CN114447204A - 一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途，在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路结构，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层表面制备Ta2O5氧化层作为中间层，掩膜光刻形成上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结。本发明以Ta（110）超导薄膜作为约瑟夫森结的下电极和上电极，其表面的Ta2O5氧化层具有致密、稳定等特点，可采用食人鱼溶液进行钝化、优化，进一步去除光刻残胶，并保证超导电路结构及约瑟夫森结的稳定，具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，适用于不同面积的约瑟夫森结的调控。
Description
技术领域
本发明属于超导芯片技术领域，涉及一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途。
背景技术
作为量子芯片的核心基础元件，超导约瑟夫森结的结构及其制备工艺受到了广泛研究。如何保证并提高约瑟夫森结性能且简化其制备工艺步骤成为了研究热点，同时，为了推动实现通用量子计算，制备满足大晶圆尺寸的稳定、可拓展的约瑟夫森结同样重要。
当前，悬胶结构及双倾角蒸镀技术仍然是制备约瑟夫森结的常用工艺手段，典型的例子是基于铝（Al）/氧化铝（AlOx）/Al的超导约瑟夫森结。经过长期的发展、改进，约瑟夫森结的制备工艺流程已经得到了明显的简化，如CN108110131A公开的双倾角蒸镀约瑟夫森结的方案中，采用十字型约瑟夫森结图形，取消了复杂的悬胶结构。但倾斜镀膜方法仍然存在一定的弊端，例如：无法保证大晶圆尺寸范围内约瑟夫森结的膜厚和电阻均匀性，不利于高集成度。同时，受限于高分子材料掩膜层的存在，约瑟夫森结区的制备需控制在室温到200℃的低温段，无法达到超导膜层最优的生长温度。
从材料角度出发，Al具有低的超导温度和超导能隙，易造成准粒子注入而增加损耗。另外一方面，Al的化学性质较活泼，自然氧化的AlOx在低温工作时具有一定的介电损耗。同时，该氧化层虽然较为致密，可实现对结区一定的钝化保护，但其在大气环境或者光刻工艺中仍然具有不稳定性，经受潮或者化学试剂处理后容易发生变性，进一步增加介电损耗，并会改变约瑟夫森结的临界电流。体心立方结构的钽（Ta）由于具有较高的超导转变温度和超导能隙，且在超导量子比特中具有准粒子密度小等特点而受到了极大关注。进一步地，超导Ta膜表面形成的五氧化二钽（Ta2O5）氧化层，具有较高的致密性、低的介电损耗和高的稳定性，在超导电路及约瑟夫森结中有重要的应用前景。
综上，如何提供一种约瑟夫森结的制备方法，实现高品质、高稳定性且可规模化的量子芯片，成为目前迫切需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途，采用掩膜光刻制备下电极Ta（110）层和上电极Ta（110）层，以Ta2O5氧化层作为中间层，期间，多次采用食人鱼溶液处理的化学钝化方法可对Ta膜表面氧化层及约瑟夫森结中间层进行优化，进一步去除光刻残胶，同时，有利保证超导电路结构及约瑟夫森结的稳定。本发明具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，适用于不同面积的约瑟夫森结的调控。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，所述的制备方法包括：
在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路结构，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层表面制备Ta2O5氧化层作为中间层，掩膜光刻形成上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结。
所述Ta（110）膜的超导电路结构和下电极Ta（110）层通过掩膜光刻分步成型；或，所述Ta（110）膜的超导电路结构和下电极Ta（110）层通过掩膜光刻一体成型。
其中，Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为分步成型制备，包括：首先在衬底表面制备高质量的Ta（110）膜，经光刻刻蚀形成超导电路图形，进一步地，在与超导电路图形搭接区域加工光刻掩膜图案，沉积Ta（110）超导薄膜作为约瑟夫森结的下电极层，后将结构进行氧化处理或者沉积Ta2O5氧化层，形成约瑟夫森结的Ta2O5中间氧化层，再借助光刻掩膜工艺，在与下电极层交错区域形成掩膜图案，并沉积Ta（110）超导薄膜作为约瑟夫森结上电极层。其中下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层和上电极Ta（110）层交叠区域为约瑟夫森结区。
另一方面，Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为一体成型制备，即在光刻超导电路图形时保留与超导电路相连部分直接作为约瑟夫森结的下电极Ta（110）层，其余步骤与分步成型制备方案相同。
本发明区别于传统的倾角蒸镀方法，具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，并适用于小面积及大面积约瑟夫森结的调控。
需要说明的是，本发明中大晶圆尺寸代表的尺寸包括2英寸、6英寸、8英寸或12英寸，甚至更大尺寸的晶圆，由于本发明采用光刻技术进行制备，不会受到倾角蒸镀方法的限制，能够满足更大晶圆尺寸的约瑟夫森结制备。
需要说明的是，本发明中Ta（110）代表的是Ta的晶型取向为（110）。
需要说明的是，本发明对光刻的方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据操作需求合理选择光刻的方式和工艺，例如光刻的方式紫外曝光、电子束曝光、激光曝光方式中的一种或至少两种的组合，例如刻蚀的方式为湿法刻蚀、干法刻蚀中的一种或至少两种的组合。
作为本发明的一个优选技术方案，所述Ta（110）膜和下电极Ta（110）层通过掩膜光刻一体成型，即在刻蚀超导电路图形时保留与超导电路相连部分直接作为约瑟夫森结的下电极Ta（110）层。若Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为分步成型，需先刻蚀超导电路图形，后经光刻掩膜图案在搭接超导电路的区域沉积新的Ta（110）层作为下电极层。此时由于掩膜图形的存在，下电极层的生长需控制在较低的温度，为了获得Ta（110）的立方晶型结构，可采用Nb（110）种子层进行诱导。对比两种技术方案发现，当Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为一体成型时，电极层与Ta（110）膜层为同步生长，该膜层的生长无高分子材质的掩膜层的限制，因此可采用Ta超导膜层最优的高温生长条件，最终刻蚀制备高结晶质量的超导电路和下电极Ta（110）层。另外一方面，通过一体成型制备得到下电极Ta（110）层，无需额外的光刻掩膜加工工序，具有简化的工艺步骤，同时由于Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为同一膜层，能够保证约瑟夫森结与超导电路连接的稳定性。
需要说明的是，本发明中Nb（110）代表的是Nb的晶型取向为（110）。
作为本发明的一个优选技术方案，所述衬底包括Si衬底或蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底包括A面蓝宝石衬底、C面蓝宝石衬底、R面蓝宝石衬底或M面蓝宝石衬底。可选地，Si衬底为本征高阻Si衬底，取向为Si（100），电阻大于8000ohm·cm。
需要说明的是，本发明中衬底优选免洗的蓝宝石衬底，有效避免衬底表面杂质对约瑟夫森结造成影响，进一步地，对衬底进行预处理，包括表面原子台阶处理（高温退火）、背面预镀膜（保证衬底表面温度均匀性）和活性氧辅助表面清洗（除C、H等表面杂质），使衬底表面干净、光滑且原子台阶分明。针对Si衬底，对衬底的处理方法包括：对衬底进行有机溶剂（丙酮、异丙醇）清洗去除衬底表面有机杂质，后经RCA1（由三种化学物质组成，配比例如NH4OH:H2O2:H2O的体积比为1:1:5）、RCA2（由三种化学物质组成，配比例如HCl:H2O2:H2O的体积比为1:1:5）、食人鱼（由二种化学物质组成，配比例如H2SO4:H2O2的体积比为2:1）无机清洗步骤去除表面金属残留，最后经氢氟酸（例如HF:H2O的体积比为1:20）或者BOE（缓冲氧化物刻蚀液，由两种化学物质组成，配比例如质量分数49%HF:40%NH4F的体积比为1:6）去除衬底表面SiO2氧化层，去离子水冲洗后转移至真空腔室。
作为本发明的一个优选技术方案，所述Ta（110）膜的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合。
所述下电极Ta（110）层的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合。
所述上电极Ta（110）层的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合。
作为本发明的一个优选技术方案，所述Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为掩膜光刻一体成型，均通过磁控溅射法在C面蓝宝石衬底上生长得到。
所述磁控溅射的生长温度为300~600℃，直流功率≥50W，工作压强≥5mTorr。优选地，磁控溅射中所述生长温度为410~600℃，直流功率≥210W，工作压强为5~13mTorr。
需要说明的是，在磁控溅射过程中，本领域技术人员可根据实际需要合理调整靶基距，以满足薄膜均匀沉积的要求，例如，靶基距为70~150mm。
本发明以C面蓝宝石衬底为基础，配合一体成型方案，制备Ta（110）膜和下电极Ta（110）层，调控磁控溅射的生长温度为300~600℃，直流功率≥50W，工作压强≥5mTorr，进一步地优选生长温度为410~600℃，直流功率≥210W，工作压强为5~13mTorr，靶基距为70~150mm的配合，大幅度增加溅射腔体中的等离子体密度，减小Ta沉积粒子的平均自由程，使其到达衬底表面时的动能降低，有效遏制Ta层在C面蓝宝石衬底的外延生长，最终保证在C面蓝宝石衬底表面生成晶向为Ta（110）的薄膜，在此基础上，提高生长温度可明显提高所生长Ta膜的结晶度。进一步地，这种高质量的Ta（110）膜层表面能够生成具有致密、稳定且近乎单一价态成分的Ta2O5氧化层。而Ta2O5相比常用的AlOx氧化层，具有低的介电损耗和高的环境、工艺稳定性，在整个超导电路及约瑟夫森结的结构表面可长期稳定存在，起到钝化保护作用。相比较，基于C面蓝宝石衬底外延生长制备得到的具有（111）晶相的Ta膜层不具备该特点。
示例性地，提供一种下电极Ta（110）层的制备方法，Ta（110）膜的制备方法与下电极Ta（110）层的制备方法相同，为一体成型制备，所述制备方法具体包括以下步骤：
在C面蓝宝石衬底上，采用磁控溅射法制备Ta（110）层，生长温度为300~600℃，工作压强≥5mTorr，直流功率≥50W，靶基距为70~150mm，生长厚度为50~150nm。例如，温度为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃，工作压强为5mTorr、7mTorr、9mTorr、11mTorr、13mTorr、15mTorr、17mTorr、19mTorr或20mTorr，直流功率为50W、100W、150W、200W、300W、400W、500W、600W或700W，靶基距为70mm、90mm、110mm、130mm或150mm，生长厚度为50nm、70nm、90nm、110nm、130nm或150nm。
示例性地，在本发明的实施例中，在Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的分步成型制备中，下电极Ta（110）层的制备方法包括：
在C面蓝宝石衬底上沉积Nb（110）膜，其中，生长温度为20~200℃，工作压强为≥1mTorr，直流功率为≥50W，生长厚度为5~20nm；在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积下电极Ta（110）层，生长温度为20~200℃，工作压强≥1mTorr，直流功率为≥50W，生长厚度为50~150nm。
需要说明的是，在本发明分步成型制备下电极Ta（110）层时，预先对掩膜图案下的蓝宝石衬底表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的衬底表面，再制备Nb（110）种子层和下电极Ta（110）层。
作为本发明的一个优选技术方案，所述Ta2O5氧化层的制备方式包括氧化法或沉积法，所述氧化法包括准原位高温热氧化方法和/或低温湿法氧化，所述沉积法包括磁控溅射沉积法和/或原子层沉积法。
作为本发明的一个优选技术方案，所述Ta2O5氧化层采用食人鱼溶液对下电极Ta（110）层浸泡进行低温湿法氧化制备得到。
本发明中基于高质量的下电极Ta（110）层，实现近乎单一价态的Ta2O5氧化层组分，采用食人鱼溶液进行低温湿法氧化处理，在优化Ta2O5氧化层的内部缺陷的同时，进一步地增加Ta2O5氧化层的致密性和厚度，制备得到优异性能的氧化层作为约瑟夫森结中间绝缘层。相对于传统约瑟夫森结所采用的AlOx中间层，Ta2O5氧化层具有更高的环境和工艺稳定性及更低的介电损耗。同理，基于本发明中超导电路结构及约瑟夫森结的下电极、上电极均为高质量的Ta（110），食人鱼溶液处理的方案对整个超导电路结构及约瑟夫森结表面皆具有有利的钝化效果，能够对超导电路结构及约瑟夫森结中超导隧穿通道进行保护，最终共同保证高质量超导量子比特的制备。
示例性地，提供一种采用食人鱼溶液进行低温湿法氧化制备Ta2O5氧化层的方法，所述方法具体包括以下步骤：
将制备得到下电极Ta（110）层置于食人鱼溶液中进行浸泡处理，食人鱼溶液中浓H2SO4和H2O2（30%质量浓度）体积配比为（1.5~2.5）:1，进一步地可以是2:1，浸泡时间为20~40min，处理后经去离子水反复冲洗，防止表面存在食人鱼溶液残留，后进行氮气吹干，备用，其中，Ta2O5氧化层的厚度为2~4nm，例如为2.0nm、2.5nm、3.0nm、3.5nm或4.0nm。
需要说明的是，本发明对制备Ta2O5氧化层过程中食人鱼溶液的处理次数不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员根据处理需求，合理选择处理次数以及浸泡时间，从而得到合理厚度的Ta2O5氧化层。
作为本发明的一个优选技术方案，所述上电极Ta（110）层的制备方法包括：预先在Ta2O5氧化层的表面制备Nb（110）种子层，在Nb（110）种子层表面制备上电极Ta（110）层。
所述Nb（110）种子层的制备温度为20~200℃，所述Nb（110）种子层的厚度为5~20nm；所述上电极Ta（110）层的制备温度为20~200℃。
需要说明的是，本发明在Ta2O5氧化层表面进行上电极Ta（110）层的沉积，预先对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后再制备Nb（110）种子层和上电极Ta（110）层，整洁的表界面是保证约瑟夫森结性能的基础，残胶等沾污会引入损耗。
本发明中借助Nb（110）种子层在较低的温度下制备上电极Ta（110）层。一方面，低温生长条件对Ta2O5中间氧化层无影响，不会造成氧发生内部扩散，同时，低温条件不会引起光刻胶发生碳化、变性，即满足光刻掩膜图案制备上电极层的工艺条件。另外一方面，Nb（110）种子层的选取，是基于能带角度考虑，Nb的超导能带比作为电极的Ta高，能够保证约瑟夫森结区的整体能带较外部结构高，因此，外部的准粒子无法穿过Nb层进入约瑟夫森结，在应用于超导芯片领域时，该结构可有效阻止准粒子在约瑟夫森结区的隧穿，大幅度降低因此造成的能量损耗。进一步地，在Ta2O5氧化层上控制Nb（110）种子层厚度为5~20nm，可实现对氧化层的有效覆盖，同时，基于邻近效应，不影响Ta的超导性能。
示例性地，提供一种上电极Ta（110）层的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
生长Nb（110）种子层：在Ta2O5氧化层的表面采用磁控溅射法制备Nb（110）种子层，其中，生长温度为20~200℃，工作压强≥1mTorr，直流功率为≥50W，靶基距为70~150mm，生长厚度为5~20nm，例如，温度为20℃、50℃、80℃、110℃、140℃、170℃或200℃，工作压强为1.0mTorr、2.0mTorr、3.0mTorr、4.0mTorr或5.0mTorr，直流功率为50W、65W、80W、95W、110W、125W、140W、155W、170W、185W或200W，靶基距为70mm、90mm、110mm、130mm或150mm，生长厚度为5nm、10nm、15nm或20nm；
生长上电极Ta（110）层：在Nb（110）种子层的表面采用磁控溅射法制备上电极Ta（110）层，其中，生长温度为20~200℃，工作压强≥1mTorr，直流功率≥50W，靶基距为70~150mm，生长厚度为100~200nm，例如，温度为20℃、50℃、80℃、110℃、140℃、170℃或200℃，工作压强为1.0mTorr、2.0mTorr、3.0mTorr、4.0mTorr或5.0mTorr，直流功率为50W、65W、80W、95W、110W、125W、140W、155W、170W、185W或200W，靶基距为70mm、90mm、110mm、130mm或150mm，生长厚度为100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm。
本领域技术人员公知的是，采用磁控溅射法制备，生长前需要对Nb和Ta靶材进行长时间预溅射步骤保证干净的靶材表面，此外，还需对设备生长腔中样品台进行高温空烧，避免生长过程中因样品台在高温环境挥发杂质引起污染。在生长腔背景真空达到要求情况下，再将衬底传递至生长腔进行生长。
示例性地，提供一种上述满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
（Ⅰ）对衬底进行预处理，包括表面原子台阶处理、背面预镀膜和活性氧辅助表面清洗。随后，在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路图形，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层；其中，下电极Ta（110）层与超导电路图形为分步成型，即在超导电路结构制备后，经光刻掩膜图案在搭接超导电路的区域沉积新的Ta（110）层作为下电极层；或，下电极Ta（110）层与超导电路图形为一体成型；
（Ⅱ）制备下电极Ta（110）层后进行食人鱼溶液浸泡，在下电极Ta（110）层的表面氧化得到Ta2O5氧化层；
（Ⅲ）将所述结构表面形成掩膜图案，后转移至真空腔室，对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后在Ta2O5氧化层的表面沉积Nb（110）种子层，再在Nb（110）种子层的表面沉积制备上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结。
第二方面，本发明提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结，所述约瑟夫森结通过第一方面所述的约瑟夫森结的制备方法制备得到，所述约瑟夫森结包括依次叠层设置的下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层和上电极Ta（110）层，所述下电极Ta（110）层和上电极Ta（110）层的晶体取向均为Ta（110）。
在本发明的实施例中，所述约瑟夫森结还包括Nb（110）种子层，所述约瑟夫森结的具体结构包括依次叠层设置的下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层、Nb（110）种子层和上电极Ta（110）层；或，所述约瑟夫森结的具体结构包括依次叠层设置的Nb（110）种子层、下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层、Nb（110）种子层和上电极Ta（110）层。
第三方面，本发明提供了一种第二方面所述满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的用途，所述约瑟夫森结用于超导芯片领域。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明约瑟夫森结的制备方案，首先在衬底表面制备高质量的超导Ta（110）膜，经光刻制备超导电路图形，在与超导电路图形搭接区域加工光刻掩膜图案，其上沉积Ta（110）层作为约瑟夫森结的下电极层，优选地，可在刻蚀超导电路图形时保留与超导电路相连部分作为下电极Ta（110）层。后将结构进行氧化处理或沉积制备Ta2O5氧化层，再借助光刻掩膜工艺，在与下电极层交错区域形成掩膜图案，并对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，后沉积超导Ta（110）薄膜作为上电极层，所述下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层、上电极Ta（110）层交叠区域为约瑟夫森结区。该制备方案，区别于传统的倾角蒸镀方法，具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，并适用于小面积及大面积约瑟夫森结的调控制备。
（2）本发明制备得到的约瑟夫森结中，上电极和下电极均为Ta（110）层，中间夹以Ta2O5氧化层，该氧化层相比常用的AlOx，具有低的介电损耗和高的环境、工艺稳定性，在整个超导电路及约瑟夫森结的结构表面可长期稳定存在，起到钝化保护作用。
（3）本发明选用具有强氧化性的食人鱼溶液浸泡处理，该处理方法可进一步解决光刻工艺过程导致的残胶问题，同时，优化Ta2O5氧化层的内部缺陷，实现近乎单一价态的组分，制备优异的约瑟夫森结中间绝缘层。同时，食人鱼处理的方案对整个Ta（110）超导电路结构及Ta（110）/Ta2O5/Ta（110）约瑟夫森结表面皆具有有利的钝化效果，最终共同保证高质量超导量子比特的制备。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例4中提供的满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例4中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图4为本发明实施例4中提供的上电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图5为本发明实施例5中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图6为本发明实施例6中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图7为本发明实施例7中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图8为本发明实施例8中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图9为本发明实施例9中提供的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图10为本发明实施例10中提供的上电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，a为原子力显微镜图，b为X射线衍射图；
图11为本发明实施例1和实施例11中提供的下电极Ta层X射线衍射图的对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，下电极Ta（110）层与超导电路图形为分步成型，如图1所示，所述制备方法具体包括以下步骤：
（Ⅰ）对衬底进行表面原子台阶处理、背面预镀膜和活性氧辅助表面清洗，在C面蓝宝石衬底上沉积Ta（110）膜，光刻形成超导电路图形，Ta（110）膜采用磁控溅射法制备得到，生长温度为500℃，工作压强为13mTorr，直流功率为600W，靶基距为110mm，生长厚度为100nm；
在超导电路图形搭接区掩膜光刻制备下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层采用磁控溅射法制备得到，包括：首先将结构转移至真空腔，对掩膜图案下的C面蓝宝石衬底表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后沉积Nb（110）膜，其中，生长温度为20℃，工作压强为1mTorr，直流功率为200W，靶基距为110mm，生长厚度为10nm，在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积下电极Ta（110）层，生长温度为20℃，工作压强1mTorr，直流功率为200W，靶基距为110mm，生长厚度为100nm；
（Ⅱ）将步骤（Ⅰ）制备得到的结构去胶后浸泡至食人鱼溶液中，在下电极Ta层的表面氧化得到Ta2O5氧化层，食人鱼溶液中浓H2SO4和H2O2（30%质量浓度）体积配比为2:1，浸泡时间为30min，处理后经去离子水反复冲洗，防止表面食人鱼溶液残留，后氮气吹干；
（Ⅲ）将步骤（Ⅱ）制备得到的Ta2O5氧化层的表面进行匀胶形成光刻掩膜图案，转移至真空腔室，对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后采用磁控溅射法沉积Nb（110）种子层，生长温度为20℃，工作压强1mTorr，直流功率为200W，靶基距为110mm，生长厚度为10nm；
在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积上电极Ta（110）层，生长温度为20℃，工作压强1mTorr，直流功率为200W，靶基距为110mm，生长厚度为150nm，制备得到所述的约瑟夫森结。
实施例2
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，下电极Ta（110）层与超导电路图形为分步成型，所述制备方法具体包括以下步骤：
（Ⅰ）对衬底进行表面原子台阶处理、背面预镀膜和活性氧辅助表面清洗，在C面蓝宝石衬底上沉积Ta（110）膜，光刻形成超导电路图形，Ta（110）膜采用磁控溅射法制备得到，生长温度为410℃，工作压强为5mTorr，直流功率为400W，靶基距为70mm，生长厚度为50nm；
在超导电路图形搭接区掩膜光刻制备下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层采用磁控溅射法制备得到，包括：首先将结构转移至真空腔，对掩膜图案下的C面蓝宝石衬底表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后沉积Nb（110）膜，其中，生长温度为100℃，工作压强为3mTorr，直流功率为100W，靶基距为150mm，生长厚度为5nm，后在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积下电极Ta（110）层，生长温度为100℃，工作压强3mTorr，直流功率为100W，靶基距为150mm，生长厚度为50nm；
（Ⅱ）将步骤（Ⅰ）制备得到的结构去胶后浸泡至食人鱼溶液中，在下电极Ta层的表面氧化得到Ta2O5氧化层，食人鱼溶液中浓H2SO4和H2O2（30%质量浓度）体积配比为2:1，浸泡时间为20min，处理后经去离子水反复冲洗，防止表面食人鱼溶液残留，后氮气吹干；
（Ⅲ）将步骤（Ⅱ）制备得到的Ta2O5氧化层的表面进行匀胶形成光刻掩膜图案，转移至真空腔室，对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后采用磁控溅射法沉积Nb（110）种子层，生长温度为100℃，工作压强为3mTorr，直流功率为100W，靶基距为150mm，生长厚度为5nm；
在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积上电极Ta（110）层，生长温度为100℃，工作压强为3mTorr，直流功率为100W，靶基距为150mm，生长厚度为100nm，制备得到所述的约瑟夫森结。
实施例3
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，下电极Ta（110）层与超导电路图形为分步成型，所述制备方法具体包括以下步骤：
（Ⅰ）对衬底进行表面原子台阶处理、背面预镀膜和活性氧辅助表面清洗，在C面蓝宝石衬底上沉积Ta（110）膜，光刻形成超导电路图形，Ta（110）膜采用磁控溅射法制备得到，生长温度为600℃，工作压强为8mTorr，直流功率为700W，靶基距为150mm，生长厚度为150nm；
在超导电路图形搭接区掩膜光刻制备下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层采用磁控溅射法制备得到，包括：首先将结构转移至真空腔，对掩膜图案下的C面蓝宝石衬底表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后沉积Nb（110）膜，其中，生长温度为200℃，工作压强为5mTorr，直流功率为50W，靶基距为70mm，生长厚度为20nm，后在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积下电极Ta（110）层，生长温度为200℃，工作压强5mTorr，直流功率为50W，靶基距为70mm，生长厚度为150nm；
（Ⅱ）将步骤（Ⅰ）制备得到的结构浸泡至食人鱼溶液中，在下电极Ta层的表面氧化得到Ta2O5氧化层，食人鱼溶液中浓H2SO4和H2O2（30%质量浓度）体积配比为2:1，浸泡时间为40min，处理后经去离子水反复冲洗，防止表面食人鱼溶液残留，后氮气吹干；
（Ⅲ）将步骤（Ⅱ）制备得到的Ta2O5氧化层的表面进行匀胶形成光刻掩膜图案，转移至真空腔室，对Ta2O5氧化层表面进行真空准原位臭氧处理，进一步去除残胶及其他污染，保证清洁的表面，后采用磁控溅射法沉积Nb（110）种子层，生长温度为200℃，工作压强为5mTorr，直流功率为50W，靶基距为70mm，生长厚度为20nm；
在Nb（110）种子层的表面磁控溅射法沉积上电极Ta（110）层，生长温度为200℃，工作压强为5mTorr，直流功率为50W，靶基距为70mm，生长厚度为200nm，制备得到所述的约瑟夫森结。
实施例4
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例1相比，其区别在于，如图2所示，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层一体成型，即在刻蚀Ta（110）超导电路图形时保留与超导电路相连部分直接作为约瑟夫森结的下电极Ta（110）层，Ta（110）膜和下电极Ta（110）为同一张膜层，制备方法相同，无需在C面蓝宝石衬底上单独制备下电极Ta（110）层，省略制备下电极Ta（110）层时Nb（110）种子层的设置，其余参数和步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的生长温度为250℃，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例6
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的生长温度为350℃，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例7
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的生长温度为650℃，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的工作压强为3mTorr，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例9
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层的工作压强为15mTorr，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例10
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例4相比，其区别在于，步骤（Ⅲ）无Nb（110）种子层，其余参数和步骤与实施例4相同。
实施例11
本实施例提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，与实施例1相比，其区别在于，步骤（Ⅰ）中不制备Nb（110）种子层，其余参数和步骤与实施例相同。
对上述实施例制备得到的下电极Ta层和上电极Ta层进行测试，测试数据包括原子力显微镜图和X射线衍射图。其中图3和图4分别为实施例4提供的下电极Ta层和上电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，图5-9分别对应实施例5-9的下电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，图10为实施例10的上电极Ta层的原子力显微镜图和X射线衍射图，图11为实施例1和实施例11中提供的下电极Ta层X射线衍射图的对比图。
通过以上实施例以及测试结果，可以看出：
（1）实施例1与实施例4相比，实施例4的Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为一体成型，即在刻蚀Ta（110）超导电路图形时保留与超导电路相连部分直接作为约瑟夫森结的下电极Ta（110）层。该下电极层的生长无掩膜层的限制，为衬底上直接制备得到，因此可采用Ta超导膜层最优的高温生长条件，最终刻蚀得到高结晶质量的下电极Ta（110）层。另外一方面，通过该方式制备得到的下电极Ta（110）层，无需额外的光刻掩膜工艺流程和Nb（110）种子层的设置，不仅简化了工艺步骤，而且由于Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为同一膜层，保证了约瑟夫森结与超导电路连接的稳定性。
（2）实施例4与实施例5-9相比，可以看出，本发明通过控制生长温度和工作压强的合适匹配，可制备得到高结晶度的Ta（110）纯相超导薄膜，作为约瑟夫森结的下电极层。实施例4中的下电极Ta层，如图3中a所示，所制备的Ta膜的原子力显微镜图片展现了典型的三重生长特点，具有表面致密、平整的“条状”形貌特点，图3中b显示了相应的X射线衍射图谱，Ta膜呈现高质量（110）择优取向生长，经拟合半峰宽，计算得到的晶粒尺寸高达60nm。而较低的生长温度，不能制备得到高品质的Ta（110）膜层，如实施例5采用250℃的低温生长条件，因温度过低，Ta成膜粒子无法有效在衬底表面迁移，所制备的Ta膜表面呈现较大的颗粒团簇（如图5中a），同时具有不稳定的β相（四方相）结构（图5中b）。实施例6中生长温度为350℃，Ta成膜粒子在衬底表面的迁移动能得以提高，能够形成Ta（110）相结构，但此时温度仍然不足，导致膜层具有较差的结晶性，膜层表面不致密，存在孔状缺陷（图6中a），其晶粒尺寸经拟合计算为40nm（图6中b）。实施例7中生长温度为650℃，但过高的温度导致Ta膜延C面蓝宝石衬底的取向发生了外延生长，呈现Ta（111）择优生长（图7中b），其形貌为典型的“三角形”特点（图7中a）。除了温度，工作压强是另一个影响粒子动能的因素。实施例8中工作压强为3mTorr，其成膜腔体内等离子体密度低于实施例4，粒子平均自由程较长，相互碰撞的几率大幅度减小，因而达到衬底表面时具有较高的动能和迁移能力，在相对较高的衬底温度（实施例4为500℃）状态下，粒子得以充分迁移，延衬底晶格生长形成Ta（111）相结构（图8中b）和“三角形”形貌特点（图8中a）。实施例9中工作压强为15mTorr，削减了成膜粒子的运动动能，使得粒子在衬底表面不足以延衬底晶格进行充分运动，图9中b显示其结构为Ta（110），但由于成膜粒子密度增大，即沉积速率提高，膜层表面存在未完全合并的孔状缺陷（图9中a）。
综上，在C面蓝宝石衬底上进行高质量Ta（110）膜层的制备，不单单靠温度、工作压强等的单一生长条件获得，需要在一定范围的温度内，匹配合适的沉积速度和粒子动能。
（3）实施例4与实施例10相比，可以看出，本发明中通过控制较低的生长温度，在Ta2O5氧化层表面预先引入Nb（110）种子层，后再进行Ta层制备，可成功诱导Ta（110）相结构，作为约瑟夫森结上电极，具有优异的环境和工艺稳定性。如图4显示，实施例4借助Nb（110）种子层的模板作用，在室温生长条件情况下制备的Ta上电极层呈现典型的“条状”形貌（图4中a），结构为纯的Ta（110）相结构（图4中b）。相反，实施例10提供的在Ta2O5氧化层表面未设置Nb（110）种子层，直接室温生长上电极Ta层，膜层表面呈现颗粒性团簇（图10中a）和不稳定的β相结构（图10中b），该结构膜层具有差的超导性能，不适合应用于超导芯片领域。
（4）实施例1中Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为分步成型，需先刻蚀超导电路图形，后经光刻掩膜图案沉积下电极层，此时由于高分子材质的掩膜层的存在，下电极层的生长需控制在较低的温度。而为了制备Ta（110）结构的下电极层，Nb（110）种子层的设置十分必要。为了对比说明，实施例11提供了在蓝宝石衬底表面未设置种子层直接室温生长Ta膜的验证，如图11的X射线衍射图谱结果显示，实施例11的膜层中具不稳定的β相相结构。为了获得高品质超导性能的Ta（110）的立方晶型，实施例1中在真正的下电极Ta层生长之前，采用Nb（110）种子层进行诱导。实施例1的测试结果显示的即为先室温生长Nb（110）种子层后再生长下电极Ta的X射线衍射图谱，由图可知，同等生长条件，Nb（110）种子层的模板作用可有效抑制Ta膜中β相结构的产生，且最终制备得到具有纯Ta（110）相结构的下电极，可应用于超导芯片的制备。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路结构，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层表面制备Ta2O5氧化层作为中间层，掩膜光刻形成上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结，Ta（110）代表的是Ta的晶型取向为（110）。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ta（110）膜的超导电路结构和下电极Ta（110）层通过掩膜光刻分步成型；或，所述Ta（110）膜的超导电路结构和下电极Ta（110）层通过掩膜光刻一体成型。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底包括Si衬底或蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底包括A面蓝宝石衬底、C面蓝宝石衬底、R面蓝宝石衬底或M面蓝宝石衬底。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ta（110）膜的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合；
所述下电极Ta（110）层的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合；
所述上电极Ta（110）层的制备方式包括磁控溅射法、分子束外延法、激光脉冲沉积或电子束蒸发法中的一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述Ta（110）膜和下电极Ta（110）层为掩膜光刻一体成型，均通过磁控溅射法在C面蓝宝石衬底上生长得到；
所述磁控溅射的生长温度为300~600℃，直流功率≥50W，工作压强≥5mTorr。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ta2O5氧化层的制备方式包括氧化法或沉积法，所述氧化法包括准原位高温热氧化方法和/或低温湿法氧化，所述沉积法包括磁控溅射沉积法和/或原子层沉积法。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Ta2O5氧化层采用食人鱼溶液对下电极Ta（110）层浸泡进行低温湿法氧化制备得到。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述上电极Ta（110）层的制备方法包括：预先在Ta2O5氧化层的表面制备Nb（110）种子层，在Nb（110）种子层表面制备上电极Ta（110）层，Nb（110）代表的是Nb的晶型取向为（110）；
所述Nb（110）种子层的制备温度为20~200℃，所述Nb（110）种子层的厚度为5~20nm；所述上电极Ta（110）层的制备温度为20~200℃。
9.一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结，其特征在于，所述约瑟夫森结通过权利要求1-8任一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备得到，所述约瑟夫森结包括依次叠层设置的下电极Ta（110）层、Ta2O5氧化层和上电极Ta（110）层，所述下电极Ta（110）层和上电极Ta（110）层的晶体取向均为Ta（110）。
10.一种权利要求9所述满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的用途，其特征在于，所述约瑟夫森结用于超导芯片领域。
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