遠(yuǎn)程靶基距Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結(jié)薄膜濺射制備技術(shù)研究

王振宇, 曾九孫, 高 鶴, 王仕建, 徐 達(dá),鐘 青, 李勁勁, 王雪深

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 102200)

1 引 言

超導(dǎo)-正常態(tài)-超導(dǎo)(superconductor-normal-superconductor, SNS)結(jié)和超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)(superconductor-insulator-superconductor, SIS)結(jié)是基于約瑟夫森效應(yīng)的低溫超導(dǎo)量子器件的核心功能單元[1～3]。其中,基于Nb/Al-AlOx/Nb三層膜的SIS結(jié),因其噪聲低、性能易調(diào)控、陣列化均勻性好及高穩(wěn)定性等優(yōu)點,是SIS結(jié)型量子電壓器件[4]、計量用[5～8]超導(dǎo)量子干涉器件[9, 10],以及控制超導(dǎo)量子比特[11]所用超導(dǎo)單磁通量子電路[12]的關(guān)鍵功能單元。

Nb/Al-AlOx/Nb型SIS結(jié)是襯底表面依次向上沉積高質(zhì)量Nb、Al-AlOx、Nb三層膜通過曝光、刻蝕、陽極氧化等微納加工工藝制備獲得。制備Nb/Al-AlOx/Nb三層膜的主流工藝是磁控濺射技術(shù),其具有高真空、連續(xù)沉積多層薄膜,沉積速率和基片溫度可控等優(yōu)點,制備的薄膜純度高、物性調(diào)控范圍大,并適應(yīng)不同種類的基片襯底,是制備SIS結(jié)三層薄膜的最佳選擇。根據(jù)濺射功率源不同,分為直流(DC)濺射和射頻(RF)濺射。制備高性能Nb薄膜的濺射氣壓范圍有限,射頻濺射相比于直流濺射的氣壓選擇范圍更窄,且射頻濺射獲得的無應(yīng)力Nb膜表面有小晶粒,粗糙度大,不適用于Nb膜制備[13]。根據(jù)濺射靶槍與基片角度不同,分為斜濺射和垂直濺射,斜濺射方式制備的薄膜應(yīng)力和薄膜厚度更均勻。因此直流斜濺射成為主流工藝。斜濺射時,根據(jù)靶基距不同,靶槍的角度以及濺射工藝參數(shù)將有很大差別。對于近程濺射(靶基距<12 cm),靶槍中心需對準(zhǔn)基片臺直徑1/4處,距離近,使用低功率可實現(xiàn)高速率濺射,但可工作氣壓范圍變窄,應(yīng)力均勻性變差。遠(yuǎn)程濺射(靶基距>12 cm)時,靶槍中心對準(zhǔn)基片臺中心處,應(yīng)力均勻分布的面積變大,濺射功率和濺射氣壓匹配難度降低。此外,遠(yuǎn)程濺射本底真空度要求比近程濺射低至少一個量級,減少濺射腔室內(nèi)雜質(zhì)含量,以降低金屬原子與雜質(zhì)碰撞以及金屬原子氧化的概率。

本文研究中使用美國PVD Products, Inc超高真空磁控濺射系統(tǒng),靶基距達(dá)到18.5 cm,針對這一遠(yuǎn)程靶基距的特點,調(diào)節(jié)氣壓和濺射功率,通過表面形貌、應(yīng)力分布和電學(xué)性能表征,確定了最佳的SIS結(jié)三層膜制備工藝,并制備SIS結(jié)進(jìn)行了驗證。

2 Nb膜濺射

Nb膜作為SIS結(jié)基底電極和對電極,其形貌和應(yīng)力對中間Al-AlOx層成形、以及Nb/Al和AlOx/Nb界面形態(tài)具有直接影響。形貌方面主要是表面粗糙度參數(shù),以使15 nm以下的Al膜能夠平坦覆蓋底層Nb膜,防止結(jié)短路或者出現(xiàn)漏電流。粗糙度需降低到2 nm以下[14],以減少薄膜表面尖銳峰形成,避免Al與上層Nb界面處形成不均勻的Al-AlOx層,同時可以降低全覆蓋Nb膜表面所需要的Al層厚度,由于鄰近效應(yīng),較厚Al層將導(dǎo)致能隙電壓的降低[15, 16]。應(yīng)力方面要求Nb膜為零應(yīng)力或負(fù)應(yīng)力(-300 MPa以內(nèi)),以保證SIS結(jié)可靠的連接質(zhì)量[14],避免因為應(yīng)力過大導(dǎo)致Nb膜與基底發(fā)生剝離或開裂等,以及膜邊緣彎曲或喇叭孔等使后續(xù)器件制作過程中的絕緣層變形出現(xiàn)漏電流[17～19]。

此外,應(yīng)力對電學(xué)性質(zhì),如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc、剩余電阻比(residual resistance ratio)rRR有直接影響,并影響最終器件的穩(wěn)定性,此處rRR為溫度300 K和10 K時的電阻之比。因此,需要研究濺射參數(shù)組合,實現(xiàn)低粗糙度、低應(yīng)力的Nb薄膜。磁控濺射過程中,通過調(diào)Ar氣氣壓和功率,調(diào)整Nb薄膜應(yīng)力[20, 21]。相比于近程濺射,為實現(xiàn)零應(yīng)力,遠(yuǎn)程濺射需要的氣壓更低、功率更高。

濺射基底為表面有175 nm二氧化硅的2英寸(1英寸=2.54 cm)硅片,濺射前進(jìn)行表面清洗。濺射用Nb靶,3英寸,純度99.95%?；妆３?0 ℃并以20 r/min的速度旋轉(zhuǎn)。Ar氣流量為20 mL/min,低溫泵和濺射腔室之間的閘板閥自動調(diào)節(jié)開關(guān)位置實現(xiàn)設(shè)定氣壓值。由于靶基距大,為遠(yuǎn)程濺射,濺射腔室本底真空度小于 4.0×10-6Pa,減少雜質(zhì)氣體帶來的部分反應(yīng)濺射,提高獲得的Nb膜純度。Nb靶材需要預(yù)濺射3 min以上以去除Nb靶表面氧化物與其他雜質(zhì)。采用直流功率源濺射。

2.1 Nb膜應(yīng)力研究

Nb膜厚度大于100 nm時[13],薄膜的Tc接近體材料的Tc,達(dá)到9 K以上,同時Nb超導(dǎo)電極厚度不應(yīng)小于約90 nm的倫敦穿透深度,因此上層和底層Nb膜均采用150 nm。由于靶基距大,需提高濺射功率以提高Nb原子到達(dá)基底表面的速度,提高薄膜致密度,以直流550 W功率為濺射工藝研究的起點功率。

薄膜應(yīng)力測量使用KSA MOS-Ultra Scan應(yīng)力測量系統(tǒng),通過非接觸式光學(xué)法測試基底濺射前后的曲率變化獲得薄膜應(yīng)力值。圖1黑色曲線為固定550 W濺射功率,濺射氣壓0.33～0.67 Pa時的應(yīng)力變化。0.33 Pa時,表現(xiàn)為較大的壓應(yīng)力,為 -519.94 MPa;0.67 Pa時表現(xiàn)為較大的張應(yīng)力,為534.87 MPa;零應(yīng)力點在0.53 Pa附近。

圖1 550 W功率下Ar氣壓力與Nb膜應(yīng)力、粗糙度的關(guān)系Fig...1 The stress and surface roughness of the Nb films at different Ar pressures for 550 W power

圖2(a)為550 W,0.53 Pa條件下的應(yīng)力分布圖,最大壓應(yīng)力出為118.25 MPa,最小壓應(yīng)力為57.04 MPa,標(biāo)準(zhǔn)偏差僅13.61 MPa。將濺射功率提高到600 W,應(yīng)力進(jìn)一步降低,如圖2(b)所示,壓應(yīng)力平均值從80.87 MPa降低到24.87 MPa,且20 MPa以下的分布區(qū)域占比較大,是比較理想的應(yīng)力值和應(yīng)力分布情況。圖2(c)顯示了當(dāng)濺射功率進(jìn)一步提高至650 W,Nb膜壓應(yīng)力又稍有增大,達(dá)到106.22 MPa。應(yīng)力值的降低會伴隨粗糙度降低,以及電學(xué)性能的提升。0.53 Pa時,550 W和600 W功率濺射Nb膜的應(yīng)力都不大,均能滿足SIS結(jié)制備的應(yīng)力要求。

圖2 Ar氣壓為0.53 Pa時,濺射功率為550 W、600 W、650 W對應(yīng)的Nb膜應(yīng)力分布Fig...2 The stress distribution of the Nb films at 0.53 Pa for 550 W、600 W and 650 W

2.2 Nb膜粗糙度研究

Nb膜粗糙度使用Bruker Dimension ICON原子力顯微鏡(AFM)表征,測量區(qū)域1 μm×1 μm,使用輪廓均方根偏差(Rq)作為粗糙度的評價指標(biāo),反映薄膜表面輪廓離散程度。圖1中紅線為550 W濺射功率,表面粗糙度隨Ar壓力的變化趨勢。濺射工藝制備的Nb膜具有良好的多晶結(jié)構(gòu),低氣壓(<4.2 mTorr, 1 Torr=133.322 368 4 Pa)時,粗糙度在寬濺射氣壓范圍內(nèi)均較低,小于1.13 nm。0.67 Pa時,粗糙度快速增大到1.83 nm,與應(yīng)力變化相對應(yīng)。圖3(a)和圖3(b)為550 W,0.53 Pa和0.67 Pa氣壓下沉積的Nb薄膜的AFM二維(2D)和三維(3D)圖像。0.53 Pa時,Nb晶粒呈現(xiàn)米粒狀特征,表面更平滑,粗糙度為1.12 nm;氣壓達(dá)到0.67 Pa時,表面出現(xiàn)更多圓形顆粒,出現(xiàn)更多高峰。

圖3 Nb膜AFM二維和三維圖像Fig.3 The AFM-2D &3D images of the Nb films

保持0.53 Pa濺射氣氛,提高濺射功率。圖3(c)和圖3(d)分別為600 W和650 W時的AFM圖,與550 W相比,晶粒和表面形貌并沒有明顯變化,粗糙度分別為1.05 nm和0.99 nm。功率增加后,薄膜粗糙度呈現(xiàn)減小的趨勢,但變化不大,粗糙度值均能滿足SIS結(jié)制備要求。

2.3 Nb膜電學(xué)性質(zhì)

表征超導(dǎo)Nb膜電學(xué)性質(zhì)的主要參數(shù)為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc和rRR,Tc要求達(dá)到9 K以上,rRR要求大于5。

利用綜合物性測量系統(tǒng)(quantum design, PPMS-14 T),使用標(biāo)準(zhǔn)直流電阻樣品托和四線法對0.53 Pa,550 W、600 W和650 W制備的Nb膜的Tc、rRR進(jìn)行測試。樣品托上有3個通道,可同時測量3個功率制備的薄膜。首先將薄膜溫度降至4 K,穩(wěn)定30 min后,升溫測試。表1中列出了測量結(jié)果,550 W時,Tc為9.05 K,rRR僅為4.53。功率大于600 W,Tc均達(dá)到9.2 K。600 W時的rRR略高,為5.33。達(dá)到SIS結(jié)的制備要求。

對于遠(yuǎn)程濺射,功率低時,Nb原子飛向襯底過程中,與腔室內(nèi)氣體發(fā)生碰撞幾率高,落到襯底上速率低,薄膜致密性差,粗糙度大,導(dǎo)致Tc、rRR值降低。提高濺射功率后,Nb膜表現(xiàn)出更小的粗糙度,Tc、rRR值提高。應(yīng)力、粗糙度和電學(xué)性質(zhì)具有很強的正相關(guān)。綜上,滿足SIS結(jié)制備要求的Nb膜的較優(yōu)濺射條件為:氣壓0.53 Pa,功率600 W。

表1 不同濺射功率下Nb膜Tc和rRRTab.1 The Tc, and rRR of the Nb film under the different sputtering powers

3 Al膜沉積

Al能夠成為目前SIS結(jié)中I層最成功的材料,得益于Al膜與Nb膜的親潤性極佳,能夠平坦化Nb膜[22,23],5 nm以上的Al膜能較好覆蓋下層粗糙度1 nm左右的Nb膜表面[24],且可以通過氧化氣氛控制SIS結(jié)臨界電流。

研究在150 nm Nb膜上沉積10 nm Al層的表面形貌。由于Al層很薄,不考慮應(yīng)力參數(shù),但需要降低膜表面粗糙度以改善與上層Nb膜的界面,避免出現(xiàn)漏電流,提高界面狀況均勻性。

3.1 濺射功率對Al膜沉積的影響

使用3英寸純度為99.999 5%的高純Al靶材,濺射氣壓和功率對Al成膜都會有影響。對于相同功率,低氣壓濺射速率會變大,粗糙度會變小,但是低氣壓直流濺射時,如果Ar氣不是從靶材處進(jìn)入腔室,靶材啟輝將不穩(wěn)定,造成濺射過程不穩(wěn)定。實驗中磁控濺射系統(tǒng),氣壓0.47 Pa以下不能自動啟輝。實驗中濺射Al的氣壓值選擇與濺射Nb膜相同的 0.53 Pa,改變?yōu)R射功率200～600 W,使用AFM測試150 nm Nb/10 nm Al表面形貌,測量區(qū)域1 μm×1 μm。

圖4 0.53 Pa Ar氣壓,濺射功率與Al沉積速率、Nb/Al表面粗糙度的關(guān)系Fig...4 The deposition rate of Al films and surface roughness of Nb/Al films for different sputtering powers at 0.53 Pa

圖4為不同濺射功率時的濺射速率和粗糙度。濺射功率提高時,粗糙度大幅降低。200 W到300 W,濺射速率過低,在遠(yuǎn)程濺射中,速率過低,Al與腔室內(nèi)殘余氧氣和水分反應(yīng)的幾率大,Al氧化的幾率變大,表面粗糙度均大于2 nm。因此需要提高濺射功率以提高濺射速率。功率大于400 W后,濺射速率大于10 nm/min,粗糙度變化趨勢變緩,且值較小。

圖5是300 W以上功率制備的150 nm Nb/10 nm Al表面的AFM 2D與3D圖像,表面已經(jīng)看不到Nb晶粒的形貌,表面Al膜已經(jīng)完全覆蓋住了底部Nb層。400 W以上功率的樣品表面更加平緩。

圖5 150 nm Nb/10 nm Al薄膜的AFM 2D和3D圖,濺射氣壓為0.53 Pa Fig.5 The AFM 2D and 3D images of 150 nm Nb/10 nm Al films sputtered at 0.53 Pa

圖6展示了450 W、600 W條件經(jīng)歸一化后的峰位分布直方圖。450 W、600 W時,多數(shù)峰深度小于7 nm,且?guī)缀鯚o大于12 nm的峰形成,說明該條件下制備的Al膜更為均勻與平坦。功率過高時,雖然粗糙度低,濺射過程中,Nb膜表面溫度會有所上升,溫度上升對Nb/Al膜其他因素的影響尚不清晰。使用PPMS測試了450 W,0.53 Pa制備的厚度為150 nm的Al膜的電學(xué)性質(zhì),rRR值達(dá)到8.23,表明此條件可以制備高質(zhì)量Al薄膜。因此,粗糙度相差不大的情況下,選擇450 W作為Al膜濺射功率。

圖6 濺射功率為450 W、600 W的峰位分布直方圖Fig...6 Histogram of peak distribution for sputtering power of 450 W and 600 W

3.2 Al膜的氧化

Nb/Al-AlOx/Nb三層結(jié)中AlOx勢壘層的獲得方法有兩種:高純O2氧化,以及Ar/O2混合氣體氧化。其中,Ar/O2混合氣體氧化可以獲得高臨界電流密度,在超導(dǎo)量子比特低溫控制用超導(dǎo)單磁通量子器件中應(yīng)用較多;而超導(dǎo)量子干涉器件用SIS結(jié),臨界電流密度要求低,更多使用高純O2氧化法。

本文Al氧化,在PVD磁控濺射的樣品傳送腔中完成,使用低壓高純O2氧化。在濺射腔室中,沉積Nb/Al雙層并充分冷卻后,將樣品轉(zhuǎn)移至樣品傳送腔室,并關(guān)閉兩腔室間閘板閥,調(diào)節(jié)流量計通入O2到2666 Pa,保持恒氣壓氧化1 h。氧化完成后再傳送回濺射腔室,采用底層Nb膜的濺射參數(shù)濺射上層Nb膜,獲得Nb/Al-AlOx/Nb三層薄膜。

4 SIS結(jié)表征測試

圖7 10 μm×10 μm SIS結(jié)I-V曲線 Fig.7The I-V curve of a typical 10 μm×10 μm SIS junction

基于前述的Nb膜、Al膜的濺射工藝和Al膜氧化參數(shù),制備了三層膜,使用光刻、刻蝕等微納加工技術(shù)制備了Nb/Al-AlOx/Nb結(jié)進(jìn)行驗證,Al-AlOx層厚度為15 nm。圖7為10 μm×10 μm結(jié)在4.2 K低溫下測得的I-V特性曲線。能隙電壓Vg達(dá)到2.6 mV,較厚的Al-AlOx層導(dǎo)致Vg稍有降低,但與國外擁有厚Al層的制得SIS結(jié)水平相當(dāng)[16],表明使用遠(yuǎn)程濺射Nb和Al膜,可以制備出符合SIS結(jié)工藝需求的Nb/Al-AlOx/Nb三層膜。

5 結(jié) 論

本文研究了在遠(yuǎn)程靶基距條件下,磁控濺射制備高質(zhì)量Nb/Al-AlOx/Nb所需的參數(shù)條件,通過不同氣壓和濺射功率條件下的應(yīng)力、粗糙度和電學(xué)性質(zhì)表征,獲得了Nb膜和Al膜的優(yōu)化濺射參數(shù),在0.53 Pa氣壓,600 W濺射Nb膜表現(xiàn)出極小的壓應(yīng)力、平坦的表面、較高的Tc與rRR值;在0.53 Pa氣壓,450 W濺射功率下制備Al膜表面粗糙度小,完全覆蓋底層Nb膜?；谝陨蠗l件獲得的Nb/Al-AlOx/Nb三層膜制備的SIS結(jié)測試結(jié)果表明遠(yuǎn)程濺射制備的薄膜質(zhì)量滿足SIS結(jié)工藝需求。