CN115697027B - 一种约瑟夫森结的制备方法、量子电路、量子芯片 - Google Patents
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Abstract
一种约瑟夫森结的制备方法、量子电路、量子芯片。本申请公开了一种约瑟夫森结的制备方法，先在衬底上形成具有第一目标图形和第二目标图形的掩模层；再在第一制备条件下，利用所述第一目标图形制备待测约瑟夫森结；然后，测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件；再在第二制备条件下，利用所述第二目标图形制备所述约瑟夫森结。本申请中，在第一制备条件下，通过利用掩膜层在衬底上先制备出待测约瑟夫森结，再对待测约瑟夫森结的性能参数进行测试，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件，再在第二制备条件下制备正式约瑟夫森结，从而能够最终制得符合目标参数的约瑟夫森结。
Description
技术领域
本申请属于量子计算技术领域，特别是一种约瑟夫森结的制备方法、量子电路、量子芯片。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。
量子芯片作为量子计算机的核心部件，约瑟夫森结是量子芯片的关键器件，约瑟夫森结一般由两层超导体中间夹一层绝缘层(势垒层)构成，约瑟夫森结的性能参数与制备条件具有相关性，然而在实际制备约瑟夫森结的过程中，制得约瑟夫森结的性能参数往往不稳定，难以在量子芯片上制得符合目标参数的约瑟夫森结。
需要说明的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请的目的是提供一种约瑟夫森结的制备方法、量子电路、量子芯片，以解决现有技术中的不足。
本申请的一个实施例提供了一种约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
形成掩模层于所述衬底上，所述掩模层具有第一目标图形和第二目标图形，所述第一目标图形用于制备待测约瑟夫森结，所述第二目标图形用于制备具有目标参数的正式约瑟夫森结；
在第一制备条件下，利用所述第一目标图形制备所述待测约瑟夫森结；
测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件；
在第二制备条件下，利用所述第二目标图形制备所述正式约瑟夫森结。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述形成掩模层于所述衬底上的步骤包括：
在所述衬底上确定第一区域和第二区域；
形成光刻胶层于所述衬底上，图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形和所述第二目标图形，沿垂直于所述衬底的方向，所述第一目标图形的投影位于所述第一区域，所述第二目标图形的投影位于所述第二区域。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形和所述第二目标图形的步骤包括：
对所述光刻胶层执行曝光显影工艺以获得所述第一目标图形和所述第二目标图形，其中，所述第一目标图形与所述第二目标图形的线宽一致。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述在第一制备条件下，利用所述第一目标图形制备所述待测约瑟夫森结的步骤包括：
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述待测约瑟夫森结的第一电极；
在第一氧化参数下，氧化所述第一电极的表面以形成第一势垒层；
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述待测约瑟夫森结的第二电极。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述目标参数为所述正式约瑟夫森结的目标电阻值。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件的步骤包括：
测量所述待测约瑟夫森结的电阻值；
根据所述电阻值与所述目标电阻值的比值确定制备所述正式约瑟夫森结的第二氧化参数。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述在第二制备条件下，利用所述第二目标图形制备所述正式约瑟夫森结的步骤包括：
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述正式约瑟夫森结的第三电极；
在第二氧化参数下，氧化所述第三电极的表面以形成第二势垒层；
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述正式约瑟夫森结的第四电极。
如上所述的约瑟夫森结的制备方法，其中，所述金属材料为超导金属材料。
本申请的另一个实施例提供了一种量子电路，包括上述的制备方法制备的正式约瑟夫森结。
本申请的又一个实施例提供了一种量子芯片，包括：
基底；
如上所述的量子电路，所述量子电路位于所述基底上。
与现有技术相比，本申请提出了一种约瑟夫森结的制备方法，先在衬底上形成具有第一目标图形和第二目标图形的掩模层，所述第一目标图形用于制备待测约瑟夫森结，所述第二目标图形用于制备具有目标参数的正式约瑟夫森结；再在第一制备条件下，利用所述第一目标图形制备所述待测约瑟夫森结；然后，测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件；再在第二制备条件下，利用所述第二目标图形制备所述正式约瑟夫森结。约瑟夫森结的性能参数与制备条件具有相关性，本申请中，在第一制备条件下，通过利用掩膜层在衬底上先制备出待测约瑟夫森结，再对待测约瑟夫森结的性能参数进行测试，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件，再在第二制备条件下制备正式约瑟夫森结，从而能够最终制得符合目标参数的约瑟夫森结。
附图说明
图1为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法的步骤流程图；
图2为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法中衬底的俯视图；
图3为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法中遮挡片的俯视图。
附图标记说明：
1－衬底，2－第一目标图形，3－第二目标图形，4－第一区域，5－第二区域，6－遮挡片。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
量子计算是一个在当前越来越被国内外广泛关注和研究的领域，基于约瑟夫森结的超导量子比特体系被认为是实现量子计算最有前景的体系之一。超导量子比特作为量子芯片的关键元件，其主要部分为含有一个或多个约瑟夫森结的超导电路。约瑟夫森结一般由两层超导体中间夹一层极薄的绝缘层(势垒层)构成，当绝缘层厚度薄到几纳米后会发生显著的电子对隧穿效应，即约瑟夫森效应。
现有技术中，针对量子比特中的约瑟夫森结的制备，通常采用斜蒸发镀膜工艺制备约瑟夫森结，在衬底上形成掩模层，采用曝光、显影、刻蚀等工艺，在掩模层上形成用于制备约瑟夫森结的图形，所述图形包括互相垂直的第一沟槽、第二沟槽，在制备约瑟夫森结时，使衬底倾斜一定角度，蒸发粒子流射向倾斜的衬底，使第一沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以使得金属材料沉积在第一沟槽底部的衬底上以形成约瑟夫森结的第一电极，在掩模的阻挡下，金属材料无法沉积在垂直于蒸发粒子流喷射方向的第二沟槽底部，获得第一电极之后，再调整衬底的位置，使第二沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以在第二沟槽底部的衬底上形成约瑟夫森结的第二电极。
约瑟夫森结的性能参数与制备条件具有相关性，例如，在可控氧化条件下氧化获得势垒层时，该氧化条件会对制得的约瑟夫森结的性能参数产生影响，因此，在实际制备约瑟夫森结的过程中，制得约瑟夫森结的性能参数往往不稳定，难以在量子芯片上制得符合目标参数的约瑟夫森结。
需要说明的是，约瑟夫森结通常在超低温环境下工作(例如，稀释制冷机的低温区)，约瑟夫森结常温下的电阻值可以反映约瑟夫森结在工作环境下的性能参数，因此，人们可以通过在常温环境下测量约瑟夫森结的电阻值，从而得知该约瑟夫森结的性能参数。
图1为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法的步骤流程图；
图2为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法中衬底的俯视图；
图3为本申请提供的约瑟夫森结的制备方法中遮挡片的俯视图。
结合附图1-附图3所示，本申请实施例提供的一种约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
S100、提供衬底1，示例性的，一种具体的方式为，所述衬底1用于制备约瑟夫森结，可选的，所述衬底1为蓝宝石衬底1或者硅衬底1；
S200、形成掩模层于所述衬底1上，所述掩模层具有第一目标图形2和第二目标图形3，所述第一目标图形2用于制备待测约瑟夫森结，所述第二目标图形3用于制备具有目标参数的正式约瑟夫森结，具体实施时，所述掩模层为光刻胶层，可选的，所述光刻胶层采用正性光刻胶或者负性光刻胶制得，示例性的，所述光刻胶为PMMA光刻胶，采用曝光、显影等工艺，在光刻胶层上获得第一目标图形2、第二目标图形3；
S300、在第一制备条件下，利用所述第一目标图形2制备所述待测约瑟夫森结，示例性的，一种具体的方式为，所述第一目标图形2具有互相垂直的第一沟槽、第二沟槽，在制备所述待测约瑟夫森结时，将衬底1置于电子束蒸发设备的蒸镀腔内，采用斜蒸发镀膜工艺，使衬底1倾斜一定角度，蒸发粒子流射向倾斜的衬底1，使第一沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以使得金属材料沉积在第一沟槽底部的衬底1上以形成所述待测约瑟夫森结的第一电极，在掩模层的阻挡下，金属材料无法沉积在垂直于蒸发粒子流喷射方向的第二沟槽底部，获得第一电极之后，对第一电极的表面进行可控氧化以在第一电极的表面以形成第一势垒层，具体实施时，氧化条件为：氧气通入的流量为5－100sccm，氧气的压强为0.1－100Torr，氧化时长为10－30min，可选的，所述氧化条件为：氧气通入的流量为10sccm，氧气的压强为0.4Torr，氧化时长为20min，从而在第一电极的表面获得所述第一势垒层，再调整衬底1的位置，使第二沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以在第二沟槽底部的衬底1上形成所述待测约瑟夫森结的第二电极，第二电极与第一电极交叠从而获得所述待测约瑟夫森结，另外，需要说明的是，在制备待测约瑟夫森结时，需保护第二目标图形3，防止金属材料沉积在第二目标图形3上，作为示例，在制备待测约瑟夫森结时，为了保护第二目标图形3，可以采用遮挡片6遮挡覆盖于第二目标图形3上，具体实施时，可选的，所述遮挡片6可以是硅片、玻璃片；
S400、测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件，示例性的，一种具体的方式为，在常温下，采用两端法或四端法测试电路，对所述待测约瑟夫森结的电阻值进行检测，需要说明的是，约瑟夫森结通常在超低温环境下工作，例如，稀释制冷机的低温区中，约瑟夫森结常温下的电阻值可以反映约瑟夫森结在工作环境下的性能参数，因此，可以通过在常温环境下检测所述待测约瑟夫森结的电阻值，从而能够判断出制得的待测约瑟夫森结的性能参数，通过比较所述待测约瑟夫森结的性能参数与目标参数，从而确定第二制备条件，示例性的，一种具体的方式为，与第一制备条件相比，第二制备条件为：保持氧气通入的流量、氧化时长不变，根据待测约瑟夫森结的性能参数与目标参数的比值调整氧气的压强至合适的数值，具体实施时，所述待测约瑟夫森结的性能参数为待测约瑟夫森结的电阻值，所述目标参数为正式约瑟夫森结的目标电阻值，示例性的，若测得的待测约瑟夫森结的电阻值为a，正式约瑟夫森结的目标电阻值为b，第一制备条件下氧气的压强为p1，则第二制备条件下氧气的压强p2＝b/a×p1；
S500、在第二制备条件下，利用所述第二目标图形3制备所述正式约瑟夫森结，示例性的，一种具体的方式为，所述第二目标图形3具有互相垂直的第三沟槽、第四沟槽，在制备约瑟夫森结时，将衬底1置于电子束蒸发设备的蒸镀腔内，采用斜蒸发镀膜工艺，使衬底1倾斜一定角度，蒸发粒子流射向倾斜的衬底1，使第三沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以使得金属材料沉积在第三沟槽底部的衬底1上以形成所述正式约瑟夫森结的第三电极，在掩模层的阻挡下，金属材料无法沉积在垂直于蒸发粒子流喷射方向的第四沟槽底部，获得第三电极之后，对第三电极的表面进行可控氧化以在第三电极的表面以形成第二势垒层，具体实施时，氧化条件为：与第一制备条件相比，保持氧气通入的流量、氧化时长不变，氧气的压强为p2＝b/a×p1，从而在第三电极的表面获得所述第二势垒层，再调整衬底1的位置，使第四沟槽朝向蒸发粒子流喷射方向，以在第四沟槽底部的衬底1上形成所述正式约瑟夫森结的第四电极，所述第四电极与所述第三电极交叠从而获得所述正式约瑟夫森结。
约瑟夫森结的性能参数与制备条件具有相关性，所述制备条件包括约瑟夫森结势垒层的氧化条件，本实施例中，在第一制备条件下，通过利用掩膜层在衬底1上先制备出待测约瑟夫森结，再对待测约瑟夫森结的性能参数进行测试，根据测试结果与所述目标参数的差值确定第二制备条件，再在第二制备条件下制备正式约瑟夫森结，从而能够最终制得符合目标参数的约瑟夫森结。
需要说明的是，本申请中，通过在同一掩模层上构建用于制备待测约瑟夫森结的第一目标图形2和用于制备具有目标参数的正式约瑟夫森结的第二目标图形3，因而在垂直于衬底1的方向上，第一目标图形2、第二目标图形3的厚度相同，从而使得构成第一目标图形2、第二目标图形3的沟槽深度保持一致，从而消除了第一目标图形2、第二目标图形3由于沟槽深度不同而对制得的约瑟夫森结的性能参数所造成的影响，并且，本申请提出的约瑟夫森结的制备方法的目的是为了制备出具有目标参数的正式约瑟夫森结，所述待测约瑟夫森结在完成性能参数测试之后即失去利用价值。
需要说明的是，本申请中，也可以在衬底1上分批次制备多组待测约瑟夫森结，在前一批次待测约瑟夫森结的测试结果的基础上，不断修正下一批次约瑟夫森结的制备条件，最终制得符合目标参数的正式约瑟夫森结，此外，在制备获得正式约瑟夫森结之后，可以在衬底1上保留所述待测约瑟夫森结，也可以采用裂片的方式，将衬底1上制备待测约瑟夫森结的区域从衬底1上分割出去，只在衬底1上保留正式约瑟夫森结。
在本申请的一些实施例中，所述形成掩模层于所述衬底1上的步骤包括：
S210、在所述衬底1上确定第一区域4和第二区域5，具体实施时，所述衬底1具有相对的两个表面，所述第一区域4、所述第二区域5均位于所述衬底1的同一表面，且第一区域4、第二区域5具有一定的间距，示例性的，第一区域4与第二区域5相距1－2mm；
S220、形成光刻胶层于所述衬底1上，图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形2和所述第二目标图形3，沿垂直于所述衬底1的方向，所述第一目标图形2的投影位于所述第一区域4，所述第二目标图形3的投影位于所述第二区域5，具体实施时，将光刻胶旋涂于所述衬底1上，示例性的，所述光刻胶为PMMA光刻胶，以获得所述光刻胶层，采用曝光、显影等工艺，以在所述光刻胶层上获得所述第一目标图形2和所述第二目标图形3，其中，所述第一目标图形2落入第一区域4的范围内，所述第二目标图形3落入第二区域5的范围内，由于第一区域4、第二区域5之间具有一定的间距，因而使得第一目标图形2、第二目标图形3之间具有一定的间距，从而能够避免第一目标图形2、第二目标图形3相互交叉重叠。
本实施例中，通过在衬底1上分别限定第一区域4、第二区域5，所述第一区域4与第一目标图形2相对应，所述第二区域5与第二目标图形3相对应，能够将待测约瑟夫森结、正式约瑟夫森结在衬底1上清晰地分隔开来，便于待测约瑟夫森结、正式约瑟夫森结的制备，同时也便于对待测约瑟夫森结的性能参数进行检测。
在本申请的一些实施例中，所述图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形2和所述第二目标图形3的步骤包括：
对所述光刻胶层执行曝光显影工艺以获得所述第一目标图形2和所述第二目标图形3，其中，所述第一目标图形2与所述第二目标图形3的线宽一致，具体实施时，采用曝光、显影等工艺，同时在所述光刻胶层上制备出所述第一目标图形2、所述第二目标图形3，并且，所述第一目标图形2与所述第二目标图形3的线宽一致，所述第一目标图形2与所述第二目标图形3的外形尺寸同样保持一致，从而保证制得的待测约瑟夫森结与正式约瑟夫森结的尺寸一致，从而消除了第一目标图形2、第二目标图形3由于线宽不同或尺寸不同而对约瑟夫森结的性能参数所造成的影响。
本实施例中，同时在所述光刻胶层上制备出所述第一目标图形2、所述第二目标图形3，并且，所述第一目标图形2与所述第二目标图形3的线宽一致，从而消除了第一目标图形2、第二目标图形3由于线宽不同这一因素，而对制得的约瑟夫森结的性能参数所造成的影响。
在本申请的一些实施例中，所述金属材料为超导金属材料，具体实施时，采用超导金属材料制备所述测试约瑟夫森结、所述正式约瑟夫森结，所述超导金属材料包括但不限于铝、铌等金属，在超低温环境下，例如稀释制冷机中，超导金属材料能够显示出超导性能。
本申请的另一个实施例提供了一种量子电路，包括上述的制备方法制备的正式约瑟夫森结，示例性的，一种具体的方式为，所述量子电路具有第一超导元件、第二超导元件，所述第一超导元件用于与所述正式约瑟夫森结的第三电极电连接，所述第二超导元件用于与所述正式约瑟夫森结的第四电极电连接。
本实施例中提出的量子电路，具有采用上述制备方法制备的正式约瑟夫森结，制得的正式约瑟夫森结的性能参数更加准确，更接近目标参数，从而能够有效保证量子电路的性能。
本申请的又一个实施例提供了一种量子芯片，包括：
基底，示例性的，一种具体的方式为，所述基底的材质为蓝宝石或者硅等；
如上所述的量子电路，所述量子电路位于所述基底上，所述量子电路具有与外接线路连接的端口。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。
Claims (8)
1.一种约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底(1)；
形成掩模层于所述衬底(1)上，所述掩模层具有第一目标图形(2)和第二目标图形(3)，所述第一目标图形(2)用于制备待测约瑟夫森结，所述第二目标图形(3)用于制备具有目标参数的正式约瑟夫森结，所述目标参数为所述正式约瑟夫森结的目标电阻值；
在第一制备条件下，利用所述第一目标图形(2)制备所述待测约瑟夫森结；
测试所述待测约瑟夫森结的性能参数，将所述性能参数与所述目标参数进行比较，以确定第二制备条件、并且包括：测量所述待测约瑟夫森结的电阻值；根据所述电阻值与所述目标电阻值的比值确定制备所述正式约瑟夫森结的第二氧化参数；
在第二制备条件下，利用所述第二目标图形(3)制备所述正式约瑟夫森结。
2.如权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述形成掩模层于所述衬底(1)上的步骤包括：
在所述衬底(1)上确定第一区域(4)和第二区域(5)；
形成光刻胶层于所述衬底(1)上，图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形(2)和所述第二目标图形(3)，沿垂直于所述衬底(1)的方向，所述第一目标图形(2)的投影位于所述第一区域(4)，所述第二目标图形(3)的投影位于所述第二区域(5)。
3.如权利要求2所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述图形化所述光刻胶层以获得所述第一目标图形(2)和所述第二目标图形(3)的步骤包括：
对所述光刻胶层执行曝光显影工艺以获得所述第一目标图形(2)和所述第二目标图形(3)，其中，所述第一目标图形(2)与所述第二目标图形(3)的线宽一致。
4.如权利要求1－3任一项所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述在第一制备条件下，利用所述第一目标图形(2)制备所述待测约瑟夫森结的步骤包括：
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述待测约瑟夫森结的第一电极；
在第一氧化参数下，氧化所述第一电极的表面以形成第一势垒层；
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述待测约瑟夫森结的第二电极。
5.如权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述在第二制备条件下，利用所述第二目标图形(3)制备所述正式约瑟夫森结的步骤包括：
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述正式约瑟夫森结的第三电极；
在第二氧化参数下，氧化所述第三电极的表面以形成第二势垒层；
采用斜蒸发镀膜工艺，沉积金属材料以形成所述正式约瑟夫森结的第四电极。
6.如权利要求4所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述金属材料为超导金属材料。
7.一种量子电路，其特征在于，包括如权利要求1－6任一项所述的制备方法制备的正式约瑟夫森结。
8.一种量子芯片，其特征在于，包括：
基底；
如权利要求7述的量子电路，所述量子电路位于所述基底上。
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