納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法
2023-08-09 18:23:56 2
專利名稱：納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法。
背景技術：
超導熱電子測輻射熱儀(Superconducting Hot Electron Bolometer:SHEB)是利用超薄超導薄膜構造微橋結構來實現高頻信號探測的一種器件。它的低噪聲和高頻率解析度等性能使得其成為太赫茲(THz)頻段特別是ITHz以上最靈敏的探測器之一S. Cherednichenko et al, Review ofScientific Instruments 79， 034501， 2008。
超外差檢測是SHEB用於太赫茲頻段的檢測的最常用方法之一。這種檢測通常需要一個太赫茲頻段的本地振蕩源LO。由於技術條件的限制，LO的功率通常都比較小。經過光路和透鏡之後，耦合輻照到器件上的功率將更小。減小SHEB的有效尺寸可以有效的降低器件對LO以及被檢測信號的輻射功率要求，並提高探測靈敏度。因此，努力減小SHEB器件微橋尺寸一直是SHEB器件應用研究的方向之一。通常減小尺寸的方法是利用電子束曝光結合反應離子刻蝕的手段P. Khosropanah et al, Applied PhysicsLetters 91, 221111， 2007。採用的方法包括兩個關鍵步驟(l)利用電子束曝光形成所需要尺寸的微橋圖形；(2)利用反應離子刻蝕去除不需要的超導薄膜從而形成超導微橋。這種方式得到的器件的最小尺寸通常在1 2,x 0.2 0.4 左右，最小尺寸受到電子束曝光解析度極限的限制。
原子力顯微鏡(AFM)納米刻蝕技術是一種新穎的納米加工技術C.Delacour et al， Applied Physics Letters 90, 191116 (2007)。利用針尖電場氧化或者機械刻劃手段，它可以用來實現小於100nm尺寸的微小圖形加工。因此可以用它來實現更小尺寸的SHEB器件製備
發明內容
本發明的目的在於提供一種納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方 法。本發明提供的一種納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀製備方法，包括以 下步驟
(1) 超薄超導薄膜準備；
(2) 電極製作；
(3) 廣義微橋形成；
以及(4)納米尺寸橋區形成； 其特徵是
在步驟(4)納米尺寸橋區形成的過程中，採用原子力顯微鏡納米刻蝕技 術製作同一行內並行的兩個納米線條。兩個納米線條的間距決定了納米尺寸 SHEB的最小寬度。其長度由納米線條的寬度決定；納米線條的寬度則有AFM 針尖電場的強度、周圍環境溼度、溫度以及電場作用時間等參數決定。
具體的說，本發明利用AFM納米加工技術實現超導薄膜上納米線條 的製備，利用本發明提供的方法可以實現納米尺寸的SHEB製備。
本發明所述的納米尺寸SHEB製備方法是
(1) 薄膜準備選取高性能的超薄超導薄膜，比如NbN或NbTiN，通 常厚度在5 10nm左右，臨界溫度為10K以上，通常製備方法為磁控濺射的 方法。
(2) 電極製作首先利用普通光刻方法在超導薄膜上製作電極圖形；然 後在超導薄膜上生長一層金屬薄膜的電極層；最後利用剝離工藝從而形成超 導薄膜上的天線和共面波導的金屬電極圖形。電極圖形中心區域為間隔距離 約2-4微米的兩個金屬條，通常還包括共面波導以實現有效的阻抗匹配，微 橋區域將在兩個金屬條之間形成。金屬電極層通常採用Ti+Au金屬，典型厚 度為5納米(Ti)禾tl 150納米(Au)，還可以採用Ag、 PdAu等其它金屬。 金屬層的生長通常採用電子束蒸發或者熱蒸發的方式。
(3) 廣義微橋形成利用普通光刻方法在電極圖形中心區域形成矩形圖 形，保護超導薄膜，然後利用反應離子刻蝕除去未被矩形區域以及金屬電極 保護的超導薄膜。該矩形區域通常跨過金屬電極兩端，矩形長度以金屬電極 間隔的1.5倍長度為佳。這樣可以確保有效覆蓋電極之間超導薄膜。寬度可 以選擇在5微米左右。反應離子刻蝕通常採用SF6+02混合氣體。(4)納米尺寸橋區形成採用AFM納米刻蝕技術在步驟(3)形成的 微橋上刻劃兩條納米線。納米線處於同一行內，其間距將決定最終納米尺寸 微橋的寬度，納米尺寸微橋的長度由納米線的寬度決定。
所述的AFM納米刻蝕技術是採用針尖電場氧化的方法，即在針尖和薄
膜樣品上施加一定的電壓，薄膜會在針尖電場的作用下和空氣中的水分子發 生反應，從而形成不導電的納米線條。這個反應的結果和針尖所施加的電壓、 周圍的溼度、溫度以及反應的時間有關。因此，可以根據這些參數決定該納
米尺寸的微橋的長度。利用這種方法有望實現長度達到50 nm的納米尺寸的 SHEB。微橋的寬度則根據阻抗匹配的需求來決定。
由此可見，本發明與現有技術相比，其顯著優點是利用AFM納米刻蝕 技術實現納米尺寸的SHEB器件製備，其尺寸可以做得比電子束曝光的技術更 小。其微橋橋區的長度有望達到50 nm及以下。此外，採用AFM納米刻蝕技 術相對簡單，容易實現，也不需要電子束曝光手段通常需要的對準標記構造 等步驟。該方法適用於各種納米尺寸的超導器件熱電子測福射熱儀製作。
圖1是AFM納米刻蝕技術製備的SHEB器件結構示意圖。(1)為沉積 在超薄超導薄膜上的金屬電極，通常為Ti+Au雙層金屬；(2)為超薄超導薄 膜；(3)為利用AFM針尖氧化所形成的納米線條，兩條線條的中間部分即 為有效的納米尺寸的SHEB。
圖2是NbN薄膜AFM納米刻蝕技術形成納米線條圖。 工作參數為AFM針尖電壓12V、溫度20C、相對溼度60%、針尖移動 速度0. 3|iim/s，在5nm厚NbN薄膜上形成200nm寬的氧化納米線條，線條間距 為lpm。即有效的SHEB尺寸為1 nm x 0.2 iam，同理，改變AFM工作參 數即可實現約50nm長的SHEB的製備。
具體實施例方式
1、 利用磁控濺射生長5腦左右的NbN或者NbTiN超導薄膜，臨界溫度 Tc〉10K。
2、 利用普通光刻工藝構造天線結構和共面波導結構圖形。然後電子束蒸發5nm厚的金屬Ti以及150nm厚的Au。利用剝離工藝就可以獲得超導薄膜 上的天線和共面波導。天線結構可以根據需求採用雙縫天線或者螺旋天線。 共面波導實現50歐姆的阻抗匹配。
3、 利用普通光刻工藝在天線結構中間的電極部分構造一個矩形區域跨過 電極兩端。寬度約5微米。利用SF6+02反應離子刻蝕去除未被光刻膠以及金
屬保護的超導薄膜。
4、 採用AFM針尖氧化方式在電極中間的超導薄膜上形成並行的兩條氧化 納米線條。兩條線條之間的部分即構成有效的納米尺寸的SHEB。線條寬度由 氧化參數決定(典型值如針尖電壓12V、溫度20 C、溼度60%、針尖移動 速度0. 3pm/s，這樣參數下可以在5nm厚NbN薄膜上形成200nm寬的氧化納 米線條)。兩條
權利要求
1、一種納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，包括(1)超薄超導薄膜準備、(2)電極製作、(3)廣義微橋的形成以及(4)納米尺寸橋區製作，其特徵在於在步驟4納米尺寸橋區製作過程中，採用原子力顯微鏡納米刻蝕技術製作同一行內並行的兩個納米線條，兩個納米線條的間距決定了納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的最小寬度。
2、 按權利要求1所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於具體製作工藝是(1) 超薄超導薄膜的準備選取臨界溫度為10K以上超導性能的薄膜 材料，薄膜的厚度為5 10nm;(2) 電極製作首先利用普通光刻方法在步驟1準備好的超導薄膜上制 作電極圖形；然後在超導薄膜上生長一層金屬薄膜的電極層；最後利用剝離 的方式從而形成超導薄膜上的天線和共面波導的金屬電極圖形；其中，電極 圖形的中心區域為間隔一定距離的兩個金屬條，微橋區域將在兩個金屬條之 間形成；金屬電極層的生長通常採用電子束蒸發或者熱蒸發的方式；(3) 廣義微橋形成利用普通光刻手段在步驟(2)製作的電極圖形中 心區域形成矩形圖形，保護超導薄膜，然後利用反應離子刻蝕除去未被矩形 區域以及金屬電極保護的超導薄膜；所述的矩形區域跨過金屬電極兩端，反 應離子刻蝕通常採用SF6+02混合氣體；(4) 納米尺寸橋區形成採用AFM納米刻蝕技術在步驟(3)形成的 微橋上刻劃兩條納米線，納米線處於同一行內，其間距將決定最終納米尺寸 微橋的寬度，納米尺寸微橋的長度由納米線的寬度決定。
3、 按權利要求2所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於所述的超薄超導薄膜的厚度為5nm。
4、 按權利要求2或3所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法， 其特徵在於所述的臨界溫度Tc>10K的超薄超導薄膜為NbN或NbTiN。
5、 按權利要求2所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於AFM納米刻蝕是採用針尖電場氧化的方法，在針尖的薄膜上施加 一定的電壓，薄膜會在針尖電場的作用下和空氣中的水分子發生反應，形成 不導電的納米線條；所形成的納米線條與針尖施加的電壓、周圍的相對溫度、溫度和反應時間有關，改變AFM的工作參數可實現50nm長的SHEB的製備。
6、 按權利要求5所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於施加在針尖上的電壓為12V,溫度為2(TC，相對溫度為60%。
7、 按權利要求2所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於所述的矩形長度為金屬電極間隔的1.5倍，覆蓋電極之間的超導薄 膜；所述的矩形寬度為5微米。
8、 按權利要求2所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於步驟(2)中的電極圖形的中心區域的兩個金屬條之間的間距按阻抗 匹配的要求設計。
9、 按權利要求2所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法，其 特徵在於步驟2所述的金屬電極層為Ti+Au、 Ag或PdAu。
10、 按權利要求9所述的納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀的製備方法， 其特徵在於金屬電極層為Ti+Au時Ti厚度為5納米，Au的厚度為150納米。
全文摘要
本發明公開了一種納米尺寸超導熱電子測輻射熱儀(SHEB)製備方法，包括以下步驟(1)超薄超導薄膜準備；(2)電極製作；(3)廣義微橋形成；(4)納米尺寸橋區形成。其特徵是在(4)中，採用原子力顯微鏡納米刻蝕方法構造納米尺寸橋區。本發明的優點是採用原子力顯微鏡納米刻蝕方法可以實現納米尺寸的微橋。其橋區長度由AFM納米刻蝕所形成的納米線條的寬度所決定。而納米線條的寬度由AFM針尖電壓、周圍環境的溼度、溫度以及電場作用時間等參數所控制。該方法可以減小SHEB的有效尺寸，適用於各種不同納米尺寸的SHEB製備。
文檔編號G01J5/10GK101476940SQ200910045670
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者尤立星, 楊曉燕 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所