[發(fā)明專利]一種利用磁控濺射法制備Nb薄膜的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210407474.9
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN102864427A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈小氫;劉曉宇;康琳;吳培亨
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 夏雪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備Nb薄膜的方法，具體涉及一種利用磁控濺射法制備Nb薄膜的方法。

背景技術(shù)

鈮超導(dǎo)薄膜因其具有良好的超導(dǎo)性能，而廣泛應(yīng)用于制備超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件、超導(dǎo)量子干涉器、超導(dǎo)單光子探測器，超導(dǎo)熱電子測輻熱儀等高靈敏的超導(dǎo)器件。對于這些超導(dǎo)器件而言，鈮薄膜的薄膜質(zhì)量特別是超導(dǎo)性能直接關(guān)系到器件的性能，改進(jìn)和提高鈮薄膜的超導(dǎo)特性變得極為關(guān)鍵。傳統(tǒng)制備鈮膜，采用的是磁控濺射高純鈮靶的方式也未加保護(hù)薄膜，所得的鈮膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、特別是超導(dǎo)臨界電流密度兩項(xiàng)指標(biāo)相對本方法制備的薄膜都較低，而且其制備出的超導(dǎo)薄膜厚度有限制一般在10nm以上(典型最小值為10-15nm)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種利用磁控濺射法制備Nb薄膜的方法，采用直流磁控濺射的方法，在襯底不加熱的情況下，制備出改進(jìn)超薄Nb膜超導(dǎo)性能的高質(zhì)量的Nb薄膜。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種利用磁控濺射法制備Nb薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)靶材選取

選取純度為99.6％均勻摻雜的塊狀Nb作為磁控濺射的靶材，摻雜材料質(zhì)量百分比分別為Al：0.2％，F(xiàn)e：0.12％，Si：0.05％，Ti：0.02％，Cr：0.01％，將靶材放入磁控濺射室；

(2)襯底處理

對襯底依次用超聲波、丙酮和氬離子清洗，將處理后的襯底放入磁控濺射室；

(3)制備Nb薄膜

磁控濺射室的真空度小于等于2×10^-5Pa，工作氣體是氬氣，調(diào)節(jié)濺射氣壓、濺射電流、沉積速率、襯底溫度和靶材到襯底的距離，經(jīng)過一定時(shí)間直流濺射制備薄膜。

所述的步驟(3)中，濺射氣壓是0.4Pa，濺射電流是0.4A的恒定電流，沉積速率是50nm/min，對襯底進(jìn)行循環(huán)水冷處理，靶材到襯底的距離是55mm。

為了提高Nb薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度，在Nb薄膜表面再交流濺射一層氮化鋁(AlN)保護(hù)層，因此本發(fā)明優(yōu)選包括步驟(4)交流濺射AlN薄膜，其中：磁控濺射室的真空度小于等于2×10^-5Pa，濺射功率密度是2W/cm²(射頻)，工作氣體是氮?dú)猓胁氖羌兌葹?9.999％的Al材，襯底是步驟(3)制得的帶有Nb薄膜的襯底，濺射氣壓是0.27Pa，沉積速率是4nm/min，對襯底進(jìn)行循環(huán)水冷處理，靶材到襯底的距離是55mm，濺射時(shí)間15～30s，保護(hù)層的厚度是1～2nm。

進(jìn)一步地，所述襯底為高阻硅襯底或氧化鎂襯底或藍(lán)寶石襯底。

有益效果：本發(fā)明制備的Nb薄膜具有良好的超導(dǎo)特性和實(shí)用價(jià)值，同時(shí)加AlN保護(hù)層的Nb薄膜相對未加保護(hù)層的Nb薄膜超導(dǎo)特性有進(jìn)一步提升。利用本發(fā)明制備的Nb薄膜具有相對較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、較窄的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度和很高的超導(dǎo)臨界電流密度，可以應(yīng)用于制備高質(zhì)量的超導(dǎo)熱電子測輻熱儀(HEB)和超導(dǎo)單光子檢測器(SSPD)等超導(dǎo)器件，在太赫茲檢測技術(shù)和量子通訊領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中硅襯底上不同厚度加覆和未加覆1nm氮化鋁薄膜的鈮膜對應(yīng)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度圖；

圖2是不同厚度加覆和未加覆1nm氮化鋁薄膜的鈮膜與氮化鈮薄膜對應(yīng)的臨界電流密度對比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

本發(fā)明通過摻雜鈮靶的采用和保護(hù)薄膜的制備，可以明顯改善薄膜的超導(dǎo)特性，特別是可以制備出高質(zhì)量的超薄(最薄可至3.5nm)超導(dǎo)薄膜，為超導(dǎo)熱電子測輻熱儀和超導(dǎo)單光子探測器的制備與性能提高提供了支持。

實(shí)施例1

本實(shí)施例包括以下步驟：

(1)靶材選取

選取純度為99.6％均勻摻雜的塊狀Nb作為磁控濺射的靶材，摻雜材料質(zhì)量百分比分別為Al：0.2％，F(xiàn)e：0.12％，Si：0.05％，Ti：0.02％，Cr：0.01％，將靶材放入磁控濺射室；

(2)襯底處理

選取高阻硅作為襯底，對襯底依次用超聲波、丙酮和氬離子清洗：襯底泡入丙酮中使用功率100W超聲清洗3分鐘，放入磁控濺射副室，使用束流30mA的氬離子清洗2分鐘，然后將處理后的襯底放入磁控濺射室；