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Low-Loss, High-Coherence Airbridge Interconnects Fabricated by Single-Step Lithography

본 논문은 첨단 양자 소자를 위한 견고한 기계적 안정성을 유지하면서 큐비트의 결맞음 시간(dephasing time)을 향상시키는 저손실, 고결맞음 나노 스케일 에어브릿지(airbridge)를 제작하기 위한 단순화된 단일 단계 리소그래피 공정을 제시한다.

원저자: Jibang Fu, Bo Ren, Jiandong Ouyang, Cong Li, Kechengqi Zhu, Yonggang Che, Xiang Fu, Shichuan Xue, Zhaohua Yang, Mingtang Deng, Junjie Wu

게시일 2026-01-26

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CC BY 4.0

원저자: Jibang Fu, Bo Ren, Jiandong Ouyang, Cong Li, Kechengqi Zhu, Yonggang Che, Xiang Fu, Shichuan Xue, Zhaohua Yang, Mingtang Deng, Junjie Wu

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

당신이 전자를 위한 아주 작고 정밀한 도시를 건설하고 있다고 상상해 보세요. 이 도시의 "도로"(전선)는 서로 닿지 않고 교차해야 합니다. 만약 서로 닿으면, 그들이 운반하는 섬세한 정보가 뒤섞여 버리기 때문입니다. 양자 컴퓨터의 세계에서 이러한 교차를 **에어브릿지(airbridge)**라고 부릅니다. 이것은 마치 전기용 현수교와 같습니다. 전선 위로 떠서 지나가며, 단락(쇼트)이 발생하거나 에너지를 잃는 것을 방지하기 위해 공중에 매달려 있는 형태입니다.

오랫동안 이러한 미세한 다리를 만드는 것은 복잡하고 며칠이 걸리는 건설 프로젝트를 수행하는 것과 같았습니다. 층을 쌓고, 깎아내고, 완벽하게 정렬한 뒤, 다시 비계(scaffolding)를 제거해야 했습니다. 이 과정은 느리고 오류가 발생하기 쉬웠으며, 종종 민감한 양자 신호를 망칠 수 있는 "건설 잔해"(잔여물)를 남기기도 했습니다.

새로운 "원스텝(One-Step)" 기술
연구진은 마치 복잡한 조각상을 만들기 위해 조각칼로 조금씩 깎아내는 대신, 찰흙을 한 번의 완벽한 주입으로 빚어내는 숙련된 조각가처럼, 단 한 단계만에 이 다리들을 만드는 방법을 찾아냈습니다.

그들이 어떻게 이 일을 해냈는지, 간단한 비유를 통해 설명하겠습니다.

특수 찰흙 (레지스트 스택): 단 한 종류의 재료만 사용하는 대신, 그들은 세 가지 다른 종류의 "찰흙"(레지스트라는 물질)을 칩 위에 층층이 쌓았습니다.
세 단계의 손전등 (삼중 노광): 보통 찰흙의 모양을 잡기 위해 빛을 쏠 때는 하나의 강도를 사용합니다. 하지만 연구진은 영리한 "세 단계" 손전등 방식을 사용했습니다.
- 가장 밝은 빛: 깊은 기초(받침대)를 깎아내기 위해 사용되었습니다.
- 중간 밝기의 빛: 다리의 메인 아치 모양을 잡기 위해 사용되었습니다.
- 가장 약한 빛: 중간 층 아래에 아주 작고 숨겨진 언더컷(작은 돌출부)을 만들기 위해 사용되었습니다. 이것이 나중에 다리를 깔끔하게 들어 올릴 수 있게 해주는 핵심 비법입니다.
녹이는 기술 (열적 리플로우): 찰흙의 모양을 잡은 후, 그들은 찰흙을 부드럽게 가열했습니다. 거칠고 울퉁불퉁한 얼음 조각을 적당히 녹여서 가장자리가 완벽하게 매끄럽고 둥근 아치 모양이 되도록 만드는 것을 상상해 보세요. 이 단계는 그 위에 올라갈 금속 다리가 믿을 수 없을 만큼 매끄럽게 만들어지도록 보장하며, 이는 양자 컴퓨터에 매우 중요합니다.
금속 붓기: 그런 다음 그들은 액체 금속(알루미늄)을 이 매끄러운 아치형 찰흙 모양 위에 부었습니다. 이전에 만든 숨겨진 언더컷 덕분에, 금속은 윗부분과 옆면에만 달라붙어 완벽한 다리 형태를 갖추게 되었습니다. 우리가 찰흙을 씻어냈을 때, 금속 다리는 공중에 떠 있는 상태로 남았습니다.

이것이 왜 중요한가: "강도" 테스트
이 섬세한 다리들과 관련하여 가장 큰 걱정 중 하나는 세척 과정 중에 다리가 부서질 수 있다는 점입니다. 칩 제조 과정에서는 먼지를 제거하기 위해 초음파 세척기(칩을 위한 식기세척기 같은 것)에 부품을 넣고 흔드는 경우가 많습니다.

테스트: 연구팀은 이 새로운 다리 60개를 저출력 초음파 세척기에 넣었습니다.
결과: 60개 모두 완벽하게 온전한 상태로 살아남았습니다. 심지어 출력을 높였을 때도 대부분 생존했으며, 약 30%만이 파손되었습니다. 이는 이 다리들이 기존 방식의 다리들과 달리 매우 튼튼하고 안정적이라는 것을 증명합니다.

양자 결과: 더 조용한 방
이 새로운 다리가 실제로 양자 컴퓨터에 도움이 되는지 확인하기 위해, 연구팀은 "8-mon"이라 불리는 특정 유형의 양자 비트(큐비트)를 만들고 여기에 에어브릿지를 적용했습니다. 그들은 이를 표준 설계인 "X-mon" 및 에어브릿지 대신 고체 절연체를 사용한 버전과 비교했습니다.

비교 결과:
- 고체 절연체: 전선을 가로지르기 위해 고체 블록(유리 같은 것)을 사용했을 때, 양자 신호는 매우 빠르게 사라졌습니다(약 2 마이크로초). 이는 마치 소음이 심하고 메아리가 울리는 방에서 속삭임을 시도하는 것과 같았습니다.
- 기존 표준 (X-mon): 표준 설계는 신호를 약 14 마이크로초 동안 유지하며 잘 작동했습니다.
- 새로운 에어브릿지 (8-mon): 에어브릿지를 사용한 새로운 설계가 명백한 승자였습니다. 이 설계는 신호를 약 36 마이크로초 동안 유지했는데, 이는 표준 설계보다 두 배 이상 길고 고체 절연체보다는 훨씬 뛰어난 수치입니다.

핵심 요약
이 논문은 특수 가열 기술을 이용한 단일 단계의 "원포어(one-pour)" 방식을 통해, 다음과 같은 특징을 가진 에어브릿지를 제작했다고 주장합니다.

더 작고 매끄러움: 200 나노미터 미만의 폭을 가지며 완벽하게 매끄러운 가장자리를 가진 다리를 만들 수 있습니다.
더 강함: 칩 제조에 필요한 세척 단계를 견뎌낼 수 있습니다.
더 조용함: 양자 컴퓨터에 추가적인 "노이즈"나 손실을 주지 않으며, 실제로 컴퓨터가 정보를 더 오래 유지할 수 있도록 돕습니다(표준 설계와 비교하여 디페이징 시간(dephasing time)을 2.5배 개선함).

요약하자면, 그들은 양자 컴퓨터가 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 현수교를 더 단순하고, 깨끗하며, 견고하게 만드는 방법을 찾아낸 것입니다.

기술 요약: 단일 단계 리소그래피로 제작된 저손실, 고결집성 에어브릿지 상호연결

문제 정의
현대적인 집적 회로, 광소자 및 양자 시스템의 소형화와 성능 향상은 복잡한 3차원 구조를 요구한다. 이러한 분야에서 핵심적인 병목 현상은 하부 구성 요소 위에 가로지르면서도 전기적, 광학적 또는 기계적 간섭을 유발하지 않는 고성능 저기생 상호연결(에어브릿지)을 생성하는 것이다. 양자 정보 처리, 특히 초전도 큐비트 분야에서 에어브릿지는 스퓨리어스 전자기 모드를 억제하기 위한 저손실 마이크로파 공진기, 큐비트 결합 및 접지 전략을 위해 필수적이다.

전통적인 에어브릿지 제작은 다층 레지스트 스택과 선택적 희생층 식각을 포함하는 다단계 리소그래피 공정에 의존한다. 이러한 방식은 상당한 단점을 지닌다. 즉, 노광 간의 복잡한 정렬이 필요하며, 양자 결집성을 저하시키는 유기 잔류물이나 공정 유도 결함을 도입할 위험이 있고, 추가적인 소형화 및 고밀도 집적을 방阻한다. 다른 단일 단계 방법들(예: 그래디언트 노광 또는 이광자 리소그래피)이 존재하지만, 서브 마이크론 차원으로 축소하거나 충분히 매끄러운 아치형 프로파일을 생성하는 데 어려움을 겪는 경우가 많다.

방법론
저자들은 단 한 번의 전자빔 리소그래피(EBL) 단계만을 사용하는 나노스케일 에어브릿지를 위한 효율적인 제작 공정을 보고한다. 이 방법론의 핵심은 정교하게 최적화된 다층 레지스트 스택과 특정 공정 순서이다:

레지스트 스택 설계: 기판 위에 3층 스택을 스핀 코팅한다:
- 전기적 접촉 영역을 정의하기 위한 300-nm 하단 레이어 (PMMA, 950k MW).
- 400-nm 중간 레이어 (MMA, EL9).
- 프로파일 형성을 위한 높은 감도를 제공하면서도 리플로우 중 안정성을 유지하는 400-nm 상단 혼합 레이어 (PMMA:MMA 비율 2:3).
삼중 선량 노광 (Triple-Dose Exposure): EBL 과정 중 세 가지의 구별되고 교정된 노광 선량을 적용하는 것이 핵심적인 혁신이다:
- 고선량 (>1000 µC/cm²): 에어브릿지 페데스탈을 정의하기 위해 전체 스택을 완전히 노광한다.
- 중간 선량 (300–500 µC/cm²): 부유된 브릿지 프로파일을 패턴화하기 위해 MMA 및 혼합 레이어를 노광한다.
- 저선량 (<150 µC/cm²): 리플로우 후 성공적인 리프트오프를 위해 필수적인, 중간 MMA 레이어 내의 제어된 언더컷(undercut)을 생성한다.
열 리플로우 (Thermal Reflow): MIBK:IPA에서 현상(development)한 후, 샘플을 125°C(PMMA의 유리 전이 온도)에서 45초 동안 열 리플로우한다. 이 단계는 레지스트 프로파일을 연속적인 금속 증착에 필수적인 매끄러운 아치형 모양으로 변형시킨다.
금속화 및 리프트오프: 공정은 아르곤 이온 밀링을 통한 접촉 영역 세정, 150-nm 알루미늄 박막의 전자빔 증착, 그리고 가장자리 잔류물을 제거하기 위한 저출력 초음파 처리가 포함된 NMP 목욕을 통한 리프트오프로 마무리된다.

주요 기여 및 실험적 검증
본 논문은 이 단일 리소그래피 에어브릿지(SL-airbridge) 공정이 서브-200-nm 특징과 5 µm 이상의 길이를 가진 매끄럽고 부유된 금속 브릿지를 생성함을 입증한다.

공정 최적화: 대조 실험을 통해 열 리플로우와 삼중 선량 방식의 필요성을 확인했다. 리플로우가 없으면 금속 가장자리가 거칠고 연결이 불연속적이었다. 삼중 선량 방식 없이(이중 선량 사용 시) 진행할 경우, 리플로우 후 언더컷이 불충분하여 불안정한 돌출형 금속 벽이 형성되었다. 최적화된 삼중 선량 방식은 필요한 언더컷을 유지하면서도 매끄러운 가장자리를 보장했다.
기계적 견고성: 제작된 브릿지는 (초전도 소자 제작의 일반적인 단계인) 저출력 초음파 처리에 대한 탄성을 보여주었다. 60개의 샘플을 대상으로 한 테스트에서 모든 에어브릿지가 손상 없이 온전하게 생존한 반 반면, 고출력 세정에서는 약 30%가 손상되어 실질적인 작동 한계를 설정하였다.
양자 결집성 성능: 이 방법은 이중 연결 그라디오메트릭 SQUID를 특징으로 하는 "8-mon" 트랜스몬 큐비트 설계에 통합되어 검증되었다.
- 이완 시간 ( $T_1$ ): SL-에어브릿지는 측정 가능한 추가 손실을 도입하지 않았다. 8-mon 큐비트는 기존 X-mon 큐비트와 대등한 38.65 µs의 $T_1$ 을 달려냈다.
- 디페이징 시간 ( $T_2^*$ ): 8-mon 큐비트는 $T_2^* = 14.22$ µs인 기존 X-mon 큐비트보다 2.5배 향상된 35.98 µs의 $T_2^*$ 를 달성했다. 이는 상호연결의 페널티 없이 디페이징 노이즈를 완화하는 그라디오메트릭 설계의 효능을 확인시켜 준다.
- 유전체 비교: 에어브릿지 대신 유전체(SiO $_2$ ) 크로스오버를 사용한 대조 샘플은 심각한 결집성 저하( $T_1$ 및 $T_2^*$ 가 ~2 µs로 감소)를 보였으며, 이는 에어브릿지 방식의 우수한 저손실 특성을 강조한다.

의의 및 주장
저자들은 이 효율적인 방법이 첨단 양자 및 나노 전자 소자에서 고성능 3차원 상호연결을 통합하기 위한 실용적인 경로를 제공한다고 주장한다. 다단계 리소그래피와 복잡한 정렬의 필요성을 제거함으로써, 이 공정은 양자 결집성을 저해하는 공정 유도 결함 및 유기 잔류물의 위험을 줄인다. 결과적으로 제작된 SL-에어브릿지는 견고한 기계적 안정성과 표준 제작 워크플로우와의 완전한 호환성을 제공하여, 낮은 기생 상호작용을 유지하면서도 복잡한 양자 회로 기하학에 대한 더 큰 설계 자유도를 가능하게 한다. 본 연구는 이 접근 방식이 차세대 양자 회로, 광소자 및 나노 전자 공학의 성능과 집적 밀도를 높이는 데 접근 가능함을 시사한다.

기술 요약: 단일 단계 리소그래피로 제작된 저손실, 고결집성 에어브릿지 상호연결

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