超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构

本发明属于半导体集成电路制造，特别是涉及一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构。

背景技术：

1、snspd(superconductingnanowire single photon detector，超导纳米线单光子探测器)作为一种高性能单光子探测器，已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。为了提升snspd的探测效率，工作范围等性能参数，需要在原有器件的基础上集成光学微腔。目前主流的光学腔的有由布拉格反射镜组成的高反腔与金属镜和二氧化硅组成的金属腔两种结构，相较于高反腔，金属腔的结构具有更小的尺寸以及更宽的反射谱等优势。自对准snspd，是一种利用通讯行业中普遍存在的高耐受性光纤对准元件-光纤套管将单模光纤对准圆形snspd器件中心光敏面位置的封装方案，相对于手动对光的方式，自对准方案具有成本低廉，耗时较少，操作简单，稳定性高等优点。

2、现有技术中的金镜自对准snspd器件的制备工艺流程中，由于金属镜的面积很小，直接对金属镜上的第一介质层进行平坦化时，难以实现对金属镜引起的第一介质层凸起进行有效平坦化，导致得到的结构平整度差。因此在设置金属镜上的第一介质层后，需要先刻蚀第一介质层留下金属镜引起的第一介质层突起形成圆环形图形，然后再进行平坦化，该过程大大降低了制备工艺的效率，并提高了制备成本；同时由于圆环形图形本身较薄，在平坦化过程中容易破裂，造成晶圆表面损伤，平坦化效果仍不理想；并且，平坦化效果较差的第一介质层上后续形成的超导薄膜容易在凸起处断裂，面积较小的金属镜容易由于超导薄膜的断裂而与超导薄膜发生断路，导致产品的可靠性差。

3、另外，现有技术中在图形化硅片和第一介质层以形成锁孔形的超导纳米线单光子探测器时，往往先通过rie(reactive ion etch，反应离子刻蚀)刻蚀第一介质层，再通过icp(inductively coupled plasma etch，感应耦合等离子体刻蚀)深硅刻蚀法刻蚀硅片。而由于rie刻蚀过程中容易对光刻胶掩膜和硅片进行刻蚀，对硅片进行刻蚀的过程中会污染rie的反应腔，影响rie反应腔的重复使用，因此需要对rie进行刻蚀速率标定以避免对硅片进行过刻，并在刻蚀后对刻蚀深度进行表征以确保第一介质层被完全刻蚀，之后还需要将器件转移到icp反应腔中进行对硅片的刻蚀，该过程使制备工艺效率大大降低，不利于snspd的产量化。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器工艺效率低、可靠性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，所述制备方法包括：

3、提供一硅片，于所述硅片上设置金属镜层，所述金属镜层覆盖所述硅片的表面；

4、图形化所述金属镜层；

5、于所述金属镜层上设置第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属镜层和所述硅片显露出的表面；

6、对所述第一介质层进行平坦化；

7、于所述第一介质层上设置超导薄膜；

8、图形化所述超导薄膜，得到纳米线光敏结构和电极，并使所述超导薄膜在所述硅片上的投影为锁孔形；

9、图形化所述第一介质层和所述硅片为与所述超导薄膜对应的锁孔形，得到在所述硅片上的投影为锁孔形的超导纳米线单光子探测器；所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述锁孔形的所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

10、可选地，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

11、可选地，图形化所述金属镜层时，过刻至所述硅片的预设深度，使所述金属镜层下的所述硅片凸出于所述硅片的其他部分，所述硅片凸出的部分与所述金属镜层共同构成台阶部；控制图形化所述金属镜层的刻蚀时间，至所述台阶部的的高度为85纳米-95纳米。

12、可选地，图形化所述第一介质层和所述硅片时，先使用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀所述第一介质层，再使用电感耦合等离子体深硅刻蚀法刻蚀所述硅片；所述电感耦合等离子体浅硅刻蚀法同时通入钝化气体和刻蚀气体一次性完成刻蚀，所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法交替通入所述钝化气体和所述刻蚀气体多次循环完成刻蚀。

13、可选地，图形化所述第一介质层和所述硅片时，于所述第一介质层上设置光刻胶掩膜，利用所述光刻胶掩膜刻蚀所述第一介质层，然后使用同一所述光刻胶掩膜刻蚀所述硅片。

14、本发明还提供一种超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器采用上述任意一种制备方法得到，所述超导纳米线单光子探测器包括：硅片、第一介质层、金属镜层和超导薄膜；

15、所述金属镜层位于所述硅片上，所述第一介质层包裹所述金属镜层和所述硅片显露出的表面，所述超导薄膜位于所述第一介质层上，所述超导薄膜包括纳米线光敏结构和电极；

16、所述超导薄膜、所述硅片和所述第一介质层在所述硅片上的投影为锁孔形，所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

17、可选地，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

18、可选地，所述金属镜层为从上到下依次包括钛层、金层、钛层的复合层。

19、可选地，所述超导薄膜为从上到下依次包括氮化铌层、第二介质层、氮化铌层的复合层。

20、本发明还提供一种自对准封装结构，所述自对准封装结构包括上述任意一种超导纳米线单光子探测器，所述自对准封装结构还包括：印刷线路板、光纤套管、陶瓷插芯、光纤；

21、所述超导纳米线单光子探测器的圆形结构的直径与所述光纤的光纤头的直径、所述光纤套管的内径相同，所述光纤套管将所述光纤头与所述超导纳米线单光子探测器的所述圆形结构同心约束在所述光纤套管里，使所述光纤头发射出的光斑自动对准所述超导纳米线单光子探测器的所述纳米线光敏结构；

22、所述超导纳米线单光子探测器通过所述陶瓷插芯设置在所述印刷线路板上，所述超导纳米线单光子探测器的电极与所述印刷线路板形成有效电连接。

23、如上，本发明的超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，具有以下有益效果：

24、本发明通过设置金属镜层覆盖圆形结构，使第一介质层无需进行图形化而直接实现平坦化，提高制备效率；

25、本发明通过控制金属镜层的刻蚀时间，减小过刻产生的台阶部高度，避免超导薄膜断裂，提高结构可靠性；

26、本发明利用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀第一介质层，减少对光刻胶掩膜的腐蚀，降低对设备的要求，提高制备效率；

27、本发明通过共用光刻胶掩膜图形化第一介质层和硅片，节约制备成本。