一种低应力NbN超导薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种低应力NbN超导薄膜及其制备方法和应用，包括以下步骤：提供金属Nb靶材和Si基衬底，固定Si基衬底温度为室温，并在室温条件下，调节N2和Ar质量流量比为20％～50％，溅射功率为50W～400W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为

【技术实现步骤摘要】
和Ar质量流量比为5％～50％，溅射功率为50W～800W，沉积气压为1.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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500MPa～500MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。
[0009]在反应溅射制备过程中，固定Si基衬底温度为室温，避免了镀膜后由高温降至室温过程中，由于薄膜与衬底之间热膨胀系数不同额外引入的热应力，同时通过对N2和Ar质量流量比、溅射功率以及沉积气压这三个参数的协同控制，调控溅射离子到达Si基衬底时的速率和能量，从而改变NbN超导薄膜生长过程中物相形成模式和晶体成核模式，有效改变晶体生长过程产生的缺陷区、界面区、以及动力学过程等状态，最终实现NbN超导薄膜内应力状态和大小的调控。在室温条件下，通过控制N2和Ar质量流量比为5％～50％，溅射功率为50W～500W，沉积气压为1.0mTorr～10.0mTorr，可以将NbN薄膜的应力调整到
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500MPa～500MPa，即调整到绝对值小于500MPa的低应力范围内，其中负数压应力，正数表示张应力，且NbN薄膜的致密度和表面粗糙度基本保持不变。
[0010]所述N2和Ar质量流量比为20％～40％，溅射功率为100W～300W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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300MPa～300MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。
[0011]所述N2和Ar质量流量比为20％～25％，溅射功率为150W～300W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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200MPa～200MPa、厚度为50～150nm的NbN超导薄膜。
[0012]所述N2和Ar质量流量比为20％～25％，溅射功率为200W～300W，沉积气压为3.0mTorr～8mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
‑
100MPa～100MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。
[0013]同一条件下，在薄膜厚度很小时，构成薄膜的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着膜厚的增加，小岛互相连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔洞的存在，使内应力迅速增大，并出现临界值。膜厚进一步增加，并形成连续薄膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于一稳定值。
[0014]所述金属Nb靶材为高纯金属铌靶材，其纯度为99.99％。
[0015]所述Si基衬底为镀有SiNx薄膜的高阻Si基衬底(Si/SiNx)。
[0016]所述金属Nb靶材和Si基衬底被置入镀膜腔后，需要将镀膜腔抽真空到超高真空，其中，超高真空的本底真空度为<5.0
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‑8Torr。在这个超高真空范围内，可以减少残余气体分子(氧、氮、水及碳氢化合物)的污染，避免残余气体参与反应溅射NbN薄膜，是获得均一性、稳定性、低应力高质量NbN超导薄膜的前提条件。
[0017]所述Si基衬底在镀膜腔内被应用之前需要经过清洗，具体对Si基衬底进行1
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3分钟离子清洗去除衬底表面的杂质离子，其中，离子清洗的离子束为氩离子束，离子清洗真空环境<5.0
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‑8Torr，氩气流量为20～100sccm，离子源功率为30
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100W，工作气压为1.0mTorr～10.0mTorr，离子清洗时间控制在60s～300s。
[0018]在Si基衬底上沉积NbN超导薄膜之前，还包括预溅射，预溅射参数为：N2和Ar质量流量比为5％～50％，溅射功率为50W～800W，沉积气压为1.0mTorr～10.0mTorr，溅射时间为60s～300s。
[0019]实施例还提供了一种低应力NbN超导薄膜，所述低应力NbN超导薄膜通过上述制备方法制备得到，厚度为70～150nm。
[0020]实施例还提供了一种低应力NbN超导薄膜在太赫兹超导动态电感热探测器的应用，其中，所述低应力NbN超导薄膜通过上述制备方法制备得到，在太赫兹超导动态电感热探测器中，所述低应力NbN超导薄膜弯曲的动态电感作为温度传感器。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果至少包括：
[0022]以磁控溅射技术为基础，通过选择与成熟的半导体工艺相兼容的Si基衬底，并在室温下，通过对N2和Ar质量流量比、溅射功率以及沉积气压这三个参数的协同控制，即可以简单高效制备得到低应力NbN超导薄膜，制备得到的NbN超导薄膜应力范围满足超导动态电感探测器的制备需求，可批量工业化生产。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0024]图1为实施例中在氮气氩气流量比为20％、沉积气压3.1mTorr的条件下，溅射功率分别为100、150、300、400、500W的情况下NbN超导薄膜的XRD衍射图样；
[0025]图2为实施例中在溅射功率为300W、沉积气压为3.1mTorr的条件下，氮气氩气流量比分别为10％、20％、30％、40％和50％条件下NbN超导薄膜的XRD衍射图样；
[0026]图3为实施例中在氮气氩气流量比为20％、溅射功率为300W条件下，沉积气压分别为2.0、3.1、5、10mTorr条件下NbN超导薄膜的XRD衍射图样；
[0027]图4为实施例中在溅射功率为300W、沉积气压为3.1mTorr的条件下，NbN超导薄膜的内应力随氮气氩气流量比的变化曲线；
[0028]图5为实施例中在氮气氩气流量比为20％、沉积气压为3.1mTorr的条件下，NbN超导薄膜的内应力随溅射功率的变化曲线；
[0029]图6为实施例中在氮气氩气流量比为20％、沉积气压为3.1mTorr的条件下，NbN超导薄膜的内应力随沉积气压的变化曲线。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。
[0031]实施例提供了一种应力可调控的NbN超导薄膜反应溅射制备方法，包括以下步骤：
[0032]步骤1，靶材准备及处理：
[0033]准备纯度为99.99％的金属Nb靶材，并将该金属Nb靶材装入高真空磁控溅射系统镀膜腔体中并抽真空到超高真空，真空度不足时，可能会影响等离子体的运动，使得薄膜沉积过程可控性及重复性下降，因此，等待镀膜腔体的本底真空度<5.0
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‑8Torr。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低应力NbN超导薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供金属Nb靶材和Si基衬底，固定Si基衬底温度为室温，并在室温条件下，调节N2和Ar质量流量比为20％～50％，溅射功率为50W～400W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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500MPa～500MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。2.根据权利要求1所述的低应力NbN超导薄膜的制备方法，其特征在于，所述N2和Ar质量流量比为20％～40％，溅射功率为100W～300W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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300MPa～300MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。3.根据权利要求1所述的低应力NbN超导薄膜的制备方法，其特征在于，所述N2和Ar质量流量比为20％～25％，溅射功率为150W～300W，沉积气压为3.0mTorr～10.0mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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200MPa～200MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。4.根据权利要求1所述的低应力NbN超导薄膜的制备方法，其特征在于，所述N2和Ar质量流量比为20％～25％，溅射功率为200W～300W，沉积气压为3.0mTorr～8mTorr，在Si基衬底上沉积得到应力范围为
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100MPa～100MPa、厚度为70～150nm的NbN超导薄膜。5.根据权利要求1所述的应力可调控的NbN超导薄膜反应溅射制备方法，其特征在于，所述Si基衬底为镀有SiNx薄膜的高阻Si基衬底。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽慧，张晓航，宋艳汝，段然，赵志峰，李菂，余诗玲，冯毅，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：