一种提升超导纳米线器件超导性能的方法与流程

本发明涉及高精度抛光技术领域，具体涉及一种提升超导纳米线器件超导性能的方法。

背景技术：

氩离子束抛光技术是利用低能氩离子束流倾斜射向样品表面，样品通过自转从而实现改善表面粗糙度的技术。相对于机械化学抛光技术而言，这一技术具有精度更高，抛光位置精准，操作简单等优势，因此在过去的几十年里广泛应用于高精度光学棱镜的制造。

目前超导单光子探测器制备过程中常采用单晶结构的氮化铌作为制备纳米线的材料，对于单晶结构氮化铌超导纳米线而言，其超导性能非常依赖其晶体结构，不同条件衬底上生长制备的纳米结构超导性能差异悬殊；对于相同材料衬底上的氮化铌纳米线而言，材料表面形貌的平整与否直接影响上层纳米线的超导性能。

目前主要常用于高精度抛光衬底的方法为化学机械研磨法，该方法通过化学试剂腐蚀加上机械研磨处理使得衬底表面达到抛光效果，研磨面积大且磨蚀深度大。但目前在高精度超导探测器领域，尚无一种即时、无损且高效的方法实现抛光衬底的并提升上层超导结构的超导转变电流(或超导转变温度)的方法，尤其是涉及三明治结构超导器件的实时衬底生长，即时抛光制备超导结构的工艺时，无损于下层精密结构且及时的抛光技术成为关键瓶颈。

技术实现要素：

发明目的：针对上述技术问题和不足，本发明的目的是提供一种提升超导纳米线器件超导性能的方法，解决了超导纳米线器件制备在及时沉积的衬底上超导转变电流过低的问题，并且避免了抛光过程中的衬底厚度损失和操作繁琐的问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种提升超导纳米线器件超导性能的方法，包括以下步骤：

(1)在样品台上制备衬底；

(2)抛光：利用离子束抛光的方法对所述衬底进行抛光加工；

(3)在经抛光的所述衬底上通过微加工工艺制备超导纳米线器件。

进一步的，所述衬底材为化学气相沉积方法高温生长的氧化硅层。

进一步的，抛光前腔室内须达到10^-4帕斯卡量级的真空度，氩气通量为6标准气压下立方厘米/秒。

进一步的，氩离子束为能量为350电子伏特、束流60毫安的电子束流，电子束流通过加速电极垂直向下射向样品台。

进一步的，抛光过程中样品台与水平面保持60°倾角，保证离子束与衬底表面维持30°的略射角进行抛光。

更进一步的，样品台处于自转状态，转速为100转每分钟，抛光时间持续40分钟。

进一步的，抛光前后的衬底通过原子力显微镜(afm)扫描观察，获得衬底抛光后的形貌信息。

进一步的，抛光结束后实现衬底表面颗粒增大，形貌平整化效果。

更进一步的，所述表面颗粒增大，表现为形貌表面颗粒平均尺寸增大；所述形貌平整化效果，表现为形貌粗糙度降低，且形貌能量谱密度曲线降低。

进一步的，所述微加工工艺制备超导纳米线器件包括磁控溅射制备氮化铌薄膜，电子束曝光形成纳米线图案，反应离子刻蚀刻蚀出纳米线等步骤。

进一步的，所示纳米线制备完成后，在液氦低温4.2k环境下进行电流-电压特征曲线的测量，测量方法为在纳米线两端输入持续变化的电流并实时测出两端电压得到电流电压关系。

有益效果：本发明利用离子束抛光处理后的氧化硅衬底表面，表面颗粒数目明显减少，形貌明显平滑，粗糙度降低。(粗糙度降低效果取决于抛光时间长短)抛光后的形貌表面继续沉积制备的氮化铌超导纳米线器件相对于未抛光的表面上的器件明显具有更高的超导转变电流。无论是对于超导薄膜(约5nm)还是超导纳米线器件的超导性能都有所提升。

附图说明

图1示意了实施例中未抛光的氧化硅层在原子力显微镜下的形貌图。

图2示意了实施例中抛光后的氧化硅层在原子力显微镜下的形貌图。

图3示意了实施例中抛光前后的氧化硅层及单晶硅表面的能量谱密度。

图4示意了实施例中抛光前后纳米线低温测量出的电流-电压特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。

实施例：本发明中，在10cm*10cm的单晶硅基片上化学气相沉积生长氧化硅层，将沉积好氧化硅层的基片固定在离子束刻蚀机的样品台上，倾斜样品台至60°倾角固定，关闭腔室门后抽真空，直至真空度达到10^-4pa量级时打开氩气开关注入氩气，待气体环境稳定后打开离子源，并同时开启样品台自转电机进行抛光。抛光前后的样品均利用原子力显微镜随机扫描5um*5um区域的形貌并利用形貌数据计算平均粗糙度和能量谱密度函数。与目前已有的形貌粗糙度表征方式不同的是，能量谱密度函数能更准确地得知形貌凸起结构的大小与密度。随后利用上层制备的超导纳米线器件测量低温4.2k电流电压特征曲线获得超导转变电流值。

所示氧化硅层的生长可由多重方式，例如磁控溅射法，电子束蒸发法等方法制备氧化硅材料层。所述抛光条件可有多种改变，氩气通入量可由情况改变，样品台倾角可由情况适时调整，角度在45°～80°之间均有抛光效果。在粗糙度表征中，原子力显微镜具由精细到几纳米宽度的探针，通过扫过样品表面获取样品表面起伏信息。根据具体实验条件，可采用其他表征方法如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等方法。为准确表征形貌的粗糙度，计算能量谱密度函数，能量谱密度函数是将二维形貌加上高度起伏的三维信息通过傅里叶变换计算得到形貌信息随起伏频率的函数关系，该函数信息能准确涵盖范围内二维形貌的起伏大小和频率。所述电流-电压特征曲线的测量采用直流四端子方法测量超导纳米线微桥两端电压随电流的关系。超导转变电流的测量为增大纳米线两端电流到一定值时，纳米线两端电压瞬间由零转变为一定值，亦即超导纳米线转变为正常电阻时通过纳米线的电流。

如图1所示，氧化硅层在未抛光前表现为颗粒小，颗粒峰值大的形貌，其表面平均粗糙度达到1.8nm，图2所示的是抛光后的氧化硅层表面形貌，其平均粗糙度降低到1.2nm。图3所示的是抛光前后的氧化硅层及光滑单晶硅表面形貌的能量谱密度函数，可以看到抛光后的形貌能量谱密度有所下降，尤其是在高频区域几乎下降到与光滑单晶硅衬底表面重合。分别在两种衬底上制备80nm宽，10um长，5nm厚的纳米线器件测量液氦温度下的i-v曲线得到图4的结果，抛光后的样品上纳米线超导转变电流要高出1.8ua，增幅为80％。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种提升超导纳米线器件超导性能的方法，包括以下步骤：在样品台上制备衬底；抛光：利用离子束抛光的方法对所述衬底进行抛光加工；在经抛光的所述衬底上通过微加工工艺制备超导纳米线器件。本发明解决了超导纳米线器件制备在及时沉积的衬底上超导转变电流过低的问题，并且避免了抛光过程中的衬底厚度损失和操作繁琐的问题。

技术研发人员：陈实;赵清源;康琳;陈健
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2018.11.06
技术公布日：2019.03.01