约瑟夫森结阵列的制备方法和磁控溅射设备技术

技术编号：40834980 阅读：2 留言：0更新日期：2024-04-01 14:59

本发明专利技术提供了一种约瑟夫森结阵列的制备方法和磁控溅射设备，该方法包括：提供衬底，在衬底的表面溅射生长第一超导层；在第一超导层的表面溅射生长介质层；在介质层的表面溅射生长第二超导层；在第二超导层的表面溅射生长保护层；通过刻蚀或光刻工艺形成贯穿第一超导层、介质层、第二超导层和保护层的凹槽；在第一超导层的表面溅射生长介质层，包括：控制出气阀和上游进气阀处于导通状态；获取气压检测模块的气压值，判断气压值是否超出第三气压范围；当气压值超出第三气压范围时，调整负压模块的功率和上游流量控制模块的功率；控制第二靶枪上电，使第二靶枪进入工作状态，将第二靶材溅射至第一超导层的表面。方法用于制造半导体器件。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体，尤其涉及一种约瑟夫森结阵列的制备方法和磁控溅射设备。

技术介绍

1、量子计算机的出现标志的着量子科技时代的到来，它凭借现有计算机无法超越的计算速度而崭露头角，从而使得量子芯片的成品率是实现量子计算机量产甚至用于民生的关键。因此量子芯片中的约瑟夫森结(josephsonjunction)阵列凭借超高的半导体兼容性和集成度得到了微电子，材料，物理等相关专业的广泛研究。众所周知，制备约瑟夫森结需要多道工艺来完成，工艺难度可见一斑，其中关键的超导层和隧穿层大多都用磁控溅射镀膜设备来完成。隧穿层需要制备纳米级的薄膜才能使其产生隧穿效应，而制备纳米级的薄膜并且保证薄膜的应力、粗糙度和均匀性对于磁控溅射来说及其难以控制，经常发生隧穿层断裂，张力不够的情况。因此需要磁控溅射系统在极低的功率和气压下工作才能得到质量比较高的薄膜。

2、目前，在制备具有约瑟夫森结的半导体器件时会在腔室内通入氧气或空气，因此超导层在整个镀膜过程中会被氧化而导致超导层出现电阻，导致器件效果不佳。因此，亟需一种约瑟夫森结阵列的制备方法和磁控溅射设备以改善上述问题。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种约瑟夫森结阵列的制备方法和磁控溅射设备，所述方法用于制造半导体器件。

2、第一方面，本专利技术提供一种约瑟夫森结阵列的制备方法，包括：提供衬底，所述衬底装载于腔室内的样品座；在所述衬底的表面溅射生长第一超导层；在所述第一超导层的表面溅射生长介质层；在所述介质层的表面溅射生长

3、本专利技术的方法有益效果为：本专利技术提供衬底，所述衬底装载于腔室内的样品座；在所述衬底的表面溅射生长第一超导层；在所述第一超导层的表面溅射生长介质层；在所述介质层的表面溅射生长第二超导层；在所述第二超导层的表面溅射生长保护层；通过刻蚀或光刻工艺形成贯穿所述第一超导层、介质层、第二超导层和保护层的凹槽；所述第一超导层、所述介质层、所述第二超导层和所述保护层形成约瑟夫森结；所述约瑟夫森结相互独立并呈阵列状设置。本专利技术通过设置保护层，能够避免所述第二超导层被氧化而出现电阻，有利于提升器件效果。本专利技术通过调整负压模块的功率和上游流量控制模块的功率，控制腔室内的气压值，便于控制溅射形成的介质层厚度，也有助于保证溅射生长的介质层的应力，粗糙度和均匀性符合工艺要求。

4、可选的，在所述第二超导层的表面溅射生长保护层，包括：控制出气阀和上游进气阀处于导通状态；获取气压检测模块的气压值，判断所述气压值是否超出第五气压范围；当所述气压值超出所述第五气压范围时，调整负压模块的功率和上游流量控制模块的功率，以使所述腔室内的气压值变化到第五气压范围内；当所述气压值处于所述第五气压范围内时，控制第四靶枪上电，使所述第四靶枪进入工作状态；所述第四靶枪进入工作状态时，将第二靶材溅射至所述第二超导层的表面；所述第二靶材为所述保护层的原料。

5、可选的，所述第二靶材包括sio2、al2o3、mgo、zro2和hfo2中的至少一种。

6、可选的，控制所述保护层的溅射时间范围为[3min，6min]，以调整所述保护层的厚度范围为[2nm，5nm]；控制所述介质层的溅射时间范围为[3min，6min]，以调整所述介质层的厚度范围为[2nm，5nm]。其有益效果在于，本专利技术通过调整所述保护层的厚度范围为[2nm，5nm]，实现防止所述第二超导层被氧化的同时，不会影响后续对约瑟夫森结的电学测试。

7、可选的，在所述衬底的表面溅射生长第一超导层之前，还包括：当衬底置于样品座后，控制出气阀和下游进气阀处于导通状态；获取气压检测模块的气压值，判断所述气压值是否超出第一气压范围；当所述气压值超出所述第一气压范围时，调整负压模块的功率和下游流量控制模块的功率，以使所述腔室内的气压值变化到第一气压范围内；当所述气压值处于所述第一气压范围内时，控制偏压清洗模块上电，对所述衬底进行偏压清洗。其有益效果在于，通过对衬底进行偏压清洗，能够将衬底表面的氧化物去除，避免衬底表面的氧化物影响第一超导层溅射生长，有利于提升器件质量。

8、可选的，在所述衬底的表面溅射生长第一超导层，包括：控制出气阀和下游进气阀处于导通状态；获取气压检测模块的气压值，判断所述气压值是否超出第二气压范围；当所述气压值超出所述第二气压范围时，调整负压模块的功率和下游流量控制模块的功率，以使所述腔室内的气压值变化到第二气压范围内；当所述气压值处于所述第二气压范围内时，控制第一靶枪上电，使所述第一靶枪进入工作状态；所述第一靶枪进入工作状态时，将第一靶材溅射至所述衬底的表面；所述第一靶材为所述第一超导层的原料。

9、可选的，在所述介质层的表面溅射生长第二超导层，包括：控制出气阀和下游进气阀处于导通状态；获取气压检测模块的气压值，判断所述气压值是否超出第四气压范围；当所述气压值超出所述第四气压范围时，调整负压模块的功率和下游流量控制模块的功率，以使所述腔室内的气压值变化到第四气压范围内；当所述气压值处于所述第四气压范围内时，控制第三靶枪上电，使所述第三靶枪进入工作状态；所述第三靶枪进入工作状态时，将第一靶材溅射至所述介质层的表面；所述第一靶材为所述第二超导层的原料。

10、可选的，所述第一靶材包括ta、nb、cu、mo、au、pt和ti中的至少一种。

11、第二方面，本专利技术提供一种磁控溅射设备，用于实现所述第一方面中任一项所述的方法，包括腔室、样品座和至少两个靶枪；所述样品座和所述靶枪均设于所述腔室内；所述样品座用于装载所述衬底；所述靶枪用于在衬底的表面溅射生长第一超导层；在所述第一超导层的表面溅射生长介质层；在所述介质层的表面溅射生长第二超导层；在所述第二超导层的表面溅射生长保护层；溅射生长所述介质层和所述保护层时，所述靶枪的枪头部与气源连通；所述靶枪的数量设置为至少两个时，其中一个靶枪用于溅射生长所述第一超导层和所述第二超导层，另一个靶枪用于溅射生长所述介质层和所述保护层。其有益效果在于，本专利技术通过设置的溅射生长所述介质层和所述保护层时，所述靶枪的枪头部与气源连通，在不改变腔室内整体的载气浓度的情况下，提升靶枪的枪头部的载气浓度，有利于在极低的气压和功率下稳定溅射生长所本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种约瑟夫森结阵列的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二超导层的表面溅射生长保护层，包括：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二靶材包括SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2和HfO2中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述保护层的溅射时间范围为[3min，6min]，以调整所述保护层的厚度范围为[2nm，5nm]；控制所述介质层的溅射时间范围为[3min，6min]，以调整所述介质层的厚度范围为[2nm，5nm]。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底的表面溅射生长第一超导层之前，还包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底的表面溅射生长第一超导层，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述介质层的表面溅射生长第二超导层，包括：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第一靶材包括Ta、Nb、Cu、Mo、Au、Pt和Ti中的至少一种。