Tecnica di crescita mediante sputtering

Come vedremo anche nel prossimo capitolo, le proprietà superconduttive di un film di NbN sono strettamente correlate alla sua stechiometria. Fin dall’inizio degli ’70 si è studiata la dipendenza della temperatura critica (Tc) di un film sottile di NbN variando il rapporto Nb/N, ovviamente il

valore che ottimizza Tc dipende dalla tecnica di deposizione adottata. Anche se esistono diverse

tecniche per la realizzazione di film di NbN, come la deposizione chimica da vapori (Chemical

Vapor Deposition, CVD [68]), solitamente film di nitruro di niobio di elevata qualità vengono

cresciuti tramite la tecnica di sputtering (bombardamento) reattivo di un target (bersaglio) di niobio (Nb) mediante un plasma contenente una miscela di azoto (N2) e argon (Ar), il termine

reattivo si riferisce alle specie chimiche presenti nel plasma [69]-[82]. Con questa tecnica un film di NbN può essere sintetizzato ad una specifica pressione parziale di gas reattivo (N2) in un

atmosfera di gas inerte (Ar), mentre, come vedremo in seguito, la stechiometria del film può essere variata in diversi modi passando dallo stato iniziale metallico ad uno finale molto nitridizzato. Il vantaggio principale dello sputtering rispetto alle altre tecniche (come la CVD) è che gli atomi si separano dal target con un’energia maggiore (dell’ordine dell’energia di legame ~5 eV), che rappresenta un parametro cruciale per la microstruttura del film. Film sottili di NbN (spessi poche centinaia di nm) di elevata qualità sono stati realizzati già nei primi studi con tecniche di sputtering reattivo sostenuto sia con un potenziale elettrico a radiofrequenza sia con una differenza di potenziale in continua. Il potenziale a radio frequenza [83] o in continua, [76],[79],[80], viene applicato ai capi degli elettrodi, anodo e catodo, tra i quali si forma il plasma. Per promuovere la struttura microcristallina desiderata di cui parleremo nel prossimo capitolo è inoltre necessario sia mantenere il substrato ad una elevata temperatura (Ts>600°C) sia

lavorare in condizioni di bassa pressione in camera. Questo ci permette di evitare che gli ioni di Nb perdano troppa energia prima di raggiungere il substrato a causa degli urti con le specie chimiche presenti nel plasma. L’interazione degli ioni con le particelle del plasma causa inoltre la randomizzazione dell’angolo di impatto con il substrato (che idealmente dovrebbe essere di 90°). Il valore minimo della pressione di lavoro in un sistema di sputtering è imposto dalla necessità per gli elettroni prodotti dal catodo di interagire con i gas presenti in camera. In questo modo gli elettroni, dando luogo a diversi eventi di ionizzazione, sostengono il plasma, finche non raggiungono l’anodo dal quale vengono assorbiti. La pressione e la temperatura di lavoro possono essere ridotte utilizzando dei magneti Fig. 31 (per una discussione dettagliata vedi [84]).

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Fig. 31: Sezione trasversale della struttra del magnete planare circolare. Il

raggio delle orbite degli elettroni non è in scala per una migliore comprensione, [84].

In questa nuova configurazione la pressione minima necessaria per innescare il plasma è ridotta dall’effetto del campo magnetico (Fig. 31), che intrappola gli elettroni in orbite chiuse intorno al catodo. In questo modo la traiettoria che gli elettroni devono compiere prima di raggiungere l’anodo è notevolmente aumentata. Avendo diminuito la pressione di lavoro, le particelle prodotte per bombardamento mantengono gran parte della loro energia cinetica, il che si riflette in un netto miglioramento delle proprietà superconduttive anche a temperature Ts più basse ([70],

[71], [76], [78], [85], [87]-[92]). In più la localizzazione del plasma sul target ad opera del campo magnetico, ha come risultato un plasma molto meno denso sul substrato rispetto al caso dello sputtering semplice, riducendo anche il bombardamento del substrato da parte degli ioni. In conclusione per le ragioni sopra esposte in questo studio si è scelto di utilizzare come tecnica di deposizione lo sputtering reattivo in DC e nella configurazione con il campo magnetico planare circolare e bilanciato (DC reactive magnetron sputtering in planar, circular balanced

configuration). Questa tecnica è preferibile a quella in cui si usa la radio frequenza poiché si

elimina il bombardamento ionico del substrato che si ha nel caso in RF ogni volta che il potenziale tra i due elettrodi cambia di segno.

Fig. 32 mostra l’impianto da sputtering utilizzato per la crescita dei film superconduttori di nitruro di niobio NbN, situato presso l’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL

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Fig. 32: Impianto per la crescita tramite sputtering utilizzato per la deposizione

dei film superconduttori.

Nel resto del paragrafo ci dedicheremo alla descrizione dell’impianto mostrato in Fig. 32 della cui camera riportiamo uno schema illustrativo in Fig. 33

Fig. 33: Schema illustrativo della camera di deposizione dell’impanto da

sputtering utilizzato per la crescita dei film di NbN

L’impianto utilizzato non è dotato di una camera di carico, quindi ogni volta che si deve caricare o scaricare un campione si deve rompere il ciclo di vuoto e mandare in aria tutto il sistema, questo comporta la necessità una volta riavviato il pompaggio, di dover attendere dei tempi molto

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lunghi prima che la pressione in camera raggiunga il valore di ~1x 10-7 mbar (la pressione in camera durante la fase di pompaggio viene monitorata tramite un sensore pirani nell’intervallo 1000-10-3 mbar e da un sensore a catodo freddo nel range 10-3-10-8 mbar). Durante il pompaggio tutta la camera viene riscaldata a 100°C e le lampade vengono accese a 600°C per permettere alle molecole d’acqua presenti nelle pareti della camera e nelle lampade di degassare e quindi di essere eliminate, in questo modo dopo circa 16 h di pompaggio si riesce a raggiungere un vuoto stabile di base ~1x 10-7 mbar. Anche in questo caso è fondamentale che nella camera di deposizione sia presente il minor numero di sostanze contaminanti possibile, per evitare che ci possano essere interferenze con il processo di formazione del NbN. Una volta raggiunto il vuoto giusto viene immesso in camera l’argon tramite un flussimetro e si lascia stabilizzare la pressione, dopo di che si immette in camera la percentuale desiderata di N2 (come trovare la

giustra concentrazione di N2 verrà descritto nel prossimo capitolo) e si accende il plasma. Le

pressioni in camera durante il processo vengono lette tramite un sensore capacitivo ad alta precisione. Il sistema è dotato di due schermi solidali tra loro posizionati uno vicino al target e uno vicino al porta campioni, in questo modo una volta acceso il plasma possiamo aspettare qualche minuto prima di iniziare il processo di deposizione. In questo modo si può ripulire il

target da eventuali contaminazioni causate dall’esposizione all’aria durante la fase di montaggio.

Dopo aver ripulito il target e dopo aver aspettato un tempo sufficiente affinchè il plasma sia stabile può cominciare la deposizione rimuovendo gli schermi. Lo spessore del film viene controllato tramite il tempo di deposizione e successive misure di spessore con il microscopio a forza atomica AFM (fra una deposizione e la successiva la velocità di crescita del film rimane circa costante). Trascorso il tempo necessario si spegne il plasma e si aspetta che le lampade arrivino ad una temperatura di ~50°C, a questo punto si può spegnere il gruppo di pompaggio e rompere il vuoto per scaricare i campioni ed eventualmente ricaricarne di nuovi per una nuova deposizione.

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