[论文解读] 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 34

一句话总结

本文提出一种新型电子束光刻技术——受控侧向刻蚀技术（Controlled Undercut Technique, CUT），可在无需悬空桥接结构的情况下原位制造高质量约瑟夫森结和电容器。通过在双层抗蚀剂中精确控制非对称侧向刻蚀，CUT 实现了通过倾斜蒸发的选择性金属沉积，从而提升了机械稳定性，实现了从 10⁻² 到 >10⁴ µm² 的宽结尺寸范围，并将量子比特相干时间提升至 100 ns，是之前方法的五倍。

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.

研究动机与目标

• 解决悬空桥接结构在遮蔽蒸发工艺中因机械脆弱性导致的工艺限制问题。
• 在保留单次光刻、原位氧化及亚微米结结构优势的前提下，消除遮蔽蒸发工艺中对悬空桥接结构的需求。
• 实现从超小到大尺寸结与电容器（10⁻² 至 >10⁴ µm²）的高重复性与机械稳定性制造。
• 通过增强基底清洁与降低污染，提升结质量，从而实现更优的量子比特相干性与隧道势垒性能。
• 在 Camelback 相位量子比特上验证该技术，结果表明其相干性与可靠性显著优于标准工艺。

提出的方法

• 使用 100 kV 电子束直写设备对双层抗蚀剂进行图案化：在 700 nm 厚的 PMMA/MAA 支撑层上沉积 200 nm 厚的 PMMA 成像层。
• 采用两种不同的电子束曝光：高剂量用于在 PMMA 层中打开导线，低剂量用于在支撑层中形成非对称侧向刻蚀。
• 通过抗蚀剂敏感度差异，实现显著的侧向刻蚀深度不对称性——一侧最大达 1 µm，另一侧小于 50 nm。
• 采用双角度蒸发（±45°），并在沉积之间进行原位氧化；金属根据侧向刻蚀的几何形状选择性地沉积在基底或抗蚀剂侧壁上。
• 通过剥离工艺去除沉积在抗蚀剂侧壁上的金属，仅保留基底上所需的导线与结结构。
• 通过反转侧向刻蚀两侧的蒸发顺序，利用侧向刻蚀几何形状控制哪根导线连接至结。

实验结果

研究问题

• RQ1 无桥接的遮蔽蒸发技术是否能够实现具有更高机械稳定性与工艺兼容性的高质量约瑟夫森结？
• RQ2 受控侧向刻蚀技术在多大程度上可扩展结尺寸的可访问范围，从超小到大尺寸器件？
• RQ3 由于无悬空桥接结构，是否能实现对结区域更有效的清洁，从而降低污染并提升隧道势垒质量？
• RQ4 使用 CUT 制备的相位量子比特的相干时间与传统多层膜或遮蔽蒸发工艺制备的样品相比如何？
• RQ5 CUT 是否可适配标准 20 kV 电子束系统？在精度与工艺控制方面存在哪些权衡？

主要发现

• 受控侧向刻蚀技术（CUT）成功实现了无需悬空桥接结构的约瑟夫森结与电容器制造，结尺寸范围从 10⁻² µm² 到超过 10⁴ µm²。
• 测得相位量子比特的相干时间为约 100 ns，相比以往使用标准多层膜或遮蔽蒸发工艺制备的样品提升了五倍。
• 光谱共振线宽测量为 4 MHz，与观测到的 100 ns 相干时间一致，证实了高质量结的形成。
• 拉比振荡的指数衰减时间约为 170 ns，拉姆齐振荡进一步验证了相干时间测量结果，多种表征方法间结果高度一致。
• 能量弛豫时间测量值约为 200 ns，表明损耗低且量子比特具有良好的稳定性。
• 由于无桥接结构，该技术可有效实现基底的反应离子刻蚀与离子束铣削，减少了抗蚀剂残留污染，从而提升了隧道势垒质量。