CN116156999B - 约瑟夫森结及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种约瑟夫森结及其制备方法。制备方法包括：提供衬底，形成第一光刻胶层于衬底上，第一光刻胶层具有贯穿的第一沟道，第一沟道包括上沟道和宽度大于上沟道的下沟道，上沟道位于下沟道开口上方；沿垂直第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在第一沟道内的衬底上形成与第一沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；剥离第一光刻胶层，形成第二光刻胶层于衬底上，第二光刻胶层具有与第一沟道结构相同且与第一沟道垂直的第二沟道；在第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层；沿垂直第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在第二沟道内的衬底上形成与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光刻机制备约瑟夫森结。

Description

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，特别是涉及一种约瑟夫森结及其制备方法。

背景技术

超导量子芯片是基于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”以及约瑟夫森结等结构。除了约瑟夫森结，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光刻机无法制备约瑟夫森结的问题，能够利用低分辨率UV光刻机制备约瑟夫森结，可以降低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，本发明提供一种约瑟夫森结的制备方法，包括：

提供衬底，形成第一光刻胶层于所述衬底上，所述第一光刻胶层具有贯穿的第一沟道，所述第一沟道包括上沟道和宽度大于所述上沟道的下沟道，所述上沟道位于所述下沟道开口上方，使所述下沟道内的衬底被部分遮挡；

沿垂直所述第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第一沟道内的衬底上形成与所述第一沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；

剥离所述第一光刻胶层，形成第二光刻胶层于所述衬底上，所述第二光刻胶层具有与所述第一沟道结构相同且与所述第一沟道垂直的第二沟道；

在所述第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层；

沿垂直所述第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第二沟道内的衬底上形成与所述势垒层垂直交叠且至少部分位于所述遮挡区域的第二超导线。

优选的，所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层均包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，所述下沟道位于所述第一光刻胶子层，所述上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，所述在所述第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层的步骤之前，还包括：

采用离子束刻蚀工艺刻蚀所述第二沟道内的第一超导线表面的自然氧化层，所述自然氧化层的刻蚀角度与所述倾斜蒸镀的镀膜角度相同。

优选的，所述制备方法还包括：

剥离所述第二光刻胶层。

优选的，所述势垒层通过氧化形成。

优选的，所述沿垂直所述第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第一沟道内的衬底上形成与所述第一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：

沿平行所述第一沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述第一沟道的上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，所述沿垂直所述第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第二沟道内的衬底上形成与所述第二沟道平行且至少部分位于所述遮挡区域的第二超导线的步骤还包括：

沿平行所述第二沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述第二沟道的上沟道内的衬底上的镀膜残留物。

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，所述沿平行所述第一沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

沿平行所述第一沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行所述第一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。

优选的，所述沿平行所述第二沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

沿平行所述第二沟道方向以所述第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行所述第二沟道方向以所述第二倾斜角度进行第二次物理轰击。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种根据前述任一项所述的制备方法得到的约瑟夫森结。

区别于现有技术的情况，本发明提供的约瑟夫森结的制备方法通过先后形成两个光刻胶层于衬底上，两个光刻胶层均具有暴露出衬底的下沟道和上沟道，且下沟道宽度大于上沟道宽度，并且两个光刻胶层的沟道方向相互垂直，通过两个光刻胶层分别进行倾斜蒸镀，在衬底上形成两条垂直交叠的超导线，交叠处就获得约瑟夫森结，由于采用了倾斜蒸镀，超导线的线宽比上沟道的宽度小，只需要光刻机曝光出上沟道即可，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。

本发明提供的约瑟夫森结，与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约瑟夫森结的制备方法的流程示意图。

图2a～2h为本发明实施例的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-第一光刻胶层，21-第一沟道，211-上沟道，212-下沟道，21A-第一光刻胶子层，21B-第二光刻胶子层，3-第一超导线，31、61-镀膜残留物，4-第二光刻胶层，41-第二沟道，5-势垒层，6-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，形成第一光刻胶层于衬底上，第一光刻胶层具有贯穿的第一沟道，第一沟道包括上沟道和宽度大于上沟道的下沟道，上沟道位于下沟道开口上方，使下沟道内的衬底被部分遮挡。

示例性的，如图2a所示，是在衬底上形成第一光刻胶层后的结构俯视图。衬底1上形成有第一光刻胶层2，第一光刻胶层2具有第一沟道21，需要注意的是，图中第一光刻胶层2仅示意性显示了一部分。在实际工艺中，第一光刻胶层2可以完全覆盖衬底1。如图3所示，第一沟道21包括上沟道211和下沟道212，上沟道211和下沟道212相连通，上沟道211位于下沟道212开口上方，上沟道211贯穿至第一光刻胶层2上表面，下沟道212贯穿至第一光刻胶层2下表面，从而暴露出衬底1。下沟道212宽度大于上沟道211宽度，使得第一沟道21的截面形状构成“凸”字形状。在形成第一沟道21时，光刻机的最高分辨率只需要满足能够曝光显影出上沟道211即可。

S2：沿垂直第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在第一沟道内的衬底上形成与第一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，是在衬底上形成第一超导线后的结构俯视图。进行倾斜蒸镀时，镀膜材料至少部分进入第一沟道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。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，但并不代表第一光刻胶层2是透明的，也不代表第一超导线3位于第一光刻胶层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，第一超导线3全部位于遮挡区域。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，假设上沟道211的宽度为L，遮挡区域的宽度为D，上沟道211的厚度为h1，下沟道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的线宽与上沟道211的宽度、上沟道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，在上沟道211的宽度、上沟道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，上沟道211的厚度为1000nm，那么可以计算得到上沟道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：剥离第一光刻胶层，形成第二光刻胶层于衬底上，第二光刻胶层具有与第一沟道结构相同且与第一沟道垂直的第二沟道。

示例性的，如图2d所示，是在衬底上形成第二光刻胶层后的结构俯视图。第一光刻胶层2剥离后，留下第一超导线3，然后在衬底1上形成第二光刻胶层4，需要注意的是，图中第二光刻胶层4仅示意性显示了一部分。在实际工艺中，第二光刻胶层4可以完全覆盖衬底1。第二光刻胶层4具有第二沟道41。第二沟道41与第一沟道21的结构相同，但是与第一沟道21垂直。同样的，在形成第二沟道41时，光刻机的最高分辨率只需要满足能够曝光显影出第二沟道41的上沟道即可。

S4：在第二沟道内的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2e所示，是在第一超导线表面形成势垒层后的结构俯视图。第二沟道41内的第一超导线3表面形成势垒层5。

S5：沿垂直第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在第二沟道内的衬底上形成与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2f所示，是在衬底上形成第二超导线后的结构俯视图。再次进行倾斜蒸镀后，镀膜材料至少部分进入下沟道内的衬底1被遮挡的遮挡区域，最终形成第二超导线6，并且第二超导线6与势垒层5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6全部位于遮挡区域。

为了方便后续工艺进行，在本实施例中，制备方法还包括：

S6：剥离第二光刻胶层。示例性的，如图2h所示，是剥离第二光刻胶层后的结构俯视图。剥离第二光刻胶层4后，衬底1上只剩下第一超导线3和第二超导线6。

为了方便第一沟道和第二沟道的形成，在本发明的一些实施例中，第一光刻胶层和第二光刻胶层均包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，下沟道位于第一光刻胶子层，上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第一沟道或第二沟道。进一步的，为了更好的控制上沟道和下沟道的宽度，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沟道的宽度大于上沟道的宽度。请再次参考图4，下沟道212位于第一光刻胶子层21A，上沟道211位于第二光刻胶子层21B，下沟道212的厚度为第一光刻胶子层21A的厚度，上沟道211的厚度为第二光刻胶子层21B的厚度。

在本发明的一些实施例中，当第二光刻胶层形成过程中暴露于大气中时，第一超导线表面会形成一层自然氧化层，该自然氧化层的厚度是不可控的，会影响约瑟夫森结的电阻，因此在形成势垒层之前需要先去除自然氧化层。为了去除自然氧化层，在第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层的步骤之前，还包括：采用离子束刻蚀工艺刻蚀第二沟道内的第一超导线表面的自然氧化层，自然氧化层的刻蚀角度与倾斜蒸镀的镀膜角度相同。示例性的，可以利用电子束蒸发设备的高真空腔体内集成的离子束刻蚀仪刻蚀自然氧化层，并且刻蚀角度与倾斜蒸镀的镀膜角度相同，这样才能刻蚀到第二沟道内以及第二沟道遮挡区域内的第一超导线表面。如图2d所示，在形成第二光刻胶层4之后，在第一超导线3表面形成势垒层5之前，需要沿垂直第二沟道方向进行离子束刻蚀，将区域B内第一超导线3表面的自然氧化层去除。

在本发明的一些实施例中，沿垂直第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在第一沟道内的衬底上形成与第一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：沿平行第一沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在第一沟道的上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所示，在形成第一超导线3时，上沟道211正下方的衬底1上产生了镀膜残留物31。如图2c所示，是去除第一沟道内的镀膜残留物后的结构俯视图。在形成第一超导线3之后，在剥离第一光刻胶层2之前，沿平行第一沟道21方向进行物理轰击后，镀膜残留物31被去除。

进一步的，沿垂直第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在第二沟道内的衬底上形成与第二沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第二超导线的步骤，即步骤S5还包括：沿平行第二沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在第二沟道的上沟道内的衬底上的镀膜残留物。如图2f所示，在形成第二超导线6时，上沟道正下方的衬底1上产生了镀膜残留物61。如图2g所示，是去除第二沟道内的镀膜残留物后的结构俯视图。在形成第二超导线6之后，在剥离第二光刻胶层4之前，沿平行第二沟道41方向进行物理轰击后，镀膜残留物61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，沿平行第一沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

沿平行第一沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行第一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。

示例性的，如图5所示，两次物理轰击采用离子束刻蚀工艺，离子束的在衬底1上的投影与第一沟道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，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。这样可以彻底去除第一沟道21的上沟道211正下方的镀膜残留物。

同样的，沿平行第二沟道方向进行物理轰击包括：

沿平行第二沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行第二沟道方向以第二倾斜角度进行第二次物理轰击。

通过上述方式，本实施例的约瑟夫森结的制备方法通过形成具有第一沟道的第一光刻胶层，沿垂直第一沟道方向进行倾斜蒸镀形成更小线宽的第一超导线，然后剥离第一光刻胶层并形成具有第二沟道的第二光刻胶层，在第一超导线表面形成势垒层后，沿垂直第二沟道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。

本发明实施例还保护一种约瑟夫森结，该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 (13)

1.一种约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底，形成第一光刻胶层于所述衬底上，所述第一光刻胶层具有贯穿的第一沟道，所述第一沟道包括上沟道和宽度大于所述上沟道的下沟道，所述上沟道位于所述下沟道开口上方，使所述下沟道内的衬底被部分遮挡；

沿垂直所述第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第一沟道内的衬底上形成与所述第一沟道平行且至少部分位于遮挡区域的第一超导线；

剥离所述第一光刻胶层，形成第二光刻胶层于所述衬底上，所述第二光刻胶层具有与所述第一沟道结构相同且与所述第一沟道垂直的第二沟道；

在所述第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层；

沿垂直所述第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第二沟道内的衬底上形成与所述势垒层垂直交叠且至少部分位于所述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，所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层均包括由下至上层叠的第一光刻胶子层和第二光刻胶子层，所述下沟道位于所述第一光刻胶子层，所述上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，所述第一超导线和所述第二超导线全部位于所述遮挡区域。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第二沟道内的第一超导线表面形成势垒层的步骤之前，还包括：

采用离子束刻蚀工艺刻蚀所述第二沟道内的第一超导线表面的自然氧化层，所述自然氧化层的刻蚀角度与所述倾斜蒸镀的镀膜角度相同。

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：

剥离所述第二光刻胶层。

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，所述沿垂直所述第一沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第一沟道内的衬底上形成与所述第一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：

沿平行所述第一沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述第一沟道的上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，所述沿垂直所述第二沟道方向进行倾斜蒸镀，在所述第二沟道内的衬底上形成与所述第二沟道平行且至少部分位于所述遮挡区域的第二超导线的步骤还包括：

沿平行所述第二沟道方向进行物理轰击，以去除暴露在所述第二沟道的上沟道内的衬底上的镀膜残留物。

10.根据权利要求9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。

11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其特征在于，所述沿平行所述第一沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

沿平行所述第一沟道方向以第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行所述第一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。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述沿平行所述第二沟道方向进行物理轰击的步骤包括：

沿平行所述第二沟道方向以所述第一倾斜角度进行第一次物理轰击；

沿平行所述第二沟道方向以所述第二倾斜角度进行第二次物理轰击。

13.一种根据权利要求1至12任一项所述的制备方法得到的约瑟夫森结。