Сверхпроводниковый электронный болометр

ОЮЗ СОНЕТ ОЦИАЛИСТИЧРЕОЗУБЛИН 191 а 1(71) Косковский гдагогический икст(72) Б.М.Воронов,Г.Н.Гольцман, В.НВ И Федо в г меня их элемент ном обе болометро чении выс и одно знвчеения.ствите твеннык пе.М,Гередорец опроти чтов вып эл ектриче достигает ся т олом тель ный ен в в лемент и едине родно -парвлле ок сверхпроводн порядка глубины орядкв глубины ндикулярного ма льно с икв 1 скин прони со ых. 794(0 Н.Ви толщино шириной кия пер р. ТепловыеГОИ1, с.19-20,льство СССР1, 39/14, 19ВЫИ ЭЛЕКТРО и ве- поЛ т а,я в ент ете01 л кн т 1 И ВО о в рввн ехник ение относится к т ромагнитного излуч верхпроводниковым изобретения - пов ода годных чувстви площвдки 1ы полоски прием к- поряд кнутые а меньши причем з соединен части бол шир лоениеельных а именно к метрам. Цел.процента вь е пол ся ой пь ГОСУДАРСТВЕНЙЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТИРЬОИЯМПРИ ГННТ СССР(56) Алфеев емники иэлу км,С.И.Вавил Авторско 9 1032959,(54) СВЕРХПР БОЛОМЕТРИзобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, в именно к сверхпроводниковым болометрам миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазона длин волн, в част" кости к болометрам на основе традиционных к высокотемпературных сверх- проводников.Целью изобретения является повышение процента выхода годных чувствительных элементов (ЧЭ) болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивления,На Фиг. 1 представлен один из .вариантов топологического рисунка ЧЭ согласно изобоетению. хпроводник, топологиядставляет собой цепь этырехзвенных ломаных и углы между звеньями/ лые, длина больших з ине или длине приемн последовательно в среднеиших звеньев. 3 ил. Он включает контактнуе площадку 1, замкнутые ломаные четырехэвенные полоски 2, перемычки 3, соединяющие замкнутые ломаные полоски. На Фиг,2 - другой вариант топологического рисун ка ЧЭ согласно изобретение; на Фиг. 3 - многоэлементный электронный болометр согласно изобретению.Сущность изобретения заключает в следующем. Иэ сверхпроводнпков пленки на подложке Формируется це замкнутых четырехзвенкых ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые (см.фиг.1 и 2),указанные звмккутые четырехзвенные ломаные полоски сильно вытянуты вдоль большей стороны и соединены последовательнов средней части больших звеньев. Тв" ,кой топологический рисунок ЧЭ позволяет одновременно получить большоесопротивление элемента н знвчитель 5ный процент выхода годных структурдаже при наличии разрывов сплашностиполосок, При той же ширине полоскисопротивление ЧЭ я рассматриваемомслучае оказывается всего в 4 раза Оменьше, чем сопротивление меандра,заполняющего всю приемную плошадку,оцнвко, из-за существенно меньшейчувствительности предлагаемой топологии к разрывамсплошности полоскиширина его может быть уменьшена покрайней мере вдвое, т.е. сапротивле"ние в результате может быть равноили более чем у обычной структурымеэндра. Слабая чувствительность кразрывам объсняется тем, что даже несколько разрывов в одной половинеединичной замкнутой четьрехзвеннойломаной полоски не прерывают ток вовсей структуре (он течет по второй 23ненарушенной половийе), а большоечисло последовательно соединенныхзамкнутых ломаных полосок делаетнезначительным влияние на свойствавсей структуры выхода из строя неко- З 0 . торого количества поврежденных половин Фигур. Отказ всей Структурыпроисходи лишь тогда, когда обрывыимеют место одновременно в обеих половинах единичной замкнутой четырехзвенной полсски или когда разрывается достаточно широкая соединительная, перемычка, однако, вероятность этихсобытий существенно меньше вероятности разрыва обычного мевндрв. 40Примерам предлагаемого устройстваявляется мнагоэлементый электронныйболометр, приведенный на Фиг,З. Опи"сываемэя конструкция представляетсобой сверхпроводниковые тонкопле.ночные ЧЭ 4 с контактными площадками 5, СФормированные нв подложке б,В качестве сверхправодиикового материала для многоэлементного электрон"ного.баламетра гелиевого уровня применяются тонкие (50"70 А) при поверх- .ностном сопротивлении 80"100 Ом/квадрат пленки ниобия, алюминия, в также.сплава молибден"реиий. Нанесение пер"вых двух материалов осуществлялосьметодом исйврения электронной бомбардировкой (для ниобия) и резистивнымиспарением (в случае алюминия)всверхвысоком вакууме (остаточное давление Омм рт.ст., рэбочее давление при испарении 1 О мм рт.ст.),Такой вакуум обеспечивался специально разработанной для этой цели сверхвысоковакуумнай установкой, оснащенной цеолитовыми и мвгниторвзрядными насосами. Нанесение пленок молибденрений осуществлялось кэк магиетронным распылением нв установке УРМ,3.279.017, оснащенной источником магнетройного распыления, твк и катодным распылением в триодной системе (на установке УРМ 3,279.014. Подложками для Фотоприемников гелиевого уровня служили полированный лейкосап" Фир толщиной 0,3-0,5 мм и кварц толщиной 0,1-0,25 мм. Формирование топо- . логического рисунка ЧЭ по фиг.2 осуществлялось как методами фотолитографии с применением фоташаблонов, из" гОтовленных электронной литограФией, твк и прямой электронной литограФией.Ширина полоски, образующей замкнутую четырехзвенную прямоугольную структуру составляла 0,8 мкм, длина большей стороны прямоугольной Фигуры 500 мкм, длина меньшей стороны 3 мкм, размеры соединительных перемычек 30 ф 30 мкм. Один ЧЭ содержит 210 последовательно соединенных замкнутых четырехэвенных Фигур. Электрическое сопротивление ЧЭ составляет 5 10 Ом. Контакты к .ссверхпроводниковым структурам Формировались методом обратной литограФии и изготавливались из алюминия толпи- / ной 05,мкм, нанесенного вакуумным испарением. Иногоэлементый электронный бодо- метр азотного уровня также реализует" ся в конструкции, представленной нв Фиг.3. Однако подложкой в этом слу" чве служит сапфир толщиной 0,3-0,5 мм с нанесенными на него структурообразующими подслоями ЯгТ 10 ЕгО или ВвУ толщиной 0,-0,5 мкм, Сверхпроводниковым материалам азотного уровня является пленка ТВа:п Отолщиной.О,-0,15 мкм, нанесенйвя на подложку лазерным испарением. В дальнейшем структура отжигвлась в кислороде в печи СДО 125/3 при температуре 930 С. Формирование топологии ЧЭ (см.Фиг.1), в этом случае осуществлялось мето дом ФотолитограФии и ионного травле-, ния (также, ак в случае болометрав гелиевого уровня,здесь применялись Фоташвбланы, изготовленные электрон25 40 5 15970 ной литограФией). Характеристические размеры структуры приведены выше. Контакты иэ серебра толщиной 0,5 мкм Формировались методом обратной ли" тограФии.На заключительной стадии изготовления болометров как гелиевого, так и азотного уровней подложки со структурами разделялись на отдельные 10 Фрагменты, которые монтировались в стандартный корпус, после чего. проводилась разварка микропроволочных выводов с контактных площадок структуры на траверсы корпуса. 15Конструкция ЧЭ, приведенная на Фиг.2, отличается от конструкции, представленной на Фиг.1, лишь Формой перемычек, соединяющих замкнутые ло,маные четырехзвенные полоски. Кон струкция, приведенная на Фиг.2, является более предпочтительной, так как при ее Формировании,не возникает трудностей, присущих процессам Фор" мирования ЧЭ., представленного на . фиг.1, обусловленных существенно различными размерами полосок (обычно субмикронными) и перемычек. Сверхпроводниковый электронный болометр предлагаемой конструкции Функционирует 30 следующим образом. Гго ориентируют так, чтобы плоскость ЧЭ располагалась под заданным углом (в настояшем примере перпендикулярно) к направлению распространения принимаемого иэ"35 лучения, и помея ают в жидкий гелий или его пары, в случае, если сверхпроводниковый ЧЭ выполнен из традиционного низкотемпературного сверх- проводника, например из ниобия. В случае, если чувствительный элемент выполнен из высокотемпературного сверх- проводника, например, из 1 Вгц 0болометр помешают в жидкий азот или в пары азота, Для понижения крити ческой температуры сверхпроводящего перехода с помощью магнитного поля устройство может быть помещено в сверхпроводяший соленоид , Контакты болометра подклнчгютск источнику постоянного тока и к регистрирующему прибору. Энергия падающего излучения поглощается ЧЭ и поступает в электронную подсистему сверхпроводника, что приводит к разогреву электронов, Так как в области сверхпроводящего перехода сопротивление сильно зависит от электронной температуры, то при Облучении изменяется сопротивление ЧЗ, что и регистрируется прибором.Технико-экономическая эФФектчвностьзаключается в существенном повышении процента выхода годных изделий. Процент выхода для обычных мевндровых структур составил 603 (бракованными считались структуры с обрывом). Для структур по изобретению из 1000 образцов бракованньх оказалось 2 шт. Электрическое сопротивление годных структур по сравнению с прототипом практически не изменилось.Ф о р м у л в изобретения Сверхпроводниковый электронный болометр миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, сос. - тоящий из размещенной на диэлектрической подложке приемной плошадки, представляющей собой чувствительный элемент. в виде последовательно-параллельных полосок сверхпровоиникг ЕЕ рода толщиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник, о т л и ч а ю - ш и й с я тем, что, с целью повыше ния процента выхода годных чувстви- тельных элементов и обеспечения высокого значения их электрического сопротивления, элемент выполнен в виде цепи замкнутых четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые, длина больших звеньев равна ширине или длине приемной площадки, а менвших - порядка ширины полоски, причем замкнутые ломаные полоски соединены последовательно вФсредней части больших звеньев..Ралеп ктор Н. Коляда орре Гос оиэв Гагарина, 10 Зака НИИП ель П.Вахтин Ред И.Ходанич Тираж 372 Подписное арственного комитета по иэобретенням и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д, 4/5