ETD

• bridge-free
• giunzione Josephson
• quantum computing

The present thesis focuses on the laboratory fabrication of Al/AlOₓ/Al Josephson junctions using a bridge-free shadow evaporation technique, developed within the broader context of superconducting technologies for quantum computing. The interest in such devices arises from the central role played by the Josephson junction in superconducting qubits: unlike a purely harmonic LC oscillator, characterized by equally spaced energy levels, the presence of the junction introduces a nonlinearity that leads to an anharmonic energy spectrum. This allows for the selective addressing of the fundamental transition, which is a necessary condition for implementing a circuit-based qubit. In this framework, the quality of the AlOₓ tunnel barrier and of the metal interfaces is of crucial importance, as it directly affects not only the static electrical parameters of the junction but also dielectric losses and, more generally, the performance of the device in quantum applications.
Following a theoretical overview of superconducting qubits and the physics of Al/AlOₓ/Al Josephson junctions, the work focuses on the experimental implementation and optimization of a bridge-free fabrication approach, adopted as an alternative to conventional suspended-bridge techniques. This method preserves the advantages of in-situ shadow evaporation for barrier formation while replacing the mechanical fragility of the suspended bridge with a geometrical control of the resist undercut. The operating principle relies on engineering an asymmetric profile in a bilayer resist system such that, during the two angled evaporations, only one deposition reaches the substrate along the connection lines, while the other is deposited on the resist sidewalls and subsequently removed during lift-off. In the central region, the overlap of the two evaporated aluminum layers, separated by an intermediate oxidation step, defines the Al/AlOₓ/Al superconductor–insulator–superconductor structure. This approach results in a more robust masking scheme compared to suspended-bridge processes, albeit at the cost of increased sensitivity to the precise definition and reproducibility of the undercut.
The experimental activity was structured in several stages. First, the positive resists PMMA and MMA, used to form the bilayer lithographic stack, were characterized in order to determine their response as a function of electron-beam exposure dose and development conditions. A calibration mask consisting of an array of square patterns exposed at varying doses was employed to extract contrast curves and identify suitable exposure parameters. The development depth was quantitatively measured using atomic force microscopy (AFM), enabling a direct correlation between exposure dose and resulting resist profile. This step proved essential for selecting the most appropriate resist configuration capable of producing a controlled undercut compatible with the requirements of the bridge-free process.
Subsequently, the lithographic process and evaporation geometry were calibrated through iterative refinement of the mask design, exposure parameters, and development conditions. Cross-sectional analysis, obtained via controlled sample cleaving followed by scanning electron microscopy (SEM), played a key role in assessing the three-dimensional profile of the resist, verifying the presence and quality of the undercut, and identifying potential structural instabilities such as resist collapse. At the same time, modifications were introduced to the evaporation system to enable deposition at the desired angles. This required the design of a new sample holder and a complete recalibration of the quartz crystal microbalance, as the altered geometry significantly affected the relationship between the nominal thickness reading and the actual film thickness deposited on the sample.
A further important aspect of the work involved the progressive design and optimization of the full device mask, including contact pads, alignment markers, and the active junction region. The evolution of the layout, from initial test structures to the final configuration, was guided by experimental observations of pattern distortions and dose non-uniformities. It was found that the writing order of the electron-beam lithography pattern generator could significantly influence the final pattern quality, introducing systematic variations in feature definition. To mitigate this effect, a constrained writing sequence was implemented, ensuring improved reproducibility of the exposure process. Once all process parameters were stabilized, a comprehensive Standard Operating Procedure (SOP) was established, covering both the fabrication of Cr/Au contact structures and the subsequent lithography, angled evaporation, oxidation, and lift-off steps required for the realization of the Josephson junction.
Finally, prior to fabricating fully oxidized junctions, a preliminary electrical validation of the process was carried out by producing test structures without the intermediate oxidation step. This allowed for the verification of electrical continuity in the aluminum structures. Measurements performed using a probe station confirmed ohmic behavior and the absence of macroscopic discontinuities in the conduction path. The measured resistance values were higher than those predicted using bulk aluminum resistivity; however, this discrepancy is consistent with the well-known behavior of thin evaporated films, in which surface scattering, grain boundaries, and interface effects lead to an increased effective resistivity. Although these measurements do not yet constitute a full characterization of the Josephson junction in the quantum regime, they provide an essential validation of the fabrication process and the structural integrity of the devices.
In conclusion, this work enabled the development and calibration of a bridge-free fabrication process for Al/AlOₓ/Al Josephson junctions, highlighting the strong interplay between lithographic control, evaporation geometry, barrier formation, and electrical response. The main contribution of the thesis lies in transforming a conceptual fabrication approach into a structured and reproducible experimental procedure, based on resist characterization, cross-sectional analysis, instrumental recalibration, and preliminary electrical validation. The results obtained provide a solid foundation for further optimization of the tunnel barrier, cryogenic characterization, and integration of these junctions into superconducting circuits for quantum computing applications.

Il presente lavoro di tesi riguarda la realizzazione in laboratorio di giunzioni Josephson Al/AlOₓ/Al mediante una tecnica di shadow evaporation senza ponte sospeso, sviluppata nel quadro delle tecnologie per qubit superconduttivi. L’interesse verso tali dispositivi deriva dal ruolo centrale che la giunzione Josephson riveste nei circuiti quantistici: a differenza di un oscillatore LC puramente armonico, caratterizzato da livelli energetici equispaziati, la presenza della giunzione introduce una non linearità che rende lo spettro anarmonico e consente quindi di isolare e controllare in modo selettivo la transizione fondamentale, condizione necessaria per l’implementazione di un qubit a circuito. In tale contesto, la qualità della barriera tunnel AlOₓ e delle interfacce metalliche assume un’importanza decisiva, poiché influenza non solo i parametri elettrici statici della giunzione, ma anche le perdite dielettriche e, più in generale, le prestazioni del dispositivo in applicazioni quantistiche.

Dopo un inquadramento teorico dedicato ai fondamenti del qubit e alla fisica delle giunzioni Josephson Al/AlOₓ/Al, il lavoro si è concentrato sull’approfondimento e sull’implementazione sperimentale della tecnica bridge-free, scelta in alternativa ai processi tradizionali con ponte sospeso. Tale approccio conserva i vantaggi della shadow evaporation con formazione in-situ della barriera, ma sostituisce la criticità meccanica del ponte con un controllo geometrico dell’undercut nel resist. Il principio di funzionamento consiste nello sfruttare un profilo asimmetrico del bilayer litografico per fare in modo che, nelle linee di connessione, solo una delle due evaporazioni angolate raggiunga il substrato, mentre l’altra si depositi sulle pareti interne del resist e venga rimossa nel lift-off; nella regione centrale, invece, la sovrapposizione dei due depositi, separati da un’ossidazione intermedia controllata, definisce la giunzione SIS Al/AlOₓ/Al. In questo modo si ottiene una maschera più robusta rispetto alle architetture con ponte sospeso, a fronte di una maggiore sensibilità alla definizione e riproducibilità dell’undercut.
L’attività sperimentale è stata articolata in più fasi. In primo luogo sono stati caratterizzati i resist positivi PMMA e MMA, utilizzati per formare il bilayer litografico, allo scopo di determinarne il comportamento in funzione della dose di esposizione elettronica e delle condizioni di sviluppo. A tale scopo è stata impiegata una maschera di calibrazione costituita da strutture quadrate esposte a dose variabile; la profondità di sviluppo è stata misurata mediante AFM, ricavando curve di contrasto e parametri utili alla scelta delle configurazioni più idonee. Questa fase ha consentito di confrontare differenti combinazioni di spessori e concentrazioni di resist, individuando la struttura più promettente per la realizzazione dell’undercut richiesto dal processo bridge-free.
Successivamente è stata affrontata la calibrazione del processo litografico e della geometria di evaporazione. Attraverso più iterazioni di disegno maschera, variazione delle dosi high-dose e low-dose, osservazione in cross section e analisi SEM, è stato possibile ottimizzare progressivamente la forma del profilo resistivo e la definizione delle regioni centrali e delle “gambe” della struttura. L’analisi in sezione trasversale, ottenuta mediante frattura controllata del campione e osservazione SEM, si è rivelata uno strumento essenziale per verificare non solo l’esistenza dell’undercut, ma anche la stabilità meccanica delle aperture e la compatibilità con le deposizioni angolate previste. Parallelamente, l’assetto dell’evaporatore è stato modificato per permettere evaporazioni con l’angolo desiderato, introducendo un nuovo supporto campioni e rendendo necessaria una ricalibrazione completa della microbilancia, poiché la nuova configurazione geometrica alterava il rapporto tra spessore nominale indicato e spessore reale depositato sul campione.
Una parte significativa del lavoro ha inoltre riguardato la progettazione progressiva della maschera completa per il dispositivo finale, comprensiva di contatti metallici, marker di allineamento e regione attiva della giunzione. L’evoluzione del layout, dalle prime configurazioni fino alla versione finale denominata “Bequadro_piccolo”, è stata guidata dall’osservazione sperimentale delle deformazioni geometriche introdotte dalla sovrapposizione dei layer e dalla distribuzione non uniforme della dose. È emerso che anche l’ordine di scrittura dei poligoni da parte del pattern generator influiva sulla qualità finale delle strutture, introducendo una perdita sistematica di definizione in alcune zone del pattern; per questo motivo è stato imposto un ordine di esposizione vincolato, così da incrementare la riproducibilità della procedura. Una volta stabilizzati tali parametri, è stata redatta una Standard Operating Procedure completa per le due fasi principali del processo: realizzazione dei contatti Cr/Au e successiva scrittura, evaporazione angolata, ossidazione e lift-off della giunzione in alluminio.
Infine, prima di procedere alla caratterizzazione completa di dispositivi con barriera ossidata, è stata eseguita una validazione elettrica preliminare del processo mediante la realizzazione di strutture test prive di ossidazione intermedia, in modo da verificare la continuità elettrica della metallizzazione in alluminio. Le misure effettuate in probe station, sia su una struttura semplificata sia sul dispositivo completo, hanno confermato un comportamento ohmico e l’assenza di interruzioni macroscopiche nel percorso di conduzione. I valori di resistenza misurati sono risultati superiori rispetto alle stime teoriche basate sulla resistività bulk dell’alluminio, ma il risultato è coerente con la fisica dei film sottili evaporati, nei quali la resistività effettiva può aumentare sensibilmente a causa di scattering superficiale, bordi di grano e contributi di contatto. Tali misure, pur non costituendo ancora una caratterizzazione quantistica della giunzione, hanno fornito una verifica importante della correttezza del processo di fabbricazione e della continuità elettrica delle strutture ottenute.
Nel complesso, il lavoro ha consentito di sviluppare e calibrare un processo bridge-free per giunzioni Josephson Al/AlOₓ/Al, mettendo in evidenza il legame stretto tra controllo litografico, geometria di evaporazione, formazione della barriera e risposta elettrica del dispositivo. Il contributo principale della tesi risiede nell’aver trasformato un approccio di principio in una procedura sperimentale strutturata, fondata su caratterizzazione dei resist, verifica morfologica in sezione, ricalibrazione strumentale e validazione elettrica preliminare. I risultati ottenuti costituiscono una base concreta per successive attività di ottimizzazione della barriera, caratterizzazione criogenica e integrazione di tali giunzioni in dispositivi superconduttivi per applicazioni nel quantum computing.