Автореферат: Технология изготовления сверхпроводниковых болометров терагерцового диапазона частот

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих научных конференциях:

· Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics, Jena/Gabelbach, Germany, 22-25 June 2008

· The Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy (part of “The SPIE Symposium on Astronomical Telescopes and Instrumentation: Synergies Between Ground and Space”), Marseille, France, 23-28 June 2008.

· 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, California Institute of Technology in Pasadena, California, USA, 15-19 September 2008.

· Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», МГОУ, Москва, 30-31 марта, 1 апреля 2009 г.

· III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», ИРЭ РАН, Москва, 26-30 октября 2009 г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 6 работах (2 статьи в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 4 в сборниках трудов всероссийских и международных конференций), список которых приведен в конце автореферата.

Общий объем, опубликованных по теме диссертации работ составил 45 стр.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка публикаций по теме диссертационной работы и списка цитированной литературы из 64 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий обзор области применения чувствительных приемников терагерцового диапазона в астрофизике. Рассмотрены основные типы терагерцовых сверхпроводниковых приемников, проведен сравнительный анализ их параметров, отмечены основные ограничения на применение для астрономии. Терагерцовые приемники можно разделить на два класса: когерентные и прямые детекторы. Преимуществом когерентных приемников является высокое спектральное разрешение, так как информация о фазе изучаемого сигнала не теряется. Существенным недостатком когерентных приемников является наличие фундаментального ограничения их чувствительности, связанного с квантовым пределом чувствительности или шумовой температурой.

Прямые детекторы не имеют таких ограничений на чувствительность, но способны определять только амплитуду сигнала, являясь, по сути, широкополосными приемниками. Часто используемым типом прямых детекторов являются сверхпроводниковые болометры.

В случае сверхпроводниковых болометров с электрон-фононной и Андреевской термоизоляцией (на горячих электронах), включенных в планарную антенну появляется возможность создания приемников с рекордной чувствительностью необходимой для будущих космических миссий с астрофизическими задачами. На сегодняшний день технологии изготовления таких приборов и вспомогательной периферии разработаны слабо. антенна сверхпроводниковый болометр интегральный

В конце главы формулируются основные задачи диссертационной работы и ее место в общей концепции болометра на горячих электронах.

Вторая глава посвящена результатам разработки технологии изготовления и исследованию сверхпроводниковых титановых структур для болометров, включенных в антенну. Вначале проведен обзор использовавшегося в работе технологического оборудования и методов микроструктурирования, необходимые параметры и режимы. Затем описан дизайн одиночного приемного элемента (рис. 1), представляющего собой многослойную микросхему, толщины и порядок следования слоев, критические размеры и допуски на точность совмещения.

Рис. 1. Общий вид цифрового шаблона приемного элемента, спроектированного для электронно-лучевой литографии; 1 - наводящие знаки для резки чипов; 2 - маркеры совмещения; 3 - поглотитель; 4 - титановый мостик - «свидетель»; 5 - слой изоляции; 6 - антенна; 7 - контактные площадки; 8 - серийный номер чипа.

В работе использовалась методика определения оптимального режима напыления сверхпроводниковых титановых пленок по остаточному сопротивлению, от которого зависит температура сверхпроводникового перехода.

Для быстрой диагностики без охлаждения до гелиевых температур использовался метод определения остаточного сопротивления, через параметр , измеряемый в жидком азоте.

Вначале были изготовлены тестовые титановые микромостики с палладиевыми контактами (по 4-х точечной схеме) методом взрывной (lift-off) литографии с использованием масок из ПММА 950К и его сополимера.

Низкотемпературные измерения зависимости сопротивления сверхпроводящего титанового мостика от температуры показали, что при толщинах сверхпроводника около 100 нм и поперечных размерах вплоть до 10Ч1 мкм² переход в сверхпроводящее состояние наступает при температуре около 0,35 К (в объемных образцах переход наступает при температуре около 0,39 К). При этом ширина перехода ?T_к составляет примерно 50 мК (рис. 2). Уширение перехода возможно связано с загрязнением титана из-за перераспыления органической маски и ее дегазации во время магнетронного напыления сверхпроводника.

Действительно, титан является гетерным материалом и легко поглощает газообразные примеси во время напыления. В пользу этого свидетельствует то, что свойства СКП-поглотителя оказались очень чувствительными к параметрам резистной маски и условиям ее сушки.

На следующем этапе были изготовлены законченные приемные элементы с антенной и СКП- поглотителем, сформированным методом Lift-off в нижнем слое (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость сопротивления титанового мостика (СКП) от температуры в рабочей области рефрижератора: 1 - размер 10Ч1 мкм², 2 - размер 100Ч10 мкм². На вставке фотография тестовых титановых мостиков.

Рис. 3. Микрофотография готового приемного элемента (слева). На фотографии справа показаны увеличенные изображения отдельных частей: центральная часть с СКП - поглотителем и фильтр-«заглушка».

Низкотемпературные измерения готовых чипов показали, что ширина перехода ?T_к СКП-поглотителя в сверхпроводящее состояние заметно увеличилась (что ведет к ухудшению предельной чувствительности) по сравнению с тестовыми мостиками (рис. 4).

Это можно объяснить увеличением количества дефектов и внутренних напряжений сверхпроводника в процессах формирования верхних слоев чипа.

Рис. 4. Зависимость сопротивления СКП-поглотителя от температуры в готовом чипе; 1 - «свидетель»; 2 - поглотитель, включенный в антенну.

Во время магнетронного напыления слоя изоляции поверхность титанового поглотителя в начальный момент бомбардируется быстрыми (~700 эВ) ионами и нейтральными атомами аргона, отразившимися от мишени. Такая бомбардировка может быть причиной увеличения количества точечных дефектов в поверхностном слое тонкой пленки сверхпроводника. Еще одной причиной уширения сверхпроводникового перехода может быть появление значительных внутренних напряжений в пленке титана при изменении температуры из-за различных температурных коэффициентов расширения титана и SiO₂. В Таблице 1 представлены основные параметры слоев чипа, а на рис. 5 их схематичное изображение.

Таблица 1. Порядок формирования слоев схемы одиночного приемного элемента и их параметры

Рис. 5. Схематичное изображение порядка следования слоев одиночного приемного элемента. Цифры соответствуют номеру слоя в Таблице 1.

Для улучшения характеристик поглотителя была отработана методика изготовления тестовых титановых микромостиков путем жидкостного травления сплошной титановой пленки в 0,25% растворе HF (плавиковая кислота) через различные маски. Все контакты были сформированы на подложке первым слоем (до напыления титана). Тестовые образцы, полученные травлением через маску из магнетронного SiO_2, как правило, оказывались несверхпроводящими в температурном диапазоне рефрижератора. Это, возможно, связано со значительным увеличением количества дефектов и внутренних напряжений в пленке в процессе напыления оксидной маски. Характеристики образцов, изготовленных с помощью травления через органические маски из Полиэфирсульфона (PES) и ПММА, оказались значительно лучше, чем у образцов, полученных методом lift-off. Ширина перехода составляла примерно 5 - 10 мК, а температура перехода 0,34 - 0,36 К при толщине титана - 150 нм (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость сопротивления от температуры в области сверхпроводникового перехода тестового титанового мостика размером 100Ч10 мкм², полученного методом жидкостного травления.

С полученными тестовыми мостиками были проведены эксперименты по измерению их оптического отклика на излучение черного тела с задаваемой температурой. Источник был смонтирован внутри рефрижератора. Были получены R(T) - характеристики при разных температурах источника излучения (рис. 7).

Рис. 7. Семейство R(T) - характеристик титанового мостика на краю сверхпроводящего перехода в зависимости от температуры чернотельного источника. Стрелками проиллюстрирован метод определения температуры электронного газа для кривых, смещенных относительно исходной (при Т_чт= 3 К).

На основе полученных данных был оценен предельный NEP потенциальных болометров - NEP ~ 10^-15 Вт/Гц^1/2 для поглотителей размером 100 мкм Ч 10 мкм Ч 150 нм, без линзовой и планарной антенны и Андреевских контактов.

В дальнейшем планируется, используя метод жидкостного травления титана, изготовить чипы одиночных приемных элементов с лучшей крутизной R(T) - зависимости для получения максимальной чувствительности детектора в эксперименте с излучением черного тела.

Третья глава посвящена технологии изготовления и исследованию неохлаждаемых тонкопленочных ниобиевых болометров.

Такие болометры, будучи включенными в планарную двухщелевую антенну, могут использоваться для электродинамического замещения низкотемпературных болометров терагерцового диапазона, для исследования диаграмм направленности интегральных линзовых антенн и других компонент квазиоптической системы радиометра.

Принцип работы болометра заключается в следующем: при прохождении СВЧ сигнала через микроболометр (площадью ~1) за счет наличия сопротивления (сопротивление ниобиевой пленки толщиной 20 нм ~16 ± 2,5 Ом/ мкм²) его температура будет увеличиваться, вследствие этого будет меняться и само сопротивление пленки.

Изменение сопротивления легко наблюдать по изменению напряжения на болометре при подаче через него постоянного тока смещения.

Структуры опытных образцов болометров были изготовлены на кремниевых пластинах, покрытых 430 нм теплоизолирующим слоем SiO₂, который формировался магнетронным распылением. Болометр формировался из ниобиевой пленки толщиной 20 нм, которая осаждалась с помощью магнетронного напыления.

Топология болометра формировалась методом взрывной литографии (lift-off), который является весьма простым и удобным. Маска создавалась в резисте ПММА электронно-лучевым экспонированием. Пример изготовленной структуры болометра с параметрами, описанными в таблице 2, представлен на рис. 8.

Таблица 2. Параметры и характеристики экспериментального образца B2 #1-1x2 тонкопленочного ниобиевого болометра.