×
09.06.2019
219.017.7f47

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002442246
Дата охранного документа
10.02.2012
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), болометров на холодных электронах. Сущность изобретения: в способе изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами, состоящем из нанесения поддерживающего и основного резиста, экспозиции, проявления этих слоев резиста, напыления первого слоя нормального металла или сверхпроводника под прямым углом к подложке, окисления для формирования туннельного барьера, напыления второго слоя пленки сверхпроводника под углом к нормали, взрывания резиста, напыление верхней пленки сверхпроводника производится под двумя разными углами +φ и -φ с разных сторон от нормали так, что обе пленки сверхпроводника перекрывают необходимый зазор и образуют единый сверхпроводящий слой, между нормальным металлом и сверхпроводником формируется туннельный контакт, при этом углы нанесения выбирают по формуле tgφ≤t/(L+w), где t=t+t суммарная толщина двухслойного резиста, w ширина нижнего электрода, L - глубина подтрава. Техническим результатом изобретения является увеличение площади туннельных переходов, снятие ограничения на форму переходов, устранение паразитных теней, устранение паразитных шунтирующих емкостей и сопротивлений утечки, уменьшение количества технологических ступеней электронной литографии. 3 н.п. ф-лы, 7 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), болометров на холодных электронах, Андреевских интерферометров.

Известен способ-аналог: изготовление СИС туннельного перехода с разрывом вакуума [1]. По этому способу т.н. раздельной технологии выполняют следующие операции: выполняют обратную литографию, наносят первый слой металла, взрывают фоторезист, делают вторую литографию, чистку, окисление, нанесение верхней пленки металла, взрыв резиста. Недостатком аналога является низкое качество туннельного барьера за счет разрыва вакуума перед нанесением верхнего слоя туннельного перехода и необходимость проведения, как минимум, двух операций фото- или электронной литографии с необходимостью совмещения слоев.

Известен способ-аналог: изготовление СИС трехслойки Гурвича, которая формируется без разрыва вакуума через окно в фоторезисте [2]. Это наиболее распространенная технология получения высококачественных туннельных переходов напыления без разрыва вакуума, в которой после напыления первого слоя металла производят его оксидирование в той же камере в атмосфере кислорода при определенном давлении, затем продолжают откачку и наносят второй слой пленки металла. Недостатком аналога является одинаковая форма верхнего и нижнего слоев сверхпроводника, что требует выполнения дополнительного этапа фотолитографии при формировании сложных схем.

Известен способ-прототип: изготовление сверхпроводниковых туннельных переходов и одноэлектронных транзисторов Долана теневым напылением под двумя углами через подвешенную маску из электронного резиста [3] для уменьшения количества этапов литографии. Метод теневого напыления под разными углами через подвешенную двухслойную маску, сформированную с помощью электронно-лучевой литографии, впервые был предложен в 1977 году G.J.Dolan [3]. В этой технологии двухслойная маска используется для напыления под разными углами двух слоев металла. Окисление нижнего слоя алюминия в процессе изготовления позволяет получить, в частности, джозефсоновские туннельные переходы высокого качества. В случае если нижний слой представляет собой нормальный металл, а верхний напыляют без окисления, образуется т.н. андреевский контакт. По этой методике можно изготавливать переходы размером 0.1 мкм и меньше.

Для формирования туннельных переходов по способу-прототипу:

1 - наносят первый слой поддерживающего резиста и запекают его;

2 - наносят слой основного резиста и запекают его;

3 - проводят экспозицию с использованием фотолитографии для формирования зазора между открытыми областями резиста;

4 - проявляют первый и второй слои резиста, получая в итоге подвешенную маску с рисунком, как в топологии в первом слое и с более широким рисунком в нижнем слое поддерживающего резиста;

5 - напыляют первый слой металла под прямым углом к подложке;

6 - окисляют поверхность металла для формирования туннельного барьера;

7 - напыляют второй слой металла под расчетным углом φ к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста;

8 - взрывают резисты в ацетоне для удаления пленок, лежащих поверх этих резистов.

Этот способ получил дальнейшее развитие в [4] для создания структур с резисторами и двумя сверхпроводниками, разделенными слоем окисла. Изобретение [5] электронного охладителя структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН) значительно расширило области применения такой технологии для изготовления электронных охладителей на чипе. Другой областью применения СИН переходов являются болометры на холодных электронах [6], использующие прямое электронное охлаждение абсорбера. Для всех перечисленных применений, использующих электронное охлаждение, требуются переходы достаточно большой площади, тогда как классическая технология теневого напыления ограничена площадью перехода менее 1 мкм2, что определяется перехлестом напыляемых пленок, расположенных под подвешенным мостиком из фоторезиста.

Перечисленные приложения требуют модификации метода теневого напыления для снятия ограничения по площади, устранения паразитных теней, сохранения высокого качества туннельного барьера. В качестве более поздних вариантов прототипа метода изготовления самосовмещенных туннельных переходов большой площади можно рассматривать патенты США [7, 8].

Недостатками прототипа являются ограничение площади перехода размером подтрава нижнего слоя резиста, что не позволяет получить туннельные переходы шире 0.2-0.3 мкм, и образование паразитных теней параллельно узкому слою нижнего электрода. Эти недостатки приводят к появлению паразитной шунтирующей емкости и паразитного сопротивления утечки. Нами разработан способ изготовления тонкопленочных туннельных переходов неограниченной площади методом модифицированного теневого напыления под тремя углами.

Целью предлагаемого изобретения является: увеличение площади туннельных переходов, снятие ограничения на форму переходов, устранение паразитных теней, устранение паразитных шунтирующих емкостей и сопротивлений утечки, уменьшение количества технологических ступеней электронной литографии.

Предлагаемый способ изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами, состоящими из двух слоев металла, разделенных туннельным переходом, характеризуется следующей последовательностью операций:

1 - наносят первый слой поддерживающего резиста и запекают его;

2 - наносят слой основного резиста и запекают его;

3 - проводят экспозицию с использованием фото- или электронной литографии с формированием зазора между открытыми областями резиста;

4 - проявляют первый и второй слои резиста, получая в итоге подвешенную маску с рисунком, как в топологии в первом слое и с более широким рисунком в нижнем слое поддерживающего резиста (Фиг.1.2);

5 - напыляют первый слой металла (например, алюминий с подавленной слабым ферромагнетизмом сверхпроводимостью) под прямым углом к подложке (Фиг.1.3);

6 - окисляют поверхность металла для формирования туннельного барьера (Фиг.1.4);

7 - напыляют второй слой металла (например, чистого алюминия) под расчетным углом +φ к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.5);

8 - напыляют третий слой металла (например, чистого алюминия) под расчетным углом -φ с другой стороны к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.6);

9 - взрывают резисты в ацетоне для удаления пленок, лежащих поверх этих резистов;

1 - углы нанесения второго слоя выбирают таким образом, что паразитные тени оказываются на стенках резиста и удаляются вместе с резистом на последнем этапе взрыва в ацетоне или диметилформамиде, при этом угол φ и размеры связаны соотношением tgφ≤t/(L+w), где t=t1+t2 суммарная толщина двухслойного резиста, w - ширина нижнего электрода, L - глубина подтрава.

Перечень фигур графических изображений

Фигура 1. Топология единого слоя литографии для нанесения трех слоев устройства.

Схематическое изображение последовательности операций предлагаемого способа формирования сверхпроводниковых туннельных переходов приведено на Фиг.1.

На Фиг.1.1 изображен вид сверху топологии туннельного перехода, как она формируется в резисте. Области А и В открываются при проявлении и через них пленки наносят на подложку. Пунктиром показана линия сечения. Все дальнейшие чертежи приведены для этого сечения.

На Фиг.1.2 показан двуслойный резист с тонким верхним слоем электронного резиста и более толстым нижним слоем сополимера с подтравом под верхний слой после экспозиции и проявления обоих слоев.

На Фиг.1.3 показан этап нанесения тонкой пленки нижнего электрода под прямым углом по отношению к подложке. Направление напыления указано стрелками.

На Фиг.1.4 изображен этап окисления в атмосфере кислорода при низком давлении, либо нитридизации, выполняемый в напылительной камере без разрыва вакуума.

На Фиг.1.5 показан этап нанесения первого слоя верхнего электрода под углом

+45° (направление справа указано стрелками).

На Фиг.1.6 показан этап напыления второго слоя верхнего электрода под углом

-45° (направление слева указано стрелками).

На Фиг.1.7 изображен получившийся туннельный переход после удаления резиста и лишних пленок металлов поверх него.

В результате на подложке остается только требуемый слой тонкого нижнего электрода, а пленки последующих двух слоев под углами +45° и -45° наносятся поверх резиста и на его торцы, не попадая на поверхность подложки. В результате после удаления (взрыва) резиста остается чистая структура нижнего электрода без паразитных теней слева и справа. По описанной методике соотношение между суммарной толщиной резиста t, шириной нижнего электрода w, глубиной подтрава L, и углом напыления α определяется по формуле

Физический механизм достижения целей изобретения заключается в следующем: если в способе-прототипе ширина образуемых туннельных переходов определяется только величиной сдвига при напылении под углом и не может сильно превышать суммарную толщину резиста, то в предлагаемом способе за счет напыления второй пленки верхнего металла под противоположным углом (Фиг.1.6) ширина образуемого перехода определяется открытой областью резиста (область А на Фиг.1.1.) и может быть произвольной в пределах подложки. Паразитные тени не образуются, поскольку при правильном подборе соотношения между толщиной резиста и углами напыления (формула 1) тени попадают на боковые стенки резиста и удаляются вместе с резистом.

Для формирования андреевских контактов проводят те же операции, за исключением окисления по п.6, а напыляют слой сверхпроводника сразу поверх первого слоя нормального металла, в результате чего образуется Андреевский контакт типа нормальный металл-сверхпроводник.

1. Наносят первый слой поддерживающего резиста и запекают его.

2. Наносят слой основного резиста и запекают его.

3. Проводят экспозицию с использованием фото или электронной литографии с формированием зазора между открытыми областями резиста.

4. Проявляют первый и второй слои резиста, получая в итоге подвешенную маску с рисунком как в топологии в первом слое и с более широким рисунком в нижнем слое поддерживающего резиста (Фиг.1.2).

5. Напыляют первый слой металла (например, алюминий с подавленной слабым ферромагнетизмом сверхпроводимостью) под прямым углом к подложке (Фиг.1.3).

6. Напыляют второй слой металла (например, чистого алюминия) под расчетным углом +φ к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.5).

7. Напыляют третий слой металла (например, чистого алюминия) под расчетным углом -φ с другой стороны к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.6)

8. Взрывают резисты в ацетоне для удаления пленок, лежащих поверх этих резистов.

9. Углы нанесения второго слоя выбирают таким образом, что паразитные тени оказываются на стенках резиста и удаляются вместе с резистом на последнем этапе взрыва в ацетоне или диметилформамиде, при этом угол φ и размеры связаны соотношением tgφ≤t/(L+w), где t=t1+t2 суммарная толщина двухслойного резиста, w - ширина нижнего электрода, L - глубина подтрава.

Для формирования структур с барьером Шоттки вместо нижнего слоя нормального металла наносят тонкую пленку полупроводника, поверх которой наносят слои сверхпроводника, в результате чего образуется контакт Шоттки на границе полупроводника и сверхпроводника или нормального металла. Окисления также не требуется.

1. Наносят первый слой поддерживающего резиста и запекают его.

2. Наносят слой основного резиста и запекают его.

3. Проводят экспозицию с использованием фото или электронной литографии с формированием зазора между открытыми областями резиста.

4. Проявляют первый и второй слои резиста, получая в итоге подвешенную маску с рисунком как в топологии в первом слое и с более широким рисунком в нижнем слое поддерживающего резиста (Фиг.1.2).

5. Напыляют нижний слой полупроводника под прямым углом к подложке (Фиг.1.3).

6. Напыляют слой металла под расчетным углом +φ к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.5).

7. Напыляют слой металла под расчетным углом -φ с другой стороны к нормали так, что металл подпыляется под подвешенную полоску резиста, опирающуюся на слой поддерживающего первого резиста (Фиг.1.6).

8. Взрывают резисты в ацетоне для удаления пленок, лежащих поверх этих резистов.

9. Углы нанесения второго слоя выбирают таким образом, что паразитные тени оказываются на стенках резиста и удаляются вместе с резистом на последнем этапе взрыва в ацетоне или диметилформамиде, при этом угол φ и размеры связаны соотношением tgφ≤t/(L+w), где t=t1+t2 - суммарная толщина двухслойного резиста, w - ширина нижнего электрода, L - глубина подтрава.

Технический результат предлагаемого решения состоит в достижении поставленных целей: увеличении площади туннельных переходов, снятии ограничения на форму переходов, устранении паразитных теней, устранении паразитных шунтирующих емкостей и сопротивлений утечки, уменьшении количества технологических ступеней электронной литографии.

Литература

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-5 из 5.
10.03.2013
№216.012.2eba

Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при физических исследованиях механизмов затухания акустических волн в твердых телах и в технике при разработке и производстве акустических ВЧ и СВЧ резонаторов и фильтров. Способ измерения коэффициента затухания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477493
Дата охранного документа: 10.03.2013
27.05.2013
№216.012.4597

Сверхпроводящий прибор на основе многоэлементной структуры из джозефсоновских переходов

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала сверхпроводящего прибора в полосе частот 0,1-10...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483392
Дата охранного документа: 27.05.2013
29.03.2019
№219.016.f57d

Модулятор свч на поверхностных магнитостатических волнах

Изобретение направлено на обеспечение управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке. Технический результат - возможность управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002454788
Дата охранного документа: 27.06.2012
29.03.2019
№219.016.f5f0

Система стабилизации частоты перестраиваемого криогенного генератора

Изобретение относится к системам стабилизации частоты (ССЧ) и может быть использовано для стабилизации частоты перестраиваемого криогенного генератора (ПГ) путем фазовой синхронизации к высокостабильному опорному синтезатору частот. Достигаемый технический результат - расширение полосы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002450435
Дата охранного документа: 10.05.2012
19.04.2019
№219.017.33d3

Низкотемпературный перестраиваемый источник излучения черного тела

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, и охлаждаемым приемникам ИК-излучения. Низкотемпературный перестраиваемый источник излучения черного тела содержит излучатель черного тела,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002469280
Дата охранного документа: 10.12.2012
Показаны записи 1-10 из 10.
10.08.2016
№216.015.54c6

Способ изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что наносят без разрыва вакуума трехслойную структуру сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН контакт); наносят резист, проводят экспозицию,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593647
Дата охранного документа: 10.08.2016
19.01.2018
№218.016.0c20

Способ изготовления устройств со свободно висящими микромостиками

Изобретение относится к области тонкопленочной сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению высокочувствительных болометров, электронных охладителей, одноэлектронных транзисторов, содержащих свободно висящий микромостик нормального металла и сверхпроводниковые переходы типа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002632630
Дата охранного документа: 06.10.2017
19.04.2019
№219.017.1ce7

Способ изготовления воздушных мостиков в качестве межэлектродных соединений интегральных схем

Использование: для изготовления воздушных мостиков. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления воздушных мостиков в качестве межэлектродных соединений интегральных схем содержит стадии нанесения и формирования фоторезиста для формирования поддерживающего слоя, нанесения и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685082
Дата охранного документа: 16.04.2019
19.04.2019
№219.017.2b89

Широкополосный детектор терагерцевого излучения (варианты)

Изобретение относится к области тонкопленочной СВЧ микроэлектроники и антенной техники, в том числе массивам антенн и метаматериалам. Широкополосный детектор терагерцевого излучения состоит из распределенного абсорбера в виде матрицы антенн в конфигурации метаматериала, микроболометров,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684897
Дата охранного документа: 16.04.2019
19.04.2019
№219.017.33d3

Низкотемпературный перестраиваемый источник излучения черного тела

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, и охлаждаемым приемникам ИК-излучения. Низкотемпературный перестраиваемый источник излучения черного тела содержит излучатель черного тела,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002469280
Дата охранного документа: 10.12.2012
29.06.2019
№219.017.9d03

Сверхпроводниковый быстродействующий ключ

Изобретение относится к области высокочастотной техники, в частности к устройствам для коммутации сигналов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Техническим результатом изобретения является: повышение рабочей частоты сигнала модулятора до единиц гигагерц, увеличение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002381597
Дата охранного документа: 10.02.2010
12.04.2023
№223.018.466a

Способ изготовления устройств с тонкопленочными туннельными переходами

Способ изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами включает нанесение двух слоев резиста разной чувствительности, экспозицию в электронном литографе, проявление этих слоев резиста, напыление первого слоя нормального металла или сверхпроводника под углом к подложке,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002733330
Дата охранного документа: 01.10.2020
21.04.2023
№223.018.4f81

Джозефсоновский параметрический усилитель бегущей волны на основе би-сквидов

Изобретение относится к параметрическому усилителю бегущей волны. Технический результат - расширение свободного от паразитных составляющих динамического диапазона. Для этого параметрический усилитель бегущей волны содержит размещенные на подложке копланарный волновод и связанные с ним...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002792981
Дата охранного документа: 28.03.2023
16.05.2023
№223.018.6066

Металл-диэлектрик-металл-диэлектрик-металл фотодетектор

Изобретение относится к детекторам излучения, полевым транзисторам, туннельным усилителям с потоком горячих электронов, МДМДМ туннельным структурам для приема излучения миллиметровых и субмиллиметровых волн. Металл-Диэлектрик-Металл-Диэлектрик-Металл детектор, содержащий металлический проводник...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002749575
Дата охранного документа: 15.06.2021
29.05.2023
№223.018.7282

Перестраиваемый генератор шумового сигнала

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники, а именно к приборам, предназначенным для измерения слабых сигналов и может быть использовано для калибровки чувствительности криогенных усилителей и детекторов гигагерцового диапазона. Техническим результатом изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002796347
Дата охранного документа: 22.05.2023
+ добавить свой РИД