CN111101103B - 超导薄膜、超导薄膜制备方法及超导转变边沿探测器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超导薄膜、超导薄膜制备方法及超导转变边沿探测器。超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。如图1所示，沿通入电流的电流流动方向，截面面积(S1、S2所示)单向增加或递减。此时，随电流密度的升高，截面面积小的位置，先行失去超导态，进入正常态。当电流密度逐渐升高，超导转变边沿展宽。因此，通过超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减，可以使得超导薄膜具有超导转变区非常平缓或宽阔的特性，进而可以保证在大量光子信号抵达TES器件时依旧有信号相应。超导薄膜解决了传统超导薄膜容易失去超导态的问题，从而可以探测到更多数量的光子信号，达到宽谱光功率探测效果。

Description

超导薄膜、超导薄膜制备方法及超导转变边沿探测器

技术领域

本申请涉及光探测技术领域，特别是涉及一种超导薄膜、超导薄膜制备方法及超导转变边沿探测器。

背景技术

超导转变边沿探测器(transition edge sensor，TES)相比较于传统半导体光子探测器，具有高量子效率，出色的光子数分辨能力及能量分辨能力，且其暗计数率几乎忽略不计。超导转变边沿探测器广泛的用于天文探测，量子通讯，生物荧光传感等领域。由于其高量子效率，其在光功率计量方面是理想的光功率探测器。

其中，关键在于需要不同超导转变温度的超导薄膜作为吸收层。然而，传统的超导薄膜，在吸收一定数量的光子信号时，容易很快进入正常态，即失去超导态，从而失去电阻的变化，进而无法探测到更多数量的光子信号。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超导薄膜、超导薄膜制备方法及超导转变边沿探测器。

本申请提供一种超导薄膜。所述超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。

在一个实施例中，所述超导薄膜的厚度沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减。

在一个实施例中，所述超导薄膜的最大厚度与最小厚度相差30纳米到70纳米。

在一个实施例中，所述超导薄膜沿通入电流的电流流动方向的长度为10微米到100微米。

在一个实施例中，所述超导薄膜垂直于电流流动方向上的截面形状为三角形或四边形。

在一个实施例中，一种超导薄膜制备方法，包括：

S10，提供衬底；

S20，将所述衬底与靶材相对设置，且所述衬底法线与所述靶材所在平面法线的夹角为0°到90°，所述衬底不转动，在与所述靶材相对的所述衬底表面沉积一层厚度逐渐变化的靶材薄膜；

S30，提供超导薄膜图形，并根据所述超导薄膜图形，在所述靶材薄膜远离所述衬底的表面旋涂第一光刻胶层；

S40，根据所述第一光刻胶层，刻蚀所述靶材薄膜；

S50，将所述第一光刻胶层去除，获得超导薄膜；

其中，所述超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。

在一个实施例中，所述超导薄膜制备方法还包括：

S60，在所述超导薄膜远离所述衬底的表面和所述衬底靠近所述超导薄膜的表面，制备导电引线层；

S70，在所述导电引线层远离所述超导薄膜的表面，旋涂第二光刻胶层；

S80，根据所述第二光刻胶层，刻蚀所述导电引线层，露出所述超导薄膜远离所述衬底的表面；

S90，将所述第二光刻胶层去除，获得制备有所述导电引线层的所述超导薄膜，用于通过所述导电引线层外接测试电路。

在一个实施例中，在所述S20中，将所述衬底与所述靶材放入磁控溅射室内，并将所述磁控溅射室抽真空，通入氩气，溅射气压设置为0.05Pa到2Pa，溅射功率为50W到400W，沉积速率为4nm/min到17nm/min。

在一个实施例中，在所述S20中，所述衬底法线与所述靶材所在平面法线的夹角为45°。

在一个实施例中，本申请提供一种超导转变边沿探测器。所述超导转变边沿探测器包括上述任一实施例中所述超导薄膜。或者，所述超导转变边沿探测器包括上述任一实施例中所述的超导薄膜制备方法制备的超导薄膜。

本申请提供一种上述超导薄膜。超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。如图1所示，沿通入电流的电流流动方向，截面面积(S1、S2所示)单向增加或递减。此时，随电流密度的升高，截面面积小的位置，先行失去超导态，进入正常态。当电流密度逐渐升高，超导转变边沿展宽。因此，通过超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减，可以使得超导薄膜具有超导转变区非常平缓或宽阔的特性，进而可以保证在大量光子信号抵达TES器件时依旧有信号相应。超导薄膜解决了传统超导薄膜容易失去超导态的问题，从而可以探测到更多数量的光子信号，达到宽谱光功率探测效果。

附图说明

图1为本申请提供的一实施例中超导薄膜的整体结构示意图；

图2为本申请提供的一实施例中超导薄膜的整体结构示意图；

图3为本申请提供的一实施例中超导薄膜的整体结构示意图；

图4为本申请提供的一实施例中超导薄膜的整体结构示意图；

图5为本申请提供的一实施例中超导薄膜制备方法的工艺流程示意图；

图6为本申请提供的衬底、靶材位置关系示意图；

图7为本申请提供的一实施例中超导薄膜制备方法的工艺流程示意图。

附图标记说明

超导薄膜100、衬底10、靶材210、靶材薄膜20、第一光刻胶层30、导电引线层40、第二光刻胶层50。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1-4，本申请提供一种超导薄膜100。超导薄膜100的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。

超导薄膜100的材质可以为钛、铝、钼或铌等。超导薄膜100的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。如图1所示，沿通入电流的电流流动方向，截面面积(S1、S2所示)单向增加或递减。此时，随电流密度的升高，截面面积小的位置，先行失去超导态，进入正常态。当电流密度逐渐升高，超导转变边沿展宽。因此，通过超导薄膜100的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减，可以使得超导薄膜100具有超导转变区非常平缓或宽阔的特性，进而可以保证在大量光子信号抵达TES器件时依旧有信号相应。超导薄膜100解决了传统超导薄膜容易失去超导态的问题，从而可以探测到更多数量的光子信号，达到宽谱光功率探测效果。

在一个实施例中，超导薄膜100的厚度沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减。

超导薄膜100的厚度(如图1中d1、d2所示)，沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减。本实施例中，截面面积(S1、S2所示)所对应的图形为矩形。截面面积为边长乘积，即图中a乘以b，其中b为超导薄膜100的厚度(也可以理解为高度)。其中，超导薄膜100的厚度沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减，可近似理解为线性增加或递减。

在一个实施例中，沿通入电流的电流流动方向，截面面积(S1、S2所示)的边长a相同。此时，沿通入电流的电流流动方向单向，超导薄膜100的截面面积只受到边长b的影响(即超导薄膜100的厚度，图中d1、d2)。此时超导薄膜100的截面面积可近似理解为线性增加或递减。同时，根据电阻随温度变化呈现的超导态至正常态的变化规律可知，通过超导薄膜100的截面面积变化，可以使得超导薄膜100具有超导转变区非常平缓或宽阔的特性，进而可以保证在大量光子信号抵达TES器件时依旧有信号相应，从而可以探测到更多数量的光子信号，达到宽谱光功率探测效果。

在一个实施例中，超导薄膜100的最大厚度与最小厚度相差30纳米到70纳米。本实施例中，可以理解为最大厚度d2与最小厚度d1相差30纳米到70纳米。最小厚度d1至最大厚度d2的变化过程可以理解为沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减，可近似理解为线性增加或递减。

在一个实施例中，超导薄膜100沿通入电流的电流流动方向的长度为10微米到100微米。本实施例中，可以理解为图1中d3所示的长度为10微米到100微米，也可以根据实际应用环境进行设定。

在一个实施例中，超导薄膜100垂直于电流流动方向上的截面形状为三角形或四边形。

如图1和图2所示，超导薄膜100垂直于电流流动方向上的截面形状为四边形，可以为正方形、长方形(参见图1和图2中S3所示)。如图3和图4所示，超导薄膜100垂直于电流流动方向上的截面形状为三边形(参见图3和图4中S4所示)。

请参见图5-6，在一个实施例中，一种超导薄膜制备方法，包括：

S10，提供衬底10；

S20，将衬底10与靶材210相对设置，且衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为0°到90°，衬底10不转动，在与靶材210相对的衬底10表面沉积一层厚度逐渐变化的靶材薄膜20；

S30，提供超导薄膜图形，并根据超导薄膜图形，在靶材薄膜20远离衬底10的表面旋涂第一光刻胶层30；

S40，根据第一光刻胶层30，刻蚀靶材薄膜20；

S50，将第一光刻胶层30去除，获得超导薄膜100；

其中，超导薄膜100的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减。

在S10中，衬底10可以为硅衬底。靶材210可以为钛，铝，钼，铌靶材。衬底10为清洗过的基片，可以依次采用丙酮超声10mins，异丙醇超声10mins，酒精超声10mins，超纯水超声10mins，并用氮气吹干。

在S20中，采用掠射角溅射沉积的方式制备薄膜，可采用磁控溅射也可采用其他电子束辅助蒸发等手段。将衬底10与靶材210相对设置。衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为0°到90°，即图6中夹角α为0°到90°。也可以理解为靶材气流形成轨道与衬底10法线的夹角为0°到90°。其中，0°到90°不包括边界0°和90°。当衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角(即沉积角度)大于0°时，由于靶材210与衬底10各点之间溅射距离不同，导致在距离靶材210较近的衬底10位置沉积速度较快，而衬底10距离靶材210较远位置沉积速度缓慢，因此会形成厚度逐渐变化的靶材薄膜20。其薄膜程度差异随α升高而提高。α角度为0°到90°之间。

同时，衬底10不转动，即图6中Φ为0。Φ为衬底10沿法线角度的转动速度。此时，通过衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为0°到90°，衬底10不转动，在与靶材210相对的衬底10表面会形成一层厚度逐渐变化的靶材薄膜20。此时，靶材薄膜20薄厚随溅射距离进行变化。

在S30中，提供超导薄膜图形，并根据超导薄膜图形，使用光刻工艺去除不需要部分光刻胶，形成第一光刻胶层30。

在S40中，根据第一光刻胶层30，采用干法刻蚀，刻蚀靶材薄膜20，去除多余的薄膜。

在S50中，清洗多余的第一光刻胶层30，获得超导薄膜100。

通过超导薄膜制备方法，由于采用掠射角沉积，将衬底10与靶材210相对设置，并非通常的平行放置，而是倾斜放置。此时，衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为0°到90°，且衬底10不转动，衬底10表面每点与靶材210的溅射距离不同，在相同溅射功率及工作气压下，衬底10不同位置的溅射形成的靶材薄膜20的厚度并不相同。进而，制备获得的超导薄膜100的截面面积会根据薄膜厚度不同而呈现单向增加或递减的结构。因此，制备获得的超导薄膜100中厚度较薄的位置会因为临界电流较小而率先进入正常态，而厚度较厚的位置会因为临界电流较大而后进入正常态。从而，超导薄膜100会因为不同厚度而具备非常宽的超导转变区，从而具有非常宽谱光功率探测效果。

请参见图6，在一个实施例中，在S20中，将衬底10与靶材210放入磁控溅射室内，并将磁控溅射室抽真空，通入氩气，溅射气压设置为0.05Pa到2Pa，溅射功率为50W到400W，沉积速率为4nm/min到17nm/min。

具体地，在S20中，使用JGP560双室磁控溅射沉积系统，采用Trion刻蚀机，EVG光刻机，2inch单抛硅片，Lesker Ti靶(纯度99.995％)，Nb靶(纯度99.95％)。衬底10为2inch单抛硅片。将2inch单抛硅片放入JGP560双室磁控溅射沉积系统，采用掠射角溅射沉积的方式制备Ti薄膜(靶材薄膜20)，掠射角确定为45°，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.1Pa,溅射功率为200W。其中，掠射角确定为45°，即衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为45°，图6中α。

通过将衬底10法线与靶材210所在平面法线的夹角为45°，且衬底10不转动，制备获得的超导薄膜100的最小厚度d1至最大厚度d2的变化过程可以理解为沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减，可以更加近似理解为线性增加或递减。进而，超导薄膜100的截面面积也会根据薄膜厚度的变化而呈现单向增加或递减。从而通过超导薄膜100的截面面积变化，可以使得超导薄膜100具有超导转变区非常平缓或宽阔的特性，进而可以保证在大量光子信号抵达TES器件时依旧有信号相应，从而可以探测到更多数量的光子信号，达到宽谱光功率探测效果。

采用Trion刻蚀机，采用SF6刻除多余的Ti薄膜。并采用丙酮超声4mins，异丙醇超声4mins，清洗多余光刻胶。

在一个实施例中，超导薄膜制备方法还包括：

S60，在超导薄膜100远离衬底10的表面和衬底10靠近超导薄膜100的表面，制备导电引线层40；

S70，在导电引线层40远离超导薄膜100的表面，旋涂第二光刻胶层50；

S80，根据第二光刻胶层50，刻蚀导电引线层40，露出超导薄膜100远离衬底10的表面；

S90，将第二光刻胶层50去除，获得制备有导电引线层40的超导薄膜100，用于通过导电引线层40外接测试电路。

在S60中，放入磁控溅射设备，启动自转转盘，自转速度5rpm，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.6Pa，溅射功率为500W，溅射上Nb金属导电引线层40。在S70中，采用光刻工艺去除多余导线层，露出超导薄膜100的表面。并切出对应芯片尺寸并于外接测试电路点焊连接。

在一个实施例中，本申请提供一种超导转变边沿探测器。超导转变边沿探测器包括上述任一实施例中超导薄膜100。或者，超导转变边沿探测器包括上述任一实施例中的超导薄膜制备方法制备的超导薄膜。

超导转变边沿探测器包括衬底10(基板)、超导薄膜100(超导器件)、导电引线层40(超导引线)，超导薄膜100设置于衬底10(基板)。基于光学应用，超导转变边沿探测器可以包括镜面层、增反射层、透射层。

以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，未对上述实施例中的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本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。

Claims (7)

1.一种超导薄膜，其特征在于，所述超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减；

所述超导薄膜的厚度沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减；

所述超导薄膜的最大厚度与最小厚度相差30纳米到70纳米；

所述超导薄膜沿通入电流的电流流动方向的长度为10微米到100微米。

2.如权利要求1所述的超导薄膜，其特征在于，所述超导薄膜垂直于电流流动方向上的截面形状为三角形或四边形。

3.一种超导薄膜制备方法，其特征在于，包括：

S10，提供衬底（10）；

S20，将所述衬底（10）与靶材（210）相对设置，且所述衬底（10）法线与所述靶材（210）所在平面法线的夹角为0°到90°，所述衬底（10）不转动，在与所述靶材（210）相对的所述衬底（10）表面沉积一层厚度逐渐变化的靶材薄膜（20）；

S30，提供超导薄膜图形，并根据所述超导薄膜图形，在所述靶材薄膜（20）远离所述衬底（10）的表面旋涂第一光刻胶层（30）；

S40，根据所述第一光刻胶层（30），刻蚀所述靶材薄膜（20）；

S50，将所述第一光刻胶层（30）去除，获得超导薄膜；

其中，所述超导薄膜的截面面积沿通入电流的电流流动方向单向增加或递减；

所述超导薄膜的厚度沿通入电流的电流流动方向单向增高或递减；

所述超导薄膜的最大厚度与最小厚度相差30纳米到70纳米；

所述超导薄膜沿通入电流的电流流动方向的长度为10微米到100微米。

4.如权利要求3所述的超导薄膜制备方法，其特征在于，还包括：

S60，在所述超导薄膜远离所述衬底（10）的表面和所述衬底（10）靠近所述超导薄膜的表面，制备导电引线层（40）；

S70，在所述导电引线层（40）远离所述超导薄膜的表面，旋涂第二光刻胶层（50）；

S80，根据所述第二光刻胶层（50），刻蚀所述导电引线层（40），露出所述超导薄膜远离所述衬底（10）的表面；

S90，将所述第二光刻胶层（50）去除，获得制备有所述导电引线层（40）的所述超导薄膜，用于通过所述导电引线层（40）外接测试电路。

5.如权利要求4所述的超导薄膜制备方法，其特征在于，在所述S20中，将所述衬底（10）与所述靶材（210）放入磁控溅射室内，并将所述磁控溅射室抽真空，通入氩气，溅射气压设置为0.05Pa到2Pa，溅射功率为50 W 到400 W，沉积速率为4nm/min到17nm/min。

6.如权利要求4所述的超导薄膜制备方法，其特征在于，在所述S20中，所述衬底（10）法线与所述靶材（210）所在平面法线的夹角为45°。

7.一种超导转变边沿探测器，其特征在于，包括如权利要求1至2任一项所述的超导薄膜或包括如权利要求3至6任一项所述的超导薄膜制备方法制备的超导薄膜。

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