一種超高真空內(nèi)原位制作二維量子霍爾器件的裝置及方法與流程

本發(fā)明涉及量子信息，尤其涉及一種超高真空內(nèi)原位制作二維量子霍爾器件的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、量子計算，是能突破經(jīng)典算力瓶頸的新型計算模式，為解決某些經(jīng)典計算機難以處理的復雜問題提供了新的可能性，有望在密碼破譯、材料設(shè)計以及人工智能等方面得到廣泛應(yīng)用。量子計算機，作為執(zhí)行量子計算任務(wù)的設(shè)備，研制量子計算機是實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵。量子計算機包括離子、中性原子、光子等天然量子比特路線，以及超導約瑟夫森結(jié)、量子點等人工量子比特路線。無論是何種路線的量子計算機，都以量子比特為基本運算單元，超導約瑟夫森結(jié)可以作為類似于兩個能級的原子系統(tǒng)，只?；鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)兩個，可以用于實現(xiàn)完美的量子比特。各種約瑟夫森結(jié)、霍爾開關(guān)器件組合起來，便構(gòu)成了量子計算機的各種量子門。集成度逐步增加，便期望能完成各種復雜的量子計算任務(wù)。

2、用于制造超導約瑟夫森結(jié)的二維薄膜，一般要將其制成霍爾圖案、點電極、覆蓋絕緣層和柵壓電極等過程來進行電輸運測量和柵壓調(diào)控，用于檢測二維薄膜是否具備超導性以備制作超導約瑟夫森結(jié)。目前使用的方式是將在超高真空環(huán)境下在晶圓上制備好的二維薄膜拿出大氣，由微納加工工藝經(jīng)過一系列的光刻、刻蝕等步驟完成。而拿出大氣和微納加工的過程中，樣品就會受到空氣中的氧氣、水汽、粉塵、殘留膠等的污染。用于分子束外延的不銹鋼腔體提供的超高真空環(huán)境，真空度能達到1e10^-10?torr，作為材料生長和制備器件環(huán)境的天花板，能夠?qū)崿F(xiàn)器件表面原子級尺度的平整，目前還沒有在超高真空環(huán)境下將超導直接原位制造復雜二維量子霍爾器件的方法。

3、專利號為cn110501527b的中國發(fā)明專利提出了一種高真空原位微型薄膜與電極生長系統(tǒng)，其可以通過在超高真空內(nèi)原位薄膜生長和電極生長制作微型復雜圖案的輸運測試樣品，其存在制備效率低，操作流程復雜的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中提到的問題，本發(fā)明提供一種超高真空內(nèi)原位制作二維量子霍爾器件的裝置及方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種超高真空內(nèi)原位制作二維量子霍爾器件的裝置，包括可xy平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和z軸移動的操縱臺、樣品臺、樣品架和傳樣桿，所述操縱臺上固定有多根導軌柱，導軌柱的底端固定有環(huán)形支架；

4、所述樣品臺固定安裝在導軌柱上，樣品臺上開設(shè)有插槽，樣品架插在插槽的內(nèi)部，樣品架內(nèi)固定有1英寸大小的樣品晶圓；

5、所述樣品臺的正下方設(shè)有輪盤底座，輪盤底座包括輪盤座上層和輪盤座下層，輪盤座上層和輪盤座下層之間分別轉(zhuǎn)動安裝有齒輪c和齒輪b，輪盤座上層的頂端轉(zhuǎn)動連接有掩膜旋翼，掩膜旋翼上安裝有四個掩膜，掩膜旋翼的中心位置設(shè)有第一支柱，第一支柱與齒輪c固定，所述導軌柱的外部位于輪盤底座與環(huán)形支架之間套設(shè)有復位彈簧；

6、所述輪盤底座的上還設(shè)有齒輪a，齒輪c、齒輪b和齒輪a依次嚙合，通過傳樣桿推動輪盤底座向下移動。

7、優(yōu)選地，所述樣品臺上開設(shè)有掩膜容納孔和旋翼定位孔，掩膜容納孔與掩膜旋翼相互匹配，旋翼定位孔與第一支柱相互對應(yīng)。

8、優(yōu)選地，所述輪盤座上層的頂端設(shè)有第二支柱，樣品架上的插槽內(nèi)設(shè)有定位凸起，樣品架的外邊緣設(shè)有定位缺口，定位凸起和第二支柱的形狀均與定位缺口對應(yīng)匹配。

9、優(yōu)選地，所述樣品臺與樣品架為鉭、鉬或鈦金屬加工制成，可以經(jīng)由操縱臺沿z軸上移到操縱臺自帶的鎢絲或石墨片加熱器下方，輻射加熱區(qū)間為室溫到1000攝氏度，用于在樣品晶圓上進行分子束外延生長。

10、優(yōu)選地，所述插槽上位于樣品架的兩側(cè)具有輔助定位機構(gòu)，所述輔助定位機構(gòu)包括轉(zhuǎn)軸和彈性伸縮桿，轉(zhuǎn)軸的頂端固定有觸發(fā)桿和夾持桿，夾持桿的一端固定有弧形夾持條，觸發(fā)桿的一端固定有觸發(fā)球，彈性伸縮桿的伸縮端固定有滑動棒，觸發(fā)桿上開設(shè)有矩形開口，滑動棒通過矩形開口貫穿觸發(fā)桿，樣品臺的頂端還通過滑軌彈性滑動安裝有限位楔塊，彈性伸縮桿的伸縮端頂側(cè)固定有豎直設(shè)置的限位桿。

11、優(yōu)選地，所述齒輪a固定在傳樣桿的底端，傳樣桿能夠帶動齒輪a升降和轉(zhuǎn)動。

12、優(yōu)選地，所述齒輪a轉(zhuǎn)動安裝在輪盤底座上，且齒輪a的底端通過單向傳動器連接有聯(lián)動柱，聯(lián)動柱上開設(shè)有限位槽，限位槽沿著螺線延伸，環(huán)形支架的底端固定有限位橫桿，限位橫桿的一端延伸至限位槽內(nèi)。

13、優(yōu)選地，所述齒輪a轉(zhuǎn)動安裝在輪盤底座上，且齒輪a的頂端通過單向傳動器連接有插接組件，插接組件上開設(shè)有多個插接孔，相鄰插接孔之間具有過度斜面，傳樣桿的底端固定有與插接孔一一對應(yīng)的插桿。

14、一種超高真空內(nèi)原位制作二維量子霍爾器件的方法，包括以下步驟：

15、s1：從超高真空外操作傳樣桿能夠操作齒輪a向下咬合住齒輪b后繼續(xù)向下壓住輪盤座下層的外沿；

16、s2：操作傳樣桿向下移動輪盤底座使其帶著齒輪b、齒輪c和掩膜旋翼沿著導軌柱一起向下移動；

17、s3：旋轉(zhuǎn)傳樣桿使齒輪a轉(zhuǎn)動，通過嚙合帶動齒輪b轉(zhuǎn)動，再通過嚙合傳動帶動齒輪c轉(zhuǎn)動，進而帶動掩膜旋翼轉(zhuǎn)動，對樣品架正下方的掩膜進行選擇，可以依次選擇四個掩膜；

18、s4：向上移動傳樣桿，利用導軌柱上的復位彈簧的推動，使得輪盤底座向上移動，進而帶著其上方的掩膜旋翼一起向上移動，直到選擇好的掩膜的上表面接觸樣品晶圓的下表面，實現(xiàn)掩膜與樣品晶圓表面的接觸；

19、s5：通過超高真空腔體內(nèi)置的下方的蒸發(fā)源進行薄膜沉積或者電極蒸鍍；

20、s6：重復以上s1-s4的流程4次，并依次選用四個掩膜，即可原位制備完成柵壓調(diào)控的超導霍爾器件；

21、優(yōu)選地，所述步驟s6中使用四個掩膜在1英寸樣品晶圓上，依次使用各個蒸發(fā)源通過分子束外延生長方法生長量子反?；魻栃?yīng)薄膜，金電極，氧化鋁，柵壓金電極，從而完成量子霍爾器件的全超高真空內(nèi)制備流程。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

23、1、?相對于使用微納加工的技術(shù)將拿出大氣的樣品進行微納加工制備成霍爾器件來說，本方案所有的過程全部處于超高真空內(nèi)，利用一種輪盤式原位更換掩膜的方法直接將整個制備霍爾器件的過程在超高真空腔體內(nèi)完成，使得樣品免受大氣污染和潮解以及微納加工過程中受到的化學污染，極大地提高了柵壓調(diào)控的超導霍爾器件的制備效率，簡化了流程，降低了成本。

24、2、樣品架被牢固地限定在樣品臺的插槽內(nèi)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中僅依靠重力放置導致固定效果差、易因外力錯位的問題，極大地提高了對樣品晶圓的固定穩(wěn)定性，確保在制作過程中樣品晶圓不會因外力干擾而發(fā)生位置偏移，從而顯著降低了制作失敗的風險。

25、3、輪盤底座及其相關(guān)部件的協(xié)同工作，配合傳樣桿的推動和轉(zhuǎn)動操作，能夠精確地控制掩膜旋翼與樣品晶圓的分離和掩膜的切換選擇。這一設(shè)計使得在超高真空環(huán)境外即可便捷地完成操作，無需在真空內(nèi)部進行復雜的操作步驟，不僅使用簡單方便，而且裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，有效地減少了設(shè)備所占用的空間。

26、4、輔助定位機構(gòu)中的彈性伸縮桿、轉(zhuǎn)軸、觸發(fā)桿、夾持桿和弧形夾持條等部件協(xié)同工作，在樣品架安裝過程中實現(xiàn)自動夾持和定位，進一步提高了樣品架安裝的穩(wěn)固性，為制作過程提供了更可靠的保障。

27、5、采用單向傳動器、聯(lián)動柱、限位橫桿以及特定角度的限位槽等設(shè)計，使得傳樣桿在豎直移動時能夠自動帶動齒輪a精確轉(zhuǎn)動特定角度，解決了切換掩膜時角度容易存在誤差的問題，保證了每次轉(zhuǎn)動角度的準確性。

28、6、齒輪a頂端通過單向傳動器連接的插接組件，以及傳樣桿底端的插桿和過度斜面的設(shè)計，實現(xiàn)了傳樣桿與齒輪a的自動對準，避免了通過繁瑣的轉(zhuǎn)動傳樣桿進行微調(diào)對準的操作，大大提高了操作的便捷性，同時在對準過程中不會影響掩膜旋翼的位置，確保制作過程的準確性和穩(wěn)定性。