一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種制備鶴娃(WSi)薄膜的方法，具體設(shè)及一種利用磁控共瓣射法制 備超薄鶴娃薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD)的是一種利用超導(dǎo)超薄膜納米線條中的非平衡 態(tài)的熱電子效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子信號(hào)的檢測(cè)的高靈敏光探測(cè)器，具有暗計(jì)數(shù)低、探測(cè)速 度快、響應(yīng)頻譜寬和效率高等特點(diǎn)，是當(dāng)前單光子探測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。SNSPD 的核屯、是利用超薄超導(dǎo)材料制備的納米線，超導(dǎo)薄膜的質(zhì)量直接決定了SNSPD的性能。
[0003] 鶴娃（WSi)薄膜具有非晶特性，并具有較低的超導(dǎo)能隙和較高的光吸收率，因此 可W使其在用于制備高靈敏的SNSPD器件時(shí)克服NbN薄膜的一些局限，在更寬的波段內(nèi)適 用，并有希望在較長(zhǎng)波長(zhǎng)取得較高的探測(cè)效率。
[0004] 目前制備WSi薄膜的方法主要有：化學(xué)氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法、瓣射法等，運(yùn) 些方法制備的薄膜大都存在均勻性不好、成分不易控制等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種利用 磁控共瓣射法制備超薄鶴娃薄膜的方法，利用W祀和Si祀的雙祀共瓣射，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)祀 材的瓣射功率可W靈活的調(diào)整薄膜的組份，從而操控制備薄膜的超導(dǎo)性能。
[0006] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種利用磁控共瓣射 技術(shù)制備超薄鶴娃薄膜的方法，包括W下步驟： (1) 祀材選取 選取純度均為99. 999%的塊狀娃和鶴作為祀材，將祀材放入磁控共瓣射室； (2) 襯底處理 對(duì)襯底依次用超聲波和氣離子清洗，將處理后的襯底送入磁控共瓣射室，置于樣品臺(tái) 上； (3) 制備鶴娃薄膜 磁控共瓣射室的真空度小于等于2X10 5Pa,工作氣體是氣氣，調(diào)節(jié)瓣射氣壓、瓣射功 率、沉積速率和祀材到襯底的距離，經(jīng)過一定時(shí)間瓣射制備鶴娃薄膜。
[0007] 所述的步驟（3)中，瓣射氣壓是0. 8Pa，沉積速率是4. 8nm/min，W祀和Si祀的祀材 到所述襯底的距離都是70mm，所述樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/分鐘。
[0008] 有益效果：本發(fā)明可W靈活的調(diào)整WSi薄膜中W、Si的組份，從而操控制備薄膜的 超導(dǎo)性能。啟動(dòng)樣品臺(tái)上的高速電機(jī)，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速W及其與祀之間間距也保證了薄膜 的均勻性和良好的超導(dǎo)性能，為制備高靈敏的SNSPD器件奠定了基礎(chǔ)，并有希望在較長(zhǎng)波 長(zhǎng)取得較高的探測(cè)效率，WSi薄膜還可W被應(yīng)用于制備超導(dǎo)微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器(MKID)等 多種高靈敏探測(cè)器。
【附圖說明】
[0009] 圖1是Si襯底上的WSi薄膜元素成分圖； 圖2是Si襯底上制備的WSi薄膜的R-T曲線圖； 圖3是相同條件制備的不同厚度WSi薄膜的方阻與厚度的關(guān)系曲線圖； 圖4是MgO襯底上6皿厚WSi薄膜的AFM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運(yùn)些實(shí)施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各 種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0011] 實(shí)施例1 本實(shí)施例包括W下步驟： (1) 祀材選取 選取純度均為99. 999%的塊狀W和Si作為磁控共瓣射的祀材，將祀材放入磁控共瓣射 室； (2) 襯底處理 選取Si作為襯底，將襯底依次泡入丙酬、酒精和去離子水中，使用功率IOOW超聲各 清洗10分鐘，吹干后送入磁控共瓣射儀器的離子銳室，利用氣離子對(duì)其表面進(jìn)行進(jìn)一步清 洗，通入氣氣，離子源加速電壓為500V，離子束流20mA，清洗時(shí)間3分鐘。離子銳結(jié)束后， 再將其送入磁控瓣射室； (3) 制備WSi薄膜 共瓣射制備WSi薄膜，采用如表1所示的條件，瓣射時(shí)間是15min，制得WSi薄膜厚度是 73nm〇
[00。] 實(shí)施例2 本實(shí)施例中步驟（3)瓣射時(shí)間為53s、lminl2s、Imin48s、3min、7min25s、15min，其他實(shí) 施條件和實(shí)施例I相同，相應(yīng)制得的WSi薄膜厚度分別是4皿、6皿、8皿、15皿、36皿、73皿。 陽(yáng)〇1引實(shí)施例3 本實(shí)施例中步驟（2)的襯底選用MgO,瓣射時(shí)間為54秒，其他實(shí)施條件和實(shí)施例1相 同。
[0014] 我們使用俄歇電子能譜（AE巧的方法，分析了實(shí)施例1制備的WSi薄膜各元素成 分在厚度上的分布，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可W看出，在瓣射功率為W祀50W、Si祀IOOW 時(shí)，W和Si元素所占比例分別約為70%和20%，C和0元素共占比小于10%。
[0015] 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是衡量超導(dǎo)薄膜超導(dǎo)性能的一個(gè)重要參數(shù)。在液氮杜瓦下，我們使 用四端子測(cè)電阻法，測(cè)量了實(shí)施例1制備的WSi薄膜的電阻-溫度曲線，結(jié)果如圖2所示： 其73nm薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)5. 105K，而Snm薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)4. 723K，另外運(yùn)種WSi薄 膜具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，在干燥箱中放置一段時(shí)間后再次測(cè)量其電阻-溫度曲線，結(jié)果 仍保持不變，可見所制備的WSi薄膜仍保持原有的超導(dǎo)性能，運(yùn)保證了后繼制備器件的穩(wěn) 定性。
[0016] 另外利用實(shí)施例2制備的不同厚度的WSi薄膜，測(cè)量其方阻，如圖3所示。從圖中 可W看到，一般情況下，薄膜的方阻隨著薄厚的增加而減小，特別是薄膜厚度小于10nm時(shí)， 其方阻會(huì)迅速提高，根據(jù)運(yùn)一規(guī)律，我們可W利用方阻來確定所制備薄膜的厚度，W及初步 篩選樣品。
[0017] 根據(jù)實(shí)施例3,我們?cè)贛gO襯底上制備了6 nm厚度的WSi薄膜。我們利用原子力 顯微鏡（AFM)對(duì)此樣品的表面平整度進(jìn)行了測(cè)量，選取的掃描范圍為5 ym*5 ym范圍，掃描 結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，此WSi樣品在5 y m*5 y m的范圍內(nèi)表面平整度均方根（RMS) 為0. 184nm，運(yùn)表明我們?cè)贛gO襯底上制備的WSi薄膜表面平整度較好，同時(shí)也表明我們制 備的WSi薄膜完全能夠滿足制備器件的后續(xù)工藝的要求。
[0018] 大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用磁控共瓣射技術(shù)在不同襯底上制備WSi薄膜時(shí)，經(jīng)過 優(yōu)化得到的優(yōu)化條件為：W的瓣射功率為50W、Si的瓣射功率為100W。此種條件下制備的 WSi薄膜能獲得較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，且WSi薄膜質(zhì)量滿足制備器件的要求，為SNSPD、超導(dǎo) 微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器(MKID)等器件的制備和優(yōu)化提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 靶材選取 選取純度均為99. 999%的塊狀硅和鎢作為靶材，將所述靶材放入磁控共濺射室； (2) 襯底處理 對(duì)襯底依次用超聲波和氬離子清洗，將處理后的襯底送入磁控共濺射室，置于樣品臺(tái) 上； (3) 制備鎢硅薄膜 磁控共濺射室的真空度小于等于2X 10 5 Pa，工作氣體是氬氣，調(diào)節(jié)濺射氣壓、濺射功 率、沉積速率和靶材到襯底的距離，經(jīng)過一定時(shí)間濺射制備鎢硅薄膜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述的步驟（2)中，超聲波功率為100W，清洗時(shí)間是lOmin。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征 在于：所述的步驟（2)中，將超聲波清洗過的襯底送入離子銑室，通入氬氣，利用氬離子對(duì) 所述襯底的表面進(jìn)行進(jìn)一步清洗，離子源加速電壓是500V，離子束流是20mA，清洗時(shí)間是 3min〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述的步驟（3)中，濺射功率是W靶直流50W，Si靶交流100W。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述的步驟（3)中，濺射氣壓是0. 8Pa，沉積速率是4. 8nm/min，W靶和Si靶的靶材到所 述襯底的距離都是70 mm，所述樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/分鐘。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述的步驟（3)中，派射時(shí)間為15min，所述媽娃薄膜的厚度為73nm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述襯底為高阻硅襯底或氧化鎂襯底。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在 于：所述步驟（3)中，工作氣體氬氣的純度為99. 999%。
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用磁控共濺射法制備超薄鎢硅薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：靶材選取，選取高純硅和鎢作為靶材，將靶材放入磁控共濺射室；襯底處理，對(duì)襯底依次用超聲波和氬離子清洗，將處理后的襯底送入磁控共濺射室，置于樣品臺(tái)上；制備鎢硅薄膜，磁控共濺射室的真空度小于等于2×10-5Pa，工作氣體是氬氣，調(diào)節(jié)濺射氣壓、濺射功率、沉積速率和靶材到襯底的距離，經(jīng)過一定時(shí)間濺射制備鎢硅薄膜。本發(fā)明制備出了符合預(yù)期，較為穩(wěn)定的WSi超導(dǎo)薄膜，并優(yōu)化獲得了最佳制備條件，為制備高靈敏的超導(dǎo)單光子探測(cè)器（SNSPD）奠定了基礎(chǔ)。
【IPC分類】C23C14/35
【公開號(hào)】CN105154840
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510628815
【發(fā)明人】賈小氫, 付鳳鳳, 康琳, 吳培亨
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日