低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

韩昊轩 张国峰 张雪 梁恬恬 应利良 王永良 彭炜 王镇

1)(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，信息功能材料国家重点实验室，上海 200050)

2)(中国科学院超导电子学卓越创新中心，上海 200050)

3)(中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是一种极为灵敏的磁通传感器,原则上可以探测一切可以转化为磁通的物理量.在结构上主要由超导环和约瑟夫森结组成.根据环中约瑟夫森结的数量分类,含有一个结的称为交流(rf)SQUID,含有两个结称为直流(dc)SQUID.根据组成超导材料来分类,又可分为低温SQUID和高温SQUID.其中,低温dc SQUID不论在噪声性能、工艺稳定性、读出电路组成方面都有明显优势,在生物磁探测、低场核磁共振成像、地球物理探测等方面具有广泛应用[1−3].本文主要介绍基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的低温dc SQUID的制备.

约瑟夫森结通常具有回滞的电流-电压特性曲线[4],因此在组成SQUID时需要并联电阻以消除回滞,一般要求回滞系数βc=2πIcR2C/Φ0≦1 ,其中Ic为结临界电流,R为结并联电阻,C为结电容,F0为磁通量子(2.07 × 10–15Wb).SQUID超导环的大小决定了其磁场灵敏度,环越大则灵敏度越高,反之亦然.但是,环尺寸太大会造成SQUID电感增加.根据仿真结果[5],在优化条件bc=bL=1下,磁通噪声(√SF)2=16kBTL2/R,其中kB为玻尔兹曼常数,T为温度,L为SQUID电感,可以看到SQUID电感增加会引起磁通噪声提高.因此,当被用作磁探测器件时,SQUID通常与超导磁通变压器共同组成磁强计,如图1所示.磁通变压器是一组由输入线圈Lin和探测线圈Lp组成的超导环路,输入线圈与SQUID之间通过互感Min进行磁通耦合.探测线圈的有效面积Aeff与SQUID磁通噪声共同决定了SQUID磁场噪声,即：√SB=√SF/Aeff.

图1 SQUID磁强计示意图Fig.1.Schematic diagram of SQUID magnetometer.

SQUID由于具有阻抗小、噪声低的特点,当与室温放大电路连接时会造成失配.Drung等[6]利用低温附加正反馈电路(additional positive feedback,APF)提升磁通-电压转换系数,实现直读噪声1.6 fT/√Hz.Schmelz等[7]同样利用APF对亚微米结工艺制备的磁强计进行测试,得到了低于1 fT/√Hz的噪声性能.Xie等[8]利用自举电路(SQUID bootstrap circuit,SBC)也得到2 fT/√Hz的磁强计噪声性能.近期,Zeng等[9]研发欠阻尼SQUID,省略了附加反馈电路,牺牲少量噪声性能得到更加简单实用的直读器件,噪声性能仍然达到5 fT/√Hz.本文基于欠阻尼SQUID设计,通过提升器件有效面积获得更高灵敏度,实现低噪声磁强计制备,用于多通道生物磁探测系统.

得益于半导体工艺的飞速发展,SQUID现在也可以在整片硅晶圆上实现制备.目前,最为成熟标准的平面工艺包括选择铌刻蚀工艺(selective niobium etch process,SNEP)[10].本文根据自主工艺平台特点,对SNEP做适当修改,进行了高灵敏度SQUID磁强计制备,并对器件电流-电压特性、磁通调制特性和噪声性能等进行了测试表征.

2 SQUID磁强计设计

图2显示了SQUID磁强计设计图,其中SQUID部分采用了一阶梯度的并联电感设计,这样设计有两个优点：一是增加SQUID有效面积但是电感并没有显著增加; 二是一阶梯度增加了SQUID抗共模干扰的能力[11].SQUID电感采取经典的垫圈结构,这样有利于集成输入线圈与SQUID间的有效磁通耦合.

磁通变压器由两部分组成：输入线圈和探测线圈.输入线圈为螺旋多匝结构,集成在SQUID垫圈结构之上,每个垫圈之上线圈匝数一致但是绕向相反,总输入电感为两组线圈串联之和.探测线圈为单匝平面电感,线圈尺寸和线宽决定了磁场探测有效面积.一般情况下,要求探测线圈和输入线圈电感值相等,可以实现最佳的磁通转换效率.本文为了保证磁强计的磁场灵敏度,尽量增加探测线圈的几何尺寸,相关设计参数见表1.

3 SQUID磁强计制备工艺

本文采用的平面工艺基于标准SNEP工艺,再结合自主工艺平台特点,创新点在于利用反应离子刻蚀工艺(RIE)同时对结区和底电极进行图形加工,优点在于避免Al-AlOx势垒层的单独光刻加工,从而避免了Al与碱性显影液反应的可能.具体的工艺流程如图3所示.

(a)Nb/Al-AlOx/Nb三层膜沉积.利用直流磁控溅原位生长Nb/Al-AlOx/Nb三层膜[13−19].薄膜沉积参数见表2.其中,薄膜沉积背景真空为2.3 ×10–5Pa,Nb薄膜和Al薄膜均采用恒定电流模式,分别在1.5 A和0.3 A下实现生长速率为1.2 nm/s和0.25 nm/s.Al薄膜在不破坏真空的情况下在纯氧气中进行原位氧化,利用氧化气压和氧化时间来决定AlOx势垒层的厚度,从而决定结临界电流密度[19].本文采用2.6 kPa纯氧中氧化12h实现50 A/cm2临界电流密度.为了实现后续工艺过程,上下层Nb薄膜均采用100 nm.

图2 (a)SQUID磁强计设计图;(b)等效电路图Fig.2.(a)Design of SQUID magnetometer and(b)the schematic diagram.

表1 SQUID磁强计设计参数Table 1.Design parameters of SQUID~magnetometer.

(b)底电极预定义：利用接触式紫外光刻工艺对底电极进行预定义,配合RIE对顶层Nb薄膜进行刻蚀.然后在不去胶的情况下,再利用离子束刻蚀对势垒层进行物理刻蚀.此时,保留了底层Nb薄膜.

(c)定义结区和底电极：再次进行光刻,主要用于实现结区图形.当进行RIE工艺时,顶层和底层Nb将被同时刻蚀.其中,上一步中预留的势垒层将作为底电极的刻蚀阻止层,从而实现与结区的同时实现,如图3(c)所示.

(d)结并联电阻：本文中电阻采用钼薄膜电阻实现,通过磁控溅射法制备.其中电阻加工可以通过剥离(lift-off)或RIE刻蚀实现.

(e)二氧化硅SiO2绝缘层：利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术进行SiO2绝缘层的沉积.同样利用RIE进行刻蚀,实现结区电极和电阻电极的通孔.

(f)顶电极和线圈定义：顶电极Nb薄膜采用上述相同的沉积条件.在该步骤中实现了输入线圈、探测线圈、反馈线圈、顶电极以及结和电阻之间的连接.

图3 器件工艺流程图Fig.3.Process flow chart of SQUID magnetometer.

表2 Nb/Al-AlOx/Nb三层膜生长参数Table 2.Deposition parameters of Nb/Al-AlOx/Nb trilayer.

4 SQUID磁强计测试结果

器件工作所需的低温环境利用液氦(4.2 K)来实现.为了获得器件本征性能,需要对外界环境干扰进行有效屏蔽,因此本实验一方面利用铌屏蔽筒在低温下实现超导屏蔽,另一方面将杜瓦等低温测试系统置于磁屏蔽室(MSR)内,在屏蔽室内利用读出电路调节SQUID最佳工作点,同时在屏蔽室外完成数据采集.

SQUID磁强计测试表征利用自主研制的直读电路完成.与传统磁通调制读出电路不同的是,该直读电路利用并联前放技术获得较低的电压噪声[20],可以实现与SQUID之间的直接放大读出.读出电路利用磁通锁定环(flux-locked loop,FLL)技术实现SQUID线性化读出[21],即利用闭环负反馈技术将周期、非线性的SQUID调制信号转化为随外场线性变化的磁传感系统.

图4(a)显示了SQUID磁强计的电流-电压特性测试曲线,三条曲线分别对应外加磁通nF0,(n+1/2)F0和(2n+1)F0/4.SQUID临界电流为32 μA,导致此时回滞系数bc> 1,再通过下文的测试结果分析,此时器件工作于欠阻尼情况下,此即所谓的欠阻尼SQUID[9],具有较大的磁通-电压转换系数(∂V/∂Φ),更加适合于直读电路.

图4(b)显示了不同偏置电流下的电压-磁通调制曲线,最大调制幅度达到47 μV,使工作点W处的∂V/∂Φ=146 μV/F0.利用自制低噪声直读电路,对该磁强计进行了噪声测试,噪声曲线如图5所示.可以看到,在白噪声段,器件磁通噪声达到8μF0/√Hz.利用亥姆霍兹线圈构建均匀标定磁场,对该磁强计进行了有效面积标定.通过施加若干组已知磁场,监测SQUID输出,再通过线性拟合得到1/Aeff=0.36 nT/F0.再根据√SB=√SF/Aeff,获得磁强计等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.相关测试结果汇总在表3中.

图4 (a)电流-电压特性曲线;(b)不同偏置电流下的电压-线圈电流(磁通)调制曲线,其中调制周期为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.

图5 SQUID磁强计噪声曲线 曲线中出现的杂峰主要是实验室震动干扰导致,插图显示的是最佳工作点(W)时调制曲线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.

测试结果显示,采用大尺寸耦合线圈,SQUID灵敏度得到提升[22].由于灵敏度不仅与线圈尺寸相关,而且与输入线圈电感匹配及输入线圈与SQUID之间的有效磁通耦合相关,因此该设计还可以进一步优化输入线圈匝数及调整探测线圈线宽以获得最佳的磁通传输效率,来获得更高的探测灵敏度.

表3 SQUID磁强计测试结果Table 3.Measured results of SQUID magnetometer.

5 结 论

本文介绍了一种基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的SQUID磁强计.利用自主工艺线在4英寸硅衬底上完成了大尺寸、高灵敏度SQUID磁强计的制备,实现器件磁场灵敏度达到0.36 nT/F0,器件磁场噪声性能在白噪声段达到2.88 fT/√Hz.该SQUID磁强计适用于构建多通道探测系统,在人体心磁、脑磁等生物磁探测中得到应用.值得一提的是,随着SQUID磁强计芯片尺寸的增加,对晶圆平面工艺稳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,我们实现了4英寸硅衬底上最佳片上良率50%以上,但是不同批次之间仍有起伏,这也是未来SQUID工艺方面应重点改进的地方.