去除所述牺牲性导电桥的桥身的要求。

47、（5）去除剩余的光刻胶。

48、采用探针台分别对接所述牺牲性导电桥的两端桥头作为第一电极和第二电极，进行阻值检测：

49、若测试结果为开路，则表明牺牲性导电桥已经被刻蚀断开，判定光刻工艺正常，曝光充分。

50、若测试结果为导通，阻值＜1ω（例如可以是0.8ω、0.6ω、0.5ω或0.4ω等），则表明牺牲性导电桥的桥身未被完全刻蚀，判定光刻工艺中存在曝光不足或显影不净的问题，光刻工艺异常。

51、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

52、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

53、（1）本发明引入牺牲性导电桥作为“牺牲”导体，将光刻工艺中“有/无胶”的二元状态强制转化为电学上“断/通”的二元状态：当光刻工艺正常时，桥身暴露并被刻蚀完全断开，电学测试为开路；当光刻工艺异常时，桥身区域残留的光刻胶作为保护层阻止刻蚀，铝桥保持完整，电学测试为导通。由此，不可见的光刻胶残留问题被转化为清晰、可快速判读的电学信号，实现了对光刻工艺窗口的无损原位监控；该监控方法的灵敏度远超光学显微镜检测，甚至能够捕捉极轻微的光刻胶残留，且无需引入电子束检测，避免了电子束对超导量子芯片的潜在损伤，可实现晶圆级全检；同时，工艺问题转化为简单的通断电学测试，极大地降低了判定难度，数据易于自动化采集与分析，适合大规模生产。

54、（2）本发明中，牺牲性导电桥的引入并不会占用有效量子比特面积，不参与最终工作电路构建，不会引入额外的电容耦合或漏电通道，实现了零附加寄生，与现有超导量子芯片工艺完全兼容。

55、（3）本发明属于逆向思维，即通过检测牺牲性导电桥的桥身是否被完全刻蚀来反推光刻胶的完整性，为超导量子芯片光刻工艺提供了一种快速、无损、原位的监控手段。