1.本技术涉及超导量子干涉仪技术领域，特别是涉及一种超导量子干涉仪及其制备方法。
背景技术：2.超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，squid)因其对电流和磁场具有极高的灵敏度，为此被应用于诸多探测领域。
3.然而squid器件在工作的过程中，非必要磁场极易影响squid器件测试结果，非必要磁场主要来源于两方面，第一是测试自然环境中的磁场；第二是器件在降温过程中，尤其温度降至临界温度时，磁通极易钉扎于器件中。针对第一种情况，可通过搭建磁屏蔽测试环境来尽可能的避开自然界中磁场的影响。但针对第二种情况，尤其对大尺寸或者大线宽的squid器件来说，目前还没有有效的方法来解决该问题。
技术实现要素：4.基于此，有必要针对磁通钉扎影响squid器件测试结果的问题提供一种超导量子干涉仪及其制备方法、超导转变边沿探测器阵列读出系统。
5.为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种超导量子干涉仪，包括：
6.衬底；
7.地线层，形成于所述衬底的表面，所述地线层内设有第一通孔；
8.第一绝缘层，形成于所述地线层远离所述衬底的表面，并填满所述第一通孔，所述第一绝缘层内设有第二通孔；
9.约瑟夫森结，包括依次层叠的第一超导层、第二绝缘层和第二超导层，所述第二超导层位于第一绝缘层远离所述地线层的表面，并填满所述第二通孔，作为底电极；
10.第三绝缘层，覆盖裸露的所述第一绝缘层及所述约瑟夫森结，所述第三绝缘层内设有第三通孔及第四通孔，所述第三通孔暴露出所述第一超导层，所述第四通孔暴露所述底电极；
11.电阻，形成于所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面；
12.第三超导层，覆盖所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面和所述电阻，并填满所述第三通孔和所述第四通孔，作为顶电极；所述第三超导层内设置有开口，所述开口将所述第三超导层分隔为通过所述电阻连接的两部分；
13.其中，所述底电极和所述顶电极形成超导环。
14.上述超导量子干涉仪，通过约瑟夫森结、电阻以及第二超导层和第三超导层形成的超导环构成引出了约瑟夫森结的电流，进而可基于引出的电流得到探测的物理参数的值。另外，通过增设地线超导层，使得钉扎的磁通很容易被驱使到地线超导层的第一通孔所在的位置并被限制在第一通孔中，从而降低磁通钉扎的影响，进而提高超导量子干涉仪的检测精度。
15.在其中一个实施例中，所述地线层为超导材料层。
16.由于超导金属薄膜在超导状态下具有抗磁性，通过使地线层为超导材料层，使得钉扎的磁通量子会被推向地线层内的第一通孔，从而降低磁通钉扎的影响。
17.在其中一个实施例中，所述地线层为铌层或氮化铌层，所述第一绝缘层为二氧化硅层，所述地线层的厚度为100-1000nm，所述第一绝缘层的厚度为100-1000nm，所述地线层的厚度小于等于所述第一绝缘层的厚度。
18.通过将地线层的厚度限制为100-1000nm，第一绝缘层的厚度限制为100-1000nm，从而保证对加工工艺的要求不会过高，同时避免最终形成的超导量子干涉仪体积不会过大。另外，限定地线层的厚度小于等于第一绝缘层的厚度，从而使得第一绝缘层可以填充满地线层的第一通孔，进而在第一通孔位置将地线层与第一绝缘层上方的第二超导层隔绝开，并隔离保护地线层。
19.在其中一个实施例中，所述地线层包括：沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层；所述地线超导层内形成有第五通孔，所述地线绝缘层填满位于其下一层所述地线超导层内的所述第五通孔；所述地线绝缘层内形成有第六通孔，所述地线超导层填满位于其下一层的所述地线绝缘层内的所述第六通孔，以将相邻所述地线超导层相连接。
20.通过沿厚度方向依次交替间隔排布的地线层及地线绝缘层，并使得各层地线超导层相互连接，进而使包括多层地线超导层的地线层能与厚度相同的由超导材料构成的地线层达到近似的效果，同时，通过地线绝缘层保护隔离地线层，从而保证地线层的稳定性。
21.在其中一个实施例中，所述地线超导层为铌层或氮化铌层，所述地线绝缘层为二氧化硅层，所述地线超导层的厚度为100-1000nm，所述地线绝缘层的厚度为100-1000nm，其中，所述地线绝缘层的厚度大于等于位于其下一层的所述地线超导层的厚度，所述地线超导层的厚度大于等于位于其下一层的所述地线绝缘层的厚度。
22.在其中一个实施例中，所述第一超导层包括铌层或氮化铌层，所述第二绝缘层包括铝-氧化铝层，所述电阻包括钯金薄膜，所述第二超导层包括铌层或氮化铌层，所述第三绝缘层包括二氧化硅层，所述第三超导层包括铌层或氮化铌层，所述第一超导层的厚度为100-500nm，所述第二绝缘层的厚度为5-30nm，所述第二超导层的厚度为100-500nm，所述第三绝缘层的厚度为100-1000nm，所述钯金薄膜的厚度为50-500nm，所述第三超导层的厚度为200-800nm，所述第二超导层的厚度大于等于所述第一绝缘层的厚度，所述第三超导层的厚度大于等于所述第三绝缘层的厚度。
23.本发明还提供了一种超导量子干涉仪的制备方法，包括如下步骤：
24.提供衬底；
25.在衬底的表面形成地线层，并在所述地线层内开设第一通孔；
26.在所述地线层远离所述衬底的表面形成第一绝缘层，所述第一绝缘层填满所述第一通孔，并在所述绝缘层内开设第二通孔；
27.在所述第一绝缘层远离所述地线层的表面上形成约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括依次层叠的第一超导层、第二绝缘层和第二超导层，所述第二超导层位于所述第一绝缘层远离所述地线层的表面，并填满所述第二通孔，作为底电极；
28.在裸露的所述第一绝缘层及所述约瑟夫森结上形成第三绝缘层，并在所述第三绝
缘层内开设第三通孔和第四通孔，所述第三通孔暴露出所述第一超导层，所述第四通孔暴露出所述底电极；
29.在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成电阻；
30.在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成第三超导层，所述第三超导层填满所述第三通孔和所述第四通孔，作为顶电极，并在所述第三超导层内开设开口，所述开口将所述第三超导层分隔为通过所述电阻连接的两部分，其中，所述顶电极和所述底电极形成超导环。
31.上述超导量子干涉仪的制备方法，通过形成地线层，并在地线层开设第一通孔，使得钉扎的磁通很容易被驱使到地线层的第一通孔所在的位置并被限制在第一通孔中，从而降低磁通钉扎的影响。另外，地线超导层、约瑟夫森结、第三绝缘层、电阻和第三超导层均可通过现有方法完成制备，因此，无需大幅度改变制备工艺，改造成本低。
32.在其中一个实施例中，在衬底上形成地线层包括如下步骤：
33.在衬底上沉积沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层，并在沉积所述地线超导层时，在所述地线超导层内开设第五通孔，在沉积所述地线绝缘层时，在所述地线绝缘层内开设第六通孔，其中，所述地线绝缘层填满位于其下一层所述地线超导层内的所述第五通孔，所述地线超导层填满位于其下一层的所述地线绝缘层内的所述第六通孔，以将相邻所述地线超导层相连接。
34.通过上述方式沉积沿厚度方向依次交替间隔排布的地线层及地线绝缘层，并使得各层地线超导层相互连接，进而使包括多层地线超导层的地线层能与厚度相同的由超导材料构成的地线层达到近似的效果，同时，通过地线绝缘层保护隔离地线层，从而保证地线层的稳定性。
35.在其中一个实施例中，在所述第一绝缘层上形成约瑟夫森结包括：
36.依次在所述第一绝缘层上沉积第二超导层、第二绝缘层和第一超导层；
37.通过微加工工艺依次处理所述第一超导层、所述第二绝缘层和所述第二超导层，以将所述第一超导层、所述第二绝缘层和所述第二超导层加工至预定图形。
38.在其中一个实施例中，在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成第三超导层之后，还包括：
39.通过微加工工艺对所述第三超导层进行加工，以得到所需的顶电极图形。
40.通过将第三超导层进行加工为所需的顶电极图形，从而使得第三超导层可作为顶电极，另外，使第三超导层与第二超导层构成超导环，将约瑟夫森结嵌入超导环中，从而在探测过程中，通过超导环引出约瑟夫森结中的电流，实现相应物理参数的探测。
41.本发明还提供了一种超导转变边沿探测器阵列读出系统，包括如上所述的超导量子干涉仪，所述超导量子干涉仪用于读出超导转变边沿探测器阵列的信号。
42.上述超导转变边沿探测器阵列读出系统，包括上述的超导量子干涉仪，由于上述的超导量子干涉仪的检测精度较高，因此，超导量子干涉仪读出超导转变边沿探测器阵列的信号的准确度较高，超导转变边沿探测器阵列读出系统具有较高的读出精度。
附图说明
43.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传
统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为一实施例中提供的超导量子干涉仪的截面结构示意图；
45.图2为一实施例中提供的超导量子干涉仪的制备方法的流程示意图；
46.图3-图14为本发明实施例提供的逐步形成的超导量子干涉仪的结构示意图；
47.图15为本发明实施例提供的在第一绝缘层远离地线层的表面形成约瑟夫森结步骤的流程示意图。
48.附图标记说明：
49.101-衬底，102-地线层，1021-第一通孔，103-第一绝缘层，1031-第二通孔，104-第一超导层，105-第二绝缘层，106-第二超导层，107-第三绝缘层，1071-第三通孔，1072-第四通孔，108-电阻，109-第三超导层，1091-开口。
具体实施方式
50.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
51.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
52.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一掺杂类型成为第二掺杂类型，且类似地，可以将第二掺杂类型成为第一掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型为不同的掺杂类型，譬如，第一掺杂类型可以为p型且第二掺杂类型可以为n型，或第一掺杂类型可以为n型且第二掺杂类型可以为p型。
53.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
54.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、个件、部分或它们的个合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、个件、部分或它们的个合的可能性。
55.这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。
56.在一个实施例中，如图1所示，本发明提供了一种超导量子干涉仪，包括：
57.衬底101；
58.地线层102，形成于衬底101的表面，地线层102内设有第一通孔1021；
59.第一绝缘层103，形成于地线层102远离衬底101的表面，并填满第一通孔1021，第一绝缘层103内设有第二通孔1031；
60.约瑟夫森结，包括依次层叠的第一超导层104、第二绝缘层105和第二超导层106，第二超导层106位于第一绝缘层103远离地线层102的表面，并填满第二通孔1031，作为底电极；
61.第三绝缘层107，覆盖裸露的第一绝缘层103及约瑟夫森结，第三绝缘层107内设有第三通孔1071及第四通孔1072，第三通孔1071暴露出第一超导层104，第四通孔1072暴露底电极；
62.电阻108，形成于第三绝缘层107远离第一绝缘层103的表面；
63.第三超导层109，覆盖第三绝缘层107远离第一绝缘层103的表面和电阻108，并填满第三通孔1071和第四通孔1072，作为顶电极；第三超导层109内设置有开口1091，开口1091将第三超导层109分隔为通过电阻108连接的两部分；
64.其中，底电极和顶电极形成超导环。
65.上述结构中，衬底101可以为具有高电阻108率、粗糙度小、平整的基底。该衬底101可以为高阻硅片、蓝宝石基片或者高阻本征硅片。地线层102可以为同种超导材料形成的超导材料层，例如铌。
66.应用中，本技术的超导量子干涉仪包括一个约瑟夫森结时，进行适应性设计可作为射频超导量子干涉仪，本技术的超导量子干涉仪包括两个约瑟夫森结时，进行适应性设计可作为直流超导量子干涉仪。
67.具体地，由于地线层102在超导状态下具有抗磁性，钉扎的磁通量子被推向第一通孔1021，其次，在温度刚开始低于超导转变温度的时候，热能大于钉扎势能，因此热扰动促使磁通向第一通孔1021迁移，在薄膜抗磁性和热扰动的双重作用下，钉扎的磁通很容易被驱使到金属通孔所在的位置。
68.上述超导量子干涉仪，通过约瑟夫森结、电阻108以及第二超导层106和第三超导层109形成的超导环构成引出了约瑟夫森结的电流，进而可基于引出的电流得到探测的物
理参数的值。另外，通过增设地线超导层，使得钉扎的磁通很容易被驱使到地线超导层的第一通孔1021所在的位置并被限制在第一通孔1021中，从而降低磁通钉扎的影响，进而提高超导量子干涉仪的检测精度。
69.在一个实施例中，地线层102为超导材料层。
70.其中，优选地线层102、第一超导层104和第二超导层106三者的材料相同，第一超导层104和第二超导层106进入超导状态时，地线层102也进入超导状态。
71.由于超导金属薄膜在超导状态下具有抗磁性，通过使地线层102为超导材料层，使得钉扎的磁通量子会被推向地线层102内的第一通孔1021，从而降低磁通钉扎的影响。
72.在一个实施例中，地线层102为铌层或氮化铌层，第一绝缘层103为二氧化硅层，地线层102的厚度为100-1000nm，第一绝缘层103的厚度为100-1000nm，地线层102的厚度小于等于第一绝缘层103的厚度。
73.其中，可以理解，地线层102采用的材料还可以为其他超导材料，第一绝缘层103也可以采用其他的绝缘材料，例如氮化硅。由于二氧化硅是一种良好的绝缘体，且化学性质稳定，能在超导量子干涉仪工作的极端环境中保持稳定，因此，通过使第一绝缘层103为二氧化硅层，从而保证第一绝缘层103的稳定性，并实现对地线层102的隔离保护。
74.具体地，可以理解，地线层102和第一绝缘层103的厚度越小，工艺要求越高，而在地线层102和第一绝缘层103的厚度较高时，容易导致超导量子干涉仪体积较大，因此，为了平衡工艺要求和超导量子干涉仪体积，限制地线层102的厚度为100-1000nm，第一绝缘层103的厚度为100-1000nm。而在地线层102的厚度小于等于第一绝缘层103的厚度时，第一绝缘层103才能填满地线层102上的第一通孔1021，进而实现第一绝缘层103的隔绝功能。地线层102的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm，同样，第一绝缘层103的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm，优选地，地线层102的厚度为200nm，第一绝缘层103的厚度可以为210nm。
75.通过将地线层102的厚度限制为100-1000nm，第一绝缘层103的厚度限制为100-1000nm，从而保证对加工工艺的要求不会过高，同时避免最终形成的超导量子干涉仪体积不会过大。另外，限定地线层102的厚度小于等于第一绝缘层103的厚度，从而使得第一绝缘层103可以填充满地线层102的第一通孔1021，进而在第一通孔1021位置将地线层102与第一绝缘层103上方的第二超导层106隔绝开，并隔离保护地线层102。
76.在一个实施例中，地线层102包括：沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层(图中未示出)；地线超导层内形成有第五通孔，地线绝缘层填满位于其下一层地线超导层内的第五通孔；地线绝缘层内形成有第六通孔，地线超导层填满位于其下一层的地线绝缘层内的第六通孔，以将相邻地线超导层相连接。
77.其中，在地线层102包括多层地线超导层时，地线层102的最上层为地线超导层。地线超导层的厚度大于等于下方的地线绝缘层的厚度，以填满下方的地线绝缘层上的第六通孔，地线绝缘层的厚度大于等于下方的地线超导层的厚度，以填满下方的地线超导层上的第五通孔。优选地，各层地线超导层的第五通孔在厚度方向上的位置相同。
78.具体地，地线绝缘层设于相邻的两层地线超导层之间，可以理解，在沉积完第一层地线超导层时，在第一层地线超导层上开设第五通孔。然后，在第一层地线超导层上沉积第
一层地线绝缘层，显然，第六通孔位置的地线绝缘层会陷入第五通孔中，则第一层地线绝缘层会填满第一层地线超导层上的第五通孔；在沉积完第一层地线绝缘层时，在第一层地线绝缘层上开设第六通孔。之后继续在第一层地线绝缘层上沉积第二层地线超导层，沉积在第一层地线绝缘层上的第二层地线超导层会填满第五通孔连接第一层地线超导层；并在第二层地线超导层沉积完成时，在第二层地线超导层对应第一层地线超导层的第五通孔位置开孔。以上述的方式不断沉积地线超导层和地线绝缘层，直至沉积完地线层102，最终得到的各层地线超导层的第五通孔在厚度方向上的位置相同，且各层地线超导层相互连接。
79.本实施例中，通过沿厚度方向依次交替间隔排布的地线层102及地线绝缘层，并使得各层地线超导层相互连接，进而使包括多层地线超导层的地线层102能与厚度相同的由超导材料构成的地线层102达到近似的效果，同时，通过地线绝缘层保护隔离地线层102，从而保证地线层102的稳定性。
80.在一个实施例中，地线超导层为铌层或氮化铌层，地线绝缘层为二氧化硅层，地线超导层的厚度为100-1000nm，地线绝缘层的厚度为100-1000nm，其中，地线绝缘层的厚度大于等于位于其下一层的地线超导层的厚度，地线超导层的厚度大于等于位于其下一层的地线绝缘层的厚度。
81.其中，地线超导层的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm，同样，地线绝缘层的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm，优选地，地线层102的厚度为150nm，第一绝缘层103的厚度可以为160nm。
82.本实施例中，通过限定地线超导层和地线绝缘层的厚度，从而平衡工艺要求和超导量子干涉仪体积，另外，通过限定地线绝缘层的厚度大于等于位于其下一层的地线超导层的厚度，以使地线绝缘层填满位于其下一层地线超导层内的第五通孔，进而隔离此位置相邻的地线超导层，并地线超导层的厚度大于等于位于其下一层的地线绝缘层的厚度，以使地线超导层填满位于其下一层的地线绝缘层内的第六通孔，以将相邻地线超导层相连接，从而各层地线超导层相互连接。
83.在一个实施例中，第一超导层104包括铌层或氮化铌层，第二绝缘层105包括铝-氧化铝层，电阻108包括钯金薄膜，第二超导层106包括铌层或氮化铌层，第三绝缘层107包括二氧化硅层，第三超导层109包括铌层或氮化铌层，第一超导层104的厚度为100-500nm，第二绝缘层105的厚度为5-30nm，第二超导层106的厚度为100-500nm，第三绝缘层107的厚度为100-1000nm，钯金薄膜的厚度为50-500nm，第三超导层109的厚度为200-800nm，第二超导层106的厚度大于等于第一绝缘层103的厚度，第三超导层109的厚度大于等于第三绝缘层107的厚度。
84.其中，第一超导层104的厚度可以为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm，第二绝缘层105的厚度可以为5nm、10nm、15nm、25nm、30nm，第二超导层106的厚度可以为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm，考虑到第一绝缘层103的厚度，优选地，第一超导层104的厚度为220nm，第二绝缘层105的厚度为16nm，第二超导层106的厚度为220nm。第三绝缘层107的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm。可以理解，在第二超导层106能够填满第二通孔1031后，第二超导层106的对应位置会出现凹陷的凹槽，而形成于第二超导层106上
的第三绝缘层107会填满该凹槽，基于此，第三绝缘层107的厚度应大于等于该凹槽的深度。但实际应用中，该凹槽的深度难以准确确定，因此，第三绝缘层107的厚度应大于等于第二超导层106的厚度；优选地，第三绝缘层107为220nm。钯金薄膜的厚度可以为50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm；由于钯金薄膜的厚度会影响电阻108的电阻108值，因此，钯金薄膜的厚度需要根据实际情况确定。可以理解，电阻108还可以采用其他的材质，例如铜和铝。第三超导层109的厚度可以为200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm；优选地，第三超导层109的厚度为230nm。
85.具体地，约瑟夫森结为三层结构，包括中间的绝缘层和两端的超导层。可以理解，本实施例的约瑟夫森结可以为nb/al-alox/nb结构，也可以为nbn/al-alox/nbn结构。并通过限定第二超导层106的厚度大于等于第一绝缘层103的厚度，使得第二超导层106能够填满第二通孔1031，从而使第二超导层106与地线层102连接导通。
86.本实施例中，由于典型的低温超导量子干涉仪是利用nb材料和nbn材料作为超导材料，通过nb材料和nbn薄膜材料制作超导量子干涉仪的工艺较为成熟，因此，本技术的第二超导层106包括铌层或氮化铌层。另外，通过限定第二超导层106的厚度大于等于第一绝缘层103的厚度，使得第二超导层106能够填满第二通孔1031，从而使第二超导层106与地线层102连接导通，进而便于使约瑟夫森结中钉扎的磁通被驱使到地线层102的第一通孔1021所在的位置，以降低磁通钉扎的影响，提高超导量子干涉仪的测量准确度。同时，由于二氧化硅是一种良好的绝缘体，且化学性质稳定，能在超导量子干涉仪工作的极端环境中保持稳定，因此，通过使第三绝缘层107包括二氧化硅层，从而保证第三绝缘层107的稳定性，并实现对约瑟夫森结的隔离保护。另外，由于钯金的化学性质耐腐蚀，且不易磨损，因此，可以使电阻108的电阻108值较为稳定，进而保证本技术的超导量子干涉仪测量结果的稳定性。
87.可以理解，由于第三超导层109形成于第三绝缘层107上，并填满第三通孔1071和第四通孔1072，则第三超导层109分别连接第一超导层104和第二超导层106(底电极)，在第三超导层109作为顶电极，第二超导层106作为底电极时，第三超导层109和第二超导层106构成超导环，且约瑟夫森结嵌入于超导环中，从而通过第三超导层109和第二超导层106引出了约瑟夫森结的电流。
88.在一个实施例中，基于同一构思，如图1至图14所示，本发明还提供了一种超导量子干涉仪的制备方法，包括如下步骤：
89.s201：提供衬底101。
90.其中，衬底101可以为高阻硅片、蓝宝石基片或者高阻本征硅片。
91.s202：在衬底101的表面形成地线层102，并在地线层102内开设第一通孔1021，如图3和图4所示。
92.具体地，可以采用化学气相沉积法在衬底101上沉积地线层102。优选地，采用磁控溅射法在衬底101上沉积地线层102。在沉积完成后，在地线层102的端部通过微加工工艺刻蚀出第一通孔1021，其中，微加工工艺包括但不限于光刻和刻蚀。
93.s203：在地线层102远离衬底101的表面形成第一绝缘层103，第一绝缘层103填满第一通孔1021，并在绝缘层内开设第二通孔1031，如图5和图6所示。
94.具体地，可采用低温化学气相沉积法在地线层102上形成第一绝缘层103。可以理解，在沉积过程中，由于地线层102存在第一通孔1021，在第一通孔1021位置的第一绝缘层
103会陷入第一通孔1021以填满第一通孔1021。在地线层102上形成第一绝缘层103后，在绝缘层上通过微加工工艺开设第二通孔1031。
95.s204：在第一绝缘层103远离地线层102的表面形成约瑟夫森结，约瑟夫森结包括依次层叠的第一超导层104、第二绝缘层105和第二超导层106，第二超导层106位于第一绝缘层103远离地线层102的表面，并填满第二通孔1031，作为底电极，如图7至图10所示。
96.其中，若制备射频超导量子干涉仪，本技术的超导量子干涉仪包括一个约瑟夫森结，若制备直流超导量子干涉仪，本技术的超导量子干涉仪包括两个约瑟夫森结。
97.具体地，可采用磁控溅射法在第一绝缘层103上沉积三层膜，然后通过微加工工艺进行处理形成约瑟夫森结，其中，第二超导层106需要加工为预定图形，以作为底电极。
98.s205：在裸露的第一绝缘层103及约瑟夫森结上形成第三绝缘层107，并在第三绝缘层107内开设第三通孔1071和第四通孔1072，第三通孔1071暴露出第一超导层104，第四通孔1072暴露出底电极，如图11和图12所示。
99.其中，经过s201-s204的步骤后，第一绝缘层103、第一超导层104和第二超导层106均有部分露出，可采用低温化学气相沉积法在第一绝缘层103、第一超导层104和第二超导层106露出的部分沉积出第三绝缘层107。并在沉积完成后，在第三绝缘层107刻蚀出暴露出第一超导层104的第三通孔1071，以及暴露出底电极的第四通孔1072。
100.s206：在第三绝缘层107远离第一绝缘层103的表面形成电阻108，如图13所示。
101.其中，可通过两种方式制备电阻108，一是在第三绝缘层107沉积一层电阻108薄膜，然后去除多余的电阻108薄膜；二是先在第三绝缘层107形成一层光刻胶，然后进行光刻出电阻108区域，在电阻108区域形成电阻108薄膜，然后剥离光刻胶。可采用电子束蒸发法形成电阻108薄膜，优选通过第二种方式形成电阻108薄膜。
102.s207：在第三绝缘层107远离第一绝缘层103的表面形成第三超导层109，第三超导层109填满第三通孔1071和第四通孔1072，作为顶电极，并在第三超导层109内开设开口1091，开口1091将第三超导层109分隔为通过电阻108连接的两部分，其中，顶电极和底电极形成超导环，如图14和图1所示。
103.其中，可采用磁控溅射法在第三绝缘层107上沉积第三超导层109，在沉积过程中，第三超导层109会陷入并填满第三通孔1071和第四通孔1072，进而与第一超导层104和第二超导层106连接导通。
104.上述超导量子干涉仪的制备方法，通过形成地线层102，并在地线层102开设第一通孔1021，使得钉扎的磁通很容易被驱使到地线层102的第一通孔1021所在的位置并被限制在第一通孔1021中，从而降低磁通钉扎的影响。另外，地线超导层、约瑟夫森结、第三绝缘层107、电阻108和第三超导层109均可通过现有方法完成制备，因此，无需大幅度改变制备工艺，改造成本低。
105.在一个实施例中，s202可以包括如下步骤：在衬底101上沉积沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层，并在沉积地线超导层时，在地线超导层内开设第五通孔，在沉积地线绝缘层时，在地线绝缘层内开设第六通孔，其中，地线绝缘层填满位于其下一层地线超导层内的第五通孔，地线超导层填满位于其下一层的地线绝缘层内的第六通孔，以将相邻地线超导层相连接。
106.其中，在地线层102包括多层地线超导层时，地线层102的最上层为地线超导层。
107.具体地，首先，在衬底上沉积第一层地线超导层，在沉积完第一层地线超导层时，在第一层地线超导层上开设第五通孔。然后，在第一层地线超导层上沉积第一层地线绝缘层，显然，第五通孔位置的地线绝缘层会陷入第五通孔中，则第一层地线绝缘层会填满第一层地线超导层上的第五通孔；在沉积完第一层地线绝缘层时，在第一层地线绝缘层上开设第六通孔。之后继续在第一层地线绝缘层上沉积第二层地线超导层，沉积在第一层地线绝缘层上的第二层地线超导层会填满第六通孔连接第一层地线超导层；并在第二层地线超导层沉积完成时，在第二层地线超导层对应第一地线超导层的第五通孔位置开孔。以上述的方式不断沉积地线超导层和地线绝缘层，直至沉积完地线层102，最终得到的各层地线超导层的第五通孔在水平方向上的位置相同，且各层地线超导层相互连接。
108.本实施例中，通过上述方式沉积沿厚度方向依次交替间隔排布的地线层102及地线绝缘层，并使得各层地线超导层相互连接，进而使包括多层地线超导层的地线层102能与厚度相同的由超导材料构成的地线层102达到近似的效果，同时，通过地线绝缘层保护隔离地线层102，从而保证地线层102的稳定性。
109.在一个实施例中，如图15所示，步骤s204可以包括如下步骤：
110.s2041：依次在第一绝缘层103上沉积第二超导层106、第二绝缘层105和第一超导层104，如图7所示。
111.其中，第一超导层104可以为铌层，第二绝缘层105可以为铝-氧化铝层，第二超导层106为铌层，则约瑟夫森结可以为nb/al-alox/nb结构。制备al-alox膜的氧化气压为100～5000mtorr，氧化时间为5～24小时。
112.具体地，首先在第一绝缘层103上沉积第二超导层106，在沉积完成第二超导层106后，在第二超导层106上沉积第二绝缘层105，在沉积完成第二绝缘层105后，在第二绝缘层105上沉积第一超导层104。
113.s2042：通过微加工工艺依次处理第一超导层104、第二绝缘层105和第二超导层106，以将第一超导层104、第二绝缘层105和第二超导层106加工至预定图形，如图8至图10所示。
114.具体地，在非开孔区域进行光刻并刻蚀第一超导层104，定义出约瑟夫森结结区，然后光刻并刻蚀第二绝缘层105，以去除多余的第二绝缘层105，最后光刻并刻蚀第二超导层106，得到超导量子干涉仪环路所需的底电极图形。其中，约瑟夫森结结区面积为1～100μm2。
115.本实施例中，通过上述步骤得到约瑟夫森结，并将约瑟夫森结嵌入了超导量子干涉仪环路，从而可引出约瑟夫森结中的电流，进而根据电流实现相应物理参数的探测。
116.在一个实施例中，如图1所示，步骤s204还可以包括如下步骤：在第三绝缘层107远离第一绝缘层103的表面形成第三超导层109之后，通过微加工工艺对第三超导层109进行加工，以得到所需的顶电极图形。
117.本实施例中，通过将第三超导层109进行加工为所需的顶电极图形，从而使得第三超导层109可作为顶电极，另外，使第三超导层109与第二超导层106构成超导环，将约瑟夫森结嵌入超导环中，从而在探测过程中，通过超导环引出约瑟夫森结中的电流，实现相应物理参数的探测。
118.在一个实施例中，s207之后还可以包括如下步骤：对得到的样品进行划片。
119.应用中，可以理解，也可以在沉积完成第二超导层106时，通过微加工工艺将第二超导层106加工至预定图形；然后在第二超导层106上沉积第二绝缘层105，在沉积完成第二绝缘层105后，去除多余的第二绝缘层105；之后，在第二绝缘层105上沉积第一超导层104，并去除多余的第一超导层104。
120.本发明还提供了一种超导转变边沿探测器阵列读出系统，包括如上所述的超导量子干涉仪，所述超导量子干涉仪用于读出超导转变边沿探测器阵列的信号。
121.本实施例中，由于超导转变边沿探测器阵列读出系统包括上述的超导量子干涉仪，又由于上述的超导量子干涉仪的检测精度较高，因此，超导量子干涉仪读出超导转变边沿探测器阵列的信号的准确度较高，超导转变边沿探测器阵列读出系统具有较高的读出精度。
122.应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
123.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
124.上所述实施例的各技术特征可以进行任意的个合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的个合都进行描述，然而，只要这些技术特征的个合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
125.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：1.一种超导量子干涉仪，其特征在于，包括：衬底；地线层，形成于所述衬底的表面，所述地线层内设有第一通孔；第一绝缘层，形成于所述地线层远离所述衬底的表面，并填满所述第一通孔，所述第一绝缘层内设有第二通孔；约瑟夫森结，包括依次层叠的第一超导层、第二绝缘层和第二超导层，所述第二超导层位于第一绝缘层远离所述地线层的表面，并填满所述第二通孔，作为底电极；第三绝缘层，覆盖裸露的所述第一绝缘层及所述约瑟夫森结，所述第三绝缘层内设有第三通孔及第四通孔，所述第三通孔暴露出所述第一超导层，所述第四通孔暴露所述底电极；电阻，形成于所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面；第三超导层，覆盖所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面和所述电阻，并填满所述第三通孔和所述第四通孔，作为顶电极；所述第三超导层内设置有开口，所述开口将所述第三超导层分隔为通过所述电阻连接的两部分；其中，所述底电极和所述顶电极形成超导环。2.根据权利要求1所述的超导量子干涉仪，其特征在于，所述地线层为超导材料层。3.根据权利要求2所述的超导量子干涉仪，其特征在于，所述地线层为铌层或氮化铌层，所述第一绝缘层为二氧化硅层，所述地线层的厚度为100-1000nm，所述第一绝缘层的厚度为100-1000nm，所述地线层的厚度小于等于所述第一绝缘层的厚度。4.根据权利要求1所述的超导量子干涉仪，其特征在于，所述地线层包括：沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层；所述地线超导层内形成有第五通孔，所述地线绝缘层填满位于其下一层所述地线超导层内的所述第五通孔；所述地线绝缘层内形成有第六通孔，所述地线超导层填满位于其下一层的所述地线绝缘层内的所述第六通孔，以将相邻所述地线超导层相连接。5.根据权利要求4所述的超导量子干涉仪，其特征在于，所述地线超导层为铌层或氮化铌层，所述地线绝缘层为二氧化硅层，所述地线超导层的厚度为100-1000nm，所述地线绝缘层的厚度为100-1000nm，其中，所述地线绝缘层的厚度大于等于位于其下一层的所述地线超导层的厚度，所述地线超导层的厚度大于等于位于其下一层的所述地线绝缘层的厚度。6.根据权利要求1所述的超导量子干涉仪，其特征在于，所述第一超导层包括铌层或氮化铌层，所述第二绝缘层包括铝-氧化铝层，所述电阻包括钯金薄膜，所述第二超导层包括铌层或氮化铌层，所述第三绝缘层包括二氧化硅层，所述第三超导层包括铌层或氮化铌层，所述第一超导层的厚度为100-500nm，所述第二绝缘层的厚度为5-30nm，所述第二超导层的厚度为100-500nm，所述第三绝缘层的厚度为100-1000nm，所述钯金薄膜的厚度为50-500nm，所述第三超导层的厚度为200-800nm，所述第二超导层的厚度大于等于所述第一绝缘层的厚度，所述第三超导层的厚度大于等于所述第三绝缘层的厚度。7.一种超导量子干涉仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供衬底；在衬底的表面形成地线层，并在所述地线层内开设第一通孔；在所述地线层远离所述衬底的表面形成第一绝缘层，所述第一绝缘层填满所述第一通
孔，并在所述绝缘层内开设第二通孔；在所述第一绝缘层远离所述地线层的表面上形成约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括依次层叠的第一超导层、第二绝缘层和第二超导层，所述第二超导层位于所述第一绝缘层远离所述地线层的表面，并填满所述第二通孔，作为底电极；在裸露的所述第一绝缘层及所述约瑟夫森结上形成第三绝缘层，并在所述第三绝缘层内开设第三通孔和第四通孔，所述第三通孔暴露出所述第一超导层，所述第四通孔暴露出所述底电极；在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成电阻；在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成第三超导层，所述第三超导层填满所述第三通孔和所述第四通孔，作为顶电极，并在所述第三超导层内开设开口，所述开口将所述第三超导层分隔为通过所述电阻连接的两部分，其中，所述顶电极和所述底电极形成超导环。8.根据权利要求7所述的超导量子干涉仪的制备方法，其特征在于，在衬底上形成地线层包括如下步骤：在衬底上沉积沿厚度方向依次交替间隔排布的地线超导层及地线绝缘层，并在沉积所述地线超导层时，在所述地线超导层内开设第五通孔，在沉积所述地线绝缘层时，在所述地线绝缘层内开设第六通孔，其中，所述地线绝缘层填满位于其下一层所述地线超导层内的所述第五通孔，所述地线超导层填满位于其下一层的所述地线绝缘层内的所述第六通孔，以将相邻所述地线超导层相连接。9.根据权利要求7所述的超导量子干涉仪的制备方法，其特征在于，在所述第一绝缘层上形成约瑟夫森结包括：依次在所述第一绝缘层上沉积第二超导层、第二绝缘层和第一超导层；通过微加工工艺依次处理所述第一超导层、所述第二绝缘层和所述第二超导层，以将所述第一超导层、所述第二绝缘层和所述第二超导层加工至预定图形。10.根据权利要求7所述的超导量子干涉仪的制备方法，其特征在于，在所述第三绝缘层远离所述第一绝缘层的表面形成第三超导层之后，还包括：通过微加工工艺对所述第三超导层进行加工，以得到所需的顶电极图形。11.一种超导转变边沿探测器阵列读出系统，其特征在于，包括如权1至权6任一项所述的超导量子干涉仪，所述超导量子干涉仪用于读出超导转变边沿探测器阵列的信号。
技术总结本发明涉及一种超导量子干涉仪及其制备方法，所述超导量子干涉仪包括：衬底；地线层，形成于衬底的表面；第一绝缘层，形成于地线层远离衬底的表面；约瑟夫森结，包括依次层叠的第一超导层、第二绝缘层和第二超导层，作为底电极；第三绝缘层，覆盖裸露的第一绝缘层及约瑟夫森结，第三绝缘层内设有第三通孔及第四通孔，第三通孔暴露出第一超导层，第四通孔暴露底电极；电阻，形成于第三绝缘层远离第一绝缘层的表面；第三超导层，覆盖第三绝缘层填满第三通孔和第四通孔，作为顶电极；第三超导层内设置有开口，开口将第三超导层分隔为通过电阻连接的两部分。通过增设地线超导层，使钉扎的磁通量子限制在第一通孔中，从而降低磁通钉扎的影响。的影响。的影响。
技术研发人员：王仕建 高鹤 李劲劲 王雪深 徐达 钟青
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/5
