Введение к работе
Актуальность темы
Терагерцовый диапазон частот является одним из наименее изученных на сегодняшний день (к = 3 - 0,1 мм, частоты 0,1 - 3 ТГц). Известно, что около 80% информации, доставляемой электромагнитным излучением к Земле из космоса, приходится на указанные длины волн, поэтому полученная от этого излучения информация даст возможность расширить наши представления о Вселенной и происходящих в ней процессах. Также системы терагерцового видения могут эффективно применяться для решения задач безопасности и медицинской диагностики, так как имея высокую чувствительность, они позволяют производить пассивное (необлучающее) сканирование объекта. Создание систем терагерцового видения с предельной чувствительностью (noize equivalent power -NEP) NEP- 10"17Вт/Гцш для наземных применений и NEP ~ 10~21 Вт/Гцш для внеатмосферного детектирования космического электромагнитного излучения является в настоящее время актуальной задачей, над которой работают научные коллективы во всем мире. Последнее значение близко к пределу, обусловленному квантовым шумом самого принимаемого излучения, включая космический фон.
В настоящее время активно развивается технология изготовления чувствительных приемников для данного диапазона частот, в частности сверхпроводниковых болометров - устройств, у которых чувствительным элементом является поглотитель, нагревающийся под действием падающего излучения, и которые работают при температурах, близких к критической температуре применяемого сверхпроводника. Для изготовления таких болометров должны быть применены структуры, у которых температура края сверхпроводникового перехода находится в указанном выше интервале сверхнизких температур и соответствует рабочей температуре применяемого рефрижератора. Выполнить данное требование можно путем применения тонкопленочных структур из титана в качестве поглотителя, варьирование толщины которого обеспечивает требуемую температуру края сверхпроводникового перехода. В диссертационной работе рассматриваются вопросы исследования и тестирования, а также разработки технологии создания
тонкопленочных титановых структур с целью применения их в качестве поглотителей сверхчувствительного болометра для систем терагерцового видения.
Цель и задачи исследования
Целью данной диссертации является получение и исследование надежных и воспроизводимых тонкопленочных сверхпроводниковых структур из титана для создания на их основе поглотителей сверхчувствительных криогенных болометров терагерцового диапазона со сверхпроводниковым фазовым переходом на «горячих электронах». Для этого необходимо решить следующие задачи:
выбор толщины тонкой титановой пленки, которая позволит проводить измерения с использованием структур, изготовленных из этой пленки, при температурах, достижимых в сорбционных рефрижераторах на Не (~0,35 К);
исследование основных факторов, влияющих на ширину и температуру сверхпроводящего перехода в таких структурах;
- разработка технологического процесса изготовления микроструктур с целью
получения максимально резкого края сверхпроводникового перехода и
повышения таким способом их предельной чувствительности;
- оптимизация лабораторной методики получения названных структур с
учетом влияния отдельных этапов процесса на параметры титановых пленок;
- тестирование полученных микроструктур, оценка чувствительности
болометров на основе этих микроструктур.
Научная новизна работы
Впервые получены и исследованы сверхпроводящие микроструктуры из тонких пленок титана толщиной -100 нм с заданной критической температурой перехода- 0,35 К.
Исследованы основные факторы, влияющие на ширину и температуру сверхпроводникового перехода в таких структурах, а именно: условия магнетронного осаждения титана, основные способы микроструктурирования -4
«взрывная» литография, ионное травление через маску из титана, жидкостное травление через маски из резистов и диоксида кремния.
Впервые с использованием оригинального негативного резиста на основе термостабильного полимера полиэфирсульфона (PES) различными методами изготовлены тонкопленочные титановые структуры, превосходящие по своим параметрам структуры, изготовленные с использованием доступных коммерческих резистов.
На основе результатов проведенных экспериментов и анализа полученных данных (температурная зависимость сопротивления и вольт-амперная характеристика при облучении чернотельным излучателем) рассчитана
17 1/9
предельная чувствительность этих структур NEP ~ 10" Вт/Гц .
Практическая ценность работы
1. Проведенные в работе исследования тонкопленочных титановых
микроструктур позволили создать поглотители для СКП-болометров
терагерцового диапазона частот, работающих при температурах -0,35 К.
Сделана оценка их чувствительности. С использованием данных поглотителей в
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН изготавливаются лабораторные образцы СКП-
болометров, включенных в планарную антенну.
-
Результаты исследований свойств тонких пленок титана, осажденных при различных условиях, и свойств тонкопленочных титановых структур, сформированных различными методами, позволили разработать лабораторную методику получения тонкопленочных сверхпроводниковых микроструктур из титана с заданной критической температурой (ГК~0,35К). Предложенная методика позволяет обеспечивать необходимые свойства микроструктур, значительно повысить их качество и воспроизводимость, что в дальнейшем может быть использовано для создания на их основе элементов приборов сверхпроводниковой электроники, изготавливаемых из титана.
-
Изготовлен резист на основе промышленного термостабильного полимера полиэфирсульфона. Разработана методика применения данного резиста для целей электронно-лучевой литографии и дальнейших технологических процессов. С
применением полученного резиста изготовлены тонкопленочные титановые структуры, которые по своим параметрам превосходят структуры, изготовленные с использованием широко распространенных коммерческих резистов. Результаты исследования могут быть использованы для оптимизации процессов изготовления электронных приборов на основе структур из тугоплавких металлов, чувствительных к примесям, образующимся в результате технологических операций.
Личный вклад диссертанта в данную работу
Работы были выполнены А.С. Ильиным в соавторстве с сотрудниками лаборатории «Сверхпроводниковые терагерцовые болометроы» в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Совместно с А.Г. Коваленко и А.А. Кузьминым автором были разработаны методики изготовления сверхпроводниковых тонкопленочных титановых микроструктур и изготовлены данные структуры. Автор принимал участие в проведенных И.А. Коном низкотемпературных измерениях полученных структур и в обсуждении полученных результатов.
Совместно с И.Г. Ляховым автором были изготовлены и исследованы образцы тонких пленок из титана.
Изготовление и разработка методики применения резиста на основе термостабильного полимера полиэфирсульфона для целей электронно-лучевой литографии, а также изготовление с использованием данного резиста тестовых образцов были выполнены автором лично.
Положения, выносимые на защиту
1. Экспериментальное исследование влияния условий ионно-плазменного осаждения титана на сверхпроводящие свойства пленок; определение оптимальных условий получения магнетронным распылением тонких пленок из титана с заданной критической температурой.
-
Изготовление негативного резиста на основе термостабильного полимера полиэфирсульфона и разработка методики применения данного резиста для целей электронно-лучевой литографии и дальнейших технологических процессов.
-
Экспериментальное исследование влияния на качество тонкопленочных титановых структур различных способов изготовления микроструктур, в том числе «взрывной» литографии, ионного травления через маску из титана, жидкостного травления с использованием масок из ПММА, SiC>2 и полиэфирсульфона. Исследование ионного травления пленок из титана через маску из полиэфирсульфона. Изготовление и исследование образцов с использованием упомянутых технологических процессов.
-
Создание на основе разработанной технологической методики качественных, надежных и воспроизводимых тонкопленочных микроструктур из титана с 77,,-0,35 К, что соответствует рабочей температуре применяемого рефрижератора.
Апробация работы
Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих научных конференциях:
Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics, Jena/Gabelbach, Germany, June 22-25, 2008;
The Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy as part of "The SPIE Symposium on Astronomical Telescopes and Instrumentation: Synergies Between Ground and Space", 23-28 June 2008, Marseille, France;
33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, California Institute of Technology in Pasadena, California, USA, 15-19 September, 2008;
51-я научная конференция МФТИ, 28-30 ноября 2008, Москва;
Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», 30-31 марта, 1 апреля 2009г., МГОУ, Москва;
III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009г.;
The 7th Intern. Kharkov Symp. on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter waves (MSMW'10) and Workshop on Terahertz Technology (TERATECH'10), Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2010;
Terahertz radiation: Generation and Applications, 26 July - 1 August 2010, Budker INP, Novosibirsk, RF;
The 2-nd International conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications", 20-22 June 2012, Moscow, Russia.
Публикации
Основные результаты исследований отражены в 10 работах, в том числе 6 статей в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ. Список работ приведен в конце диссертации.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, одного приложения, списка публикаций по теме диссертационной работы и списка цитированной литературы, содержащего 91 наименование.
