Исследование микроструктуры тонких пленок титана для криогенных детекторов при различных режимах магнетронного напыления

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК ТИТАНА ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ

И. Г. Ляхов ¹, К. В. Булах ¹, А. С. Ильин ²

¹ НИУ МФТИ, ² ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН

Получена 12 сентября 2012 г.

Аннотация. Проведено исследование тонких пленок титана, получаемых при различных режимах магнетронного напыления на кремниевой подложке с помощью электрических измерений при T=300 K и 77 K , а также проведены исследования на атомно-силовом микроскопе (АСМ) и рентгеновской дифрактометрии (XRD). Показано, как зависит остаточное удельное сопротивление пленок (и критическая температура сверхпроводящего перехода T_с) от параметров напыления. Данные сопоставлены с измерениями на АСМ и XRD.

Ключевые слова: сверхпроводниковые болометры, сенсоры на краю перехода, тонкие сверхпроводниковые пленки титана, экспресс метод оценки критической температуры, рентгеновская дифрактометрия.

Abstract. A study of titanium thin films received by different modes of magnetron sputtering on a silicon substrate with the help of electrical measurements at T=300 K and 77 K and research on atomic-force microscope (AFM) and x-ray diffractometry (XRD) were made. The dependence of the residual resistivity of the films (and the critical temperature of superconducting transition T_C) on sputtering parameters was shown. The data was compared with measurements on the AFM and XRD.

Keywords: superconducting bolometers, transition edge sensors, superconducting titanium thin films, express method for estimating the critical temperature, X-ray diffractometry.

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 He³, 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.

Однако температура 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: мК [4]. Влияние магнитных примесей также линейно по концентрации, но более сильное: мК [3]. Согласно [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 так же в экспериментальной работе Pasca et al. [5] по 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 . Для титановых пленок вычисления дают зависимость , представленную на рисунке 1.

Рисунок 1- Зависимость 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 другой стороны, характер структурных дефектов в титановых пленках сильно зависит от режимов осаждения данного материала. В данной работе исследовались титановые пленки, получаемые с помощью магнетронного напыления на кремниевую подложку. При помощи измерения их остаточного удельного сопротивления были найдены режимы, при которых получаются пленки с наибольшей критической температурой. Это позволит получать пленки с предсказуемой , варьируя только их толщину. Также были проведены исследования таких пленок методами АСМ и XRD для более полного описания морфологии осаждаемых пленок.

1. Изготовление образцов.

1.1. Описание образцов.

Образец представляет собой пленку титана, осажденную методом магнетронного распыления (DC-magnetron sputtering) на подложку из монокристаллического кремния c 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 p, расстояние от мишени до подложки d и мощность W, подводимая к магнетрону. Одна серия – это три прямоугольные полоски кремния (размером 25×5 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 напыления со шлюзовой загрузкой подложек LS 730S VAAT, в которой была установлена титановая мишень с чистотой 99.999%. Остаточное давление в вакуумной камере не превышало 5×10^-8 мбар.

1.2. Параметры изготовления образцов.

Процесс изготовления образцов состоял из двух основных этапов: калибровки напылительной установки и напыления титановой пленки ожидаемой толщины на подготовленные подложки кремния. Было получено 13 серий образцов (табл. 1, толщина пленок ~ 150 нм).

Таблица 1- Пленки Ti, полученные при различных режимах осаждения.

Серия	Мощность (W), Вт	Давление (p), ×10^-3мбар	Расстояние до мишени (d), мм	Скорость осаждения, Å/c
U2_1	300	5	70	6.2
U2_2	600	5	70	11.5
U2_3	200	5	70	4.6
U2_4	600	1	70	13
U2_5	300	1	70	7.3
U3_1	200	1	70	4.4
U3_2	600	10	70	12.3
U3_3	300	10	70	7.5
U3_4	200	10	70	5.1
U4_1	300	50	70	5.5
U4_2	600	50	70	11.9
U4_3	600	5	50	19.7
U4_4	200	5	50	7.5

Исследование образцов.

1.3. Экспресс метод оценки критической температуры.

В [5] показано, что удельное сопротивление металла в нормальном состоянии описывается формулой:

, (1)

где – удельное остаточное сопротивление, зависящее только от наличия примесей и дефектов в решетке; – удельное сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки. В [5] также показано, что в целом представляет собой достаточно сложную зависимость, но на участке линейно зависит от температуры. Это позволяет представить удельное сопротивление , величина которого фактически служит мерой качества пленки, в виде функции соотношения удельных сопротивлений пленки при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота (T=77K) – коэффициента . Из (1):

, (2)

где – фононный вклад в удельное сопротивление при комнатной температуре, . Фононный вклад в удельное сопротивление зависит только от типа материала и является табличной величиной. В статье [5] авторы теоретически и экспериментально оценивают , а .

Экспериментальные данные (вместе с теоретической кривой, рассчитанной по формуле (2) о зависимости остаточного сопротивления пленки от представлены на рисунке 2.

Рисунок 2- Зависимость остаточного сопротивления пленки титана от (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 0.38-0.3К только в том случае, если 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 перед основным низкотемпературным измерением, а также возможность быстрой оптимизации режима магнетронного напыления титана.

2.2. Измерение коэффициента _.

Ключевым этапом в данной работе являлось определение электрических характеристик образцов, а именно, отношения удельных электрических сопротивлений при комнатной и азотной температуре. Сопротивление образцов измерялось по 4-х точеной 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 , который точно определяется отношением показаний измерительного моста при T=300K и 77K. Результаты измерений коэффициента приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Коэффициент для пленок титан

Образец	<β₇₇>	Скорость осаждения V_dep, Å/c	Давление (p), 10^-3мбар	Расстояние до мишени (d), мм
U4_1	2.30	5.5	50	70
U4_2	2.39	11.9	50	70
U2_5	2.41	7.3	1	70
U3_4	2.43	5.1	10	70
U3_1	2.47	4.4	1	70
U2_3	2.49	4.6	5	70
U2_4	2.51	13	1	70
U2_1	2.55	6.2	5	70
U3_3	2.66	7.5	10	70
U2_2	2.69	11.5	5	70
U3_2	2.74	12.3	10	70
U4_4	2.78	7.5	5	50
U4_3	2.90	19.7	5	50

Исходя из данных таблиц 1 и 2, можно видеть, что число статических дефектов в пленке при прочих равных уменьшается (растет ) при увеличении скорости осаждения титана. Сильное влияние на параметр оказывает изменение расстояния от подложки до мишени d. Видно, что при меньшем d, пленки получаются заметно качественнее. Зависимость от давления рабочих газов в камере имеет более сложный характер: существует оптимум в районе давления 5×10^-3мбар. Можно заметить, что при повышенном давлении аргона в камере параметр 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 так же увеличивать долю аморфной фазы в пленке за счет уменьшения эффекта перераспыления быстрыми ионами.

2.3. Исследование шероховатости поверхности пленок в АСМ.

Для достижения предельных чувствительностей, криогенный терагерцовый детектор должен иметь сенсор (СКП) с минимальной шириной сверхпроводящего перехода . Чем более резкий переход в сверхпроводящее состояние имеет сенсор, тем выше будет его отклик на принимаемый сигнал. Для этого важно найти режимы осаждения, при которых получаются наименее шероховатые пленки. Размытие происходит из-за неоднородности пленки по толщине (из-за размерного эффекта разные части сенсора будут иметь разную ).

Исследование текстуры пленок производились на АСМ NTEGRA (NT-MDT) 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 R_q=1.2 нм (рис. 3а) являются образцы, осажденные при пониженном давлении аргона p=1×10^-3мбар. В данном случае, по всей видимости, важную роль играет усиление перераспыления 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 (R_q=14.9 нм) имеют образцы, осажденные при повышенном давлении аргона p=5×10^-2мбар.

Связь шероховатости с коэффициентом неоднозначная, так как R_qхарактеризует только поверхность пленки. Наиболее гладкие пленки не имеют самых высоких значений . Это возможно связано с увеличением точечных дефектов в кристаллитах из-за усиленной бомбардировки быстрыми ионами. Поэтому необходимо выбрать оптимальный по давлению режим осаждения, например p=5×10^-3мбар, при котором шероховатость возрастает не сильно, но заметно увеличивается коэффициент .

2.4. Рентгеновская дифрактометрия пленок титана.

На рисунке 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 (высокая интенсивность пика свидетельствует о высокой кристалличности и соориентированности кристаллитов вдоль преимущественного направления роста). Следует также отметить, что пленкам, полученным при повышенном давлении p=5×10^-2мбар, соответствует менее выраженный пик, что говорит о низкой кристалличности и разориентированности кристаллитов в пленке.

Рисунок 4 - Дифрактограммы образцов серий U41 (W=300 Вт, p=510^-2мбар, d=70 мм), U43 (W=600 Вт, p=510^-3мбар, d=50 мм), U44 (W=200 Вт, p=510^-3мбар, d=50 мм), U22 (W=600 Вт, p=510^-3мбар, d=70 мм). На вставке показан увеличенный пик, соответствующий рефлексу (002) кристаллического титана.

Заключение.

Проведены исследования режимов магнетронного осаждения тонких пленок титана на кремневые подложки с помощью электрических измерений, АСМ и XRD. Для оценки критической температуры сверхпроводящего перехода использовался легко измеряемый параметр . Чем выше значение , тем менее подавлена должна быть . Выяснено, что при прочих равных, пленки с большим 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 . 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 .

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. Vol. 7020. pp. 7020-7024.

[2]. D. Olaya, J. Wei, S. Pereverzev, B.S. Karasik, J.H. Kawamura, W.R. McGrath, A.V. Sergeev, and M.E. Gershenson, An ultrasensitive hot−electron bolometer for low−background SMM applications. // Proc. SPIE 6275, 627506 (2006).

[3]. Peruzzi A. et al. Investigation of the titanium superconducting transition as a temperature reference point below 0.65 K. // 2000 Metrologia 37 229.

[4]. L.R. Testardi, L.F. Mattheiss. Electron lifetime effects on properties of A15 and bcc materials. //Physical Review Letters, Vol. 41, №23, 1978.

[5]. Gandini, C.; Lacquaniti, V.; Monticone, E.; Portesi, C.; Rajteri, M.; Rastello, M. L.; Pasca, E.; Ventura, G. Correlation of critical temperatures and electrical properties in titanium films. //International Journal of Modern Physics B, Vol. 17, Nos. 4, 5 & 6 (2003) 948-952.

[6]. W.L. McMillan. //Phys. Rev. 167, 331 (1968).

[7]. Friebertshauser P. E. and McCamont J. W., Electrical properties of Titanium, Zirconium, and Hafnium films from 300 K to 1.3 K, // J. Vac. Sci. and Techn. 6 (1968) pp. 184-187.

[8]. Igasaki Y. and Mitsuhashi H., Crystal structures and electrical properties of Titanium films evaporated in high vacuum.// Thin Solid Films 51 (1978) pp. 33-42.

[9]. Технология тонких пленок, Справочник, под. ред. Л. Майссела и Р. Глэнга, Москва, «Советское радио», 1977, 664 c.