高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构
阅读说明：本技术 高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构 (Method for preparing high-coupling-efficiency induction type superconducting edge detector and structure ) 是由 王雪深 钟青 李劲劲 钟源 徐骁龙 曹文会 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构。超导量子干涉器件结构具有超导转变温度的第三超导薄膜结构。设置于超导量子干涉器件结构包围形成的环孔中的超导转变边缘结构包括第一超导薄膜结构。当处于超导转变的温度时,光子或其他粒子入射后,超导转变边缘结构对入射光的吸收产生相应的温升,降低超导转变边缘结构的有效面积,超导量子干涉器件结构的电感增加,输出电压增加。通过高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法制备的缝隙孔为纳米级别,且在增加超导转变边缘结构的探测面积的同时,降低超导量子干涉器件结构的制备难度,提高超导量子干涉器件结构与超导转变边缘结构的耦合效率。(The application relates to a preparation method and a structure of an induction type superconducting edge detector with high coupling efficiency. The superconducting quantum interference device structure has a third superconducting thin film structure with a superconducting transition temperature. The superconducting transition edge structure arranged in a ring hole formed by surrounding the superconducting quantum interference device structure comprises a first superconducting thin film structure. When the superconducting transition temperature is reached, after photons or other particles are incident, the absorption of the superconducting transition edge structure on the incident light generates corresponding temperature rise, the effective area of the superconducting transition edge structure is reduced, the inductance of the superconducting quantum interference device structure is increased, and the output voltage is increased. The gap hole prepared by the preparation method of the high-coupling-efficiency induction type superconducting edge detector is in a nanometer level, the detection area of the superconducting transition edge structure is increased, the preparation difficulty of the superconducting quantum interference device structure is reduced, and the coupling efficiency of the superconducting quantum interference device structure and the superconducting transition edge structure is improved.)
技术领域
本申请涉及电子器件技术领域，特别是涉及一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构。
背景技术
超导转变边缘探测器(Superconducting transition edge sensors，TES)是一种极度灵敏的探测器。它的主要结构是超导薄膜，工作温度在其超导态与正常态很窄的范围之间，也就是电阻在零和正常值之间。与常温的半导体单光子探测器，如雪崩二极管、或者光电倍增管相比，超导转变边缘探测器具有光子数分辨能力及能量分辨能力，响应速度快，低探测能量的优点，广泛应用于精密测量、天文探测，量子通讯，生物荧光传感等领域。
超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是目前最灵敏的磁通-电压传感器，能够精密测量磁场(梯度)、电流、电压、位移等通过自感和互感能够转换为磁通量的物理量，在精密测量、航空航天、地球物理、海洋探测、生物和医学等方面具有广泛的应用。
感应式超导边缘探测器(Inductive superconducting transition edgedetectors，ISTED)，为在4K到8K之间进行单光子的探测，兼顾了超导转变边缘探测器与超导量子干涉器件的功能。当感应式超导边缘探测器处于超导转变的温度时，光子或者其他粒子入射后，感应式超导边缘探测器的超导薄膜对入射光的吸收产生了相应的温升，降低超导薄膜的有效面积。同时，感应式超导边缘探测器的电感增加，输出电压增加，此时电压增加量正比于吸收光的能量。因此，当感应式超导边缘探测器的超导薄膜与电感结构的耦合越好，测量的灵敏度越高。
然而，传统的高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，随着超导薄膜的探测面积越大，电感结构制作难度越高，进而导致感应式超导边缘探测器的超导薄膜与电感结构的耦合效率偏低，降低了感应式超导边缘探测器的测量灵敏度。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构。
为了实现上述目的，一方面，本申请提供了一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，包括如下步骤：
提供衬底，于所述衬底表面依次制备全反射薄膜结构、第一绝缘结构、第一超导薄膜结构以及第二绝缘结构；其中，所述全反射薄膜结构、所述第一绝缘结构、所述第一超导薄膜结构以及所述第二绝缘结构形成超导转变边缘结构；
于所述第二绝缘结构远离所述第一超导薄膜结构的表面依次制备牺牲层与第二超导薄膜，并延伸至所述衬底将所述超导转变边缘结构覆盖；
于所述第二超导薄膜远离所述牺牲层的表面制备第二掩膜层；
根据所述第二掩膜层，对所述第二超导薄膜远离所述牺牲层的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层，并去除所述第二掩膜层，于所述牺牲层表面形成第二超导薄膜结构；
对所述第二超导薄膜结构远离所述第二绝缘结构的表面进行研磨，研磨至所述牺牲层，于所述牺牲层表面形成第三超导薄膜结构；
对所述牺牲层远离所述第二绝缘结构的表面、所述牺牲层远离所述衬底的表面、所述第三超导薄膜结构侧壁与所述超导转变边缘结构侧壁之间的所述牺牲层进行刻蚀，形成牺牲结构；
其中，所述牺牲结构与所述第三超导薄膜结构形成超导量子干涉器件结构，所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间形成缝隙孔。
在一个实施例中，所述缝隙孔的缝隙为50纳米至150纳米。
在一个实施例中，于所述衬底表面依次制备全反射薄膜结构、第一绝缘结构、第一超导薄膜结构以及第二绝缘结构，步骤之前，所述方法还包括如下步骤：
于所述衬底表面依次制备反射层、第一绝缘层、第一超导薄膜以及第二绝缘层；
于所述第二绝缘层远离所述第一超导薄膜的表面制备第一掩膜层；
根据所述第一掩膜层，对所述第二绝缘层远离所述第一超导薄膜的表面进行刻蚀，刻蚀至所述衬底，并去除所述第一掩膜层，于所述衬底表面依次制备所述全反射薄膜结构、所述第一绝缘结构、所述第一超导薄膜结构以及所述第二绝缘结构。
在一个实施例中，所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间形成缝隙孔，步骤之后，所述方法还包括如下步骤：
根据纳米桥结图形，对所述第三超导薄膜结构远离所述牺牲结构的表面进行刻蚀，刻蚀至所述衬底，制备纳米桥。
在一个实施例中，于所述第二绝缘结构远离所述第一超导薄膜结构的表面依次制备牺牲层与第二超导薄膜，并延伸至所述衬底将所述超导转变边缘结构覆盖，步骤包括：
采用磁控溅射方法，设置溅射气压的范围为5mTorr至7mTorr，牺牲层材料的溅射功率的范围为500W至600W，于所述第二绝缘结构远离所述第一超导薄膜结构的表面制备所述牺牲层，并延伸至所述衬底将所述超导转变边缘结构覆盖；
采用磁控溅射方法，设置溅射气压的范围为5mTorr至7mTorr，第二超导薄膜材料的溅射功率的范围为500W至600W，于所述牺牲层远离所述衬底的表面制备所述第二超导薄膜。
在一个实施例中，根据所述第二掩膜层，对所述第二超导薄膜远离所述牺牲层的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层，并去除所述第二掩膜层，于所述牺牲层表面形成第二超导薄膜结构，步骤包括：
根据所述第二掩膜层，采用反应离子刻蚀方法，设置气压范围为15mTorr至20mTorr，功率范围为50W至70W，刻蚀气体SF6流量范围为30sccm至40sccm，对所述第二超导薄膜远离所述牺牲层的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层，形成所述第二超导薄膜结构。
在一个实施例中，对所述第二超导薄膜结构远离所述第二绝缘结构的表面进行研磨，研磨至所述牺牲层，于所述牺牲层表面形成第三超导薄膜结构，步骤包括：
采用化学机械抛光方法，对所述第二超导薄膜结构远离所述第二绝缘结构的表面进行研磨，露出所述牺牲层，形成所述第三超导薄膜结构。
在一个实施例中，对所述牺牲层远离所述第二绝缘结构的表面、所述牺牲层远离所述衬底的表面、所述第三超导薄膜结构侧壁与所述超导转变边缘结构侧壁之间的所述牺牲层进行刻蚀，形成牺牲结构，步骤包括：
采用湿法刻蚀方法，对露出的所述牺牲层、所述第三超导薄膜结构侧壁与所述超导转变边缘结构侧壁之间的所述牺牲层进行刻蚀，形成所述牺牲结构。
在一个实施例中，本申请提供一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构。所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构包括衬底、超导转变边缘结构以及超导量子干涉器件结构。所述超导转变边缘结构位于所述衬底表面。所述超导量子干涉器件结构位于所述衬底表面。且所述超导量子干涉器件结构将所述超导转变边缘结构包围设置。所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间形成缝隙孔。
在一个实施例中，所述超导量子干涉器件结构包括多个纳米桥与多个第三超导薄膜结构。所述多个第三超导薄膜结构之间通过所述多个纳米桥连接。
上述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法及结构，在所述S10中，所述衬底为高电阻率、粗糙度小平整的基底。具体地，所述衬底包括但不限于氧化镁单晶衬底、硅衬底或蓝宝石衬底等。所述全反射薄膜结构可以为铝反射薄膜层、铜反射薄膜层或银反射薄膜层等反射材料。所述第一绝缘结构与所述第二绝缘结构可以为氧化硅或氮化硅等绝缘材料。第一超导薄膜结构可以为Nb等超导材料。
通过所述第一绝缘结构、所述第一超导薄膜结构与所述第二绝缘结构形成约瑟夫森结结构。当所述第一超导薄膜结构，工作温度在其超导态与正常态很窄的范围之间时，也就是电阻在零和正常值之间，可以实现超导转变边缘探测器功能。即，所述超导转变边缘结构为所述衬底表面形成的超导转变边缘探测器的纵向结构。
在所述S20中，在所述第二绝缘结构表面制备所述牺牲层与所述第二超导薄膜，可以理解为在所述超导转变边缘结构表面制备所述牺牲层与所述第二超导薄膜，并将所述超导转变边缘结构的表面以及侧壁进行覆盖。其中，所述牺牲层可以与所述全反射薄膜结构的材质相同，可以为铝反射薄膜层、铜反射薄膜层或银反射薄膜层等反射材料。所述第二超导薄膜可以与所述第一超导薄膜结构的材质相同，可以为铌、铌硅等超导材料。
此时，在所述第二绝缘结构表面制备所述牺牲层与所述第二超导薄膜。所述牺牲层与所述第二超导薄膜的接触表面形成介质分界面。所述牺牲层与所述第二绝缘结构的接触表面形成介质分界面。所述第二绝缘结构与所述第一超导薄膜结构的接触表面形成介质分界面。所述第一超导薄膜结构与所述第一绝缘结构的接触表面形成介质分界面。所述第一绝缘结构与所述全反射薄膜结构的接触表面形成介质分界面。通过多个不同的介质分界面，可以形成光学谐振腔，提供光能反馈等作用。
在所述S30与所述S40中，采用正性紫外光刻胶，如AZ6112进行匀胶与烘烤，并用接触式紫外光刻机套刻对准，对准精度可以为1μm，进行后烘、曝光、显影后，制备所述第二掩膜层。此时，通过所述第二掩膜层，对所述第二超导薄膜进行刻蚀，直至所述牺牲层，形成所述第二超导薄膜结构。
在所述S50中，对于与所述第二绝缘结构相对的所述第二超导薄膜结构的表面进行研磨，露出所述牺牲层，形成所述第三超导薄膜结构。
在所述S60中，对与所述第二绝缘结构相对的所述牺牲层的表面进行刻蚀，露出所述第二绝缘结构。并且，对与所述衬底相对的所述牺牲层的表面进行刻蚀，露出所述衬底。同时，对所述第三超导薄膜结构的侧壁与所述超导转变边缘结构的侧壁之间的所述牺牲层进行刻蚀。此时，剩余所述第三超导薄膜结构与所述衬底之间的所述牺牲层，形成所述牺牲结构。所述牺牲结构与所述第三超导薄膜结构构成所述超导量子干涉器件结构，并包围形成一个环孔，将所述超导转变边缘结构包围。
所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间的所述牺牲层刻蚀后，形成所述缝隙孔。所述超导量子干涉器件结构包括具有超导转变温度的所述第三超导薄膜结构。设置于所述超导量子干涉器件结构包围形成的环孔中的所述超导转变边缘结构包括第一超导薄膜结构。当处于超导转变的温度时，光子或者其他粒子入射后，所述超导转变边缘结构对入射光的吸收产生了相应的温升，降低所述超导转变边缘结构的有效面积，所述超导量子干涉器件结构的电感增加，输出电压增加。此时，所述超导量子干涉器件结构的电压增加量正比于吸收光的能量。并且，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，制备的所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间的所述缝隙孔较小，可以制备纳米级别的缝隙。
因此，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，在所述衬底的表面制备所述超导量子干涉器件结构、所述超导转变边缘结构以及所述缝隙孔，可以提高所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构之间的耦合性。同时，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，在增加所述超导转变边缘结构的探测面积的同时，可以降低所述超导量子干涉器件结构的制备难度，提高了所述超导量子干涉器件结构与所述超导转变边缘结构的耦合效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中提供的高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法的工艺流程示意图。
图2为一实施例中提供的反射层、第一绝缘层、第一超导薄膜与第二绝缘层的剖面示意图。
图3为一实施例中提供的刻蚀第一绝缘结构、第一超导薄膜结构与第二绝缘结构的剖面示意图。
图4为一实施例中提供的超导转变边缘结构的剖面示意图。
图5为一实施例中提供的牺牲层与第二超导薄膜的剖面示意图。
图6为一实施例中提供的第二掩膜层刻蚀第二超导薄膜的剖面示意图。
图7为一实施例中提供的第二掩膜层刻蚀第二超导薄膜的俯视示意图。
图8为一实施例中提供的第三超导薄膜结构的剖面示意图。
图9为一实施例中提供的超导转变边缘结构与超导量子干涉器件结构的剖面示意图。
图10为一实施例中提供的超导转变边缘结构与超导量子干涉器件结构的俯视示意图。
图11为一实施例中提供的刻蚀区域的剖面示意图。
图12为一实施例中提供的刻蚀区域的俯视示意图。
图13为一实施例中提供的高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构的俯视示意图。
图14为一实施例中提供的高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构的俯视示意图。
附图标记说明：衬底-10、全反射薄膜结构-210、第一绝缘结构-310、第一超导薄膜结构-410、第二绝缘结构-510、超导转变边缘结构-100、牺牲层-70、第二超导薄膜-80、第二掩膜层-620、第二超导薄膜结构-810、第三超导薄膜结构-811、牺牲结构-710、超导量子干涉器件结构-200、缝隙孔-300、反射层-20、第一绝缘层-30、第一超导薄膜-40、第二绝缘层-50、第一掩膜层-610、纳米桥-201、刻蚀区域-90。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一掺杂类型成为第二掺杂类型，且类似地，可以将第二掺杂类型成为第一掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型为不同的掺杂类型，譬如，第一掺杂类型可以为P型且第二掺杂类型可以为N型，或第一掺杂类型可以为N型且第二掺杂类型可以为P型。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本申请的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述申请的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本申请的范围。
请参阅图1，本申请提供一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，包括如下步骤：
S10，提供衬底10，于所述衬底10表面依次制备全反射薄膜结构210、第一绝缘结构310、第一超导薄膜结构410以及第二绝缘结构510；其中，所述全反射薄膜结构210、所述第一绝缘结构310、所述第一超导薄膜结构410以及所述第二绝缘结构510形成超导转变边缘结构100；
S20，于所述第二绝缘结构510远离所述第一超导薄膜结构410的表面依次制备牺牲层70与第二超导薄膜80，并延伸至所述衬底10将所述超导转变边缘结构100覆盖；
S30，于所述第二超导薄膜80远离所述牺牲层70的表面制备第二掩膜层620；
S40，根据所述第二掩膜层620，对所述第二超导薄膜80远离所述牺牲层70的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层70，再以此刻蚀结构为掩膜，采用湿法腐蚀牺牲层70，并去除所述第二掩膜层620，于所述牺牲层70表面形成第二超导薄膜结构810；
S50，对所述第二超导薄膜结构810远离所述第二绝缘结构510的表面进行研磨，研磨至所述牺牲层70，于所述牺牲层70表面形成第三超导薄膜结构811；
S60，对所述牺牲层70远离所述第二绝缘结构510的表面、所述牺牲层70远离所述衬底10的表面、所述第三超导薄膜结构811侧壁与所述超导转变边缘结构100侧壁之间的所述牺牲层70进行刻蚀，形成牺牲结构710；
其中，所述牺牲结构710与所述第三超导薄膜结构811形成超导量子干涉器件结构200，所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间形成缝隙孔300。
本实施例中，请参阅图2、图3与图4，在所述S10中，所述衬底10为高电阻率、粗糙度小平整的基底。具体地，所述衬底10包括但不限于氧化镁单晶衬底、硅衬底或蓝宝石衬底等。所述全反射薄膜结构210可以为铝反射薄膜层、铜反射薄膜层或银反射薄膜层等反射材料。所述第一绝缘结构310与所述第二绝缘结构510可以为氧化硅或氮化硅等绝缘材料。第一超导薄膜结构410可以为Nb等超导材料。
通过所述第一绝缘结构310、所述第一超导薄膜结构410与所述第二绝缘结构510形成约瑟夫森结结构。当所述第一超导薄膜结构410，工作温度在其超导态与正常态很窄的范围之间时，也就是电阻在零和正常值之间，可以实现超导转变边缘探测器功能。即，所述超导转变边缘结构100为所述衬底10表面形成的超导转变边缘探测器的纵向结构。
在所述S20中，请参阅图5，在所述第二绝缘结构510表面制备所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80，可以理解为在所述超导转变边缘结构100表面制备所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80，并将所述超导转变边缘结构100的表面以及侧壁进行覆盖。其中，所述牺牲层70可以为铝材料薄膜。所述第二超导薄膜80可以与所述第一超导薄膜结构410的材质相同，可以为铌、铌硅等超导材料。
此时，在所述第二绝缘结构510表面制备所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80。所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80的接触表面形成介质分界面。所述牺牲层70与所述第二绝缘结构510的接触表面形成介质分界面。所述第二绝缘结构510与所述第一超导薄膜结构410的接触表面形成介质分界面。所述第一超导薄膜结构410与所述第一绝缘结构310的接触表面形成介质分界面。所述第一绝缘结构310与所述全反射薄膜结构210的接触表面形成介质分界面。通过多个不同的介质分界面，可以形成光学谐振腔，提供光能反馈等作用。
在所述S30与所述S40中，参阅图6与图7，采用正性紫外光刻胶，如AZ6112进行匀胶与烘烤，并用接触式紫外光刻机套刻对准，对准精度可以为1μm，进行后烘、曝光、显影后，制备所述第二掩膜层620。此时，通过所述第二掩膜层620，对所述第二超导薄膜80进行刻蚀，直至所述牺牲层70，形成所述第二超导薄膜结构810。
在所述S50中，参阅图8，对于与所述第二绝缘结构510相对的所述第二超导薄膜结构810的表面进行研磨，露出所述牺牲层70，形成所述第三超导薄膜结构811。
在所述S60中，参阅图9与图10，对与所述第二绝缘结构510相对的所述牺牲层70的表面进行刻蚀，露出所述第二绝缘结构510。并且，对与所述衬底10相对的所述牺牲层70的表面进行刻蚀，露出所述衬底10。同时，对所述第三超导薄膜结构811侧壁与所述超导转变边缘结构100侧壁之间的所述牺牲层70进行刻蚀。此时，剩余所述第三超导薄膜结构811与所述衬底10之间的所述牺牲层70，形成所述牺牲结构710。所述牺牲结构710与所述第三超导薄膜结构811构成所述超导量子干涉器件结构200，并包围形成一个环孔，将所述超导转变边缘结构100包围。
所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间的所述牺牲层70刻蚀后，形成所述缝隙孔300。所述超导量子干涉器件结构200包括具有超导转变温度的所述第三超导薄膜结构811。设置于所述超导量子干涉器件结构200包围形成的环孔中的所述超导转变边缘结构100包括第一超导薄膜结构410。当处于超导转变的温度时，光子或者其他粒子入射后，所述超导转变边缘结构100对入射光的吸收产生了相应的温升，降低所述超导转变边缘结构100的有效面积，所述超导量子干涉器件结构200的电感增加，输出电压增加。此时，所述超导量子干涉器件结构200的电压增加量正比于吸收光的能量。并且，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，制备的所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间的所述缝隙孔300较小，可以制备纳米级别的缝隙。
因此，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，在所述衬底10的表面制备所述超导量子干涉器件结构200、所述超导转变边缘结构100以及所述缝隙孔300，可以提高所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间的耦合性。同时，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，在增加所述超导转变边缘结构100的探测面积的同时，可以降低所述超导量子干涉器件结构200的制备难度，提高了所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100的耦合效率。
在一个实施例中，所述缝隙孔300的缝隙为50纳米至150纳米。
本实施例中，所述缝隙孔300的缝隙为50纳米至150纳米，降低了缝隙的尺寸到亚微米，使得所述超导转变边缘结构100的探测面积增加，提高了所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间的耦合性，进而提高了感应式超导边缘探测器的测量灵敏度。
在一个实施例中，于所述衬底10表面依次制备全反射薄膜结构210、第一绝缘结构310、第一超导薄膜结构410以及第二绝缘结构510，步骤之前，所述方法还包括如下步骤：
S110，于所述衬底10表面依次制备反射层20、第一绝缘层30、第一超导薄膜40以及第二绝缘层50；
S120，于所述第二绝缘层50远离所述第一超导薄膜40的表面制备第一掩膜层610；
S130，根据所述第一掩膜层610，对所述第二绝缘层50远离所述第一超导薄膜40的表面进行刻蚀，刻蚀至所述衬底10，并去除所述第一掩膜层610，于所述衬底10表面依次制备所述全反射薄膜结构210、所述第一绝缘结构310、所述第一超导薄膜结构410以及所述第二绝缘结构510。
在所述S110中，参阅图2，采用磁控溅射方法，溅射室的本底压力优于6×10-8Torr，设置溅射气压的范围为4mTorr至6mTorr，铝材料的溅射功率的范围为500W至600W，在所述衬底10表面沉积所述反射层20。
并且，采用磁控溅射方法，溅射室的本底压力优于3×10-8Torr，设置溅射气压的范围为4mTorr至6mTorr，Nb材料的溅射功率的范围为400W至600W，在所述第一绝缘层30远离所述反射层20的表面沉积所述第一超导薄膜40。
采用低温等离子体辅助化学气相沉积方法，在100度以下生长。设置沉积温度范围为50℃至60℃，压力范围为5mTorr至6mTorr，氧气流量范围为15sccm至25sccm，硅烷流量范围为40sccm至60sccm，在所述反射层20远离所述衬底10的表面沉积350nm至370nm厚度的所述第一绝缘层30(本实施例为SiO2薄膜)。并且，设置腔室压力6mTorr至8mTorr，氮气流量范围为4sccm至10sccm，硅烷流量范围为40sccm至60sccm，在所述第一超导薄膜40远离所述第一绝缘层30的表面沉积90nm至110nm厚度的所述第二绝缘层50(本实施例为SiNx薄膜)。
采用低温等离子体辅助化学气相沉积方法，设置沉积温度范围、压力范围、氧气流量范围，硅烷流量范围，沉积二氧化硅薄膜。设置压力范围，氮气流量范围，硅烷流量范围，沉积SiNx薄膜，形成SiO2和SiNx双层结构，可以实现对所述第一绝缘层30与所述第二绝缘层50的应力调节，以使得所述第一绝缘层30与所述第二绝缘层50的整体应力减小，不会影响所述第一超导薄膜40的超导特性，能够有效提高超导电路器件的性能及其稳定性。
在所述S120中，参阅图3，采用正性紫外光刻胶(如AZ6112)，进行匀胶与烘烤，并用接触式紫外光刻机套刻对准，对准精度可以为1μm，进行后烘、曝光、显影后，在所述第二绝缘层50远离所述第一超导薄膜40的表面制备所述第一掩膜层610。所述第一掩膜层610的结构为TES光刻胶结构。
在所述S130中，参阅图3，采用氟基干法刻蚀工艺，设置刻蚀气压为7mT至8mT，反应离子刻蚀的功率为20W至30W，SF6气体流量为4sccm至6sccm，C4F8气体流量为40sccm至50sccm，根据所述第一掩膜层610，对所述第二绝缘层50远离所述第一超导薄膜40的表面进行刻蚀，刻蚀至所述反射层20。并去除所述第一掩膜层610。
同时，以所述第一绝缘结构310、所述第一超导薄膜结构410以及所述第二绝缘结构510形成的结构为掩膜，采用碱性铝腐蚀液，刻蚀所述反射层20，形成所述全反射薄膜结构210。此时，在所述衬底10表面依次制备有所述全反射薄膜结构210、所述第一绝缘结构310、所述第一超导薄膜结构410以及所述第二绝缘结构510。
采用反应离子刻蚀方法，通过设置气体流量范围，实现对刻蚀气体的比例调节，可以避免刻蚀误差的发生，实现对刻蚀进程进行精确稳定的控制。
在一个实施例中，S20，于所述第二绝缘结构510远离所述第一超导薄膜结构410的表面依次制备牺牲层70与第二超导薄膜80，并延伸至所述衬底10将所述超导转变边缘结构100覆盖，步骤包括：
S210，采用磁控溅射方法，设置溅射气压的范围为5mTorr至7mTorr，牺牲层材料的溅射功率的范围为500W至600W，于所述第二绝缘结构510远离所述第一超导薄膜结构410的表面制备所述牺牲层70，并延伸至所述衬底10将所述超导转变边缘结构100覆盖；
S220，采用磁控溅射方法，设置溅射气压的范围为5mTorr至7mTorr，第二超导薄膜材料的溅射功率的范围为500W至600W，于所述牺牲层70远离所述衬底10的表面制备所述第二超导薄膜80。
本实施例中，所述牺牲层70为铝膜牺牲层，厚度为50nm～150nm。所述第二超导薄膜80为铌膜，厚度为100nm～200nm。采用磁控溅射方法，在所述第二绝缘结构510的表面依次制备所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80。在磁控溅射制备过程中，调控溅射气压，或者调控溅射功率，或者同时调控溅射气压和溅射功率，可以改变所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80的应力。此时，通过根据调控溅射气压或/和溅射功率，可以实现对所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80的应力调节，以使得所述牺牲层70与所述第二超导薄膜80的整体应力减小，有利于提高薄膜性能。从而，有效提高器件的性能及其稳定性。
在一个实施例中，S40，根据所述第二掩膜层620，对所述第二超导薄膜80远离所述牺牲层70的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层70，并去除所述第二掩膜层620，于所述牺牲层70表面形成第二超导薄膜结构810，步骤包括：
根据所述第二掩膜层620，采用反应离子刻蚀方法，设置气压范围为15mTorr至20mTorr，功率范围为50W至70W，刻蚀气体SF6流量范围为30sccm至40sccm，对所述第二超导薄膜80远离所述牺牲层70的表面进行刻蚀，刻蚀至所述牺牲层70，形成所述第二超导薄膜结构810。
本实施例中，采用反应离子刻蚀方法，设置刻蚀气压范围在15mTorr至20mTorr，功率范围为50W至70W以及刻蚀气体SF6流量范围为30sccm至40sccm，对所述第二超导薄膜80进行刻蚀，可以避免刻蚀误差的发生，可以确保将所述第二超导薄膜80的不需要部位刻蚀干净的情况下，不会把所述牺牲层70刻蚀掉。从而，可以实现对所述第二超导薄膜80的刻蚀进程进行精确稳定的控制，提高线条的精度、改进了制备器件的性能。
在一个实施例中，S50，对所述第二超导薄膜结构810远离所述第二绝缘结构510的表面进行研磨，研磨至所述牺牲层70，于所述牺牲层70表面形成第三超导薄膜结构811，步骤包括：
采用化学机械抛光方法，对所述第二超导薄膜结构810远离所述第二绝缘结构510的表面进行研磨，露出所述牺牲层70，形成所述第三超导薄膜结构811。
本实施例中，采用化学机械抛光方法(Chemical mechanical polishing，CMP)，将所述第二绝缘结构510对应的所述第二超导薄膜结构810进行研磨，露出所述牺牲层70，即磨去所述超导转变边缘结构100上的所述牺牲层70。通过化学机械抛光方法，可以获得平坦、又无划痕和杂质玷污的表面，不会对露出的所述牺牲层70的表面造成影响。
在一个实施例中，S60，对所述牺牲层70远离所述第二绝缘结构510的表面、所述牺牲层70远离所述衬底10的表面、所述第三超导薄膜结构811侧壁与所述超导转变边缘结构100侧壁之间的所述牺牲层70进行刻蚀，形成牺牲结构710，步骤包括：
采用湿法刻蚀方法，对露出的所述牺牲层70、所述第三超导薄膜结构811侧壁与所述超导转变边缘结构100侧壁之间的所述牺牲层70进行刻蚀，形成所述牺牲结构710。
本实施例中，以所述超导转变边缘结构100为掩膜形状，采用铝腐蚀液对所述牺牲层70进行腐蚀，去掉所述超导量子干涉器件结构200之外和CMP抛光暴露出来的所述牺牲层70。剩余所述第三超导薄膜结构811与所述衬底10之间的所述牺牲层70，制备形成所述牺牲结构710。从而，在所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间形成所述缝隙孔300。所述缝隙孔300的狭窄缝隙为50nm至150nm。
通过湿法刻蚀方法(铝腐蚀液)，纯化学刻蚀所述牺牲层70(铝膜)，具有优良的选择性，只会刻蚀所述牺牲层70，最终形成所述牺牲结构710。
在一个实施例中，S60，所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间形成缝隙孔300，步骤之后，所述方法还包括如下步骤：
S70，根据纳米桥结图形，对所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面进行刻蚀，刻蚀至所述衬底10，制备纳米桥201。
本实施例中，参阅图11、图12、图13，根据桥结图形，采用聚焦离子束刻蚀方法，设置电压范围为20KV至40kV加速镓离子，轰击需要去除的区域，如图12中的刻蚀区域90可以在低维度、小尺寸下对所述第三超导薄膜结构811与所述牺牲结构710进行刻蚀。此时，轰击所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面，刻蚀至所述衬底10，形成所述纳米桥201。所述纳米桥201为纳米级尺度结构。通过聚焦离子束刻蚀方法，工艺可控稳定，制备的结阵芯片可以满足量子电压交、直流基标准运行要求。
本实施例中，根据桥结图形，采用电子束光刻方法，在所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面采用ZEP520胶，进行匀胶、烘烤和曝光后，制备光刻胶掩膜层结构。
根据光刻胶掩膜层结构，采用反应离子刻蚀方法，设置刻蚀气压范围为10mTorr至20mTorr，设置功率范围为40W至100W，设置刻蚀气体SF6范围为20sccm至40sccm，对所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面进行刻蚀。其中，用干法刻蚀机刻蚀。设置刻蚀气压为15mT，反应离子刻蚀的功率为50W，SF6气体流量为30sccm，对所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面进行刻蚀，直至所述衬底10。
采用电子束光刻方法和反应离子刻蚀方法相结合，设置刻蚀气压范围、功率范围、刻蚀气体SF6范围，对所述第三超导薄膜结构811远离所述牺牲结构710的表面进行刻蚀，可以避免刻蚀误差的发生，可以确保将所述第三超导薄膜结构811和所述牺牲结构710的不需要部位刻蚀干净的情况下，不会把其他部位刻蚀掉。从而，可以实现对所述第三超导薄膜结构811和所述牺牲结构710的刻蚀进程进行精确稳定的控制，提高线条的精度、改进了制备器件的性能。
因此，通过所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器制备方法，可以制备完成高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构芯片，且降低了制备难度，提高了所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100的耦合效率。
请参阅图11、图12、图13和图14，在一个实施例中，本申请提供一种高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构。所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构包括衬底10、超导转变边缘结构100以及超导量子干涉器件结构200。所述超导转变边缘结构100位于所述衬底10表面。所述超导量子干涉器件结构200位于所述衬底10表面。且所述超导量子干涉器件结构200将所述超导转变边缘结构100包围设置。所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间形成缝隙孔300。
本实施例中，所述衬底10为高电阻率、粗糙度小平整的基底。所述超导量子干涉器件结构200包围形成一个环孔，所述超导转变边缘结构100设置于环孔中。此时，所述超导量子干涉器件结构200将所述超导转变边缘结构100包围设置。在所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间形成所述缝隙孔300，当处于超导转变的温度时，光子或者其他粒子入射后，所述超导转变边缘结构100对入射光的吸收产生了相应的温升，降低所述超导转变边缘结构100的有效面积，所述超导量子干涉器件结构200的电感增加，输出电压增加。所述超导量子干涉器件结构200的电压增加量正比于吸收光的能量。通过设置所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100之间的所述缝隙孔300，可以在增大所述超导转变边缘结构100的探测面积的同时，确保所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100的耦合效率。从而，通过高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构，提高了所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100的耦合效率，进而提高感应式超导边缘探测器的测量灵敏度。
在一个实施例中，所述超导量子干涉器件结构200包括多个纳米桥201与多个第三超导薄膜结构811。所述多个第三超导薄膜结构811之间通过所述多个纳米桥201连接。
本实施例中，通过所述纳米桥201将多个所述第三超导薄膜结构811连接，形成所述超导量子干涉器件结构200。通过所述超导量子干涉器件结构200与所述超导转变边缘结构100形成所述高耦合效率的感应式超导边缘探测器结构。所述纳米桥201包括第二超导薄膜层与牺牲层两层结构，进而可以实现多个第三超导薄膜结构811的串联连接。
在一个实施例中，所述超导转变边缘结构100包括全反射薄膜结构210、第一绝缘结构310、第一超导薄膜结构410以及第二绝缘结构510。所述全反射薄膜结构210、第一绝缘结构310、第一超导薄膜结构410以及第二绝缘结构510依次设置于所述衬底10。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请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描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述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申请专利范围的限制。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。