CN101476940A

CN101476940A - 纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法

Info

Publication number: CN101476940A
Application number: CNA2009100456704A
Authority: CN
Inventors: 尤立星; 杨晓燕
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: CN101476940B

Abstract

本发明公开了一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪(SHEB)制备方法，包括以下步骤：(1)超薄超导薄膜准备；(2)电极制作；(3)广义微桥形成；(4)纳米尺寸桥区形成。其特征是：在(4)中，采用原子力显微镜纳米刻蚀方法构造纳米尺寸桥区。本发明的优点是：采用原子力显微镜纳米刻蚀方法可以实现纳米尺寸的微桥。其桥区长度由AFM纳米刻蚀所形成的纳米线条的宽度所决定。而纳米线条的宽度由AFM针尖电压、周围环境的湿度、温度以及电场作用时间等参数所控制。该方法可以减小SHEB的有效尺寸，适用于各种不同纳米尺寸的SHEB制备。

Description

纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法。

背景技术

超导热电子测辐射热仪(Superconducting Hot Electron Bolometer：SHEB)是利用超薄超导薄膜构造微桥结构来实现高频信号探测的一种器件。它的低噪声和高频率分辨率等性能使得其成为太赫兹(THz)频段特别是1THz以上最灵敏的探测器之一【S.Cherednichenko et al，Review ofScientific Instruments 79，034501，2008】。

超外差检测是SHEB用于太赫兹频段的检测的最常用方法之一。这种检测通常需要一个太赫兹频段的本地振荡源LO。由于技术条件的限制，LO的功率通常都比较小。经过光路和透镜之后，耦合辐照到器件上的功率将更小。减小SHEB的有效尺寸可以有效的降低器件对LO以及被检测信号的辐射功率要求，并提高探测灵敏度。因此，努力减小SHEB器件微桥尺寸一直是SHEB器件应用研究的方向之一。通常减小尺寸的方法是利用电子束曝光结合反应离子刻蚀的手段【P Khosropanah et al，Applied PhysicsLetters 91，221111，2007】。采用的方法包括两个关键步骤：(1)利用电子束曝光形成所需要尺寸的微桥图形；(2)利用反应离子刻蚀去除不需要的超导薄膜从而形成超导微桥。这种方式得到的器件的最小尺寸通常在1～2μm×0.2～0.4μm左右，最小尺寸受到电子束曝光分辨率极限的限制。

原子力显微镜(AFM)纳米刻蚀技术是一种新颖的纳米加工技术【C.Delacour et al，Applied Physics Letters 90，191116(2007)】。利用针尖电场氧化或者机械刻划手段，它可以用来实现小于100nm尺寸的微小图形加工。因此可以用它来实现更小尺寸的SHEB器件制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法。本发明提供的一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪制备方法，包括以下步骤：

(1)超薄超导薄膜准备；

(2)电极制作；

(3)广义微桥形成；

以及(4)纳米尺寸桥区形成；

其特征是：

在步骤(4)纳米尺寸桥区形成的过程中，采用原子力显微镜纳米刻蚀技术制作同一行内并行的两个纳米线条。两个纳米线条的间距决定了纳米尺寸SHEB的最小宽度。其长度由纳米线条的宽度决定；纳米线条的宽度则有AFM针尖电场的强度、周围环境湿度、温度以及电场作用时间等参数决定。

具体的说，本发明利用AFM纳米加工技术实现超导薄膜上纳米线条的制备，利用本发明提供的方法可以实现纳米尺寸的SHEB制备。

本发明所述的纳米尺寸SHEB制备方法是：

(1)薄膜准备：选取高性能的超薄超导薄膜，比如NbN或NbTiN，通常厚度在5～10nm左右，临界温度为10K以上，通常制备方法为磁控溅射的方法。

(2)电极制作：首先利用普通光刻方法在超导薄膜上制作电极图形；然后在超导薄膜上生长一层金属薄膜的电极层；最后利用剥离工艺从而形成超导薄膜上的天线和共面波导的金属电极图形。电极图形中心区域为间隔距离约2-4微米的两个金属条，通常还包括共面波导以实现有效的阻抗匹配，微桥区域将在两个金属条之间形成。金属电极层通常采用Ti+Au金属，典型厚度为5纳米(Ti)和150纳米(Au)，还可以采用Ag、PdAu等其它金属。金属层的生长通常采用电子束蒸发或者热蒸发的方式。

(3)广义微桥形成：利用普通光刻方法在电极图形中心区域形成矩形图形，保护超导薄膜，然后利用反应离子刻蚀除去未被矩形区域以及金属电极保护的超导薄膜。该矩形区域通常跨过金属电极两端，矩形长度以金属电极间隔的1.5倍长度为佳。这样可以确保有效覆盖电极之间超导薄膜。宽度可以选择在5微米左右。反应离子刻蚀通常采用SF₆+O₂混合气体。

(4)纳米尺寸桥区形成：采用AFM纳米刻蚀技术在步骤(3)形成的微桥上刻划两条纳米线。纳米线处于同一行内，其间距将决定最终纳米尺寸微桥的宽度，纳米尺寸微桥的长度由纳米线的宽度决定。

所述的AFM纳米刻蚀技术是采用针尖电场氧化的方法，即在针尖和薄膜样品上施加一定的电压，薄膜会在针尖电场的作用下和空气中的水分子发生反应，从而形成不导电的纳米线条。这个反应的结果和针尖所施加的电压、周围的湿度、温度以及反应的时间有关。因此，可以根据这些参数决定该纳米尺寸的微桥的长度。利用这种方法有望实现长度达到50nm的纳米尺寸的SHEB。微桥的宽度则根据阻抗匹配的需求来决定。

由此可见，本发明与现有技术相比，其显著优点是：利用AFM纳米刻蚀技术实现纳米尺寸的SHEB器件制备，其尺寸可以做得比电子束曝光的技术更小。其微桥桥区的长度有望达到50nm及以下。此外，采用AFM纳米刻蚀技术相对简单，容易实现，也不需要电子束曝光手段通常需要的对准标记构造等步骤。该方法适用于各种纳米尺寸的超导器件热电子测辐射热仪制作。

附图说明

图1是AFM纳米刻蚀技术制备的SHEB器件结构示意图。(1)为沉积在超薄超导薄膜上的金属电极，通常为Ti+Au双层金属；(2)为超薄超导薄膜；(3)为利用AFM针尖氧化所形成的纳米线条，两条线条的中间部分即为有效的纳米尺寸的SHEB。

图2是NbN薄膜AFM纳米刻蚀技术形成纳米线条图。

工作参数为：AFM针尖电压12V、温度20C、相对湿度60％、针尖移动速度0.3μm/s，在5nm厚NbN薄膜上形成200nm宽的氧化纳米线条，线条间距为：1μm。即有效的SHEB尺寸为1μm×0.2μm，同理，改变AFM工作参数即可实现约50nm长的SHEB的制备。

具体实施方式

1、利用磁控溅射生长5nm左右的NbN或者NbTiN超导薄膜，临界温度Tc>10K。

2、利用普通光刻工艺构造天线结构和共面波导结构图形。然后电子束蒸发5nm厚的金属Ti以及150nm厚的Au。利用剥离工艺就可以获得超导薄膜上的天线和共面波导。天线结构可以根据需求采用双缝天线或者螺旋天线。共面波导实现50欧姆的阻抗匹配。

3、利用普通光刻工艺在天线结构中间的电极部分构造一个矩形区域跨过电极两端。宽度约5微米。利用SF₆+O₂反应离子刻蚀去除未被光刻胶以及金属保护的超导薄膜。

4、采用AFM针尖氧化方式在电极中间的超导薄膜上形成并行的两条氧化纳米线条。两条线条之间的部分即构成有效的纳米尺寸的SHEB。线条宽度由氧化参数决定(典型值如：针尖电压12V、温度20C、湿度60％、针尖移动速度0.3μm/s，这样参数下可以在5nm厚NbN薄膜上形成200nm宽的氧化纳米线条)。两条线条之间的间距，根据阻抗匹配的要求来设计决定。

Claims

1、一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，包括(1)超薄超导薄膜准备、(2)电极制作、(3)广义微桥的形成以及(4)纳米尺寸桥区制作，其特征在于在步骤4纳米尺寸桥区制作过程中，采用原子力显微镜纳米刻蚀技术制作同一行内并行的两个纳米线条，两个纳米线条的间距决定了纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的最小宽度。

2、按权利要求1所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于具体制作工艺是：

(1)超薄超导薄膜的准备：选取临界温度为10K以上超导性能的薄膜材料，薄膜的厚度为5～10nm；

(2)电极制作：首先利用普通光刻方法在步骤1准备好的超导薄膜上制作电极图形；然后在超导薄膜上生长一层金属薄膜的电极层；最后利用剥离的方式从而形成超导薄膜上的天线和共面波导的金属电极图形；其中，电极图形的中心区域为间隔一定距离的两个金属条，微桥区域将在两个金属条之间形成；金属电极层的生长通常采用电子束蒸发或者热蒸发的方式；

(3)广义微桥形成：利用普通光刻手段在步骤(2)制作的电极图形中心区域形成矩形图形，保护超导薄膜，然后利用反应离子刻蚀除去未被矩形区域以及金属电极保护的超导薄膜；所述的矩形区域跨过金属电极两端，反应离子刻蚀通常采用SF₆+O₂混合气体；

(4)纳米尺寸桥区形成：采用AFM纳米刻蚀技术在步骤(3)形成的微桥上刻划两条纳米线，纳米线处于同一行内，其间距将决定最终纳米尺寸微桥的宽度，纳米尺寸微桥的长度由纳米线的宽度决定。

3、按权利要求2所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于所述的超薄超导薄膜的厚度为5nm。

4、按权利要求2或3所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于所述的临界温度Tc>10K的超薄超导薄膜为NbN或NbTiN。

5、按权利要求2所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于AFM纳米刻蚀是采用针尖电场氧化的方法，在针尖的薄膜上施加一定的电压，薄膜会在针尖电场的作用下和空气中的水分子发生反应，形成不导电的纳米线条；

所形成的纳米线条与针尖施加的电压、周围的相对温度、温度和反应时间有关，改变AFM的工作参数可实现50nm长的SHEB的制备。

6、按权利要求5所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于施加在针尖上的电压为12V，温度为20℃，相对温度为60％。

7、按权利要求2所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于所述的矩形长度为金属电极间隔的1.5倍，覆盖电极之间的超导薄膜；所述的矩形宽度为5微米。

8、按权利要求2所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于步骤(2)中的电极图形的中心区域的两个金属条之间的间距按阻抗匹配的要求设计。

9、按权利要求2所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于步骤2所述的金属电极层为Ti+Au、Ag或PdAu。

10、按权利要求9所述的纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法，其特征在于金属电极层为Ti+Au时Ti厚度为5纳米，Au的厚度为150纳米。