一种超导约瑟夫森结及其制备方法技术

本发明专利技术实施例涉及一种超导约瑟夫森结及其制备方法，包括：在本征硅衬底上通过磁控溅射设备依次制备第一Nb层、Al

【技术实现步骤摘要】
一种超导约瑟夫森结及其制备方法


[0001]本专利技术涉及薄膜材料制备微加工
，尤其涉及一种超导约瑟夫森结及其制备方法。

技术介绍

[0002]约瑟夫森结由两块超导体和一个势垒层构成，电子对可穿过势垒层形成约瑟夫森超导电流，如图1所示，S
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I
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S型结的应用最为广泛，即势垒层(绝缘层)I两端是相同的超导体S。计算机的计算能力在很大程度上取决于电路集成度，现代微加工工艺的不断进步，器件的尺寸已达到几个nm的级别，继续减小尺寸，器件之间的绝缘和散热等会出现问题，小尺度还上会出现量子效应，所以集成度到一定程度后很难再提高。超导电性使电路的耗散和噪声大大降低，并有着接近量子极限的高灵敏度和工作频带宽等优点，性能远高于其它常规电路。由此，以约瑟夫森结为核心元件的超导量子电路是实现下一代计算机的有力候选者。经过几十年的发展，基于上世纪八十年代的Nb/Al
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AlO
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/Nb结构的约瑟夫森结(下面简称Nb结)器件制备工艺，流程不断进步，逐渐成熟，约瑟夫森器件的实际应用逐渐成为现实，提高基础元件的约瑟夫森结的质量是现代量子计算机的关健。Nb结具备很多优点，Nb具有较高的Tc(～9.2K)，在液氦温度下可很好的工作，有良好的热循环性和稳定的化学性质，物理特性比较好，不易发生损坏。结面积和临界电流密度都可得到很好的人为控制；但Nb结也有一些缺点，如工艺繁琐，制备周期长；对于尺寸小于0.1μm的结，工艺重复性有待提高等。约瑟夫森结制备技术的创新和完善会给科技和经济的发展带来深刻的影响。
[0003]在已有的技术中约瑟夫森结制作方法主要如下：
[0004]方法一，如H.Kroger,L.N.Smith,and D.W.Jillie,Appl.Phys.Lett.39,280(1981)，M.Gurvitch,M.A.Washington,and H.A.Huggins,Appl.Phys.Lett.42,472(1983)等中记载：
[0005]最早较为成熟的Nb结制备工艺是选择性铌阳极氧化工艺(Selective Niobium Anodization Process，SNAP)，使用氧化液进行阳极氧化来制备绝缘层；在此基础上发展出Nb结的选择性铌刻蚀工艺(Selective Niobium Etching Process，SNEP)是用氧化铝作为结的势垒层，用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)来形成结。两种工艺大同小异，主要的差别在于绝缘层的制备方法不同。SNEP具体的做法如图2所示，在三层膜的基础上，用光刻胶覆盖着结区，把未覆盖的上层Nb膜用RIE刻蚀掉后，进行阳极氧化处理，形成绝缘层，然后去掉光刻胶，把结表面清理干净后，再镀上一层Nb膜作为电极，制备成了一个完整的超导约瑟夫森结。
[0006]SNEP以及SNAP工艺做出来的结其质量上、可靠性、可重复性都较之前的方法有很大的提高，但其中两个比较突出的问题：
[0007]1、工艺中的绝缘层是用阳极氧化的方法获得的，它的厚度不容易控制，绝缘性不好，这就使得结很容易漏(上下电极短路)。氧化液的经济性和后续处理也是一大难题。
[0008]2、工艺很难把结区做小。为使结区与最后沉积的Nb引线相接触，结的上面必须留
接触孔，这就需要结的面积必须大于这个接触孔，否则的话就会发生漏电。这是因为根据该工艺的图2中d，可知工艺要求的是在阴影的绝缘层中的Nb2上面做的电极，电极要小于上层Nb2的面积，因此基于工艺原因，结面积要大于接触孔。而对于一个尺寸为2μm的结，就要求其接触孔的尺寸为1μm，这是很难做到的，更难实现亚微米量级的器件。
[0009]方法二，如S.Morohashi,S.Hasuo,and T.Yamaoka,Appl.Phys.Lett.48,254(1986)，T.Imamura and S.Hasuo,J.Appl.Phys.64,1586(1988)等中的记载：
[0010]为了解决绝缘性的问题，在SNEP的基础上又发展了一套自排列(Self Aligned Contact，SAC)工艺，通过在阳极氧化后的Nb2O5上沉积Al作为RIE的阻挡层。后在上面溅射一层SiO2作为绝缘层，大大减少了结短路的发生。为获得亚微米的结面积，又提出了一种铌氧化自排列工艺(Self
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aligned Contact with Anodized Niobium，SCAN)。如图3所示，先用阳极氧化的办法确定好结区之后，然后用SiO2把结区覆盖，利用反应离子刻蚀中CHF3气体对不同材料的刻蚀速率不同，刻蚀出比结区大的接触孔，通过这个工艺，制备出尺寸为0.7μm的结。图3中，a为刻蚀后生成绝缘层后的结构，b是a中沉积Al层后去除光刻胶的结构，c是做好接触孔后的结构。
[0011]这种方法与SNEP大同小异，都是在SNAP的基础上通过不同的方式添加绝缘层来提高样品的质量的和减小结面积，但是工艺流程比较繁琐，器件的成品率不高，很难实现商业化生产。
[0012]方法三，如Z.Bao,M.Bhushan,S.Han,and J.E.Lukens,IEEE Trans.Appl.Supercond 5,2731(1995)提出的：
[0013]在集成方面，1991年，业内结合半导体工业中的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polish，CMP)技术开发出了一套隧道结加工技术——低临界温度超导体的平面化全耐火技术(Planarized All
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Refractory Technology for low Tc Superconductivity，PARTS)，通过该技术在125mm的Si基片上制备出了大批量的亚微米结，使亚微米结的加工技术又迈进了一大步。后来，这套工艺又进行发展，结合电子束曝光(Electron Beam Lithography，EBL)，开发出了PARTS
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EBL工艺，把结尺寸缩小到深亚微米量级，最小的结面积做到了0.006μm2。虽然PARTS工艺可以进行规模化的生产，并且可以做出高质量的亚微米结，但是这套工艺过于复杂，仅SiO2就溅射了四层，频繁的使用光刻和刻蚀技术(包括湿刻)，对每一步的工艺要求非常高，对设备的要求高，制备的周期也过长，成本高。图4显示的是其一种较为典型工艺流程，可见其复杂性。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种超导约瑟夫森结及其制备方法，该制备方法成功率高，重复性好，工艺较为简单，可实现亚微米尺寸Nb/Al
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AlO
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/Nb结构的约瑟夫森结的微加工。
[0015]为此，第一方面，本专利技术实施例提供了一种超导约瑟夫森结的制备方法，所述制备方法包括：
[0016]准备清洁的本征硅衬底；
[0017]在所述本征硅衬底上通过磁控溅射设备依次制备第一Nb层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：准备清洁的本征硅衬底；在所述本征硅衬底上通过磁控溅射设备依次制备第一Nb层、Al
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Al2O3层和第二Nb层得到具有三层结构的样品；其中，两层Nb层和Al
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Al2O3层中的Al层在所述磁控溅射设备的溅射腔体中通过磁控溅射形成，所述Al
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Al2O3层中的Al2O3层在所述磁控溅射设备的进样室的纯氧环境下氧化形成；形成所述三层结构的过程中，所述本征硅衬底不接触大气；通过电子束曝光在所述三层结构上形成结区；其中，所述结区的表面被正性电子束抗蚀剂ZEP520覆盖，所述结区两侧具有没有正性电子束抗蚀剂ZEP520覆盖的待刻蚀区域；通过反应离子刻蚀去除所述待刻蚀区域中的第二Nb层；化学气相淀积Si3N4绝缘层；通过剥离工艺去除正性电子束抗蚀剂ZEP520及淀积在所述正性电子束抗蚀剂ZEP520上的Si3N4绝缘层，并进行样品表面清洁；将表面清洁后的样品进行化学气相淀积Si3N4绝缘层，通过光刻和反应离子刻蚀去除所述结区上方的Si3N4绝缘层，形成接触孔；所述接触孔的面积大于所述结区面积，使得所述结区的Al
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Al2O3层暴露在所述接触孔中；进行样品表面清洁后再磁控溅射制备第三Nb层，通过光刻和反应离子刻蚀去除所述接触孔所在投影区域以外区域的第三Nb层；所述被保留的第三Nb层的底部与结区的第二Nb层接触，顶部形成所述超导约瑟夫森结的测试电极；对所得样品进行清洗后即得到所述超导约瑟夫森结。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述本征硅衬底的常温电阻率大于10000Ω
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cm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述本征硅衬底上通过磁控溅射设备依次制备第一Nb层、Al
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Al2O3层和第二Nb层得到具有三层结构的样品具体包括：在所述磁控溅射设备的溅射腔体中，真空度1
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10
‑6Pa以下，工作气体为纯度5N的高纯Ar气，设定流量20sccm，电流1500mA,电压340V，镀膜时间120s，制备膜厚120nm
±
5％的第一Nb层；冷却设定时间；真空度2
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10
‑6Pa以下，工作气体为纯度5N的高纯Ar气，设定流量20sccm，电流250mA,电压370V，镀膜时间20s，制备膜厚10nm
±
10％的Al层；冷却定时间后，将样品转移至真空度在1
×
10
‑5Pa以下的进样室中；在所述进样室中，充入纯度5N的高纯氧气，设定压力1000Pa，通气时间60min，进行Al层的表面氧化，在所述Al层的表面形成Al2O3；再送入所述磁控溅射设备的溅射腔体中，真空度1
×
10
‑6Pa以下，工作气体为纯度5N的高纯Ar气，设定流量20sccm，电流1500mA,电压340V，镀膜时间50s，制备膜厚50nm
±
10％的第二Nb层。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通过电子束曝光在所述三层结构上形成结区具体包括：将所述具有三层结构的样品依次放入丙酮、无水乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志伟，邱祥冈，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：