JP4041893B2

JP4041893B2 - フッ素ラジカルによるホットエレクトロンボロメータの作成方法及びそのホットエレクトロンボロメータ

Info

Publication number: JP4041893B2
Application number: JP2003382662A
Authority: JP
Inventors: 彰川上
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: JP2005150232A

Description

本発明は、エッチングに伴う薄膜特性の劣化を抑制し、安定して所望の数nmの膜厚に制御する薄膜加工方法とその装置、並びに、それによって製造される超伝導ホットエレクトロンボロメータ等の超伝導構造体に関する。

地球環境計測や電波天文学などの分野において、THz帯等での受信器及び発振器の開発が望まれている。
そのような超伝導構造体に、例えば、ホットエレクトロンボロメータがある。ホットエレクトロンボロメータは、超伝導ギャップ周波数を克服する低雑音ミクサ素子として注目されている。
ホットエレクトロンボロメータは、Alなどから成る２つの金属電極と、その間に配設されるNbNなどから成る超伝導薄膜ストリップとを備え、外部からの電磁波を効率よく入射させるために、Alなどから成る金属薄膜アンテナの間に配設される。そのNbN薄膜ストリップの超伝導転移温度付近における抵抗値の高い非線形性を利用して、ヘテロダイミクシングが行なわれる。
ホットエレクトロンボロメータの性能は、極薄の超伝導薄膜の特性に大きく依存するので、薄膜化技術は重要な課題となっている。

薄膜を薄くエッチングする手段としては、酸等で溶解させるウェットエッチング法と、真空中でのドライエッチング法がある。
微細加工であることと、元々腐食されにくいNbN等のエッチングであることから、ウェットエッチング法では困難である。
一方、ドライエッチング法には、主として加速した粒子を衝突させて物理的にエッチングを行うイオンビームエッチング法等と、プラズマ化により活性化させた反応性ガスにより化学的にエッチングを行う反応性イオンエッチング法等がある。
いずれもプラズマ化したガスを電気的に加速させてエッチングを行うため、加速されたイオンの衝撃により、超伝導極薄膜の超伝導転移温度Tc、抵抗率など超伝導特性を劣化させてしまう。

図１は、加速したArイオン衝撃によるNbN薄膜の特性劣化を示すグラフであり、それぞれ、同時に成膜した３枚の膜厚4 nmのNbN 薄膜について、（ア）抵抗−温度特性、（イ）200 Vで加速したArイオンビームを照射して4 nmから3.2 nmに薄くした後の抵抗−温度特性、（ウ）400 Vで加速したArイオンビームを照射して4 nmから3.2 nmに薄くした後の抵抗−温度特性を示している。
（イ）及び（ウ）は、膜厚が3.2 nmで（ア）の4 nmに比べ薄いため、転移温度Tcの低下と抵抗率の上昇は当然であるが、本来3.2nmのNbN薄膜のTcは8.5 K以上を示し、またイオンビーム電圧に依存して劣化が進んでいることから、イオン衝撃により超伝導特性が劣化していることがわかる。また、エッチング中は荷電粒子に曝されることから、薄膜の抵抗を測定して膜厚を決定する手法は使えず、数十nmのNbN薄膜を数nmに安定して薄くすることは困難である。

反応性イオンエッチング法は、真空中でサンプルを陰極に配置し、CF₄等エッチングガスを適切な圧力まで導入し、陰極にrf電力を印加して、プラズマを生成させ、生成したCF₃ ⁺イオンやフッ素ラジカル(F*)により被エッチング材料をフッ化、ガス化させ排気することでエッチングを行う方法である。
この方法でも、サンプルは直接プラズマに曝され、陰極電位V_SELFによる加速イオンの衝撃も受けるため、極薄膜の作製に適用した場合、その超伝導特性は劣化してしまう。また、比較的エッチング速度が速い上、表面の酸化状態に依存するDead-time (エッチングが進まない時間)が存在するため、数十nmの超伝導極薄膜を適切な数nmの膜厚まで確実に薄くすることは困難である。

エッチングに伴う薄膜特性の劣化を抑制し、安定して所望の数nmの膜厚に制御する薄膜加工に関連しうる先行出願には、
特開２００３−１５１９６４号特開平１１−２０４８４６号特開平５−９０５０１号がある。

特許文献１は、シリコン基板にプラズマエッチングを行って半導体装置を製造する半導体装置の製造方法に関する発明である。
その製造方法は、酸化膜が形成されたシリコン基板を削って薄膜化する工程を含む半導体装置の製造方法であり、薄膜化する工程に適用するプラズマエッチングの条件を、処理室内に供給される酸素とフッ素ガスを含む混合ガスの放電圧力Ｐと電極間距離Ｌの積ＰＬが2.5［pa.m］〜15［pa.m］の範囲の値となる条件下で、プラズマ放電を行うことを特徴とする。

特許文献２は、高温超伝導フィルタ回路の周波数特性を、所望値に調整する超伝導平面回路の製造方法に関する発明である。
その製造方法は、基板上に超伝導体層を形成する工程と、超伝導体層をパターニングして、所定の回路特性を有する平面回路を形成する工程と、少なくとも平面回路を含む基板上に所定の厚さの絶縁膜を積層して、平面回路が有する所定の回路特性を変化させる工程とを含むことを特徴とする。

特許文献３は、高選択性のエッチング法により、薄膜抵抗体の端部に空洞の生じない高信頼性の薄膜抵抗体の製造方法に関する発明である。
その製造方法は、酸化膜上にCrSi系薄膜抵抗体を形成する方法であって、体積比で７０％以上の酸素を含むCF₄と酸素の混合ガスを、プラズマ発生室とエッチング室が分離されたプラズマエッチング装置のプラズマ発生室でプラズマ化し、活性化されたフッ素ラジカルを、選択的にエッチング室内におかれた酸化膜上のCrSi系膜に照射して、酸化膜上のCrSi系膜を選択性良くエッチングすることを特徴とする。

以上のような従来技術には、エッチングに伴う薄膜特性の劣化を抑制し、安定して所望の数nmの膜厚に制御する薄膜加工技術はなかった。

そこで、本発明は、エッチングに伴う薄膜特性の劣化を抑制し、安定して所望の数nmの膜厚に制御する薄膜加工方法とその装置、並びに、それによって製造される超伝導ホットエレクトロンボロメータ等の超伝導構造体を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の薄膜加工方法は、気密室内に設置されたサンプルの薄膜表面を、エッチングで加工する方法であって、エッチング種として、電気的に中性なフッ素ラジカルを用い、そのイオンソースの前部に、間隙をおいて遮蔽手段を位置させて、サンプルとイオンソースとを間接的に対峙させ、フッ素ラジカルを、イオンソースと遮蔽手段との間隙から、濃度分布に応じて拡散させて、サンプルに到達させることで、イオン衝撃を与えることなく、サンプル表面を所望の数nmの膜厚まで薄く加工可能にすることを特徴とする。

ここで、電子サイクロトロン共鳴イオンビーム源に、CF₄ガスを導入することによって、フッ素ラジカルを発生させてもよい。

気密室内を減圧することで、エッチング種の移送のばらつきを抑制してもよい。

イオンビームクリーニング前におけるサンプルの初期膜厚を、数十nm程度に厚くしておいて、イオン衝撃による薄膜特性の劣化を抑制してもよい。

サンプルに、薄膜抵抗測定用のパターンを予め作成しておき、エッチング中に、サンプルの薄膜抵抗を測定して、その残膜量をモニターして、所望の膜厚制御に寄与させてもよい。
電気的に中性なフッ素ラジカルを用いるので、エッチング中においても薄膜抵抗の測定が可能である。

本発明の薄膜加工装置は、気密室内に設置されたサンプルの薄膜表面を、エッチングで加工する装置であって、エッチング種としての電気的に中性なフッ素ラジカルを供給するイオンソースと、そのイオンソースの前部に、間隙をおいて配設され、サンプルとイオンソースとを間接的に対峙させ、フッ素ラジカルを、イオンソースと遮蔽手段との間隙から、濃度分布に応じて拡散させて、サンプルに到達させる遮蔽手段とを備え、イオン衝撃を与えることなくサンプル表面を所望の数nmの膜厚まで薄く加工可能にすることを特徴とする。

本発明の超伝導構造体は、サンプルを超伝導体とし、上記の薄膜加工方法または薄膜加工装置によって加工されたことを特徴とする。

ここで、サンプルの超伝導体をNbN薄膜としてもよい。

そのような超伝導構造体としては、ホットエレクトロンボロメータが有用である。

本発明によると、NbN, TiN, Nb, Ti, Mo, Siなど、フッ素ラジカルによってエッチング可能な材料であれば、いずれをも対象とできる。数十nm程度の比較的厚い超伝導薄膜を用いてデバイス作製を行い、最終段階で数nm程度の所望の厚さまで、電気的ダメージを抑えてエッチングすることが可能で、インピーダンス調整等に利用可能である。
本発明により製造された薄膜は、エッチングによって薄膜特性が劣化することなく、安定して所望の膜厚（抵抗）に制御されるので、その超伝導構造体は、素子特性の再現性がよく、一体構造であることから電気及び機械的強度が高い。

図２は、本発明によるエッチング装置の概要を示す説明図である。
本発明は、電気的加速を伴うイオンを用いずに、電気的に中性なフッ素ラジカルをエッチングに用いることによって、イオン衝撃による極薄膜特性の劣化を抑制し、更に、エッチング中の素子抵抗のモニターを可能にした。

本実施例では、フッ素ラジカルの発生源として電子サイクロトロン共鳴（ECR ）イオンビーム源を用いた。フッ素ラジカル発生用ガスとしてはCF₄を用いている。
ECRイオンビーム源にCF₄ガスを導入し、ECR条件を達成するためにマグネットをＯＮし、2.45GHzのマイクロ波を印加して、プラズマを発生させる。従来、通常ののイオンビームエッチングとして使用する場合は、イオン引き出しグリッドに直流電圧を印加して、CF₃ ⁺イオンを加速して適当な入射角度に設定したサンプルに照射していた。しかし、フッ素ラジカルでエッチングする本発明の場合には、イオン引き出しグリッドは0Vに設定し、イオンソース前にあるシャッターを閉じて、更にサンプルは直接イオンソースを見えないように入射角度0度の位置に固定して行う。

フッ素ラジカルは、イオンソースとシャッターの間の数cmの隙間から濃度分布に応じて拡散するものを用い、サンプルに到達したフッ素ラジカルのみをNbN薄膜のエッチングに作用させる。
ポンプ等によって装置内を減圧して、エッチング種の移送のばらつきを抑制してもよい。

サンプルには、膜厚測定のため、予め抵抗測定用のパターンを作成しておく。
例えば４端子パターンを用い、薄膜抵抗測定システム及び真空導入端子を介して、エッチング中のサンプルの薄膜抵抗を測定し、NbN薄膜の残膜量をモニターする。電気的に中性なフッ素ラジカルを用いるので、エッチング中においても薄膜抵抗の測定が可能である。

サンプルの表面は、Arイオンビーム等でクリーニングして酸化膜等を除去してから、ラジカルエッチングを行う。
その際、サンプルの初期膜厚を数十nm程度に厚くしておけば、イオンビームクリーニングによる特性劣化が抑制可能である。

図３は、エッチングによる薄膜抵抗の時間変化を示すグラフである。
薄膜抵抗は、抵抗率に膜厚依存性がない場合、膜厚に反比例する。本実施例では、フッ素ラジカルエッチング開始時に166Ω（膜厚20nm）の薄膜抵抗を示していたが、エッチングにより約11分後665Ωまで薄膜抵抗が増大した。エッチングによる抵抗測定への影響は殆ど無かった。

抵抗率を一定とした場合、最終的な抵抗値から勘案すると、残ったサンプルNbN薄膜の膜厚は4.8nmである。触針式段差計(アルファステップ500：テンコール社製、垂直分解能0.1nm)で実測したところ、5.4 nmが得られた。
初期成長膜の抵抗率が増大することを考慮した場合、両膜厚は適切な値であると考えられる。

図４は、NbN薄膜の20Kにおける抵抗率及び超伝導転移温度の膜厚依存性を示すグラフである。
フッ素ラジカルエッチング後における、薄膜の超伝導転移温度Tcと20Kにおける抵抗率ρ20Kは、それぞれ、Tc=11.3 K、ρ20K=92Ωcmであった。このことは、図４と比較してわかるように、エッチングによるダメージが無いことを意味している。

NbNは、室温から超伝導転移温度付近まで、抵抗の温度依存性が極めて小さい。そのため、室温で適当な素子抵抗を設定できるので、NbNを用いたホットエレクトロンボロメータなどの素子特性の再現性が向上する。

ホットエレクトロンボロメータは、THz周波数領域での低雑音ミキサーとして有用である。しかし、従来品は、機械的にも電気的にも弱いことが問題であった。
図５は、ホットエレクトロンボロメータの従来製法を示す説明図である。
従来製法では、厚さ3nm程度の超伝導極薄膜上に、アルミなど金属電極を成膜している。これによると、金属電極取り付け時に行うArイオンビームクリーニング等によって、NbN極薄膜は更に薄くなり、外部からのサージなどにより破壊されたり、電極下の超伝導特性の劣化を引き起こす問題があった。また、超伝導転移温度付近の急峻な抵抗−温度特性の変化を利用するため、液体ヘリウム温度(4.2K)程度まで冷却する必要があり、金属電極のストレスが増大し、薄くなったNbN薄膜を機械的に破壊する問題もあった。

図６は、本発明によるホットエレクトロンボロメータの製法を示す説明図である。
本発明の製法では、最初に数十nm程度の厚めのNbN薄膜を成膜し、金属電極を付加する。そして最後に、フッ素ラジカルエッチングにより、NbN薄膜を適当な3nm程度まで薄くする。これによって、NbN薄膜に3nmより薄い部分が無くなり、かつ、一体構造であることから機械的にも電気的に強度が増大した。

本発明によると、数十nmの超伝導薄膜をエッチングして、薄膜特性を劣化させることなく確実に、所望の膜厚の薄膜を作製することができる。
そのため、地球環境計測や電波天文学、THz通信などの分野において、THz周波数領域での受信器として有用な超伝導ホットエレクトロンボロメータなどの素子になどに利用でき、産業上利用価値が高い。

加速したArイオン衝撃によるNbN薄膜の特性劣化を示すグラフ（ア）抵抗−温度特性（イ）200 Vで加速したArイオンビームを照射して、4 nmから3.2 nmに薄くした後の抵抗−温度特性（ウ）400 Vで加速したArイオンビームを照射して、4 nmから3.2 nmに薄くした後の抵抗−温度特性本発明によるエッチング装置の概要を示す説明図エッチングによる薄膜抵抗の時間変化を示すグラフ NbN薄膜の20Kにおける抵抗率及び超伝導転移温度の膜厚依存性を示すグラフホットエレクトロンボロメータの従来製法を示す説明図本発明によるホットエレクトロンボロメータの製法を示す説明図

Claims

気密室内に設置された超伝導体の薄膜表面を、エッチングで加工してホットエレクトロンボロメータを作成する方法であって、
初期膜厚として数十nm程度の厚みを有する超伝導体を成膜し、その表面に金属電極を付設した後に、
エッチング種として、電気的加速を要さない電気的に中性なフッ素ラジカルを用い、
そのフッ素ラジカルの供給口の前部に、間隙をおいて遮蔽手段を位置させて、エッチング対象の超伝導薄膜とフッ素ラジカル供給口とを直接対面させることなく、フッ素ラジカルを、フッ素ラジカル供給口と遮蔽手段との間隙から、濃度分布に応じて拡散させて超伝導薄膜に到達させることで、
イオン衝撃を与えることなく超伝導薄膜の表面を所望の数nmの膜厚まで薄く加工と共に、金属電極の下部に、エッチング後の超伝導薄膜より薄い超伝導体が存在しないように形成する
ことを特徴とするホットエレクトロンボロメータの作成方法。
電子サイクロトロン共鳴イオンビーム源に、CF₄ガスを導入することによって、フッ素ラジカルを発生させる
請求項１に記載のホットエレクトロンボロメータの作成方法。
気密室内を減圧して、エッチング種の移送のばらつきを抑制する
請求項１または２に記載のホットエレクトロンボロメータの作成方法。
エッチング対象の超伝導薄膜に、薄膜抵抗測定用のパターンを予め作成しておき、
エッチング中に、その超伝導薄膜の薄膜抵抗を測定して、その残膜量をモニターする
請求項１ないし３に記載のホットエレクトロンボロメータの作成方法。
請求項１ないし４に記載のホットエレクトロンボロメータの作成方法によって作成されたホットエレクトロンボロメータであって、
金属電極の下部の超伝導体の膜厚が、エッチング前の初期膜厚である数十nmに等しく、エッチングされた超伝導薄膜の膜厚が数nmである
ことを特徴とするホットエレクトロンボロメータ。
超伝導体がNbN薄膜である
請求項５に記載のホットエレクトロンボロメータ。