一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法，包括以下步驟：S1：提供一襯底并在其上生長第一超導(dǎo)材料層；S2：形成光刻膠層并圖案化；S3：刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層；S4：在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料；S5：生長第二超導(dǎo)材料層；S6：去掉所述第一超導(dǎo)材料層上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)；S7：形成至少一條與所述絕緣夾層垂直的納米線，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。本發(fā)明將超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)分成兩個主要步驟來實現(xiàn)，超導(dǎo)環(huán)的寬度和納米結(jié)的長度由絕緣夾層決定，其大小在原子層尺度上可控，可同時實現(xiàn)納米結(jié)長度小于超導(dǎo)材料相干長度和超導(dǎo)環(huán)的尺寸大幅度減小的目的。
【專利說明】一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超導(dǎo)電子信息【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是利用約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)設(shè)計的極靈敏的磁傳感器，可用于探測小到10-15Tesla的磁場(相當(dāng)于地磁場的幾百億分之一)，是目前為止檢測靈敏度最高的磁敏傳感器。SQUID磁強(qiáng)計主要應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域各種弱磁場的精確測量，因其突出的高靈敏度而不斷繼續(xù)普及應(yīng)用。納米超導(dǎo)量子干涉器件(NanoSQUID)是基于超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)發(fā)展起來的一種新型器件。它利用納米結(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隧穿結(jié)，使得超導(dǎo)環(huán)的面積可以得到大幅度的縮小，器件的最小可測自旋數(shù)相應(yīng)的得到大幅度的增加，從而提升了器件對于介觀至微觀尺寸的樣品的靈敏度。此外，它不但可以承受較大的臨界磁場，而且由于超導(dǎo)環(huán)面積較小從而不易受到外界磁場干擾，因此無須作單獨磁屏蔽隔離，可以與樣品直接耦合，在表征微觀樣品的磁屬性和探測微觀自旋中表現(xiàn)突出，在生物分子結(jié)構(gòu)研究，量子信息，新材料研究等多方面具備應(yīng)用前景。
[0003]目前國際上主要制備nanoSQUID的工藝是利用電子束曝光或者聚焦離子束刻蝕的方法在超導(dǎo)薄膜上直接刻畫超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)的平面結(jié)構(gòu)，雖然這種方法比較直接觀簡潔，但是存在一些缺點。首先，nanoSQUID的尺寸受到電子束曝光或者聚焦離子束刻蝕的限制，目前超導(dǎo)環(huán)直徑最小在五十納米附近，很難再往下突破達(dá)到真正的納米級別。其次，現(xiàn)在納米超導(dǎo)量子干涉器件存在臨界電流和磁通調(diào)制曲線深度較小問題，它和傳統(tǒng)SQUID相比距離較大。其中主要原因是大多臨界溫度較高的超導(dǎo)材料的相干長度較短，納米結(jié)的長度無法做到和其相干長度相當(dāng)，另一原因是納米結(jié)的厚度和超導(dǎo)環(huán)是通過同一超導(dǎo)薄膜加工出來的，超導(dǎo)環(huán)的厚度受到納米結(jié)的限制，超導(dǎo)電流在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)除納米結(jié)以外的區(qū)域仍然存在著相位梯度擴(kuò)散。
[0004]因此，提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法以解決現(xiàn)有技術(shù)中納米結(jié)長度無法做到和超導(dǎo)材料的相干長度相當(dāng)、超導(dǎo)環(huán)厚度受到納米結(jié)的限制從而導(dǎo)致器件性能降低的問題實屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中納米結(jié)長度無法做到和超導(dǎo)材料的相干長度相當(dāng)、超導(dǎo)環(huán)厚度受到納米結(jié)的限制從而導(dǎo)致器件性能降低的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，至少包括以下步驟:
[0007]S1:提供一襯底,在所述襯底上生長第一超導(dǎo)材料層；[0008]S2:在所述第一超導(dǎo)材料層表面形成光刻膠層并將所述光刻膠層圖案化，以將預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層表面暴露出來；
[0009]S3:刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層，暴露出所述襯底，并保留剩余光刻膠層；
[0010]S4:在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料；
[0011]S5:在所述絕緣材料上生長第二超導(dǎo)材料層，并使位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層上表面齊平；
[0012]S6:去掉所述第一超導(dǎo)材料層上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0013]S7:在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成至少一條與所述絕緣夾層垂直并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的納米線，從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。
[0014]可選地，于所述步驟S3中，刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層并暴露出所述襯底后進(jìn)一步過刻蝕，在所述襯底中形成一凹陷區(qū)域；于所述步驟S4中，所述絕緣材料位于所述凹陷區(qū)域的部分剛好填滿所述凹陷區(qū)域。
[0015]可選地，所述絕緣夾層的厚度范圍是I?10nm。
[0016]可選地,所述襯底的材料選自MgO、藍(lán)寶石、Si3N4、Al2O3及SiO2中的至少一種。
[0017]可選地，所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的材料選自Nb (鈮)、NbN (氮化鈮)、NbTi (鈮鈦)及NbTiN (鈮鈦氮)中的至少一種。
[0018]本發(fā)明還提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件，至少包括平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)及形成于所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的至少一條納米線，所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括襯底及分立形成于所述襯底表面的第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層之間形成有絕緣夾層；所述第二超導(dǎo)材料層與所述襯底之間形成有絕緣材料；所述納米線垂直于所述絕緣夾層并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層。
[0019]可選地，該器件包括一條絕緣夾層及兩條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層分別形成與所述絕緣夾層的兩側(cè)并由所述納米線連接。
[0020]可選地，該器件包括一條絕緣夾層及兩條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層分別形成與所述絕緣夾層的兩側(cè)并由所述納米線連接；所述器件位于兩條納米線之間的區(qū)域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽將所述絕緣夾層隔斷并貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
[0021]可選地，該器件包括兩條絕緣夾層及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層一端形成于兩條絕緣夾層之間、另一端向外延伸；所述第二超導(dǎo)材料層具有一“U”型部及形成于該U”型部閉合端的尾部；所述“U”型部張開的側(cè)翼端部分別位于兩條絕緣夾層外側(cè)，所述第一超導(dǎo)材料層位于兩條絕緣夾層之間的端部與所述第二超導(dǎo)材料層的U”型部閉合端之間形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
[0022]可選地，該器件包括兩條絕緣夾層及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層形成于兩條絕緣夾層之間；所述第二超導(dǎo)材料層為一矩形環(huán)，所述矩形環(huán)的一對側(cè)邊分別位于兩條絕緣夾層外側(cè)、另一對側(cè)邊分別與所述第一超導(dǎo)材料層之間形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
[0023]可選地,所述絕緣夾層的厚度范圍是I?10nm。
[0024]如上所述，本發(fā)明的一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法，具有以下有益效果:本發(fā)明制作納米超導(dǎo)量子干涉器件時，將超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)分成兩個主要步驟來實現(xiàn)。本發(fā)明制作得到的納米超導(dǎo)量子干涉器件中，第一超導(dǎo)材料層與第二超導(dǎo)材料層的間距由中間植入的絕緣夾層決定，其寬度在原子尺度上可控，可達(dá)I?10nm。另一特征是利用電子束曝光單獨生成垂直于絕緣縫隙的超導(dǎo)納米線，在原超導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成nanoSQUID，其納米結(jié)的長度和寬度分別由絕緣夾層的厚度和納米線的寬度決定，超導(dǎo)環(huán)的寬度和長度最小可以分別由納米線的間距和絕緣夾層的寬度決定。本發(fā)明可以同時實現(xiàn)納米結(jié)長度小于超導(dǎo)材料相干長度和超導(dǎo)環(huán)的尺寸大幅減小的目的，從而進(jìn)一步減少器件的最小可測自旋數(shù)。利用電子束光刻生成的結(jié)構(gòu)簡單，易于達(dá)到此技術(shù)的極限寬度，制備nanoSQUID的納米結(jié)線寬可小于現(xiàn)有技術(shù)，減小nanoSQUID的臨界電流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中在襯底上生長第一超導(dǎo)材料層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中形成光刻膠層的示意圖。
[0027]圖3顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中將光刻膠層圖案化的示意圖。
[0028]圖4顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中刻蝕第一超導(dǎo)材料層的示意圖。
[0029]圖5顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中覆蓋絕緣材料的的示意圖。
[0030]圖6顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中生長第二超導(dǎo)材料層的示意圖。
[0031]圖7顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中得到平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0032]圖8顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖9顯示為圖8所示結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0034]圖10顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件在實施例二中俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖11顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件在實施例三中的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖12顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法在實施例四中步驟S4獲得結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0037]圖13顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件在實施例四中的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖14顯示為本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件在實施例五中的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]元件標(biāo)號說明
[0040]I 襯底[0041]2第一超導(dǎo)材料層
[0042]3光刻膠層
[0043]4絕緣材料
[0044]5第二超導(dǎo)材料層
[0045]6絕緣夾層
[0046]7納米線
[0047]8通槽
[0048]d絕緣夾層的厚度
【具體實施方式】
[0049]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0050]請參閱圖1至圖14。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中 僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0051]本發(fā)明提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，至少包括以下步驟:
[0052]S1:提供一襯底,在所述襯底上生長第一超導(dǎo)材料層；
[0053]S2:在所述第一超導(dǎo)材料層表面形成光刻膠層并將所述光刻膠層圖案化，以將預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層表面暴露出來；
[0054]S3:刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層，暴露出所述襯底，并保留剩余光刻膠；
[0055]S4:在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料；
[0056]S5:在所述絕緣材料上生長第二超導(dǎo)材料層，并使位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層上表面齊平；
[0057]S6:去掉所述第一超導(dǎo)材料層上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0058]S7:在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成至少一條與所述絕緣夾層垂直并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的納米線，從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。
[0059]本發(fā)明還提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件，至少包括平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)及形成于所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的至少一條納米線，所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括襯底及分立形成于所述襯底表面的第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層之間形成有絕緣夾層；所述第二超導(dǎo)材料層與所述襯底之間形成有絕緣材料；所述納米線垂直于所述絕緣夾層并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層，形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)。
[0060]實施例一[0061]本發(fā)明提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，首先請參閱圖1，執(zhí)行步驟S1:提供一襯底I，在所述襯底I上生長第一超導(dǎo)材料層2。
[0062]具體的，所述襯底I的材料選自MgO、藍(lán)寶石、Si3N4、Al203及SiO2中的至少一種，或者其它允許超導(dǎo)薄膜生長的材料。本實施例中，所述襯底I優(yōu)選為MgO襯底。
[0063]所述第一超導(dǎo)材料層2的材料選自Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一種，或其它超導(dǎo)材料，所述第一超導(dǎo)材料層2的厚度范圍是10?200nm。本實施例中，優(yōu)選采用磁控濺射法在所述襯底I上生長一層50nm厚的NbN。
[0064]請參閱圖2及圖3，執(zhí)行步驟S2:在所述第一超導(dǎo)材料層2表面甩涂200?IOOOnm厚的光刻膠層3，并通過紫外曝光、顯影將所述光刻膠層3圖案化，以將預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層2表面暴露出來。
[0065]作為示例，所述光刻膠層3的厚度為200nm，采用線寬為2微米寬的長方形圖形的掩模紫外曝光，再顯影以將所述光刻膠層3圖案化。本實施例中，所述預(yù)設(shè)區(qū)域以所述襯底左側(cè)為例，如圖3所示。然而須知，根據(jù)要制備的nanoSQUID器件大小的不同及功能的不同，此處光刻圖形可進(jìn)行相應(yīng)改變，即所述預(yù)設(shè)區(qū)域的圖形可有所改變，此處僅為示例，不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0066]請參閱圖4，執(zhí)行步驟S3:刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層2，即將光刻膠沒有覆蓋的地方的第一超導(dǎo)材料層2去掉，暴露出所述襯底1，并保留剩余光刻膠。
[0067]請參閱圖5，執(zhí)行步驟S4:在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料4。
[0068]具體的，留存光刻膠，利用磁控濺射的生長方法的各向同性的性質(zhì)，在圖4所示結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面都生長I?IOnm厚的絕緣材料。如圖5所示,所述襯底I暴露部分的上表面及所述光刻膠層3的上表面均形成有絕緣材料4，所述第一超導(dǎo)材料層2及所述光刻膠層3側(cè)面亦形成有絕緣材料4。本實施例中，所述絕緣材料以5nm厚的MgO為例，在其它實施例中，所述絕緣材料也可以為Si3N4、Al203、Si02等。
[0069]請參閱圖6，執(zhí)行步驟S5:在所述絕緣材料4上生長第二超導(dǎo)材料層5，并使位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層5的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層2上表面齊平。
[0070]具體的，所述第二超導(dǎo)材料層5的材料與所述第一超導(dǎo)材料層2的材料相同，厚度等于所述第一超導(dǎo)材料層2的厚度減掉所述絕緣材料4的厚度，從而使得位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層5的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層2上表面齊平。本實施例中所述第二超導(dǎo)材料層5以45nm厚的NbN為例。
[0071]請參閱圖7，執(zhí)行步驟S6:剝離光刻膠層3以去掉所述第一超導(dǎo)材料層2上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層6的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0072]如圖7所示，所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，所述第二超導(dǎo)材料層5與所述襯底之間具有絕緣材料4，所述第一超導(dǎo)材料層2與所述第二超導(dǎo)材料層5之間的絕緣材料作為絕緣夾層6。
[0073]請參閱圖8及圖9，執(zhí)行步驟S7:在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面甩電子束光刻膠，電子束曝光納米線圖形，然后顯影，生長超導(dǎo)薄膜，在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成至少一條與所述絕緣夾層6垂直并連接所述第一超導(dǎo)材料層2與所述第二超導(dǎo)材料層5的納米線6，從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)，然后剝離電子束光刻膠，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。
[0074]作為示例，在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面甩涂電子束光刻膠，電子束曝光兩條平行間隔IOnm寬IOnm的納米線圖形,然后顯影,生長IOnm NbN超導(dǎo)薄膜,再剝離電子束光刻膠，從而形成超導(dǎo)環(huán)面積只有50nm2的nanoSQUID。在其它實施例中，也可以進(jìn)一步縮小兩條納米線之間的距離，以獲得更小的超導(dǎo)環(huán)面積。
[0075]需要說明的是，上述納米結(jié)指的是所述納米線與所述絕緣夾層重疊區(qū)域的超導(dǎo)薄膜，其長度和寬度分別由絕緣夾層的厚度和納米線的寬度決定；所述超導(dǎo)環(huán)指的是兩個納米結(jié)、所述第一超導(dǎo)層及第二超導(dǎo)層圍成的區(qū)域，其寬度和長度最小可以分別由納米線的間距和絕緣夾層的厚度決定。
[0076]如圖8所示，顯示為所述納米超導(dǎo)量子干涉器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖9顯示為該結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。其中，圖9中示出了絕緣夾層的厚度d。本實施例中，在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成兩條納米線6,從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié),從而形成nanoSQUID。
[0077]本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法中，納米結(jié)的長度和超導(dǎo)環(huán)的寬度由絕緣材料的生長厚度決定，其大小在原子層厚度尺度上可控，可同時實現(xiàn)納米結(jié)長度小于超導(dǎo)材料相干長度和超導(dǎo)環(huán)的尺寸大幅度減小的目的。另一方面，超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)分成兩個主要步驟來完成，可以將超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)的厚度分開，增加納米結(jié)兩端超導(dǎo)材料的厚度，消除超導(dǎo)電流在納米結(jié)以外區(qū)域的相位梯度擴(kuò)散，從而增加器件的調(diào)制深度。
[0078]本發(fā)明還提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件，請參閱圖8，顯示為該器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，該器件至少包括平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)及形成于所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的至少一條納米線7，所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括襯底I及分立形成于所述襯底表面的第一超導(dǎo)材料層2及第二超導(dǎo)材料層5 ;所述第一超導(dǎo)材料層2與所述第二超導(dǎo)材料層5之間形成有絕緣夾層6 ;所述第二超導(dǎo)材料層5與所述襯底I之間形成有絕緣材料4 ;所述納米線7垂直于所述絕緣夾層6并連接所述第一超導(dǎo)材料層2與所述第二超導(dǎo)材料層5。
[0079]本實施例中，所述器件包括一條絕緣夾層6及兩條垂直于所述絕緣夾層6的納米線7。請參閱圖9，顯示為該器件的俯視圖，如圖所示，所述第一超導(dǎo)材料層2與所述第二超導(dǎo)材料層5分別形成于所述絕緣夾層6的兩側(cè)并由所述納米線7連接。
[0080]具體的，所述絕緣夾層6的厚度范圍是I?10nm，本實施例中，優(yōu)選為5nm(NbN薄膜的相干長度)。
[0081]本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件的納米結(jié)線寬很小(I?10nm)，小于超導(dǎo)材料的相干長度，可以減小nanoSQUID的臨界電流；且超導(dǎo)環(huán)厚度不受納米結(jié)的限制，從而可以通過增加納米結(jié)兩端超導(dǎo)材料的厚度來消除超導(dǎo)電流在納米結(jié)以外區(qū)域的相位梯度擴(kuò)散，從而增加器件的調(diào)制深度。
[0082]實施例二
[0083]實施例一給出了本發(fā)明的納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法的一種【具體實施方式】，然而，根據(jù)器件大小、功能的不同，器件可以采用其它圖形設(shè)計，相應(yīng)的制作方法也有所微調(diào)。
[0084]請參閱圖10，本實施例在實施例一的一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在兩條納米線之間的區(qū)域形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽將所述絕緣夾層隔斷并貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。圖10顯示為本實施例中得到的器件結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中示出了通槽8，所述通槽8貫穿超導(dǎo)材料層及襯底I。所述通槽8也可以采用凹槽替代，所述凹槽貫穿超導(dǎo)材料層但未穿通所述襯底。設(shè)置所述通槽或凹槽的目的是為了根據(jù)器件設(shè)計需要增加超導(dǎo)環(huán)的面積。
[0085]本實施例中，納米超導(dǎo)量子干涉器件包括一條絕緣夾層及兩條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層分別形成與所述絕緣夾層的兩側(cè)并由所述納米線連接；所述器件位于兩條納米線之間的區(qū)域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽將所述絕緣夾層隔斷并貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。所述絕緣夾層的厚度范圍是I?10nm。
[0086]實施例三
[0087]本實施例與實施例一采用基本相同的方案，不同之處在于，于所述步驟S3中，刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層并暴露出所述襯底后進(jìn)一步進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^刻蝕，在所述襯底中形成一凹陷區(qū)域；于所述步驟S4中，所述絕緣材料位于所述凹陷區(qū)域的部分剛好填滿所述凹陷區(qū)域。
[0088]請參閱圖11，顯示為本實施例中形成的納米超導(dǎo)量子干涉器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。相對于實施例一，本實施例中的納米超導(dǎo)量子干涉器件的優(yōu)點在于，第一超導(dǎo)材料層2與第二超導(dǎo)材料層3的厚度相同，使得器件更為對稱，所述第二超導(dǎo)材料層2與所述襯底I之間的絕緣材料4可以作為襯底的一部分，對器件沒有不良影響。
[0089]實施例四
[0090]本實施例與實施例一米用基本相同的方案，不同之處在于，實施例一中形成的納米超導(dǎo)量子干涉器件只包括一條絕緣夾層，而本實施例中形成的納米超導(dǎo)量子干涉器件中包括兩條絕緣夾層及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線。制作時，通過改變圖形設(shè)計即可采用與實施例一基本相同的方法來實現(xiàn)。
[0091]具體的，實施例一中，所述預(yù)設(shè)區(qū)域為襯底一側(cè)，而本實施例中，所述預(yù)設(shè)區(qū)域為襯底兩側(cè)。
[0092]請參閱圖12,顯示為本實施例中于步驟S4中獲得的結(jié)構(gòu)的剖面圖，如圖所示,所述第一超導(dǎo)材料層2兩側(cè)區(qū)域被去除，從而使得部分絕緣材料4形成于中間部分的第一超導(dǎo)材料層2的兩側(cè)，通過后續(xù)形成第二超導(dǎo)超導(dǎo)材料層并剝離光刻膠后，即可得到具有兩條絕緣夾層6的納米超導(dǎo)量子干涉器件。
[0093]請參閱圖13，顯示為本實施例中最終得到納米超導(dǎo)量子干涉器件的俯視示意圖，該器件包括兩條絕緣夾層6及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線7 ;所述第一超導(dǎo)材料層2 一端形成于兩條絕緣夾層6之間、另一端向外延伸；所述第二超導(dǎo)材料層5具有一“U”型部及形成于該U”型部閉合端的尾部；所述“U”型部張開的側(cè)翼端部分別位于兩條絕緣夾層外側(cè)，所述第一超導(dǎo)材料層2位于兩條絕緣夾層之間的端部與所述第二超導(dǎo)材料層5的U”型部閉合端之間形成一凹槽或通槽8 ;所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層2及第二超導(dǎo)材料層5。所述絕緣夾層的厚度范圍是I?10nm。
[0094]本實施例的納米超導(dǎo)量子干涉器件相對于實施例一的優(yōu)點是:實施例一中包括兩條納米線，形成時不容易保持線寬一致性，從而容易使兩個納米結(jié)大小不同，影響器件性能；而本實施例中只包括一條納米線，線寬一致，使得兩個納米結(jié)的大小相同。
[0095]實施例五
[0096]本實施例與實施例四采用基本相同的方案，不同之處在于圖形設(shè)計不同。本實施例形成的納米超導(dǎo)量子干涉器件可以作為避免背景磁場干擾的梯度計。請參閱圖14，顯示為本實施例中形成的納米超導(dǎo)量子干涉器件的俯視圖，如圖所示，該器件包括兩條絕緣夾層6及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線7 ;所述第一超導(dǎo)材料層2形成于兩條絕緣夾層6之間；所述第二超導(dǎo)材料層5為一矩形環(huán)，所述矩形環(huán)的一對側(cè)邊分別位于兩條絕緣夾層6外側(cè)、另一對側(cè)邊分別與所述第一超導(dǎo)材料層2之間形成一凹槽或通槽8 ;所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層2及第二超導(dǎo)材料層5。所述絕緣夾層的厚度范圍是I?10nm。
[0097]綜上所述，本發(fā)明制作納米超導(dǎo)量子干涉器件時，將超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)分成兩個主要步驟來實現(xiàn)。本發(fā)明制作得到的納米超導(dǎo)量子干涉器件中，第一超導(dǎo)材料層與第二超導(dǎo)材料層的間距由中間植入的絕緣夾層決定，其寬度在原子尺度上可控，可達(dá)I?10nm。另一特征是利用電子束曝光單獨生成垂直于絕緣縫隙的超導(dǎo)納米線，在原超導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成nanoSQUID，絕緣夾層的厚度同時決定了超導(dǎo)回路(超導(dǎo)環(huán))的寬度和納米結(jié)的長度，而納米線的線寬和間距又同時決定了納米結(jié)的寬度和超導(dǎo)回路的長度。本發(fā)明可以同時實現(xiàn)納米結(jié)長度小于超導(dǎo)材料相干長度和超導(dǎo)環(huán)的尺寸大幅減小的目的，增加器件對少量自旋的靈敏度。利用電子束光刻生成的結(jié)構(gòu)簡單，易于達(dá)到此技術(shù)的極限寬度，制備nanoSQUID的納米結(jié)線寬可小于現(xiàn)有技術(shù)，從而減小nanoSQUID的臨界電流。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0098]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，其特征在于，至少包括以下步驟: S1:提供一襯底，在所述襯底上生長第一超導(dǎo)材料層； S2:在所述第一超導(dǎo)材料層表面形成光刻膠層并將所述光刻膠層圖案化，以將預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層表面暴露出來； S3:刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層，暴露出所述襯底，并保留剩余光刻膠； S4:在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料； S5:在所述絕緣材料上生長第二超導(dǎo)材料層，并使位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層上表面齊平； S6:去掉所述第一超導(dǎo)材料層上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)； S7:在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成至少一條與所述絕緣夾層垂直并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的納米線，從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，其特征在于:于所述步驟S3中，刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層并暴露出所述襯底后進(jìn)一步過刻蝕，在所述襯底中形成一凹陷區(qū)域；于所述步驟S4中，所述絕緣材料位于所述凹陷區(qū)域的部分剛好填滿所述凹陷區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述絕緣夾層的厚度范圍是I~10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述襯底的材料選自MgO、藍(lán)寶石、Si3N4、Al203及SiO2中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的材料選自Nb、NbN, NbTi及NbTiN中的至少一種。
6.一種納米超導(dǎo)量子干涉器件，至少包括平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)及形成于所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的至少一條納米線，其特征在于: 所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括襯底及分立形成于所述襯底表面的第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層； 所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層之間形成有絕緣夾層；所述第二超導(dǎo)材料層與所述襯底之間形成有絕緣材料； 所述納米線垂直于所述絕緣夾層并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層，形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件，其特征在于:該器件包括一條絕緣夾層及兩條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層分別形成與所述絕緣夾層的兩側(cè)并由所述納米線連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件，其特征在于:該器件包括一條絕緣夾層及兩條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層分別形成與所述絕緣夾層的兩側(cè)并由所述納米線連接；所述器件位于兩條納米線之間的區(qū)域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽將所述絕緣夾層隔斷并貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件，其特征在于:該器件包括兩條絕緣夾層及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層一端形成于兩條絕緣夾層之間、另一端向外延伸；所述第二超導(dǎo)材料層具有一“U”型部及形成于該U”型部閉合端的尾部；所述“U”型部張開的側(cè)翼端部分別位于兩條絕緣夾層外側(cè)，所述第一超導(dǎo)材料層位于兩條絕緣夾層之間的端部與所述第二超導(dǎo)材料層的U”型部閉合端之間形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件，其特征在于:該器件包括兩條絕緣夾層及一條垂直于所述絕緣夾層的納米線；所述第一超導(dǎo)材料層形成于兩條絕緣夾層之間；所述第二超導(dǎo)材料層為一矩形回路環(huán)，所述矩形環(huán)的一對側(cè)邊分別位于兩條絕緣夾層外側(cè)、另一對側(cè)邊分別與所述第一超導(dǎo)材料層之間形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽貫穿所述第一超導(dǎo)材料層及第二超導(dǎo)材料層。
11.根據(jù)權(quán)利要求6~10任意一項所述的納米超導(dǎo)量子干涉器件，其特征在于:所述絕緣夾層的厚度范圍是I~10 nm。
【文檔編號】H01L39/24GK103762302SQ201410035658
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】陳壘, 王鎮(zhèn) 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所