CN116156998A - 超导约瑟夫森结及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导约瑟夫森结及其制备方法。制备方法包括：提供衬底，形成光刻胶层于衬底上，光刻胶层具有贯穿且垂直相交的两条沟道，沟道包括上子沟道和宽度大于上子沟道的下子沟道，上子沟道位于下子沟道开口上方，使下子沟道内的衬底被部分遮挡；沿偏离沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；在第一超导线表面形成势垒层；沿与第一方向相反的第二方向进行倾斜蒸镀，在两条沟道内的衬底上分别形成与两条势垒层垂直交叠且至少部分位于遮挡区域的第二超导线。本发明能够利用低分辨率UV光刻机制备超导约瑟夫森结。

Description

超导约瑟夫森结及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种超导约瑟夫森结及其制备方法。

背景技术

超导量子芯片是基于超导约瑟夫森结的电子线路，通常包括谐振腔、操控线路、读取线路、“空气桥”以及超导约瑟夫森结等结构。除了超导约瑟夫森结，其余结构线宽均在微米尺寸，均可通过价格相对低廉的低分辨率紫外(UV)光刻机完成批量曝光。而超导约瑟夫森结的尺寸通常在亚微米级别，如200nm×200nm，由于UV光刻机的分辨率有限，无法完成200nm线宽的曝光，所以现有工艺只能采用电子束曝光设备或者高分辨率的深紫外(DUV)光刻机对来制备约瑟夫森结，又或者改造紫外(UV)光刻机，以提高其分辨率。

然而，电子束曝光设备的曝光速度很慢，限制了量子芯片的批量生产；深紫外(DUV)光刻机的设备价格和维护成本非常高；紫外(UV)光刻机的改造对技术水平的要求非常高，而且分辨率提升有限。所以，现有的超导约瑟夫森结制备工艺的成本高而且产量低。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导约瑟夫森结及其制备方法，以解决现有技术低分辨率UV光刻机无法制备超导约瑟夫森结的问题，能够利用低分辨率UV光刻机制备超导约瑟夫森结，可以降低超导约瑟夫森结的制造成本并且提高其产量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超导约瑟夫森结的制备方法，包括：

提供衬底，形成光刻胶层于所述衬底上，所述光刻胶层具有贯穿且垂直相交的两条沟道，所述沟道包括上子沟道和宽度大于所述上子沟道的下子沟道，所述上子沟道位于所述下子沟道开口上方，使所述下子沟道内的衬底被部分遮挡；

沿偏离所述沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；

在所述第一超导线表面形成势垒层；

沿与所述第一方向相反的第二方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条势垒层垂直交叠且至少部分位于遮挡区域的第二超导线。

优选的，所述光刻胶层包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，所述下子沟道位于所述第一光刻胶子层，所述上子沟道位于所述第二光刻胶子层。

优选的，所述第一光刻胶子层在显影液中的溶解速率高于所述第二光刻胶子层，或者所述第一光刻胶子层对光的敏感度高于所述第二光刻胶子层。

优选的，所述预定角度为45度。

优选的，所述第一超导线和所述第二超导线全部位于所述遮挡区域。

优选的，所述制备方法还包括：

剥离所述光刻胶层。

优选的，所述势垒层通过氧化形成。

优选的，所述沿偏离所述沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线的步骤还包括：

分别沿平行所述两条沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述两条沟道的上子沟道内的衬底上的镀膜残留物，所述镀膜残留物在进行倾斜蒸镀时产生。

优选的，所述物理轰击采用离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺、等离子清洗工艺或偏压清洗工艺。

优选的，所述分别沿平行所述两条沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

分别沿平行所述两条沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

分别沿平行所述两条沟道方向以第二倾斜角度进行第二次物理轰击，所述第一倾斜角度与所述第二倾斜角度之和为180度。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种根据前述制备方法得到的超导约瑟夫森结。

区别于现有技术的情况，本发明提供的超导约瑟夫森结的制备方法通过形成光刻胶层于衬底上，光刻胶层具有贯穿且垂直相交的两条沟道，沟道具有暴露出衬底的下子沟道和上子沟道，且下子沟道宽度大于上子沟道宽度，分别沿两个相反的方向进行倾斜蒸镀，其中一个方向偏离沟道预定角度，最终在两条沟道内的遮挡区域的衬底上形成两条垂直交叠的第一超导线以及与两条第一超导线垂直交叠的第二超导线，其中一个交叠处就获得超导约瑟夫森结，由于采用了倾斜蒸镀，超导线的线宽比上子沟道的宽度小，只需要光刻机曝光出上子沟道即可，对光刻机分辨率的要求较低，从而能够利用低分辨率UV光刻机制备约瑟夫森结，低分辨率UV光刻机的价格低廉而且曝光速度快，因此可以降低约瑟夫森结的制造成本并且提高其产量。

本发明提供的超导约瑟夫森结，与超导约瑟夫森结的制备方法属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超导约瑟夫森结的制备方法的流程示意图。

图2a～2f为本发明实施例的超导约瑟夫森结的制备方法的工艺过程示意图。

图3为图2a的a-a方向的剖视图。

图4为倾斜蒸镀的原理示意图。

图5为物理轰击的原理示意图。

附图标记说明：1-衬底，2-光刻胶层，21-沟道，211-上子沟道，212-下子沟道，2A-第一光刻胶子层，2B-第二光刻胶子层，3-第一超导线，31-镀膜残留物，4-势垒层，5-第二超导线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

参考图1，本发明实施例提供了一种约瑟夫森结的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S1：提供衬底，形成光刻胶层于衬底上，光刻胶层具有贯穿且垂直相交的两条沟道，沟道包括上子沟道和宽度大于上子沟道的下子沟道，上子沟道位于下子沟道开口上方，使下子沟道内的衬底被部分遮挡。

示例性的，如图2a所示，是在衬底上形成光刻胶层后的结构俯视图。衬底1上形成有光刻胶层2，光刻胶层2具有两条沟道21，两条沟道21贯穿光刻胶层2且垂直相交，需要注意的是，图中光刻胶层2仅示意性显示了一部分。在实际工艺中，光刻胶层2可以完全覆盖衬底1。如图3所示，沟道21包括上子沟道211和下子沟道212，上子沟道211和下子沟道212相连通，上子沟道211位于下子沟道212开口上方，上子沟道211贯穿至光刻胶层2上表面，下子沟道212贯穿至光刻胶层2下表面，从而暴露出衬底1。下子沟道212宽度大于上子沟道211宽度，沟道21的截面形状构成“凸”字形状，使得下子沟道212内的衬底1被部分遮挡。在形成沟道21时，光刻机的最高分辨率只需要满足能够曝光显影出上子沟道211即可。

S2：沿偏离沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线。

示例性的，如图2b所示，是在衬底上形成两条第一超导线后的结构俯视图。沿第一方向A进行倾斜蒸镀时，镀膜材料可以进入沟道21内的衬底1被遮挡的遮挡区域，最终形成第一超导线3，镀膜材料通常为铝。第一方向A与沟道21方向的夹角为预定角度。需要说明的是，为了显示第一超导线3的位置，图2b对第一超导线3进行了透视处理，但并不代表光刻胶层2是透明的，也不代表第一超导线3位于光刻胶层2上方，后续如有相同情况的图，不再一一进行说明。

在本实施例中，预定角度为45度。也就是说，第一方向与两条沟道的夹角相等。第一超导线3全部位于遮挡区域，且边缘与上子沟道211的侧壁对齐。由于采用倾斜镀膜，第一超导线3的线宽受镀膜角度影响。如图4所示，带箭头的虚线表示镀膜材料的镀膜方向，假设上子沟道211的宽度为L，遮挡区域的宽度为D，上子沟道211的厚度为h1，下子沟道212的厚度为h2，镀膜角度为θ1，第一超导线3的线宽为d，那么线宽d＝L-x，其中x＝h1/tanθ1，所以d＝L-h1/tanθ1，因此第一超导线3的线宽与上子沟道211的宽度、上子沟道211的厚度、镀膜角度有关。通过调控L、h1及θ1，便可控制第一超导线3的线宽，在上子沟道211的宽度、上子沟道211的厚度不变的情况下，镀膜角度越小，第一超导线3的线宽越小。下子沟道212的厚度h2与遮挡区域的宽度D可以根据实际需要设置，只要不阻碍镀膜即可。

由于光刻机的最高分辨率不需要达到第一超导线3的线宽，只需要达到上子沟道211的宽度，所以可以降低光刻机的成本。举例而言，假设第一超导线3的线宽为200nm，镀膜角度为60度，上子沟道211的厚度为1000nm，那么可以计算得到上子沟道211的宽度约为777nm，所以光刻机的最高分辨率只需要达到777nm就可以制备出200nm线宽的超导线。

S3：在第一超导线表面形成势垒层。

其中，势垒层可以通过氧化形成。通过控制氧化时的气压、时间，可以调整势垒层的厚度，从而调整约瑟夫森结的电阻。示例性的，如图2c所示，是在第一超导线表面形成势垒层后的结构俯视图。两条第一超导线3表面形成势垒层4。

S4：沿与第一方向相反的第二方向进行倾斜蒸镀，在两条沟道内的衬底上分别形成与两条势垒层垂直交叠且至少部分位于遮挡区域的第二超导线。

示例性的，如图2d所示，是在衬底上形成两条第二超导线后的结构俯视图。沿第二方向B进行倾斜蒸镀时，镀膜材料可以进入沟道21内的衬底1被遮挡的遮挡区域，最终形成第二超导线5，由于衬底1上已经形成第一超导线3和势垒层4，所以第二超导线为形成在势垒层4上方，且势垒层4垂直交叠，从而在交叠处形成超导层-势垒层-超导层的结构，获得约瑟夫森结。在本实施例中，第二超导线5全部位于遮挡区域，且边缘与上子沟道211的侧壁对齐。

为了方便后续工艺进行，在本实施例中，制备方法还包括：

S5：剥离光刻胶层。示例性的，如图2f所示，是剥离光刻胶层后的结构俯视图。剥离光刻胶层2后，衬底1上只剩下呈“井”字形交叉的第一超导线3和第二超导线5，其中第一超导线3和第二超导线5的一个交叠处C就构成超导约瑟夫森结。

在后续的工艺中，还可以根据实际需要对“井”字形交叉的第一超导线3和第二超导线5进行进一步刻蚀，刻蚀掉图2f中虚线框部分，进而得到包含约瑟夫森结的电路。

为了方便两条沟道的形成，在本发明的一些实施例中，光刻胶层包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，下子沟道位于第一光刻胶子层，上子沟道位于第二光刻胶子层。通过对第一光刻胶子层和第二光刻胶子层进行曝光显影得到两条沟道。进一步的，为了更好的控制上子沟道和下子沟道的宽度，在本实施例中，第一光刻胶子层在显影液中的溶解速率高于第二光刻胶子层，或者第一光刻胶子层对光的敏感度高于第二光刻胶子层，从而在曝光或显影时使得下子沟道的宽度大于上子沟道的宽度。请再次参考图4，下子沟道212位于第一光刻胶子层2A，上子沟道211位于第二光刻胶子层2B，下子沟道212的厚度为第一光刻胶子层2A的厚度，上子沟道211的厚度为第二光刻胶子层2B的厚度。

在本发明的一些实施例中，沿偏离沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线的步骤，即步骤S2还包括：分别沿平行两条沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在两条沟道的上子沟道内的衬底上的镀膜残留物，镀膜残留物在进行倾斜蒸镀时产生。由于进行倾斜蒸镀时，金属蒸气发散会在上子沟道正下方的衬底上产生镀膜残留物，镀膜残留物由零散的金属颗粒组成，厚度很薄，相互之间不导通，镀膜残留物可能会影响约瑟夫森结的性能，所以需要去除。如图2b和图2d所示，在形成第一超导线3和第二超导线5过程中，上子沟道211正下方的衬底1上产生了镀膜残留物31。如图2e所示，是去除两条沟道内的镀膜残留物后的结构俯视图。在形成第二超导线5之后，在剥离光刻胶层2之前，分别沿平行两条沟道21方向进行物理轰击后，两条沟道21内的镀膜残留物31被去除。

示例性的，一种具体的方式为，物理轰击采用离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺、等离子清洗工艺或偏压清洗工艺。

为了彻底去除镀膜残留物，避免镀膜残留物残留，在本实施例中，分别沿平行两条沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

分别沿平行两条沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

分别沿平行两条沟道方向以第二倾斜角度进行第二次物理轰击，第一倾斜角度与第二倾斜角度之和为180度。

其中，每一条沟道分别要进行两次物理轰击，示例性的，如图5所示，在对一条沟道21进行物理轰击时，两次物理轰击采用离子束刻蚀工艺，离子束的在衬底1上的投影与沟道21平行，图中带箭头的实线表示离子束的方向，虚线表示离子束的在衬底1上的投影，可以看出，离子束的方向是与沟道21平行的。第一次物理轰击时离子束与衬底1的夹角为第一倾斜角度θ2，第二次物理轰击时离子束与衬底1的夹角为第二倾斜角度(180°-θ2)。两次物理轰击的方向互为相反，且第一倾斜角度和第二倾斜角度之和为180度。这样可以彻底去除沟道21的上子沟道211正下方的镀膜残留物。

通过上述方式，本实施例的超导约瑟夫森结的制备方法通过形成具有两条沟道的光刻胶层，沿偏离沟道预定角度的第一方向分别进行倾斜蒸镀形成更小线宽的第一超导线，然后在第一超导线表面形成势垒层后，沿与第一方向相反的第二方向再次进行倾斜蒸镀形成更小线宽的第二超导线，从而在第一超导线和第二超导线的交叠处获得超导约瑟夫森结，由于超导线的形成对光刻机分辨率的要求较低，不需要高分辨率的光刻机，从而能够利用低分辨率UV光刻机制备超导约瑟夫森结，低分辨率UV光刻机的价格低廉而且曝光速度快，因此可以降低超导约瑟夫森结的制造成本并且提高其产量。

本发明实施例还保护一种超导约瑟夫森结，该超导约瑟夫森结采用前述实施例的制备方法得到。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种超导约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底，形成光刻胶层于所述衬底上，所述光刻胶层具有贯穿且垂直相交的两条沟道，所述沟道包括上子沟道和宽度大于所述上子沟道的下子沟道，所述上子沟道位于所述下子沟道开口上方，使所述下子沟道内的衬底被部分遮挡；

沿偏离所述沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；

在所述第一超导线表面形成势垒层；

沿与所述第一方向相反的第二方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条势垒层垂直交叠且至少部分位于遮挡区域的第二超导线。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶层包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，所述下子沟道位于所述第一光刻胶子层，所述上子沟道位于所述第二光刻胶子层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶子层在显影液中的溶解速率高于所述第二光刻胶子层，或者所述第一光刻胶子层对光的敏感度高于所述第二光刻胶子层。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预定角度为45度。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一超导线和所述第二超导线全部位于所述遮挡区域。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

剥离所述光刻胶层。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述势垒层通过氧化形成。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沿偏离所述沟道预定角度的第一方向进行倾斜蒸镀，在所述两条沟道内的衬底上分别形成与两条沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线的步骤还包括：

分别沿平行所述两条沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述两条沟道的上子沟道内的衬底上的镀膜残留物，所述镀膜残留物在进行倾斜蒸镀时产生。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述物理轰击采用离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺、等离子清洗工艺或偏压清洗工艺。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述分别沿平行所述两条沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

分别沿平行所述两条沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

分别沿平行所述两条沟道方向以第二倾斜角度进行第二次物理轰击，所述第一倾斜角度与所述第二倾斜角度之和为180度。

11.一种根据权利要求1至10任一项所述的制备方法得到的超导约瑟夫森结。

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