阅读说明：本技术 一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法 (Niobium-based Josephson junction etching method ) 是由 谷志强 吴志浩 吴愧 蒋中原 车东晨 许开东 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法,属于超导器件制备技术领域。具体方法如下：在真空状态下将待刻蚀样品通过传送装置送至反应离子刻蚀腔,通入刻蚀气体,对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀；然后在真空状态下通过传送装置将反应离子刻蚀后的样品送入离子束刻蚀机,通入惰性气体,刻蚀AlO<Sub>x</Sub>/Al层；样品出真空,得到Nb基超导器件。所述刻蚀方法简单、效果好,制得的超导器件良率和产能高,并且所述器件有机物或金属沉积。(A niobium-based Josephson junction etching method belongs to the technical field of superconducting device preparation. The specific method comprises the following steps: conveying a sample to be etched to a reactive ion etching cavity through a conveying device in a vacuum state, introducing etching gas, and etching the Nb layer of the sample to be etched; then the sample after the reactive ion etching is sent into an ion beam etching machine through a conveying device in a vacuum state, inert gas is introduced, and AlO is etched x A layer of/Al; and (5) taking a sample out of vacuum to obtain the Nb-based superconducting device. The etching method is simple and has good effect, the prepared superconducting device has high yield and capacity, and the device is deposited by organic matters or metal.)

一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法

技术领域

本发明属于超导器件制备技术领域，具体涉及一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法。

背景技术

超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨，且进入产业化运作，现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。随着超导技术的发展，超导量子器件的重要性逐渐突出，尤其在弱磁探测和量子计算领域倍受关注。超导电子学器件中，约瑟夫森结的制备是其中至关重要的一步。超导材料只有在特定的温度下才会呈现零电阻现象。超导材料主要分为高温超导和低温超导两大类，一般在常压下，液氮温度下有超导现象的材料成为高温超导体，在更低温度下才出现超导现象的材料成为低温超导体。

约瑟夫森结以诺贝尔奖获得者英国物理学家布赖恩•约瑟夫森命。由两个超导体构成，它们被一个非常薄的非超导电层隔开，所以电子能够穿过绝缘层。当没有电压时超导体间的电流称作约瑟夫森电流（Josephson current），而电子通过障碍物的运动称作约瑟夫森隧穿（Josephson tunneling）。通过超导路径连结在一起的两个或多个结就构成了所谓的约瑟夫森干涉仪（Josephson interferometer）。

通常器件中，约瑟夫森结的结构有夹层结构和平面结构两类。夹层结构又成为三明治结，一般用于低温超导器件；平面结构一般多用于高温超导器件。

低温超导器件中，Nb基器件的刻蚀是器件制备工艺中的一个难点。特别是Nb-AlOx/Al-Nb结构进行反应离子刻蚀通常会出现Nb底部内掏或严重的侧壁沉积等问题，对器件的性能造成极大的影响。异常情况如图1和图2所示（图1和图2中还包括了Nb-Si-Nb的内掏形貌图和沉积形貌图）。严重沉积的情况中，除有机物沉积外，还有较多的金属沉积，难以清洗，且对器件性能造成重要影响。

如图3，在约瑟夫森结刻蚀过程中，Nb层与AlO_x/Al层性质不同，刻蚀方法也有所差异，如果使用氯基气体刻蚀，AlO_x/Al层容易吸附氯离子而造成腐蚀。如何实现刻蚀上面的Nb层和中间的AlO_x/Al层，并减少对下面Nb层的损伤，成为了一个重要的工艺环节。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，具有刻蚀方法简单、效果好、产品良率和产能高等优点。

技术方案：一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，所述铌基约瑟夫森结从上到下依次包括掩膜材料、Nb层、AlO_x/Al层、Nb层和底层材料，所述铌基约瑟夫森结在加工时处于不中断真空环境的条件，所述刻蚀方法具体步骤如下：

步骤一.真空状态下，将待刻蚀铌基约瑟夫森结样品放入传送装置，传送装置将样品传送至反应离子刻蚀腔；

步骤二.真空状态下向反应离子刻蚀腔（ICP腔室）内通入刻蚀气体，对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀；

步骤三.然后在真空状态下用传送装置将样品传送至离子束刻蚀机（IBE腔室），通入惰性气体，刻蚀AlO_x/Al层；

步骤四.样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

作为优选，所述刻蚀方法还包括原位保护，步骤三中刻蚀AlO_x/Al层后，在真空条件下通过传送装置将样品传送至等离子体CVD腔室，进行原位镀膜保护，然后进行步骤四的操作，使样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

作为优选，所述步骤三中刻蚀AlO_x/Al层后通过离子束刻蚀机对样品表面及台阶侧壁进行修饰以去除沉积物。

作为优选，所述步骤三中刻蚀AlO_x/Al层后通过调节离子束刻蚀机能量为50-300eV、倾角为60-80°对样品表面及台阶侧壁进行修饰以去除沉积物。

作为优选，所述步骤三中通过调节离子束刻蚀机能量为50-300 eV、倾角为60-80°刻透AlO_x/Al层，并对样品表面及台阶侧壁进行修饰以去除沉积物。

作为优选，所述掩膜材料为硬掩膜或光刻胶掩膜。

作为优选，所述步骤二中刻蚀气体为氟基气体。

作为优选，所述步骤三中惰性气体为Ar、He或Ne。

有益效果：1. 所述方法先用反应离子刻蚀机刻蚀Nb，停在AlO_x/Al层，再用IBE刻蚀AlO_x/Al，刻蚀速率和刻蚀深度准确可控，能够有效减少AlO_x/Al层下面的Nb层损伤；

2. IBE对金属刻蚀选择比较小，多层金属刻蚀，仍可保证侧壁光滑；

3. 本刻蚀方案适用于硬掩膜或光刻胶掩膜样品，能够在大尺寸图形、亚微米级图形或更小尺寸的图形刻蚀上都能保证无沉积或较少的沉积；

4. 所述方法使待刻蚀样品在加工时处于不中断真空的条件，样品的两个Nb层之间为AlOx/Al层，其中绝缘层AlOx只有1nm厚，Al层只有9nm厚，如果刻蚀后的样品了离开真空条件，容易吸附空气中的水汽或其他污染物，易导致器件侧壁沾污甚至导致绝缘层两侧被短路，对器件的性能和成品率很不利。因此不中断真空的情况下完成加工，对器件的性能和良率都有很大的帮助。

5. 本发明所述刻蚀方法简单，刻蚀效果好，提高了铌基约瑟夫森结超导器件的良率和产能。

附图说明

图1 为现有技术中内掏形貌图，其中a为Nb-Si-Nb内掏形貌图，b为Nb-AlOx-Al-Nb的一种内掏形貌图，c为Nb-AlOx-Al-Nb的另一种内掏形貌图；

图2为现有技术中严重沉积形貌图，其中a为Nb-Si-Nb沉积形貌图，b为Nb-AlOx-Al-Nb一种沉积形貌图，c为Nb-AlOx-Al-Nb另一种沉积形貌图；

图3为实施例1所述待刻蚀铌基约瑟夫森结样品刻蚀前后结构示意图；

图4为实施例4中所述带有原位沉积保护膜的待刻蚀铌基约瑟夫森结样品刻蚀前后结构示意图；

图5为刻蚀前铌基约瑟夫森结样品形貌图；

图6为ICP刻蚀后侧壁沉积较严重的台阶形铌基约瑟夫森结形貌图；

图7为ICP刻蚀后侧壁沉积较严重的台阶形铌基约瑟夫森结经过IBE修饰后的形貌图；

图8为ICP刻蚀Nb侧壁沉积较不明显的Nb台阶形铌基约瑟夫森结形貌图；

图9为ICP刻蚀Nb侧壁沉积较不明显的器件经IBE修饰后的Nb台阶形铌基约瑟夫森结形貌图；

图10为刻蚀后铌基约瑟夫森结的EDS分析数据图，图中左侧为图8所述ICP刻蚀Nb侧壁沉积较不明显的Nb台阶形铌基约瑟夫森结EDS分析数据，右侧为图9所述ICP刻蚀Nb侧壁沉积较不明显的铌基约瑟夫森结经IBE修饰后的Nb台阶形铌基约瑟夫森结的EDS分析数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，参见图3，所述铌基约瑟夫森结从上到下依次包括掩膜材料（Mask）、Nb层、AlO_x/Al层、Nb层和底层材料（sub），所述掩膜材料为光刻胶，所述底层材料为Si不作为功能层，其中上层Nb层的厚度为150nm，AlO_x/Al层中AlOx的厚度为1nm，Al层的厚度为9nm，下层Nb层的厚度为150nm，器件的形状为圆台状。所述刻蚀气体为C4F8；惰性气体为Ar气。

所述铌基约瑟夫森结在加工时处于不中断真空环境的条件，所述刻蚀方法具体步骤如下：

步骤一.真空状态下，将待刻蚀铌基约瑟夫森结样品放入传送装置，传送装置将样品传送至反应离子刻蚀腔；

步骤二.真空状态下向反应离子刻蚀腔（即ICP腔室）内通入刻蚀气体，对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀，刻蚀气体流速为300 sccm，刻蚀处理的时间为30 s；

步骤三.然后在真空状态下用传送装置将样品传送至离子束刻蚀机（即IBE腔室），通入惰性气体，刻蚀AlO_x/Al层；

步骤四.样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

本实施例中传送装置、反应离子刻蚀腔、离子束刻蚀机均在鲁汶仪器L-MEC刻蚀平台进行操作。

实施例2

一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，所述铌基约瑟夫森结从上到下依次包括掩膜材料（Mask）、Nb层、AlO_x/Al层、Nb层和底层材料（sub），所述掩膜材料为硬掩膜，所述底层材料为SiO，不作为功能层。其中上层Nb层的厚度为150nm，AlO_x/Al层中AlOx的厚度为1nm，Al层的厚度为9nm，下层Nb层的厚度为150nm，器件的形状为方台状。所述刻蚀气体为C4F8，所述刻蚀气体为He。

所述铌基约瑟夫森结在加工时处于不中断真空环境的条件，所述刻蚀方法具体步骤如下：

步骤一.真空状态下，将待刻蚀铌基约瑟夫森结样品放入传送装置，传送装置将样品传送至反应离子刻蚀腔；

步骤二.真空状态下向反应离子刻蚀腔（即ICP腔室）内通入刻蚀气体，对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀，刻蚀气体流速为300 sccm，刻蚀处理的时间为30 s；

步骤三.然后在真空状态下用传送装置将样品传送至离子束刻蚀机（即IBE腔室），通入惰性气体，刻蚀AlO_x/Al层，刻蚀AlO_x/Al层后通过调节离子束刻蚀机能量为300 eV、倾角为60°对样品表面及台阶侧壁进行修饰以去除沉积物；

步骤四.样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

本实施例中传送装置、反应离子刻蚀腔、离子束刻蚀机均在鲁汶仪器L-MEC刻蚀平台进行操作。

实施例3

一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，所述铌基约瑟夫森结从上到下依次包括掩膜材料（Mask）、Nb层、AlO_x/Al层、Nb层和底层材料（sub），所述掩膜材料为光刻胶，所述底层材料为SiN，不作为功能层。其中上层Nb层的厚度为150nm，AlO_x/Al层中AlOx的厚度为1nm，Al层的厚度为9nm，下层Nb层的厚度为150nm，器件的形状为长条形。所述刻蚀气体为C4F8，所述惰性气体为Ne气。

所述铌基约瑟夫森结在加工时处于不中断真空环境的条件，所述刻蚀方法具体步骤如下：

步骤一.真空状态下，将待刻蚀铌基约瑟夫森结样品放入传送装置，传送装置将样品传送至反应离子刻蚀腔；

步骤二.真空状态下向反应离子刻蚀腔（即ICP腔室）内通入刻蚀气体，对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀，刻蚀气体流速为300 sccm，刻蚀处理的时间为30 s；

步骤三.然后在真空状态下用传送装置将样品传送至离子束刻蚀机（即IBE腔室），通入惰性气体，通过调节离子束刻蚀机能量为50 eV、倾角为80°刻透AlO_x/Al层，并对样品表面及台阶侧壁进行修饰以去除沉积物；

步骤四.样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

本实施例中传送装置、反应离子刻蚀腔、离子束刻蚀机均在鲁汶仪器L-MEC刻蚀平台进行操作。

实施例4

一种铌基约瑟夫森结刻蚀方法，所述铌基约瑟夫森结从上到下依次包括掩膜材料（Mask）、Nb层、AlO_x/Al层、Nb层和底层材料（sub），所述掩膜材料为光刻胶，所述底层材料为底层材料为Si，不作为功能层。其中上层Nb层的厚度为150nm，AlO_x/Al层中AlOx的厚度为1nm，Al层的厚度为9nm，下层Nb层的厚度为150nm，器件的形状为圆台状。所述刻蚀气体为C4F8，惰性气体为Ar气。

所述铌基约瑟夫森结在加工时处于不中断真空环境的条件，图4左侧为刻蚀前铌基约瑟夫森结样品结构示意图，中间为经过ICP刻蚀和IBE刻蚀后的铌基约瑟夫森结样品结构示意图，右侧为CVD镀膜后铌基约瑟夫森结样品结构示意图，参见图4，所述刻蚀方法具体步骤如下：

步骤一.真空状态下，将待刻蚀铌基约瑟夫森结样品放入传送装置，传送装置将样品传送至反应离子刻蚀腔；

步骤二.真空状态下向反应离子刻蚀腔（即ICP腔室）内通入刻蚀气体，对待刻蚀样品Nb层进行刻蚀，刻蚀气体流速为300 sccm，刻蚀处理的时间为30 s；

步骤三.然后在真空状态下用传送装置将样品传送至离子束刻蚀机（即IBE腔室），通入惰性气体，刻蚀AlO_x/Al层，在真空条件下通过传送装置将样品传送至等离子体CVD腔室，进行原位镀膜保护，镀膜厚度为5 nm，；

步骤四.样品出真空，得到刻蚀后铌基约瑟夫森结超导器件。

本实施例中传送装置、反应离子刻蚀腔、离子束刻蚀机均在鲁汶仪器L-MEC刻蚀平台进行操作。

对比例1

对ICP刻蚀后侧壁沉积较严重的圆台阶铌基约瑟夫森结经过IBE修饰前后进行对比。

ICP刻蚀后侧壁沉积较严重的台阶形貌图参见图6，图7为经过ICP刻蚀后通过IBE修饰后的形貌图，从图6和图7中可以看出，侧壁Nb金属明显，侧壁沉积物不可见，IBE修饰效果明显。

对比例2

对ICP刻蚀后侧壁沉积较不明显的圆台阶铌基约瑟夫森结经过IBE修饰前后进行对比。

ICP刻蚀Nb侧壁沉积较不明显的Nb台阶铌基约瑟夫森结形貌图参见图8，图9为经过ICP刻蚀后通过IBE修饰后的Nb台阶铌基约瑟夫森结形貌图，从图8和图9中可以看出，IBE修饰前后对比差异不是太明显。

继续对图8和图9中的图进行EDS分析数据。图10中左侧为图8的EDS分析数据图（直接由EDS分析仪器导出），右侧为图9的EDS分析数据，左侧图台阶侧壁有明显的碳元素信号，右侧图无明显碳元素信号。说明只用ICP刻蚀后的数据有明显的碳沉积，而ICP刻蚀后经IBE修饰，台阶侧壁的碳沉积基本清除。