Caractérisation physico-chimique de couches minces de niobium déposées par pulvérisation magnétron sur la surface interne de cavités électromagnétiques accélératrices

= Physico-chemical characterisation of magnetron sputtered niobium films deposited on the inner surface of radiofrequency accelerating cavities

• Auteur / Autrice : Denis Vion
• Direction : Pierre François Gobin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1993
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA ; 1975-2007)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Centre européen pour la recherche nucléaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Niobium -- Composés

Imagerie de résistivité électrique

Résumé

Les performances énergétiques des cavités accélératrices supraconductrices en cuivre massif recouvertes intérieurement d'un film de niobium, dépendent de la résistivité dudit film à basse température. Cette résistivité est elle-même fonction de la nature et de la quantité des défauts introduits dans les films durant leur élaboration par pulvérisation magnétron. Des films de rapport résistif résiduel (RRR) d'environ 60 ont été produits sur des substrats de cuivre préalablement recuit, s:simultanément à des films de RRR d’environ 20, déposés sur cuivre non recuit. Divers moyens de caractérisation ont été mis en œuvre sur les deux types de films, afin de déterminer quels sont les défauts majoritairement responsables de leur résistivité. Les observations en microscopie électronique révèlent que seuls les films de forts RRR présentent des grains en relation d'épitaxie avec le substrat la taille moyenne de ces grains est de deux à trois fois plus importante que pour les films de RRR faibles. Les mesures par diffraction X montrent que les déformations et micro-déformations sont sensiblement égales pour les deux types d'échantillons. Il en est de même de la teneur en argon des films mesurée par thermo-désorption. Les tentatives de masure des teneurs en impuretés interstitielles se sent révélées infructueuses. Il est cependant que la résistivité des films n'étant pas en épitaxie sur le substrat, est due aux joints de grains, la. Résistivité spécifique moyenne de ces derniers étant comprise entre 3 et 4. E ( -16) Ohm mètre carré. Ces travaux montrent que l’amélioration des couches de niobium des cavités passe par une optimisation de la préparat1on du substrat en cuivre.

The energy efficiency of niobium coated superconducting radio frequency accelerating cavities is a function of the electrical resistivity at low temperature in the normal conducting state. This resistivity depends on the nature and the number of the different kinds of defects introduced in the films during their growth by magnetron sputtering. Some films with a residual resistivity ratio (RRR) of about 60 deposited en annealed copper substrates, and some films with an RRR of about 20 deposited on non-annealed copper were produced simultaneously Variation measurement methods were used on both kinds of film in order to defect plays the major role in determining the resistivity. Transmission Electronic Micros shows that only those films with high RRR have their Nb grains epitaxially grown on the Cu. These grains are two to three times larger than those of low RRR films. X-Ray Diffraction measurements show that deformations and micro deformations are approximately the same in both kinds of sample. It is also the case for argon entrapment during growth, measured by Vacuum Hot Extraction. Interstitial impurities contents were too low to be measured. It is although clear that the resistivity of non-epitaxialy grown films is due to grain boundaries. Their specific resistivity is about 3-4. E (-16) Ohm meter square. 'This work shows that quality improvement of Nb films requires an optimisation of the CU substrate pre-treatment.