约瑟夫森结的制备方法及约瑟夫森结

1.本发明属于超导电子学技术领域，具体涉及一种约瑟夫森结的制备方法及约瑟夫森结。


背景技术：

2.近年来，超导电子学技术在量子计算、高性能数字集成电路、高灵敏磁场探测、精密物理量标定、微波辐射探测等领域有着广泛的需求和应用。而超导约瑟夫森结是超导电子技术中最基础的器件，因此制备高质量的约瑟夫森结，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。但是，目前已有的几种工艺制备的约瑟夫森结在大规模量子计算方面存在不足，高质量和可规模化的条件难以同时满足。双角度蒸发制备的铝约瑟夫森结，虽然质量高，但不利于集成度提高规模化；且与常规半导体技术差别很多，而平面工艺制备的铝约瑟夫森结，不可避免需要引入的绝缘层或者其它不可控因素，这既增加了工艺步骤，又引入了可能影响器件退相干的因素。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种约瑟夫森结的制备方法及约瑟夫森结，以期至少部分地解决上述技术问题。
4.为实现上述目的，作为本发明的一个方面，一种约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：提供一衬底，在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上形成感光层，在牺牲层中形成第一沟道，在感光层中形成第二沟道；第二沟道设置在第一沟道的上方，且第一沟道的宽度大于第二沟道的宽度；衬底在第一沟道、第二沟道处形成衬底暴露区；在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层；去除牺牲层和感光层；去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第二绝缘材料层；在第二绝缘材料层表面、衬底表面形成第二超导金属材料层；图形化第二超导金属材料层，刻蚀至第二绝缘材料层，第二超导金属材料层与带有第二绝缘材料层的第一超导金属材料层交叉形成约瑟夫森结。
5.根据本发明实施例，牺牲层的厚度为第一超导金属材料层的厚度的1～2倍；衬底暴露区的纵向截面呈倒置的t型。
6.根据本发明实施例，第一超导金属材料层、第二超导金属材料层的纵截面呈拱形。
7.根据本发明实施例，第一超导金属材料层、第二超导金属层的金属材料包括铝、铌、镍中的任意一种。
8.根据本发明实施例，在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层包括采用电子束蒸发法或磁控溅射法在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层。
9.根据本发明实施例，去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层包括采用氩等离子体去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层。
10.根据本发明实施例，在第二绝缘材料层、衬底表面形成第二超导金属材料层包括
采用电子束蒸发法或磁控溅射法在第二绝缘材料层、衬底表面形成第二超导金属材料层。
11.根据本发明实施例，氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层包括采用氧气氧化法、测控溅射法、原子层沉积法中的任意一种方法氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层。
12.根据本发明实施例，氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层，包括采用氧气氧化法，在氧气流量5～100sccm、压力1～100mtorr的室温环境下氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层。
13.作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种约瑟夫森结，包括采用上述方法制备的约瑟夫森结。
14.本发明提供的约瑟夫森结的制备方法，一方面通过蒸发/剥离工艺图形化和刻蚀工艺图形化相结合，分步采用半导体工艺制备第一超导金属层和第二超导金属层，使制得的约瑟夫森结均匀性好，可用于大规模集成。
15.另一方面，通过蒸发剥离工艺，可以制备表面均匀的第一超导层，接着原位氧化后可以对第一超导层起到较好的保护，后续真空环境下去除表面第一绝缘材料层后，再次原位氧化可以获得高质量的绝缘介质，最后原位沉积第二超导金属材料层，刻蚀停止在绝缘介质表面，保证了约瑟夫森结界面的平滑或较少的损伤，可以确保器件的性能均一。
附图说明
16.图1示意性地示出了约瑟夫森结制备工艺流程图；
17.图2示意性地示出了形成第一沟道、第二沟道的结构剖面示意图；
18.图3示意性地示出了形成第一超导金属材料层的结构剖面示意图；
19.图4示意性地示出了形成第一绝缘材料层的结构剖面示意图；
20.图5示意性地示出了去除牺牲层和感光层后的结构剖面示意图；
21.图6示意性地示出了去除第一绝缘材料层后的结构剖面示意图；
22.图7示意性地示出了形成第二绝缘材料层的结构剖面示意图；
23.图8示意性地示出了形成第二超导金属材料层的结构剖面示意图；
24.图9示意性地示出了约瑟夫森结的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
26.图1示意性地示出了本发明提供的约瑟夫森结的制备工艺流程图。包括以下步骤：提供一衬底，在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上形成感光层，在牺牲层中形成第一沟道，在感光层中形成第二沟道；第二沟道设置在第一沟道的上方，且第一沟道的宽度大于第二沟道的宽度；衬底在第一沟道、第二沟道处形成衬底暴露区；在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层；去除牺牲层和感光层；去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第二绝缘材料层；在第二绝缘材料层表面、衬底表面形成第二超导金属材料层；图形化第二超导金属材料层，刻蚀至第二绝缘材料层，第二超导金属材料层与带有第二绝缘材料层的第一
超导金属材料层交叉形成约瑟夫森结。
27.本发明提供的约瑟夫森结的制备方法，一方面通过蒸剥离工艺和刻蚀工艺相结合，分步采用半导体工艺制备第一超导金属层和第二超导金属层，使制得的约瑟夫森结的均匀性好，可用于大规模集成。
28.另一方面，通过蒸剥离工艺，可以制备表面均匀的第一超导层，原位氧化后可以对第一超导层起到较好的保护，后续真空环境下去除表面第一绝缘材料层后，再次原位氧化可以获得高质量的绝缘介质，最后原位沉积第二超导金属材料层，刻蚀停止在绝缘介质表面，保证了约瑟夫森结界面的平滑或较少的损伤，可以确保器件的性能均一。
29.图2～9示意性地示出了制备过程中形成的每一个结构层的示意图。
30.如图2所示，牺牲层2设置在衬底1上表面，在牺牲层中设置第一沟道4；在牺牲层上设置感光层3，在感光层3中设置第二沟道5；第二沟道5设置在第一沟道4的上方，且第一沟道4的宽度大于第二沟道5的宽度；衬底1在第一沟道4、第二沟道5处形成衬底暴露区6。第二沟道5的宽度为感光层3厚度的两倍；衬底暴露区6的纵向截面呈倒置的t型。
31.本发明实施例中，牺牲层2的厚度为第一超导金属材料层的厚度的1～2倍，例如：1倍、1.5倍、2倍。第一沟道4在保证感光层3不塌陷的前提下，尽量扩大第一沟道4的宽度，可以为沉积第一超导金属材料层保留足够的空间。
32.如图3所示，第一超导金属材料层7设置在衬底暴露区6、感光层3的上表面。第一超导金属材料层7的纵截面呈拱形。
33.本发明实施例中，第一超导金属材料层7的纵截面呈拱形，提高第一超导金属材料层7的有限空间内的牢固程度，为后续原位氧化形成第一绝缘材料层、剥离第一绝缘材料层再原位沉积第二超导金属材料层，奠定牢固的基础。
34.如图4所示，氧化第一超导金属材料层7形成的第一绝缘材料层8设置在第一超导金属材料层7上表面。
35.如图5所示，去除牺牲层2和感光层3之后，衬底1的表面仅留有带有第一绝缘材料层8的第一超导金属层7。
36.如图6所示，去除第一超导金属材料层7表面的第一绝缘材料层8之后，衬底1的表面仅留有第一超导金属材料层7。
37.如图7所示，氧化第一超导金属材料层7形成的第二绝缘材料层9设置在第一超导金属材料层7的上表面。
38.如图8所示，在第二绝缘材料层9表面、衬底1表面形成的第二超导金属材料层10设置在衬底1、第二绝缘材料层9的表面。
39.如图9所示，图形化第二超导金属材料层10，刻蚀至第二绝缘材料层9，第二超导金属材料层10的纵截面呈拱形，其与带有第二绝缘材料层9的第一超导金属材料层7交叉形成约瑟夫森结。
40.本发明实施例中，分两步采用半导体工艺制备第一超导金属层和第二超导金属层，使制得的约瑟夫森结的均匀性好，保证了器件在大规模集成时器件性能的均一。
41.本发明实施例中，去除牺牲层和感光层的方法包括但不限于采用丙酮剥离工艺，必要的时候，可以结合超声法去除。
42.根据本发明实施例，第一超导金属材料层、第二超导金属层的金属材料包括铝、
铌、镍中的任意一种。
43.本发明实施例中，第一超导金属材料层、第二超导金属层包括但不限于铝、铌、镍中的任意一种，还可以采用氮化铌。
44.根据本发明实施例，在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层包括采用电子束蒸发法或磁控溅射法在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层。
45.根据本发明实施例，去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层包括采用氩等离子体去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层。
46.本发明实施例中，采用氩等离子体去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层包括但不限于在衬底上的偏压功率为50～200w，产生等离子体的功率为50～200w，氩气流量5～20sccm的工艺条件下进行去除。
47.根据本发明实施例，在第二绝缘材料层、衬底表面形成第二超导金属材料层包括采用电子束蒸发法或磁控溅射法在第二绝缘材料层、衬底表面形成第二超导金属材料层。
48.根据本发明实施例，氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层包括采用氧气氧化法、测控溅射法、原子层沉积法中的任意一种方法氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层。
49.根据本发明实施例，氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层，包括采用氧气氧化法，在氧气流量5～100sccm，例如：5sccm、50sccm、70sccm、100sccm；压力1～100mtorr，例如：1mtorr、30mtorr、50mtorr、100mtorr的室温环境下氧化第一超导金属材料层形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层。具体的工艺参数根据实际情况而定。
50.本发明实施例中，氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层的方法包括但不限于氧气氧化法、测控溅射法、原子层沉积法。
51.本发明实施例中，采用测控溅射法氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层包括但不限于在射频300～400w(例如：300w、350w、400w)，靶材距离晶圆160mm，氩气流量30sccm，压力2～3mtorr(例如：2mtorr、2.5mtorr、3mtorr)的工艺条件下进行氧化。具体的工艺参数根据实际情况而定。
52.本发明实施例中，采用原子层沉积法氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层或第二绝缘材料层包括但不限于以下步骤，300℃下，采用三甲基铝(tma)为前驱体，三甲基铝脉冲125ms，抽气排空750ms，水气脉冲125ms，抽气排空1s，如此循环5
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30次，完成第一超导金属材料表面的第一绝缘材料层的沉积。
53.作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种约瑟夫森结，包括采用上述方法制备的约瑟夫森结。
54.本发明实施例中制备的约瑟夫森结，表面平滑，损伤少，器件性能均一，适于大规模集成。
55.以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。