CN110649152A - 一种铌基超导器件刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铌基超导器件刻蚀方法，包括以下步骤：在全程保持真空状态的条件下，将待刻蚀的铌基器件放入至反应离子刻蚀腔，通入刻蚀气体进行刻蚀，所述刻蚀气体为C4F8、CHF3、C4F6、含有C4F8的混合气体、含有CHF3的混合气体或含有C4F6的混合气体，刻蚀结束后将器件取出。本刻蚀方案适用于硬掩膜或光刻胶掩膜Nb基样品，在大尺寸图形、亚微米级图形或更小尺寸的图形刻蚀上都能保证无沉积或较少的沉积；当刻蚀Nb‑AlOx‑Al‑Nb结构时可以有效停在Al或AlOx等材料组成的停止层上，同时刻蚀Nb至停止层后可以保证Nb材料无内掏的现象；本方法操作简单，刻蚀效果好，提高了器件的良率和产能。
Description
技术领域
本发明属于超导器件制备领域，涉及一种铌基超导器件刻蚀方法。
背景技术
超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨，且进入产业化运作，现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。随着超导技术的发展，超导量子器件的重要性逐渐突出，尤其在弱磁探测和量子计算领域倍受关注。超导电子学器件中，约瑟夫森结的制备是其中至关重要的一步。超导材料只有在特定的温度下才会呈现零电阻现象。超导材料主要分为高温超导和低温超导两大类，一般在常压下，液氮温度下有超导现象的材料成为高温超导体，在更低温度下才出现超导现象的材料成为低温超导体。约瑟夫森结以诺贝尔奖获得者英国物理学家布赖恩·约瑟夫森命。由两个超导体构成，它们被一个非常薄的非超导电层隔开，所以电子能够穿过绝缘层。当没有电压时超导体间的电流称作约瑟夫森电流（Josephson current），而电子通过障碍物的运动称作约瑟夫森隧穿（Josephson tunneling）。通过超导路径连结在一起的两个或多个结就构成了所谓的约瑟夫森干涉仪（Josephson interferometer）。
通常器件中，约瑟夫森结的结构有夹层结构和平面结构两类。夹层结构又成为三明治结，一般用于低温超导器件；平面结构一般多用于高温超导器件。低温超导器件中，Nb基器件的刻蚀是器件制备工艺中的一个难点。如Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb结构进行反应离子刻蚀通常会出现Nb底部内掏（内掏形貌如图1a,1b,1c所示）或严重的侧壁沉积（严重沉积形貌如图2a,2b,2c所示）等问题，对器件的性能造成极大的影响。严重沉积的情况中，除有机物沉积外，还有较多的金属沉积，难以清洗，且对器件性能造成重要影响。同时由于在约瑟夫森结刻蚀过程中，Nb层与Al层性质不同，刻蚀方法也有所差异，如果使用氯基气体刻蚀，Al层容易吸附氯离子而造成腐蚀，如图7所示。因此如何实现刻蚀上面的Nb层和中间的Al层，并减少对下面Nb层的损伤，成为了目前Nb基器件刻蚀的急需解决的问题。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种铌基超导器件刻蚀方法。该刻蚀方法在进行刻蚀的过程中不产生或产生较少的沉积物的，保证刻蚀后Nb侧壁无严重的金属沉积或其他沉积物，实现光滑的台阶侧壁。
技术方案：一种铌基超导器件刻蚀方法，包括以下步骤：在全程保持真空状态的条件下，将待刻蚀的铌基器件放入至反应离子刻蚀腔，通入刻蚀气体进行刻蚀，所述刻蚀气体为C4F8、CHF3、C4F6、含有C4F8的混合气体、含有CHF3的混合气体或含有C4F6的混合气体，刻蚀结束后将器件取出。
进一步，所述反应离子刻蚀腔在通入刻蚀气体腔体后的真空度为0～100Pa。
进一步，所述反应离子刻蚀腔内通入刻蚀气体的流量为5sccm～300sccm；所述反应离子刻蚀腔进行反应离子刻蚀处理的离子源功率为100W～2000W；刻蚀处理的时间为30s～1200s。
进一步，所述铌基器件为Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb。
进一步，所述含C4F8的混合气体中还包含CF4、CHF3、SF6、O2、Ar、C4F6、CH3F、CH2F2中的至少一种，且C4F8占比大于70%；所述含有CHF3的混合气体中还包含CF4、C4F8、SF6、O2、Ar、C4F6、CH3F、CH2F2中的至少一种，且CHF3占比大于70%；所述含有C4F6的混合气体中还包含CF4、C4F8、SF6、O2、Ar、CHF3、CH3F、CH2F2中的至少一种，且C4F6占比大于70%。
进一步，将刻蚀结束后将器件在保持真空的条件下传送至镀膜腔，对样品进行镀膜，从而保护器件表面及侧壁不与空气接触。
有益效果：经过反复的实验验证，本刻蚀方案适用于硬掩膜或光刻胶掩膜Nb基样品，在大尺寸图形、亚微米级图形或更小尺寸的图形刻蚀上都能保证无沉积或较少的沉积；当刻蚀Nb-AlOx-Al-Nb结构时可以有效停在Al或AlOx等材料组成的停止层上，同时刻蚀Nb至停止层后可以保证Nb材料无内掏的现象；本方法操作简单，刻蚀效果好，提高了器件的良率和产能。
附图说明
图1为Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb结构进行反应离子刻蚀通常会出现Nb底部内掏形貌图，其中a为Nb-Si-Nb结构，b为Nb-AlOx-Al-Nb结构，c为Nb-AlOx-Al-Nb结构。
图2为Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb结构进行反应离子刻蚀通常会出现Nb严重的侧壁沉积形貌图，其中a为Nb-Si-Nb结构，b为Nb-AlOx-Al-Nb结构，c为Nb-AlOx-Al-Nb结构。
图3为实施例1的样品反应离子刻蚀的示意图。
图4为实施例4的样品反应离子刻蚀及镀膜的示意图。
图5为实施例1的样品刻蚀前的SEM图。
图6为本实施例1-4的样品刻蚀后的SEM图，其中a、b、c、d分别对应实施例1、2、3、4，从4张图中可以看出Nb与Al界面与内掏现象，Nb侧壁无明显沉积。
图7为背景技术中所述样品经氯基气体刻蚀，Al层吸附氯离子而造成腐蚀的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本发明所使用的刻蚀装置为鲁汶仪器L-MEC刻蚀平台，该刻蚀平台包括样品装载腔、第一真空过渡腔室、真空传输腔室、反应离子刻蚀腔室、镀膜腔室，刻蚀装置允许晶圆在不中断真空的前提下在反应离子刻蚀腔室、镀膜腔室等腔室按照应用需要的腔室顺序依次在腔室内进行晶圆加工。本发明所使用的设备也可以是单台的反应离子刻蚀装置或单台反应离子刻蚀机与单台镀膜设备，均为市面上可有采购的设备。本发明适用于硬掩膜或光刻胶掩膜Nb基样品，例如Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb结构，在大尺寸图形、亚微米级图形或更小尺寸的图形刻蚀上都能保证无沉积或较少的沉积。
实施例1
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-AlOx-Al-Nb）上有尺寸为500nm直径的圆台图形；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度符合常规ICP刻蚀机的真空度要求即可；
(3)向刻蚀腔通入C4F8气体，刻蚀气体的流量为150sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为80Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为1000W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为600s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将样品取出。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
如图3所示，本实施例中反应离子等离子体刻蚀过程中采用C4F8对金属Nb底部有Al材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌，如图6a所示。
实施例2
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-AlOx-Al-Nb）上有尺寸为1000nm直径的圆台图形；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度符合常规ICP刻蚀机的真空度要求即可；
(3)向刻蚀腔通入CHF3气体，刻蚀气体的流量为150sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为80Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为1000W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为600s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将样品取出。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
本实施例中反应离子等离子体刻蚀过程中采用CHF3气体对金属Nb底部有Al材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌，如图6b所示。
实施例3
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-AlOx-Al-Nb）上有尺寸为800nm直径的圆台图形（如图5所示）；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度符合常规ICP刻蚀机的真空度要求即可；
(3)向刻蚀腔通入C4F6气体，刻蚀气体的流量为150sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为80Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为1000W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为600s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将样品取出。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
本实施例中反应离子刻蚀过程中采用C4F6气体对金属Nb底部有Al材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌，如图6c所示。
实施例4
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-AlOx-Al-Nb）上有尺寸为800nm直径的圆台图形；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度为多少；
(3)向刻蚀腔通入C4F8气体，刻蚀气体的流量为150sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为80Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为1000W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为600s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将将器件在保持真空的条件下传送至镀膜腔，对样品进行镀膜，原位保护镀膜5纳米，保护样品表面及侧壁不与空气接触，避免了器件受潮等问题。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
如图4所示，本实施例中反应离子刻蚀过程中采用C4F8气体对金属Nb底部有Al材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌，如图6d所示。
实施例5
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-Si-Nb）上有尺寸为500nm直径的圆台图形；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度符合常规ICP刻蚀机的真空度要求即可；
(3)向刻蚀腔通入含C4F8的混合气体，含C4F8的混合气体中还包含CF4、CHF3、CH3F，且C4F8占比为70%，其它三种分别为10%，刻蚀气体的流量为20sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为10Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为100W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为30s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将样品取出。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
本实施例中反应离子刻蚀过程中采用含C4F8的混合气体对金属Nb底部有Si材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌。
实施例6
(1)光刻之后的铌基器件（Nb-Si-Nb）上有尺寸为1000nm直径的圆台图形；
(2)铌基器件先放入样品装载腔，经传送机构依次经过第一真空过渡腔室和真空传输腔室后传送至刻蚀腔（反应离子刻蚀腔室），传送过程中保持全程处于真空状态下，真空度符合常规ICP刻蚀机的真空度要求即可；
(3)向刻蚀腔通入含有CHF3的混合气体，含有CHF3的混合气体中还包含O2，且CHF3占比为80%；刻蚀气体的流量为300sccm，等待气流和压强稳定，腔内的真空度为100Pa；
(4)启动射频电源，离子源功率为2000W，刻蚀样品，刻蚀处理的时间为1200s；
(5)刻蚀完成后，传送机构将样品取出。
(6)破真空，取出样品，工艺结束。
本实施例中反应离子刻蚀过程中采用含有CHF3的混合气体对金属Nb底部有Si材料（可称为停止层）的铌基器件进行刻蚀，实现刻蚀Nb后停在停止层上，可以做到无沉积或无明显沉积，实现光滑的台阶侧壁，Nb材料无内掏的形貌。
Claims (6)
1.一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于包括以下步骤：在全程保持真空状态的条件下，将待刻蚀的铌基器件放入至反应离子刻蚀腔，通入刻蚀气体进行刻蚀，所述刻蚀气体为C4F8、CHF3、C4F6、含有C4F8的混合气体、含有CHF3的混合气体或含有C4F6的混合气体，刻蚀结束后将器件取出。
2.根据权利要求1所述的一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于：所述反应离子刻蚀腔在通入刻蚀气体后腔体的真空度为0～100Pa。
3.根据权利要求1所述的一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于：所述反应离子刻蚀腔内通入刻蚀气体的流量为5sccm～300sccm；所述反应离子刻蚀腔进行反应离子刻蚀处理的离子源功率为100W～2000W；刻蚀处理的时间为30s～1200s。
4.根据权利要求1所述的一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于：所述铌基器件为Nb-AlOx-Al-Nb或Nb-Si-Nb。
5.根据权利要求1所述的一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于：所述含C4F8的混合气体中还包含CF4、CHF3、SF6、O2、Ar、C4F6、CH3F、CH2F2中的至少一种，且C4F8占比大于70%；所述含有CHF3的混合气体中还包含CF4、C4F8、SF6、O2、Ar、C4F6、CH3F、CH2F2中的至少一种，且CHF3占比大于70%；所述含有C4F6的混合气体中还包含CF4、C4F8、SF6、O2、Ar、CHF3、CH3F、CH2F2中的至少一种，且C4F6占比大于70%。
6.根据权利要求1所述的一种铌基超导器件刻蚀方法，其特征在于：将刻蚀结束后将器件在保持真空的条件下传送至镀膜腔，对样品进行镀膜，从而保护器件表面及侧壁不与空气接触。
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