阅读说明：本技术 一种超导薄膜及其制备方法 (A kind of superconducting thin film and preparation method thereof ) 是由 冯加贵 熊康林 丁孙安 武彪 孙骏逸 黄永丹 陆晓鸣 芮芳 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超导薄膜及其制备方法,其中,超导薄膜的制备方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成刻蚀保护层,并在所述刻蚀保护层上形成掩膜图形；将所述刻蚀保护层作为掩膜,在所述衬底靠近所述刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层,所述超导薄膜层包括图形化结构,所述图形化结构与所述掩膜图形一致。本发明提供了一种超导薄膜及其制备方法,以解决现有的超导薄膜制备出来的超导波导在不同位置的品质因子相差较大的问题。(The invention discloses a kind of superconducting thin films and preparation method thereof, wherein the preparation method of superconducting thin film includes: offer substrate；Etch-protecting layer is formed over the substrate, and forms mask pattern on the etch-protecting layer；Using the etch-protecting layer as exposure mask, superconducting thin film layer is deposited close to the side of the etch-protecting layer in the substrate, the superconducting thin film layer includes patterned structures, and the patterned structures are consistent with the mask pattern.The present invention provides a kind of superconducting thin films and preparation method thereof, to solve the problems, such as that the superconducting waveguide that existing superconducting thin film prepares differs larger in the quality factor of different location.)

一种超导薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及超导量子芯片技术领域，尤其涉及一种超导薄膜及其制备方法。

背景技术

随着现代电子计算机的广泛应用，经典电子计算机在大规模数据处理，尤其是量子模拟等领域存在存储空间和速度的局限，加之受摩尔定律的限制，科学家提出利用量子效应进行信息处理及量子计算。至上世纪80年代初期，理查德·费因曼等科学家提出利用量子原理制造量子计算机并用它来模拟量子力学系统。随后理论物理学家和计算机科学家从理论上证实，量子计算机在量子模拟，量子全局搜索以及密钥破解等方面具有远超经典计算机的能力。

量子计算机的基本单元包括量子比特，超导平面波导以及相关馈线等。目前用于量子计算机的超导材料主要为金属铝和金属铌，这两种金属制备出来的超导波导的品质因子Q的平均值在10⁶量级，但是目前研究表明在衬底上沉积超导薄膜层形成的超导薄膜用于超导波导，可将品质因子Q值提高到10⁷量级。但是超导薄膜制备出来的超导波导不同位置的品质因子Q的差值较大。

发明内容

本发明实施例提供了一种超导薄膜及其制备方法，以解决现有的超导薄膜制备出来的超导波导不同位置的品质因子的差值较大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种超导薄膜的制备方法，包括：提供衬底；

在所述衬底上形成刻蚀保护层，并在所述刻蚀保护层上形成掩膜图形；

将所述刻蚀保护层作为掩膜，在所述衬底靠近所述刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层，所述超导薄膜层包括图形化结构，所述图形化结构与所述掩膜图形一致。

可选的，所述超导薄膜层的材料为氮化钛；所述衬底的材料为高阻硅。

可选的，在所述衬底上形成刻蚀保护层，并在所述刻蚀保护层上形成掩膜图形，包括：在所述衬底上形成气相刻蚀牺牲层；在所述气相刻蚀牺牲层远离所述衬底的一侧形成刻蚀保护层；通过聚焦离子束工艺在所述刻蚀保护层上形成掩膜图形；通过气相干刻工艺经由所述掩膜图形刻蚀所述气相刻蚀牺牲层至露出所述衬底，形成镂空结构。

可选的，所述气相刻蚀牺牲层的所述镂空结构在所述衬底上的垂直投影覆盖并大于所述刻蚀保护层的掩膜图形。

可选的，所述气相刻蚀牺牲层通过等离子增强气相沉积的工艺形成；所述气相刻蚀牺牲层的材料为氧化硅；所述刻蚀保护层的材料为非晶硅。

可选的，通过气相干刻工艺经由所述掩膜图形刻蚀所述气相刻蚀牺牲层至露出所述衬底，形成镂空结构之后，还包括：将形成所述刻蚀保护层的衬底放入真空准备腔，以第一预设温度加热第一设定时间，并通过活性分子进行吹扫。

可选的，所述第一预设温度为100～200℃；所述第一设定时间为20～60分钟；所述活性分子为氢气等离子体。

可选的，将所述刻蚀保护层作为掩膜，在所述衬底靠近所述刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层，包括：将所述刻蚀保护层作为掩膜，通过磁控溅射工艺或脉冲激光分子束外延工艺沉积所述超导薄膜层。

可选的，将所述刻蚀保护层作为掩膜，在所述衬底靠近所述刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层之后，包括：将所述气相刻蚀牺牲层通过气相干刻工艺刻蚀掉；并将刻蚀掉所述气相刻蚀牺牲层的衬底浸入丙酮溶液中进行超声处理，剥离所述刻蚀保护层；将剥离所述刻蚀保护层的衬底放入真空准备腔中，以第一预设温度加热第一设定时间，获取超导薄膜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种超导薄膜，可由本发明任意实施例提供的超导薄膜的制备方法形成。

本发明中，在形成超导薄膜时，在衬底上形成刻蚀保护层，并刻蚀形成掩膜图形，则可以刻蚀保护层作为掩膜，在衬底靠近刻蚀保护层的一侧沉积包括图形化结构的超导薄膜层，从而形成衬底上沉积图形化结构的超导薄膜，因为超导膜层包括沉积形成的图形化结构，而不是整层沉积超导薄膜层并刻蚀形成图形化结构，则本实施例中超导薄膜层在沉积过程中，会存在间断部位，间断部位能够对超导薄膜层在生长过程中存在的应力进行释放，有效解决不同位置生长应力差别较大的问题，从而避免超导薄膜制备出来的超导波导在不同位置的品质因子相差较大的问题，保证超导波导具有均匀的、数值较高的品质因子。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超导薄膜的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的在刻蚀保护层上形成掩膜图形的流程示意图；

图3本发明实施例步骤S201的工艺示意图；

图4本发明实施例步骤S202的工艺示意图；

图5是本发明实施例步骤S203的工艺示意图；

图6是本发明实施例步骤S204的工艺示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种超导薄膜的制备方法的流程示意图；

图8是本发明实施例步骤S307的工艺示意图；

图9是本发明实施例提供的一种超导薄膜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种超导薄膜的制备方法，如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种超导薄膜的制备方法的流程示意图，超导薄膜的制备方法的步骤如下：

S101、提供衬底。

S102、在衬底上形成刻蚀保护层，并在刻蚀保护层上形成掩膜图形。

S103、将刻蚀保护层作为掩膜，在衬底靠近刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层，超导薄膜层包括图形化结构，图形化结构与掩膜图形一致。

在衬底上沉积超导薄膜层之前，可在衬底上沉积整层的刻蚀保护层，并在整层的刻蚀保护层上形成掩膜图形。在形成超导薄膜层时，以刻蚀保护层作为掩膜，在衬底靠近刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层，则因为刻蚀保护层的关系，沉积超导薄膜层时可获取与所述掩膜图形一致的图形化结构，则超导薄膜层直接沉积获取分块，或者包含有间隙或间断的超导薄膜层，间断的超导膜薄层在生长过程中不易出现不同位置生长应力不均的问题。本实施例可选取直接在衬底上形成整层的超导薄膜层作为超导薄膜的方案作为对比例，在该对比例中，在同一衬底上，不同位置处的超导薄膜层生长应力差别较大，例如，对于整层的超导薄膜层，由中心指向边缘的方向上，超导薄膜层的应力越来越大，薄膜晶粒的倾斜角度越来越大，使得超导薄膜的中心位置和边缘位置的超导薄膜层的厚度具有一定的差异，从而导致对比例中的超导薄膜最终制成的超导波导的不同位置的品质因子的差值较大。本实施例中，直接形成包括多个间隙的间断的超导薄膜层，超导薄膜层的间隙处能够释放较大的应力，防止超导薄膜最终制成的超导波导的不同位置的品质因子的差值较大。

可选的，超导薄膜层的材料可以为氮化钛；衬底的材料可以为高阻硅。在高阻硅材质的衬底上沉积形成氮化钛的超导薄膜材料形成的超导薄膜，能够将品质因子提高到10⁷量级，本实施例中，高阻硅优选为(001)晶向，易于实现超导薄膜层的生长。此外，超导薄膜层的材料还可以为其他可用于超导波导的材料，本实施例对超导薄膜层的具体材料不进行限定。

本发明实施例提供的超导薄膜的制备方法，在衬底上形成刻蚀保护层，并刻蚀形成掩膜图形，则可以刻蚀保护层作为掩膜，在衬底靠近刻蚀保护层的一侧沉积包括图形化结构的超导薄膜层，从而形成在衬底上沉积结构的超导薄膜，因为超导膜层包括沉积形成的图形化结构，而不是整层沉积超导薄膜层并刻蚀形成图形化结构，则本实施例中超导薄膜层在沉积过程中，会存在间断部位，间断部位能够对超导薄膜层在生长过程中存在的应力进行释放，有效解决不同位置生长应力差别较大的问题，从而避免超导薄膜制备出来的超导波导在不同位置的品质因子相差较大的问题，保证超导波导具有均匀的、数值较高的品质因子。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明实施例提供的在刻蚀保护层上形成掩膜图形的流程示意图，可选的，如图2所示，在衬底上形成刻蚀保护层，并在刻蚀保护层上形成掩膜图形，可以包括：

S201、在衬底上形成气相刻蚀牺牲层。

由上述示例可知，衬底可以为高阻硅材料。参考图3，图3本发明实施例步骤S201的工艺示意图，在处理干净的衬底11上沉积一层气相刻蚀牺牲层12，可选的，气相刻蚀牺牲层12的材料可以为氧化硅，氧化硅容易在高阻硅上生长，并容易与高阻硅结合。

可选的，气相刻蚀牺牲层12可以通过等离子增强气相沉积的工艺形成。等离子增强气相沉积的主要优点是沉积温度低，对衬底11的结构和物理性质影响小，本示例中，气相刻蚀牺牲层12通过等离子增强气相沉积的工艺形成，能够减小生长过程中对衬底11的氧化作用，从而对衬底11进行保护；此外，本实施例形成的气相刻蚀牺牲层12均匀性好，气相刻蚀牺牲层12组织致密、针孔少，附着力强。

S202、在气相刻蚀牺牲层远离衬底的一侧形成刻蚀保护层。

参考图4，图4本发明实施例步骤S202的工艺示意图，衬底11上沉积一层气相刻蚀牺牲层12之后，在气相刻蚀牺牲层12上形成刻蚀保护层13，刻蚀保护层13覆盖气相刻蚀牺牲层12。可选的，刻蚀保护层13可以为非晶硅材料，易切割，便于进行后续掩膜图形的刻蚀。可选的，刻蚀保护层13的厚度可以为50nm～300nm；气相刻蚀牺牲层12的厚度可以为450nm～500nm。

S203、通过聚焦离子束工艺在刻蚀保护层上形成掩膜图形。

参考图5，图5是本发明实施例步骤S203的工艺示意图，通过聚焦离子束工艺在刻蚀保护层13上刻蚀形成掩膜图形131，具体的，将形成有刻蚀保护层13的衬底11置于扫描电镜或聚焦离子束系统的真空腔体内，利用扫描电镜在刻蚀保护层13的表面确定合适的掩膜图形设置区域，并在掩膜图形设置区域内绘制掩膜图形，利用高能的聚焦离子束流轰击刻蚀保护层13，将掩膜图形处的刻蚀保护层材料完全刻除，形成掩膜图形131，使得气相刻蚀牺牲层12的部分结构经过掩膜图形131向外露出。

S204、通过气相干刻工艺经由掩膜图形刻蚀气相刻蚀牺牲层至露出衬底，形成镂空结构。

参考图6，图6是本发明实施例步骤S204的工艺示意图，通过气相干刻工艺对掩膜图形处的气相刻蚀牺牲层12进行刻蚀，使得衬底11露出，从而使得气相刻蚀牺牲层12形成镂空结构121。气相干刻工艺是一种通过催化气体与待刻蚀材料进行反应，最终形成刻蚀图形的刻蚀工艺，相对于湿法刻蚀，气相干刻工艺不易引入杂质，刻蚀工艺简单。

具体的，本实施例中，可以将刻蚀保护层13刻蚀形成掩膜图形131后的衬底11置于气相干刻刻蚀机内，并通过催化气体，示例性的，若气相刻蚀牺牲层12为氧化硅，催化气体可以为气态无水乙醇、氟化氢气体和氮气的混合气体，使得氟化氢气体通过掩膜图形131与露出的气相刻蚀牺牲层12反应，形成镂空结构121。示例性的，干刻工艺的反应温度可以为70℃，刻蚀时压强为95Torr。连续进行3次2分钟的刻蚀循环，每次刻蚀完后需要抽真空至0.1Torr。

可选的，继续参考图6，气相刻蚀牺牲层12的镂空结构121在衬底11上的垂直投影覆盖并大于刻蚀保护层13的掩膜图形131。便于后续通过掩膜图形131进行沉积时，不会影响超导薄膜层的沉积形状，并且，气相刻蚀牺牲层12不与沉积后的超导薄膜层接触，便于形成具有间隙的超导薄膜层，从而保证超导薄膜层不同位置的生长应力均匀，增强本实施中超导薄膜制备出来的超导波导的品质因子的均匀性。

本实施例在衬底上制作了用于掩膜的刻蚀保护层，并制作了支撑刻蚀保护层的气相刻蚀牺牲层，使得超导薄膜层能够分块沉积至衬底上，形成具有间断的超导薄膜层，有效释放超导薄膜层的生长应力，保证超导薄膜形成的超导波导具有均匀的、数值较高的品质因子。

可选的，将刻蚀保护层作为掩膜，在衬底靠近刻蚀保护层的一侧沉积超导薄膜层，可以包括：将刻蚀保护层作为掩膜，通过磁控溅射工艺或脉冲激光分子束外延工艺沉积超导薄膜层。具体的，参考图7，图7是本发明实施例提供的另一种超导薄膜的制备方法的流程示意图，超导薄膜的制备方法包括如下步骤：

S301、提供衬底。

S302、在衬底上形成气相刻蚀牺牲层。

S303、在气相刻蚀牺牲层远离衬底的一侧形成刻蚀保护层。

S304、通过聚焦离子束工艺在刻蚀保护层上形成掩膜图形。

S305、通过气相干刻工艺经由掩膜图形刻蚀气相刻蚀牺牲层至露出衬底，形成镂空结构。

S306、将形成刻蚀保护层的衬底放入真空准备腔，以第一预设温度加热第一设定时间，并通过活性分子进行吹扫。

通过气相干刻工艺经由掩膜图形刻蚀气相刻蚀牺牲层至露出衬底，形成镂空结构之后，还可以包括：将形成刻蚀保护层的衬底放入真空准备腔，以第一预设温度加热第一设定时间，并通过活性分子进行吹扫，从而对气相刻蚀牺牲层刻蚀出镂空结构后的衬底进行清洁，防止工艺残余杂质影响后续超导薄膜层的沉积。具体的，可将真空准备腔设置有第一预设温度加热，并保持第一设定时间，使得杂质可高温蒸发，可选的，第一预设温度可以为100～200℃，第一设定时间可以为20～60分钟，以清除气相干刻工艺形成的杂质。并通过活性分子对衬底进行吹扫，以进一步清除气相干刻工艺形成的杂质，可选的，活性分子为氢气等离子体，示例性的，可控制准直的氢气离子吹扫衬底，以获取干净的衬底结构。

S307、将刻蚀保护层作为掩膜，通过磁控溅射工艺或脉冲激光分子束外延工艺沉积超导薄膜层。

参考图8，图8是本发明实施例步骤S307的工艺示意图，本实施例可通过磁控溅射工艺形成超导薄膜层14，磁控溅射工艺的设备简单，易于控制，附着力强，能够形成均匀的超导薄膜层14。脉冲激光分子束外延工艺，能够在超高真空系统中，通过激光照射超导薄膜层的材料，使得超导薄膜层14的材料气化并通过喷射炉形成分子束沉积至衬底11上。如图8所示，因为气相刻蚀牺牲层12的镂空结构121在衬底11上的垂直投影覆盖并大于刻蚀保护层13的掩膜图形131，则沉积后的超导薄膜层14不与气相刻蚀牺牲层12，从而形成间断设置的超导薄膜层14。可选的，超导薄膜层的材料可以为氮化钛。

S308、将气相刻蚀牺牲层通过气相干刻工艺刻蚀掉。

参考图9，图9是本发明实施例提供的一种超导薄膜的结构示意图，参考图8和图9，在将刻蚀保护层13作为掩膜，在衬底11靠近刻蚀保护层13的一侧沉积超导薄膜层之后，需要将气相刻蚀牺牲层12刻蚀掉，并且位于气相刻蚀牺牲层12远离衬底11的一侧的刻蚀保护层13和超导薄膜层14也容易被去除。气相干刻工艺与气相刻蚀牺牲层12形成镂空结构121的工艺相同，具体工艺参考上述镂空结构121的工艺过程。并且，因为超导薄膜层14与气相刻蚀牺牲层12之间是存在间隔的，在对气相刻蚀牺牲层12进行刻蚀时，不会破坏超导薄膜层14的结构。

S309、并将刻蚀气相刻蚀牺牲层的衬底浸入丙酮溶液中进行超声处理，剥离刻蚀保护层。

在将气相刻蚀牺牲层12刻蚀完成后，可将形成间断设置的超导薄膜层14的衬底11，即将形成的超导薄膜浸入丙酮溶液中进行超声处理，从而剥离并清洗掉残余的刻蚀保护层。

S310、将剥离刻蚀保护层的衬底放入真空准备腔中，以第一预设温度加热第一设定时间，获取超导薄膜。

将超导薄膜从丙酮溶液中取出后，可将超导薄膜再次放入真空准备腔，以第一预设温度将超导薄膜加热第一预定时间，从而进一步清除超导薄膜表面的杂质残余。可选的，第一预设温度可以为100～200℃，第一设定时间可以为20～60分钟。

本实施例在衬底上制作了用于掩膜的刻蚀保护层，并制作了支撑刻蚀保护层的气相刻蚀牺牲层，使得超导薄膜层能够分块沉积至衬底上，形成具有间断的超导薄膜层，有效释放超导薄膜层的生长应力，保证超导薄膜形成的超导波导具有均匀的、数值较高的品质因子。超导薄膜层通过磁控溅射工艺或脉冲激光分子束外延工艺沉积形成，均匀性强，进一步增强超导波导的品质因子的均匀性。

基于同一构思，本发明实施例还提供了一种超导薄膜，示例性的，超导薄膜可如图9所示，可用于形成量子计算机的超导波导，由本发明任意实施例提供的导薄膜的制备方法形成，具有本发明任意实施例提供的导薄膜的制备方法的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。