[論文レビュー] Novel E-beam lithography technique for in-situ junction fabrication: the controlled undercut

Florent Lecocq, Cécile Naud+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2011

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、浮き橋を必要とせず、インサイト内に高品質なジョセフソン接合とコンデンサを形成できる画期的な電子ビームリソグラフィー技法、制御されたアンダーカット技術（CUT）を提案する。二層抵抗における非対称アンダーカットを精密に制御することで、傾斜蒸着を用いた選択的金属堆積が可能となり、機械的強度の向上、広い接合サイズ範囲（10⁻² から >10⁴ µm²）、および100 nsに達するqubitのコherencte時間の向上（従来法の5倍）を実現する。

ABSTRACT

We present a novel shadow evaporation technique for the realization of junctions and capacitors. The design by E-beam lithography of strongly asymmetric undercuts on a bilayer resist enables in-situ fabrication of junctions and capacitors without the use of the well-known suspended bridge[1]. The absence of bridges increases the mechanical robustness of the resist mask as well as the accessible range of the junction size, from 0.01 to more than 10000 micron square. We have fabricated Al/AlOx/Al Josephson junctions, phase qubit and capacitors using a 100kV E- beam writer. Although this high voltage enables a precise control of the undercut, implementation using a conventional 20kV E-beam is also discussed. The phase qubit coherence times, extracted from spectroscopy resonance width, Rabi and Ramsey oscillations decay and energy relaxation measurements, are longer than the ones obtained in our previous samples realized by standard techniques. These results demonstrate the high quality of the junction obtained by this controlled undercut technique.

研究の動機と目的

• シャドウエバポレーションによる接合形成における浮き橋技術の機械的脆さとプロセス制限を克服すること。
• シャドウエバポレーションにおいて浮き橋を不要としつつ、単一リソグラフィー、インサイト酸化、サブミクロン接合の利点を維持すること。
• 超高小型および大面積接合・コンデンサ（10⁻² から >10⁴ µm²）を、高い再現性と機械的安定性をもって形成できること。
• 基板の洗浄を強化し、汚染を低減することで接合品質を向上させ、優れたqubitコherencte時間とトンネル障壁性能を実現すること。
• キャメルバック位相qubitを用いて技術を検証し、従来法と比較して優れた量子コherencte時間と信頼性を示すこと。

提案手法

• 100 kV電子ビームリソグラフィー装置を用い、200 nmのPMMA画像層を700 nmのPMMA/MAAサポート層の上に形成した二層抵抗をパターン形成する。
• 二種類の電子ビーム露光を実施：PMMA層にワイヤーを開口するための高露光量と、サポート層に非対称アンダーカットを形成するための低露光量。
• 抵抗感度の差異を活用し、アンダーカット深さに強い非対称性（片側最大1 µm、他方<50 nm）を実現する。
• ±45°の二段階蒸着を実施し、蒸着の間にインサイト酸化を挟む。金属はアンダーカットの幾何形状に応じて基板または抵抗壁に選択的に堆積する。
• リフトオフにより抵抗壁上に堆積した金属を除去し、基板上にのみ所望のワイヤーおよび接合を残す。
• アンダーカットの幾何形状を制御し、反転した蒸着順序により、どのワイヤーが接合に接続されるかを制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブリッジフリーなシャドウエバポレーション技法は、機械的強度とプロセス適合性を向上させつつ、高品質なジョセフソン接合を実現できるか？
• RQ2 制御されたアンダーカット技術は、超高小型から大面積デバイスまで、接合サイズの可及的範囲をどの程度拡大できるか？
• RQ3 浮き橋の不在により、接合領域の洗浄がより効果的に行えるようになり、汚染低減と優れたトンネル障壁品質が達成できるか？
• RQ4 CUTを用いて作製した位相qubitのコherencte時間は、従来のマルチレイヤー法やシャドウエバポレーション法で作製したqubitと比較してどの程度向上するか？
• RQ5 CUTは標準的な20 kV Eビームシステムで実装可能か？また、精度とプロセス制御においてどのような妥当性があるか？

主な発見

• 制御されたアンダーカット技術（CUT）は、浮き橋を必要とせず、ジョセフソン接合とコンデンサを形成可能であり、接合サイズ範囲は10⁻² µm² から10⁴ µm²を超えるまでカバーできる。
• 位相qubitのコherencte時間は約100 nsで測定され、これは従来のマルチレイヤー法やシャドウエバポレーション法で作製したサンプルと比較して5倍の向上を示している。
• 分光測定による共鳴幅は4 MHzであり、観測された100 nsのコherencte時間と整合的で、高品質な接合を裏付けている。
• ラビ振動は170 nsの指数的減衰時間を示し、ラマーシー振動によりコherencte時間測定が確認され、複数の特性評価手法で良好な一貫性が得られた。
• エネルギー緩和時間は約200 nsで測定され、低損失と優れたqubit安定性を示している。
• ブリッジが存在しないため、蒸着の前段階で効果的なリアクティブアイアントエッチングおよびイオンマッティングが可能となり、抵抗残留物の汚染低減とトンネル障壁品質の向上が達成された。