[논문 리뷰] Development of a NbN Deposition Process for Superconducting Quantum Sensors

D. Glowacka, D. J. Goldie외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 10.

Advanced Sensor Technologies Research참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 센서에 적합한 NbN 박막을 위한 재현 가능한 반응성 DC-마그네트론 스퍼터링 공정을 제시한다. 아르곤 압력, 질소 유량 및 기질 선택을 최적화함으로써 저자들은 Tc = 14.65 K, 낮은 내재 응력, 높은 품질의 마이크로파 공진기를 갖춘 NbN 박막을 달성하였으며, 3.3 K에서 Q = 15,962를 나타내어 고감도 양자 장치에 적합함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 센서에 사용하기 위한 확장 가능하고 재현 가능한 NbN 증착 공정을 개발하기 위해.
• 스퍼터링 조건 제어를 통해 전이 온도(Tc), 저항율, 잔류 저항률(RRR)과 같은 필름 특성을 최적화하기 위해.
• 내재 필름 응력을 최소화하여 필름 안정성 및 장치 통합성을 향상시키기 위해.
• 양자 센서 응용 분야에서의 마이크로파 성능을 평가하기 위해 NbN 공진기의 특성을 특성화하기 위해.
• 반응성 스퍼터링 중 질소 소비를 실시간으로 모니터링하기 위한 방법을 수립하기 위해, 타겟 전압 히스테리시스를 활용한다.

제안 방법

• 질소를 도핑하기 위해 제어된 질소 유량을 사용하는 아르곤 플라즈마에서 니오븀 타겟을 사용한 반응성 DC-마그네트론 스퍼터링.
• 반응성 공정 중 타겟 전압 히스테리시스를 통해 질소 소비를 모니터링.
• 기질에 따른 필름 특성을 평가하기 위해 sapphire, SiO2/Si, Si3N4/Si 기질에 증착.
• 내재 필름 응력을 최소화하고 필름 품질을 향상시키기 위해 아르곤 압력을 최적화.
• 마이크로파 성능을 평가하기 위해 반파장, 반분파장, 고리형 마이크로스트립 공진기를 제작.
• 초전도성 및 마이크로파 특성을 평가하기 위해 3.3 K에서 품질 인자(Q)와 공진 주파수를 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질소 유량과 아르곤 압력은 NbN 필름의 초전도 전이 온도(Tc)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 반응성 스퍼터링 중 타겟 전압 히스테리시스는 질소 소비를 실시간으로 신뢰성 있게 모니터링할 수 있는가?
• RQ3 기질 재질은 NbN 필름의 응력, 저항율 및 Tc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최적 증착 조건 하에서 제작된 NbN 공진기에서 마이크로파 품질 인자(Q)는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ5 내재 필름 응력을 어떻게 최소화하여 필름 안정성과 장치 성능을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 NbN 증착 공정은 알루미나, SiO2/Si, Si3N4/Si 기질에서 Tc = 14.65 K를 달성하였다.
• 잔류 저항률(RRR)과 필름 저항율은 증착 조건의 함수로 체계적으로 측정되었으며, 재현 가능한 필름 품질을 보였다.
• 타겟 전압 히스테리시스는 반응성 스퍼터링 중 질소 소비를 실시간으로 신뢰성 있게 나타내는 지표로 기능하였다.
• 아르곤 압력 최적화를 통해 내재 필름 응력을 최소화하여 필름 안정성을 향상시켰다.
• 반파장 NbN 공진기는 3.3 K에서 품질 인자(Q) 15,962와 공진 주파수 2.1097 GHz를 나타내었다.
• 마이크로파 성능과 초전도 특성은 이 공정이 고감도 초전도 양자 센서에 적합함을 확인시켰다.