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        不同濺射條件影響Si基Nb膜微觀結(jié)構(gòu)的探究

        2021-08-20 10:39:50王立萍張學(xué)鋒
        廣西物理 2021年2期
        關(guān)鍵詞:磁控濺射襯底空洞

        王立萍,張學(xué)鋒,楊 晨

        (1.東北大學(xué)理學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)科學(xué)儀器股份有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110179)

        1 引言

        Nb具有耐腐蝕、良好的延展性、穩(wěn)定的低溫超導(dǎo)性能[1],被廣泛應(yīng)用于多種超導(dǎo)電子器件中[2],如超導(dǎo)量子干涉裝置、快速單通量量子邏輯電路等。在多層薄膜納米尺寸量子器件的制備中,制備出表面均勻,結(jié)晶性能優(yōu)越的Nb膜是成功做出量子器件的第一步。Nb膜表面形貌的均勻平整,會(huì)對(duì)之后的絕緣層的完整性和連續(xù)性有不可忽視的影響,所以選擇高效穩(wěn)定的鍍膜方式是制備出Nb膜和超導(dǎo)量子器件的關(guān)鍵?,F(xiàn)在制備薄膜的方式有很多種,熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等[3]。

        由于磁控濺射具有轟擊粒子能量高,能夠制備出致密性和均勻性好的薄膜,本實(shí)驗(yàn)采用直流磁控濺射技術(shù)制備Nb膜[4]。磁控濺射技術(shù)中,濺射功率、工作氣壓、基底的溫度等工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)造成很大的影響,本文在保持真空度、工作氣壓不變的情況下,采用90W、150W兩種濺射功率,通過SEM,EDS對(duì)Nb薄膜表面形貌進(jìn)行了分析,研究結(jié)果表明,濺射功率過低會(huì)引起薄膜表面出現(xiàn)空洞,顆粒較大,隨著功率的增加,薄膜的均勻性得到了提高,所以選擇適當(dāng)?shù)臑R射功率是十分重要的。另外基片溫度對(duì)薄膜的晶體生長(zhǎng)也有很重要的影響,通過XRD技術(shù)對(duì)薄膜的擇優(yōu)取向進(jìn)行了分析,溫度越高,Nb膜的擇優(yōu)取向越明顯。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 直流磁控濺射Nb膜

        本實(shí)驗(yàn)采用JGP560型超高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備制備Nb膜[5]。實(shí)驗(yàn)使用直徑60mm,厚度3mm,純度99.99%的鈮靶。濺射氣體為氬氣,純度為99.999%[6]。襯底選擇尺寸1cm×1cm單面拋光的Si基片,經(jīng)丙酮,酒精,去離子水分別使用超聲波清洗15分鐘[7],用氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵帐抑小R射本底真空為4×10-4Pa,工作氣壓為0.3Pa。Ar氣的流量為30sccm,濺射功率為90W,120W和150W,襯底溫度為200oC、300oC、400oC,濺射時(shí)間30分鐘。

        2.2 Nb膜的表征

        本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)SSX-550掃描電鏡(SEM)和X射線能譜分析(EDS)觀察Nb膜表面形貌和薄膜均勻性。使用型號(hào)為D8ADVANCE 的多功能X射線衍射儀(XRD)分析薄膜擇優(yōu)取向的情況。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 不同濺射功率Nb膜的形貌和致密性

        3.1.1 Nb膜的SEM分析

        直流磁控濺射沉積技術(shù)[8]的優(yōu)點(diǎn)之一就是在相同條件下沉積速率穩(wěn)定,便于用濺射時(shí)間精確控制薄膜厚度[5]。本實(shí)驗(yàn)在保持其他參數(shù)不變,僅改變?yōu)R射功率的條件下,對(duì)本底真空為4×10-4Pa,起輝氣壓為0.3Pa,圖1(a),(b),(c)分別為濺射功率90W,120W,150W,基底溫度300 oC 下制備的Si 基Nb 膜進(jìn)行SEM分析。由圖中可以看出,濺射功率為90W 的薄膜表面有大顆粒沉積,有空洞,但總體較為均勻。濺射功率為120w 的薄膜總體均勻,有小顆粒的存在。濺射功率為150W 的薄膜無(wú)明顯大顆粒,表面致密均勻。

        圖1 不同濺射條件下Nb 薄膜SEM 圖

        3.1.2 Nb膜的EDS分析

        通過對(duì)濺射功率分別為90W 和150W,基底溫度300oC 條件下制備的Si 基Nb 膜進(jìn)行EDS 面掃描和能譜分析,對(duì)所做的膜進(jìn)行定性和定量的分析。圖2 為不同濺射條件下的Nb 膜EDS 面掃描分析結(jié)果。由于濺射功率90W 和150W 總體都較為均勻,所以面掃描圖基本無(wú)差別。圖(b)和圖(d)分別為90W 和150W的Si 基Nb 膜能譜圖,譜圖中的峰代表著樣品中存在的成分。由于制備的Nb 膜是在Si 襯底上沉積的,所以面掃描能譜圖中會(huì)存在Si 元素。從圖譜中可以看到,濺射功率90W 的Nb 膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.8%,而濺射功率150W 的Nb 膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.9%,測(cè)量結(jié)果的誤差大概為0.1。說明濺射功率變大,會(huì)讓薄膜空洞變少,鍍出的膜均勻性高,暴露出來(lái)的Si 基底才會(huì)減少,基底上的Nb 含量變多。

        圖2 不同濺射條件下Nb 薄膜的EDS 面掃描圖

        3.2 不同襯底溫度Si基Nb膜的XRD分析

        襯底溫度對(duì)于薄膜結(jié)晶的影響非常明顯,通常襯底溫度越高,薄膜的結(jié)晶性越好。這是由于濺射出來(lái)的粒子,在較高溫度的條件下,會(huì)有更高的能量到達(dá)結(jié)晶位上,影響了襯底表面吸附原子的遷移、結(jié)晶,進(jìn)而獲得結(jié)晶性好的膜。

        圖3 為150W 濺射功率下基底溫度為200oC、300oC、400oC 時(shí)的Nb 膜XRD 圖譜。從圖中可看出,三種基底溫度的Nb 薄膜在2θ=38.5°附近都存在(110)方向的衍射峰,經(jīng)過XRD 分析后表明,Nb 薄膜在(110)晶面具有擇優(yōu)取向。隨著溫度的升高,(110)衍射峰強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)基底溫度為400o時(shí),在2θ=69.6°附近,出現(xiàn)(211)衍射峰。所以在基底溫度為400oC 時(shí),Nb 膜的結(jié)晶性能最好。

        圖3 不同基底溫度的Nb 膜XRD 圖譜。

        4 結(jié)論

        采用直流磁控濺射方法成功地制備了表面均勻,致密性高的Si 基Nb 膜。研究了不同濺射功率對(duì)Nb 膜的表面形貌和致密性的影響,較低的功率薄膜表面會(huì)出現(xiàn)空洞,有大顆粒的沉積,適當(dāng)提高濺射功率會(huì)使Nb膜的表面變得均勻。通過EDS 面掃描可以看出功率越大,薄膜表面存在的空洞越少,檢測(cè)出薄膜上Nb 元素更多。通過對(duì)不同襯底溫度的Nb 膜進(jìn)行XRD 分析,結(jié)果表明Nb 膜沿(110)晶面擇優(yōu)取向,在400Co時(shí)出現(xiàn)(110)、(211)兩個(gè)晶面衍射峰。

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