[发明专利]纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法。

背景技术

超导热电子测辐射热仪(Superconducting Hot Electron Bolometer：SHEB)是利用超薄超导薄膜构造微桥结构来实现高频信号探测的一种器件。它的低噪声和高频率分辨率等性能使得其成为太赫兹(THz)频段特别是1THz以上最灵敏的探测器之一【S.Cherednichenko et al，Review ofScientific Instruments 79，034501，2008】。

超外差检测是SHEB用于太赫兹频段的检测的最常用方法之一。这种检测通常需要一个太赫兹频段的本地振荡源LO。由于技术条件的限制，LO的功率通常都比较小。经过光路和透镜之后，耦合辐照到器件上的功率将更小。减小SHEB的有效尺寸可以有效的降低器件对LO以及被检测信号的辐射功率要求，并提高探测灵敏度。因此，努力减小SHEB器件微桥尺寸一直是SHEB器件应用研究的方向之一。通常减小尺寸的方法是利用电子束曝光结合反应离子刻蚀的手段【P.Khosropanah et al，Applied PhysicsLetters 91，221111，2007】。采用的方法包括两个关键步骤：(1)利用电子束曝光形成所需要尺寸的微桥图形；(2)利用反应离子刻蚀去除不需要的超导薄膜从而形成超导微桥。这种方式得到的器件的最小尺寸通常在1～2μm×0.2～0.4μm左右，最小尺寸受到电子束曝光分辨率极限的限制。

原子力显微镜(AFM)纳米刻蚀技术是一种新颖的纳米加工技术【C.Delacour et al，Applied Physics Letters 90，191116(2007)】。利用针尖电场氧化或者机械刻划手段，它可以用来实现小于100nm尺寸的微小图形加工。因此可以用它来实现更小尺寸的SHEB器件制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪的制备方法。本发明提供的一种纳米尺寸超导热电子测辐射热仪制备方法，包括以下步骤：

(1)超薄超导薄膜准备；

(2)电极制作；

(3)广义微桥形成；

以及(4)纳米尺寸桥区形成；

其特征是：

在步骤(4)纳米尺寸桥区形成的过程中，采用原子力显微镜纳米刻蚀技术制作同一行内并行的两个纳米线条。两个纳米线条的间距决定了纳米尺寸SHEB的最小宽度。其长度由纳米线条的宽度决定；纳米线条的宽度则有AFM针尖电场的强度、周围环境湿度、温度以及电场作用时间等参数决定。

具体的说，本发明利用AFM纳米加工技术实现超导薄膜上纳米线条的制备，利用本发明提供的方法可以实现纳米尺寸的SHEB制备。

本发明所述的纳米尺寸SHEB制备方法是：

(1)薄膜准备：选取高性能的超薄超导薄膜，比如NbN或NbTiN，通常厚度在5～10nm左右，临界温度为10K以上，通常制备方法为磁控溅射的方法。

(2)电极制作：首先利用普通光刻方法在超导薄膜上制作电极图形；然后在超导薄膜上生长一层金属薄膜的电极层；最后利用剥离工艺从而形成超导薄膜上的天线和共面波导的金属电极图形。电极图形中心区域为间隔距离约2-4微米的两个金属条，通常还包括共面波导以实现有效的阻抗匹配，微桥区域将在两个金属条之间形成。金属电极层通常采用Ti+Au金属，典型厚度为5纳米(Ti)和150纳米(Au)，还可以采用Ag、PdAu等其它金属。金属层的生长通常采用电子束蒸发或者热蒸发的方式。

(3)广义微桥形成：利用普通光刻方法在电极图形中心区域形成矩形图形，保护超导薄膜，然后利用反应离子刻蚀除去未被矩形区域以及金属电极保护的超导薄膜。该矩形区域通常跨过金属电极两端，矩形长度以金属电极间隔的1.5倍长度为佳。这样可以确保有效覆盖电极之间超导薄膜。宽度可以选择在5微米左右。反应离子刻蚀通常采用SF₆+O₂混合气体。

(4)纳米尺寸桥区形成：采用AFM纳米刻蚀技术在步骤(3)形成的微桥上刻划两条纳米线。纳米线处于同一行内，其间距将决定最终纳米尺寸微桥的宽度，纳米尺寸微桥的长度由纳米线的宽度决定。