劉賢文， 徐驍龍， 李勁勁， 王雪深， 鐘 青， 曹文會(huì)，白劍楠， 張 碩， 劉想靚， 司坤宇， 周哲海， 甘海勇

(1. 北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192；2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029；3. 上?？萍即髮W(xué)，上海201210)

1 引 言

面對(duì)國(guó)際單位制變革[1,2]，光學(xué)基本單位坎[德拉]具有了量子化定義：即1坎[德拉]為在給定方向上，頻率為540×1012Hz 的單色光源發(fā)出4.092×1015光子數(shù)·s-1·sr-1的發(fā)光強(qiáng)度[3]。因此需要更加精密的傳感器，來(lái)解決光子精密測(cè)量中單光子探測(cè)的問(wèn)題。該傳感器需要具有單光子的分辨能力，可觀的量子探測(cè)效率[4]。

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器(superconductivity transition edge sensors, TES)是現(xiàn)階段最靈敏的超導(dǎo)探測(cè)器,其具有單光子識(shí)別能力、非常高的能量分辨率[5]、高量子效率[6]和可忽略的暗計(jì)數(shù)率[7]等特點(diǎn)。TES的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了微波、太赫茲[8]、紅外[9]、可見(jiàn)光[10]、X射線[11]、γ射線[12]等全部電磁波譜段。在微波波段TES用于微波背景輻射測(cè)量、宇宙原初引力波測(cè)量、中微子質(zhì)量測(cè)量、暗物質(zhì)探測(cè)[13]、雙β衰變[14]等工作；在X射線及γ射線波段TES用于熒光能譜測(cè)量[15]、超快譜學(xué)測(cè)量[16, 17]、海關(guān)安檢等工作；在紅外及可見(jiàn)光波段TES用于單光子測(cè)量[18]和光通量計(jì)量[19]等工作?？梢?jiàn)，TES是解決單光子探測(cè)的理想傳感器。

研究高性能的超導(dǎo)薄膜是TES研究的基礎(chǔ)。磁控濺射技術(shù)因其沉積速度快、濺射所得薄膜與基片結(jié)合性好且純度高、致密性好、成膜均勻、不同金屬可同時(shí)進(jìn)行共濺射等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的運(yùn)用。

本文利用磁控濺射技術(shù)在硅片基底表面沉積Al膜與Ti膜,制備了100 nm的高純Al、Ti單金屬超導(dǎo)薄膜。研究了閘板閥開(kāi)合程度對(duì)濺射腔體內(nèi)氣壓的影響，在此基礎(chǔ)上研究氣壓、濺射功率對(duì)兩種金屬薄膜生長(zhǎng)速率的影響，進(jìn)而研究薄膜生長(zhǎng)速率對(duì)薄膜應(yīng)力、電學(xué)特性以及薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響。為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器的制備奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 TES薄膜制備

2.1 TES薄膜制備

Al/Ti薄膜的沉積選擇在硅片基底表面，沉積前首先進(jìn)行基片清洗，將硅片分別放置于丙酮和異丙醇中超聲清洗5 min，并用超純水洗凈，氮?dú)獯蹈伞?/p>

所用磁控濺射設(shè)備為JGP560雙室磁控濺射沉積系統(tǒng)，本底真空小于2×10-5Pa，濺射時(shí)對(duì)基片采用水冷，水冷溫度為20 ℃。靶材是純度分別為99.999 5%的Al靶和99.995%的Ti靶，靶材直徑為101.6 mm。

在制備過(guò)程中，濺射氣壓會(huì)顯著影響薄膜的沉積速率以及后續(xù)薄膜性能，因此研究濺射室閘板閥開(kāi)合程度和氬氣流速對(duì)腔內(nèi)氣壓的影響，對(duì)后續(xù)研究具有重要意義。閘板閥開(kāi)合程度分別為2、3、6圈；氬氣流速為0～50 mL/min。而后改變工作氣壓，工作氣壓范圍從0.05 Pa變化到2.5 Pa，在固定200 W濺射功率情況下，對(duì)沉積速率進(jìn)行研究。

濺射功率同樣對(duì)薄膜的沉積速率以及性能具有影響。因此在氬氣流速固定為20 mL/min、腔室氣壓固定為 1.2 Pa時(shí)，分別在100、150、200、250 W的濺射功率下進(jìn)行一定時(shí)間的沉積，通過(guò)所測(cè)膜厚可得到不同功率下的沉積速率。

2.2 磁控濺射條件控制

薄膜性能除了與薄膜本身材料特性有關(guān)外，還與沉積速度等條件有關(guān)?？刂茷R射氣壓和濺射功率可以影響濺射速率。

2.2.1 閘板閥開(kāi)合程度對(duì)氣壓的影響

濺射主腔室腔內(nèi)氣壓主要通過(guò)控制閘板閥開(kāi)合程度及氣體流速進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)記錄同一閘板閥開(kāi)合程度下不同氣體流速及其對(duì)應(yīng)的腔內(nèi)氣壓。

閘板閥開(kāi)合程度及氬氣流速對(duì)氣壓的影響如圖1所示，開(kāi)合程度分別為2圈、3圈、6圈時(shí)腔內(nèi)氣壓均隨著氬氣流速的提高而提高，但其提高的程度以及斜率均不相同(由分子泵工作特性所決定)。

圖1 真空泵抽速對(duì)氣壓的影響Fig.1 Effect of pumping speed on pressure

經(jīng)過(guò)線性擬合分析得到在開(kāi)合程度為3圈、氬氣流速為12～28 mL/min時(shí)，氣壓與氬氣流速存在較為明顯的線性關(guān)系，此時(shí)泵速恒定為18.6 L/s，因此可在此線性區(qū)域內(nèi)確定合適的氬氣流速。

2.2.2 濺射室氣壓對(duì)沉積速率的影響

不同的氬氣流速對(duì)應(yīng)濺射室內(nèi)不同的氣壓，控制氣壓，測(cè)量并計(jì)算其相應(yīng)的沉積速率得到氣壓對(duì)沉積速率的影響。

薄膜沉積速率隨氣壓變化的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。Al膜的沉積速率隨氣壓的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在0.1 Pa附近存在峰值，在上升沿區(qū)間，Ar濃度的提高有助于更多的Al原子濺射到基板上；而隨著Ar氣壓的進(jìn)一步升高，Ar原子會(huì)阻礙Al原子從靶到基片的運(yùn)動(dòng)，降低其平均自由程，從而降低Al膜的濺射速率。Ti膜沉積速率隨氣壓升高而下降，在選定氣壓范圍內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)上升沿部分。

圖2 薄膜沉積速率隨氣壓的變化曲線Fig.2 Film deposition rate versus pressure

2.2.3 濺射功率對(duì)沉積速率的影響

為研究薄膜沉積速率隨濺射功率的變化規(guī)律，將氬氣流速固定為20 mL/min，腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)的濺射氣壓為1.2 Pa，在不同濺射功率下沉積100 nm的Al膜和Ti膜。

濺射功率對(duì)沉積速率的影響，測(cè)試結(jié)果如圖 3所示。對(duì)于Al和Ti，在一定的范圍下，濺射功率增加，沉積速率線性提高，相同濺射功率下Al膜比Ti膜沉積速率明顯更高。

圖3 不同濺射功率下的沉積速率Fig.3 Deposition rate under different sputtering power

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 樣品表征

采用BRUKER DektakXT型臺(tái)階儀測(cè)量薄膜厚度，用MOS Ultra-Scan K-Space Associates型應(yīng)力儀對(duì)單金屬薄膜應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，使用四端法測(cè)量單金屬薄膜方塊電阻，用Bluefors LD-400稀釋制冷機(jī)對(duì)薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行測(cè)試。

3.2 單金屬超導(dǎo)薄膜應(yīng)力分析

實(shí)驗(yàn)通過(guò)在不同濺射功率下分別沉積Al、Ti薄膜100 nm，測(cè)試相應(yīng)薄膜的應(yīng)力。

圖4為典型Al膜的應(yīng)力分布圖。薄膜應(yīng)力隨濺射功率變化如圖5所示，結(jié)果表明Al和Ti膜薄膜應(yīng)力隨濺射功率變化趨勢(shì)一致，即先減小后增大，并且在150 W和200 W時(shí)都表現(xiàn)為更接近于0 MPa的薄膜應(yīng)力。

圖4 薄膜應(yīng)力分布圖Fig.4 Profile of thin film stress

圖5 薄膜應(yīng)力隨濺射功率的變化曲線Fig.5 Variation of film stress with sputtering power

3.3 單金屬超導(dǎo)薄膜電阻率分析

通過(guò)在不同濺射功率下沉積100 nm的Al膜和Ti膜，其室溫下方塊電阻、電阻率公式為：

Rs=ρ/t

式中：Rs為方塊電阻;ρ為電阻率;t為薄膜厚度。

不同濺射功率下的薄膜電阻率如圖6所示，Al膜在選定濺射功率范圍內(nèi)電阻率先升高后降低，Ti膜電阻率則隨著濺射功率的增加而降低。但其變化率均不大，因此其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的特性也差異不大，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變特性將在后面部分進(jìn)行討論。

不同氣壓對(duì)薄膜電阻率有較大影響，其中Ti膜電阻率受濺射氣壓變化影響較大。如圖7所示，在整體趨勢(shì)上，Ti膜電阻率隨氣壓的增大而增大。濺射氣壓較低時(shí)(≤0.5 Pa)，電阻率隨氣壓變化比較平緩；而工作氣壓增大后，薄膜的電阻率隨氣壓有明顯的增大。

圖6 薄膜電阻率隨濺射功率的變化Fig.6 Variation of film resistivity with sputtering power

圖7 薄膜電阻率隨氣壓的變化Fig.7 Variation of film resistivity with air pressure

Al膜在選定氣壓范圍內(nèi)電阻率隨氣壓變化較小，基本不隨氣壓的變化而變化，在5.8×10-8Ω·m附近波動(dòng)。需要注意的是：Al膜(5.8×10-8Ω·m)和Ti膜(6.1×10-7Ω·m)的電阻率均高于Al(2.65×10-8Ω·m)和Ti(4.2×10-7Ω·m)的塊體電阻率，這是由于薄膜沉積過(guò)程中存在缺陷空位以及可能存在氧化等問(wèn)題導(dǎo)致薄膜的電阻率高于相同金屬塊體材料的電阻率。

3.4 TES超導(dǎo)薄膜低溫特性

利用切片機(jī)把Al、Ti膜樣品制成1 mm×10 mm的窄條，用于測(cè)試其低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的特性。電阻通過(guò)四端法進(jìn)行測(cè)量。在溫度變化的情況下，給予一定電流，測(cè)試另外兩端電壓的方式獲得其電阻隨溫度的變化。

Al膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度如圖8(a)所示。在濺射氣壓為2 Pa時(shí)，在1.35 K之前屬于超導(dǎo)態(tài)；1.35 K到1.48 K在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿上；當(dāng)溫度高于1.48 K時(shí)，Al膜進(jìn)入正常態(tài)。

Ti膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度如圖8(b)所示。當(dāng)濺射氣壓為0.1 Pa時(shí)，100 nm的Ti膜對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為500 mK，轉(zhuǎn)變沿陡峭而接近垂直。值得指出的是：轉(zhuǎn)變邊沿上部抖動(dòng)以及傾斜，是由于測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)的溫升所致。由于在給定電流條件下，電阻突然升高，導(dǎo)致樣品溫度升高進(jìn)入熱電正反饋，因此系統(tǒng)溫度不穩(wěn)定帶來(lái)了測(cè)試曲線的抖動(dòng)。濺射氣壓為0.5 Pa時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)一步降低，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為460 mK，轉(zhuǎn)變沿寬度在2.3 mK。該曲線為系統(tǒng)降溫區(qū)間測(cè)得，由于在給定的電流條件下，電阻持續(xù)降低，不會(huì)出現(xiàn)由于熱電正反饋所導(dǎo)致的系統(tǒng)溫度波動(dòng)，因而轉(zhuǎn)變沿上部平滑、穩(wěn)定。

圖8 金屬膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Fig.8 Superconducting transition temperature of metal film

濺射氣壓為2 Pa和2.5 Pa時(shí)，Ti膜完全不超導(dǎo)，通過(guò)電阻率曲線可以看到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨電阻率的變化；濺射氣壓為0.1 Pa時(shí)，Ti膜超導(dǎo)溫度為理想Ti塊體超導(dǎo)溫度(500 mK)；而隨著濺射氣壓的升高，Ti膜超導(dǎo)溫度逐步降低直至不超導(dǎo)。

由于Ti膜成膜時(shí)引入氧，導(dǎo)致電阻率升高，進(jìn)而影響該膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。目前，引入氧的機(jī)制并不十分清楚，推測(cè)可能是由于沉積時(shí)間加長(zhǎng)因而有更高的幾率引入氧，或者是沉積時(shí)間加長(zhǎng)基板溫度變化所導(dǎo)致的，這將在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

本文研究了單金屬超導(dǎo)Al、Ti薄膜的制備工藝，包括工作氣壓以及濺射功率，并對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率、應(yīng)力、電阻率以及超導(dǎo)低溫性能進(jìn)行了研究。

在各個(gè)薄膜性能參量中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是研究的重點(diǎn)，成膜質(zhì)量對(duì)于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有重要的影響。而薄膜的電阻率對(duì)于薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有較為直接的關(guān)聯(lián)，當(dāng)薄膜中氧成分過(guò)高，會(huì)降低薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，甚至沒(méi)有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

單金屬薄膜制備工藝研究為后續(xù)雙金屬薄膜制備提供了參考。對(duì)未來(lái)沉積不同厚度、不同比例的Al/Ti雙金薄膜提供了指導(dǎo)；同時(shí)也為同一氣壓下，不同濺射功率的共濺射沉積Al/Ti雙金屬薄膜進(jìn)行了先期的探索。