约瑟夫逊结制造方法技术

本发明专利技术提供了约瑟夫逊结制造方法。本发明专利技术涉及约瑟夫逊结的制造。这样的约瑟夫逊结可能适合于在量子比特方面使用。使用毯式沉积形成高质量的可能的单晶电极和介电层；随后通过以下操作来形成多个约瑟夫逊结之一的结构：使用多光子光刻以在抗蚀剂中创建开口，然后对电极和介电层进行蚀刻。和介电层进行蚀刻。和介电层进行蚀刻。

【技术实现步骤摘要】
约瑟夫逊结制造方法


[0001]本专利技术涉及例如可能适合于在量子比特方面使用的约瑟夫逊(Josephson)结的制造。

技术介绍

[0002]约瑟夫逊结是超导量子比特的核心元件，其中约瑟夫逊结的质量是量子比特的寿命的主要因素。传统上，在超导量子比特方面使用的约瑟夫逊结是使用阴影蒸发制造的：通过光刻在抗蚀剂上限定中空结构，允许从不同角度沉积的铝膜彼此交叠，其中在中间进行原位氧化过程，随后剥离。以这种方式形成的铝膜和氧化铝层通常是多晶的，其中晶粒尺寸为约10nm，这显著小于约100nm处的结的尺寸。
[0003]实际上，“宏观”约瑟夫逊结由许多接缝在一起的较小“微观”结组成。由于“微观”结中的每一个中氧化铝层的不同晶格取向和厚度，超电流密度是不均匀的。因此，“宏观”结的临界电流(和正常状态电阻)难以控制。晶界上出现的非均匀隧穿和两级系统也缩短了量子比特的寿命。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术，提供了一种制造约瑟夫逊结的方法。该方法包括：
[0005]·
在衬底上形成第一堆叠，该第一堆叠包括第一电极层、介电层和第二电极层，第一堆叠限定在第一堆叠的与衬底相对的表面上的至少上表面以及与衬底和上表面相邻的两个侧表面；
[0006]·
经由抗蚀剂中的第一开口在堆叠中形成沟槽，沟槽跨堆叠的整个宽度而延伸并且跨第二电极层和介电层的整个深度而延伸；以及
[0007]·
经由抗蚀剂中的第二开口和第三开口在堆叠中形成隧道，第二开口和第三开口通过多光子光刻而形成，隧道跨堆叠的整个宽度从第二开口延伸至第三开口并且跨第一电极层和介电层的整个深度而延伸。
[0008]在形成第一堆叠之前，该方法可以包括：形成第一电极层、介电层和第二电极层，并且将第一电极层、介电层和第二电极层蚀刻成超导量子干涉器件(SQUID)环的形状。SQUID环形状的特征在于平行于衬底延伸的伸长主体并且包括垂直于衬底延伸通过第一电极层、介电层和第二电极层的开口。开口在所有侧上都被第一电极层、介电层和第二电极层包围。平行于伸长主体的纵轴延伸的开口的侧被称为SQUID环的“分支”。
[0009]SQUID环形状可以通过以下操作而形成：经由抗蚀剂中的开口对第一电极层、介电层和第二电极层进行蚀刻。
[0010]第一堆叠可以由SQUID环的分支之一形成。
[0011]第一电极层、介电层和第二电极层可以通过以下操作而形成：在衬底的预处理例如HF冲洗和/或原位退火之后，使用物理气相沉积(PVD)或分子束外延(MBE)进行毯式沉积。
[0012]形成沟槽可以包括：在第一堆叠上方形成第一抗蚀剂，该第一抗蚀剂覆盖至少上
表面和侧表面；在第一抗蚀剂中创建暴露堆叠的上表面的一部分的第一开口；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成沟槽。
[0013]形成隧道可以包括：在第一堆叠上方形成第二抗蚀剂，该第二抗蚀剂覆盖至少上表面和侧表面；在第二抗蚀剂中创建第二开口和第三开口，第二开口暴露堆叠的第一侧表面的一部分，第三开口暴露堆叠的与第一侧表面相对的第二侧表面的一部分，第三开口的大小与第二开口的大小相同并且第三开口被定位成与第二开口相对；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成隧道。
[0014]替选地，形成隧道可以包括：在第一抗蚀剂中创建第二开口和第三开口，第二开口暴露堆叠的第一侧表面的一部分，第三开口暴露堆叠的与第一侧表面相对的第二侧表面的一部分，第三开口的大小与第二开口的大小相同并且第三开口被定位成与第二开口相对；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成隧道，同时对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成沟槽。
[0015]该方法还可以包括：控制沟槽的蚀刻时间，使得在第一电极层被完全蚀刻之前停止蚀刻；以及/或者控制沟槽的蚀刻时间，使得在第二电极层被完全蚀刻之前停止蚀刻。
[0016]第一电极层和第二电极层可以是铝，并且介电层可以是氧化铝。
[0017]介电层的氧化铝可以具有单晶结构。
[0018]该方法还可以包括以下步骤：将第一电极层和/或第二电极层连接至一个或更多个另外的电气部件以形成量子比特。
附图说明
[0019]图1至图9分别示出了制造本专利技术的约瑟夫逊结的方法的不同阶段。
[0020]图1A至图9A示出了在该方法的每个阶段处的堆叠的截面图。
[0021]图1B至图9B示出了在该方法的每个阶段处的堆叠的透视图。
[0022]图10示出了包括根据本专利技术的方法形成的两个约瑟夫逊结的SQUID环的透视图。
[0023]图11是描绘根据本专利技术制造约瑟夫逊结的方法的流程图。
具体实施方式
[0024]在制造方法的第一阶段处，在图1A和图1B中描绘了其最终结果，在衬底1上形成堆叠。该堆叠包括第一电极层2、介电层3和第二电极层4。第一电极层2与衬底1相邻，并且第一电极层2的面向衬底1的下表面11也被称为堆叠的下表面11。介电层3位于第一电极层2与第二电极层4之间。相对于衬底1位于第一电极层2和介电层3上方的第二电极层4具有上表面12，该上表面12也被称为堆叠的上表面12。第一电极层2、介电层3和第二电极层4大体上是平坦的并且平行于衬底1。
[0025]如图1B所示，堆叠还具有第一侧13和第二侧14，第一侧13和第二侧14大体上垂直于衬底1并且延伸穿过第一电极层2、介电层3和第二电极层4。
[0026]衬底1可以是硅晶片或任何其他合适的衬底。晶片可以是裸露的或者具有用基于共面波导的元件图案化的超导膜(例如，Nb/Al/TiN等)。第一电极层2和第二电极层4优选地由铝形成，并且介电层3优选地由氧化铝AlxOy例如Al2O3形成。这种材料选择可以被称为Al/AlxOy/Al三层。用于使用原位退火或氧化来生产单晶氧化铝介电层的方法在本领域中
是已知的，例如，如在以下文献中所描述的：Fritz等人，“Optimization of Al/AlOx/Al
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layer systems for Josephson junctions from a microstructure point of view”,应用物理学杂质(Journal of Applied Physics)125，165301(2019年)。
[0027]在本专利技术的替选实施方式中，Al/AlxOy/Al三层2、3、4是在衬底的必要的预处理例如HF冲洗和/或原位退火之后通过物理气相沉积(PVD)例如溅射或电子束蒸发和分子束外延(MBE)而形成的。
[0028]然而，用于使用原位退火来生产高质量单晶Al/AlxOy/Al三层的过程需要高温以便形成三层，这阻碍使用阴影蒸发来形成约瑟夫逊结的结构。此外，MBE与阴影蒸发也不兼容，原因是阴影蒸发中使用的抗蚀剂会污染MBE室。
[0029]本专利技术的方法使得约瑟夫逊结的结构能够由通过毯式沉积形成的Al/AlxOy/Al三层形成，从而提供具有由高质量单晶三层提供的优良特性的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造约瑟夫逊结的方法，所述方法包括：在衬底上形成第一堆叠，所述第一堆叠包括第一电极层、介电层和第二电极层，所述第一堆叠限定在所述第一堆叠的与所述衬底相对的表面上的至少上表面以及与所述衬底和所述上表面相邻的两个侧表面；经由抗蚀剂中的第一开口在所述堆叠中形成沟槽，所述沟槽跨所述堆叠的整个宽度而延伸并且跨所述第二电极层和所述介电层的整个深度而延伸；以及经由抗蚀剂中的第二开口和第三开口在所述堆叠中形成隧道，所述第二开口和所述第三开口通过多光子光刻而形成，所述隧道跨所述堆叠的整个宽度从所述第二开口延伸至所述第三开口并且跨所述第一电极层和所述介电层的整个深度而延伸。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成所述第一堆叠之前，所述方法包括：形成所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层，并且将所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层蚀刻成SQUID环形状。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述SQUID环形状通过以下操作而形成：经由抗蚀剂中的开口对所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层进行蚀刻。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述SQUID环形状包括平行于所述衬底延伸的伸长主体并且包括垂直于所述衬底延伸通过所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层的开口，其中，所述开口在所有侧上都被所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层包围，并且其中，平行于所述伸长主体的纵轴延伸的开口的侧被称为所述SQUID环的分支。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一堆叠由所述SQUID环的分支之一形成。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述第一电极层、所述介电层和所述第二电极层是通过以下操作形成的：在所述衬底的必要的预处理例如HF冲洗和/或原位退火之后，使用物理气相沉积(PVD)或分子束外延(MBE)进行毯式沉积。7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，形成所述沟槽包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天一，刘伟，曼朱纳，
申请(专利权)人：IQM芬兰有限公司，
类型：发明
国别省市：