CC BY
41
УДК 621.38-022.532
И. Г. Ляхов1, А. А. Кузьмин2, А. С. Ильин2, М. А. Ермакова1, К. В. Булах1
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
2Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Исследование режимов магнетронного напыления тонких пленок титана для криогенных детекторов
Проведено исследование тонких пленок титана, получаемых при различных режимах магнетронного напыления на кремниевой подложке с помощью электрических измерений при Т = 300 К и 77 К, исследований на атомно-силовом микроскопе (АСМ) и рентгеновской дифрактометрии (ХГШ). Показано, как зависит остаточное удельное сопротивление пленок (и критическая температура сверхпроводящего перехода Тс) от параметров напыления. Данные сопоставлены с измерениями на АСМ и ХГШ.
Ключевые слова: сверхпроводниковые болометры, сенсоры на краю перехода, тонкие сверхпроводниковые пленки титана, экспресс метод оценки критической температуры, рентгеновская дифрактометрия.
1. Введение
В последние годы активно развиваются исследования и разработки сверхчувствительных матриц на основе сверхпроводниковых болометров-сенсоров для пассивной радиолокации на частотах терагерцового диапазона (0.3-10 ТГц), включая изображающие радиометры для наземных и космических астрономических комплексов, систем безопасности, медицинской диагностики, контроля окружающей среды и различной продукции. Одним из объектов исследований и разработок на этом пути является сверхпроводниковый болометр-сенсор, работающий на краю сверхпроводникового перехода (СКП-болометры)
[1]. Чувствительный элемент такого болометра представляет собой тонкую пленку металла. Критическая температура перехода такого сверхпроводника должна быть близка к рабочей температуре используемых рефрижераторов. Чем ниже рабочая температура прибора, тем более чувствительным его можно сделать. В случае сорбционных рефрижераторов на Нез с минимальной температурой ~300 мК в качестве сверхпроводника подходит тонкая титановая пленка. Критическая температура у такой пленки будет зависеть от ее толщины [2]. Толстые пленки титана имеют критическую температуру в районе 0.5-0.39 К. Уменьшая толщину титановой пленки до 30-100 нм, можно получить температуру перехода в районе 350-360 мК, которая подходит для работы рефрижератора.
К сожалению, температура Тс сверхпроводящего перехода в тонких титановых пленках магнетронного напыления часто заметно понижена (ниже рабочей температуры рефрижератора), так как определяется не только размерным эффектом, но и морфологией (дефектами) пленки, и концентрацией примесей.
Все немагнитные примеси линейно уменьшают температуру сверхпроводящего перехода при увеличении их концентрации с (при с << 0.01) с коэффициентом: (1Тс/(1с -10-6 мК [4]. Влияние магнитных примесей также линейно по концентрации, но более сильное: ёТс/йс ~ —10-5 мК [3]. Согласно работе [3], марганец — единственный переходный элемент, магнитный момент которого локализуется в титане.
На сверхпроводящие свойства также влияют структурные дефекты пленки (дефекты в кристаллитах, размер кристаллитов, аморфная фаза, пористость, внутренние микронапряжения). Вместе с примесями они дают вклад в рассеяние электронов, который при низких температурах является основным и поэтому определяет величину остаточного удельного сопротивления тонких пленок титана. Остаточное удельное сопротивление металлических пленок уже не зависит от температуры и определяет нижний предел сопротивления для данного материала при низких температурах.
Влияние статических дефектов на температуру сверхпроводящего перехода рассмотрено в теоретической работе Testardi и Mattheiss [4], а также в экспериментальной работе Pasca et al. [5] но исследованию титановых пленок для криогенных детекторов. В случае со сверхпроводящим переходом авторы использовали теорию McMillan [6] о зависимости критической температуры перехода от плотности состояний на уровне Ферми, чтобы таким образом получить Тс = Тс(р). Для титановых пленок вычисления дают зависимость Тс(р), представленную на рис. 1.
0.35
W 0.30
о
н
0.25 0.20
5 10 15 20 25 30 35 40 45
Pres ОаЙ cm)
Рис. 1. Зависимость Тс от остаточного сопротивления пленки титана (сплошная линия - теоретический расчет, точки результаты экспериментальных измерений в работе [5])
Таким образом, измеряя остаточное удельное сопротивление титановых пленок можно предсказать их критическую температуру. С друх’ой стороны, характер структурных дефектов в титановых пленках сильно зависит от режимов осаждения данного материала. В данной работе исследовались титановые пленки, получаемые с помощью магнетронно-i'o напыления на кремниевую подложку. При помощи измерения их остаточного удельно-i'o сопротивления были найдены режимы, при которых получаются пленки с наибольшей критической температурой. Это позволит получать пленки с предсказуемой Тс, варьируя только их толщину. Также были проведены исследования таких пленок методами ACM и XRD для более полного описания морфологии осаждаемых пленок.
2. Изготовление образцов
2.1. Описание образцов
Образец представляет собой пленку титана, осажденную методом магнетронного распыления (DC-magnetron sputtering) на подложку из монокриеталличеекого кремния с удельным сопротивлением 4 Ом-см. Заметим, что при указанных рабочих температурах рефрижератора (0.3 К) проводимостью кремния можно пренебречь.
В процессе изготовления серий образцов варьировались следующие параметры осаждения: давление аргона в камере напыления р, расстояние от мишени до подложки d и мощность W, подводимая к магнетрону. Одна серия — это три прямоугольные полоски кремния (размером 25 х 5 мм) с осажденным на них титаном для измерения электрического сопротивления при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота, а также подложка большей площади для исследования в атомно-силовом микроскопе и рентгеновском дифрактометре. Для напыления титана использовалась установка магнетронного напыле-
ния со шлюзовой загрузкой подложек ЬБ 730Б УААТ, в которой была установлена титановая мишень с чистотой 99.999%. Остаточное давление в вакуумной камере не превышало 5■10-8 мбар.
2.2. Параметры изготовления образцов
Процесс изготовления образцов состоял из двух основных этапов: калибровки напыли-тельной установки и напыления титановой пленки ожидаемой толщины на подготовленные подложки кремния. Было получено 13 серий образцов (табл. 1, толщина пленок ~150 нм).
Таблица1
Пленки ТЬ полученные при различных режимах осаждения
Серия Мощность (W), Вт Давление (p), -10-3 мбар Расстояние до мишени (d), мм Скорость /
1,'2_1 300 5 70 6.2
1; 2 2 600 5 70 11.5
1 2 3 200 5 70 4.6
U2_4 600 1 70 13
U2_5 300 1 70 7.3
l.'3_l 200 1 70 4.4
1 3 2 600 10 70 12.3
U3J5 300 10 70 7.5
U3_4 200 10 70 5.1
U4_l 300 50 70 5.5
U4_2 600 50 70 11.9
CO 600 5 50 19.7
U4_4 200 5 50 7.5
3. Исследование образцов
3.1. Экспресс-метод оценки критической температуры [18]
В [5] показано, что удельное сопротивление металла в нормальном состоянии описывается формулой
Pt = Pres + Pph, (1)
где pres — удельное остаточное сопротивление, зависящее только от наличия примесей и дефектов в решетке; pph — удельное сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки. В статье [5] также показано, что pph(T) в целом представляет собой достаточно сложную зависимость, но на участке Т > Ор/2 линейно зависит от температуры. Это позволяет представить удельное сопротивление pres, величина которого фактически служит мерой качества пленки, в виде функции соотношения удельных сопротивлений пленки при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота (Т = 77 К) — коэффициента Ртт- Из (1)
Pres = Pph{300 К)(1 — Ф77)/(@77 — 1^ (2)
гДе Pph(300 К) — фононный вклад в удельное сопротивление при комнатной температуре, с = pph(77 K)/pph(300 К). Фононный вклад в удельное сопротивление зависит только
от типа материала и является табличной величиной. В статье [5] авторы теоретически и экспериментально оценивают pph (300 К) = 44 — 49 мкО м-см, ас = 0.1.
Экспериментальные данные (вместе с теоретической кривой, рассчитанной по формуле
(2)) о зависимости остаточного сопротивления пленки от ft77 представлены па рис. 2.
---------------------1--------------------------------------1-------------------'-------------------1-------------------г
I _______1_____I_____I____J______1_____1__________I______I_____I____I______1....i
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2. Зависимость остаточного сопротивления пленки титана от @77 (сплошная линия - теоретический расчет по формуле (2). точки результаты экспериментальных измерений в работе [5]. [7]. [8])
Учитывая эти результаты, можно сделать утверждение, что титановые пленки будут иметь критическую температуру перехода в интервале 0.38 0.3 К только в том случае, если ^77 = R(300 K)/R(77 K) будет в интервале от 2.5 до 4. Это соответствует интервалу допустимых значений остаточных удельных сопротивлений от 10 30 мкОм-см.
Таким образом, появляется возможность быстрого диагностирования образцов для быстрой оптимизации режима магнетронного напыления титана.
3.2. Измерение коэффициента @77
Ключевым этаном в данной работе являлось определение электрических характеристик образцов, а именно отношения удельных электрических сопротивлений при комнатной и азотной температуре. Сопротивление образцов измерялось но 4-точечной схеме с помощью стенда и прецизионного резисторного моста Lake Shore Model 370. Стенд представляет собой 4 прижимных игольчатых контакта из вольфрама на платформе из текстолита.
Точно определить удельное сопротивление в данном случае не представляется возможным из-за неточно определенного взаимного расположения прижимных контактов и пленки, однако это не является помехой для измерения параметра @77, который точно определяется отношением показаний измерительного моста при Т = 300 К и 77 К. Результаты измерений коэффициента ft77 приведены в табл. 2.
Исходя из данных таблиц 1 и 2, можно видеть, что число статических дефектов в пленке при прочих равных уменьшается (растет ft77) при увеличении скорости осаждения титана. Сильное влияние на параметр ft77 оказывает изменение расстояния от подложки до мишени d. Видно, что при меньшем d, пленки получаются заметно качественнее. Зависимость ft77 от давления рабочих газов в камере имеет более сложный характер: существует оптимум в районе давления 5 ■ 10-3 мбар. Можно заметить, что при повышенном давлении аргона в камере параметр ft77 заметно подавлен. Можно сделать предположение о том, что в этом случае возрастает пористость пленок из-за внедрения в пленку большого количества аргона [9]. Повышенное давление аргона может также увеличивать долю аморфной фазы в пленке за счет уменьшения эффекта нерераеныления быстрыми ионами.
Т а б .л и ц а 2
Коэффициент @77 для пленок титан
Образец < @77 > Скорость осаждения У^ер, А/с Давление (р), ■10-3 мбар Расстояние до мишени (с!), мм
Р4_1 2.30 5.5 50 70
Р4_2 2.39 11.9 50 70
Р2_5 2.41 7.3 1 70
иЗ_4 2.43 5.1 10 70
из_і 2.47 4.4 1 70
Р2_3 2.49 4.6 5 70
Р2_4 2.51 13 1 70
Р2_1 2.55 6.2 5 70
СО со & 2.66 7.5 10 70
Р2_2 2.69 11.5 5 70
иЗ_2 2.74 12.3 10 70
Р4_4 2.78 7.5 5 50
СО & 2.90 19.7 5 50
а «/=300 Вт, р=5X102 мбар, £*=70 мм. Кд=М,9 Нм б М/=600 Вт, р= 1 х 10'3 мбар, Ф= 70 мм. Кд=1,2 нм
в 1^=600 Вт, р=5хЮ~3 мбар, £#=50 мм. ксг2,3 нм
Рис. 3. АСМ изображения участка поверхности тонких титановых пленок: а наиболее гладкая пленка из серии 1124 с й? = 1.2 нм; б — пленка с наибольшим ^77 из серии 1143 с й, = 2.3 нм; в - пленка из серии 1141 с наибольшей шероховатостью Дд = 14.9 нм и наименьшим @77
3.3. Исследование шероховатости поверхности пленок в АСМ
Для достижения предельных чувствительностей криш'енный терагерцовый детектор должен иметь сенсор (СКП) с минимальной шириной сверхпроводящего перехода АТС.
Чем более резкий переход В сверхпроводящее состояние имеет сенсор, тем выше будет С1'0 отклик на принимаемый сигнал. Для этого важно найти режимы осаждения, при которых получаются наименее шероховатые пленки. Размытие Тс происходит из-за неоднородности пленки по толщине (из-за размерного эффекта разные части сенсора будут иметь разную Тс).
Рис. 4. Дифрактограммы образцов серий 1141 {Ш = 300 Вт, р = 5 • 10-2 мбар, d = 70 мм), 1143 {Ш = 600 Вт, р = 5 • 10-3 мбар, г! = 50 мм), 1144 {Ш = 200 Вт, р = 5 • 10-3 мбар, г! =50 мм), 1122 (W = 600 Вт, р = 5 • 10-3 мбар, d = 70 мм). На вставке показан увеличенный пик, соответствующий рефлексу [002] кристаллического титана
Исследование текстуры пленок производились на АСМ \TEGR А (КТ-МБТ) в контактном режиме. Ниже (рис. 3) приведены результаты исследования шероховатости поверхности образцов.
Из вышеприведенных данных следует возможность корреляции шероховатости с давлением рабочих газов. Наиболее гладкими с = 1.2 нм (рис. За) являются образцы, осажденные при пониженном давлении аргона р = 1 • 10-3 мбар. В данном случае, по всей видимости, важную роль играет усиление перераепыления растущей пленки быстрыми ионами аргона, упруго отраженными от мишени. При пониженном давлении длина пробега таких ионов увеличивается, и они могут достигать подложки, вызывая ее распыление [9]. Заметим, что наибольшую шероховатость (Кд = 14.9 нм) имеют образцы, осажденные при повышенном давлении аргона р = 5 • 10-2 мбар.
Связь шероховатости с коэффициентом ^77 неоднозначная, так как характеризует только поверхность пленки. Наиболее гладкие пленки не имеют самых высоких значений @77. Это, возможно, связано с увеличением точечных дефектов в кристаллитах из-за усиленной бомбардировки быстрыми ионами. Поэтому необходимо выбрать оптимальный по давлению режим осаждения, например р = 5 • 10-3 мбар, при котором шероховатость возрастает не сильно, но заметно увеличивается коэффициент @77.
3.4. Рентгеновская дифрактометрия пленок титана
На рис. 4 представлены дифрактограммы образцов, полученные с помощью рентгеновского дифрактометра.
Данные дифрактограмм показывают, что преимущественное направление роста титана в образцах является направление [002], причем высота пика интенсивности рефлекса выше для пленок с большим коэффициентом р77 (высокая интенсивность пика свидетельствует о высокой кристалличности и соориентированности кристаллитов вдоль преимущественного направления роста). Следует также отметить, что пленкам, полученным при повышенном давлении р = 5 • 10-2 мбар, соответствует менее выраженный пик, что говорит о низкой кристалличности и разориентированности кристаллитов в пленке.
4. Заключение
Проведены исследования режимов магнетронного осаждения тонких пленок титана на кремневые подложки с помощью электрических измерений, АСМ и XГ» Г). Для оценки критической температуры сверхпроводящего перехода Тс использовался легко измеряемый параметр р77 = К(300 К)/Д(77 К). Чем выше значение @77, тем менее подавлена должна быть Тс. Выяснено, ЧТО при прочих равных условиях пленки С большим Р77 получаются при большей скорости их осаждения. Положительное влияние на качество оказывает уменьшение расстояния между подложкой и мишенью. АСМ исследования шероховатости поверхности выявили необходимость оптимизации режима осаждения пленок по давлению распыляющего газа. Необходимо найти баланс между увеличением шероховатости и увеличением р77. Рентгеновская дифрактометрия показала, что большинство из полученных пленок имеет упорядоченную структуру с преимущественным направлением роста [002]. Как и ожидалось, наиболее упорядоченными являются пленки с наибольшей величиной параметра @77.
Данная работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации с использованием оборудования Центра коллективного пользования МФТИ (гос. контракт № 16.552.11.7022.).
Литература
1. Vystavkin A.N., Kovalenko A.G., Shitov S.V. et al. Development of high sensitive 1.2 mm imaging radiometer with two polarization antenna-coupled TES bolometer array for ground-based 6-m optical telescope // Proc. SPIE. - 2008. V. - 7020. - P. 7020-7024.
2. Olay a D., Wei J., Pereverzev S., Karasik B.S., Kawamura J.H., McGrath W.R., Sergeev A.V., Gershenson M.E. An ultrasensitive hot-electron bolometer for low-background SMM applications // Proc. SPIE. - 2006. - V. 6275. I - 627506.
3. Peruzzi A. [et al.}. Investigation of the titanium superconducting transition as a temperature reference point below 0.65 К // Metrologia. - 2000. - V. 37, X 3. P. 229-233.
4. Testardi L.R., Mattheiss L.F. Electron lifetime effects on properties of A15 and bcc materials 11 Phvs. Rev. Lett. - 1978. - V. 41. - N 23.
5. Gandini G., Lacquaniti V., Monticone E., Portesi G., Rajteri М., Rastello M. L., Pasca E., Ventura G. Correlation of critical temperatures and electrical properties in titanium films // International Journal of Modern Physics B. - 2003. - V. 17. - P. 948-952.
6. McMillan W.L. j j Phvs. Rev. - 1968. - V. 167. - P. 331-334.
7. Friebertshauser P. E., McCamont J. W. Electrical properties of Titanium, Zirconium, and Hafnium films from 300 К to 1.3 К j j J. Vac. Sci. and Techn. — 1968. — V. 6. — P. 184-187.
8. Igasaki Y., Mitsuhashi Н. Crystal structures and electrical properties of Titanium films evaporated in high vacuum // Thin Solid Films. — 1978. — V. 5. — P. 33-42.
9. Технология тонких пленок: справочник / под. ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. — М.: Советское радио, 1977. — 664 с.
Поступим в редакцию 16.12.2011
