СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ
THE METHOD OF PRODUCTION OF DEVICES WITH THIN FILM SUPERCONDUCTING JUNCTIONS

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.
2
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 мкм, 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
2
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=t+t 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.
1
2
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=t+t 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.
1
2
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=t+t - 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