[논문 리뷰] Novel E-beam lithography technique for in-situ junction fabrication: the controlled undercut

Florent Lecocq, Cécile Naud외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 24.

Surface and Thin Film Phenomena인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 매달려 있는 브릿지 없이 실시간으로 고품질의 조지프슨 결합 및 커패시터를 제작할 수 있도록 해주는 새로운 전자빔 리소그래피 기술, 제어된 언더컷 기술(Controlled Undercut Technique, CUT)을 제시한다. 이중층 리소그래피에서 비대칭 언더컷을 정밀하게 제어함으로써, 기울인 증착을 통한 선택적 금속 증착이 가능해지며, 이는 기계적 내구성 향상, 넓은 결합 크기 범위(10⁻²에서 >10⁴ µm²), 그리고 이전 방법보다 5배 긴 100 ns까지의 양자비트 공명 시간 향상을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그림자 증착을 통한 결합 제작에서 매달려 있는 브릿지 기반 기술의 기계적 취약성과 공정 제약을 극복하기 위해.
• 단일 리소그래피, 실시간 산화, 마이크로미터 이하의 결합 구현 등의 장점을 유지하면서도 매달려 있는 브릿지가 필요 없도록 하기 위해.
• 초소형 및 대면적 결합 및 커패시터(10⁻²에서 >10⁴ µm²)를 고재현성과 기계적 안정성으로 동시에 제작할 수 있도록 하기 위해.
• 기판 세척 향상과 오염 감소를 통해 결합 품질을 향상시켜, 뛰어난 양자비트 공명 시간과 터널 장벽 성능을 확보하기 위해.
• Camelback 위상 큐비트에서 기술을 검증하여, 기존 기술 대비 향상된 양자 공명과 신뢰성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 200 nm 두께의 PMMA 이미징 층을 700 nm 두께의 PMMA/MAA 지지 층 위에 쌓은 이중층 리소그래피를 사용하여, 100 kV 전자빔 리소그래피 장치로 패턴을 형성한다.
• 두 가지 다른 전자빔 노출을 적용: PMMA 층에서 도트를 형성하기 위한 고제원, 지지 층에서 비대칭 언더컷을 형성하기 위한 저제원.
• 리소그래피 민감도의 차이를 이용해 언더컷 깊이의 강한 비대칭을 달성—한쪽 면은 최대 1 µm, 다른 쪽은 <50 nm까지 확보.
• ±45° 각도로 두 번의 증착을 실시하며, 증착 사이에 실시간 산화를 수행함으로써, 언더컷 기하학적 구조에 따라 금속이 기판 또는 리소그래피 벽에 선택적으로 증착되도록 유도.
• 리프오프 공정을 통해 리소그래피 벽에 증착된 금속을 제거하여, 기판에만 원하는 도트와 결합만 남기도록 한다.
• 언더컷의 기하학적 구조를 이용해, 언더컷의 양쪽 면에서 증착 순서를 뒤바꿔, 어느 도트가 결합에 연결될지 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브릿지가 없는 그림자 증착 기술이 기계적 내구성 향상과 공정 호환성을 확보하면서도 고품질의 조지프슨 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제어된 언더컷 기술이 초소형에서 대면적 장치까지의 결합 크기 범위를 얼마나 넓힐 수 있는가?
• RQ3 매달려 있는 브릿지가 없을 경우, 결합 영역의 청소 효율성이 향상되어 오염 감소와 더 나은 터널 장벽 품질을 이끌 수 있는가?
• RQ4 CUT를 사용해 제작한 위상 큐비트의 공명 시간은 기존의 멀티레이어 또는 그림자 증착 기술로 제작한 경우와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 CUT는 표준 20 kV 전자빔 시스템에서도 적용 가능할 수 있으며, 정밀도와 공정 제어 측면에서 어떤 상충 요소가 존재하는가?

주요 결과

• 제어된 언더컷 기술(CUT)은 매달려 있는 브릿지 없이도 조지프슨 결합 및 커패시터를 성공적으로 제작하였으며, 결합 크기 범위는 10⁻² µm²에서 10⁴ µm² 이상까지 가능했다.
• 위상 큐비트의 공명 시간은 약 100 ns로 측정되었으며, 이는 이전의 표준 멀티레이어 또는 그림자 증착 기술로 제작한 샘플 대비 5배 향상된 결과였다.
• 스펙트로스코피 공진 너비는 4 MHz로 측정되었으며, 관측된 100 ns의 공명 시간과 일치하여 고품질의 결합을 확인했다.
• 라비 진동은 약 170 ns의 지수 감쇠 시간을 보였고, 라마지 진동 측정을 통해 공명 시간 측정 결과가 여러 가지 특성 분석 방법 간 양호한 일치를 보였다.
• 에너지 회복 시간은 약 200 ns로 측정되어, 낮은 에너지 손실과 양호한 큐비트 안정성을 나타내었다.
• 브릿지가 없기 때문에 기판에 대한 반응성 이온 에칭 및 이온 밀링 공정을 증착 이전에 효과적으로 수행할 수 있었으며, 리소그래피 잔여물 오염 감소로 인해 터널 장벽 품질 향상이 이루어졌다.