CN109411567A - 一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 - Google Patents
一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109411567A CN109411567A CN201811311156.6A CN201811311156A CN109411567A CN 109411567 A CN109411567 A CN 109411567A CN 201811311156 A CN201811311156 A CN 201811311156A CN 109411567 A CN109411567 A CN 109411567A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wire device
- promoting
- polishing
- superconducting nano
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 claims abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 15
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 235000010627 Phaseolus vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 244000046052 Phaseolus vulgaris Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001603 reducing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,包括以下步骤:在样品台上制备衬底;抛光:利用离子束抛光的方法对所述衬底进行抛光加工;在经抛光的所述衬底上通过微加工工艺制备超导纳米线器件。本发明解决了超导纳米线器件制备在及时沉积的衬底上超导转变电流过低的问题,并且避免了抛光过程中的衬底厚度损失和操作繁琐的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高精度抛光技术领域,具体涉及一种提升超导纳米线器件超导性能的方法。
背景技术
氩离子束抛光技术是利用低能氩离子束流倾斜射向样品表面,样品通过自转从而实现改善表面粗糙度的技术。相对于机械化学抛光技术而言,这一技术具有精度更高,抛光位置精准,操作简单等优势,因此在过去的几十年里广泛应用于高精度光学棱镜的制造。
目前超导单光子探测器制备过程中常采用单晶结构的氮化铌作为制备纳米线的材料,对于单晶结构氮化铌超导纳米线而言,其超导性能非常依赖其晶体结构,不同条件衬底上生长制备的纳米结构超导性能差异悬殊;对于相同材料衬底上的氮化铌纳米线而言,材料表面形貌的平整与否直接影响上层纳米线的超导性能。
目前主要常用于高精度抛光衬底的方法为化学机械研磨法,该方法通过化学试剂腐蚀加上机械研磨处理使得衬底表面达到抛光效果,研磨面积大且磨蚀深度大。但目前在高精度超导探测器领域,尚无一种即时、无损且高效的方法实现抛光衬底的并提升上层超导结构的超导转变电流(或超导转变温度)的方法,尤其是涉及三明治结构超导器件的实时衬底生长,即时抛光制备超导结构的工艺时,无损于下层精密结构且及时的抛光技术成为关键瓶颈。
发明内容
发明目的:针对上述技术问题和不足,本发明的目的是提供一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,解决了超导纳米线器件制备在及时沉积的衬底上超导转变电流过低的问题,并且避免了抛光过程中的衬底厚度损失和操作繁琐的问题。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,包括以下步骤:
(1)在样品台上制备衬底;
(2)抛光:利用离子束抛光的方法对所述衬底进行抛光加工;
(3)在经抛光的所述衬底上通过微加工工艺制备超导纳米线器件。
进一步的,所述衬底材为化学气相沉积方法高温生长的氧化硅层。
进一步的,抛光前腔室内须达到10-4帕斯卡量级的真空度,氩气通量为6标准气压下立方厘米/秒。
进一步的,氩离子束为能量为350电子伏特、束流60毫安的电子束流,电子束流通过加速电极垂直向下射向样品台。
进一步的,抛光过程中样品台与水平面保持60°倾角,保证离子束与衬底表面维持30°的略射角进行抛光。
更进一步的,样品台处于自转状态,转速为100转每分钟,抛光时间持续40分钟。
进一步的,抛光前后的衬底通过原子力显微镜(AFM)扫描观察,获得衬底抛光后的形貌信息。
进一步的,抛光结束后实现衬底表面颗粒增大,形貌平整化效果。
更进一步的,所述表面颗粒增大,表现为形貌表面颗粒平均尺寸增大;所述形貌平整化效果,表现为形貌粗糙度降低,且形貌能量谱密度曲线降低。
进一步的,所述微加工工艺制备超导纳米线器件包括磁控溅射制备氮化铌薄膜,电子束曝光形成纳米线图案,反应离子刻蚀刻蚀出纳米线等步骤。
进一步的,所示纳米线制备完成后,在液氦低温4.2K环境下进行电流-电压特征曲线的测量,测量方法为在纳米线两端输入持续变化的电流并实时测出两端电压得到电流电压关系。
有益效果:本发明利用离子束抛光处理后的氧化硅衬底表面,表面颗粒数目明显减少,形貌明显平滑,粗糙度降低。(粗糙度降低效果取决于抛光时间长短)抛光后的形貌表面继续沉积制备的氮化铌超导纳米线器件相对于未抛光的表面上的器件明显具有更高的超导转变电流。无论是对于超导薄膜(约5nm)还是超导纳米线器件的超导性能都有所提升。
附图说明
图1示意了实施例中未抛光的氧化硅层在原子力显微镜下的形貌图。
图2示意了实施例中抛光后的氧化硅层在原子力显微镜下的形貌图。
图3示意了实施例中抛光前后的氧化硅层及单晶硅表面的能量谱密度。
图4示意了实施例中抛光前后纳米线低温测量出的电流-电压特征曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例:本发明中,在10cm*10cm的单晶硅基片上化学气相沉积生长氧化硅层,将沉积好氧化硅层的基片固定在离子束刻蚀机的样品台上,倾斜样品台至60°倾角固定,关闭腔室门后抽真空,直至真空度达到10-4Pa量级时打开氩气开关注入氩气,待气体环境稳定后打开离子源,并同时开启样品台自转电机进行抛光。抛光前后的样品均利用原子力显微镜随机扫描5um*5um区域的形貌并利用形貌数据计算平均粗糙度和能量谱密度函数。与目前已有的形貌粗糙度表征方式不同的是,能量谱密度函数能更准确地得知形貌凸起结构的大小与密度。随后利用上层制备的超导纳米线器件测量低温4.2K电流电压特征曲线获得超导转变电流值。
所示氧化硅层的生长可由多重方式,例如磁控溅射法,电子束蒸发法等方法制备氧化硅材料层。所述抛光条件可有多种改变,氩气通入量可由情况改变,样品台倾角可由情况适时调整,角度在45°~80°之间均有抛光效果。在粗糙度表征中,原子力显微镜具由精细到几纳米宽度的探针,通过扫过样品表面获取样品表面起伏信息。根据具体实验条件,可采用其他表征方法如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等方法。为准确表征形貌的粗糙度,计算能量谱密度函数,能量谱密度函数是将二维形貌加上高度起伏的三维信息通过傅里叶变换计算得到形貌信息随起伏频率的函数关系,该函数信息能准确涵盖范围内二维形貌的起伏大小和频率。所述电流-电压特征曲线的测量采用直流四端子方法测量超导纳米线微桥两端电压随电流的关系。超导转变电流的测量为增大纳米线两端电流到一定值时,纳米线两端电压瞬间由零转变为一定值,亦即超导纳米线转变为正常电阻时通过纳米线的电流。
如图1所示,氧化硅层在未抛光前表现为颗粒小,颗粒峰值大的形貌,其表面平均粗糙度达到1.8nm,图2所示的是抛光后的氧化硅层表面形貌,其平均粗糙度降低到1.2nm。图3所示的是抛光前后的氧化硅层及光滑单晶硅表面形貌的能量谱密度函数,可以看到抛光后的形貌能量谱密度有所下降,尤其是在高频区域几乎下降到与光滑单晶硅衬底表面重合。分别在两种衬底上制备80nm宽,10um长,5nm厚的纳米线器件测量液氦温度下的I-V曲线得到图4的结果,抛光后的样品上纳米线超导转变电流要高出1.8uA,增幅为80%。
Claims (10)
1.一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在样品台上制备衬底;
(2)抛光:利用离子束抛光的方法对所述衬底进行抛光加工;
(3)在经抛光的所述衬底上通过微加工工艺制备超导纳米线器件。
2.根据权利要求1所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述离子束为氩离子束。
3.根据权利要求1所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述衬底为利用等离子化学气相沉积高温形成的氧化硅衬底。
4.根据权利要求3所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述高温为350℃。
5.根据权利要求2所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述氩离子束为能量为350电子伏特、束流60毫安的电子束流,所述电子束流通过加速电极垂直向下射向样品台。
6.根据权利要求1所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述步骤(2)的抛光过程中,所述样品台与水平面保持45°至80°的倾角进行抛光。
7.根据权利要求6所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述样品台处于自转状态,转速为100转每分钟,抛光时间持续40分钟。
8.根据权利要求1所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,抛光结束后实现衬底表面颗粒增大,形貌平整化效果。
9.根据权利要求8所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,抛光前后的衬底通过原子力显微镜扫描观察,获得衬底抛光后的形貌信息。
10.根据权利要求1所述的一种提升超导纳米线器件超导性能的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,包括磁控溅射制备氮化铌薄膜,电子束曝光形成纳米线图案,反应离子刻蚀刻蚀出纳米线步骤。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811311156.6A CN109411567A (zh) | 2018-11-06 | 2018-11-06 | 一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811311156.6A CN109411567A (zh) | 2018-11-06 | 2018-11-06 | 一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109411567A true CN109411567A (zh) | 2019-03-01 |
Family
ID=65471720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201811311156.6A Withdrawn CN109411567A (zh) | 2018-11-06 | 2018-11-06 | 一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109411567A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114774868A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-22 | 南京大学 | 一种基于离子抛光技术在金刚石上沉积氮化铌的方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103922601A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-07-16 | 电子科技大学 | 一种湿法-干法刻蚀结合提升熔石英元件阈值的表面处理方法 |
JP2014168067A (ja) * | 2014-03-25 | 2014-09-11 | Asahi Glass Co Ltd | 非酸化物単結晶基板の研磨方法 |
CN104167452A (zh) * | 2014-08-12 | 2014-11-26 | 南京大学 | 一种带相位光栅的超导单光子探测器及其制备方法 |
US20150348966A1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-12-03 | Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation | Fin field-effct transistors and fabrication method thereof |
CN105364666A (zh) * | 2015-09-29 | 2016-03-02 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法 |
-
2018
- 2018-11-06 CN CN201811311156.6A patent/CN109411567A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103922601A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-07-16 | 电子科技大学 | 一种湿法-干法刻蚀结合提升熔石英元件阈值的表面处理方法 |
JP2014168067A (ja) * | 2014-03-25 | 2014-09-11 | Asahi Glass Co Ltd | 非酸化物単結晶基板の研磨方法 |
US20150348966A1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-12-03 | Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation | Fin field-effct transistors and fabrication method thereof |
CN104167452A (zh) * | 2014-08-12 | 2014-11-26 | 南京大学 | 一种带相位光栅的超导单光子探测器及其制备方法 |
CN105364666A (zh) * | 2015-09-29 | 2016-03-02 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
BERTRAND G. BOVARD 等: "Smooth diamond films by reactive ion-beam polishing", 《PROCEEDINGS OF SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING》 * |
洪义麟 等: "硅的离子束抛光技术研究", 《真空科学与技术》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114774868A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-22 | 南京大学 | 一种基于离子抛光技术在金刚石上沉积氮化铌的方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hövel et al. | Controlled cluster condensation into preformed nanometer-sized pits | |
Li et al. | Initial growth and texture formation during reactive magnetron sputtering of TiN on Si (111) | |
Seiple et al. | Evolution of atomic‐scale roughening on Si (001)‐(2× 1) surfaces resulting from high temperature oxidation | |
Zhu et al. | Influence of working pressure on ZnO: Al films from tube targets for silicon thin film solar cells | |
CN102165559B (zh) | 透明导电层和包括该透明导电层的透明电极 | |
Nakamura et al. | Molecular arrangement of copper phthalocyanine on hydrogen‐terminated Si (111): Influence of surface roughness | |
CN106756796A (zh) | 一种提高纳米晶铜力学性能的纳米晶铜钽合金的制备方法 | |
CN109411567A (zh) | 一种提升超导纳米线器件超导性能的方法 | |
CN106442460A (zh) | 一种金@银纳米颗粒/金字塔形硅三维拉曼增强基底及制备方法和应用 | |
CN102765696B (zh) | 一种制备三维超导微纳器件的方法 | |
CN101497991B (zh) | 一种氮化铝锥尖及栅极结构的制作方法 | |
CN113529050B (zh) | 一种用于金刚石膜抛光的等离子体刻蚀法及其产品 | |
CN107607594A (zh) | 用于电容式湿度传感器的复合湿敏材料及传感器制备方法 | |
WO2020015057A1 (zh) | 一种石墨烯纳晶碳膜及制备方法与应用 | |
Liang et al. | Use of SiO2 nanoparticles as etch mask to generate Si nanorods by reactive ion etch | |
CN104882347B (zh) | 一种纳米碳片‑硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法 | |
Fashina et al. | Atomic force microscopy analysis of alkali textured silicon substrates for solar cell applications | |
RU2568069C2 (ru) | Модификация зондов для атомно-силовой микроскопии посредством напыления наночастиц источником ионных кластеров | |
Smart et al. | Lattice spacings of very thin gold platelets | |
CN105304736B (zh) | 磁控溅射联合快速退火技术制备Ge/Si量子点 | |
CN113917190A (zh) | 基于fib设备定制afm探针的方法及原子力显微镜 | |
CN116815122A (zh) | 一种有效提高超导临界磁场的方法 | |
Du et al. | Fractal characteristics and microstructure evolution of magnetron sputtering Cu thin films | |
Zhou et al. | Surface and electrical properties of NiCr thin films prepared by DC magnetron sputtering | |
Murri et al. | Structural characterization of unhydrogenated amorphous GaAs |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190301 |
|
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |