CN115274999B - 一种约瑟夫森结及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种约瑟夫森结及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：（1）在衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，得到侧壁倾斜的下电极层；（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；（3）在氧化钽层表面制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结。本发明提供的制备方法，通过优化光刻工艺步骤，解决了非阴影方式制备约瑟夫森结时下电极和上电极搭线断裂以及下电极侧壁残留导致的寄生结问题，避免了器件失效，大幅度提高成品率，保证器件性能。

Description

一种约瑟夫森结及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于超导芯片技术领域，涉及一种约瑟夫森结及其制备方法和应用。

背景技术

约瑟夫森结（Josephson junction），或称超导隧道结。一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层（厚度≤库珀电子对的相干长度）而构成的结构，例如S（超导体）—I（半导体或绝缘体）—S（超导体）的三明治结构，简称SIS，其中，超导电子可以通过量子隧道效应从一侧超导体穿过势垒层到达另一侧超导体。约瑟夫森结是超导芯片的核心基础元件。

阴影蒸发方式是当前制备约瑟夫森结的主要途径，具有成熟的工艺流程，典型的例子是基于多兰桥或曼哈顿结构，利用倾斜蒸发镀膜的方式定义结区。借助定制化的多腔体真空设备，约瑟夫森结的下电极、中间氧化层及上电极可在真空中依次原位制备，加之，经过离子刻蚀步骤，保证了干净的界面。但这种阴影蒸发方法存在一定的缺点，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的均匀性，且产生的多余图形不利于高的集成度。同时，受限于光刻胶图形的存在，约瑟夫森结的制备需控制在室温到200℃的低温段，无法满足超导膜层最优的生长温度条件。另外一方面，该制备方案基于光刻胶图形和阴影镀膜实现，因此需要光刻胶的剥离步骤，易引入胶污染，影响结性能稳定性，特别是在经离子刻蚀轰击后残胶更难以去除。

非阴影蒸镀方法是一种新型的约瑟夫森结制备方案，例如采用先制备超导膜层而后刻蚀制备上电极及下电极的思路，避免了复杂的光刻胶图形制备及倾斜镀膜工艺步骤，因而在集成度上展现了突出的优势，可应用于大晶圆尺寸范围内的约瑟夫森结的规模化制备。然而，利用非阴影蒸镀技术制备性能优良的约瑟夫森结，首先需要解决如下问题：1）当预先刻蚀制备下电极层后，第二层超导薄膜需要以“垂直”于衬底的方式蒸镀到下电极层上，因下电极层需具有一定的厚度以保证优良的超导性能，故在两层金属搭接区域（截面为“梯形”区域）极易出现搭线断裂情况，最终导致器件失效。2）如采用常规各向异性的干法刻蚀技术对第二层超导膜层加工制备上电极层，受限于约瑟夫森结外的区域（第二层超导膜层和下电极层搭接的“梯形”区域）中第二层超导膜层的顶部和侧壁的刻蚀速率不一致，当第二层超导膜层的“梯形”顶部区域刻蚀干净时，其侧壁仍然存在第二层超导金属残留，与“梯形”内部的下电极层构成寄生结，影响器件性能。

综上，为了制备高质量、可规模化的约瑟夫森结器件，以满足大规模量子计算的需求，需优化非阴影方式制备约瑟夫森结的工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种约瑟夫森结及其制备方法和应用。本发明在制备过程中，通过调整光刻工艺，得到了坡度较缓的下电极金属线条（侧壁为倾斜的），同时在上电极的制备过程中，对下电极层进行过刻，或采用各向同性的干法刻蚀技术，解决了非阴影方式制备约瑟夫森结时下电极和上电极搭线断裂以及下电极侧壁残留导致的寄生结问题，避免了器件失效，大幅度提高成品率，保证器件性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种约瑟夫森结的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

（1）在衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，得到侧壁倾斜的下电极层；

（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；

（3）在氧化钽层表面制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结。

本发明以超导金属钽材料为例，并利用非阴影蒸镀方式制备钽/氧化钽/钽的约瑟夫森结。钽材料的选择是基于其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，同时其表面生成的氧化钽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。

本发明在制备过程中，通过调整光刻工艺，得到了坡度较缓的下电极金属线条（刻蚀侧壁为倾斜的缓坡），解决了非阴影方式制备约瑟夫森结时下电极和上电极搭线断裂的问题，避免了器件失效，大幅度提高成品率，保证器件性能。

本发明中，光刻加工后，下电极层侧壁具有一定的倾斜角度，当采用“垂直”于衬底的方式蒸镀第二层钽层时，可有效覆盖于下电极层上，特别是在第二层钽层与下电极层的侧壁搭接区域，避免了因下电极层的厚度落差导致搭线不良或者断裂。反之，若下电极层刻蚀后的侧壁倾斜角度较大（刻蚀侧壁为陡坡），对第二层钽层光刻加工后，所制备的约瑟夫森结中上电极和层下电极层搭接区域极易出现接触不良（缝隙）甚至断裂情况，影响器件性能甚至导致器件失效。

本发明不对步骤（1）中的光刻方法作具体要求和限定，任何通过本发明制备方法可得到侧壁倾斜的下电极层的刻蚀技术均可，如干法刻蚀和/或湿法刻蚀技术。本领域技术人员可根据实际需求进行适应性的调整和选择。

优选地，步骤（3）所述的光刻过程中的刻蚀方法选自干法刻蚀。

其中，干法刻蚀技术能够表现出良好的线宽尺寸、刻蚀速率及侧壁形貌控制，工艺稳定性高，利于工业生产，干法刻蚀的具体技术方法包括但不限于ICP（电感耦合等离子刻蚀）和/或RIE（反应离子刻蚀）等，刻蚀过程中包含了化学刻蚀和物理刻蚀的协同作用。湿法刻蚀是通过金属刻蚀液进行纯化学刻蚀的过程，具有刻蚀速率快、对衬底损伤小、各向同性刻蚀等特点。

需要说明的是，步骤（1）和步骤（3）中均选用干法刻蚀工艺时，刻蚀工艺参数可相同，也可以不同，本领域技术人员可根据实际需求选择即可。

优选地，步骤（1）所述下电极层侧壁的倾斜角度为30~60°，例如30°、33°、35°、38°、40°、43°、45°、48°、50°、53°、55°、58°或60°等。

本发明中，若侧壁倾斜角度过小（<30°），即坡度过缓，受限于结面积大部分由侧壁斜坡提供，不利于小尺寸线条的制备及结电阻控制，同时斜坡的粗糙度不可控，最终不利于器件性能，而倾斜角度过大（>60°），即坡度过陡，当采用“垂直”于衬底的方式蒸镀第二层钽层时，因下电极层的厚度落差，在与下电极层的侧壁搭接区域极易出现接触不良（缝隙）甚至断裂情况，影响器件性能甚至导致器件失效。

优选地，所述光刻后得到侧壁倾斜的下电极层的方法包括：

光刻过程中，采用光阻后退法、调控金属的物理刻蚀和化学刻蚀作用占比或调节光阻后烘温度中的任意一种或至少两种的组合，优选为调节光阻后烘温度。更为具体地：

所述光阻后退法包括在刻蚀过程中增加氧气或者其他刻蚀气体提高光阻的横向后退速率，进行光阻边缘修饰。例如在干法刻蚀过程中增加氧气或者其他刻蚀气体（如CF₄或者SF₆），加强光阻的化学反应刻蚀，提高光阻的横向后退速率，辅助物理轰击作用，钽层在接受纵向刻蚀的同时，所覆盖的光阻边缘发生横向后退，进而裸露的钽层的横向刻蚀速率得以提高，如此累加，可刻蚀制备侧壁坡度较缓的下电极层。需要说明的是，氧气或者其他刻蚀气体对光阻的化学刻蚀作用较强，需按照设计需要合理引入，过低的刻蚀气体含量对光阻无明显的边缘修饰效果，过高的刻蚀气体含量导致光阻刻蚀速率过快，最终光阻失效无法保护钽金属层，不利于金属线宽的控制。

所述调控物理刻蚀和化学刻蚀的作用占比包括提高对钽金属的化学刻蚀作用占比，如增加干法刻蚀中的上电极功率，和/或增加刻蚀气体流量（增加刻蚀气体压强），达到提高活性自由基的电离量的目的。这样活性自由基对钽金属的化学刻蚀作用占比增大，钽金属层的横向刻蚀速率提高，在物理刻蚀作用（纵向刻蚀速率）占比不变的情况下，可优化金属侧壁坡度。需要说明的是，针对金属层的化学刻蚀作用占比需按照设计需要合理调控，过低的化学刻蚀作用占比易形成较为陡峭的金属侧壁坡度，过高的化学刻蚀作用占比不利于金属的刻蚀速度和侧壁形貌控制。

所述调节光阻后烘温度包括利用光阻后烘的热回流情况，优化光阻边缘形状（倾斜角度），同时，调节光阻后烘温度可改变光阻与待刻蚀钽膜的粘附力。例如在光阻的有效使用温度范围内，提高光阻的后烘温度，利用光阻加热回流效果，可减小待刻蚀沟道边缘的光阻的倾斜角度，并提高光阻与待刻蚀钽膜的粘附力。后烘温度较低时，光阻热回流不足，极易刻蚀制备较为陡峭的光阻沟道边缘形状，同时，因溶剂挥发不足，光阻与待刻蚀钽膜的粘附力较低。但后烘温度过高时，光阻中溶剂挥发过多，发生碳化，导致后期去胶困难，有残胶污染风险，增加约瑟夫森结的损耗。针对干法刻蚀技术，基于其各向异性和低选择比的刻蚀特点，通过提高光阻后烘温度减小光阻边缘倾斜角度，可诱导制备侧壁倾斜的下电极层。针对湿法刻蚀技术，因其各向同性和高选择比的刻蚀特点，光阻边缘形状对金属刻蚀侧壁的诱导作用较小，通过减小光阻后烘温度降低光阻和金属膜层的粘附力，可诱导刻蚀液钻入光阻和膜层之间进行钻刻，进而提高金属膜层的横向刻蚀速率，修饰下电极层的侧壁倾斜角度。

需要说明的是，本发明不对制备侧壁倾斜的下电极层方法的具体实施参数作具体要求和限定，本领域技术人员可根据实际需求的侧壁角度、不同光阻及光刻方法特性进行适度调整。示例性地，如采用调节光阻后烘温度方法，选择AZ1500光阻，其推荐后烘温度为120℃，调节光阻后烘温度包括减小光阻后烘温度（＜120℃）和提高光阻后烘温度（＞120℃）。

优选地，步骤（3）所述光刻过程中，进行各向异性的干法刻蚀的同时对下电极层进行过刻处理；

或进行各向同性的干法刻蚀处理。

本发明中，基于侧壁坡度较缓的下电极层，沉积第二层钽层，对第二层钽层进行光刻时，需对下电极层进行一定程度的过刻，保证约瑟夫森结外的区域中下电极层侧壁无第二层钽层残留，即此处的第二层钽层刻蚀干净。或者，也可采用各向同性的干法刻蚀技术，即针对第二层钽层和下电极层的搭接区域（截面为“梯形”区域）中顶部及侧壁进行相同速率的刻蚀，可在不牺牲下电极层（或者轻微过刻下电极层）的情况下，避免寄生结存在，保证器件性能。

优选地，步骤（1）所述第一层钽层的制备方法包括磁控溅射法、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。

优选地，步骤（3）所述制备第二层钽层的方法为磁控溅射法。

本发明中，第二层钽层的制备方法采用磁控溅射法，由于磁控溅射技术中，沉积的粒子经物理轰击和动量传递过程产生，因而具有一定的粒子能量和迁移动能，有助于改善薄膜对于复杂形状表面的覆盖能力，且可降低薄膜表面的粗糙度。本发明中，基于侧壁倾斜的下电极层，磁控溅射法得到的第二层钽层可以完整覆盖至下电极层上（包括下电极层的侧壁斜坡）。

作为优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

（1）在衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，光刻过程中，采用光阻后退法、调控金属的物理刻蚀和化学刻蚀作用占比或调节光阻后烘温度中的任意一种或至少两种的组合；得到侧壁倾斜角度为30~60°的下电极层；

（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；

（3）在氧化钽层表面采用磁控溅射法制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结；

其中，步骤（3）所述光刻过程中，进行各向异性的干法刻蚀的同时对下电极层进行过刻处理；

或进行各向同性的干法刻蚀处理。

需要说明，本发明提供的约瑟夫森结，采用的为非阴影蒸镀的方法制备。

更为详细、具体的制备过程，均为常规技术选择。

例如：本发明不对衬底的材质做特别限定，常规的用于约瑟夫森结的衬底，本发明均适用，包括但不限于Si衬底或蓝宝石衬底等，再如下电极层的厚度、氧化钽层的厚度以及上电极的厚度均可依据实际需求进行设计、调整。

同时，本发明不对氧化钽层的制备方法进行特别限定，可制备得到氧化钽层的方法，本发明均适用，包括但不限于氧化法或沉积法，所述氧化法例如包括准原位高温热氧化方法和/或低温湿法氧化，所述沉积法例如包括磁控溅射沉积法和/或原子层沉积法。

第二方面，本发明提供一种约瑟夫森结，所述约瑟夫森结由如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钽的下电极、氧化钽层和钽的上电极，其中，钽的下电极与钽的上电极呈十字结结构。

第三方面，本发明还提供一种如第二方面所述的约瑟夫森结的用途，所述用途包括将约瑟夫森结用于超导芯片领域。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于钽/氧化钽/钽的约瑟夫森结结构，利用非阴影蒸镀方式制备，通过调整光刻工艺，得到了坡度较缓的下电极金属线条，解决了非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时下电极和上电极搭线不良甚至断裂的问题，同时在上电极层的制备过程中，对下电极层进行过刻处理，或者采用各向同性的干法刻蚀技术，还解决了下电极层侧壁残留导致的寄生结问题，避免了器件失效，大幅度提高成品率。而高质量的钽/氧化钽/钽的三明治成分保证了约瑟夫森结具有低的介电损耗和高的环境、工艺稳定性，最终共同保证大晶圆尺寸范围内高性能、均一、稳定、可控的约瑟夫森结的规模化制备。

附图说明

图1为具体实施方式中非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时上电极和下电极搭线断裂的示意图。

图2为具体实施方式中非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时下电极层侧壁存在金属刻蚀残留导致寄生结的示意图。

图3为实施例1中步骤（3）中的各向异性干法刻蚀的示意图。

图4为具体实施方式中非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结的具体制备工艺流程图。

图5为实施例1提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中（步骤（1）中）光阻后烘的SEM截面图。

图6为实施例1提供的约瑟夫森结的SEM平面图。

图7为实施例1提供的约瑟夫森结中上电极和下电极层搭接处的TEM截面图。

图8为实施例1中的步骤（3）中下电极层过刻后的TEM截面图及EDS面扫描结果图。

图9为实施例2提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中（步骤（1）中）光阻后烘的SEM截面图。

图10为实施例3提供的步骤（1）中的下电极层的FIB形貌截面图。

图11为实施例4提供的步骤（1）中的下电极层的FIB形貌截面图。

图12为实施例5中的步骤（1）中的下电极层的FIB形貌截面图。

图13为实施例5中步骤（3）中的各向同性干法刻蚀的示意图。

图14为对比例1中提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中（步骤（1）中）光阻后烘的SEM截面图。

其中，1-上电极，2-中间氧化层，3-下电极，4-衬底，11-上电极侧壁残留，A-寄生结。

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。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

现有技术中采用非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时（如图1所示，具体结构包括：衬底4、下电极3，中间氧化层2和上电极1），因下电极3侧壁倾斜角度（θ）过大，即下电极3侧壁坡度过陡，加之下电极3需具有一定的厚度以保证良好的超导性能，在下电极3上制备上电极1时，极易发生搭线断裂的情况，具体如图1所示。此不良问题无法通过增加上电极层厚度解决，这局限于上电极层为“垂直”于衬底的方式进行蒸镀制备的，不同于阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时上电极层为“倾斜”角度进行蒸镀，后者更利于沿着下电极层侧壁斜坡进行“爬坡生长”。尽管增加上电极层厚度可在一定程度上减轻搭线断裂的情况，但受到阴影遮挡效应的影响，在下电极侧壁处会存在膜厚不均的情况，且蒸镀粒子在此处合并时极易出现裂缝，导致搭线不良。另一方面，通过增加上电极层膜厚制备得到的约瑟夫森结具有高的表面粗糙度，导致表面氧化不均，不利于约瑟夫森结的钝化保护，甚至氧气将沿合并裂缝进入电极层内部恶化超导性能。除此之外，在刻蚀制备上电极的过程中，需要注意的一点是，在约束好约瑟夫森结的面积后，其外区域应避免有寄生结的存在，即其余区域需要将上电极层刻蚀干净。如图2示例显示，在刻蚀上电极1时，传统光刻工艺中，采用各向异性的干法刻蚀技术（刻蚀工作原理如图3所示），结合图3可见，因上电极1和下电极3搭接成“梯形”形状（截面），而“梯形”顶部和侧壁的刻蚀速率不同，当顶部上电极层刻蚀干净后，侧壁仍然残余部分上电极层（上电极侧壁残留11），便构成了金属/氧化层/金属的三明治结构，称之为寄生结A。该寄生结的存在将改变约瑟夫森结的结电阻、电流密度及约瑟夫森结性质，甚至会损坏约瑟夫森结。

综上，非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时需优化下电极层侧壁坡度，才能保证上下电极搭线良好、且上电极具有均匀、平整的特点，同时需要保证约瑟夫森结外区域无寄生结存在。

为解决上述问题，本发明在一个具体实施方式中提供了一种约瑟夫森结的制备方法，如图4所示，所述制备方法包括以下步骤：

（1）对衬底进行预处理，保证干净的衬底表面，然后在预处理过的衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，光刻过程中，采用光阻后退法、调控金属的物理刻蚀和化学刻蚀作用占比或调节光阻后烘温度中的任意一种或至少两种的组合；得到侧壁倾斜角度为30~60°的下电极层；

（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；

（3）在氧化钽层表面采用磁控溅射法制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结（截面为“梯形”形状）；

其中，步骤（3）所述光刻过程中，进行各向异性的干法刻蚀的同时对下电极层进行过刻处理；

或进行各向同性的干法刻蚀处理。

实施例1

本实施例提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

选用AZ1500型号光刻胶，下电极制备过程中，采用干法刻蚀技术，通过提高光阻后烘温度，优化下电极层刻蚀侧壁坡度，同时，利用传统的各向异性刻蚀技术（选用CF₄作为刻蚀气体，气体流量选择为40sccm，刻蚀机上电极功率设置为400W，刻蚀机下电极功率设置为100W），为了将约瑟夫森结外区域的上电极层刻蚀干净，避免寄生结出现，本实施例对下电极层进行过刻处理。其中，下电极和上电极层的刻蚀工艺参数相同。

所述制备方法如下：

（1）对衬底进行预处理，保证干净的衬底表面，然后在预处理过的衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，其中，光刻胶的后烘温度为150℃，最终刻蚀制备得到侧壁倾斜角度为30°的下电极层；

（2）在下电极层表面利用强氧化性的食人鱼溶液对下电极层浸泡进行低温湿法氧化制备得到氧化钽层；其中，食人鱼为浓硫酸（H₂SO₄）和过氧化氢（H₂O₂）的混合溶液，例如配比为H₂SO₄:H₂O₂=2:1，浸泡处理时间和次数可根据设计需要进行调整，如浸泡时间为20min，浸泡次数为4次，制备得到氧化钽层厚度约为2.5nm；

（3）在氧化钽层表面采用磁控溅射法制备第二层钽层，其中，选用铌层作为种子层，诱导制备第二层钽层。对第二层钽层采用各向异性的干法刻蚀技术（刻蚀原理如图3所示，即对第二层钽层的顶部以及侧壁等不同方向，在刻蚀过程中以不同的刻蚀速率进行刻蚀），光刻过程中对下电极层进行过刻处理，去胶制备得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结。

图5示出了实施例1提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中光阻后烘的SEM截面图，其中上层结构为光阻（夹角处为上层），下层结构依次为第一层钽层和衬底，由图可知，通过提高光阻后烘温度至150℃，光阻进行有效的回流，其侧壁边缘具有倾斜平缓的角度，测量为30°。

图6示出了实施例1提供的约瑟夫森结的SEM平面图，从图6可以看出，经光刻工艺，本发明提供的约瑟夫森结，上电极和下电极层交叠成十字结结构。

图7示出了实施例1提供的约瑟夫森结中上电极和下电极层搭接处的TEM截面图，从图7可以看出，在十字结区域，基于采用提高光阻后烘温度对光阻侧壁边缘的优化处理，下电极层侧壁刻蚀后的倾斜角度测量为30°，且上电极均匀、平整的覆盖在下电极上，特别在侧壁搭接区域无搭线裂缝甚至断裂情况。因此，本实施例方案具有较好的下电极层侧壁坡度控制能力，加之磁控溅射法制备上电极层的优势特点，本发明提供的制备方法可以解决非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时上电极和下电极侧壁搭线断裂的问题。

图8示出了实施例1步骤（3）中下电极层过刻后的TEM截面图及EDS面扫描结果图，从图8的结果表明，在制备上电极层时，通过采用传统的各向异性的干法刻蚀技术，对下电极层进行过刻处理，所测区域无铌（Nb）信号聚集，说明此处无铌金属存在，即铌层被刻蚀干净。而铌层作为第二层钽层的种子层存在，自然说明该处钽（Ta）的上电极层被刻蚀干净，即下电极层顶部和侧壁都无第二层钽金属层残留，即无寄生结存在。所探测氧（O）信号来源于光刻工艺后暴露大气氧化所致，如上所述，钽的氧化层可起到钝化、保护超导电路及约瑟夫森结的作用。

实施例2

实施例2提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本实施例与实施例1的区别为，本实施例步骤（1）中，光刻过程中，选用提高光阻后烘温度，进行侧壁倾斜角度的优化处理。其中，光刻胶的后烘温度为130℃，其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

如图9所示，为实施例2提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中光阻后烘的SEM截面图，由图可知，通过提高光阻后烘温度至130℃，光阻进行一定程度的回流，其侧壁边缘具有倾斜的角度，测量为60°。基于干法刻蚀的各向异性特点及光阻边缘形状对金属沟道侧壁刻蚀的诱导作用，本实施例可刻蚀制备侧壁倾斜角度为60°的下电极层。

实施例3

本实施例提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本实施例与实施例1的区别为，本实施例步骤（1）中，光刻过程中，选用光阻后退法进行侧壁倾斜角度的优化处理，最终侧壁的倾斜角度为40°，具体过程为：

选用SF₆作为刻蚀气体，气体流量选择为50sccm，刻蚀机上电极功率设置为500W，刻蚀机下电极刻蚀功率设置为150W，通过在干法刻蚀过程中增加氧气刻蚀气体流量占比为5%，加强光阻的化学反应刻蚀，提高光阻的横向后退速率，辅助干法刻蚀中的物理轰击作用，钽层在接受纵向刻蚀的同时，所覆盖的光阻边缘发生横向后退，进而裸露的钽层的横向刻蚀速率得以提高，如此累加，可刻蚀制备侧壁坡度较缓的下电极层。

其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

图10示出了实施例3提供的约瑟夫森结中下电极层的FIB形貌截面图，由图可知，下电极侧壁倾斜角度测量为40°。因此，在所述步骤（1）中的光刻过程中，通过选用光阻后退法可实现下电极层侧壁倾斜角度的优化处理。

实施例4

本实施例提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本实施例与实施例1的区别为，本实施例步骤（1）中，光刻过程中，选用调控钽金属层的物理刻蚀和化学刻蚀的作用占比进行侧壁倾斜角度的优化处理，最终侧壁的倾斜角度为50°，具体过程为：

选用CF₄作为刻蚀气体，通过增加干法刻蚀中的刻蚀机的上电极功率至600W、增加刻蚀气体流量至100sccm，提高刻蚀气体的电离量，活性自由基对钽金属的化学刻蚀作用占比增大，钽金属层的横向刻蚀速率得以提高，在物理刻蚀作用（纵向刻蚀速率）占比不变的情况下，优化金属侧壁坡度。

其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

图11示出了实施例4提供的约瑟夫森结中下电极层的FIB形貌截面图，由图可知，下电极侧壁倾斜角度测量为50°。因此，在所述步骤（1）中的光刻过程中，通过提高钽金属层的化学刻蚀作用占比进而提高其横向刻蚀速率可实现对下电极层侧壁倾斜角度的优化处理。

实施例5

本实施例提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本实施例与实施例1的区别为，下电极层的光刻加工过程中，采用湿法刻蚀技术，期间，通过调控刻蚀液对金属的横向刻蚀速率与纵向刻蚀速率作用比，最终制备下电极层的侧壁倾斜角度为40°，具体过程为：

选择AZ1500型号光刻胶，经匀胶、曝光、显影等常规过程后，减小光阻后烘温度至90℃并减慢钽金属的刻蚀速率。其中，刻蚀液成分配比为HF:HNO₃:H₂O=1:2:3。

其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

图12示出了实施例5所述步骤（1）中下电极层的FIB截面图，由结果可知，下电极侧壁倾斜角度测量为40°，具有良好的下电极层侧壁坡度控制能力。因此采用湿法刻蚀技术，通过减小光阻后烘温度，降低光阻和金属膜层的粘附力，诱导刻蚀液钻入光阻和膜层之间，进行钻刻，大大提高刻蚀液对下电极层的横向刻蚀速率，同时，降低刻蚀液的酸成分，减慢刻蚀速率，充分有效的修整刻蚀侧壁斜坡。如此，采用各向同性的湿法刻蚀技术，同样可以优化下电极层侧壁刻蚀坡度，适用于本发明具体实施方式中非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结。

实施例6

本实施例提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本实施例与实施例1的区别为，如图13所示，本实施例步骤（3）中采用各向同性的干法刻蚀方法对第二层钽层进行刻蚀，即针对上电极层的顶部以及侧壁（“梯形”区域）等不同方向以相同速率进行刻蚀，不对下电极进行过刻处理。具体过程为：

选用SF₆作为刻蚀气体，气体流量选择为40sccm，刻蚀机上电极功率提高至600W，刻蚀机下电极功率降低至50W，通过提高刻蚀机的上电极功率，保证足够的刻蚀气体的电离量，即保证活性自由基对钽金属的化学刻蚀作用，而降低刻蚀机的下电极功率，减小偏置电场对带电粒子的加速作用，进而大大弱化粒子对钽金属的物理轰击作用，从而使钽金属充斥在具有化学刻蚀作用的活性自由基环境中，几乎无纵向导向的物理轰击作用，如此可达到对上电极层“梯形”区域的顶部以及侧壁等不同方向以相同速率进行刻蚀的效果。该刻蚀方案，不同于各向异性的干法刻蚀技术，可在不牺牲下电极层，同时不对下电极层造成刻蚀损伤的情况下，避免寄生结存在，保证器件性能。

其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

对比例1

对比例1提供一种约瑟夫森结的制备方法，基于具体实施例方式提供的制备方法：

本对比例与实施例1的区别为，本实施例步骤（1）中，光刻过程中，选用较低的光阻后烘温度（光阻推荐温度），进行光阻侧壁倾斜角度的调控。其中，光刻胶的后烘温度为120℃，其余制备方法与参数与实施例1保持一致。

如图14所示，为对比例1提供的约瑟夫森结中下电极层制备过程中光阻后烘的SEM截面图，由图可知，较低的光阻后烘温度至120℃，光阻未进行有效的回流，其侧壁边缘较陡峭，测量为80°。基于干法刻蚀的各向异性特点及光阻边缘形状对金属沟道侧壁刻蚀的诱导作用，本对比例可刻蚀制备侧壁倾斜角度为陡峭的下电极层，不利于上电极的搭接，易发生搭线不良甚至断裂的情况。

综上所述，本发明基于钽/氧化钽/钽的约瑟夫森结结构，利用非阴影蒸镀方式制备，通过调整光刻工艺，得到了坡度较缓的下电极金属线条，解决了非阴影蒸镀方式制备约瑟夫森结时下电极和上电极搭线不良甚至断裂的问题，同时在上电极层的制备过程中，对下电极层进行过刻处理，或者采用各向同性的干法刻蚀技术，还解决了下电极侧壁残留导致的寄生结问题，避免了器件失效，大幅度提高成品率，可适应大晶圆尺寸范围内均一、稳定、可控的约瑟夫森结的规模化制备。

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 (9)

1.一种约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

（1）在衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，得到侧壁倾斜的下电极层，所述下电极层侧壁的倾斜角度为30~60°；

（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；

（3）在氧化钽层表面制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结；对所述第二层钽层进行光刻过程中同时刻蚀掉下电极层侧壁上残留的上电极层。

2.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的光刻过程中的刻蚀方法选自干法刻蚀。

3.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述光刻后得到侧壁倾斜的下电极层的方法包括：

光刻过程中，采用光阻后退法、调控金属的物理刻蚀和化学刻蚀作用占比或调节光阻后烘温度中的任意一种或至少两种的组合。

4.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述光刻过程中，进行各向异性的干法刻蚀的同时对下电极层进行过刻处理；

或进行各向同性的干法刻蚀处理。

5.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述第一层钽层的制备方法包括磁控溅射法、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。

6.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述制备第二层钽层的方法为磁控溅射法。

7.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

（1）在衬底表面制备得到第一层钽层，对第一层钽层进行光刻，光刻过程中，采用光阻后退法、调控金属的物理刻蚀和化学刻蚀作用占比或调节光阻后烘温度中的任意一种或至少两种的组合；得到侧壁倾斜角度为30~60°的下电极层；

（2）在下电极层表面制备得到氧化钽层；

（3）在氧化钽层表面采用磁控溅射法制备第二层钽层，对第二层钽层进行光刻，得到上电极层，上电极层和下电极层交叠区域为所述约瑟夫森结；

其中，步骤（3）所述光刻过程中，进行各向异性的干法刻蚀的同时对下电极层进行过刻处理；

或进行各向同性的干法刻蚀处理。

8.一种约瑟夫森结，其特征在于，所述约瑟夫森结由如权利要求1-7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钽的下电极、氧化钽层和钽的上电极，其中，钽的下电极与钽的上电极呈十字结结构。

9.一种如权利要求8所述的约瑟夫森结的用途，其特征在于，所述用途包括将约瑟夫森结用于超导芯片领域。

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