INVESTIGATION OF THE SPUTTERING CONDITIONS ON THE DEPOSITION OF THE NbN THIN FILMS ONTO GLASS AND Si/SiO SUBSTRATES

Year 2020, Volume: 16 Issue: 1, 71 - 83, 29.04.2020

Atilgan Altınkök

Abstract

NbN thin films are very useful superconducting materials for the electronic devices. Using sputter deposition technique is a cheap alternative to produce of NbN thin films on glass or SiO for the technology applications. The NbN films was coated on glass and SiO/Si substrates by DC magnetron sputtering tehcnique. Pure Nb target was used the production of NbN thin films in different compositions of Argon and nitrogen gases. The effects of different substrate temperatures, sputtering power and, various ratios of Nitrogen/Argon gases were investigated on Superconducting Critical Temperature (Tc). It is seen that increasing the substrate temperature or sputtering power resulted in increased on the Tc. Thereby optimum condition values are deduced by the Residual Resistance Ratio (RRR) calculation and resistance-temperature (R-T) curves. It is observed that the substrate temperature and the flux of nitrogen gas effect (111) preferential orientation during the deposition, whereas the critical temperature of the thin films is affected by the of deposition chamber vacuum. Tc is also highly dependent on the Nitrogen and Argon pressures on sputtering deposited NbN films.

Keywords

Transition Temperature, Niobium Nitride (NbN), Thin Films, Residual-Resistance Ratio, Superconductivity

CAM VE Si/SiO ALTTAŞ ÜZERİNE KAPLANAN NbN İNCE FİLMLERİN KAPLAMA KOŞULLARININ ARAŞTIRILMASI

Abstract

NbN ince
filmler elektronik cihazlar için çok kullanışlı süper iletken malzemelerdir.
Püskürtme
biriktirme tekniğini kullanması teknoloji uygulamaları için cam veya SiO
üzerinde NbN ince filmlerin üretilmesi için ucuz bir alternatiftir. . Bu
çalışmada, NbN ince filmler, reaktif magnetron püskürtme yöntemi ile cam, Si ve
SiO alt tabakaları üzerine kaplanmıştır. Saf Nb metali, Argon ve azot gazlarının
farklı karşım oranlarında NbN ince filmlerinin üretimi için kullanılmıştır. Çeşitli
alttaş sıcaklıkları, püskürtme gücü ve Argon / Azot gazı oranının süperiletken
geçiş sıcaklığı (T_c)  üzerine
etkileri araştırılmıştır. Alttaş
sıcaklığının veya püskürtme gücünün arttırılmasının T_c'yi de arttığı
görülmüştür. Bunun sonunda optimum sıcaklık değerleri, direnç-sıcaklık (R-T)
eğrileri ve Artık Direnç Oranı (RRR) hesaplaması yardımı ile bulunmuştur.
Kaplama sırasındaki alttaş sıcaklığının ve azot gazı akış değerlerinin tercih
edilen yönlendirmeyi güçlü bir şekilde etkilediği gözlenirken, ince filmlerin
kritik sıcaklığı orijinal vakumun kalitesinden etkilenmektedir. Ayrıca T_c üretilen NbN filmlerinin
kalitesi kaplama işlemi süresindeki Azot ve Argon basınçlarına da oldukça
bağımlıdır.

Keywords

Kritik Sıcaklık, NbN, İnce Film, Kalıntı Direnç Oranı, Süperiletkenlik

References

• [1] M.S. Wong, W.D. Sproul, X. Chu, S.A. Barnett, (1993).”Reactive magnetron sputter deposition of niobium nitride films” J. Vac. Sci. Technol. Vol A 11, pp. 1528-1533.
• [2] S. K. Kim, B. C. Cha, and J. S. Yoo, (2004) “Deposition of NbN thin films by DC magnetron sputtering process,” Surface and Coatings Technology, vol. 177-178, pp. 434–440.
• [3] J. J. Olaya, S. E. Rodil, and S. Muhl, (2008) .“Comparative study of niobium nitride coatings deposited by unbalanced and balanced magnetron sputtering,” Thin Solid Films, vol. 516, no. 23, pp. 8319–8326.
• [4] Kulwant Singh, A. C. Bidaye, and A. K. Suri C. S. Sandu, (2011). “Magnetron Sputtered NbN Films with Nb Interlayer on Mild Steel” International Journal of Corrosion, Vol. 2011, pp. 1-11.
• [5] Hoshi Y., Terada N., Naoe M., Yamanaka S., (1984). “Fabrication of High Tc NbN Films by Ion Beam Deposition Technique”. In: Clark A.F., Reed R.P. (eds) Advances in Cryogenic Engineering Materials. Advances in Cryogenic Engineering, vol 30. Springer, Boston, MA,
• [6] M Kidszun, R Hühne, B Holzapfel and L Schultz, (2011). “Ion-beam-assisted deposition of textured NbN thin films” Supercond. Sci. Technol. 23, pp. 025010-025018.
• [7] G. Cappuccio, U. Gambardella, A. Morone, S. Orlando, and O. P. Parisi, (1997). “Pulsed laser ablation of NbN/MgO/NbN multilayers,” Applied Surface Science, vol. 109, pp. 399–402.
• [8] Y. Ufuktepe, A.H. Farha, S.I. Kimura, T. Hajiri, K. Imura, M.A. Mamun, F. Karadag, A.A. Elmustafa, H.E. Elsayed-Ali, (2013). “Superconducting niobium nitride thin films by reactive pulsed laser deposition”, Thin Solid Films, Vol. 545, Pp. 601-607.
• [9] M. Benkahoul, E. Martinez, A. Karimi, R. Sanjinés, F. Lévy, (2004). “Structural and mechanical properties of sputtered cubic and hexagonal NbNx thin films”, Surf. Coat. Technol., 180-181, pp.178-183.
• [10] Z. Wang, A. Kawakami, Y. Uzawa, B. Komiyama, (1996). “Superconducting properties and crystal structures of single-crystal niobium nitride thin films deposited at ambient substrate temperature”, J. Appl. Phys., 79, pp.7837-7842
• [11] S. Chockalingam, M. Chand, J. Jesudasan, V. Tripathi, P. Raychaudhuri, (2008). “Superconducting properties and Hall effect of epitaxial NbN thin films”, Phys. Rev. B., 77, pp. 214503.
• [12] L. Kang, B. B. Jin, X. Y. Liu, X. Q. Jia, J. Chen, Z. M. Ji, B. G. Wang, (2011). “Suppression of superconductivity in epitaxial NbN ultrathin films”. Journal of Applied Physics, 109(3), pp. 033908.
• [13] S. Ezaki, K. Makise, B. Shinozaki, T. Odo, T. Asano, H. Terai, Z. Wang, (2012). “Localization and interaction effects in ultrathin epitaxial NbN superconducting films”. Journal of Physics. Condensed Matter : An Institute of Physics Journal, 24(47), pp. 475702.
• [14] C. S. Sandu, M. Benkahoul, M. Parlinska-Wojtan, R. Sanjin´es, and F. L´evy, (2006). “Morphological, structural and mechanicalproperties of NbN thin films deposited by reactive magnetronsputtering,” Surface and Coatings Technology, vol. 200, no. 22- 23, pp. 6544–6548.
• [15] R. Sanjinés, M. Benkahoul, C.S. Sandu, P.E. Schmid, F. Lévy, (2006). “Electronic states and physical properties of hexagonal β-Nb2N and δ′-NbN nitrides”, Thin Solid Films, vol 494, 1-2, pp. 190-195.