[发明专利]利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，也属于纳米加工技术领域。具体讲，涉及利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺。

技术背景

超导纳米线单光子探测器(superconducting-nanowire single-photon detctors；以下简称SNSPD)是2001年之后兴起的一种单光子探测技术。该技术因为具有宽谱范围内高效率、速度快、时域抖动小、极低的暗计数的优点，逐渐成为红外单光子探测领域的一种主流技术。此种探测器用纳米加工方法“自顶向下”加工的超导纳米线构成。纳米线的宽度在100纳米以下，厚度为4-6纳米，长度通常在几百微米。纳米线加工过程中的核心步骤是扫描电子束曝光(scanning-electron-beam lithography)，之后经过显影，反应离子束刻蚀，将图形转移到超导薄膜材料上。该加工工艺方法的一个缺点是：扫描电子束曝光为一串行加工方法，费时，加工成本昂贵。用此方法不适合大规模批量生产，进而阻碍了SNSPD的产业化进程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在解决SNSPD在加工工艺上存在的串行、费时、成本高的问题，进而实现SNSPD的大规模、批量化的生产，推动SNSPD的产业化进程。为此，本发明采取的技术方案是，利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，在一小块薄膜材料上制作出多个SNSPD纳米线图形，以此作为掩模板，在需要加工纳米线的基底上，利用此掩模板进行溅射，从而将纳米图形转移到基底上，且模板可以重复利用。

所述步骤进一步具体为：

(1)薄膜材料的获取

①取SOI基片一个，用标准RCA清洗步骤将基片洗净；

②在SOI基片上表面用匀胶机涂上PMMA电子束曝光胶；

③利用扫描电子束曝光定义图形；

④利用反应离子束刻蚀上层硅并进行显影；

⑤将刻蚀后的SOI基片放入稀释的HF中，使中间SiO₂层反应，形成悬空的上层Si；

⑥将悬空部分取下，用聚焦离子束进行刻蚀；

(2)利用聚焦离子束在薄膜上刻蚀需要的纳米线图形；

(3)将刻蚀好的薄膜模板用顶端涂有硅胶的钨针取出并放置在需要加工纳米线的基底上；

(4)利用磁控建设台，在基地上溅射需要的薄膜，在掩模板的作用下，形成需要的纳米线；

(5)溅射完成之后取走掩模板；

(6)在纳米线两端做上电极。

薄膜材料的获取的第一步中选用的SOI基片尺寸为上层Si厚度在200nm-500nm之间，中间SiO₂厚度在200nm-1mm之间；PMMA胶的厚度大约为100nm；PMMA显影用1:3的MIBK与IPA的混合液显影一分钟；

扫描电子书曝光的图形是四个长方形，梯形或不规则图形。

反应离子束刻蚀上层硅，要严格控制刻蚀时间，使刻蚀深度穿透上层Si；将剩余的PMMA先用丙酮进行剥离，然后在IPA或者乙醇里清洗30秒。

薄膜材料的获取的第二步是用光刻方法或反应离子束刻蚀来定义。

掩模板的转移具体为：悬空掩膜设计并制作成与基底有几处弱连接的结构，取顶端涂有硅胶的钨针一枚，将悬空模板钨针粘下，将模板转移至聚焦离子束刻蚀台的腔体，并且在模板上加工需要的纳米线形状；纳米线形状加工完成之后，将模板按照丙酮-甲醇-异丙醇-去离子水的顺序进行清洗；之后再次用钨针将其附着在待加工器件基底上。

溅射超导薄膜材料步骤为：将加上掩膜的基底放入磁控溅射台的腔体中，溅射需要包括Nb、Nb、NbTiN的超导材料；溅射完毕之后再次用顶端涂有硅胶的钨针取下模板，掩膜板可以重复使用。

其中器件基底是蓝宝石sapphire，或者是Si，MgO，GaN中的一种；溅射的超导材料是Nb或者NbTiN。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

利用掩膜板来进行纳米线的加工，相比之前的加工方法，只需在生产掩膜板的时候使用一次聚焦离子束刻蚀这一串行方法就可以，之后多次纳米线的加工都可以用模板和磁控溅射这些并行加工方法来进行，这无疑大大降低了纳米线加工的时间成本和金钱成本，与现有的加工工艺相比，其成本预计降低一半以上。

附图说明