约瑟夫逊结制造方法与流程

1.本发明涉及例如可能适合于在量子比特方面使用的约瑟夫逊(josephson)结的制造。


背景技术：

2.约瑟夫逊结是超导量子比特的核心元件，其中约瑟夫逊结的质量是量子比特的寿命的主要因素。传统上，在超导量子比特方面使用的约瑟夫逊结是使用阴影蒸发制造的：通过光刻在抗蚀剂上限定中空结构，允许从不同角度沉积的铝膜彼此交叠，其中在中间进行原位氧化过程，随后剥离。以这种方式形成的铝膜和氧化铝层通常是多晶的，其中晶粒尺寸为约10nm，这显著小于约100nm处的结的尺寸。
3.实际上，“宏观”约瑟夫逊结由许多接缝在一起的较小“微观”结组成。由于“微观”结中的每一个中氧化铝层的不同晶格取向和厚度，超电流密度是不均匀的。因此，“宏观”结的临界电流(和正常状态电阻)难以控制。晶界上出现的非均匀隧穿和两级系统也缩短了量子比特的寿命。


技术实现要素：

4.根据本发明，提供了一种制造约瑟夫逊结的方法。该方法包括：
5.·
在衬底上形成第一堆叠，该第一堆叠包括第一电极层、介电层和第二电极层，第一堆叠限定在第一堆叠的与衬底相对的表面上的至少上表面以及与衬底和上表面相邻的两个侧表面；
6.·
经由抗蚀剂中的第一开口在堆叠中形成沟槽，沟槽跨堆叠的整个宽度而延伸并且跨第二电极层和介电层的整个深度而延伸；以及
7.·
经由抗蚀剂中的第二开口和第三开口在堆叠中形成隧道，第二开口和第三开口通过多光子光刻而形成，隧道跨堆叠的整个宽度从第二开口延伸至第三开口并且跨第一电极层和介电层的整个深度而延伸。
8.在形成第一堆叠之前，该方法可以包括：形成第一电极层、介电层和第二电极层，并且将第一电极层、介电层和第二电极层蚀刻成超导量子干涉器件(squid)环的形状。squid环形状的特征在于平行于衬底延伸的伸长主体并且包括垂直于衬底延伸通过第一电极层、介电层和第二电极层的开口。开口在所有侧上都被第一电极层、介电层和第二电极层包围。平行于伸长主体的纵轴延伸的开口的侧被称为squid环的“分支”。
9.squid环形状可以通过以下操作而形成：经由抗蚀剂中的开口对第一电极层、介电层和第二电极层进行蚀刻。
10.第一堆叠可以由squid环的分支之一形成。
11.第一电极层、介电层和第二电极层可以通过以下操作而形成：在衬底的预处理例如hf冲洗和/或原位退火之后，使用物理气相沉积(pvd)或分子束外延(mbe)进行毯式沉积。
12.形成沟槽可以包括：在第一堆叠上方形成第一抗蚀剂，该第一抗蚀剂覆盖至少上
表面和侧表面；在第一抗蚀剂中创建暴露堆叠的上表面的一部分的第一开口；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成沟槽。
13.形成隧道可以包括：在第一堆叠上方形成第二抗蚀剂，该第二抗蚀剂覆盖至少上表面和侧表面；在第二抗蚀剂中创建第二开口和第三开口，第二开口暴露堆叠的第一侧表面的一部分，第三开口暴露堆叠的与第一侧表面相对的第二侧表面的一部分，第三开口的大小与第二开口的大小相同并且第三开口被定位成与第二开口相对；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成隧道。
14.替选地，形成隧道可以包括：在第一抗蚀剂中创建第二开口和第三开口，第二开口暴露堆叠的第一侧表面的一部分，第三开口暴露堆叠的与第一侧表面相对的第二侧表面的一部分，第三开口的大小与第二开口的大小相同并且第三开口被定位成与第二开口相对；以及对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成隧道，同时对堆叠进行湿法蚀刻或干法蚀刻以形成沟槽。
15.该方法还可以包括：控制沟槽的蚀刻时间，使得在第一电极层被完全蚀刻之前停止蚀刻；以及/或者控制沟槽的蚀刻时间，使得在第二电极层被完全蚀刻之前停止蚀刻。
16.第一电极层和第二电极层可以是铝，并且介电层可以是氧化铝。
17.介电层的氧化铝可以具有单晶结构。
18.该方法还可以包括以下步骤：将第一电极层和/或第二电极层连接至一个或更多个另外的电气部件以形成量子比特。
附图说明
19.图1至图9分别示出了制造本发明的约瑟夫逊结的方法的不同阶段。
20.图1a至图9a示出了在该方法的每个阶段处的堆叠的截面图。
21.图1b至图9b示出了在该方法的每个阶段处的堆叠的透视图。
22.图10示出了包括根据本发明的方法形成的两个约瑟夫逊结的squid环的透视图。
23.图11是描绘根据本发明制造约瑟夫逊结的方法的流程图。
具体实施方式
24.在制造方法的第一阶段处，在图1a和图1b中描绘了其最终结果，在衬底1上形成堆叠。该堆叠包括第一电极层2、介电层3和第二电极层4。第一电极层2与衬底1相邻，并且第一电极层2的面向衬底1的下表面11也被称为堆叠的下表面11。介电层3位于第一电极层2与第二电极层4之间。相对于衬底1位于第一电极层2和介电层3上方的第二电极层4具有上表面12，该上表面12也被称为堆叠的上表面12。第一电极层2、介电层3和第二电极层4大体上是平坦的并且平行于衬底1。
25.如图1b所示，堆叠还具有第一侧13和第二侧14，第一侧13和第二侧14大体上垂直于衬底1并且延伸穿过第一电极层2、介电层3和第二电极层4。
26.衬底1可以是硅晶片或任何其他合适的衬底。晶片可以是裸露的或者具有用基于共面波导的元件图案化的超导膜(例如，nb/al/tin等)。第一电极层2和第二电极层4优选地由铝形成，并且介电层3优选地由氧化铝alxoy例如al2o3形成。这种材料选择可以被称为al/alxoy/al三层。用于使用原位退火或氧化来生产单晶氧化铝介电层的方法在本领域中
是已知的，例如，如在以下文献中所描述的：fritz等人，“optimization of al/alox/al-layer systems for josephson junctions from a microstructure point of view”,应用物理学杂质(journal of applied physics)125，165301(2019年)。
27.在本发明的替选实施方式中，al/alxoy/al三层2、3、4是在衬底的必要的预处理例如hf冲洗和/或原位退火之后通过物理气相沉积(pvd)例如溅射或电子束蒸发和分子束外延(mbe)而形成的。
28.然而，用于使用原位退火来生产高质量单晶al/alxoy/al三层的过程需要高温以便形成三层，这阻碍使用阴影蒸发来形成约瑟夫逊结的结构。此外，mbe与阴影蒸发也不兼容，原因是阴影蒸发中使用的抗蚀剂会污染mbe室。
29.本发明的方法使得约瑟夫逊结的结构能够由通过毯式沉积形成的al/alxoy/al三层形成，从而提供具有由高质量单晶三层提供的优良特性的约瑟夫逊结，所述优良特性例如是改善的临界电流控制、均匀的隧穿以及减少约瑟夫逊结内两级系统的发生。然而，制造约瑟夫逊结的方法不需要将这些特定材料用于三层，因此可以将其他材料用于第一电极层2、第二电极层4和绝缘层，只要所选择的材料能够形成约瑟夫逊结即可。
30.在形成第一电极层2、介电层3和第二电极层4之后，通过湿法/干法蚀刻对第一电极层2、介电层3和第二电极层4进行图案化以形成图1b中所示的堆叠。而图1b中所示的堆叠具有伸长的形状，其中该堆叠的长度大于其宽度和高度；然而，将理解的是，如图所示，堆叠的相对大小和形状仅仅是示例性的。此外，如图9中所描绘并且在下面更详细地说明的，堆叠的层2、3和4可以延伸超出附图或者是较大堆叠的一部分。只要上表面12和侧13、14暴露，就可以执行本发明的方法。
31.图2a和图2b示出了该过程中的以下步骤，在该步骤中，衬底1和堆叠2、3、4涂覆有抗蚀剂5。图3a和图3b示出了在抗蚀剂5的上表面中形成以暴露堆叠2、3、4的上表面12的一部分的开口21。抗蚀剂中的开口通过光刻而形成。然后经由抗蚀剂5中的开口21对堆叠进行湿法/干法蚀刻以形成沟槽31，这在图4a和图4b中示出。在蚀刻之后，去除抗蚀剂，露出沟槽31。蚀刻时间被控制成使得沟槽31的深度和宽度一直延伸通过第二电极层4和介电层3，但是沟槽的深度不会一直延伸通过第一电极层2。
32.如图5a和图5b所示，在堆叠2、3、4上方形成第二抗蚀剂6，第二抗蚀剂6包括开口22，所述开口22使堆叠的侧13和14的一部分暴露。开口22被定位在堆叠2、3、4的相对侧13/14上。使用多光子光刻形成抗蚀剂6中的开口22。在形成抗蚀剂6和开口22之后，再次对堆叠进行湿法/干法蚀刻以便形成从堆叠的一个侧13/14延伸至另一侧的隧道32。隧道32在图6a和图6b中示出。开口22的大小和蚀刻时间被控制成使得隧道的高度和宽度一直延伸通过第一电极层2和介电层3，但是隧道的高度不会一直延伸通过第二电极层4。如图6a和图6b中所描绘的，该过程的结果是在沟槽31与隧道32之间形成约瑟夫逊结。
33.作为图3a、图3b、图5a和图5b中所示出的单独抗蚀剂5和6的替选，这些附图中所示的步骤可以被组合在单个步骤中，其中单个抗蚀剂设置有两个开口21和22，并且可以在同一步骤中对沟槽31和隧道32这两者进行蚀刻。这可以通过选择合适大小的开口21和22以及蚀刻时间来实现，以便同时形成具有期望大小的沟槽31和隧道32。在这种情况下，使用多光子光刻来形成两个开口21和22。
34.图7a和图7b至图9a和图9b示出了与超导量子干涉器件(squid)的整体结构的形成
有关的附加过程步骤，约瑟夫逊结是超导量子干涉器件(squid)的一部分。通过该过程形成的约瑟夫逊结或squid可以被用作超导量子比特的一部分。特别地，超导量子比特是包含约瑟夫逊结/squid和电容器的非线性微波谐振器。图7a和图7b至图9a和图9b中所描绘的步骤可以在图1a和图1b至图6a和图6b中所描绘的步骤之前被执行。图7a和图7b示出了将第一电极层2、介电层3和第二电极层4的三层沉积至衬底上的第一步骤的结果。三层的形成和每层的材料与上面关于图1a和图1b所描述的相同。
35.图8a和图8b描绘了在抗蚀剂7已经被施加并且堆叠已经以squid环的一般形式被蚀刻之后三层或堆叠2、3、4的形式，在抗蚀剂的中间具有用于在堆叠2、3、4的中间限定开口33的开口23。如上所述，相对于抗蚀剂5，抗蚀剂7可以通过常规的光刻技术而形成，并且使用湿法/干法蚀刻工艺对三层2、3、4进行蚀刻。
36.在蚀刻以形成堆叠2、3、4的形状之后，去除抗蚀剂7，留下图9a和图9b中所描绘的形状。在去除抗蚀剂之后，剩余的堆叠2、3、4包括一直延伸通过堆叠2、3、4至衬底1的开口33。堆叠2、3、4的部分41和42中的每一个——其在开口的相对侧上与开口33相邻——然后可以形成如图1a和图1b至图6a和图6b中所描绘的堆叠2、3、4。部分41和42可以被称为squid环的“分支”。根据上面关于图1a和图1b至图6a和图6b所描述的方法，可以在部分41和42中的每一个上形成约瑟夫逊结。所产生的包括两个约瑟夫逊结51和52的squid环在图10中被示出。
37.图11描绘了制造如上面关于图1a和图1b至图10所描述的约瑟夫逊结的方法。在步骤101处，形成第一电极层2、介电层3和第二电极层4的第一堆叠，如上面关于图1a和图1b所描述的，或者如果约瑟夫逊结是作为squid环的一部分而形成的，则如图7a至图7b、所示。在可选的步骤102处，可以将堆叠蚀刻成squid环的形式，如上面关于图7a/图7b至图9a/图9b所描述的。如果约瑟夫逊结是单独形成的或者约瑟夫逊结是另一结构的一部分，则该方法可以在没有蚀刻squid环的形状的步骤102的情况下继续进行，替代地，可以通过蚀刻来形成图1b中所示的堆叠的形状。在步骤103处，如在图2a和图2b中所描绘的以及如上面关于图2a和图2b所描述的，形成抗蚀剂5；并且如在图3a和图3b中所描绘的以及关于图3a和图3b所描述的，在抗蚀剂中形成第一开口21。可选地，在同一蚀刻步骤中同时形成沟槽31和隧道32的情况下，还可以在第一抗蚀剂5中形成第二开口22，这在图5a和图5b中被描绘以及关于图5a和图5b被描述。在步骤104处，对沟槽31和可选的隧道32进行蚀刻，如上面关于图4a/图4b和图6a/图6b所描述的。在步骤105处，如果没有同时对隧道32和沟槽31进行蚀刻，则可以在堆叠上方形成第二抗蚀剂6并且可以在堆叠中形成第二开口22，如上面关于图5a和图5b所描述的。随后，可以对隧道进行蚀刻，如关于图6a和图6b所描述的。一旦已经去除了所有抗蚀剂，所产生的约瑟夫逊结在图6a和图6b中被描绘。在首先将堆叠蚀刻成squid环的形状的情况下，两个约瑟夫逊结51和52可以通过同时在squid环的每个部分41、42上执行过程步骤而同时形成。在这种情况下，所产生的装置在图10中被示出。
38.在图6b中所示的约瑟夫逊结或约瑟夫逊结51和52旨在形成量子比特的一部分的情况下，可以在制造约瑟夫逊结之前或之后制造除了约瑟夫逊结之外的其他元件，例如量子比特的电容器和波导。如果量子比特的电容器是在约瑟夫逊结之前制造的，则它将连接至约瑟夫逊结的两侧上的第一电极层。如果量子比特的电容器是在结之后制造的，则它将连接至约瑟夫逊结的两侧上的顶部al。上面所描述的“沟槽-隧道”结构允许引线连接至约
瑟夫逊结的任一侧上的第一电极层或第二电极层，因此消除了连接至第二电极层而不与第一电极层直接电短路的挑战。例如，如果第一电极层连接在约瑟夫逊结的两侧上，则在结的沟槽侧上，超电流正好流动通过第一电极层。在结的隧道侧上，隧道的存在使超电流从第一电极层流向第二电极层。本质上，由“沟槽和隧道”限定的约瑟夫逊结因此可以被视为与隧道侧上(或如果我们连接至两侧上的顶部al，则在沟槽侧上)的大得多的约瑟夫逊结串联。由于串联的约瑟夫逊结在大小方面要大得多，因此将不会影响量子比特的特性。