CN117651475A - 超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，包括：覆盖硅片表面的图形化金属镜层；覆盖金属镜层和硅片表面的第一介质层；平坦化第一介质层；第一介质层上设置超导薄膜；图形化第一介质层和硅片为锁孔形；金属镜层完全覆盖锁孔形的圆形结构。本发明设置金属镜层覆盖圆形结构，使第一介质层无需进行图形化而直接实现平坦化，提高制备效率；同时通过控制金属镜层的刻蚀时间，减小过刻产生的台阶部高度，避免超导薄膜断裂，提高结构可靠性；另外，利用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀第一介质层，减少对光刻胶掩膜的腐蚀，降低对设备的要求，提高制备效率；最后，通过共用光刻胶掩膜图形化第一介质层和硅片，节约制备成本。

Description

超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构。

背景技术

SNSPD(SuperconductingNanowire Single Photon Detector，超导纳米线单光子探测器)作为一种高性能单光子探测器，已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。为了提升SNSPD的探测效率，工作范围等性能参数，需要在原有器件的基础上集成光学微腔。目前主流的光学腔的有由布拉格反射镜组成的高反腔与金属镜和二氧化硅组成的金属腔两种结构，相较于高反腔，金属腔的结构具有更小的尺寸以及更宽的反射谱等优势。自对准SNSPD，是一种利用通讯行业中普遍存在的高耐受性光纤对准元件-光纤套管将单模光纤对准圆形SNSPD器件中心光敏面位置的封装方案，相对于手动对光的方式，自对准方案具有成本低廉，耗时较少，操作简单，稳定性高等优点。

现有技术中的金镜自对准SNSPD器件的制备工艺流程中，由于金属镜的面积很小，直接对金属镜上的第一介质层进行平坦化时，难以实现对金属镜引起的第一介质层凸起进行有效平坦化，导致得到的结构平整度差。因此在设置金属镜上的第一介质层后，需要先刻蚀第一介质层留下金属镜引起的第一介质层突起形成圆环形图形，然后再进行平坦化，该过程大大降低了制备工艺的效率，并提高了制备成本；同时由于圆环形图形本身较薄，在平坦化过程中容易破裂，造成晶圆表面损伤，平坦化效果仍不理想；并且，平坦化效果较差的第一介质层上后续形成的超导薄膜容易在凸起处断裂，面积较小的金属镜容易由于超导薄膜的断裂而与超导薄膜发生断路，导致产品的可靠性差。

另外，现有技术中在图形化硅片和第一介质层以形成锁孔形的超导纳米线单光子探测器时，往往先通过RIE(Reactive Ion Etch，反应离子刻蚀)刻蚀第一介质层，再通过ICP(Inductively Coupled Plasma Etch，感应耦合等离子体刻蚀)深硅刻蚀法刻蚀硅片。而由于RIE刻蚀过程中容易对光刻胶掩膜和硅片进行刻蚀，对硅片进行刻蚀的过程中会污染RIE的反应腔，影响RIE反应腔的重复使用，因此需要对RIE进行刻蚀速率标定以避免对硅片进行过刻，并在刻蚀后对刻蚀深度进行表征以确保第一介质层被完全刻蚀，之后还需要将器件转移到ICP反应腔中进行对硅片的刻蚀，该过程使制备工艺效率大大降低，不利于SNSPD的产量化。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器工艺效率低、可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，所述制备方法包括：

提供一硅片，于所述硅片上设置金属镜层，所述金属镜层覆盖所述硅片的表面；

图形化所述金属镜层；

于所述金属镜层上设置第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属镜层和所述硅片显露出的表面；

对所述第一介质层进行平坦化；

于所述第一介质层上设置超导薄膜；

图形化所述超导薄膜，得到纳米线光敏结构和电极，并使所述超导薄膜在所述硅片上的投影为锁孔形；

图形化所述第一介质层和所述硅片为与所述超导薄膜对应的锁孔形，得到在所述硅片上的投影为锁孔形的超导纳米线单光子探测器；所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述锁孔形的所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

可选地，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

可选地，图形化所述金属镜层时，过刻至所述硅片的预设深度，使所述金属镜层下的所述硅片凸出于所述硅片的其他部分，所述硅片凸出的部分与所述金属镜层共同构成台阶部；控制图形化所述金属镜层的刻蚀时间，至所述台阶部的的高度为85纳米-95纳米。

可选地，图形化所述第一介质层和所述硅片时，先使用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀所述第一介质层，再使用电感耦合等离子体深硅刻蚀法刻蚀所述硅片；所述电感耦合等离子体浅硅刻蚀法同时通入钝化气体和刻蚀气体一次性完成刻蚀，所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法交替通入所述钝化气体和所述刻蚀气体多次循环完成刻蚀。

可选地，图形化所述第一介质层和所述硅片时，于所述第一介质层上设置光刻胶掩膜，利用所述光刻胶掩膜刻蚀所述第一介质层，然后使用同一所述光刻胶掩膜刻蚀所述硅片。

本发明还提供一种超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器采用上述任意一种制备方法得到，所述超导纳米线单光子探测器包括：硅片、第一介质层、金属镜层和超导薄膜；

所述金属镜层位于所述硅片上，所述第一介质层包裹所述金属镜层和所述硅片显露出的表面，所述超导薄膜位于所述第一介质层上，所述超导薄膜包括纳米线光敏结构和电极；

所述超导薄膜、所述硅片和所述第一介质层在所述硅片上的投影为锁孔形，所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

可选地，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

可选地，所述金属镜层为从上到下依次包括钛层、金层、钛层的复合层。

可选地，所述超导薄膜为从上到下依次包括氮化铌层、第二介质层、氮化铌层的复合层。

本发明还提供一种自对准封装结构，所述自对准封装结构包括上述任意一种超导纳米线单光子探测器，所述自对准封装结构还包括：印刷线路板、光纤套管、陶瓷插芯、光纤；

所述超导纳米线单光子探测器的圆形结构的直径与所述光纤的光纤头的直径、所述光纤套管的内径相同，所述光纤套管将所述光纤头与所述超导纳米线单光子探测器的所述圆形结构同心约束在所述光纤套管里，使所述光纤头发射出的光斑自动对准所述超导纳米线单光子探测器的所述纳米线光敏结构；

所述超导纳米线单光子探测器通过所述陶瓷插芯设置在所述印刷线路板上，所述超导纳米线单光子探测器的电极与所述印刷线路板形成有效电连接。

如上，本发明的超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，具有以下有益效果：

本发明通过设置金属镜层覆盖圆形结构，使第一介质层无需进行图形化而直接实现平坦化，提高制备效率；

本发明通过控制金属镜层的刻蚀时间，减小过刻产生的台阶部高度，避免超导薄膜断裂，提高结构可靠性；

本发明利用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀第一介质层，减少对光刻胶掩膜的腐蚀，降低对设备的要求，提高制备效率；

本发明通过共用光刻胶掩膜图形化第一介质层和硅片，节约制备成本。

附图说明

图1显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤1中设置硅片和金属镜层所呈现的结构剖面图示意图。

图2显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤1中设置硅片和金属镜层所呈现的结构立体图示意图。

图3显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤2中图形化金属镜层所呈现的结构剖面图示意图。

图4显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤2中图形化金属镜层所呈现的结构立体图示意图。

图5显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤3中设置第一介质层所呈现的结构剖面图示意图。

图6显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤3中设置第一介质层所呈现的结构立体图示意图。

图7显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤4中平坦化第一介质层所呈现的结构剖面图示意图。

图8显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤5中设置超导薄膜所呈现的结构立体图示意图。

图9显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤6中得到纳米线光敏结构所呈现的结构剖面图示意图。

图10显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤6中得到纳米线光敏结构所呈现的结构立体图示意图。

图11显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤6中得到电极所呈现的结构剖面图示意图。

图12显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤6中得到电极所呈现的结构立体图示意图。

图13显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤7中图形化硅片和第一介质层所呈现的结构剖面图示意图。

图14显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中步骤7中图形化硅片和第一介质层所呈现的结构立体图示意图。

图15显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中设置硅片和金属镜层所呈现的结构剖面图示意图。

图16显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中图形化金属镜层所呈现的结构剖面图示意图。

图17显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中形成第一介质层所呈现的结构剖面图示意图。

图18显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中形成圆环图形所呈现的结构剖面图示意图。

图19显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中平坦化第一介质层所呈现的结构剖面图示意图。

图20显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中形成超导薄膜的纳米线光敏结构所呈现的结构剖面图示意图。

图21显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中形成超导薄膜的电极所呈现的结构剖面图示意图。

图22显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中图形化第一介质层和硅片所呈现的结构剖面图示意图。

图23显示为现有技术中制备金镜自对准SNSPD器件的方法中金属镜层在锁孔形硅片上所呈现的结构俯视图示意图。

图24显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中金属镜层在锁孔形硅片上所呈现的结构俯视图示意图。

图25显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中电感耦合等离子体深硅刻蚀法中进行的钝化过程示意图。

图26显示为本发明超导纳米线单光子探测器的制备方法中电感耦合等离子体深硅刻蚀法中进行的刻蚀过程示意图。

元件标号说明

1、硅片；11、台阶部；2、金属镜层；3、第一介质层；31、凸起部分；32、圆环图形；4、超导薄膜；41、纳米线光敏结构；42、电极；43、氮化铌层；44、第二介质层；5、锁孔形；51、圆形结构；52、条形结构；6、掩膜；7、钝化膜。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，制备方法包括：

步骤1：提供一硅片，于所述硅片上设置金属镜层，所述金属镜层覆盖所述硅片的表面；

步骤2：图形化所述金属镜层；

步骤3：于所述金属镜层上设置第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属镜层和所述硅片显露出的表面；

步骤4：对所述第一介质层进行平坦化；

步骤5：于所述第一介质层上设置超导薄膜；

步骤6：图形化所述超导薄膜，得到纳米线光敏结构和电极，并使所述超导薄膜在所述硅片上的投影为锁孔形；

步骤7：图形化所述第一介质层和所述硅片为与所述超导薄膜对应的锁孔形，得到在所述硅片上的投影为锁孔形的超导纳米线单光子探测器；所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述锁孔形的所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

下面将结合附图详细说明本发明的超导纳米线单光子探测器的制备方法，其中，需要说明的是，上述顺序并不严格代表本发明所保护的超导纳米线单光子探测器的制备方法顺序，本领域技术人员可以依据实际制备步骤进行改变。

首先，如图1-图2所示，进行步骤1，图2为立体图形，图1为图2所示结构的剖面图，提供一硅片1，于所述硅片1上设置金属镜层2，所述金属镜层2覆盖所述硅片1的表面。

然后，如图3-图4所示，进行步骤2，图4为立体图形，图3为图4所示结构的剖面图，图形化所述金属镜层2。

在一个实施例中，图形化所述金属镜层2时，过刻至所述硅片1的预设深度，使所述金属镜层2下的所述硅片1凸出于所述硅片1的其他部分，所述硅片1凸出的部分与所述金属镜层2共同构成台阶部11；控制图形化所述金属镜层2的刻蚀时间，至所述台阶部11的的高度为85纳米-95纳米。

现有技术中，为了避免不设置金属镜层2的位置有残留的金属镜层2而产生相邻的超导纳米线单光子探测器之间发生短路，需要在图形化所述金属镜层2时进行过刻一部分下方的硅片1，形成的台阶部11的高度会达到180纳米，然而过刻深度过大容易导致后续的平坦化效果较差，导致形成的超导薄膜4容易在台阶部11断裂。

本发明通过控制图形化金属镜层2的刻蚀时间，以控制过刻形成的台阶部11高度范围能够保证金属镜层2刻蚀完全的同时超导薄膜4不会断裂，从而进一步提高形成的超导纳米线单光子探测器的可靠性。

接着，如图5-图6所示，进行步骤3，图6为立体图形，图5为图6所示结构的剖面图，于所述金属镜层2上设置第一介质层3，所述第一介质层3覆盖所述金属镜层2和所述硅片1显露出的表面。

然后，如图7所示，进行步骤4，图7为结构的剖面图，对所述第一介质层3进行平坦化。

接着，如图8所示，进行步骤5，图8为立体图形，于所述第一介质层3上设置超导薄膜4。

然后，如图9-图12所示，进行步骤6，图形化所述超导薄膜4，得到纳米线光敏结构41和电极42，并使所述超导薄膜4在所述硅片1上的投影为锁孔形5。

具体地，如图9-图10所示，图10为立体图形，图9为图10所示结构的剖面图，图形化所述超导薄膜4得到所述纳米线光敏结构41，然后如图11-图12所示，图12为立体图形，图11为图12所示结构的剖面图，图形化所述超导薄膜4得到所述电极42。

具体地，如图11-图12所示，图形化所述超导薄膜4得到所述电极42的同时，使所述超导薄膜4图形化为在所述硅片1上的投影为锁孔形5。

本发明通过在图形化所述超导薄膜4形成所述纳米线光敏结构41后，在得到所述电极42的同时使所述超导薄膜4图形化为锁孔形5，提高了图形化所述超导薄膜4的效率，并降低了所述超导薄膜4多次图形化造成破损的风险，提高了所述超导薄膜4的可靠性；同时避免了图形化所述超导薄膜4为锁孔形时对形成所述纳米线光敏结构41和所述电极42时所产生的影响，进一步提高了所述纳米线光敏结构41和所述电极42的图形准确度。

在一个实施例中，也可以在图形化所述超导薄膜4得到所述纳米线光敏结构41的同时，使所述超导薄膜4图形化为在所述硅片1上的投影为锁孔形5。

最后，如图13-图14所示，进行步骤7，图14为立体图形，图13为图14所示结构的剖面图，图形化所述第一介质层3和所述硅片1为与所述超导薄膜4对应的锁孔形5，得到在所述硅片1上的投影为锁孔形5的超导纳米线单光子探测器；所述锁孔形5由一个圆形结构51和一个条形结构52组成，所述纳米线光敏结构41在所述硅片1上的投影位于所述锁孔形5的所述圆形结构51内，所述金属镜层2在所述硅片1上的投影完全覆盖所述圆形结构51。

现有技术中，目前金镜自对准SNSPD器件的制备工艺流程如图15-图22所示：如图15所示，提供一硅片1，在硅片1表面覆盖金属镜层2；如图16所示，图形化金属镜层2；如图17所示，在金属镜层2上形成第一介质层3后，在金属镜层2上方的第一介质层3会形成凸起部分31，而由于现有技术中的金属镜层2只需和超导薄膜4的纳米线光敏结构41接触即可，因此金属镜层2的面积设计一般覆盖纳米线光敏结构41即可，面积很小，因此其上方第一介质层3形成的凸起部分31面积也较小，因此平坦化过程中，由于该凸起部分31的面积较小，难以被有效平坦化，平坦化以后仍会残留明显的凸起。而如图18所示，现有技术一般通过在平坦化前先对第一介质层3进行刻蚀，以在凸起部分31形成例如壁厚为0.5微米、直径为199微米的圆环图形32，然后如图19所示，利用该圆环图形32的存在扩大平坦化的整体面积，以实现对凸起部分31的有效平坦化。然而该过程需要额外增加图形化和对第一介质层3的厚度标定的步骤，大大降低了制备工艺的效率；同时，该圆环图形32壁厚较薄，在平坦过程中容易发生断裂，造成晶圆表面损伤，导致结构良率较低，平坦化效果仍不理想；另外由于平坦化效果仍不理想，导致如图20-图21所示在第一介质层3上形成的包括纳米线光敏结构41和电极42的超导薄膜4容易断裂，由于金属镜层2本身的面积较小，因此超导薄膜4的断裂容易导致金属镜层2与超导薄膜4之间的断路，进一步降低了经图22所示对第一介质层3和硅片1进行图形化后得到的超导纳米线单光子探测器结构的可靠性。

而本发明通过设置金属镜层2覆盖锁孔形5的圆形结构51，一方面使金属镜层2上方的第一介质层3形成凸起部分31面积增大，如图5所示，从而不需要提前对第一介质层3进行刻蚀以增大进行平坦化的面积也能实现较好的平坦化效果，避免了额外的刻蚀步骤，大大提高了制备工艺的效率；另一方面金属镜层2的面积从如图23所示的现有技术中只在锁孔形5的圆形结构51中心与纳米线光敏结构41对应的小面积增大至如图24所示与超导薄膜4的整个圆形结构51全部接触，其中图23-图24为仅保留结构中的金属镜层2和硅片1时的结构俯视图，因此超导薄膜4的部分断裂不容易导致金属镜层2与超导薄膜4的断路，提高了结构的可靠性，平坦化的效果提高也进一步减小了超导薄膜4发生断裂的可能性，进一步提高了产品良率。

在一个实施例中，所述金属镜层2为从上到下依次包括钛层、金层、钛层的复合层。

本发明通过在金层两侧设置钛层，增加所述金属镜层2与所述第一介质层3、所述硅片1的粘附性。

在一个实施例中，通过直流磁控溅射的方法原位连续生长钛层、金层、钛层得到所述金属镜层2。

本发明通过直流磁控溅射的方法生长金层，使金层更致密，以提高所述超导纳米线单光子探测器的性能。

在一个实施例中，所述金属镜层2中的钛层、金层、钛层的厚度分别为5纳米、65纳米、5纳米。

在一个实施例中，图形化所述金属镜层2的方法包括：在所述金属镜层2上涂覆AZ703紫外光刻胶；利用步进式紫外光刻机在带有预设图形的掩膜版下对紫外光刻胶进行曝光刻蚀后，将图形化的紫外光刻胶作为刻蚀掩膜通过离子束刻蚀法(IBE)刻蚀所述金属镜层2；去除紫外光刻胶后，通过台阶仪表征对所述金属镜层2的过刻深度。

在一个实施例中，所述第一介质层3的材料为二氧化硅。

在一个实施例中，通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长所述第一介质层3。

在一个实施例中，生长厚度为500纳米的所述第一介质层3。具体地，通过所述金属镜层2的过刻深度及后续平坦化处理的研磨余量决定生长所述第一介质层3的厚度。

在一个实施例中，采用化学机械抛光法(CMP)对所述第一介质层3进行平坦化。

在一个实施例中，所述超导薄膜4为从上到下依次包括氮化铌层43、第二介质层44、氮化铌层43的复合层。

在一个实施例中，采用直流磁控溅射的方法生长所述超导薄膜4中的氮化铌层43。

在一个实施例中，所述超导薄膜4的氮化铌层43的厚度均为6纳米。

在一个实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的方法生长所述超导薄膜4的第二介质层44。

在一个实施例中，所述超导薄膜4的第二介质层44材料为二氧化硅。

在一个实施例中，所述超导薄膜4的第二介质层44的厚度为3纳米。

在一个实施例中，得到所述纳米线光敏结构41和所述电极42的方法包括：于所述超导薄膜4上方涂覆电子束光刻胶；利用电子束曝光法(EBL)将回形纳米线的图形刻在电子束光刻胶上；对电子束光刻胶显影之后，以图形化的电子束光刻胶为掩膜对所述超导薄膜4采用反应离子刻蚀法(RIE)进行刻蚀，得到通过所述超导薄膜4中的纳米线光敏结构41；去除电子束光刻胶，重新在所述超导薄膜4上涂覆AZ703紫外光刻胶；利用步进式紫外光刻机对紫外光科教进行曝光显影，得到包括所述电极42的图形的紫外光刻胶；以图形化的紫外光刻胶作为模板用反应离子刻蚀法对所述超导薄膜4进行刻蚀，制备出正负电极42。

在一个实施例中，所述金属镜层2在所述硅片1上的投影还覆盖所述条形结构52的预设部分。

本发明通过将金属镜层2覆盖的面积进一步扩大至条形结构52，进一步提高了金属镜层2与超导薄膜4之间的电连接可靠性。

在一个实施例中，图形化所述第一介质层3和所述硅片1时，先使用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀所述第一介质层3，再使用电感耦合等离子体深硅刻蚀法刻蚀所述硅片1；所述电感耦合等离子体浅硅刻蚀法同时通入钝化气体和刻蚀气体一次性完成刻蚀，所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法交替通入所述钝化气体和所述刻蚀气体多次循环完成刻蚀。

现有技术中在图形化硅片1和第一介质层3以形成锁孔形5的超导纳米线单光子探测器时，往往先通过RIE(Reactive Ion Etch，反应离子刻蚀)刻蚀第一介质层3，再通过ICP(Inductively Coupled Plasma Etch，感应耦合等离子体刻蚀)深硅刻蚀法刻蚀硅片1。RIE刻蚀的过程中，腐蚀气体按照一定的工作压力和搭配比例充满整个反应室；对反应腔中的腐蚀气体，加上大于气体击穿临界值的高频电场，在强电场作用下，被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行随机碰撞，当电子能量大到一定程度时，随机碰撞变为非弹性碰撞，产生二次电子发射，它们又进一步与气体分子碰撞，不断激发或电离气体分子，这种激烈碰撞引起电离和复合；当电子的产生和消失过程达到平衡时，放电能继续不断地维持下去，由非弹性碰撞产生的离子、电子及游离基(游离态的原子、分子或原子团)也称为等离子体，具有很强的化学活性，可与被刻蚀样品表面的原子起化学反应，形成挥发性物质，达到腐蚀样品表层的目的。而由于RIE刻蚀过程中容易发生对硅片1的刻蚀，而对硅片1进行刻蚀的过程中会污染RIE的反应腔，影响RIE反应腔的重复使用，因此需要对RIE进行刻蚀速率标定以避免对硅片1进行过刻，并在刻蚀后对刻蚀深度进行表征以确保第一介质层3被完全刻蚀，之后还需要将器件转移到ICP反应腔中进行对硅片1的刻蚀，该过程使制备工艺效率大大降低，不利于SNSPD的产量化。

具体地，所述电感耦合等离子体浅硅刻蚀法同时通入钝化气体和刻蚀气体进行一次性刻蚀预设时间实现预设刻蚀效果，通过调整钝化气体和刻蚀气体的流量比例来调整刻蚀速率，从而与RIE方法相比，具有两个独立的射频源，可以实现高速率和低损伤的刻蚀，同时工作气压低，等离子体密度高，利于控制刻蚀形貌，并由于其与电感耦合等离子体深硅刻蚀法相比各向异性较差，因此可以用于对第一介质层3的刻蚀；所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法通过交替通入钝化气体和刻蚀气体进行循环钝化和刻蚀，通过分别调节钝化速率和刻蚀速率实现平衡状态，从而得到精准良好的各向异性的刻蚀效果，因此可以用于对硅片1的刻蚀，但无法用于硅片1上方的第一介质层3的刻蚀。

在一个实施例中，钝化气体为C4F8，刻蚀气体为SF6，在所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法的过程中，硅片1上设置掩膜6，钝化过程中通入的C4F8气体在螺旋线圈感应耦合电场的作用下辉光放电激发成为高密度的等离子体CFx+、CFx-和F-，等离子CFx+、CFx-首先与硅片1表面生成高分子钝化膜7(nCF2)沉积在硅片1表面，钝化过程如图25所示；在刻蚀过程中通入的SF6同样电离产生的F-活性基再与钝化膜7的聚合物nCF2反应生成CF2和SFx挥发性气体，然后继续与硅片1反应生成挥发性气体硅氟化合物从而将掩膜6显露出的硅刻蚀掉，刻蚀过程如图26所示。

本发明通过使用ICP浅硅刻蚀法刻蚀第一介质层3，由于ICP的反应腔对洁净度的要求较低，部分过刻硅片1时也不会影响ICP腔体的重复利用，不需要进行频繁清洁，也不需要对ICP浅硅刻蚀的刻蚀速率进行标定或对刻蚀深度进行表征，同时可以与后续进行ICP深硅刻蚀法刻蚀硅片1时使用同一个反应腔，不需要进行结构的转移，大大提高了工艺的制备效率，有利于SNSPD的批量化生产。

在一个实施例中，图形化所述第一介质层3和所述硅片1时，于所述第一介质层3上设置光刻胶掩膜，利用所述光刻胶掩膜刻蚀所述第一介质层3，然后使用同一所述光刻胶掩膜刻蚀所述硅片1。

现有技术中通常认为RIE工艺中的光刻胶掩膜更不容易被刻蚀，而ICP刻蚀工艺容易刻蚀光刻胶掩膜，从而难以应用于SNSPD中刻蚀第一介质层3。

而本发明通过使用ICP浅硅刻蚀法，使刻蚀过程中不会影响光刻胶掩膜的作用，仍可以得到良好的产品，同时通过在刻蚀第一介质层3和硅片1时共用光刻胶掩膜，进一步降低了工艺成本，提高了工艺效率。

在一个实施例中，所述光刻胶掩膜的形成方法为：在所述超导薄膜4上涂覆SPR220紫外光刻厚胶；对紫外光刻厚胶进行曝光显影，形成所述光刻胶掩膜。

本发明还提供一种超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器采用上述任意一种制备方法得到，所述超导纳米线单光子探测器包括：硅片1、第一介质层3、金属镜层2和超导薄膜4；

所述金属镜层2位于所述硅片1上，所述第一介质层3包裹所述金属镜层2和所述硅片1显露出的表面，所述超导薄膜4位于所述第一介质层3上，所述超导薄膜4包括纳米线光敏结构41和电极42；

所述超导薄膜4、所述硅片1和所述第一介质层3在所述硅片1上的投影为锁孔形5，所述锁孔形5由一个圆形结构51和一个条形结构52组成，所述纳米线光敏结构41在所述硅片1上的投影位于所述圆形结构51内，所述金属镜层2在所述硅片1上的投影完全覆盖所述圆形结构51。

本发明通过设置金属镜层2覆盖所述圆形结构51，使金属镜层2可以始终覆盖超导薄膜4的纳米线光敏结构41，提高了与超导薄膜4的接触面积，从而减少了由于超导薄膜4断裂导致超导薄膜4与金属镜层2之间发生断路的可能性；同时金属镜层2面积的扩大使其上方的第一介质层3在平坦化时工艺更简洁，平坦化效果更好，进一步降低了超导薄膜4在金属镜层2上方的第一介质层3形成的凸起部分31发生断裂的可能性，进一步提高了结构的良率。

在一个实施例中，所述金属镜层2在所述硅片1上的投影还覆盖所述条形结构52的预设部分。

在一个实施例中，所述金属镜层2为从上到下依次包括钛层、金层、钛层的复合层。

本发明通过在金层两侧设置钛层，增加所述金属镜层2与所述第一介质层3、所述硅片1的粘附性。

在一个实施例中，所述超导薄膜4为从上到下依次包括氮化铌层43、第二介质层44、氮化铌层43的复合层。

本发明还提供一种自对准封装结构，所述自对准封装结构包括上述任意一种超导纳米线单光子探测器，所述自对准封装结构还包括：印刷线路板、光纤套管、陶瓷插芯、光纤；

所述超导纳米线单光子探测器的圆形结构51的直径与所述光纤的光纤头的直径、所述光纤套管的内径相同，所述光纤套管将所述光纤头与所述超导纳米线单光子探测器的所述圆形结构51同心约束在所述光纤套管里，使所述光纤头发射出的光斑自动对准所述超导纳米线单光子探测器的所述纳米线光敏结构41；

所述超导纳米线单光子探测器通过所述陶瓷插芯设置在所述印刷线路板上，所述超导纳米线单光子探测器的电极42与所述印刷线路板形成有效电连接。

综上，本发明的超导纳米线单光子探测器及其制备方法和自对准封装结构，可以通过设置金属镜层覆盖圆形结构，使第一介质层无需进行图形化而直接实现平坦化，提高制备效率；同时通过控制金属镜层的刻蚀时间，减小过刻产生的台阶部高度，避免超导薄膜断裂，提高结构可靠性；另外，利用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀第一介质层，减少对光刻胶掩膜的腐蚀，降低对设备的要求，提高制备效率；最后，通过共用光刻胶掩膜图形化第一介质层和硅片，节约制备成本。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一硅片，于所述硅片上设置金属镜层，所述金属镜层覆盖所述硅片的表面；

图形化所述金属镜层；

于所述金属镜层上设置第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属镜层和所述硅片显露出的表面；

对所述第一介质层进行平坦化；

于所述第一介质层上设置超导薄膜；

图形化所述超导薄膜，得到纳米线光敏结构和电极，并使所述超导薄膜在所述硅片上的投影为锁孔形；

图形化所述第一介质层和所述硅片为与所述超导薄膜对应的锁孔形，得到在所述硅片上的投影为锁孔形的超导纳米线单光子探测器；所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述锁孔形的所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

2.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

3.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，图形化所述金属镜层时，过刻至所述硅片的预设深度，使所述金属镜层下的所述硅片凸出于所述硅片的其他部分，所述硅片凸出的部分与所述金属镜层共同构成台阶部；控制图形化所述金属镜层的刻蚀时间，至所述台阶部的的高度为85纳米-95纳米。

4.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，图形化所述第一介质层和所述硅片时，先使用电感耦合等离子体浅硅刻蚀法刻蚀所述第一介质层，再使用电感耦合等离子体深硅刻蚀法刻蚀所述硅片；所述电感耦合等离子体浅硅刻蚀法同时通入钝化气体和刻蚀气体一次性完成刻蚀，所述电感耦合等离子体深硅刻蚀法交替通入所述钝化气体和所述刻蚀气体多次循环完成刻蚀。

5.根据权利要求4所述的超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，图形化所述第一介质层和所述硅片时，于所述第一介质层上设置光刻胶掩膜，利用所述光刻胶掩膜刻蚀所述第一介质层，然后使用同一所述光刻胶掩膜刻蚀所述硅片。

6.一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器采用权利要求1-5中任意一项所述的制备方法得到，所述超导纳米线单光子探测器包括：硅片、第一介质层、金属镜层和超导薄膜；

所述金属镜层位于所述硅片上，所述第一介质层包裹所述金属镜层和所述硅片显露出的表面，所述超导薄膜位于所述第一介质层上，所述超导薄膜包括纳米线光敏结构和电极；

所述超导薄膜、所述硅片和所述第一介质层在所述硅片上的投影为锁孔形，所述锁孔形由一个圆形结构和一个条形结构组成，所述纳米线光敏结构在所述硅片上的投影位于所述圆形结构内，所述金属镜层在所述硅片上的投影完全覆盖所述圆形结构。

7.根据权利要求6所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述金属镜层在所述硅片上的投影还覆盖所述条形结构的预设部分。

8.根据权利要求6所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述金属镜层为从上到下依次包括钛层、金层、钛层的复合层。

9.根据权利要求6所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述超导薄膜为从上到下依次包括氮化铌层、第二介质层、氮化铌层的复合层。

10.一种自对准封装结构，其特征在于，所述自对准封装结构包括权利要求6-9中任意一项所述的超导纳米线单光子探测器，所述自对准封装结构还包括：印刷线路板、光纤套管、陶瓷插芯、光纤；

所述超导纳米线单光子探测器的圆形结构的直径与所述光纤的光纤头的直径、所述光纤套管的内径相同，所述光纤套管将所述光纤头与所述超导纳米线单光子探测器的所述圆形结构同心约束在所述光纤套管里，使所述光纤头发射出的光斑自动对准所述超导纳米线单光子探测器的所述纳米线光敏结构；

所述超导纳米线单光子探测器通过所述陶瓷插芯设置在所述印刷线路板上，所述超导纳米线单光子探测器的电极与所述印刷线路板形成有效电连接。