低噪聲超導量子干涉器件磁強計設計與制備

韓昊軒 張國峰 張雪 梁恬恬 應利良 王永良 彭煒 王鎮

1)(中國科學院上海微系統與信息技術研究所，信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050)

2)(中國科學院超導電子學卓越創新中心，上海 200050)

3)(中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

超導量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是一種極為靈敏的磁通傳感器,原則上可以探測一切可以轉化為磁通的物理量.在結構上主要由超導環和約瑟夫森結組成.根據環中約瑟夫森結的數量分類,含有一個結的稱為交流(rf)SQUID,含有兩個結稱為直流(dc)SQUID.根據組成超導材料來分類,又可分為低溫SQUID和高溫SQUID.其中,低溫dc SQUID不論在噪聲性能、工藝穩定性、讀出電路組成方面都有明顯優勢,在生物磁探測、低場核磁共振成像、地球物理探測等方面具有廣泛應用[1?3].本文主要介紹基于Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結的低溫dc SQUID的制備.

約瑟夫森結通常具有回滯的電流-電壓特性曲線[4],因此在組成SQUID時需要并聯電阻以消除回滯,一般要求回滯系數βc=2πIcR2C/Φ0≦1 ,其中Ic為結臨界電流,R為結并聯電阻,C為結電容,F0為磁通量子(2.07 × 10–15Wb).SQUID超導環的大小決定了其磁場靈敏度,環越大則靈敏度越高,反之亦然.但是,環尺寸太大會造成SQUID電感增加.根據仿真結果[5],在優化條件bc=bL=1下,磁通噪聲(√SF)2=16kBTL2/R,其中kB為玻爾茲曼常數,T為溫度,L為SQUID電感,可以看到SQUID電感增加會引起磁通噪聲提高.因此,當被用作磁探測器件時,SQUID通常與超導磁通變壓器共同組成磁強計,如圖1所示.磁通變壓器是一組由輸入線圈Lin和探測線圈Lp組成的超導環路,輸入線圈與SQUID之間通過互感Min進行磁通耦合.探測線圈的有效面積Aeff與SQUID磁通噪聲共同決定了SQUID磁場噪聲,即：√SB=√SF/Aeff.

圖1 SQUID磁強計示意圖Fig.1.Schematic diagram of SQUID magnetometer.

SQUID由于具有阻抗小、噪聲低的特點,當與室溫放大電路連接時會造成失配.Drung等[6]利用低溫附加正反饋電路(additional positive feedback,APF)提升磁通-電壓轉換系數,實現直讀噪聲1.6 fT/√Hz.Schmelz等[7]同樣利用APF對亞微米結工藝制備的磁強計進行測試,得到了低于1 fT/√Hz的噪聲性能.Xie等[8]利用自舉電路(SQUID bootstrap circuit,SBC)也得到2 fT/√Hz的磁強計噪聲性能.近期,Zeng等[9]研發欠阻尼SQUID,省略了附加反饋電路,犧牲少量噪聲性能得到更加簡單實用的直讀器件,噪聲性能仍然達到5 fT/√Hz.本文基于欠阻尼SQUID設計,通過提升器件有效面積獲得更高靈敏度,實現低噪聲磁強計制備,用于多通道生物磁探測系統.

得益于半導體工藝的飛速發展,SQUID現在也可以在整片硅晶圓上實現制備.目前,最為成熟標準的平面工藝包括選擇鈮刻蝕工藝(selective niobium etch process,SNEP)[10].本文根據自主工藝平臺特點,對SNEP做適當修改,進行了高靈敏度SQUID磁強計制備,并對器件電流-電壓特性、磁通調制特性和噪聲性能等進行了測試表征.

2 SQUID磁強計設計

圖2顯示了SQUID磁強計設計圖,其中SQUID部分采用了一階梯度的并聯電感設計,這樣設計有兩個優點：一是增加SQUID有效面積但是電感并沒有顯著增加; 二是一階梯度增加了SQUID抗共模干擾的能力[11].SQUID電感采取經典的墊圈結構,這樣有利于集成輸入線圈與SQUID間的有效磁通耦合.

磁通變壓器由兩部分組成：輸入線圈和探測線圈.輸入線圈為螺旋多匝結構,集成在SQUID墊圈結構之上,每個墊圈之上線圈匝數一致但是繞向相反,總輸入電感為兩組線圈串聯之和.探測線圈為單匝平面電感,線圈尺寸和線寬決定了磁場探測有效面積.一般情況下,要求探測線圈和輸入線圈電感值相等,可以實現最佳的磁通轉換效率.本文為了保證磁強計的磁場靈敏度,盡量增加探測線圈的幾何尺寸,相關設計參數見表1.

3 SQUID磁強計制備工藝

本文采用的平面工藝基于標準SNEP工藝,再結合自主工藝平臺特點,創新點在于利用反應離子刻蝕工藝(RIE)同時對結區和底電極進行圖形加工,優點在于避免Al-AlOx勢壘層的單獨光刻加工,從而避免了Al與堿性顯影液反應的可能.具體的工藝流程如圖3所示.

(a)Nb/Al-AlOx/Nb三層膜沉積.利用直流磁控濺原位生長Nb/Al-AlOx/Nb三層膜[13?19].薄膜沉積參數見表2.其中,薄膜沉積背景真空為2.3 ×10–5Pa,Nb薄膜和Al薄膜均采用恒定電流模式,分別在1.5 A和0.3 A下實現生長速率為1.2 nm/s和0.25 nm/s.Al薄膜在不破壞真空的情況下在純氧氣中進行原位氧化,利用氧化氣壓和氧化時間來決定AlOx勢壘層的厚度,從而決定結臨界電流密度[19].本文采用2.6 kPa純氧中氧化12h實現50 A/cm2臨界電流密度.為了實現后續工藝過程,上下層Nb薄膜均采用100 nm.

圖2 (a)SQUID磁強計設計圖;(b)等效電路圖Fig.2.(a)Design of SQUID magnetometer and(b)the schematic diagram.

表1 SQUID磁強計設計參數Table 1.Design parameters of SQUID~magnetometer.

(b)底電極預定義：利用接觸式紫外光刻工藝對底電極進行預定義,配合RIE對頂層Nb薄膜進行刻蝕.然后在不去膠的情況下,再利用離子束刻蝕對勢壘層進行物理刻蝕.此時,保留了底層Nb薄膜.

(c)定義結區和底電極：再次進行光刻,主要用于實現結區圖形.當進行RIE工藝時,頂層和底層Nb將被同時刻蝕.其中,上一步中預留的勢壘層將作為底電極的刻蝕阻止層,從而實現與結區的同時實現,如圖3(c)所示.

(d)結并聯電阻：本文中電阻采用鉬薄膜電阻實現,通過磁控濺射法制備.其中電阻加工可以通過剝離(lift-off)或RIE刻蝕實現.

(e)二氧化硅SiO2絕緣層：利用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)技術進行SiO2絕緣層的沉積.同樣利用RIE進行刻蝕,實現結區電極和電阻電極的通孔.

(f)頂電極和線圈定義：頂電極Nb薄膜采用上述相同的沉積條件.在該步驟中實現了輸入線圈、探測線圈、反饋線圈、頂電極以及結和電阻之間的連接.

圖3 器件工藝流程圖Fig.3.Process flow chart of SQUID magnetometer.

表2 Nb/Al-AlOx/Nb三層膜生長參數Table 2.Deposition parameters of Nb/Al-AlOx/Nb trilayer.

4 SQUID磁強計測試結果

器件工作所需的低溫環境利用液氦(4.2 K)來實現.為了獲得器件本征性能,需要對外界環境干擾進行有效屏蔽,因此本實驗一方面利用鈮屏蔽筒在低溫下實現超導屏蔽,另一方面將杜瓦等低溫測試系統置于磁屏蔽室(MSR)內,在屏蔽室內利用讀出電路調節SQUID最佳工作點,同時在屏蔽室外完成數據采集.

SQUID磁強計測試表征利用自主研制的直讀電路完成.與傳統磁通調制讀出電路不同的是,該直讀電路利用并聯前放技術獲得較低的電壓噪聲[20],可以實現與SQUID之間的直接放大讀出.讀出電路利用磁通鎖定環(flux-locked loop,FLL)技術實現SQUID線性化讀出[21],即利用閉環負反饋技術將周期、非線性的SQUID調制信號轉化為隨外場線性變化的磁傳感系統.

圖4(a)顯示了SQUID磁強計的電流-電壓特性測試曲線,三條曲線分別對應外加磁通nF0,(n+1/2)F0和(2n+1)F0/4.SQUID臨界電流為32 μA,導致此時回滯系數bc> 1,再通過下文的測試結果分析,此時器件工作于欠阻尼情況下,此即所謂的欠阻尼SQUID[9],具有較大的磁通-電壓轉換系數(?V/?Φ),更加適合于直讀電路.

圖4(b)顯示了不同偏置電流下的電壓-磁通調制曲線,最大調制幅度達到47 μV,使工作點W處的?V/?Φ=146 μV/F0.利用自制低噪聲直讀電路,對該磁強計進行了噪聲測試,噪聲曲線如圖5所示.可以看到,在白噪聲段,器件磁通噪聲達到8μF0/√Hz.利用亥姆霍茲線圈構建均勻標定磁場,對該磁強計進行了有效面積標定.通過施加若干組已知磁場,監測SQUID輸出,再通過線性擬合得到1/Aeff=0.36 nT/F0.再根據√SB=√SF/Aeff,獲得磁強計等效磁場噪聲為2.88 fT/√Hz.相關測試結果匯總在表3中.

圖4 (a)電流-電壓特性曲線;(b)不同偏置電流下的電壓-線圈電流(磁通)調制曲線,其中調制周期為4.3 μA/F0Fig.4.(a)Current-voltage curves;(b)voltage-coil current(flux)curves under different bias currents with a period of 4.3 μA/F0.

圖5 SQUID磁強計噪聲曲線 曲線中出現的雜峰主要是實驗室震動干擾導致,插圖顯示的是最佳工作點(W)時調制曲線Fig.5.Noise figure of SQUID magnetometer,in which the lines between 10–200 Hz were mainly caused by vibrations in the laboratory.The inset shows the modulation curve with the best working point.

測試結果顯示,采用大尺寸耦合線圈,SQUID靈敏度得到提升[22].由于靈敏度不僅與線圈尺寸相關,而且與輸入線圈電感匹配及輸入線圈與SQUID之間的有效磁通耦合相關,因此該設計還可以進一步優化輸入線圈匝數及調整探測線圈線寬以獲得最佳的磁通傳輸效率,來獲得更高的探測靈敏度.

表3 SQUID磁強計測試結果Table 3.Measured results of SQUID magnetometer.

5 結 論

本文介紹了一種基于Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結的SQUID磁強計.利用自主工藝線在4英寸硅襯底上完成了大尺寸、高靈敏度SQUID磁強計的制備,實現器件磁場靈敏度達到0.36 nT/F0,器件磁場噪聲性能在白噪聲段達到2.88 fT/√Hz.該SQUID磁強計適用于構建多通道探測系統,在人體心磁、腦磁等生物磁探測中得到應用.值得一提的是,隨著SQUID磁強計芯片尺寸的增加,對晶圓平面工藝穩定性和可靠性提出了更高的要求,最直接的反映就是芯片良率.目前,我們實現了4英寸硅襯底上最佳片上良率50%以上,但是不同批次之間仍有起伏,這也是未來SQUID工藝方面應重點改進的地方.