一種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種新穎的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，包括片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜以及附著在所述片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜上方的超導(dǎo)膜，所述超導(dǎo)膜具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)環(huán)，其上有兩個或兩個以上對稱分布的缺口。該結(jié)構(gòu)可以通過微加工方法來制備。本發(fā)明的SQUID結(jié)構(gòu)制作簡便，工藝步驟少，且便于使用采取解理或CVD生長等方法制備的膜作為非超導(dǎo)介質(zhì)層。
【專利說明】一種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)，特別涉及一種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)及 其制備方法。

【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)計的極敏感的磁 傳感器，最高可用于探測10_ 14τ的磁場，是目前為止檢測靈敏度最高的磁敏傳感器。
[0003] SQUID被應(yīng)用于主要應(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，如生命科學(xué)中對人體心、腦磁波的測量，極低溫下的核磁化率、超導(dǎo)體在Tc附 近磁化率的漲落、在很寬溫度范圍內(nèi)生物化學(xué)樣品的磁化率，以及巖石磁力等。當(dāng)然由于其 昂貴的造價，目前其市場占有率較霍爾元件傳感器偏低，但其突出的高靈敏度將使其不斷 普及。
[0004] 把兩個相同的約瑟夫森（Josephson)結(jié)對稱地嵌入超導(dǎo)回路，就形成了超導(dǎo)量 子干涉器件（SQUID)。傳統(tǒng)的Josephson結(jié)制備方法是：在襯底上用蒸發(fā)等方法淀積一 層超導(dǎo)膜，用熱氧化等方法生長很薄一層非超導(dǎo)膜后，再蒸發(fā)另一層超導(dǎo)膜。由于傳統(tǒng)的 Josephson結(jié)制備方法需要制備兩層超導(dǎo)膜，導(dǎo)致制作工序較多且復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服傳統(tǒng)的SQUID結(jié)構(gòu)制作較復(fù)雜的缺陷，提出一 種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)及其制備方法，能夠簡化SQUID的制備工藝。
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，包括片狀非超導(dǎo)介 質(zhì)膜以及附著在所述片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜上方的超導(dǎo)膜，所述超導(dǎo)膜具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述環(huán) 狀結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)環(huán)，其上有兩個或兩個以上對稱分布的缺口。
[0007] 優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)還具有以下特點：
[0008] 所述超導(dǎo)環(huán)為圓環(huán)、方環(huán)或其它對稱的多邊形環(huán)。
[0009] 優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)還具有以下特點：
[0010] 所述超導(dǎo)環(huán)的半徑大于l〇〇nm，所述缺口的長度大于20nm。
[0011] 優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)還具有以下特點：
[0012] 所述超導(dǎo)膜采用鉛、錫或鈮等超導(dǎo)材料。
[0013] 優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)還具有以下特點：
[0014] 所述非超導(dǎo)介質(zhì)膜采用碲化鉍或硒化鉍單晶材料。
[0015] 本發(fā)明還提供一種如上所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)的制備方法，包括：
[0016] 步驟1，將非超導(dǎo)介質(zhì)膜附著在襯底上；
[0017] 步驟2,在所述非超導(dǎo)介質(zhì)膜上甩膠，用光刻技術(shù)在膠上做出超導(dǎo)環(huán)圖樣；
[0018] 步驟3,在超導(dǎo)環(huán)圖樣上方沉積上超導(dǎo)膜；
[0019] 步驟4,洗去膠層，保留所需的超導(dǎo)環(huán)。
[0020] 優(yōu)選地，所述方法還具有以下特點：
[0021] 所述步驟1中，采用解理、化學(xué)氣相沉積（CVD)生長、沉積、分子束外延、濺射或蒸 發(fā)鍍膜等方法將非超導(dǎo)介質(zhì)膜附著在襯底上
[0022] 優(yōu)選地，所述方法還具有以下特點：
[0023] 所述步驟2中，所述光刻技術(shù)包括電子束曝光或紫外曝光等方式。
[0024] 優(yōu)選地，所述方法還具有以下特點：
[0025] 所述步驟3中，采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等方式在超導(dǎo)環(huán)圖樣上方沉積 上超導(dǎo)膜。
[0026] 優(yōu)選地，所述方法還具有以下特點：
[0027] 所述超導(dǎo)膜采用鉛、錫或鈮等超導(dǎo)材料。
[0028] 本發(fā)明能夠通過盡可能少的制作步驟制備SQUID，工藝簡單。利用本發(fā)明所描述的 結(jié)構(gòu)與工藝，可以方便地制備出利用采取解理或CVD(Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣 相沉積）生長等方法制備的膜作為非超導(dǎo)介質(zhì)層的SQUID。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例的SQUID主體圖形，陰影部分表示沉積有超導(dǎo)金屬部分；
[0030] 圖2 (a)?（g)為本發(fā)明應(yīng)用實例的SQUID制備工藝流程，包括準(zhǔn)備基片、解理、 甩膠烘干、曝光、顯影、沉積金屬、去膠七個步驟；
[0031] 圖3為本發(fā)明應(yīng)用實例的圓環(huán)雙結(jié)SQWD的電鏡圖片；
[0032] 圖4為本發(fā)明應(yīng)用實例的加寬結(jié)區(qū)的圓環(huán)雙結(jié)SQUID的電鏡圖片；
[0033] 圖5為本發(fā)明應(yīng)用實例的方形環(huán)雙結(jié)SQUID的電鏡圖片；
[0034] 圖6為本發(fā)明應(yīng)用實例的四結(jié)SQUID的電鏡圖片；
[0035] 圖7為本發(fā)明應(yīng)用實例的天然結(jié)區(qū)SQUID的電鏡圖片。

【具體實施方式】
[0036] 下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的 情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0037] 本發(fā)明實施例的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其包括片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜以及附著在所 述片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜上方的超導(dǎo)膜，所述超導(dǎo)膜具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)環(huán)，其 上有兩個或兩個以上對稱分布的缺口，如圖1所示。
[0038] 嵌入超導(dǎo)回路的Jos印hson結(jié)中的非超導(dǎo)介質(zhì)層直接附著在襯底上，而被非超導(dǎo) 介質(zhì)層隔開的兩塊超導(dǎo)層均沉積在非超導(dǎo)介質(zhì)層的上方。
[0039] 所述超導(dǎo)環(huán)為圓環(huán)、方環(huán)或其它對稱的多邊形環(huán)，其半徑大于100nm ;所述缺口的 長度d大于20nm。
[0040] 所述超導(dǎo)膜可采用鉛、錫或鈮等超導(dǎo)材料，非超導(dǎo)介質(zhì)膜可采用碲化鉍（Bi2Te3) 或硒化鉍（Bi2Se3)等單晶材料。
[0041] 本發(fā)明實施例的SQUID結(jié)構(gòu)的制備方法，即利用微加工的方法制備所述的SQUID 結(jié)構(gòu)，包括：
[0042] 步驟1，采用解理、化學(xué)氣相沉積（CVD)生長、沉積、分子束外延、濺射或蒸發(fā)鍍膜 等方法將非超導(dǎo)介質(zhì)膜附著在襯底上；
[0043] 步驟2,在所述非超導(dǎo)介質(zhì)膜上甩膠，用光刻技術(shù)(可采用電子束曝光或紫外曝光 等方式）在膠上做出超導(dǎo)環(huán)圖樣；
[0044] 步驟3,采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等方式在超導(dǎo)環(huán)圖樣上方沉積上超導(dǎo) 膜；
[0045] 步驟4,洗去膠層，保留所需的超導(dǎo)環(huán)。
[0046] 傳統(tǒng)的SQUID結(jié)構(gòu)比較適合沉積方法制備的非超導(dǎo)介質(zhì)膜，而難以使用采取解理 或CVD生長等方法制備的膜作為非超導(dǎo)介質(zhì)層，因為很難使這些方法制備的膜準(zhǔn)確地附著 在已沉積好的超導(dǎo)薄膜上方；本發(fā)明的SQUID結(jié)構(gòu)便于使用采取解理或CVD生長等方法制 備的膜作為非超導(dǎo)介質(zhì)層。
[0047] 下面以一個具體應(yīng)用實例進一步說明制備工藝流程：
[0048] 1)如圖2 (a)所示，選擇一片幾毫米見方的，上有300nm厚Si02的硅片襯底，采用 常規(guī)方法清洗。
[0049] 2)將使用Bridgman (布里奇曼）方法生長的Bi2Te3或Bi2Se3單晶用3M膠帶解 理出幾微米大、100-200nm厚的薄片（S卩非超導(dǎo)介質(zhì)膜)轉(zhuǎn)移到硅片襯底上，如圖2 (b)所示。
[0050] 3)將載有非超導(dǎo)介質(zhì)膜的娃片甩上PMMA膠（polymethylmethacrylate,聚甲基丙 烯酸甲酯）并烘干，如圖2 (c)所示。
[0051] 4)使用電子束曝光曝出內(nèi)徑2 μ m、外徑3 μ m、相對位置開100nm到1 μ m缺口的圓 環(huán)，如圖2 (d)所示，并進行顯影，如圖2 (e)所示。
[0052] 5)使用磁控濺射鍍厚度200nm左右的Sn或Pb超導(dǎo)膜，如圖2 (f)所示，用丙酮去 膠，如圖2 (g)所示。
[0053] 制得的SQUID在1. 5K、零磁場條件下出現(xiàn)超流。15mK條件下能夠看到清晰的SQUID 震蕩。
[0054] 如圖3所示，為圓環(huán)雙結(jié)SQUID，這是本發(fā)明提出的SQUID結(jié)構(gòu)中最基本的一種結(jié) 構(gòu)。
[0055] 如圖4所示，為加寬結(jié)區(qū)的圓環(huán)雙結(jié)SQUID，其中加寬結(jié)區(qū)可以加強近鄰效應(yīng)。
[0056] SQUID還可以采用方形環(huán)，如圖5所示，也可以采用其它對稱的多邊形環(huán)；
[0057] 除了采用雙結(jié)形式，還可以采用多結(jié)，如圖6所示，為四結(jié)SQUID。
[0058] 另外，用鉛等軟金屬制備環(huán)狀超導(dǎo)膜，并使得膜厚很小(如<20nm)，超導(dǎo)膜會自然 發(fā)生團聚，形成不連續(xù)的大量顆粒，此時超導(dǎo)環(huán)不需人為制造結(jié)區(qū)，而由于顆粒之間的間距 形成大量天然的結(jié)區(qū)。這樣的器件也可作為SQUID使用，具體圖形見圖7。
[0059] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜以及附著在所述 片狀非超導(dǎo)介質(zhì)膜上方的超導(dǎo)膜，所述超導(dǎo)膜具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)環(huán)，其上 有兩個或兩個以上對稱分布的缺口。
2. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述超導(dǎo)環(huán)為圓環(huán)、方環(huán)或其它對稱的多邊形環(huán)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述超導(dǎo)環(huán)的半徑大于l〇〇nm，所述缺口的長度大于20nm。
4. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述超導(dǎo)膜采用鉛、錫或鈮等超導(dǎo)材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述非超導(dǎo)介質(zhì)膜采用碲化鉍或硒化鉍單晶材料。
6. -種如權(quán)利要求1?5中任意一項所述的超導(dǎo)量子干涉器件結(jié)構(gòu)的制備方法，包 括： 步驟1，將非超導(dǎo)介質(zhì)膜附著在襯底上； 步驟2,在所述非超導(dǎo)介質(zhì)膜上甩膠，用光刻技術(shù)在膠上做出超導(dǎo)環(huán)圖樣； 步驟3,在超導(dǎo)環(huán)圖樣上方沉積上超導(dǎo)膜； 步驟4,洗去膠層，保留所需的超導(dǎo)環(huán)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 所述步驟1中，采用解理、化學(xué)氣相沉積（CVD)生長、沉積、分子束外延、濺射或蒸發(fā)鍍 膜等方法將非超導(dǎo)介質(zhì)膜附著在襯底上。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 所述步驟2中，所述光刻技術(shù)包括電子束曝光或紫外曝光等方式。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 所述步驟3中，采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等方式在超導(dǎo)環(huán)圖樣上方沉積上 超導(dǎo)膜。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 所述超導(dǎo)膜采用鉛、錫或鈮等超導(dǎo)材料。
【文檔編號】H01L39/22GK104112818SQ201310137139
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月19日
【發(fā)明者】丁玥, 沈潔, 龐遠(yuǎn), 呂力 申請人:中國科學(xué)院物理研究所