CN103779443A - 超导纳米线单光子探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备超导纳米线单光子探测器的方法，包括：在一硬性基底上形成与预定图形一致的硬模图形，所述硬模图形从所述硬性基底的基本平坦的表面向上凸起，通过热压印工艺将所述硬模图形转移到一软模上形成软模板；提供一超导材料形成的超导薄膜层，所述超导薄膜层上涂覆有一层紫外光固化胶层；通过紫外压印工艺将所述软模上的图形转移到所述紫外光固化胶层上，以便在所述紫外光固化胶层上形成掩模图形；以及利用所述掩模图形，采用反应离子刻蚀工艺在所述超导薄膜层上形成由具有所述预定图形的所述超导纳米线。本发明的方法具有高效率、高分辨率、低成本的优点，且工艺简单，适于生产大探测面积或阵列形式的超导纳米线单光子探测器。
Description
工艺领域
本发明涉及微加工工艺领域，特别是涉及一种超导纳米线单光子探测器的制备方法。
背景工艺
能够达到单光子能量分辨率的探测器称之为单光子探测器，这类超高灵敏度探测器一直是现代光学和信息工艺中非常重要的器件，特别最近兴起的量子信息工艺，对单光子探测提出了更高的要求。为了能够在光纤中进行长距离传播，一般要求采用通信波段光子（1300nm或1550nm），而在这个波段，传统的单光子探测器例如光电倍增管、半导体硅基雪崩二极管等已经基本失效，为此迫切需要寻找新型的高效单光子探测器。
超导纳米线单光子探测器是近十年来出现的一种新型的单光子探测器。这类器件是在超薄超导薄膜上通过微纳加工手段制备纳米级曲折线结构，通过超导纳米线吸收一个入射光子时产生的超导-正常态跳变来探测单个光子。与半导体单光子探测器（例如门控GaAs雪崩二极管）相比，超导纳米线单光子探测器具有许多优势，包括极低的暗计数率、高重复率、低时间抖动、可延伸至THz波段的宽频响应能力、高量子效率，且其工艺上与半导体工艺有很高的兼容性，容易扩展和集成等等。
目前此类器件主要的制备方法是传统的电子束光刻工艺，并配合紫外光刻和反应离子刻蚀的方法。电子束光刻工艺具有很高的分辨率，是制备纳米级结构的常用方法，但是这种逐点扫描的加工方式效率是特别低的，不能满足高效率制备的要求，并且成本高、操作复杂，另外由于电荷聚集效应，电子束光刻对绝缘衬底的操作比较复杂，因此该工艺只适用于科学研究领域，不适合器件的大规模生产。
纳米压印是实现纳米器件批量复制的一种新兴工艺，可以说是纳米级微缩版的活字印刷术。其主要优势是高分辨率、高产率、低成本且操作简单。在纳米压印中，只需事先用昂贵的电子束光刻或者聚焦离子束刻蚀等微纳加工方法制备出压印模板，利用该模板便可复制出大批量的纳米器件。另外纳米压印工艺对衬底的导电性没有要求，是一种适应性很高的新型纳米加工工艺。在纳米压印工艺中，包括压印和图形转移过程，由于压印模板与衬底材料的热膨胀系数不同，其热膨胀作用将会导致转移后的图形尺寸的误差。由于超导纳米线单光子探测器中的纳米线具有以曲折且紧凑的方式延伸的长程线条型结构，在制备过程中要尽量保证线条均匀且不能中断，因此，利用纳米压印工艺制备超导纳米线单光子探测器并不被看好。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种制备超导纳米线单光子探测器的方法，用于形成由折线型延伸的超导纳米线形成的预定图形，包括：
在一硬性基底上形成与所述预定图形一致的硬模图形，所述硬模图形从所述硬性基底的基本平坦的表面向上凸起，从而获得硬模板；
将所述硬模板的带有所述硬模图形的表面压到一软模上，通过热压印工艺将所述硬模板的硬模图形转移到所述软模上，以便在所述软模上形成与所述硬模图形互补的软模图形，从而获得软模板；其中，所述软模图形由从所述软模的基本平坦的表面向下凹入的沟道形成；
提供一超导材料形成的超导薄膜层，所述超导薄膜层上涂覆有一层紫外光固化胶层；
将所述软模板的带有所述软模图形的表面压到所述紫外光固化胶层上，通过紫外压印工艺将所述软模板的软模图形转移到所述紫外光固化胶层上，以便在所述紫外光固化胶层上形成与所述软模图形互补的掩模图形；以及
利用所述掩模图形，采用反应离子刻蚀工艺在所述超导薄膜层上形成具有所述预定图形的所述超导纳米线。
在一种实施方式中，在获得所述硬模板时还可包括：
采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底的原表面向下刻蚀，以形成与所述预设图形一致的所述硬模图形；
采用紫外光刻工艺在所述硬模图形上形成一光刻胶保护层；以及
采用反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底上没有形成所述光刻胶保护层的原表面向下刻蚀掉预定深度以获得所述硬模板的所述基本平坦的表面。
在一种实施方式中，采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺形成所述硬模图形的同时，可在所述硬性基底的原表面向下刻蚀对准标记图形，用于将紫外光刻工艺形成的所述光刻胶保护层与所述预设图形对准。
在一种实施方式中，所述预定图形的所述超导纳米线的线宽可小于100nm，占空比不小于0.5。
在一种实施方式中，所述硬性基底可由硅材料形成。
在一种实施方式中，所述软模可由IPS材料形成，所述热压印工艺的温度可为150-170℃，压力可为30-40bar。
在一种实施方式中，所述超导材料可为Nb，NbN或NbTiN。
在一种实施方式中，所述超导薄膜层的厚度可为3-10nm。
在一种实施方式中，所述方法还可包括
采用紫外光刻工艺、镀膜工艺以及剥离工艺在所述预定图形的所述超导纳米线的两端制备电极。
在一种实施方式中，所述电极可由Ti膜和沉积在所述Ti膜上的Au膜形成，其中，所述Ti膜的厚度可为2-10nm。
相对于传统的电子束光刻工艺直接制作超导纳米线单光子探测器的方法，本发明的优势在于高效率、高分辨率、低成本，且工艺简单，适于生产大探测面积或阵列形式的超导纳米线单光子探测器。
本发明的纳米压印工艺中，由于对硬模板的特殊设计，使得在将图形转移到超导薄膜层的紫外光固化胶层上时，软模板上的线条受力更加均匀，获得的产品性能更好。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域工艺人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域工艺人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1a-图1d是根据本发明实施例的制备硬模板的流程示意图。
图2a-图2f是利用图1制备的硬模板采用纳米压印工艺制备超导纳米线单光子探测器的流程示意图。
图3a和图3b分别为硬模板的硬模图形的SEM图片和利用该硬模板通过压印工艺得到超导纳米线的SEM图片。
图4是根据本发明实施例的超导纳米线单光子探测器的电阻随温度变化曲线。
具体实施方式
本发明的制备超导纳米线单光子探测器的方法，用于形成由折线型延伸的超导纳米线形成的预定图形。该方法包括：在一硬性基底上形成与所述预定图形一致的硬模图形，所述硬模图形从所述硬性基底的基本平坦的表面向上凸起，从而获得硬模板。将所述硬模板的带有所述硬模图形的表面压到一软模上，通过热压印工艺将所述硬模板的硬模图形转移到所述软模上，以便在所述软模上形成与所述硬模图形互补的软模图形，从而获得软模板。其中，所述软模图形由从所述软模的基本平坦的表面向下凹入的沟道形成。提供一超导材料形成的超导薄膜层，所述超导薄膜层上涂覆有一层紫外光固化胶层；将所述软模板的带有所述软模图形的表面压到所述紫外光固化胶层上，通过紫外压印工艺将所述软模板的软模图形转移到所述紫外光固化胶层上，以便在所述紫外光固化胶层上形成与所述软模图形互补的掩模图形。再利用所述掩模图形，采用反应离子刻蚀工艺在所述超导薄膜层上形成具有所述预定图形的所述超导纳米线。
在一个实施例中，在获得所述硬模板时还可包括：采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底的原表面向下刻蚀，以形成与所述预设图形一致的所述硬模图形。采用紫外光刻工艺在所述硬模图形上形成一光刻胶保护层；采用反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底上没有形成所述光刻胶保护层的原表面向下刻蚀掉预定深度以获得所述硬模板的所述基本平坦的表面。在该实施例中，光刻胶保护层的尺寸大于所述预定图形的所述超导纳米线的分布区域的尺寸。
本申请的发明人也尝试采用不同于上述方案的另一方案来制备超导纳米线单光子探测器，即，直接利用由电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在硬性基底的原表面向下刻蚀形成的硬模图形作为纳米压印工艺的纳米压印模板。但是，在按照该另一方案制备的产品中很难获得与预期相符合的图形。本申请的发明人发现这可能是因为在后续的将软模图形转移到紫外光固化胶层形成掩模图形的过程中，利用紫外压印工艺向下压时很难做到软模板上的各部分图形受力均匀所造成的。本申请的发明人进一步发现，按照本发明的方法获得的硬模板利用纳米压印工艺制作软模板时，软模图形中的线条在转移到Nb薄膜表面的紫外光固化胶层上的过程中受到的压力更加均匀，使得获得的掩模中除了所需纳米线图形外，其余部分比较平整，且残胶很薄。这样刻蚀后获得的超导纳米线宽度分布均匀，制得的超导纳米线单光子探测器性能更好。
根据所想获取的超导纳米线单光子探测器中的纳米线的形状和长度，预先用软件设计好预定图形。在一个实施例中，所述预定图形的超导纳米线的线宽可小于100nm，占空比不小于0.5。在一个实施例中，超导纳米线可以以曲折且紧凑的方式延伸。在一个实施例中，超导纳米线主体部分为宽度和间距100纳米左右、长度几微米至几百微米甚至毫米量级的纳米折线。
在一个实施例中，软模为有机材料，例如软模可以由IPS材料形成。软模在一定温度下可以软化，通过将软模与硬模板接触并施加一定压力，冷却之后再与硬模板进行剥离获得软模板。热压印工艺的温度可以为150-170℃，压力可以为30-40bar。在一个实施例中，所述超导材料可以为Nb，NbN或NbTiN等。超导薄膜的生长方法可以为溅射或反应溅射、热蒸发或电子束蒸发、脉冲激光沉积、分子束外延等适用于这些薄膜生长的方法。
在一个实施例中，所述超导薄膜层的厚度可以为3-10nm。超导薄膜层可以沉积在蓝宝石衬底、氧化镁衬底，或者在硅上面热生长几百纳米二氧化硅后的衬底上。
在一个实施例中，可以采用紫外光刻工艺、镀膜工艺以及剥离工艺在所述预定图形的所述超导纳米线的两端制备电极。在一个实施例中，所述电极可由Ti膜和沉积在所述Ti膜上的Au膜形成，其中，所述Ti膜的厚度可为2-10nm。制备电极的工艺是本领域技术人员所熟知的，在此不多赘述。
图1和图2示出了根据本发明一个实施例的制备超导纳米线单光子探测器的方法的流程示意图。在该实施例中，硬性基底选为硅基底。超导材料为Nb，超导薄膜的衬底为蓝宝石。预定图形的超导纳米线的线宽为80nm，占空比为0.5的折线形纳米线，器件有效的探测面积为10×10μm2，纳米线总长度500μm。
图1是根据本发明实施例的制备纳米压印模板的流程示意图。采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在Si基底10的原表面向下刻蚀，以形成与预设图形的纳米线一致的硬模图形，如图1a所示。图1b为图1a的俯视图。在该Si基底10上，刻蚀纳米线图形12的同时还刻蚀有对准标记图形14。在电子束光刻工艺中，所采用的光刻胶可以是具备纳米级分辨率的各种胶，正胶或负胶均可。
利用对准标记图形14对准紫外光刻工艺中的掩模，采用紫外光刻工艺在纳米线图形12上形成一光刻胶保护层20，如图1c所示。光刻胶保护层20的尺寸为50×50μm2。采用反应离子刻蚀工艺在Si基底10上没有形成光刻胶保护层20的表面向下刻蚀掉预定深度以获得基本平坦的第二表面，使得纳米线图形从Si基底10的基本平坦的第二表面向上凸起，从而获得硬模板10'。硬模板中的深宽比应越大越好，且沟壁越陡峭越好。反应离子刻蚀工艺的参数为：CF4与O2的混合气体作为刻蚀气体，其中CF4流量为20sccm，O2流量为2sccm，气体总压强为70mTorr，功率为150W。
图2是利用图1所示的硬模板采用纳米压印工艺制备超导纳米线单光子探测器的流程示意图。如图2a所示，先利用热压印工艺将硬模板10'上的图形转移到IPS软膜30上。具体地，将IPS软膜30裁剪成与待压印的Nb薄膜衬底尺寸相当的形状（本实施例中约10*10mm2的方块），揭开其表面的保护膜，放置在硬模板10'上，在温度160℃，加压40bar的条件下保持1min后，硬模板10'上的图形转移到IPS软膜30上形成软模板30'。图2b示出了在Nb薄膜50上旋涂TU2紫外光固化胶40，通过紫外压印工艺将软模板30'上的图形转移到TU2紫外光固化胶40上。紫外压印工艺是在合适的温度和压力下通过紫外光辐照将压印胶固化，之后再冷却剥离。具体地，在衬底60为蓝宝石，尺寸为10×10mm2，厚度约为7nm厚度的Nb薄膜50上旋涂紫外光固化胶TU2-60层40(涂胶机在3000r/min时旋涂TU2胶厚度60nm)，并95℃烘烤3min。将软模板30'放置在Nb薄膜50上，在温度80℃，加压40bar的条件下保持4min，之后开启紫外光辐照5min，然后在80℃，40bar条件下保持2min后脱模。获得的掩模40'如图2c所示。接着通过反应离子刻蚀工艺将TU2紫外光固化胶40的图形转移到Nb薄膜50上，形成Nb纳米折线结构50'，如图2d所示。对Nb薄膜50的刻蚀条件为：SF6与Ar的混合气体作为刻蚀气体，其中SF6流量为30sccm，Ar流量为5sccm，气体总压强为30mTorr，功率为120W。至此Nb纳米折线结构50'就已成功形成了。
为了与外界的测量电子电路相连，还需要制备电极。如图2e所示，利用lift-off（剥离）工艺制作器件的电极70。图2f是图2e的俯视图。紫外光刻工艺形成光刻胶掩模后，利用电子束蒸发系统分别在制备5nm Ti和60nm Au，之后在丙酮中浸泡超声将多余的部分剥离掉，形成电极70。
图3a和图3b分别为硬模板的硬模图形的SEM图片和利用该硬模板通过紫外压印工艺得到超导纳米线的SEM图片。从图3a可以看出，纳米压印模板中的线宽为81nm，线间距为95nm。从图3b可以看出，通过紫外压印得到Nb纳米折线结构50'的线宽为85nm，线间距为85nm。
图4是根据本发明实施例的超导纳米线单光子探测器的电阻随温度变化曲线。从图4可以看出，采用本发明的方法制备的单光子探测器器件具有良好的超导性质。
至此，本领域工艺人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种制备超导纳米线单光子探测器的方法，用于形成由折线型延伸的超导纳米线形成的预定图形，包括：
在一硬性基底上形成与所述预定图形一致的硬模图形，所述硬模图形从所述硬性基底的基本平坦的表面向上凸起，从而获得硬模板；
将所述硬模板的带有所述硬模图形的表面压到一软模上，通过热压印工艺将所述硬模板的硬模图形转移到所述软模上，以便在所述软模上形成与所述硬模图形互补的软模图形，从而获得软模板；其中，所述软模图形由从所述软模的基本平坦的表面向下凹入的沟道形成；
提供一超导材料形成的超导薄膜层，所述超导薄膜层上涂覆有一层紫外光固化胶层；
将所述软模板的带有所述软模图形的表面压到所述紫外光固化胶层上，通过紫外压印工艺将所述软模板的软模图形转移到所述紫外光固化胶层上，以便在所述紫外光固化胶层上形成与所述软模图形互补的掩模图形；以及
利用所述掩模图形，采用反应离子刻蚀工艺在所述超导薄膜层上形成具有所述预定图形的所述超导纳米线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得所述硬模板时还包括：
采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底的原表面向下刻蚀，以形成与所述预设图形一致的所述硬模图形；
采用紫外光刻工艺在所述硬模图形上形成一光刻胶保护层；以及
采用反应离子刻蚀工艺在所述硬性基底上没有形成所述光刻胶保护层的原表面向下刻蚀掉预定深度以获得所述硬模板的所述基本平坦的表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
采用电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺形成所述硬模图形的同时，在所述硬性基底的原表面向下刻蚀对准标记图形，用于将紫外光刻工艺形成的所述光刻胶保护层与所述预设图形对准。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述预定图形的所述超导纳米线的线宽小于100nm，占空比不小于0.5。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，
所述硬性基底由硅材料形成。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，
所述软模由IPS材料形成，所述热压印工艺的温度为150-170℃，压力为30-40bar。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，
所述超导材料为Nb，NbN或NbTiN。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，
所述超导薄膜层的厚度为3-10nm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
采用紫外光刻工艺、镀膜工艺以及剥离工艺在所述预定图形的所述超导纳米线的两端制备电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电极由Ti膜和沉积在所述Ti膜上的Au膜形成，其中，所述Ti膜的厚度为2-10nm。
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