具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明提出一种大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法，步骤如下：

步骤1，将Si基片分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗基片3-5分钟，并在光学显微镜下观察其表面洁净度，无明显颗粒杂物，备用。

步骤2，将备用的基片送入磁控溅射系统副室，进行氩离子清洗，其目的是清除基片表面分子级别的杂质，并让薄膜与衬底更易结合，条件如表1所示。

表1离子清洗条件

步骤3，将离子铣后的基片送入主室，通过直流磁控溅射生长MoSi薄膜，溅射参数如表2所示。

表2直流溅射生长MoSi薄膜条件

步骤4，薄膜生长完毕后，在真空室中原位射频磁控溅射生长Nb₅N₆薄膜，溅射参数如表3所示，然后测量其R-T曲线，筛选出Tc较高的薄膜以提高器件的成品率。

表3射频溅射生长Nb₅N₆薄膜条件

步骤5，在光刻之前要绘制掩模版图形，在这里先后设计了线宽1μm，间距2μm，探测面积为600μm×600μm和1mm×1mm的大面积器件。由于所制备的微米线区域属于高密度光栅，其微米线拐角处会存在曝光不足的现象，从而导致局部微米线短路，如图3插图所示。这里采用图形补偿的方法来解决，即增加微米线拐角处的曝光面积，来抵消曝光不足，从而增加曝光的稳定性。其中探测面积为600μm×600μm的器件补偿后的掩膜图形如图2插图所示，其曝光后对应的微米线图案在显微镜下如图3所示。

步骤6，从磁控系统腔室取出样品，然后在样品表面旋涂S1805光刻胶，然后用激光直写光刻机进行光刻，放入正胶显影液显影30s，然后放入去离子水中定影1min，在光刻胶上形成微米线图案。通过大量的实验还发现，激光直写的曝光剂量随空间的分布不均，这可能是因为曝光的高密度精细光栅(1μm)接近于激光直写的曝光极限所导致的。例如在一片面积20mm×20mm覆盖有MoSi薄膜的Si片上曝光一组3×3阵列的器件，可以明显的发现两边的曝光强度要小于中间的曝光强度，所以对曝光剂量在空间上的分布做出了修正，设置两侧器件的曝光剂量略大于中心区域，例如上述的3×3阵列修正后的剂量分布如表4所示。

表4修正后的曝光剂量阵列

使用激光直写光刻机的型号是Microwriter ML3旗舰型，激光直写条件如表5所示。

表5激光直写光刻条件

步骤7，用反应离子刻蚀的方式对做完激光直写的样品进行刻蚀，在这里为了使线条刻蚀均匀，刻蚀75s(过刻10左右)。刻蚀后用丙酮超声1min除去残胶，从而形成微米线。刻蚀后的器件线宽1μm，间距2μm。使用的刻蚀机型号是Samco RIE-10，刻蚀气体为CF4，刻蚀的具体参数如表6所示。

表6反应离子刻蚀条件

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计，实验步骤如下：

(A)溅射

在实验室DE500磁控溅射系统上，用直流磁控反应溅射的方法在高阻Si(100)基片上生长MoSi薄膜，基片分别经过丙酮、酒精、去离子水各5分钟的超声清洗后，通过送样室送入副室，在副室中通过离子铣进行去污处理，然后通过推送杆将基片送入主室，在背景真空优于2.0×10^-5Pa的时候，开始用直流源溅射MoSi薄膜，通过气体流量计调节Ar＝100％，通过控制主室闸板阀使得溅射气压为1.5mtorr，0.5A恒流直流溅射5nm MoSi薄膜于Si(100)基片上。接下来原位磁控溅射Nb₅N₆薄膜作为抗氧化层，通过气体流量计调节N₂：Ar＝4∶1，通过控制主室闸板阀使得溅射气压为20mtorr，将射频源的射频功率定为400W，溅射10nm的Nb₅N₆薄膜于MoSi薄膜上，整个溅射过程中，底盘通过循环水水冷(T～300K)，薄膜溅射完毕后，再次在主室中充入一定量的氮气(30-40sccm)使其充分氮化。然后在在飞斯科闭循环制冷机下测试了5nm MoSi的R-T特性，其薄膜的Tc如图1所示。

(B)匀胶

设置匀胶机参数，前转600r/min，后转4000r/min，前转时间6s，后转时间60s，旋涂500nm的S1805光刻胶。并用115℃烘2min。

(C)光刻绘图

采用英国Durham Magneto Optics研制的小型台式无掩模光刻系统，MicrowriterML3来绘制微米线图案。激光直写采用385nm的LED光源；直写的分辨率为0.6μm，1μm，2μm，5μm；对应的直写的速率分别为25mm²/min，50mm²/min，100mm²/min，180mm²/min。微米线区域和电极区域分别采用0.6μm，2μm的镜头。绘制微米线前首先对焦0.6μm和2μm的镜头，其中0.6μm的镜头用来曝光光敏区域，2μm镜头用来曝光电极部分；然后导入gds格式文件如图2；接着设置曝光剂量70-75，并选择高质量(high)模式和正常(normal)模式分别来曝光微米线和电极部分，由于所曝光的图案属于高密度光栅，在制备的高占空比器件中，微米线拐角处会出现曝光不足的现象，所以采用图形补偿来做优化，补偿前后的对比如图3插图。光刻后在MF-319中显影30s，去离子水中定影60s，最后用N₂气枪吹干等待刻蚀。

(D)刻蚀

通过反应离子刻蚀的方法将未被覆盖光刻胶的MoSi薄膜刻蚀掉。使用的反应离子刻蚀机型号Samco RIE-10，通入CF₄气体，流量分别为30sccm，在功率50W，工作压强2.0Pa的条件下，刻蚀75s，最后将刻蚀好的器件放入丙酮烧杯中用40W的功率超声1min去除残胶。

(E)器件性能表征

在光学显微镜下观察所制备的微米线，其具有很高的均匀性如图3，插图是对应区域的放大。接着在飞斯科1.7K闭循环制冷机的低温系统下，用1550nm波长的光源对制备的大面积超导微米线单光子探测器进行了表征。制备的探测面积600mm×600mm，线宽为1μm的SMSPD器件的I-V特性如图4，其超超导临界电流I_c在1.7K温度下达55μA，超导临界电流密度j_c＝1.1MA/cm²。器件的响应脉冲如图5，其脉冲幅值最高可达480mV，强光下的计数率和暗计数曲线如图6。

综上所述，本发明用激光直写来改善大面积超导微米线单光子探测器的制备工艺。激光直写分辨率的极限可达0.6μm，经过图形补偿和剂量随空间的优化可以满足高密度微米线光栅的制备要求。并且大面积器件曝光的光敏区域面积量级(约1mm×1mm)基本不会影响激光直写曝光的时间。通过器件的表征，证明了用激光直写制备出的大面积MoSi超导微米线单光子探测器具有良好的光子相应。对于大面积超导微米线单光子器件来说，在保证器件性能高质量的前提下，相比于电子束曝光，激光直写无论在制备的效率和成本上都优于电子束曝光。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。