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.

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.

сверхпроводниковый болометр микроструктура титан ниобиевый

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.

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

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. 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.

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

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).

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.

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).

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 ~1мкм²) за счет наличия сопротивления (сопротивление ниобиевой пленки толщиной 20 нм ~16 ± 2,5 Ом/?) 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.

Рис.8. Фотография центральной части тестовой структуры, сделанная в оптическом микроскопе. В центре виден ниобиевый мостик размером 2Ч1 мкм и золотые контакты по 4-х точечной схеме.

Четвертая глава посвящена технологии изготовления и исследованию криогенного ультраширокополосного фильтра низких частот на основе тонкопленочного конденсатора и витой пары из манганина с полосой 0,1 - 10 ГГц.

Для достижения предельно высокой чувствительности низкотемпературных болометров необходима фильтрация цепей постоянного смещения, подаваемого на эти приборы. Необходимо также, чтобы сам фильтр имел как можно меньшую температуру и тем самым не давал значительных тепловых нагрузок и шумов. Ещё одним требованием является независимость характеристик фильтров от температуры. В качестве конденсатора была использована тонкопленочная структура на кремнии, которая может быть выполнена на одном кристалле с сенсором, а в качестве сопротивления предложено использовать подводящие провода из манганина, свитые в витую пару. Такой фильтр может иметь заграждение в 60 дБ уже при 1 ГГц и, при этом, его характеристики не будут зависеть от температуры вплоть до 0,1 К и достаточно легко поддаваться расчету (в отличие от порошковых фильтров). Расчетные характеристики представлены на рис.9.

Рис.9. Расчетное значение ослабления сигнала при прохождении через фильтр и входное отражение.

Характеристики изготовленных тестовых RC-фильтров были исследованы на векторном анализаторе цепей Agilent PNA-X N5242A (10 МГц - 26,5 ГГц). Частотные зависимости прохождения сигнала представлены на рис 10. Ослабление сигнала составило около - 50 дБ на частоте 1 ГГц.

Рис.10. Частотная зависимость коэффициента прохождения сигнала с порта 1 на порт 2 анализатора цепей (S12).

В Заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

1. Разработана устойчивая технология получения тонких сверхпроводящих микроструктур из пленок титана толщиной ~100 нм на кремниевой подложке с использованием метода "lift-off" и, жидкостного травления с различными масками. Выявлены основные факторы, влияющие на ширину и температуру сверхпроводящего перехода (T_к~ 0,35 К) в таких структурах.

2. C помощью электронно-лучевой литографии изготовлен чип приемного элемента состоящего из титанового СКП микропоглотителя, подводящих и фильтрующих микрополосковых и копланарных линий из ниобия и планарной двухщелевой антенны. Была исследована температурная зависимость сопротивления поглотителя в готовых чипах.

3. Разработана технология изготовления микроструктур из тонкопленочного ниобия (20 нм) на подложке из SiO₂ с золотыми контактами методом "взрывной" литографии.

4. Изготовлены прототипы неохлаждаемых ниобиевых болометров микронных размеров на теплоизолирующей подложке Из электрических измерений оценен отклик () и шумы такого болометра (), определен оптимальный режим работы по току смещения (I_bais = 3 мА).

5. Разработана технология изготовления и изготовлен высокоэффективный ультраширокополосный фильтр низких частот на основе тонкопленочного конденсатора и витой пары из манганина для криогенных терагерцовых приемников. Исследованы его фильтрующие характеристики в диапазоне частот от 100 кГц до 26,5 ГГц. Получено ослабление - 50 дБ на частоте 1 ГГц.

Публикации по теме диссертации

1. A. N. Vystavkin, A. G. Kovalenko, S. V. Shitov, A. V. Pestryakov, S. E. Bankov, Yu. N. Kazantsev, V. F. Zabolotny, E. V. Frolova, I. A. Cohn, O. V. Koryukin, A. A. Kuzmin, A. A. Zubovich, A. V. Uvarov, A. S. Il'in. Development of ultra low-noise two-polarization 0.3 - 1.5 THz TES bolometer arrays for ground-based and space telescopes // Abstract for Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics, Jena/Gabelbach, Germany June 22-25, 2008.

2. A. N. Vystavkin, A. G. Kovalenko, S. V. Shitov, A. V. Pestryakov, S. E. Bankov, V. F. Zabolotny, E. V. Frolova, I. A. Cohn, O. V. Koryukin, A. A. Kuzmin, A. A. Zubovich, A. V. Uvarov, A. S. Il'in, V. N. Trofimov, A. N. Chernikov, V. F. Vdovin, V. G. Perminov, O. S. Bol'shakov, M. G. Mingaliev, G. V. Yakopov. Development of high sensitive 1.2 mm imaging radiometer with two-polarization antenna - coupled TES-bolometer array for ground-based 6 m optical telescope // Proceedings of SPIE, Volume: 7020, 2008.

3. А.Н. Выставкин, А.Г. Коваленко, С.В. Шитов, О.В. Корюкин, И.А. Кон, А.А. Кузьмин, А.В. Уваров, А.С. Ильин. Сверхпроводниковые наноболометры - сенсоры на горячих электронах для сверхчувствительных матричных радиометров терагерцового диапазона частот. // Международная научно-техническая конференция "Нанотехнологии и наноматериалы", МГОУ, Москва, 30-31 марта, 1 апреля 2009г.

4. А.Н. Выставкин, А.Г. Коваленко, С.В. Шитов, О.В. Корюкин, И.А. Кон, А.А. Кузьмин, А.В. Уваров, А.С. Ильин. Сверхпроводниковые наноболометры - сенсоры на горячих электронах для сверхчувствительных матричных радиометров терагерцового диапазона частот. // III Всероссийская конференция "Радиолокация и радиосвязь", Москва, ИРЭ им.В.А. Котельникова РАН, 26-30 октября 2009 г.

5. А.Н. Выставкин, А.Г. Коваленко, С.В. Шитов, О.В. Корюкин, И.А. Кон, А.А. Кузьмин, А.В. Уваров, А.С. Ильин. Сверхпроводниковые наноболометры - сенсоры на горячих электронах для сверхчувствительных матричных радиометров терагерцового диапазона частот. // Радиотехника и электроника, том 55, №6, июнь 2010.

6. А.А. Кузьмин, А.Г. Коваленко, С.А. Ковтонюк. Технология изготовления интегральных сверхпроводниковых болометров терагерцового диапазона частот. // Нано - и микросистемная техника, 2010, №10, с.16-21.

Размещено на Allbest.ru