Формирование монокристаллических пленок алюминия на базе SCULL-технологии

Аннотация

Представлены результаты комплексного исследования островковой стадии роста тонких алюминиевых пленок, необходимой для формирования затравочного слоя и основанной на нем сплошной монокристаллической тонкой пленки на базе SCULL-технологии. Проведено исследование влияния параметров процесса электронно-лучевого испарения --- температуры подложки в процессе роста тонкой пленки 200...500 °С, толщины затравочного слоя 3...5 нм --- на латеральный размер островков. Экспериментальные образцы исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, дифракции обратно-отраженных электронов, дифракции рентгеновских лучей и атомно-силовой микроскопии. В результате исследований получена зависимость изменения характера роста затравочного слоя алюминиевой тонкой пленки от параметров процесса осаждения. Разработанная технология формирования затравочного слоя на согласованной с алюминием по постоянной решетке кремниевой подложке Si(111) позволила получить на его основе сплошную пленку алюминия с монокристаллической структурой, толщина которой составляет 35 нм. Среднеквадратичная шероховатость пленки менее 0,4 нм, FWHM = 0,453°

Экспериментальные образцы и технология разработаны в технологическом центре МГТУ им. Н.Э. Баумана (НОЦ "Функциональные микро/наносистемы", ID 74300). Работа выполнена с использованием атомно-силового микроскопа Dimension Icon, входящего в состав уникальной научной установки "Авогадро" (http://avo.ibmc.msk.ru/)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Андрощук М.В., Москалев Д.О., Коршаков Н.Д. и др. Формирование монокристаллических пленок алюминия на базе SCULL-технологии. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 5 (116), с. 56--70. EDN: MBZAUW

Литература

[1] McSkimming B.M., Alexander A., Samuels M.H., et al. Metamorphic growth of relaxed single crystalline aluminum on silicon (111). J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, vol. 35, iss. 2, art. 02401. DOI: https://doi.org/10.1116/1.4971200

[2] Vesseur E.J.R., de Waele R., Lezec H.J., et al. Surface plasmon polariton modes in a single-crystal Au nanoresonator fabricated using focused-ion-beam milling. Appl. Phys. Lett., 2008, vol. 92, iss. 8, art. 083110. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2885344

[3] Huang J.-S., Callegari V., Geisler P., et al. Atomically flat single-crystalline gold nanostructures for plasmonic nanocircuitry. Nat. Commun., 2010, vol. 1, art. 150. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1143

[4] Lu Y.-J., Kim J., Chen H.-Y., et al. Plasmonic nanolaser using epitaxially grown silver film. Science, 2012, vol. 337, no. 6093, pp. 450--453. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1223504

[5] Koch J., Terri M.Y., Gambetta J., et al. Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box. Phys. Rev. A, 2007, vol. 76, iss. 4, art. 042319. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.76.042319

[6] Barends R., Kelly J., Megrant A., et al. Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for fault tolerance. Nature, 2014, vol. 508, no. 7497, pp. 500--503. DOI: https://doi.org/10.1038/nature13171

[7] Kim Z., Suri B., Zaretskey V., et al. Decoupling a Cooper-pair box to enhance the lifetime to 0.2 ms. Phys. Rev. Lett., 2011, vol. 106, iss. 12, art. 120501. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.120501

[8] Gol’tsman G.N., Okunev O., Chulkova G., et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Appl. Phys. Lett., 2001, vol. 79, iss. 6, pp. 705--707. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1388868

[9] Hofheinz M., Wang H., Ansmann M., et al. Synthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator. Nature, 2009, vol. 459, no. 7246, pp. 546--549. DOI: https://doi.org/10.1038/nature08005

[10] Wang H., Hofheinz M., Wenner J., et al. Improving the coherence time of superconducting coplanar resonators. Appl. Phys. Lett., 2009, vol. 95, iss. 23, art. 233508. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3273372

[11] Mariantoni M., Wang H., Yamamoto T., et al. Implementing the quantum von Neumann architecture with superconducting circuits. Science, 2011, vol. 334, no. 6052, pp. 61--65. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1208517

[12] Choi C.-H., Harper R.A., Yapsir A.S., et al. Epitaxial growth of Al(111)/Si(111) films using partially ionized beam deposition. Appl. Phys. Lett., 1987, vol. 51, iss. 24, pp. 1992--1994. DOI: https://doi.org/10.1063/1.98321

[13] Choi C.-H., Ramanarayanan R., Mei S.N., et al. Control of Al orientation on Si(100) substrate using a partially ionized beam. MRS Online Proceedings Library, 1987, vol. 93, pp. 267--271. DOI: https://doi.org/10.1557/PROC-93-267

[14] Yamada I., Takagi T. Metallization by ionized cluster beam deposition. IEEE Trans. Electron. Devices, 1987, vol. 34, iss. 5, pp. 1018--1025. DOI: https://doi.org/10.1109/T-ED.1987.23038

[15] Nakajima Y., Kusuyama K., Yamaguchi H., et al. Growth of single-crystal aluminum films on silicon substrates by DC magnetron sputtering. Jpn. J. Appl. Phys., 1992, vol. 31, no. 6R, art. 1860. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.31.1860

[16] Bufford D., Liu Y., Zhu Y., et al. Formation mechanisms of high-density growth twins in aluminum with high stacking-fault energy. Mater. Res. Lett., 2013, vol. 1, iss. 1, pp. 51--60. DOI: https://doi.org/10.1080/21663831.2012.761654

[17] Landry J.D., Mitchell E.N. New single-crystal orientations in epitaxial aluminum films. J. Appl. Phys., 1969, vol. 40, iss. 8, pp. 3400--3402. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1658199

[18] Von Bassewitz A., Mitchell E.N. Resistivity studies of single-crystal and polycrystal films of aluminum. Phys. Rev., 1969, vol. 182, iss. 3, art. 712. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.182.712

[19] d’Heurle F., Ames I. Electromigration in single-crystal aluminum films. Appl. Phys. Lett., 1970, vol. 16, iss. 2, pp. 80--81. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1653108

[20] Jayadevaiah T.S., Kirby R.E. Electrical conduction in single-crystal aluminum thin films. Appl. Phys. Lett., 1969, vol. 15, iss. 5, pp. 150--152. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1652945

[21] Lin S.-W., Wu J.-Y., Lin S.-D., et al. Characterization of single-crystalline aluminum thin film on (100) GaAs substrate. Jpn. J. Appl. Phys., 2013, vol. 52, no. 4R, art. 045801. DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.52.045801

[22] Megrant A., Neill C., Barends R., et al. Planar superconducting resonators with internal quality factors above one million. Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 100, iss. 11, art. 113510. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3693409

[23] Ludeke R., Chang L.L., Esaki L. Molecular beam epitaxy of alternating metal-semiconductor films. Appl. Phys. Lett., 1973, vol. 23, iss. 4, pp. 201--203. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1654858

[24] Richardson C.J., Siwak N.P., Hackley J., et al. Fabrication artifacts and parallel loss channels in metamorphic epitaxial aluminum superconducting resonators. Supercond. Sci. Technol., 2016, vol. 29, no. 6, art. 064003.DOI: https://doi.org/10.1088/0953-2048/29/6/064003

[25] Chou Y.-H., Wu Y.-M., Hong K.-B., et al. High-operation-temperature plasmonic nanolasers on single-crystalline aluminum. Nano Lett., 2016, vol. 16, no. 5, pp. 3179--3186. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00537

[26] Barends R., Kelly J., Megrant A., et al. Coherent Josephson qubit suitable for scalable quantum integrated circuits. Appl. Phys. Lett., 2013, vol. 111, iss. 8, art. 080502. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.080502

[27] Бабурин А.С., Габидуллин А.Р., Зверев А.В. и др. Получение пленок серебра методом электронно-лучевого испарения для применения в наноплазмонике. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2016, № 6 (111), с. 4--14. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3933-2016-6-4-14

[28] Rodionov I.A., Baburin A.S., Gabidullin A., et al. Quantum engineering of atomically smooth single-crystalline silver films. Sci. Rep., 2019, vol. 9, art. 12232. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-48508-3

[29] Вайнштейн Б.К. Современная кристаллография. Т. 3. М., Наука, 1980.

[30] Magnfalt D. Fundamental processes in thin film growth: the origin of compressive stress and the dynamics of the early growth stages. Linkoping Univ. Electronic Press, 2014.