RU2632630C1 - Method of devices with floppy microbridges manufacture - Google Patents
Method of devices with floppy microbridges manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2632630C1 RU2632630C1 RU2016122241A RU2016122241A RU2632630C1 RU 2632630 C1 RU2632630 C1 RU 2632630C1 RU 2016122241 A RU2016122241 A RU 2016122241A RU 2016122241 A RU2016122241 A RU 2016122241A RU 2632630 C1 RU2632630 C1 RU 2632630C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- thickness
- superconductor
- resist
- etching
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области тонкопленочной микроэлектроники, в частности к изготовлению высокочувствительных болометров, электронных охладителей, одноэлектронных транзисторов, содержащих свободно висящий микромостик нормального металла и сверхпроводниковые переходы типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), сверхпроводник-изолятор-другой сверхпроводник (СИС'), а также андреевские контакты (сверхпроводник-андреевский контакт-нормальный металл) и структуры с барьером Шоттки (сверхпроводник-барьер Шоттки-полупроводник).The invention relates to the field of thin-film microelectronics, in particular to the manufacture of highly sensitive bolometers, electronic coolers, single-electron transistors containing a free-hanging normal metal microbridge and superconductor-insulator-normal metal (SIN), superconductor-insulator-other superconductor (SIS ') junctions as well as Andreev contacts (superconductor-Andreev contact-normal metal) and structures with a Schottky barrier (superconductor-Schottky barrier-semiconductor k).
Известен способ-аналог: изготовление интегрального чувствительного болометра, в котором свободно висящий микромостик из аморфного кремния формируют посредством травления слоя окисла, нанесенного под ним [1]. По этому способу на кремниевой оксидированной подложке сначала фотолитографией и травлением формируют полоску окисла, фотолитографией и травлением формируют первый слой аморфного кремния, фотолитографией и травлением формируют второй слой аморфного кремния, легируют его, и травлением формируют верхний слой с отверстиями для травления первого слоя окисла. В результате получают тонкий висящий мостик легированного аморфного кремния с необходимым температурным коэффициентом сопротивления. Недостатком аналога является необходимость проведения трех операций фотолитографии, трех различных напылений, четырех операций травления. Три вакуумных цикла с последующим воздействием атмосферы и химикатов фотолитографии в промежутке приводит к возникновению паразитных контактных сопротивлений, снижению качества структур, ухудшению воспроизводимости устройств.A known analogue method is the manufacture of an integrated sensitive bolometer in which a freely hanging microbridge of amorphous silicon is formed by etching the oxide layer deposited under it [1]. In this method, an oxide strip is first formed by photolithography and etching on a silicon oxidized substrate, photolithography and etching form the first layer of amorphous silicon, photolithography and etching form the second layer of amorphous silicon, doping it, and etching form the upper layer with holes for etching the first oxide layer. The result is a thin hanging bridge of doped amorphous silicon with the required temperature coefficient of resistance. The disadvantage of the analogue is the need for three photolithography operations, three different sputtering, four etching operations. Three vacuum cycles with subsequent exposure to the atmosphere and photolithography chemicals in the gap lead to spurious contact resistances, lower quality structures, and poor reproducibility of devices.
Известны способы-аналоги, в которых свободно висящие полупроводниковые мостики формируются разными модификациями по способу-аналогу [1]. В патенте [2] технология модифицирована для более толстых пленок изолятора и большей высоты подвеса. В патенте [3] приводится модификация для использования поддерживающего слоя из нитрида кремния, что позволяет использовать более тонкие пленки резистивного мостика. В патенте [4] описан спектрометр с использованием таких мостиков в виде матрицы пикселей на подложке из полиимида (майлара). В патенте [5] описана конструкция дифференциального детектора с использованием пар висящих мостиков на полиимидной основе для устранения влияния дрейфов и созданий частотно-селективных приемников. В патенте [6] описана конструкция с поддержкой таких висящих микромостиков с помощью микростолбиков. В патенте [7] предлагается выбирать толщину подвеса, равную четверти длины волны, и формировать схему считывания на той же подложке.Known methods are analogues, in which freely hanging semiconductor bridges are formed by various modifications according to the method similar to [1]. In the patent [2], the technology is modified for thicker insulator films and a larger suspension height. The patent [3] provides a modification for the use of a silicon nitride support layer, which allows the use of thinner resistive bridge films. The patent [4] describes a spectrometer using such bridges in the form of a matrix of pixels on a polyimide (Mylar) substrate. The patent [5] describes the design of a differential detector using pairs of hanging bridges on a polyimide basis to eliminate the influence of drifts and the creation of frequency-selective receivers. The patent [6] describes a design with the support of such hanging microbridges using micro columns. In the patent [7] it is proposed to choose a suspension thickness equal to a quarter of the wavelength, and to form a readout circuit on the same substrate.
Известен способ-аналог: изготовление свободно висящего в воздухе мостика, в котором мостик размещен над подложкой поверх предварительно засвеченного резиста [8]. Используются трехслойный резист, в котором средний слой полностью засвечивается. При контактной литографии форма мостика определяется верхним и нижним слоями резиста. Электрические контакты толщиной 100 нм напыляют под прямым углом, а висмутовый мостик напыляется под углами 50° с каждой стороны от мостика. Таким образом, 100 нм висмута наносится под мостиком из резиста и поддерживается над подложкой нижним слоем резиста. После напыления подложку помещают в ацетон для растворения фоторезиста. Нежелательный металл сверху резиста удаляется и остается подвешенный на концах болометр, а под ним резист также оказывается удаленным. Такая технология отличается сложностью процессов засветки и проявления резиста, слабой воспроизводимостью и низким качеством пленок, напыляемых поверх трехслойного фоторезиста.A known analogue method is the manufacture of a bridge freely hanging in the air in which a bridge is placed above the substrate over a previously illuminated resist [8]. A three-layer resist is used in which the middle layer is fully exposed. In contact lithography, the shape of the bridge is determined by the upper and lower layers of the resist. Electrical contacts 100 nm thick are sprayed at a right angle, and the bismuth bridge is sprayed at angles of 50 ° on each side of the bridge. Thus, 100 nm of bismuth is applied under the bridge of the resist and is supported above the substrate by the lower layer of the resist. After spraying, the substrate is placed in acetone to dissolve the photoresist. Unwanted metal on top of the resist is removed and the bolometer suspended at the ends remains, and under it the resist also turns out to be removed. This technology is notable for the complexity of exposure and manifestation of the resist, poor reproducibility and low quality of films sprayed on top of a three-layer photoresist.
Известен способ-аналог: изготовление болометров с подвешенными резистивными элементами, термически связанными с туннельными подвешенными СИС переходами [9]. Структуры формируются поверх слоя окисла кремния, а сама кремниевая подложка под ним вытравливается в плазме CF6. Недостатком этого метода является наличие подслоя оксида кремния, что увеличивает тепловой контакт с подложкой и снижает предельные характеристики по сравнению с полностью подвешенными металлическими мостиками.A known analogue method is the manufacture of bolometers with suspended resistive elements thermally connected with tunnel suspended SIS junctions [9]. Structures are formed on top of the silicon oxide layer, and the silicon substrate itself under it is etched in CF 6 plasma. The disadvantage of this method is the presence of a silicon oxide sublayer, which increases the thermal contact with the substrate and reduces the limiting characteristics compared to fully suspended metal bridges.
Известен способ-аналог: изготовление висящего алюминиевого одноэлектронного транзистора [10]. В этом случае первоначально формируется пьедестал высотой 50 нм из органического полимера каликсарена, который затем может быть вытравлен в плазме кислорода после формирования одноэлектронного транзистора. Недостатком метода является нанесение пленок мостика и переходов поверх этого органического полимера, что снижает качество пленок и точность изготовления структур.A known analogue method: the manufacture of a hanging aluminum single-electron transistor [10]. In this case, a pedestal 50 nm high is initially formed from an organic polymer of calixarene, which can then be etched in an oxygen plasma after the formation of a single-electron transistor. The disadvantage of this method is the deposition of films of the bridge and transitions on top of this organic polymer, which reduces the quality of the films and the accuracy of the manufacture of structures.
Известен способ-прототип: технологии изготовления подвешенных медных мостов электронных охладителей методом химического травления [11]. На оксидированную подложку наносят многослойную структуру Al/AlOx/Cu и делают первую фотолитографию для формирования общей топологии устройства. Центральная часть структуры содержит линию отверстий диаметром 2 мкм с зазором 2 мкм между ними. Пленка меди в открытых областях резиста химически вытравливается ионным травлением, либо химическим травлением в разбавленной азотной кислоте. После этого проводится травление алюминия через ту же маску резиста в растворе слабой щелочи, конкретно в разбавленном проявителе. В результате образуется непрерывный зазор в алюминиевой пленке и свободно висящий медный мостик. Область СИН переходов формируется второй литографией, травление разрывов в медной пленке позволяет изолировать медный островок от алюминиевых электродов, в результате образуется структура типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС). Недостатками метода-прототипа является необходимость использования травлений одной структуры в двух травителях (кислотном и щелочном) и необходимость проведения второй фотолитографии для формирования геометрии СИН переходов.A known prototype method: manufacturing techniques of suspended copper bridges of electronic coolers by chemical etching [11]. A multilayer Al / AlOx / Cu structure is applied to the oxidized substrate and the first photolithography is performed to form the overall topology of the device. The central part of the structure contains a line of holes with a diameter of 2 μm with a gap of 2 μm between them. The copper film in the exposed regions of the resist is chemically etched by ion etching, or by chemical etching in dilute nitric acid. After this, etching of aluminum is carried out through the same mask of the resist in a solution of weak alkali, specifically in a diluted developer. As a result, a continuous gap is formed in the aluminum film and a freely hanging copper bridge. The region of SIN junctions is formed by the second lithography, etching of the gaps in the copper film allows isolating the copper island from aluminum electrodes, as a result, a superconductor-insulator-normal metal-insulator-superconductor (SINIS) structure is formed. The disadvantages of the prototype method is the need to use the etching of one structure in two etchants (acid and alkaline) and the need for a second photolithography to form the geometry of the SIN junctions.
Для формирования свободно висящих мостиков по способу-прототипу:To form freely hanging bridges by the prototype method:
1. - наносят без разрыва вакуума на всю подложку многослойную структуру, состоящую из нижнего слоя алюминия, который затем окисляют для формирования туннельного барьера, и верхнего слоя меди в качестве нормального металла.1. - a multilayer structure consisting of a lower layer of aluminum, which is then oxidized to form a tunnel barrier and an upper layer of copper as a normal metal, is applied without breaking the vacuum onto the entire substrate.
2. проводят первую фотолитографию: наносят слой фоторезиста, запекают его, проводят экспозицию всей структуры, проявляют резист.2. carry out the first photolithography: apply a layer of photoresist, bake it, conduct exposure of the entire structure, show resistance.
3. - селективно химически стравливают в кислоте слой меди в открытых областях3. - selectively chemically etch the copper layer in open areas in acid
4. - селективно химически стравливают в щелочи алюминий как в открытых от резиста областях, так и с контролируемым подтравом с торцов для удаления алюминия под расположением будущего мостика.4. - selectively chemically etch aluminum into alkali both in areas open from the resist and with controlled substrate from the ends to remove aluminum under the location of the future bridge.
5. - проводят второй цикл фотолитографии для формирования окон в резисте, которые будут служить границей туннельных переходов.5. - spend the second cycle of photolithography to form windows in the resist, which will serve as the boundary of the tunnel junctions.
6. Проводят селективное химическое травление меди в кислоте в открытых окнах для изоляции медного мостика с переходами от остальной многослойной структуры.6. Conduct selective chemical etching of copper in acid in open windows to isolate the copper bridge with transitions from the rest of the multilayer structure.
7. Формируют соединительные проводники к верхнему электроду в третьем слое литографии с нанесением пленки проводников и ее удалением вне экспонированной области методом взрыва (обратная литография).7. Form the connecting conductors to the upper electrode in the third layer of lithography with the deposition of a film of conductors and its removal outside the exposed area by explosion (reverse lithography).
Технология создания высококачественных туннельных переходов и термически изолированных от подложки островков требуется для одноэлектронных устройств, для электронных охладителей структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), СИНИС болометров на холодных электронах, использующих прямое электронное охлаждение абсорбера. Для применений, использующих электронное охлаждение, требуются переходы относительно большой площади, тогда как классическая технология теневого напыления ограничена площадью перехода менее 1 мкм2, что определяется перехлестом напыляемых пленок, расположенных под подвешенным мостиком из фоторезиста. Также для болометров и охладителей требуется наносить слой нормального металла малой толщины, что противоречит требованию увеличения толщины последующих слоев для классической планарной технологии с целью избегания разрывов пленок последующих слоев.The technology for creating high-quality tunnel junctions and islands thermally isolated from the substrate is required for single-electron devices, for electronic coolers of the superconductor-insulator-normal metal (SIN) structure, and SINIS for cold electron bolometers using direct electronic cooling of the absorber. For applications using electronic cooling, transitions of a relatively large area are required, while the classical technology of shadow spraying is limited to a transition area of less than 1 μm 2 , which is determined by the overlap of the sprayed films located under the suspended bridge from the photoresist. Also, for bolometers and coolers it is required to apply a layer of normal metal of small thickness, which contradicts the requirement to increase the thickness of subsequent layers for classical planar technology in order to avoid tearing of films of subsequent layers.
Перечисленные приложения в случае серийного промышленного производства требуют применения современных методов магнетронного напыления и оптической литографии для снятия ограничения по площади, устранения паразитных теней, сохранения высокого качества туннельного барьера. Применение модифицированных методов теневого термического напыления в способе-аналоге [8] не позволяет получить высокой степени воспроизводимости структур, а сам метод не является технологичным для серийного производства.The listed applications in the case of serial industrial production require the use of modern methods of magnetron sputtering and optical lithography to remove the limitations on area, eliminate stray shadows, and maintain a high quality tunnel barrier. The use of modified shadow thermal spraying methods in the analogue method [8] does not allow to obtain a high degree of reproducibility of structures, and the method itself is not technologically advanced for mass production.
Недостатком прототипа является необходимость проведения трех операций фотолитографии, трех различных напылений, четырех операций травления. Три вакуумных цикла с последующим воздействием атмосферы и химикатов фотолитографии в промежутке приводит к возникновению паразитных контактных сопротивлений, снижению качества структур, ухудшению воспроизводимости устройств.The disadvantage of the prototype is the need for three photolithography operations, three different sputtering, four etching operations. Three vacuum cycles with subsequent exposure to the atmosphere and photolithography chemicals in the gap lead to spurious contact resistances, lower quality structures, and poor reproducibility of devices.
Целью предлагаемого изобретения является: упрощение технологии и повышение воспроизводимости устройств со свободно висящими тонкопленочными микромостиками, формирование произвольной формы высококачественных туннельных переходов, снятие ограничения на форму и площадь переходов, малую толщину верхнего электрода, снятие ограничения на применение одного металла для различных элементов нормального электрода, устранение паразитных закороток на торцах пленок без дополнительной анодизации структур, устранение ограничения на уменьшение толщины верхнего электрода.The aim of the invention is to simplify the technology and increase the reproducibility of devices with free-hanging thin-film microbridges, the formation of an arbitrary shape of high-quality tunnel junctions, removing restrictions on the shape and area of junctions, the small thickness of the upper electrode, removing the restrictions on the use of one metal for various elements of a normal electrode, eliminating spurious shorts at the ends of the films without additional anodization of the structures, eliminating the limitation on the reduction thickness of the upper electrode.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведен вид сверху и сечение слоев тонких пленок по линии А-А и по линии В-В:The invention is illustrated by the drawing, which shows a top view and a section of the layers of thin films along the line aa and along the line bb:
На верхней части чертежа: предварительно нанесенные соединительные проводники (1), многослойная тонкопленочная структура (2) и окно в резисте для травления под мостиком (3)On the upper part of the drawing: pre-applied connecting conductors (1), multi-layer thin-film structure (2) and a window in the etching resist under the bridge (3)
Снизу сечение А-А где (4) подложка, (5) пленка алюминия, (6) пленка меди.Bottom section AA where (4) the substrate, (5) an aluminum film, (6) a copper film.
Справа сечение по линии В-В, где виден разрыв верхней пленки (6) на краю нижней пленки разводки (1), при этом нижний сверхпроводящий слой (5) остается непрерывным, поскольку выполняется условие, что толщина (5) больше, а толщина (6) меньше, чем толщина пленки (1).On the right is the section along the line BB, where the gap of the upper film (6) is visible on the edge of the lower wiring film (1), while the lower superconducting layer (5) remains continuous, since the condition is satisfied that the thickness (5) is larger and the thickness ( 6) less than the thickness of the film (1).
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 1 формулы изобретения с свободно висящим мостиком и туннельными переходами структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН) или сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), состоящими из двух слоев металла, разделенных туннельным переходом, характеризуется следующей последовательностью операций.The proposed method for manufacturing devices according to
1. Методом обратной литографии из пленки нормального металла формируют на подложке контактные площадки и соединительные проводники (1).1. Using reverse lithography from a normal metal film, contact pads and connecting conductors are formed on the substrate (1).
2. Поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (1), делают литографию для формирования многослойной структуры.2. On top of the formed connecting conductors and contact pads (1), lithography is done to form a multilayer structure.
3. В едином цикле без разрыва вакуума поверх резиста с окнами наносят многослойную структуру (3), состоящую из нижней пленки сверхпроводникового алюминиевого электрода (5), туннельного барьера толщиной 1-1.2 нм и верхней пленки нормального металла (6), в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН).3. In a single cycle without breaking the vacuum, a multilayer structure (3) is applied over the resist with windows, consisting of a lower film of a superconducting aluminum electrode (5), a tunnel barrier 1-1.2 nm thick and an upper film of a normal metal (6), as a result, a three-layer superconductor-insulator-normal metal (SIN) structure.
4. Удаляют пленку с резистом вне области окон помещением в ацетон, или ремувер.4. Remove the film with the resist outside the window area by placing it in acetone, or a remover.
5. Наносят фоторезист и делают фотолитографию для формирования окна (3) для травления алюминия.5. A photoresist is applied and photolithography is done to form a window (3) for etching aluminum.
6. Проводят проявление резиста в щелочном проявителе с одновременным подтравом алюминия в области под будущим мостиком.6. The manifestation of the resist in an alkaline developer is carried out with the simultaneous undermining of aluminum in the area under the future bridge.
7. Удаляют оставшийся резист в ацетоне.7. Remove the remaining resist in acetone.
Новым, по сравнению с прототипом, является разрыв верхнего электрода на границе поверх перекрытия с нижней пленкой электрических проводников, существенным признаком является необходимость выполнения условия, что толщина верхнего нормального электрода меньше, а толщина нижнего алюминиевого электрода больше толщины нижней пленки электрических проводников. Это позволяет избавиться от одного цикла фотолитографии. Новым является также один этап травления в слабой щелочи вместо двух травлений, сначала в кислоте, а потом в щелочи, как в прототипе. Отсутствие этапа селективного химического травления верхнего медного электрода позволяет существенно расширить выбор материала верхнего электрода и применять механически более жесткие и более высокоомные материалы как палладий.Compared to the prototype, a new one is the rupture of the upper electrode at the boundary over the overlap with the lower film of electrical conductors, an essential sign is the need to fulfill the condition that the thickness of the upper normal electrode is less and the thickness of the lower aluminum electrode is greater than the thickness of the lower film of electrical conductors. This allows you to get rid of one cycle of photolithography. Also new is one stage of etching in weak alkali instead of two etching, first in acid, and then in alkali, as in the prototype. The absence of a stage of selective chemical etching of the upper copper electrode allows one to significantly expand the choice of material of the upper electrode and use mechanically more rigid and higher resistance materials like palladium.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 2 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми джозефсоновскими переходами структуры сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС'), состоящими из разных сверхпроводящих электродов и туннельного барьера между ними, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1. Методом обратной литографии формируют на подложке контактные площадки и соединительные проводники (1).1. Using reverse lithography method, pads and connecting conductors are formed on the substrate (1).
2. Поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (1) делают фотолитографию для формирования многослойной структуры.2. Photolithography is performed on top of the formed connecting conductors and contact pads (1) to form a multilayer structure.
3. В едином цикле без разрыва вакуума поверх резиста с окнами наносят многослойную структуру (3), состоящую из нижней пленки сверхпроводникового алюминиевого электрода (5), туннельного барьера в виде окисла алюминия и верхней пленки другого сверхпроводника (6), в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник-изолятор-другой сверхпроводник СИС'.3. In a single cycle, without breaking the vacuum, a multilayer structure (3) is applied over the resist with windows, consisting of a lower film of a superconducting aluminum electrode (5), a tunnel barrier in the form of aluminum oxide and the upper film of another superconductor (6), as a result, a three-layer structure is obtained superconductor-insulator is another SIS 'superconductor.
4. Удаляют пленку с резистом вне области окон помещением в ацетон, или ремувер.4. Remove the film with the resist outside the window area by placing it in acetone, or a remover.
5. Наносят фоторезист и делают фотолитографию для формирования окна (3) для травления алюминия.5. A photoresist is applied and photolithography is done to form a window (3) for etching aluminum.
6. Проводят проявление резиста в щелочном проявителе с одновременным подтравом алюминия в области под будущим мостиком.6. The manifestation of the resist in an alkaline developer is carried out with the simultaneous undermining of aluminum in the area under the future bridge.
7. удаляют оставшийся резист в ацетоне.7. remove the remaining resist in acetone.
Новым, по сравнению с прототипом, является разрыв верхнего сверхпроводящего электрода на границе поверх перекрытия с нижней пленкой электрических проводников, существенным признаком является необходимость выполнения условия, что толщина верхнего сверхпроводящего электрода меньше, а толщина нижнего алюминиевого сверхпроводящего электрода больше толщины нижней пленки электрических проводников. Это позволяет избавиться от одного цикла фотолитографии. Новым является также один этап травления в слабой щелочи вместо двух травлений, сначала в кислоте, а потом в щелочи, как в прототипе. Отсутствие этапа селективного химического травления верхнего медного электрода позволяет существенно расширить выбор материала верхнего электрода и применять более жесткие сверхпроводящие материалы, как гафний.Compared with the prototype, a break in the upper superconducting electrode at the boundary over the overlap with the lower film of electrical conductors is new, an essential sign is the need to satisfy the condition that the thickness of the upper superconducting electrode is less and the thickness of the lower aluminum superconducting electrode is greater than the thickness of the lower film of electrical conductors. This allows you to get rid of one cycle of photolithography. Also new is one stage of etching in weak alkali instead of two etching, first in acid, and then in alkali, as in the prototype. The absence of a stage of selective chemical etching of the upper copper electrode allows us to significantly expand the choice of material of the upper electrode and apply more rigid superconducting materials like hafnium.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 3 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми андреевскими переходами структуры сверхпроводник -андреевский контакт-нормальный металл (САН), состоящими из сверхпроводящего и нормального металлов с андреевским контактом между ними, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1. Методом обратной литографии формируют на подложке контактные площадки и соединительные проводники (1).1. Using reverse lithography method, pads and connecting conductors are formed on the substrate (1).
2. Поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (1), делают литографию для формирования многослойной структуры.2. On top of the formed connecting conductors and contact pads (1), lithography is done to form a multilayer structure.
3. В едином цикле без разрыва вакуума поверх резиста с окнами наносят многослойную структуру (3), состоящую из нижней пленки сверхпроводникового алюминиевого электрода (5), и непосредственного контакта с верхней пленкой нормального металла (6), в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник-андреевский контакт-нормальный САН.3. In a single cycle without breaking the vacuum, a multilayer structure (3), consisting of a lower film of a superconducting aluminum electrode (5), and direct contact with the upper film of a normal metal (6) is applied over a resist with windows and, as a result, a three-layer superconductor-Andreev structure is obtained contact normal SAN.
4. Удаляют пленку с резистом вне области окон помещением в ацетон, или ремувер.4. Remove the film with the resist outside the window area by placing it in acetone, or a remover.
5. Наносят фоторезист и делают фотолитографию для формирования окна (3) для травления алюминия.5. A photoresist is applied and photolithography is done to form a window (3) for etching aluminum.
6. Проводят проявление резиста в щелочном проявителе с одновременным подтравом алюминия в области под будущим мостиком.6. The manifestation of the resist in an alkaline developer is carried out with the simultaneous undermining of aluminum in the area under the future bridge.
7. Удаляют оставшийся резист в ацетоне.7. Remove the remaining resist in acetone.
Новым, по сравнению с прототипом, является разрыв верхнего электрода на границе поверх перекрытия с нижней пленкой электрических проводников, существенным признаком является необходимость выполнения условия, что толщина верхнего нормального электрода меньше, а толщина нижнего алюминиевого электрода больше толщины нижней пленки электрических проводников. Это позволяет избавиться от одного цикла фотолитографии. Новым является также один этап травления в слабой щелочи вместо двух травлений, сначала в кислоте, а потом в щелочи, как в прототипе. Отсутствие этапа селективного химического травления верхнего медного электрода позволяет существенно расширить выбор материала верхнего электрода и применять более жесткие и более высокоомные материалы, как палладий или гафний.Compared to the prototype, a new one is the rupture of the upper electrode at the boundary over the overlap with the lower film of electrical conductors, an essential sign is the need to fulfill the condition that the thickness of the upper normal electrode is less and the thickness of the lower aluminum electrode is greater than the thickness of the lower film of electrical conductors. This allows you to get rid of one cycle of photolithography. Also new is one stage of etching in weak alkali instead of two etching, first in acid, and then in alkali, as in the prototype. The absence of a stage of selective chemical etching of the upper copper electrode allows one to significantly expand the choice of material of the upper electrode and use more rigid and higher resistance materials, such as palladium or hafnium.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 4 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами структуры сверхпроводник-полупроводник (супер-Шоттки), состоящими из сверхпроводникового и полупроводникового электродов с барьером Шоттки на границе, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1. Методом обратной литографии формируют на подложке контактные площадки и соединительные проводники (1) (чертеж).1. Using the reverse lithography method, contact pads and connecting conductors (1) are formed on the substrate (drawing).
2. Поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (1), делают литографию для формирования многослойной структуры.2. On top of the formed connecting conductors and contact pads (1), lithography is done to form a multilayer structure.
3. В едином цикле без разрыва вакуума поверх резиста с окнами наносят многослойную структуру (3), состоящую из нижней пленки сверхпроводникового алюминиевого электрода (5), и верхней пленки полупроводника (6), между которыми образуется барьер Шоттки, в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник-барьер Шоттки-полупроводник (СШП).3. In a single cycle without breaking the vacuum, a multilayer structure (3) is applied over the resist with windows, consisting of the lower film of the superconducting aluminum electrode (5) and the upper film of the semiconductor (6), between which the Schottky barrier is formed, as a result, a three-layer superconductor structure is obtained Schottky barrier-semiconductor (UWB).
4. Удаляют пленку с резистом вне области окон помещением в ацетон, или ремувер.4. Remove the film with the resist outside the window area by placing it in acetone, or a remover.
5. Наносят фоторезист и делают фотолитографию для формирования окна (3) для травления алюминия.5. A photoresist is applied and photolithography is done to form a window (3) for etching aluminum.
6. Проводят проявление резиста в щелочном проявителе с одновременным подтравом алюминия в области под будущим мостиком.6. The manifestation of the resist in an alkaline developer is carried out with the simultaneous undermining of aluminum in the area under the future bridge.
7. Удаляют оставшийся резист в ацетоне.7. Remove the remaining resist in acetone.
Новым, по сравнению с прототипом, является разрыв верхнего полупроводникового электрода на границе поверх перекрытия с нижней пленкой электрических проводников, существенным признаком является необходимость выполнения условия, что толщина верхнего полупроводникового электрода меньше, а толщина нижнего алюминиевого электрода больше толщины нижней пленки электрических проводников. Это позволяет избавиться от одного цикла фотолитографии. Новым является также один этап травления в слабой щелочи вместо двух травлений, сначала в кислоте, а потом в щелочи, как в прототипе. Отсутствие этапа селективного химического травления верхнего полупроводникового электрода позволяет расширить выбор материала полупроводникового электрода и применять, помимо кремния, также германий или арсенид галлия.Compared to the prototype, a break in the upper semiconductor electrode at the boundary over the overlap with the lower film of electrical conductors is new, an essential sign is the need to fulfill the condition that the thickness of the upper semiconductor electrode is less and the thickness of the lower aluminum electrode is greater than the thickness of the lower film of electrical conductors. This allows you to get rid of one cycle of photolithography. Also new is one stage of etching in weak alkali instead of two etching, first in acid, and then in alkali, as in the prototype. The absence of a stage of selective chemical etching of the upper semiconductor electrode allows us to expand the choice of material of the semiconductor electrode and to use, in addition to silicon, also germanium or gallium arsenide.
Физический механизм достижения целей изобретения заключается в использовании процесса обратной (взрывной) литографии вместо двухэтапного химического травления, использования эффекта разрыва пленки на ступеньке поверх нижней пленки контактных проводников, существенным признаком является необходимость выполнения условия, что толщина верхнего полупроводникового электрода меньше, а толщина нижнего алюминиевого электрода больше толщины нижней пленки электрических проводников. В способе-прототипе требуется дополнительная литография для разрыва верхней полупроводниковой пленки, тогда как в предложенном методе такой разрыв автоматически формируется на границе с пленкой разводки. Отсутствие дополнительного этапа селективного травления верхнего слоя позволяет применять произвольные полупроводниковые материалы, поскольку не требуется подбирать специальный селективный химический травитель.The physical mechanism for achieving the objectives of the invention is to use the reverse (explosive) lithography process instead of two-stage chemical etching, to use the film tearing effect on the step above the lower film of contact conductors, an essential sign is the need to fulfill the condition that the thickness of the upper semiconductor electrode is less and the thickness of the lower aluminum electrode more thickness of the lower film of electrical conductors. In the prototype method, additional lithography is required to break the upper semiconductor film, while in the proposed method, such a gap is automatically formed at the boundary with the wiring film. The absence of an additional stage of selective etching of the upper layer allows the use of arbitrary semiconductor materials, since it is not necessary to select a special selective chemical etchant.
У авторов изобретения имеется положительный опыт изготовления описанных структур по п. 1 и п. 2 формулы изобретения. Были изготовлены СИНИС структуры с висящими микромостиками из меди, палладия, меди с палладием, гафния толщиной 20 нм, нанесенные на ступеньке из TiAuPd высотой 70 нм. В качестве химического травителя применялся тот же проявитель, что и для проявки фоторезиста. У авторов имеется успешный опыт изготовления переходов с барьером Шоттки, который формируется на основе окисла титана в переходах титан-оксид титана-алюминий. У авторов имеется успешный опыт изготовления андреевских контактов по приведенной технологии в случае применения трехслойной САН структуры палладий-андреевский контакт-алюминий.The inventors have positive experience in the manufacture of the described structures according to
Технический результат предлагаемого решения состоит в достижении поставленных целей: повышении воспроизводимости, снижении трудоемкости и времени изготовления структур, увеличении площади туннельных переходов более 1 мкм2 при снижении толщины верхнего электрода и перемычки абсорбера менее толщины нижнего электрода, снятии ограничения на форму переходов, устранении паразитных теней, устранении паразитных шунтирующих емкостей и сопротивлений утечки, уменьшении количества технологических ступеней литографии.The technical result of the proposed solution is to achieve the goals: increasing reproducibility, reducing the complexity and time of manufacturing structures, increasing the area of tunnel junctions more than 1 μm 2 while reducing the thickness of the upper electrode and the absorber bridge less than the thickness of the lower electrode, removing restrictions on the shape of junctions, eliminating spurious shadows eliminating spurious bypass capacitance and leakage resistance, reducing the number of technological stages of lithography.
ЛитератураLiterature
1. United States Patent 5,260,225, Integrated infrared sensitive bolometers, M. Liu, J. Haviland, C. Yue, date Nov. 9, 1993.1. United States Patent 5,260,225, Integrated infrared sensitive bolometers, M. Liu, J. Haviland, C. Yue, date Nov. 9, 1993.
2. United States Patent 5,627,112, Method of making suspended microstructures, W. Tennant, I. Gergis, C. Seabury, date May 6, 1997.2. United States Patent 5,627,112, Method of making suspended microstructures, W. Tennant, I. Gergis, C. Seabury, date May 6, 1997.
3. United States Patent 5,777,328, Ramped foot support, R. Gooch, date Jul. 7, 1998.3. United States Patent 5,777,328, Ramped foot support, R. Gooch, date Jul. 7, 1998.
4. United States Patent 5,777,329, Bolometer array spectrometer, G. Wectphal, M. Wadsworth, date Jul. 7, 1998.4. United States Patent 5,777,329, Bolometer array spectrometer, G. Wectphal, M. Wadsworth, date Jul. 7, 1998.
5. United States Patent 5,841,137, Duplicative detector sensor, J. Whitney, date Nov. 24, 1998.5. United States Patent 5,841,137, Duplicative detector sensor, J. Whitney, date Nov. 24, 1998.
6. United States Patent 5,962,909, Microstructure suspended by a microsupport, H. Jerominek, M. Renaud, N. Swart, date Oct. 5, 1999.6. United States Patent 5,962,909, Microstructure suspended by a microsupport, H. Jerominek, M. Renaud, N. Swart, date Oct. 5, 1999.
7. United States Patent 7,262,413 B2, Photoconductive bolometer infrared detector, C. Kauffman, S.S. Yoo, T. Beystrum, date Aug. 28, 20077. United States Patent 7,262,413 B2, Photoconductive bolometer infrared detector, C. Kauffman, S.S. Yoo, T. Beystrum, date Aug. 28th, 2007
8. D. Neikirk, D. Rutledge, Air-bridge microbolometer for far-infrared detection, Appl. Phys. Lett., 44 (2), pp. 153-155 (1984).8. D. Neikirk, D. Rutledge, Air-bridge microbolometer for far-infrared detection, Appl. Phys. Lett., 44 (2), pp. 153-155 (1984).
9. A. Timofeev, P. Helisto, L. Gronberg, A. Luukanen, H. Seppa, J. Hassel, Suspended tunnel junction bolometers for Terahertz range, The Open Applied Physics Journal, 2012, 5, 34-40.9. A. Timofeev, P. Helisto, L. Gronberg, A. Luukanen, H. Seppa, J. Hassel, Suspended tunnel junction bolometers for Terahertz range, The Open Applied Physics Journal, 2012, 5, 34-40.
10. T. Li, Yu. Pashkin, O. Astafiev, Y. Nakamura, J. Tsai, H. Im, Low-frequency charge noise in suspended aluminum single-electron transistors, Appl. Phys. Lett., 91, 033107 (2007).10. T. Li, Yu. Pashkin, O. Astafiev, Y. Nakamura, J. Tsai, H. Im, Low-frequency charge noise in suspended aluminum single-electron transistors, Appl. Phys. Lett., 91, 033107 (2007).
11. H. Nguyen, L. Pascal, Z. Peng, O. Buisson, B. Gilles, C. Winkelmann, H. Courtois, Etching suspended superconducting tunnel junctions from a multilayer, Appl. Phys. Lett., 100, 252602 (2012); arXiv:1111.3541v2 [cond-mat.supr-con] 23 Jun 2012.11. H. Nguyen, L. Pascal, Z. Peng, O. Buisson, B. Gilles, C. Winkelmann, H. Courtois, Etching suspended superconducting tunnel junctions from a multilayer, Appl. Phys. Lett., 100, 252602 (2012); arXiv: 1111.3541v2 [cond-mat.supr-con] Jun 23, 2012.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016122241A RU2632630C1 (en) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Method of devices with floppy microbridges manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016122241A RU2632630C1 (en) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Method of devices with floppy microbridges manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2632630C1 true RU2632630C1 (en) | 2017-10-06 |
Family
ID=60040597
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016122241A RU2632630C1 (en) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Method of devices with floppy microbridges manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2632630C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2685082C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making air bridges as interelectrode connections of integrated circuits |
| RU2733330C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making devices with thin-film tunnel junctions |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| WO1998011611A1 (en) * | 1996-09-12 | 1998-03-19 | Institut National D'optique | Microbridge structure, and method for forming a microbridge suspended by a micro support |
| US20060202120A1 (en) * | 2005-03-14 | 2006-09-14 | Kauffman Christopher L | Photoconductive bolometer infrared detector |
| US8354642B2 (en) * | 2010-10-13 | 2013-01-15 | International Business Machines Corporation | Monolithic passive THz detector with energy concentration on sub-pixel suspended MEMS thermal sensor |
| RU2013104965A (en) * | 2013-02-06 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский педагогический университет" (МПГУ) | A METHOD FOR FORMING A BOLOMETER WORKING ELEMENT GAP BASED ON AN ULTRA SHORT BRIDGE FROM AN SUPERCONDUCTIVE NIOBIUM NITride (NBN) FILM WITH A DOUBLE LAYER OF NIOBIUM-ASOLITOUS (B) NANOZENIUM (B) |
| RU2550749C1 (en) * | 2013-12-26 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method of formation of thin-film microbridges |
| US20150340584A1 (en) * | 2013-03-15 | 2015-11-26 | International Business Machines Corporation | Suspended superconducting qubits |
-
2016
- 2016-06-06 RU RU2016122241A patent/RU2632630C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| WO1998011611A1 (en) * | 1996-09-12 | 1998-03-19 | Institut National D'optique | Microbridge structure, and method for forming a microbridge suspended by a micro support |
| US20060202120A1 (en) * | 2005-03-14 | 2006-09-14 | Kauffman Christopher L | Photoconductive bolometer infrared detector |
| US8354642B2 (en) * | 2010-10-13 | 2013-01-15 | International Business Machines Corporation | Monolithic passive THz detector with energy concentration on sub-pixel suspended MEMS thermal sensor |
| RU2013104965A (en) * | 2013-02-06 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский педагогический университет" (МПГУ) | A METHOD FOR FORMING A BOLOMETER WORKING ELEMENT GAP BASED ON AN ULTRA SHORT BRIDGE FROM AN SUPERCONDUCTIVE NIOBIUM NITride (NBN) FILM WITH A DOUBLE LAYER OF NIOBIUM-ASOLITOUS (B) NANOZENIUM (B) |
| US20150340584A1 (en) * | 2013-03-15 | 2015-11-26 | International Business Machines Corporation | Suspended superconducting qubits |
| RU2550749C1 (en) * | 2013-12-26 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method of formation of thin-film microbridges |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| H. Nguyen et al. Etching suspended superconducting tunnel junction from a multilayer. Applied Physics Letters, 100, 2012, p.252602. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2685082C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making air bridges as interelectrode connections of integrated circuits |
| RU2733330C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making devices with thin-film tunnel junctions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI677942B (en) | Cmos-based semiconductor device on micro-hotplate and method of fabrication | |
| US9716219B2 (en) | Suspended superconducting qubits | |
| US8609450B2 (en) | MEMS switches and fabrication methods | |
| RU2632630C1 (en) | Method of devices with floppy microbridges manufacture | |
| JP2001343282A (en) | Infrared detecting element and infrared two-dimensional image sensor and method for manufacturing the same | |
| WO2014173039A1 (en) | Method for preparing array substrate, array substrate, and display apparatus | |
| US9935283B2 (en) | Thin film device with protective layer | |
| TW200832710A (en) | Method for manufacturing pixel structure | |
| RU2593647C1 (en) | Method of making devices with thin-film superconducting transitions | |
| JP4865957B2 (en) | Method for manufacturing thermal infrared solid-state imaging device | |
| CN108447916A (en) | Thin film transistor (TFT) and preparation method thereof, array substrate, display device | |
| RU2442246C1 (en) | The method of production of devices with thin film superconducting junctions | |
| JP2004128437A (en) | Superconducting integrated circuit and method of manufacturing the same | |
| WO2011160937A1 (en) | Method of manufacturing thin film transistors and transistor circuits | |
| Reese et al. | Niobium hot electron bolometer development for a submillimeter heterodyne array camera | |
| TWI536627B (en) | Method of forming top contact organic thin film transistor with passivation layer | |
| JPH06235933A (en) | Liquid crystal display device and its manufacture | |
| US10640366B2 (en) | Bypass structure | |
| TWI548002B (en) | Method of forming top contact organic thin film transistor with buffer layer | |
| JPS62163341A (en) | Patterning method for high melting-point metallic film | |
| JPH02194665A (en) | Field effect superconducting device and manufacture thereof | |
| JPS60231340A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
| Berglund et al. | Undercut Isolation—A Technique for Closely Spaced and Self‐Aligned Metalization Patterns for MOS Integrated Circuits | |
| TW201539756A (en) | Electronic device and manufacturing method thereof | |
| KR20050012353A (en) | Uncooled infrared sensor with two-layer structure and its manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200607 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210413 |