CN110444658B - 基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法，该方法包括：对由下至上包括下介质层、半导体衬底及上介质层的衬底结构进行背面刻蚀，以形成弱导热沟槽；于上介质层上形成两平行排布的电极，于两电极及其间的上介质层上形成AlMn合金超导薄膜；于上介质层及AlMn合金超导薄膜上形成设有接触孔的第一图形化掩膜层；于第一图形化掩膜层及接触孔上形成中间缓冲层，于中间缓冲层上形成设有形成孔的第二图形化掩膜层；于形成孔中形成包括接触点和吸收层本体的吸收层，去除第二图形掩膜层；去除吸收层外围的中间缓冲层，去除第一图形掩膜层，以通过接触点及其下的中间缓冲层实现吸收层本体和AlMn合金超导薄膜的连接。

Description

基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法

技术领域

本发明涉及低温超导探测器领域，特别是涉及一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法。

背景技术

超导TES(superconducting transition edge：超导转变边沿)微量能器是利用超导薄膜在超导转变边沿处电阻随温度急剧变化的特性，来探测入射X射线光子能量；与传统的半导体探测器和光栅探测器相比其突出优势是在弱入射光条件下仍然具备极高的能量分辨率和探测效率。当前国际上最先进的超导TES微量能器已实现在6keV能区1.6eV的能量分辨率，比常用的半导体探测器要高出一个数量级以上；因此基于超导TES微量能器的软X射线检测技术，在材料科学、空间X射线天文观测、X射线医学成像和生物医药等领域具有巨大应用前景。目前，欧美多国正基于超导TES微量能器研制下一代X射线望远镜(Athena)，该望远镜设计要求在5.9keV处能量分辨率ΔE<2.5eV，同时保证90％以上探测效率；与其“前任”XMM-Newton望远镜搭载的半导体探测器相比，能谱分辨能力提高了一个数量级以上。而在材料科学上的应用，主要用于检测材料X射线能谱分析，目前全球已有多台基于超导TES微量能器X射线能谱仪运行在X射线线站。

超导薄膜的转变温度Tc和电阻率ρ作为超导薄膜关键的物性参数，直接决定了超导TES 微量能器的工作温度和探测性能，目前主要采用TiAu、MoAu或MoCu等双金属超导薄膜结构，利用双层膜的近邻效应来调控超导薄膜的转变温度Tc，从而制备需要的超导TES微量能器。但常用的双金属超导薄膜需要原位生长，转变温度Tc灵敏地受双层膜界面影响，重复性与可控性较差。另外，双层膜的转变温度Tc和电阻率ρ均与膜厚相关，因此不能实现独立调控这两个关键参数。鉴于此，有必要设计一种新的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法用以解决上述技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于AlMn合金超导薄膜的 TES微量能器及制备方法，用于解决现有TES微量能器采用双金属超导薄膜时存在转变温度 Tc受双层界面影响，重复性和可控性较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底结构，其中所述衬底结构包括半导体衬底，形成于所述半导体衬底上表面的上介质层及形成于所述半导体衬底下表面的下介质层；

对所述下介质层及所述半导体衬底进行刻蚀，直至暴露出所述上介质层，以于所述衬底结构中形成弱导热沟槽；

于所述上介质层的上表面形成两平行排布的电极，之后于两所述电极及其间的所述上介质层的上表面形成AlMn合金超导薄膜；

于所述上介质层及所述AlMn合金超导薄膜的上表面形成第一图形化掩膜层，其中所述第一图形化掩膜层中设有暴露出所述AlMn合金超导薄膜的接触孔；

于所述第一图形化掩膜层及所述接触孔的上表面形成中间缓冲层，之后于所述中间缓冲层的上表面形成第二图形化掩膜层，其中所述第二图形化掩膜层中设有暴露出所述接触孔的一形成孔；

于所述形成孔中所述中间缓冲层的上表面形成吸收层，之后去除所述第二图形掩膜层，其中所述吸收层包括形成于所述接触孔中的接触点，及形成于所述中间缓冲层和所述接触点上表面的吸收层本体；

去除所述吸收层外围的所述中间缓冲层，之后去除所述第一图形掩膜层，以通过所述接触点及其下表面的所述中间缓冲层实现所述吸收层本体和所述AlMn合金超导薄膜的连接。

可选地，形成所述AlMn合金超导薄膜的方法包括：采用磁控溅射沉积工艺于所述上介质层及两所述电极的上表面形成AlMn合金超导薄膜材料层，之后采用酸性刻蚀液对所述 AlMn合金超导薄膜材料层进行湿法刻蚀，以形成所述AlMn合金超导薄膜。

可选地，在恒温冷却环境中形成所述AlMn合金超导薄膜，其中所述恒温冷却环境的温度介于30℃-80℃之间。

可选地，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜时，通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中AlMn合金靶材中Mn的原子含量与TES微量能器的转变温度呈负相关，与TES微量能器的电阻率呈正相关。

可选地，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜时，通过溅射功率调控TES 微量能器的转变温度和电阻率；其中溅射功率与TES微量能器的转变温度呈负相关，与TES 微量能器的电阻率呈负相关。

可选地，在去除所述第一图形化掩膜层之后，所述制备方法还包括退火的步骤，以通过退火温度调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中在退火温度小于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度呈负相关，在退火温度大于等于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度呈正相关；所述退火温度与所述TES微量能器的电阻率呈负相关，并在退火温度大于等于200℃时，所述TES微量能器的电阻率呈现稳定状态。

可选地，在形成所述中间缓冲层之后，所述制备方法还包括于所述中间缓冲层的上表面形成种子层的步骤。

本发明还提供了一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器，所述TES微量能器包括：

衬底结构，包括半导体衬底，形成于所述半导体衬底上表面的上介质层及形成于所述半导体衬底下表面的下介质层；

弱导热沟槽，形成于所述衬底结构的底部，且暴露出所述上介质层；

两电极，平行排布于所述上介质层的上表面；

AlMn合金超导薄膜，形成于两所述电极及其间的所述上介质层的上表面；

吸收层，形成于所述AlMn合金超导薄膜的上表面；包括接触点及吸收层本体，其中所述吸收层本体通过所述接触点与所述AlMn合金超导薄膜接触；

中间缓冲层，形成于所述AlMn合金超导薄膜和所述吸收层之间，且位于所述接触点及所述吸收层本体的下表面。

可选地，所述TES微量能器还包括：种子层，形成于所述中间缓冲层及所述吸收层之间，其中所述种子层与所述吸收层的材质均为金属Au。

可选地，所述电极的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜的外边缘对齐。

如上所述，本发明的一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法，具有以下有益效果：

本发明采用AlMn合金超导薄膜替代传统的双金属超导薄膜来制备TES微量能器，使TES 微量能器的转变温度不再受双层界面影响，大大改善了TES微量能器制备过程中的重复性和可控性，使本发明所述TES微量能器制备具有高稳定性和重复性；同时还有效避免了磁场对转变温度等相关参数的干扰，使本发明所述TES微量能器不易受外界磁场影响。本发明还通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量主要调控TES微量能器的电阻率，同时配合溅射功率和退火温度主要调控TES微量能器的转变温度，从而实现电阻率和转变温度的近似单独、精确调控。

附图说明

图1显示为本发明所述制备方法的流程图。

图2至图11显示为本发明所述制备方法中各步骤的结构示意图。

元件标号说明

101 衬底结构

1011 半导体衬底

1012 上介质层

1013 下介质层

102 弱导热沟槽

103 电极

104 AlMn合金超导薄膜

105 第一图形化掩膜层

106 接触孔

107 中间缓冲层

108 种子层

109 第二图形化掩膜层

110 形成孔

111 吸收层

1111 接触点

1112 吸收层本体

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底结构101，其中所述衬底结构101包括半导体衬底1011，形成于所述半导体衬底1011上表面的上介质层1012及形成于所述半导体衬底1011下表面的下介质层1013；

对所述下介质层1013及所述半导体衬底1011进行刻蚀，直至暴露出所述上介质层1012，以于所述衬底结构101中形成弱导热沟槽102；

于所述上介质层1012的上表面形成两平行排布的电极103，之后于两所述电极103及其间的所述上介质层1012的上表面形成AlMn合金超导薄膜104；

于所述上介质层1012及所述AlMn合金超导薄膜104的上表面形成第一图形化掩膜层 105，其中所述第一图形化掩膜层105中设有暴露出所述AlMn合金超导薄膜104的接触孔106；

于所述第一图形化掩膜层105及所述接触孔106的上表面形成中间缓冲层107，之后于所述中间缓冲层107的上表面形成第二图形化掩膜层109，其中所述第二图形化掩膜层109 中设有暴露出所述接触孔106的一形成孔110；

于所述形成孔110中所述中间缓冲层107的上表面形成吸收层111，之后去除所述第二图形掩膜层109，其中所述吸收层111包括形成于所述接触孔106中的接触点1111，及形成于所述中间缓冲层107和所述接触点1111上表面的吸收层本体1112；

去除所述吸收层111外围的所述中间缓冲层107，之后去除所述第一图形掩膜层105，以通过所述接触点1111及其下表面的所述中间缓冲层107实现所述吸收层本体1112和所述 AlMn合金超导薄膜104的连接。

下面请结合图1，参阅图2至图11对本实施例基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法进行详细说明。

步骤一：如图2所示，提供一衬底结构101，其中所述衬底结构101包括半导体衬底1011，形成于所述半导体衬底1011上表面的上介质层1012及形成于所述半导体衬底1011下表面的下介质层1013。

作为示例，所述衬底结构101的形成方法包括：先提供一半导体衬底1011，之后采用低压化学气相沉积工艺于所述半导体衬底1011的上表面形成上介质层1012，并采用低压化学气相沉积工艺于所述半导体衬底1011的下表面形成下介质层1013。本示例中，所述半导体衬底1011为硅衬底，所述上介质层1012和所述下介质层1013的材质相同，均为氮化硅。

步骤二：如图3所示，对所述下介质层1013及所述半导体衬底1011进行刻蚀，直至暴露出所述上介质层1012，以于所述衬底结构101中形成弱导热沟槽102。

作为示例，形成所述弱导热沟槽102的方法包括：先采用反应离子刻蚀工艺对所述下介质层1013进行刻蚀，之后采用深反应离子刻蚀工艺、KOH湿法刻蚀工艺或感应耦合等离子体刻蚀工艺对所述半导体衬底1011进行刻蚀，从而形成所述弱导热沟槽102。需要注意的是，本示例实现深硅刻蚀的工艺并不仅限于深反应离子刻蚀工艺、KOH湿法刻蚀工艺或感应耦合等离子体刻蚀工艺，其它可以实现深硅刻蚀的工艺同样适用于本示例。

其中，由于所述TES微量能器的热导G由所述弱导热沟槽102的形状和尺寸(包括长度、宽度和深度)决定，故在本示例制备TES微量能器时，应先基于实际应用场景确定TES微量能器的热导G，再根据热导G确定所述弱导热沟槽102的形状和尺寸(长度、宽度和深度)，从而实现根据所述弱导热沟槽102的形状和尺寸(长度、宽度和深度)完成所述弱导热沟槽102的制备；其中热导G可根据实际应用场景对TES微量能器的响应速度要求确定(通常情况下不同应用场景对TES微量能器的响应速度要求不同，而不同响应速度则要求TES微量能器具有不同的热导G)，而所述弱导热沟槽102的形状和尺寸(长度、宽度和深度)，则可基于确定的热导G，采用商用热仿真软件分析确定。

步骤三：如图4所示，于所述上介质层1012的上表面形成两平行排布的电极103，之后于两所述电极103及其间的所述上介质层1012的上表面形成AlMn合金超导薄膜104。

作为示例，形成所述电极103的方法包括：采用磁控溅射沉积工艺于所述上介质层1012 的上表面形成电极材料层，之后采用反应离子刻蚀工艺对所述电极材料层进行刻蚀，以形成两平行排布的电极103。可选地，所述电极103的材质包括铌、钼或铝；本示例中，所述电极103的材质为铌。

具体的，所述电极103为两矩形条状电极，且两矩形条状电极沿垂直于所述上介质层1012 的长度方向平行排布。

具体的，所述电极103的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜104的外边缘对齐，以在后续使用本示例所述TES微量能器进行X射线探测时，避免X射线能量泄漏至所述电极103，从而影响器件性能，增大器件的有效接收面积。而为了实现所述电极103的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜104的外边缘对齐，本示例两所述电极103之间的间距需根据后续形成的所述AlMn合金超导薄膜104的长度进行设定，本示例并不对其具体间距进行限定。

作为示例，形成所述AlMn合金超导薄膜104的方法包括：采用磁控溅射沉积工艺于所述上介质层1012及两所述电极103的上表面形成AlMn合金超导薄膜材料层，之后采用酸性刻蚀液(如Aluminum Etchant Type A刻蚀液)对所述AlMn合金超导薄膜材料层进行湿法刻蚀，以形成所述AlMn合金超导薄膜104。

具体的，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜104时，衬底温度与TES 微量能器的转变温度Tc相关，即在小于临界温度(TES微量能器制作过程中的最高温度)时，形成所述AlMn合金超导薄膜104的衬底温度与TES微量能器的转变温度Tc呈负相关(衬底温度越高，TES微量能器的转变温度Tc越低；反之衬底温度越低，TES微量能器的转变温度Tc越高)；在大于等于临界温度时，形成所述AlMn合金超导薄膜104的衬底温度与TES微量能器的转变温度呈正相关(衬底温度越高，TES微量能器的转变温度Tc越高；反之衬底温度越低，TES微量能器的转变温度Tc越低)；为了精确控制TES微量能器的转变温度Tc，本示例并不通过衬底温度来调控TES微量能器的转变温度Tc。而为了降低形成所述AlMn合金超导薄膜104时衬底温度对TES微量能器转变温度Tc的影响，本示例所述磁控溅射沉积工艺在恒温冷却环境中进行，即在恒温冷却环境中形成所述AlMn合金超导薄膜104，其中所述恒温冷却环境的温度介于30℃-80℃之间。需要注意的是，本示例仅限定恒温冷却环境的温度，而对其具体实现方式则不进行限定，也就是说，现有任一种可实现恒温冷却的方式均适用于本示例。

具体的，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜104时，通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中AlMn合金靶材中Mn 的原子含量与TES微量能器的转变温度Tc呈负相关(Mn的原子含量越高，TES微量能器的转变温度Tc越低；反之Mn的原子含量越低，TES微量能器的转变温度Tc越高)，与TES 微量能器的电阻率ρ呈正相关(Mn的原子含量越高，TES微量能器的电阻率ρ越大；反之 Mn的原子含量越低，TES微量能器的电阻率ρ越小)。虽然AlMn合金靶材中Mn的原子含量与TES微量能器的转变温度Tc和电阻率ρ均相关，但为了实现TES微量能器的转变温度 Tc和电阻率ρ的近似单独调控，本示例通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量主要调控TES 微量能器的电阻率ρ，实现通过对电阻率ρ的粗调，使其尽量满足设计要求。需要注意的是，由于TES微量能器的正常态电阻Rn由电阻率ρ和所述AlMn合金超导薄膜104的形状决定，故本示例在制备TES微量能器时，应先基于实际应用场景对TES微量能器的电热稳定性要求确定TES微量能器的正常态电阻Rn，同时在保证所述AlMn合金超导薄膜104的形状合理化的同时，应尽量减薄所述AlMn合金超导薄膜104的厚度，以减小TES微量能器的热容C，从而提高TES微量能器的能量分辨率。

具体的，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜104时，通过溅射功率调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中磁控溅射沉积工艺的溅射功率与TES微量能器的转变温度Tc呈负相关(溅射功率越大，TES微量能器的转变温度Tc越低；反之溅射功率越小，TES微量能器的转变温度Tc越高)，与TES微量能器的电阻率ρ呈负相关(溅射功率越大，TES微量能器的电阻率ρ越低；反之溅射功率越小，TES微量能器的电阻率ρ越高)。为了精确控制TES微量能器的转变温度Tc，本示例在通过Mn原子含量调控的基础上，通过溅射功率来进一步调控TES微量能器的转变温度Tc和电阻率ρ。

步骤四：如图5所示，于所述上介质层1012及所述AlMn合金超导薄膜104的上表面形成第一图形化掩膜层105，其中所述第一图形化掩膜层105中设有暴露出所述AlMn合金超导薄膜104的接触孔106。

作为示例，形成所述第一图形化掩膜层105的方法包括：先于所述上介质层1012及所述 AlMn合金超导薄膜104的上表面形成光刻胶层，之后对所述光刻胶层进行曝光、显影，从而形成设有接触孔106的所述第一图形化掩膜层105。具体的，所述接触孔106的数量可以为一个或者多个，其形状可以为圆柱型或T型等，本示例并不对所述接触孔106的数量及形状进行限定。

步骤五：如图6和图7所示，于所述第一图形化掩膜层105及所述接触孔106的上表面形成中间缓冲层107，之后于所述中间缓冲层107的上表面形成第二图形化掩膜层109，其中所述第二图形化掩膜层109中设有暴露出所述接触孔106的一形成孔110。

作为示例，如图6所示，采用磁控溅射沉积工艺于所述第一图形化掩膜层105及所述接触孔106的上表面形成所述中间缓冲层107，以避免所述AlMn合金超导薄膜104和后续形成的所述吸收层111直接接触，形成导热性较差的中间化合物层，从而影响热传导，恶化TES 微量能器的器件性能。本示例中，所述中间缓冲层107的材质为金属Ti。

作为示例，如图6所示，在形成所述中间缓冲层107之后，所述制备方法还包括：于所述中间缓冲层107的上表面形成种子层108的步骤，以便于后续可以更好地形成所述吸收层 111。本示例中，采用磁控溅射沉积工艺形成所述种子层108，其中所述种子层108与后续形成的所述吸收层111的材质相同，均为金属Au。

作为示例，如图7所示，形成所述第二图形化掩膜层109的方法包括：先于所述中间缓冲层107的上表面形成光刻胶层，之后对所述光刻胶层进行曝光、显影，从而形成设有形成孔110的所述第二图形化掩膜层109。当然，在本示例所述TES微量能器包括种子层108时，所述光刻胶层形成于所述种子层108的上表面。

步骤六：如图8和图9所示，于所述形成孔110中所述中间缓冲层107的上表面形成吸收层111，之后去除所述第二图形掩膜层109，其中所述吸收层111包括形成于所述接触孔106 中的接触点1111，及形成于所述中间缓冲层107和所述接触点1111上表面的吸收层本体1112。作为示例，如图8所示，采用热蒸发剥离成型工艺或电镀工艺形成所述吸收层111。当然，在本示例所述TES微量能器包括种子层108时，所述吸收层111形成于所述形成孔110中所述种子层108的上表面。其中所述接触点1111的数量可以为一个或者多个，其形状可以为圆柱形或T型等；本示例所述接触点1111的数量和形状由步骤四中所述接触孔106的数量和形状决定，故在器件制备时，可根据实际需要，对所述接触孔106进行数量和形状的设计，从而得到特定数量和形状的所述接触点1111。

具体的，所述吸收层111的外边缘完全覆盖所述AlMn合金超导薄膜104的外边缘，即所述吸收层111的长度大于等于所述AlMn合金超导薄膜104的长度，同时所述吸收层111的宽度大于等于所述AlMn合金超导薄膜104的宽度；本示例通过上述设定，可提高TES微量能器的X射线探测效果。

步骤七：如图10和图11所示，去除所述吸收层111外围的所述中间缓冲层107，之后去除所述第一图形掩膜层105，以通过所述接触点1111及其下表面的所述中间缓冲层107实现所述吸收层本体1112和所述AlMn合金超导薄膜104的连接。本示例通过所述接触点1111及其下表面的所述中间缓冲层107实现所述吸收层本体1112和所述AlMn合金超导薄膜104的连接，在保证所述吸收层本体1112吸收X射线能量所产生热量能够通过所述接触点1111传递至所述AlMn合金超导薄膜104上，以被所述AlMn合金超导薄膜104检测到的同时，避免了所述吸收层本体1112和所述AlMn合金超导薄膜104因全接触可能造成的短路问题，从而使本示例所述TES微量能器具有更高的能量分辨率。

作为示例，采用反应离子刻蚀工艺去除所述吸收层111外围的所述中间缓冲层107。当然，在本示例所述TES微量能器包括种子层108时，应先采用反应离子刻蚀工艺去除所述吸收层111外围的所述种子层108，之后再采用反应离子刻蚀工艺去除所述吸收层111外围的所述中间缓冲层107。

作为示例，在去除所述第一图形化掩膜层105之后，所述制备方法还包括退火的步骤，以通过退火温度调控TES微量能器的转变温度Tc和电阻率ρ；其中在所述退火温度小于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度Tc呈负相关(退火温度越高，TES微量能器的转变温度Tc越低；反之退火温度越低，TES微量能器的转变温度Tc越高)，在所述退火温度大于等于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度Tc呈正相关(退火温度越高，TES微量能器的转变温度Tc越高；反之退火温度越低，TES微量能器的转变温度Tc越低)；所述退火温度与所述TES微量能器的电阻率ρ呈负相关(退火温度越高，TES微量能器的电阻率ρ越小；反之退火温度越低，TES微量能器的电阻率ρ越大)，并在退火温度大于等于200℃时，所述TES微量能器的电阻率ρ呈现稳定状态(TES微量能器的电阻率ρ不再随退火温度而变化)。本示例在完成TES微量能器的制备后，通过控制退火工艺的退火温度来精确调控所述TES微量能器的转变温度Tc，使TES微量能器的转变温度Tc满足设计要求；同时还通过退火温度进一步降低了所述TES微量能器的电阻率ρ，实现对TES微量能器电阻率ρ的精确调控。需要注意的是，本示例通过合理设计AlMn合金靶材中Mn的原子含量、溅射功率及退火温度，可实现转变温度Tc和电阻率ρ的任意调控，从而完成不同设计需求的 TES微量能器的器件制备。

如图11所示，本实施例还提供了一种通过上述制备方法制备的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器，所述TES微量能器包括：

衬底结构101，包括半导体衬底1011，形成于所述半导体衬底1011上表面的上介质层 1012及形成于所述半导体衬底1011下表面的下介质层1013；

弱导热沟槽102，形成于所述衬底结构101的底部，且暴露出所述上介质层1012；

两电极103，平行排布于所述上介质层1012的上表面；

AlMn合金超导薄膜104，形成于两所述电极103及其间的所述上介质层1012的上表面；

吸收层111，形成于所述AlMn合金超导薄膜104的上表面；包括接触点1111及吸收层本体1112，其中所述吸收层本体1112通过所述接触点1111与所述AlMn合金超导薄膜104接触；

中间缓冲层107，形成于所述AlMn合金超导薄膜104和所述吸收层111之间，且位于所述接触点1111及所述吸收层本体1112的下表面。

作为示例，所述电极103为两矩形条状电极，且两矩形条状电极沿垂直于所述上介质层 1012的长度方向平行排布。具体的，所述电极103的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜104 的外边缘对齐，以在后续使用本示例所述TES微量能器进行X射线探测时，避免X射线能量泄漏至所述电极103，从而影响器件性能，增大器件的有效接收面积。而为了实现所述电极103的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜104的外边缘对齐，本示例两所述电极103之间的间距需根据后续形成的所述AlMn合金超导薄膜104的长度进行设定，本示例并不对其具体间距进行限定。可选地，所述电极103的材质包括铌、钼或铝；本示例中，所述电极103 的材质为铌。

作为示例，所述吸收层111的外边缘完全覆盖所述AlMn合金超导薄膜104的外边缘，即所述吸收层111的长度大于等于所述AlMn合金超导薄膜104的长度，同时所述吸收层111 的宽度大于等于所述AlMn合金超导薄膜104的宽度；本示例通过上述设定，可提高TES微量能器的X射线探测效果。

作为示例，所述TES微量能器还包括：种子层108，形成于所述中间缓冲层107及所述吸收层111之间，以便于后续可以更好地形成所述吸收层111。本示例中，所述种子层108与所述吸收层111的材质相同，均为金属Au。

本示例中，所述半导体衬底1011为硅衬底，所述上介质层1012和所述下介质层1013的材质相同，均为氮化硅；所述中间缓冲层107的材质为金属Ti。

综上所述，本发明的一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器及制备方法，具有以下有益效果：本发明采用AlMn合金超导薄膜替代传统的双金属超导薄膜来制备TES微量能器，使TES微量能器的转变温度不再受双层界面影响，大大改善了TES微量能器制备过程中的重复性和可控性，使本发明所述TES微量能器制备具有高稳定性和重复性；同时还有效避免了磁场对转变温度等相关参数的干扰，使本发明所述TES微量能器不易受外界磁场影响。本发明还通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量主要调控TES微量能器的电阻率，同时配合溅射功率和退火温度主要调控TES微量能器的转变温度，从而实现电阻率和转变温度的近似单独、精确调控。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底结构，其中所述衬底结构包括半导体衬底，形成于所述半导体衬底上表面的上介质层及形成于所述半导体衬底下表面的下介质层；

对所述下介质层及所述半导体衬底进行刻蚀，直至暴露出所述上介质层，以于所述衬底结构中形成弱导热沟槽；

于所述上介质层的上表面形成两平行排布的电极，之后于两所述电极及其间的所述上介质层的上表面形成AlMn合金超导薄膜；

于所述上介质层及所述AlMn合金超导薄膜的上表面形成第一图形化掩膜层，其中所述第一图形化掩膜层中设有暴露出所述AlMn合金超导薄膜的接触孔；

于所述第一图形化掩膜层及所述接触孔的上表面形成中间缓冲层，之后于所述中间缓冲层的上表面形成第二图形化掩膜层，其中所述第二图形化掩膜层中设有暴露出所述接触孔的一形成孔；

于所述形成孔中所述中间缓冲层的上表面形成吸收层，之后去除所述第二图形掩膜层，其中所述吸收层包括形成于所述接触孔中的接触点，及形成于所述中间缓冲层和所述接触点上表面的吸收层本体；

去除所述吸收层外围的所述中间缓冲层，之后去除所述第一图形掩膜层，以通过所述接触点及其下表面的所述中间缓冲层实现所述吸收层本体和所述AlMn合金超导薄膜的连接。

2.根据权利要求1所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，形成所述AlMn合金超导薄膜的方法包括：采用磁控溅射沉积工艺于所述上介质层及两所述电极的上表面形成AlMn合金超导薄膜材料层，之后采用酸性刻蚀液对所述AlMn合金超导薄膜材料层进行湿法刻蚀，以形成所述AlMn合金超导薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，在恒温冷却环境中形成所述AlMn合金超导薄膜，其中所述恒温冷却环境的温度介于30℃-80℃之间。

4.根据权利要求2或3所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜时，通过AlMn合金靶材中Mn的原子含量调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中AlMn合金靶材中Mn的原子含量与TES微量能器的转变温度呈负相关，与TES微量能器的电阻率呈正相关。

5.根据权利要求4所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射沉积工艺形成所述AlMn合金超导薄膜时，通过溅射功率调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中溅射功率与TES微量能器的转变温度呈负相关，与TES微量能器的电阻率呈负相关。

6.根据权利要求5所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，在去除所述第一图形化掩膜层之后，所述制备方法还包括退火的步骤，以通过退火温度调控TES微量能器的转变温度和电阻率；其中在退火温度小于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度呈负相关，在退火温度大于等于150℃时，所述退火温度与所述TES微量能器的转变温度呈正相关；所述退火温度与所述TES微量能器的电阻率呈负相关，并在退火温度大于等于200℃时，所述TES微量能器的电阻率呈现稳定状态。

7.根据权利要求1所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器的制备方法，其特征在于，在形成所述中间缓冲层之后，所述制备方法还包括于所述中间缓冲层的上表面形成种子层的步骤。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述制备方法制备的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器，其特征在于，所述TES微量能器包括：

衬底结构，包括半导体衬底，形成于所述半导体衬底上表面的上介质层及形成于所述半导体衬底下表面的下介质层；

弱导热沟槽，形成于所述衬底结构的底部，且暴露出所述上介质层；

两电极，平行排布于所述上介质层的上表面；

AlMn合金超导薄膜，形成于两所述电极及其间的所述上介质层的上表面；

吸收层，形成于所述AlMn合金超导薄膜的上表面；包括接触点及吸收层本体，其中所述吸收层本体通过所述接触点与所述AlMn合金超导薄膜接触；

中间缓冲层，形成于所述AlMn合金超导薄膜和所述吸收层之间，且位于所述接触点及所述吸收层本体的下表面。

9.根据权利要求8所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器，其特征在于，所述TES微量能器还包括：种子层，形成于所述中间缓冲层及所述吸收层之间，其中所述种子层与所述吸收层的材质均为金属Au。

10.根据权利要求8或9所述的基于AlMn合金超导薄膜的TES微量能器，其特征在于，所述电极的外边缘与所述AlMn合金超导薄膜的外边缘对齐。

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