多层膜结构、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种多层膜微纳加工方法及其产品和应用。本发明专利技术可以应用于所有多层膜工艺的量子比特以及量子比特辅助器件的制作。可以实现三维量子比特及量子比特辅助器件的制作，也可以应用于未来的量子计算中集成化多量子比特的制备。实现3维新型量子比特的制备，加工精度达到纳米级。利用该技术制备负超导量子干涉仪。

Multilayer structure, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
多层膜结构、其制备方法及应用
本专利技术属于量子器件领域，具体涉及一种多层膜结构，及其制备方法和应用。
技术介绍
超导量子计算机不同于现有的经典电子计算机，它是利用Josephson结电路具有量子性质的宏观态编码信息，按照量子力学规律操控这些量子态，利用量子态的相干叠加性和量子并行改进计算性能，提高计算速度。低温条件下Josephson结电路宏观态表现出来的特殊性质，展示出实现固态、全电路量子计算机的极大可能。对于超导量子位信息的读出，使用的方案多基于SQUID(超导量子干涉仪)具体实现。SQUID对外界的电压、电流变化极为敏感，通过一系列设计可以用在各种超导量子位信息的测量读出上。负超导量子干涉仪(nSQUID)是一种全新的量子器件，具有量子态快速传输的特点，可以使量子计算的性能得到很大的改善，而且目前相关工作基本停留在经典的可逆计算中，在量子区域还没有系统的实验研究。从制备的角度来看，是因为制备nSQUID需要良好的独立3维结构以及在纳米量级上的精准加工技术。目前制备超导量子比特的微纳加工技术，通过紫外曝光、反应离子刻蚀、电子束曝光等步骤可以实现简单的2维超导量子比特加工，加工精度可以达到0.5微米。具体而言，第一步利用电子束蒸发系统中在硅基片上生长铝膜，第二步利用S1813正光刻胶进行紫外光刻，第三步进行电感耦合等离子体刻蚀，第四步利用电子束曝光系统及电子束蒸发技术进行Josephson结的加工。要实现性能更好，拥有更多新奇物理效应的量子比特，需要一种可以实现3维加工且加工精度可以达到纳米级的微纳加工技术。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种多层膜结构，以及其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种多层膜结构，所述多层膜结构包括以下：衬底，和衬底上从下到上依次设置的：第一金属层，设置于衬底上；第二金属层，设置于第一金属层上；绝缘层，设置于第二金属层上；第三金属层，设置于绝缘层上；和第四金属层，设置于第三金属层上；其中，所述第一、第二、第三和第四金属层的金属材料可以相同或不同，且第四层金属表面有一层金属氧化层。根据本专利技术第一方面的多层膜结构，其中，所述衬底材料选自以下一种或多种：硅片、蓝宝石片、氮化镓片；优选为硅片或蓝宝石片；和/或所述衬底的厚度为100～1000微米，优选为100～500微米，最优选为400微米。根据本专利技术第一方面的多层膜结构，其中，所述第一金属层材料选自以下一种或多种：Nb、Al；优选为Nb；所述第一金属层厚度为100～200nm，优选为120～160nm，最优选为150nm；所述第二金属层材料选自以下一种或多种：Al、Nb；优选为Al；所述第二金属层厚度为50～150nm，优选为50～100nm，最优选为90nm；所述第三金属层材料选自以下一种或多种：Al、Nb；优选为Al；所述第三金属层厚度为100～200nm，优选为100～150nm，最优选为120nm；所述第四金属层材料为Al；所述第四金属层厚度为90～160nm，优选为100～150nm，最优选为110nm；所述第四金属层表面的金属氧化层厚度为1～3nm。根据本专利技术第一方面的多层膜结构，其中，所述绝缘层材料选自以下一种或多种：α-Si、CaF、SiOX、SiN；优选为α-Si或CaF；所述绝缘层厚度为50～1000nm，优选为100～500nm，最优选为200nm。本专利技术的第二方面提供了第一方面所述的多层膜结构制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)清洗衬底；(2)在衬底上溅射第一金属层后，旋涂光束胶并进行紫外光刻；(3)将步骤(2)中得到的具有光刻图形的衬底进行反应离子刻蚀；(4)清洗步骤(3)所得样品上旋涂两层光胶，形成第一光刻胶层后在第一光刻胶层上继续旋涂第二光刻胶，在第一光刻胶层上形成第二光刻胶层；(5)将步骤(4)中得到的具有两层光刻胶层的衬底放入电子束曝光机中，按照预定形状曝光，并对得到的样品进行显影和定影；(6)将步骤(5)所得样品进行垂直蒸发镀膜，剥离后得到第二金属层图形；(7)剥离完成后对样品重复步骤(1)的清洗，将样品放入化学气相沉积设备中生长绝缘层；(8)将在步骤(7)中得到的样品上旋涂负光刻胶，得到负光刻胶层；(9)将步骤(8)中得到的样品放入电子束曝光机中，按照预定形状曝光，并对得到的样品进行显影和定影；(10)重复步骤(4)至步骤(5)的过程，并将得到的样品进行垂直蒸发镀膜，剥离后得到第三金属层图形；(11)重复步骤(4)的过程，将得到的具有两层光刻胶层的衬底放入电子束曝光机中，按照预定形状曝光，并对得到的样品进行显影；和(12)将步骤(11)中得到的样品曝光显影后的样品进行双角度蒸发镀膜，两次蒸发之间还包括氧化步骤，剥离未曝光的两层电子束胶后，得到所述多层膜结构。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，所述衬底清洗包括以下步骤：(I)丙酮浸泡超声清洗；(II)乙醇浸泡超声清洗；(III)去离子水浸泡超声清洗；(IV)甩干，烘干，氮气吹扫；优选地，所述超声功率为50～100W，优选为80W；所述超声清洗时间为1～10min，优选为5min；所述烘干温度为80～120℃，优选为100℃；和/或所述烘干时间为1～10min，优选为5min。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，所述步骤(4)中，第一光刻胶层的厚度为500～1000nm，优选为600～800nm，最优选为700nm；第二光刻胶层的厚度为100～500nm，优选为100～300nm，最优选为200nm。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，所述步骤(8)中，所述负光刻胶层的厚度为100～500nm，优选为100～300nm，最优选为200nm。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中，所述步骤(12)中，所述双角度蒸发镀膜的角度为-65°～+65°，，优选为-30°～+30°，最优选为-29°～+29°；所述双角度蒸发镀铝的厚度为30～100nm，优选为50～60nm。本专利技术的第三方面提供了第一方面所述的多层膜结构或按照第二方面所述的方法制备的多层膜结构在制备量子器件中的应用；优选地，所述量子器件为负超导量子干涉仪。根据本专利技术的一个实施例，所述方法包括以下步骤：1)本例中采用厚度为400μm的硅片作为衬底，厚度为500nm的二氧化硅薄膜。将氧化后的衬底依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟。之后用氮气枪吹干，在100℃下烘烤5分钟，自然冷却5分钟。2)在步骤1)中处理后的硅衬底上旋涂型号为S1813的第一光刻胶，旋涂速率为4000转/分，旋涂60秒。之后加热至115℃烘烤2分钟，自然冷却，在衬底上形成厚度为1.3微米的第一光刻胶层。3)将涂好光刻胶的样品置于MA6紫外光刻机中进行紫外光刻。4)将步骤3)中得到的具有光刻图形的硅衬底放入RIE刻蚀机中，进行刻蚀。5)刻蚀完成后对基片重复步骤1)的清洗，完成后上旋涂型号为MAAEL13的第一层电子束明感光刻胶，旋涂速率为4000转/分，旋涂60秒。之后加热至170℃烘烤2分钟，自然冷却，在衬底上形成厚度为700nm的第一电子束明感光刻胶层。6)在第一层电子束明感光刻胶层上继续旋涂型号为PMMA950A的第二电子束明感光刻胶层(明感性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构包括以下：衬底，和衬底上从下到上依次设置的：第一金属层，设置于衬底上；第二金属层，设置于第一金属层上；绝缘层，设置于第二金属层上；第三金属层，设置于绝缘层上；和第四金属层，设置于第三金属层上；其中，所述第一、第二、第三和第四金属层的金属材料可以相同或不同，且第四层金属表面有一层金属氧化层。

【技术特征摘要】
1.一种多层膜结构，其特征在于，所述多层膜结构包括以下：衬底，和衬底上从下到上依次设置的：第一金属层，设置于衬底上；第二金属层，设置于第一金属层上；绝缘层，设置于第二金属层上；第三金属层，设置于绝缘层上；和第四金属层，设置于第三金属层上；其中，所述第一、第二、第三和第四金属层的金属材料可以相同或不同，且第四层金属表面有一层金属氧化层。2.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，所述衬底材料选自以下一种或多种：硅片、蓝宝石片、氮化镓片；优选为硅片或蓝宝石片；和/或所述衬底的厚度为100～1000微米，优选为100～500微米，最优选为400微米。3.根据权利要求1或2所述的多层膜结构，其特征在于，所述第一金属层材料选自以下一种或多种：Nb、Al；优选为Nb；所述第一金属层厚度为100～200nm，优选为120～160nm，最优选为150nm；所述第二金属层材料选自以下一种或多种：Al、Nb；优选为Al；所述第二金属层厚度为50～150nm，优选为50～100nm，最优选为90nm；所述第三金属层材料选自以下一种或多种：Al、Nb；优选为Al；所述第三金属层厚度为100～200nm，优选为100～150nm，最优选为120nm；所述第四金属层材料选自以下一种或多种：Al、(无其他选择)；优选为Al；所述第四金属层厚度为90～160nm，优选为100～150nm，最优选为120nm；和/或所述第四金属层表面的金属氧化层厚度为1～3nm。4.权利要求1至3中任一项所述的多层膜结构制备方法，其特征在于，，所述绝缘层材料选自以下一种或多种：α-Si、CaF、SiOX、SiN；优选为α-Si或CaF和/或所述绝缘层厚度为50～1000nm，优选为100～500nm，最优选为200nm。5.权利要求1至4中任一项所述的多层膜结构制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)清洗衬底；(2)在衬底上溅射第一金属层后，旋涂光束胶并进行紫外光刻；(3)将步骤(2)中得到的具有光刻图形的衬底进行反应离子刻蚀；(4)清洗步骤(3)所得样品上旋涂两层光胶，形成第一光刻胶层后在第一光刻胶层上继续旋涂第二光刻胶，在第一光刻胶层上形成第二光刻胶层；(5)将步骤(4)中得到的具有两层光刻胶层的衬底放入电子束曝光机中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宿非凡，刘伟洋，徐晖凯，田野，吕力，赵士平，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11