[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种可重复的反应性直流磁控溅射工艺，用于制备适用于超导量子传感器的NbN薄膜。通过优化氩气压力、氮气流量和衬底选择，作者实现了Tc = 14.65 K、内禀应力低且高质量的微波谐振器，其在3.3 K时Q值达到15,962，证明该工艺适用于高灵敏度量子器件。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于超导量子传感器的可扩展且可重复的NbN沉积工艺。
• 通过控制溅射参数，优化薄膜特性，如转变温度（Tc）、电阻率和残余电阻比（RRR）。
• 最小化薄膜内禀应力，以提高薄膜稳定性和器件集成性能。
• 表征NbN谐振器的微波性能，以评估其在量子传感应用中的表现。
• 建立一种基于靶电压滞后特性的实时监测方法，用于反应性溅射过程中的氮气消耗量。

提出的方法

• 采用在氩气等离子体中使用铌靶的反应性直流磁控溅射工艺，通过控制氮气流量实现氮化。
• 通过反应过程中靶电压的滞后现象监测氮气消耗量。
• 在蓝宝石、SiO2/Si和Si3N4/Si衬底上进行沉积，以评估衬底依赖的薄膜特性。
• 通过优化氩气压力以最小化薄膜内禀应力并提升薄膜质量。
• 制备半波长、四分之一波长和环形微带谐振器，以评估微波性能。
• 在3.3 K下测量品质因数（Q）和谐振频率，以评估超导特性和微波特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮气流量和氩气压力如何影响NbN薄膜的超导转变温度（Tc）？
• RQ2 在反应性溅射过程中，靶电压滞后是否可作为氮气消耗量的可靠实时监测指标？
• RQ3 衬底材料对NbN薄膜应力、电阻率和Tc有何影响？
• RQ4 在优化沉积条件下制备的NbN谐振器可实现多高的微波品质因数（Q）？
• RQ5 如何最小化薄膜内禀应力以提升薄膜稳定性和器件性能？

主要发现

• 优化后的NbN沉积工艺在蓝宝石、SiO2/Si和Si3N4/Si衬底上均实现了14.65 K的转变温度（Tc）。
• 系统测量了残余电阻比（RRR）和薄膜电阻率随沉积参数的变化，表明薄膜质量具有可重复性。
• 靶电压滞后现象为反应性溅射过程中氮气消耗量提供了可靠的实时指示。
• 通过优化氩气压力，成功将薄膜内禀应力最小化，从而提升了薄膜稳定性。
• 半波长NbN谐振器在3.3 K时表现出15,962的品质因数（Q）和2.1097 GHz的谐振频率。
• 微波性能和超导特性证实该工艺适用于高灵敏度超导量子传感器。