引言

NbN和NbTiN作为常用的氮化物超导资料，持久以来备受关注。。凭借其低电阻率(p)
、高临界温度(Tc)
、高临界电流密度(Jc)
、高临界磁场(Bc2)等个性，这些资料被宽泛利用于超导纳米线单光子探测器( superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)[1-5]
、超导谐振腔[6-8]
、热电子辐射热计[9-10]和超导-绝缘-超导(superconductor-insulator-superconductor,SIS)混频器[11-12]等超导器件中。。随着各类利用对器件机能需要的持续提升，对高质量超导薄膜的制备要求也日益严苛。。

NbN薄膜的超导机能与其化学组分和结晶度亲昵有关，而这两个成分会因衬底类型的变动而产生扭转，使得在分歧衬底上制备高质量NbN薄膜变得极度难题[13-14]。。相比之下，NbTiN薄膜的超导机能对结晶度的依赖性较低[13]，且Ti元素的引入可有效减弱衬底晶格失配对薄膜的影响，不仅更易制备出高T。。样品[15-16]，并且对衬底的兼容性也更强[17-18]。。在薄膜制备过程中，Ti元素可能捕获N原子并削减晶格空位，因而NbTiN薄膜的电阻率显著低于NbN薄膜[18]，可用于制备动态电感更小
、复原功夫更短的SNSPD[19]等器件。。此外，钻研批注,NbTiN薄膜的超导参数拥有更高的均匀性,这种均匀性可克制由晶界或缺点引发的局域非平衡超导涨落，进而有效预防SNSPD中某些区域在低于资料整体J。。理论值的偏置电流下提前进入正常态而产生的暗计数。。因而，NbTiN薄膜可用于制备暗计数更低的SNSPD[20]。；；；谏鲜鲇攀疲琋bTiN资料在超导电子学领域展示出辽阔的利用远景和重要的钻研价值。。

磁控反映溅射沉积是目前制备NbTiN薄膜的常用工艺。。已有钻研批注，选取该工艺可在常温下制备出拥有较高T。。的δ相NbTiN薄膜[21]。。然而，由于NbTiN薄膜对分歧衬底的晶格匹配水平分歧，在通例磁控反映溅射技术中，难以基于一样工艺参数在分歧衬底上制备出机能良好且一致性高的薄膜，高质量的NbTiN薄膜通常只能沉积在MgO等晶格失配度较低的衬底资料上[21-22]。。在肆意晶格结构的平坦资料理论沉积高质量NbTiN薄膜，成为研制极低温超导传输线以及开发高活络度天线
、谐振器
、滤波器
、延长线等器件的关键。。此外，由于传统反映溅射过程中难以预防反映气体与靶材理论的接触,往往会出现靶中毒景象(即靶材理论成分产生变动)。。这不仅会降低薄膜沉积速度，还会影响薄膜的均匀性，导致难以不变制备机能良好的薄膜[23-24]。。

为此，本文提出了一种可预防共溅射沉积薄膜过程中靶中毒问题的步骤。。钻研了局批注，该步骤不仅能有效提升磁控溅射在分歧衬底上制备薄膜的不变性，还可维持薄膜良好的超导机能。。

1
、尝试部门

1.1尝试装置改进

如图1(a)所示，在使用磁控反映溅射设备制备NbTiN薄膜时，通例工艺过程为通过进气孔通入Ar/N2混合气体。。该混合气体在电场作用下与加快电子产生碰撞,电离产生大量Ar离子
、N离子和二次电子。。离子在电场作用下加快轰击靶材，溅射出中性靶材原子，这些原子与N原子结合形成氮化物并沉积于衬底资料理论形成薄膜。。在此过程中，大量二次电子被磁场约束于靶材理论，在环形磁场和电场的共同作用下沿靶面做圆周活动，进一步电离出大量Ar离子轰击靶材，从而提高了薄膜沉积速度。。

然而，在通例工艺中，N2会直接接触靶材理论，并在Ar离子轰击和靶材温度升高的共同作用下与靶材产生化学反映，从而在靶面形成一层氮化物。。梦想情况下，这层氮化物会受到离子轰击而被剥离，露出出靶材理论，进而再次形成氮化物，这一过程顺次循环往复。。然而，当反映气体通入量过大时，氮化物的天生速度大于其剥离速度，靶中毒景象将逐步加剧，不仅导致溅射效能降低，影响薄膜组分，还会克制NbTiN薄膜的超导电机能并降低其均匀性。。

为应对靶中毒景象带来的不利影响，已有钻研提出可在低N2分压下提高衬底和靶材面积比，以急剧制备切合化学计量比的薄膜[23,25]。。其他常见克制靶中毒景象的步骤蕴含精确节制反映气体流量
、选取抗中毒能力更强的合金靶材
、耽搁预溅射功夫以及提高预溅射功率以提升洗濯效能等。。然而，这些步骤或进一步提高了工艺要求，或必要开腔换靶，从而耽搁工艺功夫，降低了现实利用中的方便性，且均未从底子上解决靶中毒问题。。

本钻研通过扭转溅射气体与反映气体的导入方式来实现对靶中毒景象的有效节制。。如图1(b)所示，在薄膜沉积过程中，不再通入Ar/N2混合气体,而是将Ar气和N2别离通向靶材和衬底理论。。通向靶材左近的Ar气用于电离后轰击靶材以得到靶材原子，通向衬底左近的N2则用于与靠近衬底的靶材原子产生反映以形成TiN与NbN,并最终沉积于衬底上，形成NbTiN固溶体薄膜。。由于N2源远离靶材区域，靶材理论不再天生大量的氮化物，从而有效预防了靶中毒景象的产生。。

这一改进措施仅需调整设备的气体通路,无需对设备进行复杂调整,且对预防靶中毒景象
、提升工艺不变性阐发出显著成效。。此外，由于仅将Ar气通入靶材左近,加强了靶枪左近等离子体的不变性,使得在更低气压下即可起辉并维持不变的等离子体，有助于进一步提高NbTiN超导薄膜资料的临界温度和临界电流密度。。同时，由于靶材理论左近N离子浓度大幅降低，NbTiN薄膜的沉积速度被提高到通例沉积工艺的2倍以上。。

1.2薄膜制备工艺与表征

结合改进后的工艺，本尝试选取日本爱发科公司出产的MPS-6000型超高真空磁控溅射设备，在单晶Si衬底(100)
、低压化学气相沉积法制备的SiO2/Si衬底
、商用显微镜玻璃载玻片(glass)
、3种取向的MgO衬底((100)
、(110)和(111))及聚酰亚胺(polyimide,PI)衬底上同时制备NbTiN薄膜。。工艺参数设置如下:Nb靶和Ti靶的功率别离为125 W和100W,氩气和氮气流速别离为10sccm(1 sccm=尺度情况下1cm3·min-1)和2 sccm,气体压强约为0.2Pa,沉积功夫为37min。。经Bruker公司的资料描摹分析仪丈量,所得NbTiN薄膜的厚度约为200nm,Nb/Ti原子比节制在0.65/0.35。。

利用Quantum Design公司的物性测试系统(physical property measurement system,PPMS)对分歧衬底上制备的NbTiN薄膜在面外磁场下进行正常态-超导态转变测试。。

2
、分歧衬底上NbTiN薄膜的超导机能

首先对单晶Si衬底和SiO2/Si衬底上制备的NbTiN薄膜进行表征。。图2(a)和(b)别离展示了这两种衬底上NbTiN薄膜在分歧面外磁场下的电输运个性。。为便于比力，本尝试中将电阻降落至正常态电阻值一半时所对应的温度界说为薄膜资料的临界温度T。。随着磁场从0T逐步增长至9T,单晶Si衬底上NbTiN薄膜的  T c 从14.53K逐步降低至12.69K，而SiO2/Si衬底上NbTiN薄膜的T。。从14.43K逐步降低至12.73K。。两种衬底上薄膜的临界温度及其磁场依赖行为较为靠近,如图2(c)所示。。通过WHH模型[26-27]对Te左近的上临界磁场Bc2(T)数据进行拟合，得到单晶Si衬底和SiO2/Si衬底上NbTiN薄膜的零温上临界磁场Bc2别离约为49.31T和52.08T。。

对于玻璃衬底上的NbTiN薄膜，其Tc随着磁场强度的增长从14.38K逐步降低至12.63K，如图3(a)所示。。其上临界磁场随温度的变动趋向与单晶Si衬底和SiO2/Si衬底上的情况根基一致，如图3(b)所示。。同样利用WHH模型进行拟合，可得玻璃衬底上NbTiN薄膜的零温上临界磁场Bc2约为51.33T。。

如图4(a)~(c)所示，在沿3种分歧晶向的MgO衬底上，NbTiN薄膜阐发出相近的超导个性。。具体而言，在9T的磁场强度下，MgO(100)衬底上薄膜的T。。从13.83K降低至12.28K，MgO(110)衬底上薄膜的T。。从13.78K降低至12.18K，MgO(111)衬底上薄膜的Tc从13.98K降低至12.38K。。如图4(d)所示，3种分歧晶向MgO衬底上NbTiN薄膜的Bc2(T)曲线根基重合，批注薄膜的上临界磁场与衬底晶向无显著关联。。通过WHH模型拟合，得到MgO(100)
、MgO(110)和MgO(111)衬底上NbTiN薄膜的零温上临界磁场Bc2别离约为45.12T
、44.67T和45.88T。。

图5(a)展示了PI衬底上NbTiN薄膜在分歧磁场下的电输运个性，其T。。从14.38K(0T)逐步降低至12.68K(9T)。。图5(b)为PI衬底上NbTiN薄膜的Bc2(T)曲线，通过WHH模型拟合得到其零温上临界磁场Bc2约为50.12T。。

使用改进工艺在分歧衬底上制备的NbTiN薄膜的临界温度均在14K左近，最大差值为1.08K，均匀值为14.06K,最大差值与均值的比为7.68%。。

为进一步对比选取传统工艺与本钻研改进后的步骤制得的NbTiN薄膜的机能差距，选取传统磁控溅射步骤和一样工艺参数,在SiO  O 2 /Si衬底上制备了厚度为200nm的NbTiN薄膜,沉积功夫为77min,并对其超导机能进行了丈量,了局显示在图6中(以“normal”象征来分辨)。。从图6(a)能够看出,选取传统工艺与改进后工艺制备的薄膜的超导转变趋向无显著差距。。两种薄膜在零场下的Tc如图6(b)中红色虚线框所示，传统工艺制备的薄膜在零场下的T。。为14.19K，略低于选取新工艺制备的薄膜的14.43K。。

3
、会商与总结

测试数据批注，在单晶Si衬底和SiO2/Si衬底上制备的NbTiN薄膜拥有相近的超导临界温度和上临界磁。。⒚鞲慕蟮墓ひ湛赡茉诠杌牡咨嫌行е票父咧柿縉bTiN薄膜，且险些不受晶格失配问题的影响。。此外，本次尝试所选取的玻璃衬底为通常非晶资料，在该衬底上制备的NbTiN薄膜的T。。高达14.38K，已达到前人在特制磷硅玻璃衬底上制备的NbTiN薄膜的水平(14.3K)[29]。。因而，本钻研提出的工艺步骤有助于拓展通例玻璃衬底在超导电子学领域的利用领域。。

在分歧晶向MgO衬底上制备的NbTiN薄膜阐发出优良的一致性，但其T。。总体低于其他衬底资料上的薄膜。
？Ｋ伎嫉組gO衬底与NbTiN资料之间优良的晶格匹配,该景象与有关钻研  [21]的结论相悖。。我们揣摩，原因可能在于MgO衬底理论因潮解导致不平坦,影响了NbTiN薄膜的整体均匀性,从而对其临界温度产生了肯定影响。。选取等离子体洗濯处置后的MgO衬底有望进一步提升薄膜质量。。

PI资料因其良好的绝缘机能和较宽的工作温度领域,已在多个领域得到宽泛利用,尤其在超导领域,常被用作SIS异质结和高温超导线材中的绝缘层。。本尝试的了局批注,在PI衬底上成长的NbTiN薄膜同样具备优良的超导个性，显示出其在超导纳米线单光子探测器等超导器件中的利用潜力。。这为PI资料在超导领域的进一步利用提供了尝试凭据，当然目前仍需进一步钻研与测试验证。。

最后，本文对比了传统磁控溅射工艺与改进后的新工艺在SiO2/Si衬底上所制备的NbTiN薄膜的超导机能差距。。了局批注，新工艺制备的薄膜的T。。略高。。综合分歧衬底上的测试数据，选取改进后的磁控溅射工艺制备的NbTiN超导薄膜展示出优异的一致性，显著降低了薄膜对衬底的依赖性，同时大幅提高了沉积速度,相较传统工艺显示出显著的综合优势。。

别的值妥贴心的是，本尝试制备的NbTiN薄膜的零温上临界磁场强度远高于泡利极限。。造成这一景象的原因，可能是由于NbTiN薄膜作为一种高无序资料，内部充斥大量晶界和位错等缺点，导致磁通涡旋被这些势阱锚定，阻止其移动，从而获得了更高的上临界磁场,且这种景象该当出现出各向同性，因而其面内上临界磁场上也应该远高于泡利极限，这一点将能够在将来对NbTiN薄膜的进一步钻研中进行验证。。较高的临界磁场有助于推动NbTiN在SIS器件中的利用,也有利于在超导射频腔中实现较高的加快场,并可利用于强磁场及其他超导量子器件领域[31-33]。。

4
、结论

综上所述，本钻研通过改进磁控溅射工艺，提出了一种独立通入Ar和N2气体的步骤，有效克制了传统反映溅射中的靶中毒景象，显著提升了NbTiN薄膜的沉积速度及其超导机能的不变性。。尝试了局批注，基于改进后的工艺，在单晶Si衬底
、SiO2/Si衬底
、通常玻璃衬底
、分歧晶向MgO衬底及PI衬底上均可成功制备高质量的NbTiN薄膜，其临界温度均在14K左近，零温上临界磁场Bc2可达40T以上。。尤为重要的是，分歧衬底上薄膜的机能差距较。。票父咧柿縉bTiN薄膜提供了普适且靠得住的工艺蹊径，并进一步拓展了NbTiN资料的钻研与利用远景。。

将来可通过对MgO衬底等晶格匹配良好的衬底进行预处置，进一步提升NbTiN薄膜的超导机能;同时，通过深刻钻研NbTiN薄膜的晶格匹配机理来领导薄膜质量的进一步提高。。

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（注，原文标题：：高质量NbTiN超导薄膜制备工艺改进与机能表征_陈颖）