一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法

本发明涉及电子芯片，具体涉及一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法。

背景技术：

1、约瑟夫森结是由两块超导体通过一层薄的非超导材料(通常为绝缘体或正常金属)耦合而成的量子器件。因具有一系列独特的量子现象，广泛用于超导量子干涉仪(squid)中，这是目前最灵敏的磁场传感器之一，应用于地球物理、医学成像、材料科学等领域。此外，约瑟夫森结在超导量子计算中扮演着至关重要的角色，是量子比特(qubit)的基本单元之一。近年来，超导电子学和量子计算领域的快速发展对电子器件的要求是不断的集成化以及连续的可调谐性能。研究者发现基于平面结构的约瑟夫森结具有显著的优势。首先，相较于传统的垂直约瑟夫森结，平面约瑟夫森结的设计更加灵活，能够更容易地与其它电子元件集成，形成复杂的电路和系统。其次，平面约瑟夫森结具有较高的可调性。通过在结的平面上施加电场或电流，可以精确控制其超导电流和临界电压。这种可调性使得平面约瑟夫森结在量子比特的制备和操控中具有重要应用，能够实现对量子态的精确操控和调节，从而提高量子计算的稳定性和可靠性。

2、但是目前大多数平面结构的超导约瑟夫森结都是通过电子束光刻(ebl)制备的，因为在传统约瑟夫森结中电子平均自由程(l)和/或超导相干长度(ξ)的限制，使得约瑟夫森结沟道的长度需要尽可能的小(nm量级)，这显然是传统光刻技术不能达到的分辨率。但是电子束光刻的工艺相对复杂，周期长而且相关设备价格昂贵，无法快速的实现大批量的器件制备。

技术实现思路

1、针对背景技术中提及的在传统约瑟夫森结中，电子平均自由程(l)和/或超导相干长度(ξ)的限制使得约瑟夫森结沟道的长度需要尽可能的小(nm量级)，使用传统光刻技术达不到这样的要求，且现有的电子束光刻的工艺相对复杂，周期长而且相关设备价格昂贵，无法快速的实现大批量的器件制备的问题。本发明提出了一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，利用双层光刻胶溶解速率的不同，实现一个半悬浮桥结构，再加上双角度电子束蒸发制备铝掩膜，来缩短平面沟道长度到大约300nm，突破了传统紫外光刻机分辨率的限制(所在实验室紫外曝光机的分辨率：2μm)，成功地制备出了铌微米桥约瑟夫森结。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，包括以下步骤：

4、s1：选用蓝宝石衬底作为基片，并对蓝宝石表面进行预处理；

5、s2：采用直流磁控溅射在蓝宝石衬底上生长nb薄膜；

6、s3：采用紫外光刻显影技术在蒸镀完的nb薄膜上制备微米桥图形；

7、s4：反应离子刻蚀出微米桥的结构；

8、s5：在基片上旋涂双层光刻胶；

9、s6：采用紫外曝光技术曝光光刻胶，并显影形成半悬浮桥结构；

10、s7：双角度电子束蒸镀铝掩膜；

11、s8：反应离子刻蚀成铌微桥结。

12、作为优选，在s1中，选用蓝宝石衬底作为基片，并对蓝宝石表面进行预处理，包括超声波清洗，气枪吹干以及烘烤。

13、作为优选，在s2中，采用直流磁控溅射在蓝宝石衬底上生长nb薄膜的具体内容为：

14、首先，将经s1预处理后的蓝宝石衬底粘在样品盘上，通过高真空管道送入氩离子刻蚀腔室进行氩离子刻蚀；

15、然后利用高真空管道，将基片转移至磁控溅射腔室中，进行直流磁控溅射，将超导nb薄膜蒸镀到蓝宝石衬底表面。

16、作为优选，s3中，采用紫外光刻显影技术在蒸镀完的nb薄膜上定义微米桥图形，具体内容为：

17、首先，将光刻胶均匀地旋涂到nb薄膜表面，然后进行烘烤和图形曝光，曝光结束后进行显影，得出微米桥图案。

18、作为优选，在s4中，反应离子刻蚀出微米桥的结构的具体内容为：

19、将经s3处理后基片送至反应离子刻蚀的腔室，使用sf6进行刻蚀，得到微米桥的结构；之后将基片放入酒精溶液中浸泡，去除微米桥表面的光刻胶，待光刻胶完全脱落后，使用去离子水冲洗干净后，用氮气气枪吹干。

20、作为优选，在s5中，在基片上旋涂双层光刻胶的具体内容为：

21、首先，在基片表面旋涂一层光刻胶，然后将基片置于烘台上烘烤，待冷却之后，再旋涂一层光刻胶，置于烘台上烘烤，烘干后取出衬底，冷却至室温。

22、作为优选，在s6中，采用紫外曝光技术曝光光刻胶，并显影形成半悬浮桥结构的具体内容为：

23、使用紫外光刻机在基片上曝光间隔为2μm的图案，然后在正交显影液中显影，之后用去离子水冲洗掉显影液，最后用氮气枪吹干。

24、作为优选，在s7中，双角度电子束蒸镀铝掩膜，具体内容为：

25、第一次蒸镀铝薄膜：将显影好的基片送至电子束蒸发的腔室中，通过水平方向的旋转将微米桥的方向调整到合适的位置，并对样品盘在z方向进行30°的倾斜；

26、第二次蒸镀铝薄膜：保持样品盘水平方向位置不变，z方向的倾角从30°转到-30°；

27、铝膜蒸镀结束后，取出基片进行剥离。

28、作为优选，在s8中，反应离子刻蚀成铌微桥结的具体内容为：

29、完成双角度电子束蒸发制备铝掩膜后，将样品盘送至反应离子刻蚀的腔室，使用sf6进行刻蚀，在铌微米桥中间的间隙处刻蚀出弱连接的结构，且刻蚀完成后需要在中间的间隙处留下一层nb薄膜，最后得到铌微桥约瑟夫森结。

30、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

31、(1)本发明利用双层光刻胶溶解速率的不同，实现一个半悬浮桥结构，再加上双角度电子束蒸发制备铝掩膜，来缩短平面沟道长度到大约300nm，突破了传统紫外光刻机分辨率的限制(所在实验室紫外曝光机的分辨率：2μm)。基于此工艺成功地制备了nb微桥约瑟夫森结并测试了它们在低温下的输运特性以及微波辐照下的交流约瑟夫森响应。

32、(2)本发明采用动态刻蚀的方法，即一边刻蚀一边测试结两端的电阻。通过电阻的变化趋势去预判成结的可能。

33、(3)本发明的方法工艺流程简单、周期短、实用性强、成本低，为超导电子器件的制备以及未来大规模超导集成电路的实现提供了重要的工艺基础。

技术特征：

1.一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s1中，选用蓝宝石衬底作为基片，并对蓝宝石表面进行预处理，包括超声波清洗，气枪吹干以及烘烤。

3.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s2中，采用直流磁控溅射在蓝宝石衬底上生长nb薄膜的具体内容为：

4.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：s3中，采用紫外光刻显影技术在蒸镀完的nb薄膜上定义微米桥图形，具体内容为：

5.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s4中，反应离子刻蚀出微米桥的结构的具体内容为：

6.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s5中，在基片上旋涂双层光刻胶的具体内容为：

7.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s6中，采用紫外曝光技术曝光光刻胶，并显影形成半悬浮桥结构的具体内容为：

8.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s7中，双角度电子束蒸镀铝掩膜，具体内容为：

9.根据权利要求1所述的一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，其特征在于：在s8中，反应离子刻蚀成铌微桥结的具体内容为：

技术总结
本发明公开了一种基于半悬浮桥制备平面约瑟夫森结的方法，属于电子芯片技术领域。本发明的方法包括选用蓝宝石衬底作为基片，并对蓝宝石表面进行预处理；采用直流磁控溅射在蓝宝石衬底上生长Nb薄膜；采用紫外光刻显影技术在蒸镀完的Nb薄膜上制备微米桥图形；反应离子刻蚀出微米桥的结构；在基片上旋涂双层光刻胶；采用紫外曝光技术曝光光刻胶，并显影形成半悬浮桥结构；双角度电子束蒸镀铝掩膜；反应离子刻蚀成铌微桥结。本发明主要是利用双层光刻胶溶解速率的不同，实现一个半悬浮桥结构，利用双角度电子束蒸发制备铝掩膜，来缩短平面沟道长度，突破了传统紫外光刻机分辨率的限制，工艺流程简单、周期短、实用性强、成本低。

技术研发人员：王华兵,李丁丁,刘涛,张平,吕阳阳
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5