用于超导共面波导谐振器的溅射 TiN 薄膜

我们通过在超高真空反应磁控溅射腔室中改变沉积条件，对 TiN 薄膜的性质进行了系统研究。在保持 Ti(1-x)N(x) (x=0.5) 近乎化学计量比成分的同时，将沉积压力从 2 mTorr 增加到 9 mTorr，薄膜电阻率增加，主导晶体取向从 (100) 变为 (111)，晶界变得更加清晰，强压应变转变为弱张应变。TiN 薄膜在沉积后暴露于空气中时，会吸收高浓度的污染物，包括氢、碳和氧。当靶材 - 衬底距离设定为 88 mm 时，随着压力从 2 mTorr 增加到 9 mTorr，污染物水平从约 0.1% 增加到约 10%。污染物浓度还与距衬底中心的平面内距离相关，并且当靶材 - 衬底距离从 88 mm 增加到 266 mm 时，污染物浓度增加了大约两个数量级。研究发现这些污染物强烈影响 TiN 薄膜的性质。例如，随着氧含量从 0.1% 增加到 11%，化学计量比薄膜的电阻率增加了约 5 倍。这些结果表明，溅射 TiN 粒子能量对于决定 TiN 薄膜性质至关重要，控制该能量对于获得高质量 TiN 薄膜非常重要。由一系列在 2 mTorr 至 7 mTorr 压力下生长的近乎化学计量比薄膜制成的超导共面波导谐振器显示，随着压应变幅值从近 3800 MPa 减小到约 150 MPa 且氧含量从 0.1% 增加到 8%，其本征品质因数从约 10^4 增加到约 10^6。具有较高氧含量的薄膜表现出较低的损耗，但氧掺入的不均匀性阻碍了溅射 TiN 在更大规模电路中的应用。