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摘 要

我们在室温下利用直流磁控溅射工艺制备了单晶NbN薄膜。XRD(X射线衍射)研究分析表明，我们获得了单晶结构良好的NbN薄膜，并对其超导电性做了初步的研究；又利用射频磁控溅射工艺制备了取向较好的AlN薄膜。XRD结果证实，制备的AlN薄膜具有(002)择优取向的六方纤锌矿晶体结构。另外本文通过抗电测试对其抗电强度进行了研究。最后通过AFM分析比较生长在硅基片上和氧化镁基片上薄膜的平整度。

关键词：NbN，AlN，XRD，磁控溅射，超导电性，抗电强度

Abstract: We produced single crystal NbN films using the DC magnetron sputtering system with the room temperature, XRD (X-ray diffraction ) analysis shows that the structure of NbN thin film crystal is good, and the superconductivity was studied preliminary. We also obtained AlN thin film which is well oriented by using RF magnetron sputtering method. The results of XRD confirm that the AlN films with (002) preferred orientation have six wurtzite crystal structure. Based on the electrical resistance test, its resistance to electric intensity were studied in this paper.

Key words: NbN, AlN, XRD, Magnetron sputtering, Superconductivity, Breakdown voltage

目 录

1 前言 4

2 磁控溅射法 4

2.1 磁控溅射原理与技术 4

2.2 射频磁控溅射的特点 6

2.3 直流磁控溅射的特点 7

3 MgO基片上氮化铌薄膜的制备与分析 7

3.1 氮化铌薄膜的制备 7

3.2 氮化铌薄膜的XRD分析 7

3.3 氮化铌薄膜的XPS分析 8

4 MgO基片上氮化铝薄膜的制备与分析 9

4.1 氮化铝薄膜的制备 9

4.2 氮化铝薄膜的XRD分析 9

4.3 氮化铝薄膜的抗电强度分析 9

5 Si基片上氮化铌薄膜的制备与分析………………………………………...11

5.1 氮化铌薄膜的制备………………………………………………………..11

5.2 氮化铌薄膜的AFM分析……………………………………………........11

结 论 12

参 考 文 献 13

致 谢 14

1 前言

NbN是一种非常好的超导材料，与纯Nb相比，NbN具有较高的超导转变温度(16.1K)，更高的工作温度(10K以上)，较窄的转变宽度（0.1K）以及更高的工作频率(1.4THz)。此外，NbN的结晶情况对其超导性能有很大的影响，单晶NbN薄膜的性能要大大优于多晶薄膜^[1]；在低温和高温下也有很好的稳定性^[2]；氮化铌在超导态下还有很好的磁稳定性，在4.2K时临界磁场为25T^[3]，远高于铌本身的临界磁场强度。

作为III族宽带隙绝缘材料，具有电阻率大、导热系数高、化学和热稳定性能好、击穿场强高、能隙电压(6.2eV)高的AlN材料正被广泛应用于光电子学、声表面波器件及集成电路等相关领域。AlN材料不论是在光电器件等应用领域，还是作为器件的绝缘层，都要求其具有优秀的外延结构和平整的表面和界面形貌。因此需要研制具有优质外延结构的AlN薄膜。此外，作为目前微电子领域中最常用的绝缘材料SiO2薄膜，其在许多领域仍受到限制，比如在高温、高功率的电路中的限制。所以研究具有高热传导性能的绝缘薄膜及其制备技术具有很深远的意义。我们可以把SiO2薄膜用热传导性能较好的绝缘层如：用AlN等材料取代来解决此问题。

2 磁控溅射法

2.1 磁控溅射原理及技术

溅射镀膜如直流二极(三极)溅射或射频溅射等的最大缺点是溅射速率较低，与蒸发镀膜速率相比要低一个数量级。又如直流二极溅射需要的放电电压很高，处于阳极的基体要受到高能粒子的轰击而损伤，并引起基体温度升高，这也是不希望存在的。二十世纪70年代中期发展起来的磁控溅射技术克服了上述溅射镀膜的“低速”和“高温”等缺点并保持了其优点，使其得以迅速发展和广泛应用。目前，磁控溅射已成为重要的薄膜沉积技术之一。

若建立与靶表面平行的磁场和垂直靶面电场结构的正交电磁场，那么从靶表面上打出的初始电子，在电磁场作用下会被压缩在近靶面做回旋运动，延长了到达阳极的路程，大大增加了与气体原子的碰撞电离，因而提高了溅射率。实际上电子在正交场中的运动很复杂，在此仅作一简单介绍，如图1所示。

图1 表面有正交电磁场平板阴极电子运动

阳极加正电压U₀，在负Z方向建立阴极表面场B，近阴极表面磁场强度最强。设定从阴极表面被离子轰击发射出的初始电子的初速度v₀为零(实际上有近5eV能量)。电子受Y向电场力作用向阳极运动，其速度为v_y，同时受磁场力作用向X方向运动，其速度为v_x。综合作用结果，电子将作回旋运动，回旋半径为r，其运动轨迹为一摆线。在任一点，电子受X，Y方向力，具有两个方向(v_x,v_y)分速度。阴极表面建立磁场后，除存在电子趋向阳极的放电电流外，还存在E×B方向漂移电流。当电子初始能大于在轨道运行中由电场感应产生的能量时，其轨迹近于螺形运动，如图1所示。

经过阴极压降区加速后具有数百eV能量的初始电子，被磁场压缩在近阴极表面负辉区使电子向阳极迁移率比元磁场时约小4个数量级，从而电子到达阳极路径大为延长，在与气体原子频繁碰撞时产生大量离子，离子被加速轰击阴极，实现高速率溅射。另一方面，等离子体中存在的固有振荡现象产生的径向电场，使初始电子在作E×B方向漂移的同时趋向阳极方向运动。当初始电子多次碰撞，损失其能量后成为慢电子时，脱离负辉区进入弱电场区，回旋半径变小，迁移率变低，最后到达阳极被吸收。若阴极表面磁场太强，初始电子将返回阴极被俘获。由于初始电子被压缩在近阴极表面，因静电力的作用，使产生的离子也被限制在这一区域内，因此位于阴极暗区以外的衬底未进入稠密等离子体中，使衬底不会严重遭受粒子轰击。

图2 磁控溅射工作原理

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