高温超导薄膜纳米桥结制备方法与流程

本发明总体上涉及高温超导领域，更特别地，涉及一种制备高温超导薄膜纳米桥结的方法。

背景技术：

超导约瑟芬森结(josephsonjunction)是两块超导体之间存在弱耦合形成的一种结型结构器件。常见的超导约瑟芬森结有很多种结构，例如包括点接触结(pointcontact)、交叉电极结(junctionwithcrossedelectrodes)、边缘结(edgejunction)、纳米桥结(nanobridgejunction)、孪晶界结(bicrystalgrainboundaryjunction)、以及本征结(intrinsicjosephsonjunction)等。纳米桥结属于平面结的一种，相对其他结构来说制备工艺简单，成本较低，可以用于高频信号检测、squid应用等。

纳米桥结是高温超导材料的几种弱连接结之一，是利用超导体/普通金属/超导体(sns)结构形成约瑟芬森结。一般纳米桥结制备工艺包含以下步骤：(1)利用脉冲激光沉积(pld)或磁控溅射方式在衬底上生长超导薄膜，例如铁基超导薄膜；(2)利用标准光刻技术和氩离子刻蚀形成桥结结构；(3)以及利用聚焦离子束刻蚀技术对桥结进行精修，以形成宽度小于1微米的纳米桥结构。以上工艺利用光刻和离子刻蚀手段，工序复杂，且光刻胶清洗过程容易对薄膜造成不良影响，影响器件性能的均匀性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种制备高温超导薄膜纳米桥结的方法，其能够避免使用复杂的光刻和蚀刻技术来构造超导结形状，降低了制备超导纳米桥结的时间和成本，同时还能保持超导纳米桥结的高性能。

本发明一示例性实施例提供一种制备高温超导薄膜纳米桥结的方法，包括：提供掩模板，所述掩模板具有用于定义将要形成的高温超导薄膜纳米桥结的形状的开口图案；用所述掩模板覆盖衬底；在所述掩模板上沉积高温超导材料的薄膜；移除所述掩模板，从而得到形成在所述衬底上的、具有所述掩模板的开口图案定义的形状的高温超导薄膜纳米桥结；以及对所述高温超导薄膜纳米桥结进行微加工处理以获得所需的桥宽度。

在一些示例中，所述掩模板由金属例如不锈钢、钼铜和钽制成。

在一些示例中，所述掩模板的厚度在0.02mm至1mm的范围。

在一些示例中，所述掩模板还具有多个用于固定所述掩模板的孔洞。

在一些示例中，所述衬底设置在沉积样品台上，所述掩模板覆盖在所述衬底上并且通过所述孔洞由螺栓固定到所述沉积样品台上。

在一些示例中，用所述掩模板覆盖衬底的步骤包括：使所述掩模板直接接触所述衬底；或者使得所述掩模板与所述衬底之间间隔开一距离。

在一些示例中，在所述掩模板上沉积高温超导材料的薄膜的步骤还包括在所述高温超导材料的薄膜上沉积金属保护层。

在一些示例中，对所述高温超导薄膜纳米桥结进行微加工处理包括用聚焦离子束来蚀刻所述高温超导薄膜纳米桥结。

在一些示例中，所述聚焦离子束利用扫描电子显微镜图像定位到所述高温超导薄膜纳米桥结上的需要被蚀刻的位置处。

在一些示例中，所述桥宽度在1nm至1μm的范围。

本发明的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明一示例性实施例的制备高温超导薄膜纳米桥结的方法的流程图；

图2示出根据本发明一示例性实施例的掩模板的结构示意图；以及

图3示出根据本发明一示例性实施例的方法所制备的高温超导材料纳米桥结的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。

图1示出根据本发明一示例性实施例的制备高温超导薄膜纳米桥结的方法100的流程图。如图1所述，方法100可始于步骤s110，提供掩模板101。图2示出了掩模板101的一示例。

掩模板101可具有矩形或正方形板状结构，当然也可以具有其他形状，例如圆形等。掩模板101上可形成用各种开口图案，以用于定义将要形成的高温超导薄膜纳米桥结的形状。开口图案的数量和形状不受特殊限制，可根据需要而变化。例如，在图2的示例中，掩模板101上具有两个开口图案102，每个开口图案包括彼此相对的两个较大矩形部、以及连接在这两个较大矩形部之间的较窄桥部。较大矩形部也可以为其他形状的图案，例如圆形、椭圆形等。掩模板101上还可以形成有多个孔洞103，以用于固定掩模板101，其将在下面进一步详细描述。

掩模板101可由金属制成，优选由热膨胀系数较小且具有良好的化学稳定性的金属例如不锈钢、钼铜、钽等制成。金属的优点在于具有一定的韧性，不易损坏。当然，掩模板101也可以由其他材料例如石英、玻璃等制成。掩模板101的厚度可以在0.02mm至1mm的范围内，优选在0.02mm至0.5mm的范围，更优选地在0.02mm至0.2mm的范围。

掩模板101可利用各种方法制成，例如但不限于激光蚀刻、聚焦离子束蚀刻等。在一示例中，可以对表面光滑、厚度为0.05mm左右的不锈钢薄板进行蚀刻，以获得具有期望图案的掩模板101。蚀刻精度可达到微米级别，保证无毛刺、无压点和缺口，获得可重复使用的掩模板101。

接下来，在步骤s120中，可以将掩模板101覆盖在用于沉积高温超导材料薄膜的衬底(未示出)上。衬底可以选用适合沉积高温超导材料薄膜，例如单晶铁基薄膜的材料，常用的衬底有mgo衬底、srtio3衬底、laalo3衬底、caf2衬底等。虽然未示出，但是衬底可以安放在薄膜沉积设备中的样品台上，例如脉冲激光沉积设备、原子层沉积设备等。衬底可以例如直接放置在样品台上，或者通过双面胶粘附在样品台上。掩模板101覆盖在衬底上，可以与衬底直接接触，或者也可以与衬底间隔开一微小的距离，例如间隔开2mm以下的距离，优选地1mm以下的距离，更优选0.5mm以下的距离。在一示例中，可以通过在衬底与掩模板101之间设置一些垫片来实现上述间隔距离。由于沉积高温超导材料薄膜的工艺一般为定向沉积工艺，所以掩模板101与衬底之间间隔开一微小距离并不会影响在衬底上形成的薄膜图案的形状。

掩模板101优选地被固定。例如，掩模板101可以被样品台上的夹具固定。或者，可以利用螺栓通过掩模板101上的孔洞103将掩模板101固定在样品台上。当然，也可以用其他方式将掩模板101固定在样品台上。

接下来，在步骤s130中，可以在沉积设备中进行高温超导材料薄膜的沉积。可用于沉积高温超导材料薄膜，例如单晶铁基薄膜的各种沉积工艺是本领域已知的，此处不再一一描述。所沉积的薄膜厚度可以为数纳米至数百纳米的范围，可根据需要而定。在一示例中，在沉积高温超导材料薄膜之后，还可以继续在其上沉积一金属材料的保护层，以实现对超导薄膜的保护。金属保护层的材料优选具有良好的导电性和一定的化学稳定性，例如可包括金材料，其形成厚度可以在数纳米至数十纳米的范围。

然后，在步骤s140中，可以移除掩模板101，从而得到图3所示的形成在衬底111上的高温超导薄膜纳米桥结112。在移除掩模板101时，掩模板101与衬底111分隔开一定距离的配置是优选的，因为其可以避免掩模板101与所沉积的高温超导薄膜纳米桥结112的边缘之间的黏连，从而避免了移除步骤中可能对所沉积薄膜造成的损害。如图3所示，高温超导薄膜纳米桥结112具有与掩模板101上的开口图案对应的形状。具体而言，高温超导薄膜纳米桥结112具有彼此相对的两个较大矩形部113和114、以及连接在这两个较大矩形部113和114之间的较窄桥部115。

此时，所获得的高温超导薄膜纳米桥结112可能与期望结构仍有一定的偏差，因为难以为每个特定尺寸的期望结构都准备一相应掩模板101，这会需要大量的时间来制造各种掩模板，并且造成成本的大幅度上升。因此，在步骤s150中，可以对高温超导薄膜纳米桥结112进行微加工处理，例如用聚焦离子束来蚀刻桥部115，以获得所需的桥宽度。例如，可以利用扫描电子显微镜图像来定位到高温超导薄膜纳米桥结112的桥部115的需要被蚀刻的位置处，然后执行聚焦离子束蚀刻，以获得期望的桥宽度。在一些实施例中，所获得的桥宽度可以在1nm至1μm的范围，例如在5nm到500nm的范围。这种，就完成了高温超导薄膜纳米桥结的制备。

下面描述根据上述实施例的一特定实例。在该实例中，可以采用mgo(100)单晶衬底，利用上面描述的方法，在上面沉积厚度为120nm的fete0.45se0.55的单晶薄膜，并且沉积厚度约为20nm的金作为保护层，其形状可为图3所示的高温超导薄膜纳米桥结112那样的形状。然后，利用聚焦离子束蚀刻桥部115，获得880nm的最终桥部宽度。所得纳米桥器件在低于超导转变温度下测量得到的i-v特性曲线符合sns约瑟芬结构的特征；在高于超导转变温度时其i-v曲线符合普通金属的特性，在温度4.2k时其特征电流值ic为16.1ma。

综上所述，本发明公开了一种利用掩模板来制备高温超导材料纳米桥结的方法。采用在衬底上覆盖刻蚀好桥结形状的掩模板，然后直接沉积高温超导材料薄膜，沉积得到的薄膜形状和掩模板刻蚀部分保持一致，利用微纳米加工工艺构造纳米桥结构，形成一定宽度的超导纳米桥结。与现有技术相比，本发明的方案无需复杂的光刻技术和离子刻蚀等构造超导结形状的技术，在大大减少制备时间的同时，还能保持超导结的高性能。本发明的掩模板可以重复使用，因此大大节省了成本。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。