[发明专利]大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法

说明书

本发明公开了一种大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法，将Si基片分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗；将清洗后的基片送入磁控溅射系统副室进行氩离子清洗；将离子铣后的基片送入主室，通过直流磁控溅射生长MoSi薄膜；在真空室中原位射频磁控溅射生长Nbsubgt;5/subgt;Nsubgt;6/subgt;薄膜；绘制掩模版图形，并采用图形补偿的方法增加微米线拐角处的曝光面积；在样品表面旋涂S1805光刻胶，用激光直写光刻机进行光刻，然后放入正胶显影液显影30s，放入去离子水中定影1min，在光刻胶上形成微米线图案；用反应离子刻蚀的方式对做完激光直写的样品进行刻蚀，刻蚀后用丙酮超声1min除去残胶，从而形成微米线。本发明提高了大面积超导微米线单光子探测器的制备效率。

技术领域

本发明属于红外单光子光探测领域，具体涉及一种大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法。

背景技术

单光子探测技术是量子信息和量子通信研究中的关键技术，是实现对单量子态进行操控、处理和研究的技术前提。超导单光子探测器对于空间通信、激光雷达、量子密钥分发等应用是一种理想的探测器。对于单光子探测器在空间上的应用来说，器件的探测面积尤为关键。普遍的观点认为随着探测光敏区面积的增加器件的灵敏度是降低的，但最近提出的微米线的单光子响应的理论模型和实验结果与先前的理解相矛盾，根据Vodolazov提出的理论，微米线的本征探测效率与微米线的宽度无关。前人研究已经验证了MoSi薄膜上线宽0.5μm-5μm的微桥饱和的探测效率。这为制备大面积微米线器件提供了理论基础。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用电子束曝光来制备，电子束曝光可以制备出高精度的纳米线，但缺点是曝光时间长。用电子束曝光来制备探测区域为毫米量级的微米线器件的时间成本会大大增加，据估算大面积超导微米线单光子探测器(SMSPD)光敏区的曝光时间是传统SNSPD(面积约15μm×15μm)的30倍以上。曝光时间太长会影响电子束能量的稳定，从而影响到微米线的制备质量，并且制备成本也会响应增加。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大面积MoSi超导微米线单光子探测器的激光直写制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将Si基片分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗3-5分钟，并在光学显微镜下观察其表面洁净度，无明显颗粒杂物，备用；

步骤2，将备用的基片送入磁控溅射系统副室，进行氩离子清洗，清除基片表面分子级别的杂质，并让薄膜与衬底更易结合；

步骤3，将离子清洗后的基片送入主室，通过直流磁控溅射生长MoSi薄膜；

步骤4，MoSi薄膜生长完毕后，在真空室中原位射频磁控溅射生长Nb₅N₆薄膜；

步骤5，绘制大面积掩模版图形，并采用图形补偿的方法来补偿微米线拐角处的曝光不足；

步骤6，从磁控系统腔室取出样品，在样品表面旋涂S1805光刻胶，用激光直写光刻机进行光刻，，根据空间位置分布的不同设置曝光剂量70-75，然后放入正胶显影液显影30s，放入去离子水中定影1min，在光刻胶上形成微米线图案；

步骤7，用反应离子刻蚀的方式对做完激光直写的样品进行刻蚀，刻蚀后用丙酮超声1min除去残胶，从而形成微米线。

进一步的，步骤2中，进行氩离子清洗的条件如表1所示；

表1离子清洗条件