ПОДЛОЖКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАНАРНОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ПЛЕНКИ ПРОВОДНИКА

Настоящая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к планарным структурам на основе эпитаксиальных пленок проводников, в том числе и сверхпроводников, т.е. к конструктивным элементам схемы, сформированным на общей подложке, и представляющих собой проводящие компоненты, разделенные изолирующими областями.
Аналогами предлагаемой полезной модели являются называемые подложками пластины из различных материалов с параметрами кристаллической решетки, допускающими рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, и с поверхностью, подготовленной к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
3
Для того чтобы подложка допускала рост качественной эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, она должна обладать параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника в том смысле, чтобы различие постоянных решетки материала подложки и осаждаемого проводника не превышало, как правило, 10%. Например, при выращивании эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника (далее ВТСП пленок) YBCO на подложке NgGaO различие постоянных решетки пленки и подложки составляет 1%, а на подложке MgO - 10%.
Под подготовленностью поверхности подразумевается предварительная очистка поверхности подложки любым известным из уровня техники способом, т.е. устранение нарушенного поверхностного слоя, обеспечивающего получение поверхности подложки качества epi-ready. Не исключено также формирование на поверхности подложки буферного слоя для смягчения несовпадения между постоянной решетки подложки и постоянной решетки проводящего материала, а также для препятствия диффузии элементов подложки в растущую проводящую пленку.
c
При последующем использовании таких стандартных подложек для создания планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводник осаждается на всю поверхность подложек. Планарные структуры, формируемые на основе эпитаксиальных пленок, представляют собой проводящие элементы, разделенные изолирующими областями. После осаждения проводника изолирующие области в структуре создаются либо удалением части эпитаксиальной пленки (травлением), либо ионной имплантацией (например, в ВТСП пленку ионов кислорода: J.D. Pedarnig, М.А. Bodea, В. Steiger et al. / Systematic modification of electrical and superconducting properties of YBCO and nano-patterning of high-T superconducting thin films by light-ion irradiation // Physics Procedia, v. 36, p. 508, 2012). Для получения структур с микронными размерами используется ионное или плазмохимическое травление.
При таком подходе характеристики создаваемых планарных структур в ряде случаев оказываются ниже оптимальных. Например, известно, что при росте на открытой поверхности подложки (в отличие от особых случаев роста эпитаксиальных ВТСП пленок в локальных областях) в технологических режимах, позволяющих получать максимальные значения электрофизических параметров, получаемые ВТСП пленки имеют несовершенную морфологию поверхности, которая характеризуется высокой плотностью дефектов, достигающих микронных размеров (трещины, частицы вторичных фаз). Такие дефекты особенно существенны при создании многослойных структур и в тех случаях, когда размеры дефектов сравнимы с рабочими областями приборов. Поэтому при изготовлении структур с микронными и субмикронными размерами, а также джозефсоновких контактов, используются такие режимы роста эпитаксиальных ВТСП пленок, которые позволяют получать приемлемую морфологию пленок, но при этом заниженные значения электрофизических параметров.
Кроме того, в связи с высокой чувствительностью эпитаксиальных пленок к внешним воздействиям, для сохранения их исходных электрофизических характеристик технологические процессы травления и ионной имплантации, требующие применения сложного и дорогостоящего технологического оборудования, приходится еще больше усложнять.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание подложки, использование которой позволит сделать процесс изготовления планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводников, при сохранении их исходного качества, менее затратным в сравнении со случаями использования традиционных подложек.
Технический эффект обеспечивается тем, что подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника представляет собой монокристаллическую пластину с параметрами решетки, близкими к параметрам решетки осаждаемого проводника настолько, чтобы был возможен рост эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника на данной монокристаллической пластине, и с поверхностью, подготовленной (epi-ready) к росту эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Новым является то, что на подложке сформирована задающая маска, представляющая собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий последующему росту на нем эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника, в котором вскрыты окна для роста эпитаксиальной пленки осаждаемого проводника.
Задающая маска представляет собой слой нетекстурированного поликристалла, препятствующий росту на нем эпитаксиальному пленки в процессе осаждения проводника, из которого образуется пленка, и формирующего таким образом изолирующие области будущей планарной структуры, в котором (в слое) вскрыты окна для формирования проводящих элементов структуры.
Возможность создания предлагаемой подложки с задающей маской (далее по тексту - подложка ЗМ) можно рассмотреть на одном из частных примеров, который был осуществлен на практике авторами предложенной полезной модели.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На Фиг. 1. представлен вариант изготовления предлагаемой подложки ЗМ и планарной структуры на основе ВТСП пленок.
На Фиг. 2. приведен фрагмент планарной структуры на основе ВТСП пленок, изготовленной на подложке ЗМ, включающий джозефсоновские переходы и дипольные антенны. Светлая область - пленка YBCO, темная - изолятор.
На Фиг. 3 приведены вольтамперные характеристики джозефсоновских контактов разной длины, изготовленных на подложке ЗМ, при температуре Т=6 К.
На Фиг. 4 приведена часть цепочки джозефсоновских контактов, изготовленных на подложке ЗМ. Фото получено в электронном микроскопе. Метка - 0,1 мм.
На Фиг. 5 проиллюстрирована поверхностная морфология сверхпроводящего YBCO - полоска и изолирующей области в планарной структуре на основе ВТСП, изготовленной на подложке ЗМ. Фото получено в электронном микроскопе при увеличении 50000. Метка - 1 мкм.
Предлагаемая модель иллюстрируется приведенным примером, но не ограничивается им.
Вариант изготовления предлагаемой подложки ЗМ и затем планарной структуры на основе ВТСП пленок, представленный на Фиг. 1, состоит из следующих этапов.
а
1. На монокристаллической пластине () формируется фоторезистивная маска (б) нужного рисунка структуры. Участки поверхности пластины, где на этапе изготовления планарной структуры будет происходить рост эпитаксиальной пленки сверхпроводника, закрыты фоторезистом, остальная часть подложки открыта.
2
2
2. На монокристаллическую пластину с фоторезистивной маской осаждается оксид церия СеО (в). В данном варианте технологического маршрута CeO выбран как стандартный материал, используемый при получении эпитаксиальных структур на основе YBCO. Напыление проводится без нагрева монокристаллической пластины, поэтому слой оксида церия вырастает в виде нетекстурированного поликристалла. Толщина этого слоя находится в диапазоне 100-1400 нм.
3. Фоторезист вместе с осажденным на него оксидом церия удаляется в растворителе (взрывная литография). В результате на поверхности монокристаллической пластины вскрываются окна для формирования в них сверхпроводящих элементов планарной структуры. В тех областях поверхности пластины, где фоторезиста не было, остается поликристаллический оксид церия. На этом этапе (см. Фиг. 1 (г)) заканчивается процесс изготовления предлагаемой подложки ЗМ.
4. Этап непосредственного создания планарной структуры с заданной топологией - напыление YBCO на подложку ЗМ. На этом этапе в окнах задающей маски путем выращивания эпитаксиальной пленки формируются сверхпроводящие элементы структуры из пленки YBCO, а в областях вне окон, покрытых поликристаллическим оксидом церия, - изолирующие разделительные области (см. Фиг. 1 (д)).
В качестве демонстрации возможностей использования предлагаемой полезной модели на подложках ЗМ были изготовлены микрополоски, джозефсоновские контакты и цепочки джозефсоновских контактов.
-2
Плотность критического тока YBCO-полосков шириной 4 мкм, полученных на подложках ЗМ, составила величину 4-6 МА×cm при температуре Т=77 К, что соответствует лучшим результатам, хорошо известным из литературы.
Для создания планарных структур с джозефсоновскими контактами задающая маска формировалась на бикристаллических подложках из фианита с подслоем эпитаксиального оксида церия. Бикристаллическая подложка представляет собой пластину, вырезанную из двух срощенных под заданным углом монокристаллов. Место соединения этих монокристаллов называется бикристалличсеской границей. Других отличий от обычных монокристаллических пластин (подложек) нет. Симметричная относительно бикристаллической границы разориентация кристаллических осей в плоскости подложек составляла 24 градуса. Материалом задающей маски, как и в случае микрополосков, являлся осаждаемый при комнатной температуре оксид церия (нетекстурированный поликристалл) толщиной 1400 нм. Толщина пленки YBCO составляла 300 нм.
c
C
N
-2
На Фиг. 2. показано изображение фрагмента планарной структуры с джозефсоновскими контактами и дипольными антеннами, изготовленной на подложке ЗМ. Данная структура включала в себя джозефсоновские контакты различной длины. Вольтамперные характеристики контактов длиной 10, 50 и 350 мкм, изготовленных на подложке ЗМ, при температуре Т=6 К, представлены на Фиг. 3. Для контактов длиной 10 мкм плотность критического тока j=0,66 МА×см и характерная величина IR=1,8 мВ при Т=6 К соответствуют известным из литературы параметрам лучших образцов, полученных с использованием традиционных подложек (см., например, обзор Hilgenkamp Н. and Mannhart J. / Grain boundaries in high-Tc superconductors // 2002 Rev. Mod. Phys. V.74, p. 485, работу An D. Y. et al. / Terahertz emission and detection both based on high-Tc superconductors: Towards an integrated receiver // 2013 Appl. Phys. Lett. V.102, p. 092601).
c
-2
На Фиг. 4. представлено изображение части цепочки джозефсоновских контактов, полученной на подложке ЗМ. Темная область - пленка YBCO, светлая - изолятор. Фрагмент этой же структуры при большом увеличении показан на Фиг. 5. Из Фиг. 5. можно оценить морфологию изолирующей области полученной планарной структуры, а также характерный размер неровности края сверхпроводящего полоска ≈ 0,2 мкм. Плотность критического тока через бикристаллическую границу при температуре Т=77 К в этой структуре достигает величины j=0,1 МА×см, что также соответствует лучшим результатам для таких структур, известным из литературы.
Как видно из примера, использование предлагаемой подложки ЗМ позволило получить планарные ВТСП структуры, в том числе джозефсоновские контакты, с высокими электрофизическими параметрами, а примененная в процессе вскрытия окон на подложке ЗМ взрывная литография значительно дешевле процессов травления и ионной имплантации, используемых для формирования планарных структур в аналогах.
Предложенная полезная модель является универсальной, поскольку материал и толщина слоя задающей маски, а также материал осаждаемого впоследствии на подложку проводника могут варьироваться исходя из условий поставленной задачи. Преимущество предложенной полезной модели заключается также в том, что пленка проводника (или многослойная структура) становится менее напряженной в случае малых размеров проводящих элементов схемы, т.е. имеет улучшенную микроструктуру по сравнению с пленкой, выращенной на всей поверхности традиционной подложки.
Кроме того, использование предлагаемой подложки ЗМ позволяет контролировать выходные характеристики создаваемой впоследствии планарной структуры, поскольку в процессе создания имеется возможность последовательно увеличивать толщину эпитаксиальной пленки и на каждом этапе измерять нужные характеристики структуры, что важно с точки зрения надежности и воспроизводимости результатов. Это позволяет минимизировать материальные и временные затраты как на этапе исследования, так и на этапе производства, особенно в случае использования дорогостоящих подложек, например, бикристаллических.
При этом технологический процесс, происходящий без использования травления или ионной имплантации, в отличие от процесса получения планарных структур на основе эпитаксиальных пленок проводника, выращенных на традиционных подложках, оказывается существенно упрощенным за счет исключения из него сложного и дорогостоящего технологического оборудования, что снижает трудозатраты, а также затраты энергетические и финансовые.