[論文レビュー] Development of a NbN Deposition Process for Superconducting Quantum Sensors

D. Glowacka, D. J. Goldie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2014

Advanced Sensor Technologies Research参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、超伝導量子センサーに適したNbN薄膜の再現性のある反応性DCマグネトロンスパッタリングプロセスを提示する。アルゴン圧力、窒素流量、基板選択の最適化により、Tc = 14.65 K、低い内部応力、高品質なマイクロ波共振器（3.3 KでQ = 15,962）を実現し、高感度量子デバイスへの適性を示した。

ABSTRACT

We have carried out a detailed programme to explore the superconducting characteristics of reactive DC-magnetron sputtered NbN. The basic principle is to ignite a plasma using argon, and then to introduce a small additional nitrogen flow to achieve the nitridation of a Nb target. Subsequent sputtering leads to the deposition of NbN onto the host substrate. The characteristics of a sputtered film depend on a number of parameters: argon pressure, nitrogen flow rate and time-evolution profile, substrate material, etc. Crucially, the hysteresis in the target voltage as a function of the nitrogen flow can be used to provide a highly effective monitor of nitrogen consumption during the reactive process. By studying these dependencies we have been able to achieve highly reproducible film characteristics on sapphire, silicon dioxide on silicon, and silicon nitride on silicon. Intrinsic film stress was minimised by optimising the argon pressure, giving NbN films having Tc = 14.65 K. In the paper, we report characteristics such as deposition rate, Residual Resistance Ratio (RRR), film resistivity, transition temperature, and stress, as a function of deposition conditions. In order to enhance our understanding of the microwave properties of the films, we fabricated a wide range of microstrip NbN resonators (half wavelength, quarter wavelength, ring resonators). In the paper, we provide an illustrative result from this work showing a 2.1097 GHz resonator having a Q of 15,962 at 3.3 K.

研究の動機と目的

• 超伝導量子センサーに応用可能なスケーラブルで再現性のあるNbN堆積プロセスの開発。
• スパッタリングパラメータの制御により、転移温度（Tc）、抵抗率、残留抵抗比（RRR）などの薄膜特性を最適化すること。
• 薄膜の安定性とデバイス統合性を向上させるために、内部応力を最小限に抑えること。
• 量子センシング応用におけるNbN共振器のマイクロ波特性を評価すること。
• 反応性スパッタリング中の窒素消費量をリアルタイムでモニタリングする手法として、ターゲット電圧のヒステリシスを確立すること。

提案手法

• 窒素流量を制御したアルゴンプラズマ中でのニオブターゲットを用いた反応性DCマグネトロンスパッタリング。
• 反応プロセス中のターゲット電圧のヒステリシスを用いて窒素消費量をモニタリング。
• サファイア、SiO2/Si、Si3N4/Si基板に堆積させ、基板依存の薄膜特性を評価。
• 内部応力を最小限に抑えて薄膜品質を向上させるために、アルゴン圧力を最適化。
• 半波長、四分の一波長、リングマイクロストリップ共振器の作製により、マイクロ波特性を評価。
• 3.3 Kにおける品質因数（Q）および共振周波数の測定により、超伝導特性およびマイクロ波特性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒素流量およびアルゴン圧力は、NbN薄膜の超伝導転移温度（Tc）にどのように影響するか？
• RQ2 反応性スパッタリング中のターゲット電圧のヒステリシスは、窒素消費量の信頼できるリアルタイムモニタリングに適しているか？
• RQ3 基板材料の違いは、NbN薄膜の応力、抵抗率、Tcにどのような影響を及えるか？
• RQ4 最適化された堆積条件下で作製されたNbN共振器が達成できるマイクロ波品質因数（Q）はどの程度か？
• RQ5 内部薄膜応力をどのように最小限に抑えることで、薄膜の安定性およびデバイス性能を向上させられるか？

主な発見

• 最適化されたNbN堆積プロセスにより、サファイア、SiO2/Si、Si3N4/Si基板上での転移温度（Tc）が14.65 Kに達した。
• 残留抵抗比（RRR）および薄膜抵抗率を、堆積パラメータの関数として体系的に測定し、再現性のある薄膜品質を確認した。
• ターゲット電圧のヒステリシスは、反応性スパッタリング中の窒素消費量をリアルタイムで信頼できる指標として提供した。
• アルゴン圧力の最適化により内部薄膜応力を最小限に抑え、薄膜の安定性を向上させた。
• 半波長NbN共振器は、3.3 Kで品質因数（Q）15,962、共振周波数2.1097 GHzを達成した。
• マイクロ波特性および超伝導特性から、本プロセスが高感度超伝導量子センサーに適していることが確認された。