一种超导量子约瑟夫森结及其制备方法与流程

1.本发明涉及量子芯片领域，特别是涉及一种超导量子约瑟夫森结及其制备方法。


背景技术：

2.超导量子计算的“量子优越性”获得了全球各国家政府及科学界的高度关注，超导量子已成为目前量子计算领域中最有可能实现通用计算的方案之一。
3.而约瑟夫森结(一种具有量子隧穿效应的特殊结构，结构为超导层-绝缘层-超导层的三明治结构)作为超导量子芯片中最重要的器件之一，其质量很大程度上决定了芯片的质量。目前常规的设计和制备工艺是采用双角度蒸发超导金属方案，利用掩膜的遮挡作用，分别从不同角度蒸镀2次超导金属薄膜形成交叠区域，并在第1次蒸镀后对金属进行氧化，进而形成sis结构的约瑟夫森结，而这需要特殊的蒸镀设备以满足工艺需求。同时目前的约瑟夫森结的超导层-绝缘层-超导层(sis)以上中下的形式分布，尺寸一般在100-200nm，这就导致其对光刻设备的分辨率精度要求较高，以ebl设备为主要曝光加工方式，生产成本较高。
4.因此，如何降低约瑟夫森结对生产设备的需求，以便降低其生产成本，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种超导量子约瑟夫森结及其制备方法，以解决现有技术中生产设备要求苛刻，生产成本高的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种超导量子约瑟夫森结制备方法，包括：
7.在衬底上设置第一超导金属层；
8.对所述第一超导金属层图形化，得到超导金属图形；
9.在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层；所述第一绝缘层覆盖所述超导金属图形的目标侧壁；
10.在设置过所述第一绝缘层的衬底设置第二超导金属层；
11.去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层，得到约瑟夫森结前置物；
12.在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层，所述第二绝缘层将所述第二超导金属层覆盖，得到约瑟夫森结。
13.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层包括：
14.对所述超导金属图形进行氧化处理，在所述超导金属图形上生长第一金属氧化物层。
15.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层包括：
16.对所述约瑟夫森结前置物进行氧化处理，在所述第二超导金属层上生长第二金属
氧化物层。
17.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述在设置过所述第一绝缘层的衬底设置第二超导金属层，去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层包括：
18.在所述第一绝缘层的表面设置第一光刻胶层；
19.在设置过所述第一光刻胶层的衬底设置第二超导金属层；
20.通过剥离工艺，去除所述第一光刻胶层及所述第一光刻胶层表面的第二超导金属层。
21.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，对所述第一超导金属层图形化，得到超导金属图形包括：
22.对所述第一超导金属层图形化，得到由沟道分断的超导金属图形；
23.相应地，所述去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层，得到约瑟夫森结前置物包括：
24.去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层，得到约瑟夫森结前置物，所述约瑟夫森结前置物包括目标结及寄生结，所述目标结及所述寄生结分别位于所述沟道的两个目标侧壁处；
25.相应地，所述在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层，所述第二绝缘层将所述第二超导金属层覆盖，得到约瑟夫森结包括：
26.在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层，所述第二绝缘层将所述第二超导金属层覆盖，由所述目标结得到所述约瑟夫森结，并由所述寄生结得到寄生约瑟夫森结；
27.去除所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域的绝缘层；
28.在所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域设置第三超导金属层；
29.在所述第三超导金属层表面设置第三绝缘层。
30.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述在所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域设置第三超导金属层包括；
31.在除所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域之外的区域设置第二光刻胶层；
32.在设置了所述第二光刻胶层的衬底的表面设置第三超导金属层；
33.通过剥离工艺，去除所述第二光刻胶层及所述第二光刻胶层表面的第三超导金属层。
34.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述第一超导金属层与所述第二超导金属层的材质相同。
35.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述第一超导金属层与所述第二超导金属层为铌、铝、钽及氮化钛中的至少一种组成的层。
36.可选地，在所述的超导量子约瑟夫森结制备方法中，所述第一超导金属层与所述第二超导金属层的厚度相同。
37.一种超导量子约瑟夫森结，所述超导量子约瑟夫森结为通过如上述任一种所述的超导量子约瑟夫森结制备方法获得的约瑟夫森结；
38.所述超导量子约瑟夫森结内的电流流动方向，平行于所述超导量子约瑟夫森结对应的衬底的延伸平面。
39.本发明所提供的超导量子约瑟夫森结制备方法，通过在衬底上设置第一超导金属
层；对所述第一超导金属层图形化，得到超导金属图形；在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层；所述第一绝缘层覆盖所述超导金属图形的目标侧壁；在设置过所述第一绝缘层的衬底设置第二超导金属层；去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层，得到约瑟夫森结前置物；在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层，所述第二绝缘层将所述第二超导金属层覆盖，得到约瑟夫森结。
40.本发明中通过利用覆盖超导金属层图形化后的侧壁的绝缘层，将上中下结构的约瑟夫森结转变成左中右的形式，使原本由光刻线宽决定的约瑟夫森结精度转变为厚度决定，突破了设备的限制，可以采用传统半导体薄膜生长设备进行制备，无需特殊的双角度蒸镀设备，大大降低了对设备光刻分辨率的要求，相当于降低了生产成本，同时使技术易于推广，大大增加了制备方法的泛用性。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果超导量子约瑟夫森结制备方法。
附图说明
41.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明提供的超导量子约瑟夫森结制备方法的一种具体实施方式的流程示意图；
43.图2为本发明提供的超导量子约瑟夫森结制备方法的一种具体实施方式的中间工艺结构示意图；
44.图3为本发明提供的超导量子约瑟夫森结制备方法的另一种具体实施方式的流程示意图；
45.图4为本发明提供的超导量子约瑟夫森结制备方法的又一种具体实施方式的流程示意图；
46.图5为本发明提供的超导量子约瑟夫森结制备方法的又一种具体实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.本发明的核心是提供一种超导量子约瑟夫森结制备方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括：
49.s101：在衬底01上设置第一超导金属层02。
50.所述衬底01可以为高阻硅或蓝宝石等。
51.s102：对所述第一超导金属层02图形化，得到超导金属图形。
52.本步骤中的图形化可为通过刻蚀工艺对超导金属层进行刻蚀，完成图形转移，得
到所需的超导金属图形(刻蚀工艺可以为干法或者湿法，当然，也可通过光刻工艺，定义所需刻蚀的结构形貌)，当然，也可根据实际需要选择其他图形化手段。
53.所述超导金属图形可为处于预处理状态的谐振腔、传输线、控制线、pad区等
54.s103：在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层03；所述第一绝缘层03覆盖所述超导金属图形的目标侧壁。
55.所述目标侧壁指需要生长为约瑟夫森结的位置的侧壁，请参考图2。当然，在实际生产中，所述目标侧壁与所述衬底01之间的夹角不会是严格的90度，一般会小于等于90度。
56.本步骤中，作为一种优选实施方案，可对所述超导金属图形进行氧化处理，在所述超导金属图形上生长第一金属氧化物层，氧化物作为天然的绝缘层，可起到隔离约瑟夫森结中超导层的作用，且氧化物层不可能只在朝上的表面上生长，同时也会在所述目标侧壁上生长，大大简化了生产工艺，提高生产效率，降低生产成本。
57.当然，除了氧化，也可通过其他方式设置绝缘层，如cvd或者ald等工艺方式生长一层绝缘层来实现，该绝缘层也不限定为对应的超导金属层的氧化物。
58.s104：在设置过所述第一绝缘层03的衬底01设置第二超导金属层05。
59.本步骤中的所述第二超导金属层05是铺设于整个衬底01上的，也即在覆盖图形化后露出的衬底01区域外，还覆盖在了所述超导金属图形的上方。
60.s105：去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层05，得到约瑟夫森结前置物。
61.本步骤中已经完成超导层-绝缘层-超导层的结构，只不过有部分超导层(对应所述第二超导金属层05)裸露在外，需要进行封闭以保证最终约瑟夫森结的工作稳定性。
62.s106：在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层06，所述第二绝缘层06将所述第二超导金属层05覆盖，得到约瑟夫森结。
63.本步骤中，优选地，对所述约瑟夫森结前置物进行氧化处理，在所述第二超导金属层05上生长第二金属氧化物层。
64.采用所述第二金属氧化物层做绝缘的优势请见前文对所述第一金属氧化物层的说明，在此不再展开赘述。
65.更进一步地，所述第一超导金属层02与所述第二超导金属层05的材质相同，均为为铌、铝、钽及氮化钛中的至少一种组成的层。材质相同更有利于增加所述约瑟夫森结各个结构之间的连接紧密性，而上述几种金属及金属化合物加工工艺成熟，与传统半导体技术兼容性好，当然，也可根据实际情况选用不同材料。
66.再进一步地，所述第一超导金属层02与所述第二超导金属层05的厚度相同，厚度相同有利于所述约瑟夫森结的空间布局，实现空间的高效利用，同时使所述约瑟夫森结的电信号更可控，当然，根据设计需求，不同约瑟夫森结处的薄膜厚度可以不一样。
67.当约瑟夫森结面积一定时，通过降低超导金属薄膜的厚度，可以增大光刻线宽，降低了设备的能力限制。例如对于现有技术200nm*200nm的约瑟夫森结，其光刻线宽要求为200nm，只能采用ebl或者krf、arf光源设备；而本技术可以通过控制薄膜厚度到80nm，其光刻线宽要求可以降低到500nm，则i-line或者激光直写设备也可以满足。
68.本发明所提供的超导量子约瑟夫森结制备方法，通过在衬底01上设置第一超导金属层02；对所述第一超导金属层02图形化，得到超导金属图形；在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层03；所述第一绝缘层03覆盖所述超导金属图形的目标侧壁；在设置过所述第
一绝缘层03的衬底01设置第二超导金属层05；去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层05，得到约瑟夫森结前置物；在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层06，所述第二绝缘层06将所述第二超导金属层05覆盖，得到约瑟夫森结。本发明中通过利用覆盖超导金属层图形化后的侧壁的绝缘层，将上中下结构的约瑟夫森结转变成左中右的形式，使原本由光刻线宽决定的约瑟夫森结精度转变为厚度决定，突破了设备的限制，可以采用传统半导体薄膜生长设备进行制备，无需特殊的双角度蒸镀设备，大大降低了对设备光刻分辨率的要求，相当于降低了生产成本，同时使技术易于推广，大大增加了制备方法的泛用性。
69.在具体实施方式一的基础上，进一步给定一种去除非目标超导金属层的技术手段，得到具体实施方式二，其流程示意图如图3所示，包括：
70.s201：在衬底01上设置第一超导金属层02。
71.s202：对所述第一超导金属层02图形化，得到超导金属图形。
72.s203：在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层03；所述第一绝缘层03覆盖所述超导金属图形的目标侧壁。
73.s204：在所述第一绝缘层03的表面设置第一光刻胶层04。
74.本步骤中的第一光刻胶层04设置于所述第一绝缘层03的上表面，本发明中的“设置于表面”若无特殊说明，均指设置于上表面。
75.s205：在设置过所述第一光刻胶层04的衬底01设置第二超导金属层05。
76.s206：通过剥离工艺，去除所述第一光刻胶层04及所述第一光刻胶层04表面的第二超导金属层05，得到约瑟夫森结前置物。
77.在步骤s204至s206的三步中的光刻胶层，也可用其他硬掩膜替代。
78.s207：在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层06，所述第二绝缘层06将所述第二超导金属层05覆盖，得到约瑟夫森结。
79.本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中提供了一种具体的去除所述超导金属图形上方的第二超导金属层05的技术方案，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
80.在本具体实施方式中，特别公开了一种采用设置光刻胶层去除非目标区域的第二超导金属层05，使用掩膜法得到预设区域的第二超导金属层05精度高，对设备要求低，可进一步降低生产成本，提升本方法的泛用性。当然，也可通过掩膜法之外的方法去除所述超导金属图形上的第二超导金属层05，如直接使用激光刻蚀去除法等，可根据实际需要做相应选择。
81.在具体实施方式二的基础上，进一步给定一种去除非目标超导金属层的技术手段，得到具体实施方式三，其流程示意图如图4所示，包括：
82.s301：在衬底01上设置第一超导金属层02。
83.s302：对所述第一超导金属层02图形化，得到由沟道分断的超导金属图形。
84.本步骤中的图形化，同样可以通过掩膜法得到。
85.s303：在所述超导金属图形表面设置第一绝缘层03；所述第一绝缘层03覆盖所述超导金属图形的目标侧壁。
86.s304：在所述第一绝缘层03的表面设置第一光刻胶层04。
87.s305：在设置过所述第一光刻胶层04的衬底01设置第二超导金属层05。
88.s306：通过剥离工艺，去除所述第一光刻胶层04及所述第一光刻胶层04表面的第二超导金属层05，得到约瑟夫森结前置物，所述约瑟夫森结前置物包括目标结及寄生结，所述目标结及所述寄生结分别位于所述沟道的两个目标侧壁处。
89.可结合图5理解，图5为本具体实施方式中各个步骤对应的工艺流程中的结构示意图。
90.s307：在所述约瑟夫森结前置物的表面设置第二绝缘层06，所述第二绝缘层06将所述第二超导金属层05覆盖，由所述目标结得到所述约瑟夫森结，并由所述寄生结得到寄生约瑟夫森结。
91.s308：去除所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域的绝缘层。
92.需要注意的是，所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域应当横跨所述寄生约瑟夫森结对应的绝缘层区(如果接上文的具体实施例，应当横跨所述寄生约瑟夫森结对应的目标侧壁的氧化层)，因此所述第一绝缘层03及所述第二绝缘层06均有部分被去除，请结合图5查看。
93.s309：在所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域设置第三超导金属层07。
94.作为一种优选实施方式，所述第三超导金属层07的设置方式包括：
95.a1：在除所述寄生约瑟夫森结对应的表面区域之外的区域设置第二光刻胶层。
96.a2：在设置了所述第二光刻胶层的衬底01的表面设置第三超导金属层07。
97.a3：通过剥离工艺，去除所述第二光刻胶层及所述第二光刻胶层表面的第三超导金属层07。
98.与前文相同，使用光刻胶掩膜法可大大降低图形化对设备的要求，降低生产成本。作为一种具体实施方式，利用ion-milling去除光刻图形区暴露的金属氧化层，再沉积一层所述第三超导金属层07，根据实际设计需要，也可以对1个或者多个sis结(超导层-绝缘层-超导层的三明治结构，对应前文中的所述目标结及所述寄生结)侧进行光刻得到一个跨越金属氧化层区的连接图形。
99.s310：在所述第三超导金属层07表面设置第三绝缘层08。
100.当然，为保证约瑟夫森结的正常使用，所述第三绝缘层08应与所述第一绝缘层03及所述第二绝缘层06相连，将超导金属完全覆盖。
101.本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中提供了一种去除寄生约瑟夫森结的技术方案，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
102.考虑到实际情况，对所述第一超导金属层02的图形化多以沟槽的方式设置，而本具体实施方式就给出了一种面对沟槽类的图形化，如何去除寄生约瑟夫森结的具体方案，采用bandage工艺模式，消除了寄生约瑟夫森结的影响，最后在结构上只保留想要的目标约瑟夫森结，其余寄生约瑟夫森结可统统去除，大大提升了本具体实施方式的泛用性。
103.图5为对应本具体实施方式中每一个步骤的工艺流程图，当然，图5中光刻图形仅为示意图，实际可根据设计要求设计为其他图形，约瑟夫森结可以为2个或者更多，可以为串联或者并联形式，约瑟夫森结尺寸可以不一致。
104.本发明同时还提供了一种超导量子约瑟夫森结，所述超导量子约瑟夫森结为通过如上述任一种所述的超导量子约瑟夫森结制备方法获得的约瑟夫森结；
105.所述超导量子约瑟夫森结内的电流流动方向，平行于所述超导量子约瑟夫森结对应的衬底01的延伸平面。
106.所述超导量子约瑟夫森结内的电流流动方向，也即超导量子约瑟夫森结的超导层-绝缘层-超导层方向，本发明提供的超导量子约瑟夫森结一改传统的“上中下”模式，改为“左中右”模式，大大降低了对加工设备的要求。
107.本发明所提供的超导量子约瑟夫森结，通过利用覆盖超导金属层图形化后的侧壁的绝缘层，将上中下结构的约瑟夫森结转变成左中右的形式，使原本由光刻线宽决定的约瑟夫森结精度转变为厚度决定，突破了设备的限制，可以采用传统半导体薄膜生长设备进行制备，无需特殊的双角度蒸镀设备，大大降低了对设备光刻分辨率的要求，相当于降低了生产成本，同时使技术易于推广，大大增加了制备方法的泛用性。
108.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
109.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
110.以上对本发明所提供的超导量子约瑟夫森结及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。