一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，包括：金属掩膜遮挡部分衬底，沉积铝膜；铝膜氧化；磁控溅射沉积50nm铌膜；去除金属掩膜后，使用离子束刻蚀处理铌膜表面，露出其新的表面后，再次沉积160nm铌膜；光刻或电子束曝光显影确定结区和上电极图形；使用反应离子刻蚀即得到结区，然后在有机溶剂中去除光刻胶即可。该法采用金属掩膜、铌膜保护的方法制备约瑟夫森结，大大简化了超导量子电路中制备约瑟夫森结的工艺，突破了传统工艺制备约瑟夫森结时尺寸的限制，有效降低了有机试剂、水和空气对铝膜表面氧化势垒层的影响，有效提高了制备约瑟夫森结的成功率和可靠性。有效提高了制备约瑟夫森结的成功率和可靠性。有效提高了制备约瑟夫森结的成功率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法


[0001]本专利技术涉及超导器件制备领域，特别涉及一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法。

技术介绍

[0002]1985年，H.Devoret等人发现超导约瑟夫森结中存在超导量子化现象。随后，科学家们陆续制备出不同的超导量子比特，如相位量子比特、电荷量子比特、磁通量子比特、传输量子比特等。超导量子比特作为一个非线性系统功能强大，既可以用来进行量子计算，也可以利用其和微波光子发生耦合作用的原理进行微波单光子探测，甚至可以制成高质量单光子源。虽然每种超导量子比特工作原理不同性能不一，但核心器件都是超导约瑟夫森结。约瑟夫森结在射电天文、卫星雷达、太赫兹通信、医疗检测等诸多领域也都有重大运用。
[0003]目前超导器件制备中使用最为广泛的超导金属是铝和铌。其中铝具有较纯的超导态，相干长度非常大，为1600nm，是铌的40倍。而且较厚的铝膜呈现出第一类超导体的性质，其中不存在渗透磁通和伴随的噪声，且铝膜能够相当光滑，缺陷较少。铝易被空气氧化，这对约瑟夫森结的制备既是一个优点，也是一个缺点。优点在于，可以直接对铝膜氧化来得到质量可靠和相对介电常数较小的氧化势垒层；缺点在于铝结的完整制备过程需要一直在真空环境下进行以防止空气对其的影响。现在制备铝结的工艺比较复杂，常使用多兰桥(Dolan Bridge)制备法等方法来制备铝结，这种方法比较复杂，要使用双层胶旋涂、电子束曝光双层胶，显影生成悬浮桥、电子束不同角度蒸发铝膜和剥离等工艺。另一种铝结工艺采用十字法，但只能制备小面积的铝结，制备过程中需要采取剥离工艺，容易导致光刻胶残留，从而影响结的性能。
[0004]铌具有较高的临界温度和较高的能隙，相干长度较短，为40nm，力学强度较高，基片吸附能力较强，可以经历多次高低温循环。但是铌结不像铝结一样可以直接通过氧化电极方法来得到高质量氧化层。铌结需要采用生长氧化硅保护层的方法来保护结区，提高势垒层的质量以减小漏电流，这样会多出一次光刻，制备工艺也比较复杂。

技术实现思路

[0005]针对传统铝结工艺较复杂、制备结区面积小、胶的残留引起损耗增大，以及传统铌结工艺较复杂，势垒层质量较差等不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，采用金属掩膜、铌膜保护的方法制备约瑟夫森结，具有大大简化超导量子电路中制备约瑟夫森结的工艺，突破传统工艺制备约瑟夫森结时尺寸的限制，有效降低了有机试剂、水和空气对铝膜表面氧化势垒层的影响，有效提高了制备约瑟夫森结的成功率和可靠性等优势。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，步骤如下：
[0008]1)使用金属掩膜遮住衬底的一部分，采用电子束蒸发设备在洁净的基片表面沉积
出铝膜；
[0009]2)采用氧气氧化铝膜表面，得到氧化铝层作为势垒层；
[0010]3)使用磁控溅射沉积一层铌膜包裹住铝膜表面的氧化层；
[0011]4)去掉金属掩膜后，使用离子束刻蚀处理铌膜表面，露出其新的表面后再次使用磁控溅射沉积一层160nm的铌膜
[0012]5)光刻或电子束曝光显影定义结区；
[0013]6)反应离子刻蚀得到结区和上电极，去除样品的光刻胶得到样品。
[0014]步骤1)中，采用以下方法清洗基片：将蓝宝石衬底放入丙酮使用100W超声清洗5min，然后使用酒精和去离子水清除残留物，并用氮气枪吹干，然后在95℃烘台上烘烤5min。
[0015]步骤1)中，使用高温真空胶带将衬底和铝箔纸固定在样品盘上，铝箔纸遮挡住衬底约一半。
[0016]步骤1)中，在互联的真空设备系统中，控制真空度1
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‑8Torr，使用电子束蒸发以0.2nm/s的速率在基片表面沉积铝膜80nm。
[0017]步骤2)中，氧化条件为：氧气浓度大于99.9％，腔体压强为7Torr，氧化时间30min。
[0018]步骤3)中，使用磁控溅射以0.2nm/s的速率沉积铌膜50nm。
[0019]步骤4)中，使用离子束刻蚀5s，露出新鲜的表面，再放入磁控溅射中以0.5nm/s的速率沉积铌膜160nm。
[0020]步骤5)中，光刻曝光显影的步骤为：在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，先用以600rpm低转速旋转10s，再以3000rpm高转速旋转60s并将样品置于加热平台以95℃烘烤2min，然后使用紫外曝光机的显微镜观察样品表面，可以看到有一条清晰的台阶，在台阶上定义结区，控制结面积，曝光10s结束后进行显影12s。
[0021]步骤6)中，使用反应离子束刻蚀进行刻蚀，通入SF6气体至压强为40mTorr，设定功率100W，刻蚀4min。
[0022]步骤6)中，去胶的有机溶剂为丙酮和乙醇。
[0023]有益效果：与现有技术相比，本申请的基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，具有以下优势：
[0024]1)该基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，采用金属掩膜技术、光刻技术、电子束蒸发技术、磁控溅射技术和反应离子刻蚀技术，制备性能较好的铌铝约瑟夫森结。该方法使用金属掩膜遮挡洁净的衬底上镀铝膜，然后通过氧化铝膜表面得到良好的氧化势垒层，再通过磁控溅射技术沉积50nm的铌膜来保护势垒层在取下金属掩膜时，不受空气影响。取下金属掩膜后使用离子束刻蚀处理铌膜表面5s，再次使用磁控溅射技术沉积160nm铌膜，并通过电子束曝光显影技术在薄膜台阶处确定结区位置和大小，并使用反应离子刻蚀技术去除掉光刻胶未保护的铌膜，即可完成样品的制备。
[0025]2)该方法简化了传统约瑟夫森结工艺，有利于制备大尺寸、一致性好、可靠的约瑟夫森结，有利于制备大规模结阵；有效的避免结区胶的残留，提高约瑟夫森结性能；同时根据测试结果显示，该专利技术方法制备的铌铝约瑟夫森结具有能隙较大，漏电流较小，非线性较好等优点。
附图说明
[0026]图1是基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备流程图；
[0027]图2是制备的铌铝约瑟夫森结的光学图像图；
[0028]图3是铌铝约瑟夫森结的电流电压特性测试图。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的说明。
[0030]实施例1
[0031]一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，流程如图1所示，步骤如下：
[0032]1)使用金属掩膜如一定形状的铝箔纸遮住衬底的一部分，电子束蒸发设备在洁净的基片表面沉积80nm厚的铝膜；具体操作为：将蓝宝石衬底放入丙酮使用100W超声清洗5min，然后使用酒精和去离子水清除残留物，并用氮气枪吹干，然后在95℃烘台上烘烤5min，使用高温真空胶带将衬底和铝箔纸固定在样品盘上，铝箔纸遮挡住衬底约一半。送入互联的真空设备系统中，所有腔体背景真空度均达到1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)使用金属掩膜遮住衬底的一部分，采用电子束蒸发设备在洁净的基片表面沉积出铝膜；2)采用氧气氧化铝膜表面，得到氧化铝层作为势垒层；3)使用磁控溅射沉积一层铌膜包裹住铝膜表面的氧化层；4)去掉金属掩膜后，使用离子束刻蚀处理铌膜表面，露出其新的表面后再次使用磁控溅射沉积一层160nm的铌膜5)光刻或电子束曝光显影定义结区；6)反应离子刻蚀得到结区和上电极，去除样品的光刻胶得到样品。2.根据权利要求1所述的基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用以下方法清洗基片：将蓝宝石衬底放入丙酮使用100W超声清洗5min，然后使用酒精和去离子水清除残留物，并用氮气枪吹干，然后在95℃烘台上烘烤5min。3.根据权利要求1所述的基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，其特征在于：步骤1)中，使用高温真空胶带将衬底和铝箔纸固定在样品盘上，铝箔纸遮挡住衬底约一半。4.根据权利要求1所述的基于金属掩膜的铌铝约瑟夫森结的制备方法，其特征在于：步骤1)中，在互联的真空设备系统中，控制真空度1
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‑8Torr，使用电子束蒸发以0.2nm/s的速率在基片表面沉积铝膜80nm。5.根据权利要求1所述的基于金属掩膜的铌铝约瑟夫...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华兵，吴开轩，孙汉聪，杜洪梅，吕阳阳，吴培亨，
申请(专利权)人：网络通信与安全紫金山实验室，
类型：发明
国别省市：