一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用

本发明属于超导量子比特技术领域，具体涉及一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用。

背景技术：

量子计算机霸权争夺已在世界范围展开，超导量子计算机由于兼容传统微加工工艺和微波测量技术而摇摇领先。国内11量子比特超导量子计算服务在量子计算云平台上线，ibm实现了50个量子比特的芯片，就在去年(arute，f.，arya，k.，babbush，r.etal.quantumsupremacyusingaprogrammablesuperconductingprocessor.nature574，505-510，2019)，google发布了轰动一时的“sycamore”芯片并演示了“量子霸权”，促使我们需在材料制备和器件工艺上进一步提高超导量子芯片的性能以实现突破。目前要进一步实现超导量子比特数量的扩展并达到预想的计算能力，除了提升量子逻辑门的精度，不断提高量子比特相干时间也是大部分科学家关注的焦点。影响量子比特相干时间的主要因素是量子比特制备过程中表界面的非晶层(i.martin，l.bulaevskii，a.shnirman，phys.rev.lett.95，127002，2005)以及器件制备过程中分子官能团的吸附所形成的双能级缺陷(sarabi，bahman，anramanayaka，alburin，frederickcwellstood，andkevind.osborn，phys.rev.lett.116，167002，2016)。为了提高超导量子比特寿命，必须从根本上减少芯片制备过程中的非晶材料，避免引入表界面杂质。

国内外同行通过不同生长技术和表面处理方法以实现si衬底外延生长al薄膜，包括离子束辅助(c.choi，r.harper，a.yapsir，andt.m.lu，appl.phys.lett.51，1992，1987)、分子束外延(h.liu，etal.chin.phys.lett.21，1608，2004)、超高真空沉积(e.a.khramtsova，etal.appl.surf.sci.82-83，576，1994)、热蒸发(y.horio，appl.surf.sci.169-170，104，2001)和磁控溅射(d.bufford，etal.mater.res.lett.1，51，2013)。结果显示在si衬底生长100nmal薄膜存在位错密度高导致xrd衍射峰较宽或者孪晶。传统方法是在si(111)1*1衬底表面直接生长，有的si(111)衬底甚至没有通过hf和nh4f缓冲溶液清洗。无论si(111)衬底是否通过hf和nh4f缓冲溶清洗，在si(111)1*1或7*7衬底表面直接生长al薄膜，al薄膜普遍存在孪晶(如图1所示)，且薄膜表面粗糙；xue等人(s.xue，z.fan，y.chen，j.li，h.wang，andx.zhang，actamater.101，62，2015)探究了多晶al薄膜中孪晶形成机理，christopherj.k.richardson等人(brianmmcskimming，etal.journalofvacuumscience&technologya35，021401，2017)报道si(111)衬底在775℃退火15min制备si(111)7*7表面，生长al薄膜，表征分析al薄膜存在孪晶，显示薄膜刚开始沉积时，薄膜与衬底之间的界面缺陷会随着薄膜沉积延伸到表面，进一步证实制备规则有序si(111)衬底表面对于后续大面积al单晶薄膜生长具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种大面积铝单晶薄膜的制备方法，其包括：

将si(111)衬底依次进行有机清洗、rca1清洗、rca2清洗、piranha溶液清洗及hf清洗，获得预处理后的si(111)衬底；

以及，在真空条件下，将所述预处理后的si(111)衬底置于分子束外延装置中于750～800℃表面处理，采用分子束外延技术在所述si(111)衬底表面生长铝单晶薄膜，获得大面积铝单晶薄膜，其中，所述分子束外延技术采用的工艺条件包括：冷嘴al源温度为1000～1235℃，al沉积速率为

本发明实施例还提供了由前述方法制备的大面积铝单晶薄膜，所述大面积铝单晶薄膜的谐振器本征品质因子为10⁶～7.5*10⁶。

本发明实施例还提供了前述的大面积铝单晶薄膜于制备高质量超导量子比特或超导量子计算机中的用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明制备的si(111)/al单晶薄膜，与si衬底传统工艺相比，实现了大面积al单晶薄膜，没有孪晶，更可明显减少si/al界面c、h、o杂质含量，衬底与薄膜界面无si和al互扩散，界面清晰锐利，对于其他类薄膜生长同样具有借鉴意义；

(2)本发明通过清洗si(111)衬底及表面处理先制备si(111)7*7表面，后生长al薄膜，可重复获得大面积表面平整的si(111)/al单晶薄膜，对于其他类薄膜生长同样具有借鉴意义；

(3)本发明制备的大面积表面平整的si(111)/al单晶薄膜，能将谐振器本征品质因子提升到10⁶～7.5*10⁶，有助于制备高质量超导量子比特，为后续利用成熟半导体工艺实现可扩展超导量子计算机奠定基础；

(4)本发明制备的大面积表面平整的si(111)/al单晶薄膜，结合al单晶薄膜优良光学性能，可实现基于成熟半导体工艺大面积制备光电器件及光学多层膜等功能产品应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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。

图1是传统工艺制备的al薄膜的xrd图谱；

图2是本发明实施例1制备的si(111)/al单晶薄的xrd图谱；

图3是本发明实施例1制备的si(111)/al单晶薄的sem；

图4是本发明实施例1制备的si(111)/al单晶薄的afm图；

图5是本发明实施例1制备的si(111)/al单晶薄膜与传统工艺制备的si(111)1*1/al样品的进行tof-sims测试图；

图6是本发明实施例1制备的si(111)/al单晶薄膜的谐振器的品质因子随测试功率的变化图；

图7是本发明对比例1制备的al单晶薄膜的afm图；

图8是本发明对比例2制备的al单晶薄膜的afm图；

图9是本发明对比例3制备的al单晶薄膜的afm图；

图10是本发明对比例4制备的al单晶薄膜的afm图；

图11是本发明对比例5制备的al单晶薄膜的afm图；

图12是本发明对比例6制备的al单晶薄膜的afm图。

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明实施例的一个方面提供了一种大面积铝单晶薄膜的制备方法，其包括：

将si(111)衬底依次进行有机清洗、rca1清洗、rca2清洗、piranha溶液清洗及hf清洗，获得预处理后的si(111)衬底；

以及，在真空条件下，将所述预处理后的si(111)衬底置于分子束外延装置中于750～800℃表面处理，采用分子束外延技术在所述si(111)衬底表面生长铝单晶薄膜，获得大面积铝单晶薄膜，其中，所述分子束外延技术采用的工艺条件包括：冷嘴al源温度为1000～1235℃，al沉积速率为

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：

将所述预处理后的si(111)衬底立即置于进样装置中，再经真空管道传送至分子束外延装置中，之后以5～10℃/min的速率将分子束外延装置中的温度升至750～800℃，并通过反射高能电子衍射对所述预处理后的si(111)衬底进行表面处理。

进一步的，所述表面处理至少使所述预处理后的si(111)衬底获得si(111)7*7表面。

进一步的，所述进样装置通有保护性气体。

进一步的，所述保护性气体包括惰性气体，优选为氩气，且不限于此。

进一步的，所述真空管道的真空度小于10^-10mbar。

进一步的，所述分子束外延装置的真空度小于10^-11mbar。。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：

采用分子束外延技术在所述si(111)衬底表面沉积铝薄膜，之后降温至100～28℃，从而在所述si(111)衬底表面形成al单晶薄膜，其中，所述分子束外延技术采用的工艺条件包括：冷嘴al源温度为1000～1235℃，al沉积速率为

在一些较为具体的实施方案中，所述有机清洗包括：依次使用丙酮、异丙醇、去离子水对si(111)衬底进行清洗，之后使用氮气吹干。

在一些较为具体的实施方案中，所述rca1清洗包括：将经有机清洗的si(111)衬底置于包含nh4oh、h2o2和h2o的混合溶液中浸渍处理15～25min。

进一步的，所述rca1清洗具体包括：将水与nh4oh溶液混合并加热至65～75℃，之后加入h2o2形成包含nh4oh、h2o2和h2o的混合溶液，而后将经有机清洗的si(111)衬底置于所述包含nh4oh、h2o2和h2o的混合溶液中进行浸渍处理。

在一些较为具体的实施方案中，所述rca2清洗包括：将经rca1清洗的si(111)衬底置于包含hcl、h2o2和h2o的混合溶液中浸渍处理15～25min。

进一步的，所述rca2清洗具体包括：将水与hcl溶液混合并加热至65～75℃，之后加入h2o2形成包含hcl、h2o2和h2o的混合溶液，而后将经rca1清洗的si(111)衬底置于所述包含hcl、h2o2和h2o的混合溶液中进行浸渍处理。

在一些较为具体的实施方案中，所述piranha溶液清洗包括：将经rca2清洗的si(111)衬底置于piranha溶液中浸渍处理10～20min。

进一步的，所述piranha溶液清洗具体包括：将硫酸溶液与h2o2混合形成piranha溶液，然后将经rca2清洗的si(111)衬底置于所述piranha溶液中进行浸渍处理。

在一些较为具体的实施方案中，所述hf清洗包括：将经piranha溶液清洗的si(111)衬底置于hf溶液中浸渍处理0.5～5.0min。

进一步的，所述si(111)衬底的电阻率＞10000ω·em。

进一步的，所述si(111)衬底包括2英寸si(111)衬底。

在一些更为具体的实施方案中，所述大面积铝单晶薄膜的制备方法具体包括：

(1)将si(111)衬底依次进行有机清洗、rca1清洗、rca2清洗、piranha溶液清洗及hf清洗，获得预处理后的si(111)衬底；

其中，有机清洗：依次用丙酮，异丙醇，去离子水清洗三次，各清洗5min-10min，用氮气吹干；

rca1清洗：在325ml去离子水石英烧杯中，加入65ml26～28wt％nh4oh，水浴加热到70℃，缓慢加入65ml29～31wt％h2o2，有大量气泡溢出，将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时15min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

rca2清洗：在260ml去离子水石英烧杯中，加入65ml36～38wt％hcl，水浴加热到70℃，缓慢加入65ml29～31wt％h2o2(其中盐酸与双氧水的体积比为1∶1)，有大量气泡溢出，将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时25min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

piranha溶液清洗：用300ml石英烧杯量取120mlh2so4(98％)，缓慢加入60ml30％h2o2(其中所述h2so4(98％)与30％h2o2的体积比为2∶1)；将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时15min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

hf清洗：2.5wt％hf溶液中，将放置有si(111)衬底塑料花篮浸没到液体中，计时2min后取出塑料花篮，用去离子水检测亲水性，后用去离子水冲洗，氮气吹干。

(2)将预处理后的si(111)衬底立即放入纳米真空互联实验站进样室，经超高真空管道传入分子束外延设备(molecularbeamexpitaxy，mbe)，低温除气半个小时，缓慢加热到750℃-800℃保温半个小时，通过高能电子衍射(reflectionhighenergyelectrondiffraction，rheed)可以看到清晰的si(111)7*7表面，之后自然降温，同时将冷嘴al源升温到1235℃，此时al沉积速率约待降温到100℃后立即生长100nm左右al薄膜，即大面积的si(111)/al单晶薄膜。

其中，所述纳米真空互联实验站(nano-x)是集材料生长、器件加工、测试分析为一体的纳米领域大科学装置。通过超高真空管道把各功能设备相互连接，以解决传统超净间模式中难以解决的尘埃、表面氧化和吸附等污染问题。

本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的大面积铝单晶薄膜，所述大面积铝单晶薄膜的谐振器本征品质因子为10⁶～7.5*10⁶。

进一步的，所述大面积铝单晶薄膜的厚度为60～120nm。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述的大面积铝单晶薄膜于制备高质量超导量子比特或超导量子计算机中的用途。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。

以下实施例中的有机清洗、rca1、rca2、piranha清洗和hf清洗均为一下操作步骤：

有机清洗：依次用丙酮，异丙醇，去离子水清洗三次，各清洗5min-10min，用氮气吹干；

rca1清洗：在325ml去离子水石英烧杯中，加入65ml27％nh4oh，水浴加热到70℃，缓慢加入65ml30％h2o2，有大量气泡溢出，将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时15min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

rca2清洗：在260ml去离子水石英烧杯中，加入65ml37％hcl，水浴加热到70℃，缓慢加入65ml30％h2o2，有大量气泡溢出，将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时25min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

piranha溶液清洗：用300ml石英烧杯量取120mlh2so4(98％)，缓慢加入60ml30％h2o2，将放置有si(111)衬底石英花篮浸没到液体中，计时15min后取出石英花篮，用去离子水冲洗后，氮气吹干；

hf清洗：2.5％hf溶液中，将放置有si(111)衬底塑料花篮浸没到液体中，计时2min后取出塑料花篮，用去离子水检测亲水性，后用去离子水冲洗，氮气吹干。

实施例1

商用2inchsi(111)衬底(r＞10000ω·cm)依次经有机清洗、rca1、rca2、piranha清洗和hf清洗，之后立即放入纳米真空互联实验站进样室，经超高真空管道传入分子束外延设备(molecularbeamexpitaxy，mbe)，低温除气半个小时，缓慢加热到750℃保温0.5h，通过高能电子衍射(reflectionhighenergyelectrondiffraction，rheed)可以看到清晰的si(111)7*7表面，后自然降温，同时将冷嘴al源升温到1000℃，此时al沉积速率约待降温到100℃后立即生长100nm左右al单晶薄膜，记为si(111)/al单晶薄膜。

性能表征：本实施例制备的si(111)/al单晶薄的xrd图谱如图2所示，三重对称峰说明a1薄膜为单晶薄膜；采用扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy，sem)对本实施例制备的si(111)/al单晶薄进行测试，可以看出al单晶薄膜表面大范围平整；本实施例制备的si(111)/al单晶薄的原子力显微镜图如图4所示；本实施例制备的si(111)/al单晶薄膜与传统工艺si(111)1*1/al样品(虚线为传统工艺制备的样品)的进行tof-sims(飞行时间二次离子质谱)测试，如图5所示，可以看出本实施例制备的si(111)/al单晶薄膜中c、h、o含量更低，衬底与薄膜界面无si和al互扩散，界面清晰锐利，说明本发明的制备方法可有效减少衬底、衬底与al薄膜界面、al薄膜所带来的双能级缺陷，在20mk的温度和近单光子功率下，将谐振器本征品质因子提升到10⁶(如图6所示)。

实施例2

商用2inchsi(111)衬底(r＞10000ω·cm)依次经有机清洗、rca1、rca2、piranha清洗和hf清洗，之后立即放入纳米真空互联实验站进样室，经超高真空管道传入分子束外延设备(molecularbeamexpitaxy，mbe)，低温除气半个小时，缓慢加热到770℃保温0.5h，通过高能电子衍射(reflectionhighenergyelectrondiffraction，rheed)可以看到清晰的si(111)7*7表面，后自然降温，同时将冷嘴al源升温到1200℃，此时al沉积速率约待降温到28℃后立即生长100nm左右al单晶薄膜，记为si(111)/al单晶薄膜。

实施例3

商用2inchsi(111)衬底(r＞10000ω·cm)依次经有机清洗、rca1、rca2、piranha清洗和hf清洗，之后立即放入纳米真空互联实验站进样室，经超高真空管道传入分子束外延设备(molecularbeamexpitaxy，mbe)，低温除气半个小时，缓慢加热到800℃保温0.5h，通过高能电子衍射(reflectionhighenergyelectrondiffraction，rheed)可以看到清晰的si(111)7*7表面，后自然降温，同时将冷嘴al源升温到1235℃，此时al沉积速率约待降温到50℃后立即生长100nm左右al单晶薄膜，记为si(111)/a1单晶薄膜。

对比例1

方法同实施例1，不同之处在于缺少有机清洗、rca1、rca2、piranha清洗和hf清洗步骤，si(111)未表面处理直接生长al薄膜的表面形貌afm如图7所示。

对比例2

方法同实施例1，不同之处在于缺少有机清洗，si衬底表面形貌afm(原子力显微镜)表面形貌如图8所示，衬底表面形貌粗糙，生长的al薄膜表面也会很粗糙，质量较差。

对比例3

方法同实施例1，不同之处在于缺少rca1清洗，si衬底表面形貌afm(原子力显微镜)表面形貌如图9所示，衬底表面形貌粗糙，生长的a1薄膜表面也会很粗糙，质量较差。

对比例4

方法同实施例1，不同之处在于缺少rca2清洗，si衬底表面形貌afm(原子力显微镜)表面形貌如图10所示，衬底表面形貌粗糙，生长的al薄膜表面也会很粗糙，质量较差。

对比例5

方法同实施例1，不同之处在于缺少piranha溶液清洗，si衬底表面形貌afm(原子力显微镜)表面形貌如图11所示，衬底表面形貌粗糙，生长的al薄膜表面也会很粗糙，质量较差。

对比例6

方法同实施例1，不同之处在于缺少hf清洗，si衬底表面形貌(原子力显微镜)表面形貌如图12所示，衬底表面形貌粗糙，生长的al薄膜表面也会很粗糙，质量较差。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。