硬掩膜及其制备方法、应用、约瑟夫森结及相关制备方法与流程

本技术涉及量子芯片制备的，尤其涉及硬掩膜、硬掩膜在制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结中的应用、硬掩膜的制备方法、约瑟夫森结的制备方法、约瑟夫森结和约瑟夫森参量放大器的制备方法。

背景技术：

1、约瑟夫森参量放大器是一种低噪声的前置放大器，可以用来压缩噪声，实现量子比特的单发测量，用于探测暗物质等。在超导量子计算中，超导量子芯片处于极低温(<30mk)的环境下，受噪声影响大，并且从超导量子芯片输出的信号非常微弱，一般需要在输出端后级加多级放大器用以提高信号强度。目前商用的低温放大器一般工作在4k温度层，会带来极大的热噪声，而和超导量子芯片工作在同一温度层的约瑟夫森参量放大器具有极大的增益、不会引入额外噪声的优良特性，所以约瑟夫森参量放大器是做超导量子计算的必要器件。

2、约瑟夫森结是约瑟夫森参量放大器中的核心器件，例如可以采用光刻胶悬胶技术制备一字型的约瑟夫森结，在衬底上形成超导层-势垒层-超导层的三层层叠结构。相关技术采用双层光刻胶掩膜结构，其中悬胶所处的上层结构进行图案转移，下层结构起到支撑作用，然而，使用悬胶转移图案，存在悬胶塌陷、光刻胶残留对结造成损耗、光刻胶在高温下软化或降解等风险。

技术实现思路

1、本技术提供了硬掩膜、硬掩膜在制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结中的应用、硬掩膜的制备方法、约瑟夫森结的制备方法、约瑟夫森结和约瑟夫森参量放大器的制备方法，采用这种双层硬掩膜结构制备约瑟夫森结，能够降低双层光刻胶掩膜结构存在的悬胶塌陷、光刻胶残留对结造成损耗、光刻胶在高温下软化或降解等风险。

2、第一方面，本技术提供了一种硬掩膜，用于制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结，所述硬掩膜包括层叠设置的基础层和图形层；

3、所述基础层用于设置于衬底的表面，且所述基础层设置有贯通的第一窗口；

4、所述图形层设置有贯通且与所述第一窗口连通的图形集合；所述图形集合包括一个或多个图形；

5、其中，所述第一窗口和所述图形集合用于辅助在所述衬底的表面形成所述约瑟夫森结，所述基础层采用硅、金属、合金、蓝宝石或者树脂材料，所述图形层采用硅、金属、合金、蓝宝石或者树脂材料。

6、第二方面，本技术提供了一种上述任一项硬掩膜在制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结中的应用。

7、第三方面，本技术提供了一种硬掩膜的制备方法，所述硬掩膜用于制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结，所述方法包括：

8、形成依次层叠的基础层和图形层，所述基础层用于设置于衬底的表面；

9、对所述基础层和所述图形层进行刻蚀，以在所述基础层形成贯通的第一窗口，以及在所述图形层形成贯通的图形集合，以制备得到所述硬掩膜；

10、其中，所述图形集合包括一个或多个图形，所述第一窗口和所述图形集合连通，所述第一窗口和所述图形集合用于辅助在所述衬底的表面形成约瑟夫森结。

11、第四方面，本技术提供了一种约瑟夫森结的制备方法，所述方法包括：

12、在衬底的表面设置上述任一项硬掩膜，或者，在所述衬底的表面根据上述任一项硬掩膜的制备方法制备所述硬掩膜；

13、根据第一投影方向，通过所述硬掩膜进行镀膜，以在所述衬底的表面形成第一超导层；

14、在所述第一超导层的至少部分表面形成势垒层；

15、根据第二投影方向，通过所述硬掩膜进行镀膜，以在所述势垒层的至少部分表面形成第二超导层，以制备得到约瑟夫森结；

16、其中，所述第一投影方向和所述第二投影方向相同或不同。

17、第五方面，本技术提供了一种约瑟夫森结，所述约瑟夫森结采用上述任一项约瑟夫森结的制备方法制备得到。

18、第六方面，本技术提供了一种约瑟夫森参量放大器的制备方法，采用上述任一项约瑟夫森结的制备方法制备所述约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结。

19、根据本技术提供的硬掩膜、硬掩膜在制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结中的应用、硬掩膜的制备方法、约瑟夫森结的制备方法、约瑟夫森结和约瑟夫森参量放大器的制备方法，采用这种双层硬掩膜结构制备约瑟夫森参量放大器的约瑟夫森结，能够降低双层光刻胶掩膜结构存在的悬胶塌陷、光刻胶残留对结造成损耗、光刻胶在高温下软化或降解等风险，可以在约瑟夫森参量放大器上制备单晶结构的势垒层，由于避免了光刻胶对约瑟夫森结的不利影响，提高了结电阻的均匀性，因此能够降低约瑟夫森结在低温下的损耗。

20、在约瑟夫森结的制备过程中，相关技术使用双层光刻胶掩膜结构。这种方法虽然可行，但存在一些固有的问题：悬胶塌陷，在传统工艺中，上层光刻胶悬浮在衬底上，这种悬浮结构在后续的加工过程中可能会塌陷，导致掩膜图案的损坏，进而影响约瑟夫森结的制备；光刻胶残留，光刻胶在制作过程中可能不会完全去除，残留的光刻胶可能对超导层产生不利影响，如导致电性能不稳定；光刻胶软化或降解，在高温下，光刻胶可能软化或降解，影响掩膜的稳定性，进而影响结构的精确度和质量。

21、针对上述问题，本技术使用硬掩膜来代替双层光刻胶掩膜结构。硬掩膜采用硅、金属、合金、蓝宝石或树脂材料，这些材料在高温下稳定，不会发生软化或降解。硬掩膜结构包括基础层和图形层，其中，基础层用于设置在衬底上，具有贯通的第一窗口，这种结构能够稳定地支撑上层的图形层，减少或消除悬胶塌陷的风险；图形层设置与第一窗口连通的图形集合，用于形成约瑟夫森结，这一层的材料选择保证了在加工过程中的稳定性和耐高温性能。使用双层硬掩膜结构，由于硬掩膜材料本身的稳定性和耐温特性，可以在加工过程中避免光刻胶的塌陷、残留以及高温下的软化或降解，从而提高了约瑟夫森结的制备质量。此外，硬掩膜可以辅助形成单晶结构的势垒层，提高结电阻的均匀性和降低低温下的损耗。

22、为了解决悬胶塌陷问题，硬掩膜由硅、金属、合金、蓝宝石或树脂等材料制成，这些材料都具有高刚性。相比于光刻胶，这些材料不会在加工过程中发生形变或塌陷，保持了图形的精确性。基础层作为支撑层，当图形层上的图形被转移至衬底时，整体结构不会因悬空部分过大而发生塌陷。

23、为了解决光刻胶残留问题，硬掩膜所用材料的化学稳定性远高于光刻胶。在刻蚀或清洗过程中，硬掩膜不会像光刻胶那样容易留下残迹，减少了对衬底和超导层的污染。如果硬掩膜需要去除，由于其硬度和化学性质，可以使用更强的溶剂或清洗工艺，而不担心残留物，但这些溶剂或工艺对光刻胶可能是不适用的。

24、为了解决高温软化或降解问题，硬掩膜所用材料能够承受的温度远高于光刻胶，这意味着在高温加工步骤中，如退火过程，硬掩膜不会软化或降解，从而保持结构的完整性和准确性。由于硬掩膜在高温下的稳定性，能够在形成势垒层的步骤中保持更高的精度，有助于形成均匀、无缺陷的势垒层，这对电阻的均匀性和低温下的性能至关重要。

25、综上所述，这种双层硬掩膜结构利用了硬掩膜材料的物理化学特性，通过其刚性、化学稳定性和耐高温性，以结构上的设计创新解决了传统光刻胶方案中的关键问题，不仅提高了制造过程的可靠性，而且还提升了约瑟夫森结的最终质量和性能。