阅读说明：本技术 一种平面超导纳米桥结的制备方法 (Preparation method of planar superconducting nano bridge junction ) 是由 应利良 张雪 任洁 王镇 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种平面超导纳米桥结的制备方法,在衬底表面进行光刻形成图案,然后沉积金属薄膜；利用离子束刻蚀金属,金属因反溅射现象沿着光刻胶形成侧壁,去胶,即得纳米桥,桥的宽度即为反溅射的金属薄膜厚度,因此可以超越光刻极限；沉积超导薄膜、光刻,刻蚀形成桥两端的电极,即得。本发明具有低成本,易集成,高精度等优势。(The invention relates to a preparation method of a planar superconducting nano bridge junction, which comprises the steps of photoetching the surface of a substrate to form a pattern, and then depositing a metal film; etching metal by using ion beams, forming a side wall along the photoresist by the metal due to a reverse sputtering phenomenon, removing the photoresist to obtain a nano bridge, wherein the width of the bridge is the thickness of the reverse sputtered metal film, so that the width can exceed the photoetching limit; depositing a superconducting film, photoetching and etching to form electrodes at two ends of the bridge. The invention has the advantages of low cost, easy integration, high precision and the like.)

一种平面超导纳米桥结的制备方法

技术领域

本发明属于约瑟夫森结的制备领域，特别涉及一种平面超导纳米桥结的制备方法。

背景技术

超导电路包括超导量子干涉器(SQUID)，单磁通量子器件(SFQ)等应用超导约瑟夫森结的电路。

在量子力学的概念里，当两块金属被一层薄的绝缘体分开时，金属之间可以有电流通过，通常把这种“金属—绝缘体—金属”的叠层称为隧道结，它们之间流动的电流称为隧道电流。假如，在这种叠层三明治结构中，一个或者两个金属是超导体，则称为超导隧道结。根据Josephson效应，在超导隧道结中，绝缘层具有超导体的一些性质，但与常规超导体相比具有较弱的超导电性，被称为“弱连接超导体”。

减小约瑟夫森结尺寸可以提高超导量子干涉器的灵敏度，提升超导数字电路的集成度。约瑟夫森结除了上述三明治结构形成超导弱连接外，还可以有桥结和台阶结等形式。桥结是一条超导线，中间做出窄通道来实现弱连接。窄通道的大小就是结的大小，如何减小通道的尺寸是目前桥结研究重点。

CN107275472A公开了高温超导薄膜纳米桥结的制备方法，一般高温超导纳米桥结是利用台阶处的弱连接形成的，桥结的大小受光刻精度限制，尺寸和精度上无法进一步提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种平面超导纳米桥结的制备方法，克服现有制备桥结技术受光刻精度限制，无法大规模集成的缺陷，本发明巧妙地将再溅射生长薄膜的厚度来做纳米桥，薄膜厚度即为桥结的大小，不受光刻精度的限制，在传统光刻下实现超导纳米桥结或阵列的制备。

本发明的一种纳米桥结的制备方法，包括：

(1)在衬底表面进行光刻形成图案，然后沉积金属薄膜；

(2)利用离子束IBE刻蚀完金属，金属沿着光刻胶形成侧壁，去胶，即得纳米桥；

(3)在衬底上再沉积超导薄膜，光刻形成电极图案，刻蚀，形成桥结两端的电极，即得纳米桥结电极。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中衬底为半导体衬底、绝缘体衬底。

所述衬底的厚度为100um及其以上。

所述半导体为Si、Ge、GaN中的一种或几种；绝缘体为SiO₂、Al₂O₃、HfO₂中的一种或几种。

所述步骤(1)中金属为超导材料Nb、NbN、Pb、NbC、Nb₃Sn、Nb₃Ge中的一种或几种，或者为Al、Au、Cu、合金中的一种。

所述步骤(1)中沉积金属薄膜的沉积方式为：电子束蒸发或者磁控溅射；沉积金属薄膜厚度为20nm-500nm。

所述步骤(2)中IBE刻蚀具体工艺参数：IBE刻蚀角度在10-50度之间，离子束流在10-600mA。

所述步骤(2)中侧壁厚度为2nm-300nm。

所述步骤(3)中沉积超导薄膜中的超导材料为Nb、NbN、YBCO中的一种或几种，沉积厚度为20-500nm，沉积方式选择电子束蒸发或者磁控溅射。

所述步骤(3)中光刻：形成电极图案；刻蚀：采用RIE、ICP或湿法刻蚀。

本发明的一种所述方法制备的纳米桥结，所述纳米桥结的的宽度为侧壁厚度2nm-300nm，长度为两个电极间隙的曝光极限，约20nm-1000nm。

本发明的一种基于所述方法制备的集成纳米桥结。

本发明的一种所述纳米桥结的应用。

有益效果

本发明利用金属在刻蚀中的再沉积原理，形成阵列化的超薄金属侧壁，制备出小尺寸、可大规模集成的超导纳米桥结。

本发明制备工艺流程简单、特征尺寸不受光刻精度限制等优点，现有光刻精度通常由曝光机的精度决定，而本发明侧壁的形成跟薄膜生长类似，不受光刻精度限制。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)为本发明纳米桥接的制备流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)衬底选取：衬底选取表面热氧化的二氧化硅；

(2)光刻：光刻形成图案；

(3)金属沉积：利用电子束蒸发或者磁控溅射方式沉积金属Nb超导薄膜(100nm厚)，薄膜的厚度决定了侧壁尺寸的精度；

(4)超薄侧壁形成：利用离子束刻蚀(IBE)刻蚀(启辉功率500W，束流200mA，倾角40度，加速电压400V)Nb，金属沿着光刻胶形成超薄侧壁(20-50nm)。

(5)去胶：清洗去除光刻胶；

(6)超导薄膜沉积：沉积另外一层超导Nb薄膜。

(7)光刻形成电极图案，用ICP刻蚀Nb，形成纳米桥结的电极，所得纳米桥结的宽度为超导侧壁的厚度，长度为光刻形成的间隙，以i-line曝光机为例，为400nm。

实施例2

(1)衬底选取：衬底选取表面热氧化的二氧化硅；

(2)光刻：光刻形成图案；

(3)金属沉积：利用电子束蒸发或者磁控溅射方式沉积金属Nb超导薄膜(10nm厚)，薄膜的厚度决定了侧壁尺寸的精度；

(4)超薄侧壁形成：利用离子束刻蚀(IBE)刻蚀(启辉功率500W，束流200mA，倾角40度，加速电压400V)Nb，金属沿着光刻胶形成超薄侧壁(2-5nm)。

(5)去胶：清洗去除光刻胶；

(6)超导薄膜沉积：沉积另外一层超导Nb薄膜。

(7)光刻形成电极图案，用ICP刻蚀Nb，形成纳米桥结的电极，所得纳米桥结的宽度为超导侧壁的厚度，长度为光刻形成的间隙，以i-line曝光机为例，为400nm。