Разработка метода и технологии получения субмикронных сверхпроводящих туннельных переходов для низкотемпературных измерительных приборов
|
Введение 5 1. Состояние вопроса о технологии сверхпроводящих туннельных переходов субмикронных размеров. 14
1.1. Системы материалов для электродов и барьера сверхпроводящих туннельных переходов 14
1.1.1. "Свинцовый проект" IBM и другие "ран¬ние" попытки создания сверхпроводящих туннельных структур 18
1.1.2. Технологии на основе композиционной пленки Nb/Al — AlOx/Nb 23
1.2. Анализ современных методов изготовления Nb/Al — AlOx/Nb туннельных переходов субмикронных размеров 35
1.2.1. Методы формирования туннельного барьера
с разрывом вакуума (еж situ) 40
1.2.2. Методы формирования туннельного барьера
в едином вакуумном цикле (in situ) 47
1.3. Выводы и постановка задачи исследования 70
2. Экспериментальное исследование структуры границ раздела в композиционной пленке Nb/Al — AlOx/Nb
2.1. Технологические аспекты формирования композиционной пленки Nb/Al — AlOx/Nb 73
2.1.1. Напыление ниобия 73
2.1.2. Напыление алюминия 80
2.1.3. "Сборка" Nb/Al — AlOx/Nb многослойной структуры 82
2.1.4. Вольтамперные характеристики полученных туннельных переходов 87
2.2. Выбор метода исследования структуры границ раз-
Nb/Al — AlOx/Nb
2.3. Физические основы метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов 91
2.4. Результаты исследования границ раздела в компо-Nb/Al — AlOx/Nb
2.5. Выводы 101
3. Разработка технологии получения сверхпроводящих туннельных переходов субмикронных размеров 105
3.1. Формирование области туннельного перехода .... 106
3.1.1. Маска для травления туннельных переходов 106
3.1.2. Режим травления туннельных переходов . . 107
Nb/Al —
AlOx/Nb переходов 110
3.3. Формирование межслойной изоляции 112
3.4. Удаление резистной маски по окончании процесса травления 115
3.5. Этапы технологического процесса 120
3.6. Электрические характеристики сверхпроводящих туннельных переходов субмикронных размеров ... 122
3.6.1. Вольт-амперные характеристики при температуре жидкого гелия (4 К) 122
3.6.2. Результаты измерений при температурах <100 мК 126
3.6.3. Зависимость тока от сверхпроводящей фазы
и измерение величин малых критических токов 129
3.7. Выводы 132
4. Исследование применения субмикронных Nb/Al — AlOx/Nb переходов в качестве датчика температуры в диапазоне ниже 1К 134
4.1. Современная температурная шкала и датчики температур 134
4.1.1. Принципы международной температурной шкалы МТШ-90 134
4.1.2. Датчики температур ниже 77 К 137
4.2. Физические основы измерения температуры с помощью металлических туннельных переходов 139
4.3. Опыт применения датчика температуры в субкельвинном диапазоне 144
4.4. Оценка метрологических характеристики датчика температуры в субкельвинном диапазоне 150
4.4.1. Точность измерения 150
4.4.2. Работа в условиях магнитного поля 152
4.4.3. Помехоустойчивость 153
4.5. Выводы ......................... 158
Заключение 160 Литература 163
1.1. Системы материалов для электродов и барьера сверхпроводящих туннельных переходов 14
1.1.1. "Свинцовый проект" IBM и другие "ран¬ние" попытки создания сверхпроводящих туннельных структур 18
1.1.2. Технологии на основе композиционной пленки Nb/Al — AlOx/Nb 23
1.2. Анализ современных методов изготовления Nb/Al — AlOx/Nb туннельных переходов субмикронных размеров 35
1.2.1. Методы формирования туннельного барьера
с разрывом вакуума (еж situ) 40
1.2.2. Методы формирования туннельного барьера
в едином вакуумном цикле (in situ) 47
1.3. Выводы и постановка задачи исследования 70
2. Экспериментальное исследование структуры границ раздела в композиционной пленке Nb/Al — AlOx/Nb
2.1. Технологические аспекты формирования композиционной пленки Nb/Al — AlOx/Nb 73
2.1.1. Напыление ниобия 73
2.1.2. Напыление алюминия 80
2.1.3. "Сборка" Nb/Al — AlOx/Nb многослойной структуры 82
2.1.4. Вольтамперные характеристики полученных туннельных переходов 87
2.2. Выбор метода исследования структуры границ раз-
Nb/Al — AlOx/Nb
2.3. Физические основы метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов 91
2.4. Результаты исследования границ раздела в компо-Nb/Al — AlOx/Nb
2.5. Выводы 101
3. Разработка технологии получения сверхпроводящих туннельных переходов субмикронных размеров 105
3.1. Формирование области туннельного перехода .... 106
3.1.1. Маска для травления туннельных переходов 106
3.1.2. Режим травления туннельных переходов . . 107
Nb/Al —
AlOx/Nb переходов 110
3.3. Формирование межслойной изоляции 112
3.4. Удаление резистной маски по окончании процесса травления 115
3.5. Этапы технологического процесса 120
3.6. Электрические характеристики сверхпроводящих туннельных переходов субмикронных размеров ... 122
3.6.1. Вольт-амперные характеристики при температуре жидкого гелия (4 К) 122
3.6.2. Результаты измерений при температурах <100 мК 126
3.6.3. Зависимость тока от сверхпроводящей фазы
и измерение величин малых критических токов 129
3.7. Выводы 132
4. Исследование применения субмикронных Nb/Al — AlOx/Nb переходов в качестве датчика температуры в диапазоне ниже 1К 134
4.1. Современная температурная шкала и датчики температур 134
4.1.1. Принципы международной температурной шкалы МТШ-90 134
4.1.2. Датчики температур ниже 77 К 137
4.2. Физические основы измерения температуры с помощью металлических туннельных переходов 139
4.3. Опыт применения датчика температуры в субкельвинном диапазоне 144
4.4. Оценка метрологических характеристики датчика температуры в субкельвинном диапазоне 150
4.4.1. Точность измерения 150
4.4.2. Работа в условиях магнитного поля 152
4.4.3. Помехоустойчивость 153
4.5. Выводы ......................... 158
Заключение 160 Литература 163
В последние годы интенсивное развитие получила физика и технология туннельных сверхпроводниковых структур, прогресс в которой неразрывно связан с последними достижениями в области высоких технологий.
Важными результатом этого стало создание таких информационно-измерительных приборов и их элементов, как:
Джозефсоновский эталон напряжения, характеризующийся относительной погрешностью на уровне 10-9 [1-4];
СКВИДы (от англ. Superconductive QUantum Interference Device, SQUID) - датчики магнитного поля, самые чувствительные из существующих, а также системы на их основе для измерения тока и напряжения, датчики смещения, магнитной восприимчивости [5-7];
Детекторы частиц и излучений [8];
Датчики температуры в диапазоне от нескольких десятков Кельвин до нескольких десятков миллиКельвин [9-11] - прототипы первичного и вторичного эталонов температуры в указан¬ном диапазоне;
Одноэлектронные устройства [12-14] - транзисторы [15], ловушки lie] и другие, манипулирующие одиночными зарядами, устройства [17,18]. На сегодняшний день, одноэлектронные транзисторы - наиболее чувствительные датчики заряда (чувствительность ^ 10-5e/VHz [19-21]).
Логические элементы - работающие на рекордно высоких частотах и обладающие при этом рекордно низким тепловыделением (до 770 ГГц и 1.5 мкВт). Сравнимые полупроводниковые устройства обладают по крайней мере на порядок более низким быстродействием и рассеивают примерно в 105 раз большую мощность [22-27];
Практически для всех перечисленных выше типов приборов и устройств весьма актуальный интерес представляют структуры с использованием сверхпроводящих (ниобиевых) туннельных переходов размером не более сотен нанометров.
Так, снижение размеров переходов приводит к повышению собственной энергетической чувствительности СКВИДов [28], которая повышается вместе с уменьшением линейного размера (корня квадратного из площади) перехода. Попутно, применение методов формирования элементов структур субмикронных размеров, с необходимостью сопровождающее изготовление субмикронных переходов, позволяет добиться еще ряда существенных преимуществ. Переход на субмикронной ширины линии при изготовлении входных катушек позволяет существенно снизить внешний размер кольца СКВИДа, что существенно упрощает работу последнего во внешнем магнитном поле. С другой стороны, общее уменьшение размеров элементов снижает их паразитную емкость
и, вследствие этого, снижает уровень шума устройств, построенных на основе СКВИДов.
Широкополосность детекторов излучений возрастает с уменьшением емкости туннельного перехода. Однако, для согласования импедансов детектора и микроволновых трактов сопротивление первого должно находиться в определенных пределах (несколько десятков Ом). Поэтому одновременно с уменьшением размеров перехода требуется пропорционально повышать прозрачность туннельного барьера. При этом, необходимо сохранить высоким качество туннельного барьера, определяющее уровень шума, а значит, чувствительность детекторов излучений. Субмикроскопический размер туннельных переходов для задачи измерения температуры является необходимым условием [9-11]. Применение ниобиевых субмикронных туннельных переходов позволит сделать туннельные термометры практическими приборами, обеспечив им долговечность и стабильность свойств.
Быстродействие сверхпроводниковых логических элементов также напрямую связано с размером переходов [23,29-31]. В первом приближении, максимально достижимая тактовая частота fc таких устройств обратно пропорциональна размеру перехода а [30] fc ^ 75GHz ^ j^aK и в СЛучае СКВИДов, но в еще большей степени, важен сопутствующий переход всего технологического процесса на субмикронные размеры. Уменьшение размеров резисторов (а в некоторых случаях и возможность избежать их использования [31,32]) и индуктивностей само по себе повышает характерные частоты цифровых устройств.
Кроме того, по-прежнему, существует ряд фундаментальных научных задач, для решения которых необходимы сверхпроводящие (ниобиевые) туннельные переходы размером не более сотен нанометров. Примерами таких задач может быть изучение процессов резонансного туннелирования, включающие одновременно и одиночные Куперовские пары, и одиночные электроны - так называемые "джозефсоновские квазичастичные циклы" [33], а так¬же изучение зависимости между током и сверхпроводящей фазой в сверхпроводниковых структурах [37,38,41].
К сожалению, до настоящего времени не было возможности реализовать все преимущества, которые обещает использование сверхпроводящих туннельных переходов субмикронного размера в устройствах низкотемпературной электроники. Причиной этого является недостаточный уровень разработки технологии изготовления таких переходов. Существующие технологические процессы либо не обеспечивают требуемого качества туннельных переходов, либо очень сложны и недоступны для большинства лабораторий.
Важными результатом этого стало создание таких информационно-измерительных приборов и их элементов, как:
Джозефсоновский эталон напряжения, характеризующийся относительной погрешностью на уровне 10-9 [1-4];
СКВИДы (от англ. Superconductive QUantum Interference Device, SQUID) - датчики магнитного поля, самые чувствительные из существующих, а также системы на их основе для измерения тока и напряжения, датчики смещения, магнитной восприимчивости [5-7];
Детекторы частиц и излучений [8];
Датчики температуры в диапазоне от нескольких десятков Кельвин до нескольких десятков миллиКельвин [9-11] - прототипы первичного и вторичного эталонов температуры в указан¬ном диапазоне;
Одноэлектронные устройства [12-14] - транзисторы [15], ловушки lie] и другие, манипулирующие одиночными зарядами, устройства [17,18]. На сегодняшний день, одноэлектронные транзисторы - наиболее чувствительные датчики заряда (чувствительность ^ 10-5e/VHz [19-21]).
Логические элементы - работающие на рекордно высоких частотах и обладающие при этом рекордно низким тепловыделением (до 770 ГГц и 1.5 мкВт). Сравнимые полупроводниковые устройства обладают по крайней мере на порядок более низким быстродействием и рассеивают примерно в 105 раз большую мощность [22-27];
Практически для всех перечисленных выше типов приборов и устройств весьма актуальный интерес представляют структуры с использованием сверхпроводящих (ниобиевых) туннельных переходов размером не более сотен нанометров.
Так, снижение размеров переходов приводит к повышению собственной энергетической чувствительности СКВИДов [28], которая повышается вместе с уменьшением линейного размера (корня квадратного из площади) перехода. Попутно, применение методов формирования элементов структур субмикронных размеров, с необходимостью сопровождающее изготовление субмикронных переходов, позволяет добиться еще ряда существенных преимуществ. Переход на субмикронной ширины линии при изготовлении входных катушек позволяет существенно снизить внешний размер кольца СКВИДа, что существенно упрощает работу последнего во внешнем магнитном поле. С другой стороны, общее уменьшение размеров элементов снижает их паразитную емкость
и, вследствие этого, снижает уровень шума устройств, построенных на основе СКВИДов.
Широкополосность детекторов излучений возрастает с уменьшением емкости туннельного перехода. Однако, для согласования импедансов детектора и микроволновых трактов сопротивление первого должно находиться в определенных пределах (несколько десятков Ом). Поэтому одновременно с уменьшением размеров перехода требуется пропорционально повышать прозрачность туннельного барьера. При этом, необходимо сохранить высоким качество туннельного барьера, определяющее уровень шума, а значит, чувствительность детекторов излучений. Субмикроскопический размер туннельных переходов для задачи измерения температуры является необходимым условием [9-11]. Применение ниобиевых субмикронных туннельных переходов позволит сделать туннельные термометры практическими приборами, обеспечив им долговечность и стабильность свойств.
Быстродействие сверхпроводниковых логических элементов также напрямую связано с размером переходов [23,29-31]. В первом приближении, максимально достижимая тактовая частота fc таких устройств обратно пропорциональна размеру перехода а [30] fc ^ 75GHz ^ j^aK и в СЛучае СКВИДов, но в еще большей степени, важен сопутствующий переход всего технологического процесса на субмикронные размеры. Уменьшение размеров резисторов (а в некоторых случаях и возможность избежать их использования [31,32]) и индуктивностей само по себе повышает характерные частоты цифровых устройств.
Кроме того, по-прежнему, существует ряд фундаментальных научных задач, для решения которых необходимы сверхпроводящие (ниобиевые) туннельные переходы размером не более сотен нанометров. Примерами таких задач может быть изучение процессов резонансного туннелирования, включающие одновременно и одиночные Куперовские пары, и одиночные электроны - так называемые "джозефсоновские квазичастичные циклы" [33], а так¬же изучение зависимости между током и сверхпроводящей фазой в сверхпроводниковых структурах [37,38,41].
К сожалению, до настоящего времени не было возможности реализовать все преимущества, которые обещает использование сверхпроводящих туннельных переходов субмикронного размера в устройствах низкотемпературной электроники. Причиной этого является недостаточный уровень разработки технологии изготовления таких переходов. Существующие технологические процессы либо не обеспечивают требуемого качества туннельных переходов, либо очень сложны и недоступны для большинства лабораторий.
В результате проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:
1) На основе анализа проблем, связанных с разработкой технологии сверхпроводящих Nb/Al — AlOx/Nb туннельных пере¬ходов субмикронных размеров установлено, что требованиям технологии отвечают методы с in situ формированием
Nb/Al — AlOx/Nb межслойной изоляции.
2) Теоретически и экспериментально показана эффективность метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов для исследования границ раздела в структуре Nb/Al — AlOx/Nb. Установлено, что граница Al — AlOx/Nb
Nb/Al
слой толщиной не более 3 нм.
3) Теоретически и экспериментально обосновано применение метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов в качестве метода неразрушающего контроля качества сверхпроводящих туннельных переходов на основе Nb/Al — AlOx/Nb
1) На основе анализа проблем, связанных с разработкой технологии сверхпроводящих Nb/Al — AlOx/Nb туннельных пере¬ходов субмикронных размеров установлено, что требованиям технологии отвечают методы с in situ формированием
Nb/Al — AlOx/Nb межслойной изоляции.
2) Теоретически и экспериментально показана эффективность метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов для исследования границ раздела в структуре Nb/Al — AlOx/Nb. Установлено, что граница Al — AlOx/Nb
Nb/Al
слой толщиной не более 3 нм.
3) Теоретически и экспериментально обосновано применение метода спектроскопии энергетических потерь отраженных электронов в качестве метода неразрушающего контроля качества сверхпроводящих туннельных переходов на основе Nb/Al — AlOx/Nb
Подобные работы
- РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СУБМИКРОННЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Диссертации (РГБ), технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2003