Kинетическая индуктивность квазиодномерного сверхпроводника при различных температурах
Необходимость использования RLC-элементов в качестве блоков наноэлектрических схем. Методика изготовления образцов с высоким значением кинетической индуктивности и требования к ним. Принципы и правила нанесения тонкопленочных материалов подложки.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.12.2019 |
| Размер файла | 3,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Kинетическая индуктивность квазиодномерного сверхпроводника при различных температурах
1. Необходимость использования RLC элементов в качестве блоков наноэлектрических схем
Со второй половины 20 века, а именно с момента появления биполярных транзисторов и начала использования их в электрических схемах, одной из основных задач электронной и компьютерной индустрии стала задача увеличения компактности отдельных электронных элементов и схем в целом. Уже в начале 60-х годов прошлого столетия основателем компании Intel был сформулирован закон Мура, который гласил, что каждые 2 года удваивается число транзисторов, размещенных на кристалле без увеличения плотности потребляемой мощности [1]. Однако уже в 2008 году было заявлено, что закон Мура перестанет действовать из-за атомарной природы вещества [2]. Действительно, ведь после разработки первого первый кремниевый плоского транзистора, который стал основой для монолитных интегральных схем, принцип изготовления практически не изменился, менялись технологии изготовления, усовершенствование которых позволяет уменьшить размеры транзистора, чаще эффективную длину канала. Становится очевидным, что для дальнейшего поддержания темпов развития электроники необходимо перейти на новый принцип проектирования и изготовления элементов.
Помимо транзисторов в интегральных схемах присутствует большое число других элементов, и любое электронное устройство содержит 3 основных параметра емкость C сопротивление R и индуктивность L, соответственно для разработки принципиально новых технологий в электронике необходимо в первую очередь обращать внимание на так называемые RLC элементы.
1.1 Специфика наноэлектроники
наноэлектрический кинетический индуктивность сверхпроводник
Наноэлектроника - это область электроники, которая занимается разработкой электронных компонентов, размер которых не превышает примерно 100 нанометров. В отличии от микроэлектроники манипуляции с веществом при изготовлении тех или иных устройств происходят на молекулярном уровне. При размерах элементов в нанометровой области основными становятся квантовые эффекты, которые зачастую пренебрегаются либо являются паразитными в микрометровой области. Однако, когда размеры материалов и устройств настолько малы, что межатомные взаимодействия и квантово-механические свойства сильно влияют на физику процессов и требуют тщательного изучения.
Наноэлектроника позволяет использовать большое количество материалов, которые зачастую не используются в микроэлектронике, так как проявляемые в них эффекты являются паразитными (например, при уменьшении размеров привычного полупроводникового транзистора на его работу начинает влиять начинает мешать туннелирование носителей заряда) либо их величина достаточно мала по сравнению с эффектами, которые проявляются в микроструктурах (например, кинетической индуктивностью пренебрегают по сравнению с магнитной, так как кинетическая энергия электронов мала по сравнению с электромагнитной энергией)
Большим очевидным преимуществом наноэлектроники является энергоэффективность и скорость работы, очевидно более крупный, например, полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, чем наноприбор, который потребляет меньше энергии и работает быстрее.
Наноэлектроника включает в себя гибридную молекулярную электронику, одномерные нанопроволоки (например, кремневые или углеродные нанотрубки), усовершенствованную молекулярную электронику. Последние поколения кремниевых технологий КМОП или CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor), размер узла которых составляет 22 нанометра относят к наноэлектронике.
На сегодняшний день к наиболее перспективным материалам для наноэлектронных разработок можно отнести:
- композитные материалы на основе меди и лития [3]
- материалы на основе углерода, такие как графен, углеродные нанотрубки (CNTs), фуллерены (эти материалы привлекают большое внимание из-за способности углерода образовывать связи с другими элементами, которые могут быть изменены физическими взаимодействиями и химическими реакциями) [3]
- полупроводники Германий и Кремний [4]
1.2 Геометрическая индуктивность
Сейчас в электронике при рассмотрении параметра индуктивности принято рассматривать только геометрическую индуктивность. Индуктивность или коэффициент самоиндукции - коэффициент пропорциональности магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром и силой тока в этом контуре, другими словами, при фиксированной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током.
В общем случае формулы для индуктивности выводятся из уравнений Максвелла. Многие важные случаи могут быть решены с использованием упрощений. Там, где рассматриваются высокочастотные токи с поверхностным эффектом, поверхностные плотности тока и магнитное поле могут быть получены путем решения уравнения Лапласа.
Существует большое количество частных случаев для решения уравнений и вывода зависимости индуктивности для различных элементов, таких как проводник с током, проволочная петля, множество видов соленоидов, коаксиальный кабель и т.д.
Для квазилинейного провода круглого сечения, где проводники представляют собой тонкие провода, самоиндукция зависит от радиуса провода и распределения тока в проводе. Это распределение тока является приблизительно постоянным (на поверхности или в объеме проволоки) для радиуса проволоки, намного меньшего, чем длина.
(1)
где - магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость среды, - относительная магнитная проницаемость материала проводника
Для соленоида (катушка, длина обмотки которой много меньше, чем диаметр и толщина обмотки которой много меньше, чем диаметр катушки):
(2)
1.3 Кинетическая индуктивность
Кинетическая индуктивность - это проявление инерционной массы подвижных носителей заряда в переменных электрических полях в виде эквивалентной последовательной индуктивности, другими словами, это величина, которая характеризует вклад кинетической энергии носителей тока в энергию магнитного поля. Кинетическая индуктивность наблюдается в проводниках с высокой подвижностью носителей (например, в сверхпроводниках) и на высоких частотах.
Для проволоки нормальным сопротивление кинетическую индуктивность приблизительно можно представить по формуле [5]
(3)
где - коэффициент порядка
Отсюда следует, что кинетическая индуктивность прямо пропорциональна нормальному сопротивлению и обратно пропорциональна температуре сверхпроводящего перехода.
Также если рассматривать тонкую сверхпроводящую проволоку толщиной << ( - глубина проникновения магнитного поля), то величину кинетической индуктивности можно найти по формуле [6]
(4)
Отсюда можно сделать вывод, что для того, чтобы создать элемент с высоким значением индуктивности и при этом минимизировать геометрические размеры этого элемента до величины наноэлектроники, необходимо обратить внимание не на привычную геометрическую индуктивность, а на кинетическую, при этом стоит использовать тонкую пленку сверхпроводника. Это позволит достичь большого значения индуктивности при сохранении наноразмеров.
2. Теоретический обзор
2.1 Геометрическая индуктивность
Вопрос об усовершенствовании привычных индуктивных элементов давно открыт, ученые неоднократно демонстрировали индукторы, сознанные с использованием тонкоплёночных технологий [8] [9], наиболее распространённой формой является меандр с различным отношением толщины и длины линий [10]
Ученым из Канады [11] удалось реализовать индукторы, которые работают в диапазоне 10-70 ГГц и имеет значение индуктивности 6
Устройства были изготовлены с использованием испарения электронным лучом при давлении ниже 50 мкПа. Исходным материалом были никелевые (Ni) пластины размером 6-12 мм (чистота 99,9%), расположенные в 42 см от подложек. Для напыления использовался метод осаждения под углом GLAD (glancing angle deposition technique). Пленки, осажденные GLAD, имеют наноразмерные свойства, которыми можно управлять с помощью вращения подложки и угла осаждения [12], это позволяет создавать различные конструкции включая стойки и спирали.
Угол падения потока пара составлял 81°, а скорость осаждения составляла 0,65 нм/c (измеряется монитором толщины кристалла).
2.2 Кинетическая индуктивность
Кинетическая индуктивность возникает из кинетической энергии, необходимой каждому электрону, который вносит свой вклад в течение тока. Электроны в твердом теле движутся непрерывно, равномерно распределяясь по всем возможным направлениям в кристалле. Таким образом, все они обладают кинетической энергией, даже когда ток не течет.
Когда ток протекает, электрическое поле добавляет небольшую составляющую скорости дрейфа ко всему распределению электронов, что требует от электронной системы получения кинетической энергии, таким образом из формулы кинетической энергии электронов можно вывести формулу кинетической индуктивности проводника с током с площадью поперечного сечения
(5)
где - концентрация носителей с зарядом и массой
Однако, кинетическая индуктивность меняется с изменением температуры, что было доказано еще в 1969 году, при измерении температурной зависимости индуктивности в сверхпроводящих оловянных проводах и тонких пленках алюминия выяснилось, что для длинного сверхпроводника малой площадью поперечного сечения () является основным вкладом в температурно-зависимую индуктивность [13]
Позже было предположено, что зависимость кинетической индуктивности от температуры можно описать формулой:
(6)
где - сопротивление в нормальном состоянии
Для измерения темперной зависимости кинетической индуктивности [14] были изготовлены Nb нанопроволоки в форме меандра толщиной 14 и 8,5 нм [15]. Нанопроволоки изготавливались с использованием электронно-лучевой литографии и травления. Использовалась сапфировая подложка и органический резист PMMA толщиной 100 нм Нанопроволоки толщиной 14 нм. были утончены до 7,5 нм с использованием пучка ионов аргона, чтобы проверить влияние постпроцессного травления на производительность устройства. Измерения толщины проводились с помощью атомно-силового микроскопа (Digital Instruments Dimension 5000).
Рисунок 1. SEM-изображение индукторов 4*4 мкм [15]
Рисунок 2. Температурная зависимость кинетической индуктивности [14]
На основе явления кинетической индуктивности создаются детекторы KID (Kinetic Inductor Detector). Принцип действия таких детекторов основан на том, что фотоны, падающие на полосу сверхпроводящего материала, разрушают куперовские пары и создают избыточные квазичастицы. Кинетическая индуктивность сверхпроводящей полосы обратно пропорциональна плотности куперовских пар, и таким образом, при поглощении фотонов увеличивается величина кинетической индуктивности. Вместе с конденсатором такая система образует микроволновый резонатор, резонансная частота которого изменяется с поглощением фотонов [18] KID миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находят свое применение в таких проектах, как Caltech Submillimeter Observatory, Atakama Pathfinder Experiment, телескоп IRAM 30-m
В последнее время ученые задумались о применении кинетической индуктивности в электронике, например, в 2018 году группа ученых из США, Японии и Китая в своей статье [7] заявили о создании катушки индуктивности, из бром-интеркалированного графена, которая работаем на основе кинетической индуктивности. Полученное устройство работает в рабочем диапазоне 10-50 ГГц с высоким значением индуктивности примерно 1-2 нГн и занимает на треть меньшую площадь, чем та, которую занимал бы традиционный индуктор.
Авторы заявляют, что новая технология позволит в дальнейшем еще увеличить плотности индуктивности. Данные устройства могут использоваться в электронных схемах, ультракомпактных системах беспроводной связи, обнаружения, хранения и передачи энергии.
Кроме того, тонкопленочные сверхпроводящие меандры меандры могут служить высокоимпедансной средой для нанопроволок при изучении явления квантового проскальзывания фазы (QPS) [17]
Таким образом, можно сделать вывод, что явление кинетической индуктивности находит широкой применение и имеет большой потенциал как в фундаментальной науке, так и в электронике, астрономии и др. Для изготовления структур с высоким значением кинетической индуктивности необходимо учитывать, что кинетическая индуктивность обратно пропорциональна температуре сверхпроводящего перехода и прямо пропорциональна сопротивлению в нормальном состоянии (3), а также прямо пропорциональна длине проводника и обратно пропорциональна площади поперечного сечения (6)
3. Методика изготовления образцов с высоким значением кинетической индуктивности
3.1 Разработка геометрии
Как было выяснено в первом и втором разделах работы, наиболее подходящей формой для создания элемента с высоким значением кинетической индуктивности является меандр. Так как длина проводника должна быть сильно больше площади поперечного сечения, и он должен быть компактно упакован.
Величина индуктивность зависит от длины меандра и толщины линий поэтому, чтобы исключить влияние факторов нанесения пленок (таких как различие в давлении или влажности) было принято решение изготавливать 4 меандра на одном чипе с попарно различными параметрами
· Верхняя пара: ширина 2,5 мкм, зазор 3 мкм Нижняя пара: ширина 2,5 мкм, зазор 4 мкм
· Верхняя пара: ширина 2,5 мкм, зазор 5 мкм Нижняя пара: ширина 2,5 мкм, зазор 6 мкм
· Верхняя пара: ширина 3 мкм, зазор 3 мкм Нижняя пара: ширина 3 мкм, зазор 4 мкм
· Верхняя пара: ширина 3 мкм, зазор 5 мкм Нижняя пара: ширина 3 мкм, зазор 6 мкм
Каждый меандр вписан в квадрат, квадраты располагаются углами друг другу, это сделано для того, чтобы уменьшить емкость образцов (рис. 5)
Рисунок 3. Чертеж меандра
Рисунок 4. Увеличенная граница меандра и его размеры
Рисунок 5. Общий вид 4-х индукторов
3.2 Выбор материала образцов
Для напыления контактных площадок необходимо выбрать метал с высокой электрической проводимостью и те, на поверхности которых не образуется оксидная пленка (благородные металлы). Наиболее распространенным благородным металлом является золото из-за относительно небольшой цены и низкой температурой плавления (по сравнению с Ag, Pd и Pt). Однако, известно, что при уменьшении размеров системы до сопоставимых с межатомными расстояниями, наблюдаются структурные аномалии (изменение симметрии кристаллической решетки), и происходит смена фазового состояния, для тонких пленок золота температура фазового перехода первого рода может быть ниже комнатной при контакте с тонкими пленками других металлов, например, алюминия. Таким образом, для материала контактных площадок была выбрана платина Pt.
В качестве материала для индукторов необходимо выбрать сверхпроводник с низкой температурой сверхпроводящего перехода. По двум основным причинам: кинетическая индуктивность обратно пропорциональна этой температуре, и для возможного дальнейшего применения полученных образцов в качестве высокоимпедансной среды необходимо, чтобы они были изготовлены из низкотемпературного сверхпроводника. Таким образом, исходя из этого и простоты работы с материалом был выбран Тi
Таблица 1. Основные параметры выбранных материалов
|
Ti |
Pt |
||
|
Плотность |
4 506 |
21 400 |
|
|
Температура плавления° |
1941 |
2046 |
|
|
Удельное электрическое сопротивление |
0,6 |
0,107 |
|
|
Температурный коэффициент линейного расширения |
|||
|
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления |
3,5 |
3,98 |
|
|
Температура сверхпроводящего перехода° |
0,39 |
3.3 Методы изготовления микро- и наноструктур
С развитием нанотехнологий появляется большое технологий изготовления микро и нано структур среди которых химические методы синтеза, микроволновый синтез, синтез наночастиц восстановлением ионов металлов, электрохимические методы получения наночастиц и наноструктур, молекулярное наслаивание и многие другие. В наноэлектронике и при создании наноструктур металлов чаще используются различные виды литографии:
Таблица 2. Сравнение основных типов литографии
|
Тип |
Основные этапы |
Разрешение (минимальный размер штриха) |
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Фото литография |
Очистка пластины; Нанесение барьерного слоя; Нанесение положительного / отрицательного фоторезиста; Увеличение фоточувствительности резиста; Засвечивание через фотошаблон ультрафиолетовым излучением; Проявление; |
До 9 нм |
Производительность, стабильность шаблонов |
Негативное влияние дифракционных и интерференционных эффектов |
|
|
Электронная литография |
Схожи с фотолитографией. Засвечивание происходит с использованием электронного пучка, который управляется магнитными линзами |
До 1.3 нм |
Ликвидирует проблему влияния дифракционных эффектов |
Негативное влияние эффекта близости, медленнее и дороже фотолитографии, проблема вторичных электронов |
|
|
Рентгеновская литография |
Схожи с фотолитографией. Засвечивание происходит с использованием рентгеновских лучей с длиной волны 0.4 - 1 нм. |
До 17 нм |
Более тонкие детали, высокая разрешающая способность |
Высокая стоимость производства масок, не может быть сфокусирована при помощи линз, искажение в поглощающих структурах |
3.4 Методы нанесения тонкопленочных материалов подложки
Процесс нанесения тон6копленочных материалов на подложку состоит из трех основных этапов:
- Высвобождение молекул или атомов
- Перенос высвобожденных частиц к подложке
- Осаждение пленки на поверхности подложки
Исходя из физических принципов высвобождения и переноса потока частиц методы нанесения можно классифицировать следующим образом
Таблица 3. Сравнение основных методов нанесения тонкопленочных материалов
|
Принцип |
Метод |
Описание |
Требования/ограничения |
Преимущества |
|
|
Термическое испарение |
Резистивное испарение (с использованием резистивных испарителей, например, проволочных или ленточных) |
Процесс осаждения из паровой фазы. Материал, испаренный из твердого или жидкого источника, транспортируется в виде пара через вакуум, газообразную или плазменную среду низкого давления, после чего осаждается или конденсируется при соприкосновении с более холодной подложкой |
Требуется высокий вакуум () Сложно получать пленки тугоплавких материалов Невозможно напылять пленки из материалов сложного состава с разной скоростью испарения отдельных компонент |
Удается получить наиболее чистые пленки, Высокая скорость напыления |
|
|
Высокочастотный нагрев |
|||||
|
Нагрев лазером |
|||||
|
Испарение сфокусированным лучом (электронное-лучевое испарение |
|||||
|
Ионное распыление |
Катодное распыление |
Процесс представляет собой выбивание частиц из твердого материала из его поверхности при бомбардировке другими частицами плазмы или газа с большой энергией |
Требуется газовая среда чаще инертная (например, аргон) либо химически активная при реактивном распылении (например, кислород) Сложно получать пленки материалов с низкой теплопроводностью Относительно низкий коэффициент полезного использования материала мишени |
Низкие требования к вакууму Возможность напылять сложные химический соединения в том числе создавать оксидные пленки |
|
|
Ионно-плазменное распыление |
|||||
|
Магнетронное распыление |
|||||
|
Испарение сфокусированным ионным пучком |
|||||
|
Химическое осаждение |
Процесс происходит в результате протекания химических реакций в газовой фазе над поверхностью подложки с образованием пленки. |
Необходимость использования токсичных газовых смесеи?. |
Большой диапазон скоростей осаждения Возможность получения пленки заданной кристаллической структуры (в том числе монокристаллов) |
Во всех проанализированных методах основными параметрами являются:
- Давление в камере (давление остаточных газов или давление рабочего газа)
- Температура подложки
- Скорость осаждения пленки
- Энергия осаждающихся частиц
3.5 Выбор метода изготовления
Исходя из доступности и простоты использования, а также удовлетворению требуемого разрешения для формирования образцов был выбран метод фотолитографии.
Для нанесения тонких пленок и контактных площадок были выбраны 2 метода магнетронное распыление и электронно-лучевое испарение. Так как оба метода подходят для напыляемых материалов Ti (сверхпроводящие проволоки) и Pt (контактные площадки).
3.6 Технологическая карта и методология изготовления образцов
Первым этапом в изготовлении является выбор подложки, в данном случае были выбраны пластины оксидированного кремния толщиной 380 мкм.
Весть процесс изготовления образцов проводится в чистых помещениях, которые соответствуют стандартам запыленности и влажности рабочих комнат.
Предварительная обработка подложки включает в себя механическую (ультразвуковую очистку) и химическую очистку (в пропиловом спирте и ацетоне)
Формирование образцов
Контактные площадки
Прежде, чем изготавливать микро- и наноструктуры, необходимо изготовить контактные площадки будущих чипов, в центр которых будут наноситься требуемые образцы.
Контактные площадки состоят из сетчатых структур, это упрощает создание контакта бондером (ультразвуковой сваркой) при монтаже образцов для измерений. В центральную часть будут напыляться необходимые структуры, для совмещения делаются специальные знаки. Размер чипов 9*9 мм.
В качестве материалов пленок на чипе были выбраны Ti и Pt, которые напыляются послойно (Ti служит прослойкой между оксидом на поверхности кремния и Pt). Толщина Ti составляет 5 нм, толщина Pt - 10 нм, так как при большой толщине образуется ступенька на стыке контактов площадки и структуры, которая наносится в центральную часть.
Рисунок 6. Схема контактной площадки (разработана в САПР AutoCAD)
Рисунок 7. Схема контактной области
Рисунок 8. Центральная часть чипа
После очищения поверхности подложки, переходим к этапу литографии. Сначала на литографе делается тестовое экспонирование с разным шагом экспозиции и фокусировки, для того чтобы определить наилучшие значения этих параметров для резиста, который будет использоваться при создании прототипа чипа. Когда этот этап завершён, на подложку будущего чипа центрифугой наносится резист, затем он сушится при 110 градусах в печи 2 минуты. (Эти значения нужно смотреть в паспорте резиста). Далее на литографе делается засветка по чертежу, в котором скрыты в программе Viewer все лишние слои из САПР AutoCAD и настроены для каждого слоя операции «Cut», «Xor» и «Or». Делается засветка, которая является противоположной? тои?, которая требуется. В даннои? работе изначально делается позитивная (положительная) засветка. После этого подложка запекается в печи при 120 градусах 3 минуты. За это время в резисте начинают разрушаться некоторые связи. Поэтому подложка экспонируется заново сплошной засветкой (а именно квадратом 29 на 29 мм), так, чтобы засветка, которая была противоположной, стала тои?, которая требуется. Далее проводится проявление и сушка.
Результаты первых образцов, которые были получены после вышеописанных этапов, показаны на рис. 9. Отличие цвета в центре и по краям структуры характеризуется различной толщиной резиста.
Рисунок 9. Фотолитография контактных площадок
Затем на подложку напыляются тонкие пленки (можно различных материалов послойно), далее проделывается этап lift-off\взрывная литография
Процесс lift-off заключается в том, что резист и нанесенная на него пленка смываются метилпиромидоне, после чего остается только пленка на вскрытых участках.
Сверхпроводящие индукторы
Рисунок 10. Расположение меандров на контактной? площадке
Следующий? этап после завершения напыления контактных площадок - это прорисовка структуры в форме меандра в центре квадрата со сторонои? 500 мкм
Для начала нужно очистить имеющиеся образцы. Для этого подложку обдувают воздухом для удаления загрязнении?, а затем промывают в воде, ацетоне и в пропиловом спирте. На данном этапе не стоит применять очищение в ультразвуковой? ванне, так как это может повредить имеющий рисунок и может привести к тому, что некоторые его части разрушатся. После очистки нужно оценить поверхность подложки в микроскопе на наличие загрязнении? и провести повторную чистку при необходимости.
Для дальнейшей работы использовался позитивный? резист S1813. Параметры для нанесения и сушки были выбраны, согласно паспорту резиста.
При подготовке к следующему шагу нужно конвертировать черте?ж в формат литографа. Для совмещения уже готового рисунка с новым шаблоном, нужно определить метки, по которым будет производиться соединение.
После экспонирования подложки проводится удаление ненужных участков резиста - проявление. Для этого использовался проявитель MF319. После этого подложки промываются в воде.
Рис. 11. Фотографии полученных образцов
Чтобы проверить, насколько хорошо проявился резист, используется профилометр. Изначально иглу устанавливаем на краи? подложки и исследуем ее? прохождение через ступеньку, где был удале?н резист. Полученная зависимость показана на рис. 12. Глубина составила 1,53 мкм, что соответствует паспорту резиста.
Рис. 12. Измерение глубины ступеньки
Нанесение тонких пленок
Для отработки метода магнетронного распыления были изготовлены маски макроскопических размеров. Магнетронное распыление производилось на установке The Torr International's. После проведения нескольких серий напылении пленок титана толщиной 32-41 нм. и проверки толщины на атомно-силовом микроскопе были выбраны следующие параметры напыления:
Таблица 4. Параметры магнетронного распыления
|
Напряжение |
405 В |
|
|
Сила тока |
300 мА |
|
|
Скорость роста пленки |
0.13 нм/с |
|
|
Давление в камере после откачки |
1.2 бар |
|
|
Давление в камере с Ar |
1.5 бар |
|
|
Расстояние до подложки |
90 мм |
Данный метод дает большую нестабильное значение толщины пленки и большую погрешность относительно значений встроенного кварцевого датчика толщины.
Рисунок 11. Общий вид установки The Torr International's
Электронно-лучевое испарение производилось на установках PLASYS MEB 550S и PLASYS MED 400S.
Для напыления пленок Ti толщиной 35 нм. были подобраны следующие параметры:
Таблица 5. Параметры электронно-лучевого испарения PLASYS MEB 550S
|
Напряжение |
9.8 кВ |
|
|
Сила тока |
50 мА |
|
|
Частота |
5.89 МГц |
|
|
Давление в камере с образцом |
1.1 бар |
|
|
Давление в камере с электродом |
3.6 бар |
|
|
Температура |
293 єК |
Нанесение пленок на контактные площадки производилось также электронно-лучевым испарением
Нанесение 5 нм. Ti производилось по параметрам из таблицы 5, далее без разрыва вакуума был нанесен слой Pt, используя инструмент направления электронного луч, так как Pt тугоплавкий метал и для достижения испарения метала лучше направлять энергию луча локально, установленные параметры следующие:
Таблица 6.. Параметры электронно-лучевого испарения PLASYS MEB 400S
|
Напряжение |
9.7 кВ |
|
|
Сила тока |
84 мА |
|
|
Частота |
5.66 МГц |
|
|
Давление в камере |
8.6 бар |
|
|
Температура |
293 єК |
Рисунок 12. Закрепление образцов перед нанесением пленки Ti
Рисунок 13. Ti индукторы толщина 35 нм. (увеличение 1*20)
Рисунок 14. Общий вид установки PLASYS MEB 550S (а) блок управления (б) блок напыления
Технологическая карта
Все параметры установок, использованные при создании образцов, сгруппированы в технологических картах и представлены в таблицах 7-8.
Таблица 7 Технологическая карта изготовления контактных площадок
|
Параметры |
Значения |
|
|
1. Химическая очистка в ультразвуковой ванне |
||
|
1.1. Очистка в воде |
||
|
Время |
5 мин |
|
|
Частота |
37 кГц |
|
|
Мощность |
80 Вт |
|
|
Температура (фиксирована) |
30°С |
|
|
Сполоснуть ацетоном |
||
|
1.2. Очистка в ацетоне |
||
|
Время |
10 мин |
|
|
Частота |
37 кГц |
|
|
Мощность |
80 Вт |
|
|
Температура (фиксирована) |
30°С |
|
|
1.3. Очистка в спирте |
||
|
Время |
10 мин |
|
|
Частота |
80 кГц (чтобы отпали самые мелкие частицы) |
|
|
Мощность |
80 Вт |
|
|
Температура (фиксирована) |
30°С |
|
|
3. Проверка очистки под микроскопом |
||
|
4. Нанесение резиста AZ5214 на центрифуге |
||
|
Скорость вращения |
4000 об/мин |
|
|
Время |
1 мин |
|
|
5. Первичная сушка на термоплите Hotplate SWISS HP-150 |
||
|
Температура |
110°С |
|
|
Время |
3 мин, после нагрева 1 мин на остывание |
|
|
6. Экспонирование |
||
|
6.1. Засветка на литографе uPG501 |
||
|
Время экспозиции |
4 мс |
|
|
Дефокусировка |
+1 |
|
|
6.2. Сплошная засветка в ультрафиолете |
||
|
Время |
1 мин |
|
|
7. Вторичная сушка на термоплите Hotplate SWISS HP-150 |
||
|
Температура |
110°С |
|
|
Время |
3 мин |
|
|
8. Проявление |
||
|
Проявитель MIF726 |
1 мин |
|
|
Промыть водой |
||
|
Параметры |
Значения |
|
|
8.1. Напыление титана на установке PLASYS MEB 550S |
||
|
Напряжение |
9,8 кВ |
|
|
Сила ток |
50 мА |
|
|
Частота |
5,89 МГц |
|
|
Давление в камере с образцом |
1,1*10-9 бар |
|
|
Давление в камере с электродом |
3,6*10-10 бар |
|
|
Температура |
293°К |
|
|
8.2. Напыление платины на установке PLASYS MED 400S |
||
|
Напряжение |
9,7 кВ |
|
|
Сила ток |
84 мА |
|
|
Частота |
5,66 МГц |
|
|
Давление в камере |
8,6*10-10 бар |
|
|
Температура |
293°К |
Таблица 8. Технологическая карта для изготовления индукторов
|
Параметры |
Значения |
|
|
1. Химическая очистка |
||
|
Промыть подложки в воде, ацетоне и пропаноле, обдуть воздухом. Ультразвуковую ванну не использовать. |
||
|
2. Оценить поверхность подложки в микроскопе |
||
|
При необходимости промыть подложки ещё раз. |
||
|
3. Нанесение резиста S1813 на центрифуге |
||
|
Скорость вращения |
4000 об/мин |
|
|
Время |
1 мин |
|
|
4. Первичная сушка на термоплите Hotplate SWISS HP-150 |
||
|
Температура |
115°С |
|
|
Время |
1 мин, после нагрева 1 мин на остывание |
|
|
5. Экспонирование на литографе uPG501 |
||
|
Время экспозиции |
62 мс |
|
|
Дефокусировка |
-1 |
|
|
6. Проявление |
||
|
Проявитель MF319 |
50 c |
|
|
Промыть водой |
||
|
Параметры |
Значения |
|
|
7. Напыление титана на установке PLASYS MEB 550S |
||
|
Напряжение |
9,8 кВ |
|
|
Сила ток |
50 мА |
|
|
Частота |
5,89 МГц |
|
|
Давление в камере с образцом |
1,1*10-9 бар |
|
|
Давление в камере с электродом |
3,6*10-10 бар |
|
|
Температура |
293°К |
Заключение
Таким образом, по результатам работы можно сделать вывод, что явление кинетической индуктивности находит широкой применение и имеет большой потенциал как в фундаментальной науке, так и в электронике, астрономии и др. Для изготовления структур с высоким значением кинетической индуктивности необходимо учитывать, что кинетическая индуктивность обратно пропорциональна температуре сверхпроводящего перехода и прямо пропорциональна сопротивлению в нормальном состоянии, а также прямо пропорциональна длине проводника и обратно пропорциональна площади поперечного сечения. Процесс изготовления сверхпроводящих индуктивных элементов включает в себя несколько этапов, таких как выбор материалов, подготовка подложки, разработка геометрии, формирование образцов, нанесение тонких пленок. По итогам работы была отработана технология изготовления, составлена подробная технологическая карта и изготовлено 3 серии образцов с большим значением кинетической индуктивности, с которыми в дальнейшем будут проводиться низкотемпературные изменения для выявления возможностей применения данного эффекта в электронике и изучения фундаментальных квантовых эффектов.
Список литературы
наноэлектрический кинетический индуктивность сверхпроводник
1. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits //Proceedings of the IEEE. - 1998. - Т. 86. - №. 1. - С. 82-85.
2. /http://www.behardware.com/news/lire/07-07-2008/
3. Pandey G., Rawtani D., Agrawal Y.K. Aspects of nanoelectronics in materials development //Nanoelectronics and Materials Development. - IntechOpen, 2016.
4. Xiang J. et al. Ge/Si nanowire heterostructures as high-performance field-effect transistors //nature. - 2006. - Т. 441. - №. 7092. - С. 489.
5. Golubev D.S., Zaikin A.D. Quantum tunneling of the order parameter in superconducting nanowires //Physical Review B. - 2001. - Т. 64. - №. 1. - С. 014504.
6. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников // М.: МЦНМО. - 2000. - Т. 397. - С. 416.
7. Kang J. et al. On-chip intercalated-graphene inductors for next-generation radio frequency electronics //Nature Electronics. - 2018. - Т. 1. - №. 1. - С. 46.
8. Dickson T.O. et al. 30-100-GHz inductors and transformers for millimeter-wave (Bi) CMOS integrated circuits //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Т. 53. - №. 1. - С. 123-133.
9. Tsui H.Y., Lau J. An on-chip vertical solenoid inductor design for multigigahertz CMOS RFIC //IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2005. - Т. 53. - №. 6. - С. 1883-1890.
10. Stojanovic G., Ljikar T., Sordan R. Scaling meander inductors from micro to nano // 2006 International Semiconductor Conference. - IEEE, 2006. - Т. 1. - С. 93-96.
11. Seilis A. et al. Integrated magnetic nanoinductors //IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. - 2015. - Т. 5. - №. 5. - С. 675-684.
12. Taschuk M.T., Hawkeye M.M., Brett M.J. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings //Elsevier, The Netherlands. - 2010. - С. 621-678.
13. Meservey R., Tedrow P.M. Measurements of the kinetic inductance of superconducting linear structures //Journal of Applied Physics. - 1969. - Т. 40. - №. 5. - С. 2028-2034.
14. Annunziata A.J. et al. Tunable superconducting nanoinductors //Nanotechnology. - 2010. - Т. 21. - №. 44. - С. 445202.
15. Annunziata A.J. et al. Niobium superconducting nanowire single-photon detectors //IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2009. - Т. 19. - №. 3. - С. 327-331.
16. [Электронный ресурс] // Nanoelectronics Research Laboratory. - 3 Май 2019 г.. - https://engineering.purdue.edu/NRL.
17. НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК Междисциплинарная курсовая работа [Отчет] / авт. А.А. Заруднева. Москва, 2018.
18. Day P.K. et al. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays //Nature. - 2003. - Т. 425. - №. 6960. - С. 817.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Индуктивность – физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Природа индуктивности, классификация катушек индуктивности. Схема замещения, основные и паразитные параметры. Стабильность катушек без сердечника и их особенности.
реферат [813,9 K], добавлен 11.12.2008Катушка индуктивности как элемент радиоэлектронных средств, ее функционирование, назначение, устройство, особенности проектирования. Расчет конструкции и необходимых деталей, температурного коэффициента индуктивности, уточнение электрических параметров.
курсовая работа [96,8 K], добавлен 04.03.2010Разработка структурной схемы радиопередатчика. Расчет режима работы выходного каскада и цепей согласования. Выбор стандартных элементов. Конструктивное вычисление катушки индуктивности. Основные требования к синтезатору частот и к источнику питания.
курсовая работа [454,2 K], добавлен 08.01.2012Техника электроэрозионной и токовой подгонки тонкопленочных резисторов. Обработка пленок в тлеющем разряде. Подгонки тонкопленочных конденсаторов. Анодирование и анодное оксидирование. Электронные и ионные методы подгонки. Лазерная обработка пленки.
лабораторная работа [465,5 K], добавлен 01.02.2014Обзор конструкций типичных катушек индуктивности. Расчет глубины проникновения тока, величины индуктивности, числа витков и длины однослойной обмотки, оптимального диаметра провода, сопротивления потерь в диэлектрике каркаса и добротности катушки.
курсовая работа [690,8 K], добавлен 29.08.2010Расчет катушки индуктивности: определение ее конструкции, факторов, от которых зависит величина индуктивности. Выбор материала и обоснование конструкции. Расчет числа витков, оптимального диаметра провода, фактических параметров и добротности катушки.
курсовая работа [119,6 K], добавлен 11.03.2010Конструирование микросхемы по электрической принципиальной схеме. Обоснование выбора материала подложки. Расчет тонкопленочных конденсаторов, резисторов. Диапазон рабочих температур. Выбор навесных элементов. Расчет показателя надежности микросхемы.
контрольная работа [48,2 K], добавлен 28.09.2012Технология изготовления платы фильтра. Методы формирования конфигурации проводящего, резистивного и диэлектрического слоя. Выбор установки его напыления. Расчет точности пленочных элементов микросхем и режимов изготовления тонкопленочных резисторов.
контрольная работа [359,2 K], добавлен 25.01.2013Расчет режима цепи до коммутации. Определение корней характеристического уравнения. Начальные условия для тока в индуктивности. Оценка продолжительности переходного процесса. Графики токов в электрической цепи, напряжения на ёмкости и индуктивности.
курсовая работа [737,0 K], добавлен 25.12.2014Выбор материала, размеров каркаса, типа обмотки, конденсатора, класса точности, группы стабильности. Определение числа витков, оптимального диаметра провода. Расчет индуктивности катушки с учетом сердечника. Нахождение температурного коэффициента частоты.
курсовая работа [824,5 K], добавлен 03.05.2015Параметры, определяющие качество циркулятора. Факторы, которые рассматривают при выборе ферромагнитного материала в качестве подложки для полосковой системы. Технические характеристики Y-циркулятора. Проницаемость размагниченной ферритовой подложки.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 24.05.2014Комплекс материалов, использующихся на предприятии ККБ "Искра" для изготовления различных элементов СВЧ и микросборок. Способы компоновки изделий на производстве. Получение рисунка плат и ознакомление с системами автоматизированного проектирования.
отчет по практике [18,7 K], добавлен 08.05.2009Анализ условий эксплуатации экранированной катушки индуктивности, обоснование дополнительных требований и параметров, обзор аналогичных конструкций. Выбор материала и обоснование конструкции, расчет числа витков, диаметра провода, фактических параметров.
курсовая работа [118,1 K], добавлен 14.03.2010Выбор и обоснование элементной базы, структурной и принципиальной схем, компоновки устройства. Расчет узлов и блоков, потребляемой мощности и быстродействия. Выбор интегральной микросхемы и радиоэлектронных элементов, способа изготовления печатной платы.
дипломная работа [149,1 K], добавлен 23.10.2010Разработка топологии изготовления бескорпусной интегральной микросборки на основе тонкопленочной технологии. Схемотехнические данные и используемые материалы. Разработка коммутационной схемы соединений. Расчет тонкопленочных элементов микросборки.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 07.08.2013Типы электрических схем, их назначение. ГОСТы и соответствующие стандарты по изображению и оформлению структурной, функциональной и принципиальной схем радиотехнических устройств. Условные графические обозначения элементов радиоэлектронной аппаратуры.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 27.07.2010Принципиальная схема установки для ДТА. Вещества, использующиеся для изготовления держателей образцов-блоков и тиглей. Принцип действия и сфера применения дериватографа. Описание модуля термогравиметрического и дифференциального термического анализа.
презентация [407,1 K], добавлен 04.11.2015Условные графические изображения элементов. Правила выполнения принципиальных электрических схем. Требования ГОСТов к чертежам печатных плат, к графическим документам. Порядок выполнения чертежа печатной платы устройства гальванической развязки.
курсовая работа [976,7 K], добавлен 08.12.2011Технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на применении в качестве подложки трехслойной структуры кремний-диэлектрик-кремний (КНИ): преимущества, конструктивное исполнение и операции получения методом управляемого скалывания.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.04.2011Сущность и назначение радиопередающего устройства, порядок составления и расчета его структурной схемы. Расчет режима оконечного каскада и основных параметров антенны. Методика конструктивного расчета катушек индуктивности оконечного каскада передатчика.
курсовая работа [235,2 K], добавлен 24.04.2009
