CN112786774A - 一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括：在表面氧化的单晶硅晶片上沉积以氮化铌为材料的超导合金薄膜；制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形；在器件表面高速旋涂保护胶，并光刻露出挖空区域；刻蚀器件下层硅层，直至器件由金电极悬挂悬空；去除器件晶片上起保护作用的光刻胶；切断器件两端悬空金支架，挑取器件转移至柔性聚合物表面，并倒装贴向预备电路表面。本发明提出了一种超导纳米线单光子探测器光学集成电路的构造方案，通过探针转移芯片方式，拓展了超导单光子探测器在光学集成电路等微纳米光电集成领域上的应用。
Description
技术领域
本发明属于超导单光子探测技术领域，涉及一种制备可转移贴片式超导纳米线单光子探测器的方法。该器件可拓展超导纳米线单光子探测器的应用领域，特别是实现光学电路集成的大规模探测阵列。
背景技术
超导纳米线单光子探测器作为一种高效率、高灵敏度、低暗记数率及低时间抖动的单光子探测器，在激光测距、深空通讯、量子通讯及量子光学等重大前沿科研领域发挥关键作用。为应对日新月异的单光子探测技术指标要求，超导纳米线芯片逐渐向大阵列、高集成、可拓展的方向发展。面向高规模集成度的单光子探测技术，近年来国际各超导单光子探测课题组都向着多层器件集成方向探索。然而，在双层器件制备过程中，由于中间绝缘层的表面起伏，上层器件继续沉积制备工艺难以保证器件结构的均匀，更难实现高性能的上层器件。为此采用挖空器件底层，挑取器件倒装贴片方法成为一种超导纳米线探测器集成的新技术。[Najafi F et a1.“On-chip detection of non-classical light by scalableintegration of single-photon detectors.”Nat Communication.2015.]但目前该技术仍存在转移困难、对准精度差和成功率低的问题。
发明内容
发明的目的是提供一种转移、对准集成超导单光子探测器芯片的方法。本发明采用反应离子刻蚀机对芯片底层挖空处理，利用高精度钨探针挑取转移芯片至透明柔性胶带表面，并通过光学对准***对准预备电路实现精准转移。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括：
步骤1：在表面氧化硅层的单晶硅晶片上沉积以氮化铌为材料的超导合金薄膜；
步骤2：制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形和上层氧化硅保护层；
步骤3：在器件表面高速旋涂保护胶，并露出挖空区域；
步骤4：刻蚀器件下层硅层，直至器件由金申极悬挂悬空；
步骤5：去除器件晶片上起保护作用的光刻胶；
步骤6：切断器件两端悬空金支架，挑取器件转移至柔性聚合物表面，并倒装贴向预备电路表面。
步骤7：器件表面覆盖PMMA胶，加热凝结作保护封装层。
更进一步的，步骤1中，所述表面氧化硅层的厚度为290nm±2nm，在挖空工艺中不受气体侵蚀；所述超导合金薄膜的厚度为7nm±0.5nm。
更进一步的，步骤1中，氮化铌超导纳米线器件的纳米线阵列分布范围为80um*40um；制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形的方法包括电子束曝光、反应离子刻蚀，其中，反应离子刻蚀参数为1.2Pa、40sccm、纯CF4气体；刻蚀功率50W，刻蚀时间为70秒。所述氮化铌超导合金薄膜，指利用磁反应磁控技术沉积的晶格常数0.46nm，厚度7nm的超导氮化铌薄膜。
更进一步的，步骤2中，氧化硅沉积方式为低温化学气相沉积。为保证光刻胶不受高温变性，反应温度不超过100摄氏度。所述表超导纳米线单光子探测器制备流程包括磁控溅射沉积超导薄膜、电子束曝光，紫外光光刻做电极结构，反应离子刻蚀等。
更进一步的，步骤3中，所述保护胶为AZ4620光刻胶，在匀胶机转速5000rpm，旋涂1min后，胶体厚度为500um；通过光刻显影技术露出挖空区域，光刻机曝光剂量为200mJ/cm2，曝光时间为2min。匀胶厚度约为700nm；通过紫外光光刻露出挖空区域。
更进一步的，步骤4中，采用反应离子刻蚀技术，以六氟化硫气体为反应气体。所采用反应离子刻蚀气体为SF6(六氟化硫)气体，刻蚀气压10Pa，气体流量20sccm，功率50W。
更进一步的，步骤6中，在光学对准平台中，利用钨探针切断器件两端悬空金支架，挑取器件由两个独立探针配合挑出，挑取悬空器件。钨探针转移方式为挑取悬空器件，静电吸附器件完成转移，转移包括利用探针挑取、PDMS胶带吸附芯片和光学对准下倒装贴片三个具体步骤。
更进一步的，步骤6中，钨探针吸附悬空器件的方法为静电吸附。
更进一步的，步骤7中，对准方法是，将粘有器件的PDMS胶带反面黏附在干净载玻片上，倒置载玻片于光学位移器上，通过透明结构，在光学显微镜下进行对准，垂直下移胶带至贴紧，加热电极电路，释放PDMS粘性，提升载玻片，器件脱离胶带，实现器件转移。利用移液枪吸取0.1μL的PMMA胶仔细滴在器件表面封装器件，加热温度100摄氏度，加热5分钟。
更进一步的，所述超导单光子探测器的超导性能测量为超导转变温度测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.利用静电吸附方式转移微纳芯片，避免针尖粘胶黏附的过程。
2.器件表面沉积氧化硅保护层，保护纳米线结构，并提供了绝缘保护。
3.利用微小移液方式在覆盖PMMA保护胶，保护了贴片结构。
附图说明
图1是整个器件实现的制备、挑取和转移流程。
图2是通过探针挑取之后悬空的器件图。
图3是贴在预备电极电路后器件结构图。
图4是挑取前后超导器件的电阻-温度曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种如图1所示的转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，首先是经过微纳加工工艺流程制备超导纳米线单光子探测器，在洁净的290nm氧化层的单晶硅晶圆表面，通过磁控溅射法沉积一层厚度为7nm的超导氮化铌薄膜，再利用光刻、剥离技术在薄膜表面制备金电极图案；利用电子束曝光技术和反应离子刻蚀技术配套将薄膜制备成超导纳米线结构，后续通过光刻、气相沉积生长氧化硅和剥离技术，沉积出器件表面的方形氧化硅保护层。在制备出超导纳米线单光子探测器基础上，我们后续实现器件的转移技术。
本实施例的方法具体包括：
步骤1：在表面氧化硅层的单晶硅晶片上沉积以氮化铌为材料的超导合金薄膜。其中，所述表面氧化硅层的厚度优选为290nm，该材料表面290nm氧化层在挖空工艺中不受气体侵蚀，保护表面的纳米线器件；所述超导合金薄膜的厚度优选为7nm。
步骤2：制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形。其中，氮化铌超导纳米线器件的纳米线阵列区域面积优选为80um*40um；优选采用电子束曝光、反应离子刻蚀等方法制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形，为保证纳米线良好的超导性能和结构均匀，相关参数优选为，反应离子刻蚀参数为1.2Pa、40sccm、纯CF4气体，刻蚀功率50W，刻蚀时间为20秒。
步骤3：在器件表面高速旋涂保护胶作为刻蚀保护层，并露出挖空区域。所述保护胶优选为光刻胶，可进一步优选为AZ4620光刻胶，其粘稠度高，具有耐刻蚀效果；优选通过光刻技术露出挖空区域，为保证光刻胶充分曝光形成图案，光刻机曝光剂量为200mJ/cm2，曝光时间为2min。
步骤4：刻蚀器件下层硅层，直至器件由金电极悬挂悬空。其中刻蚀方法优选采用反应离子刻蚀技术，以六氟化硫气体为反应气体进行刻蚀。
步骤5：去除器件晶片上起保护作用的光刻胶。其中，去除方法优选为将器件晶片依次浸泡在浅层丙酮、乙醇、正胶显影液中，去除多余残胶，为保护悬空样品不受液体压强破坏，液体深度不超过5mm。
步骤6：切断器件两端悬空金支架，挑取器件转移至柔性聚合物表面，并倒装贴向预备电路表面。其中，切断和挑取优选为，在光学对准平台中，利用探针(优选为2um钨探针)切断器件两端悬空金支架，挑取器件由两个独立探针配合挑出，探针针尖直径优选为2um，通过静电力吸取悬空器件。其中，对准方法优选为，将粘有器件的PDMS胶带反面黏附在干净载玻片上，倒置载玻片于光学位移器上，在光学显微镜下进行对准，垂直下移胶带至贴紧，加热电极电路，释放PDMS粘性，提升载玻片，器件脱离胶带，实现器件转移。
以下是采用反应离子刻蚀机对芯片底层挖空处理，利用高精度钨探针挑取转移芯片至透明柔性胶带表面，并通过光学对准***对准预备电路实现精准转移的应用实例。
(1)旋涂保护胶。采用AZ2460型号紫外曝光光刻胶，匀胶机参数为前转600rpm/10s和后转5000rpm/1min，在晶片器件表面旋涂一层约700nm厚的光刻胶作为保护，旋涂后，100℃烘干2min。
(2)挖空底层，悬空器件。通过紫外光光刻曝光出器件两侧的沟槽，紫外光功率为200mJ/cm2，曝光时间2min。显影后将器件置于反应离子刻蚀机中，采用“1.2Pa；20sccm CF4；刻蚀功率50W，刻蚀时间为2min”可出沟槽表面氮化铌薄膜。后续将晶片浸泡氢氟酸中1min，去离子水洗净吹干，侵蚀去除氮化铌下290nm厚氧化硅层，至此，沟槽内单晶硅层露出表面。采用“10Pa；40sccm SF6；刻蚀功率50W，刻蚀时间为30min”的工艺条件，联通刻透器件下层的单晶硅层，至器件悬空。如附图1中d过程。
(3)去胶。刻蚀悬空后的器件晶片，小心置于盛有浅层丙酮试剂的干净烧杯中，静置10min后取出置于浅层乙醇烧杯中10min，随后是相同1min正胶显影液溶液ZJX-100。重复两次过程。
(4)挑取。在光学平台中，通过真空吸附，将晶片稳定在操作台上，利用两个探针支架，各配置一枚2um直径高精度钨针，通过剪除金电极、挑出器件和静电吸附等方式，将器件挑起，如附图2所示。
(5)转移。将PDMS双面胶带粘附在载玻片上，再将载玻片吸附在操作台上。将静电吸附在探针尖端的器件芯片，仔细下降移动，直至芯片黏附至PDMS胶表面。
(6)贴片。将载玻片导致固定在移动支架上，预备电极芯片吸附于操作台上。利用光学显微***，通过水平平移、支架旋转等方式粗略对准器件与电极，后利用芯片表面微加工形成的十字对准标记，精准对接器件与电极电路。下降载玻片支架，直至贴合，开启吸附态加热功能，至80℃，2min后PMDS胶失去粘性，上升载玻片支架，完成器件转移，如图3所示。
以上是本发明制备并成功转移超导纳米线单光子探测器芯片的具体操作步骤，这是本发明的关键环节。如图1所示，完整的制备流程包括器件制备、器件挑取与器件转移，图2、图3分别是器件挑取、贴片成功后的显微图片。图4为挑取前后器件的温度-电阻关系图。
综上所述，本发明一种如图1所示的转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法包括：光刻制备纳米线器件；刻蚀制备悬空结构芯片；探针转移芯片；器件贴片。本发明解决了超导单光子探测器传统沉积制备工艺中无法转移的问题，并且拓展了超导单光子探测器在微波波导、光学芯片、聚焦透镜等微纳光电结构上集成应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：在表面氧化硅层的单晶硅晶片上沉积以氮化铌为材料的超导合金薄膜；
步骤2：制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形和上层氧化硅保护层；
步骤3：在器件表面高速旋涂保护胶，并露出挖空区域；
步骤4：刻蚀器件下层硅层，直至器件由金电极悬挂悬空；
步骤5：去除器件晶片上起保护作用的光刻胶；
步骤6：切断器件两端悬空金支架，挑取器件转移至柔性聚合物表面，并倒装贴向预备电路表面。
步骤7：器件表面覆盖PMMA胶，加热凝结作保护封装层。
2.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述表面氧化硅层的厚度为290nm±2nm，在挖空工艺中不受气体侵蚀；所述超导合金薄膜的厚度为7nm±0.5nm。
3.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤1中，氮化铌超导纳米线器件的纳米线阵列分布范围为80um*40um；制备氮化铌超导纳米线器件与对应的金电极图形的方法包括电子束曝光、反应离子刻蚀，其中，反应离子刻蚀参数为1.2Pa、40sccm、纯CF4气体；刻蚀功率50W，刻蚀时间为70秒。
4.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤2中，氧化硅保护层为低温化学气相沉积方法制备而成，反应温度不超过100℃。
5.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述保护胶为AZ4620光刻胶，在匀胶机转速5000rpm，旋涂1min后，胶体厚度为500um；通过光刻显影技术露出挖空区域，光刻机曝光剂量为200mJ/cm2，曝光时间为2min。
6.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤4中，采用反应离子刻蚀技术，以六氟化硫气体为反应气体。
7.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤6中，在光学对准平台中，利用钨探针切断器件两端悬空金支架，挑取器件由两个独立探针配合挑出，挑取悬空器件。
8.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤6中，钨探针吸附悬空器件的方法为静电吸附。
9.根据权利要求7所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，对准方法是，将粘有器件的PDMS胶带反面黏附在干净载玻片上，倒置载玻片于光学位移器上，通过透明结构，在光学显微镜下进行对准，垂直下移胶带至贴紧，加热电极电路，释放PDMS粘性，提升载玻片，器件脱离胶带，实现器件转移。
10.根据权利要求1所述的一种转移贴片式超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述超导单光子探测器的超导性能测量为超导转变温度测量。
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| CN113551782A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-10-26 | 西安中科立德红外科技有限公司 | 与半导体集成电路cmos工艺兼容的芯片结构及其制备方法 |
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2021
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