对高频腔内壁镀膜，直流（脉冲）磁控溅射法具有镀膜结构简单，可操作性强、适宜于工程化应用等特点。所以采用该方法进行铜腔内壁镀铌，镀膜系统示意图如图2所示：阴极靶采用空心圆柱型高纯铌靶（RRR~300），外径22.5 mm，内径17.5 mm。在铌靶中心放置两块s-s相对的永磁体磁环，其矫顽力 Hc=1100 kA/m，在磁场约束作用下等离子体在磁环周围形成，进而通过控制磁环相对于高频腔的位置来实现铌薄膜的生长分布，优化整腔镀膜厚度的均匀性。另外为及时将铌靶中的热量导出，冷却水温度设定为15℃，冷却水流速为3 L/min，镀膜装置实物图如图3所示。

相比于国际传统的镀膜结构，该镀膜装置将高频腔放置于另一真空腔体中，在真空腔体与铜腔之间采用钽制成的片状加热体，可以用于真空抽气时的烘烤以及在镀膜时为铜腔加热，并通过热电偶实时监测腔壁的温度，加热片和温度探头位置示意图如图2所示。该结构的主要优势有：①可获得更高的衬底温度。②避免铜腔在大气环境中的烘烤温度大于200℃时，外表面氧化物污染高频腔内表面，从而引起打火而导致高频腔失超等。将高频铜腔放在真空室内的缺点是使镀膜系统结构变复杂。

本实验采用纯度为5N（99.999%）的Kr气作为放电气体，以降低薄膜中残留的杂质浓度^[17]，另外Kr易于抑制等离子体的不稳定性^[18]。在镀膜过程中使用残余气体质谱仪分析Kr纯度或残余气体占比，图4所示为采用差分方法测量镀膜腔室内充入Kr气后各种气体成分的谱图。真空室内充入Kr后杂质气体分压低于10⁻⁷ Pa量级。

为提高铌薄膜的质量和镀铌超导铜腔的超导射频性能，需获得尽可能高的本底真空度^[19-22]。对于超高真空的获得，高温烘烤是提高真空度最有效的方法。由于无氧铜材料无法耐受过高温度（高温将使铜材料退火而降低强度），烘烤最高温度设为400℃，以有效降低铜腔内部或表面的残余气体。镀膜系统采用两台350 L/s分子泵抽气，经过图5所示温度曲线烘烤后，在系统降温到200℃时真空度达到3×10⁻⁷ Pa，温度降至常温后真空度达到5×10⁻⁸ Pa水平，此时残余气体主要以H₂、CO为主。

衬底表面的处理对于提高铌薄膜的超导性能非常关键^[23]。同时，基底的粗糙度对薄膜的粗糙度有很大的影响^[24]。本实验中的基底表面处理流程为机械抛光、超声波清洗、酸洗^{[25- 26]}。机械抛光用于去除基底表面肉眼可见的划痕和缺陷，超声波清洗在去油液作用下去除油污染，最后采用CERN铜表面酸洗配方SUBU处理^[27]。

在高频铜腔镀膜前，采用尺寸与安装方式相同的样片腔（采用不锈钢制作，用于安装铜、硅基底等样片）进行镀膜参数的调试与优化。将无氧铜、单晶硅等基底样片固定于样片腔的不同部位，用于表征腔内各个位置的薄膜生长特性。将样片腔/铜腔固定在镀膜室下端CF400法兰的底座上，如图6所示。阴极靶固定在上端CF400法兰上且与镀膜腔室同轴。将下端CF400法兰与样片腔/铜腔一起垂直向上移动，然后与镀膜腔室封接。在安装中需保证样片腔/铜腔与阴极靶同轴，以保证等离子体的正常放电以及薄膜厚度在样片腔/铜腔内壁圆周方向的均匀性。通过上下往复匀速移动磁环来控制等离子体在阴极靶表面附近的移动，从而控制薄膜在样片腔/铜腔内壁以较低的速率生长，并且薄膜厚度在上下束管具有相同的均匀性。镀膜结束后待真空腔内温度冷却至室温后，通入高纯氮气（5N）以破坏真空取样。

通过样品腔的镀膜试验及其参数优化，合理的镀膜参数为：衬底温度200℃，真空度3×10⁻⁷ mbar（腔内温度200℃），放电气压0.5 Pa，占空比0.6，脉冲频率35 kHz，放电电流3 A，放电电压450−580 V（随高频腔轴向形状结构变化而变化），镀膜时长100 min，磁环在高频腔范围内以1 mm/s速度上下扫描，赤道位置薄膜厚度1 μm左右，而束管位置3 μm左右。

采用德国布鲁克（Bruker）公司生产的 D8 Advance高分辨XRD分析铌膜的晶相结构，并根据Scherrer 公式计算出铌膜的晶粒尺寸。采用日本日立公司生产的 S-4800扫描电子显微镜对铌膜表面形貌以及断面形貌进行观察。采用德国Carl Zeiss 公司生产的Auriga 聚焦离子束扫描电镜（FIB）对铌膜内部缺陷、微观结构进行观察。对于铌薄膜的Tc值使用的是美国量子设计公司型号MPMS-3的磁性测量系统进行测试，实验中使用了零场冷（ZFC）和场冷（FC）两种降温方式，测试的背景场大约为100 Oe (远小于铌的H_c1=170 mT)。

薄膜缺陷的存在极大地提高了铌薄膜在高频电磁场下的损耗，从而显著降低超导性能，是铜镀铌腔Q₀值下降的重要原因。镀膜过程中的工作气压、基底偏压、沉积时长、放电功率以及真空室清洁度等对薄膜缺陷有显著影响^[28]。实验研究结果表明，铌膜内部缺陷密度随镀膜时间增加而增大，如图7所示，在铌膜1/2厚度以下范围内缺陷空洞仅有2个，但在厚度1/2以上范围内缺陷空洞数量明显增大，达到16个，缺陷密度达10.23/µm²，并且缺陷空洞的孔径也在增大。这主要是由于在等离子体震荡中，部分原子或分子逐渐聚集形核长大成为颗粒；另外，溅射原子随机漂移扩散至镀膜室内壁形成的的薄膜，随着放电时间增长而增大，最终导致薄膜内部应力增加而脱落，脱落的薄膜以杂质形式落在衬底上，充当形成缺陷的种子源，导致铌膜内部缺陷随薄膜沉积时长增加而增多。

在实验前期，随着镀膜次数的增加，安装铜腔的不锈钢真空腔室内有脱落的薄膜沉积。导致铌薄膜在束管部位存在局部脱落问题，如图8（a）所示。因此每次镀膜实验前用HF酸、超声波清洗阴极铌靶，并清洗连接腔体，最终铌薄膜脱落问题得到解决，如图8（b）所示。铌膜肉眼初步观察质量优异、结合力良好，并且在50 MPa高压水冲洗下和液氮反复浸泡后薄膜无脱落起皮现象。

薄膜生长的晶体取向与沉积条件和衬底晶体取向相关。A.R. Wildes^[29] 在总结外延生长和使用溅射方法在单晶石英（Al₂O₃）基底上制备铌薄膜时，发现铌膜的晶体取向主要有（110）、（001）、（111）、（211）四种。本实验中的铌薄膜是在多晶无氧铜基底表面生长所获得，XRD晶相图如图9所示。XRD结果表明，铌薄膜主要以（110）（200）（211）（220）取向生长。使用XRD数据分析软件计算得到的各个晶向下的晶粒度与晶粒尺寸如表1所示，其中晶粒尺寸由式(1)计算得到。从表中可以看到，Nb（110）晶面的晶粒尺寸最大，为47 nm，但是晶粒度却较低，为30.9%。

式中，D为晶粒尺寸(nm)。K为Scherrer常数，其值为0.89，一般取1。$ \lambda $为X射线波长，Cu靶为0.154056 nm。$ \beta $为积分半高宽度，在计算的过程中，需转化为弧度(rad)。$ \theta $为衍射角。

图10是Nb17薄膜升温测试过程中磁化强度随温度的变化曲线M(T)，由于在超导转变温度附近，FC曲线的取点不够密，结果误差大，因此根据ZFC曲线来确定T_conset的数值：样品Nb17（高频腔cell位置）的T_conset为9.08 K，如图10左所示；样品Nb17（高频腔上束管位置）的T_conset为9.26 K，如图10右所示。相比于高频腔束管部位，椭球cell部位的半径更大，因此在镀膜过程中，cell部位的铌原子入射角范围分布更广，极端情况下可能接近90°，导致该位置的薄膜生长质量相比于束管部位产生更多表面缺陷。这些表面缺陷在高频微波的作用下，会导致场致发射或者热溃失超等问题。所以铌薄膜的超导转变温度束管区域高于cell区域，并达到了铌材的理论超导转变温度值。

采用直流磁控溅射法实现了1.3 GHz铜腔镀铌。镀膜装置能够实现10⁻⁸ Pa数量级的超高真空本底，同时结合真空炉的设计思路，镀膜腔室内温度能够达到600℃以上。通过移动磁体组件控制等离子体在高频腔内的位置，从而可以很好地控制薄膜的生长速率以及薄膜的厚度，从而实现了铌膜厚度在高频腔轴向方向的均匀性。

在镀膜参数摸索阶段，首先采用与无氧铜原型腔尺寸相同的样片腔，并在其内壁安装样片的方式镀膜，便于薄膜表面形貌、晶相结构、超导转变温度等参数的测试与表征。通过实验结果分析发现镀膜腔室内的超高洁净环境是保证薄膜附着稳定、降低薄膜内部缺陷密度的必要条件。

通过镀膜参数的优化，在解决薄膜脱落问题后，确定镀膜参数为：衬底温度200℃，本底真空度8×10⁻⁸ Pa（腔内温度200℃），放电气压0.5 Pa，占空比0.6，脉冲频率35 kHz，放电电流3 A，放电电压450−580 V（随高频腔形状结构而变化），镀膜时长100 min等，完成编号Nb19铜腔的镀膜。镀膜结果显示良好，并完成了多次垂直测试。铜镀铌腔性能在Q₀>10⁸下达到了5 MV/m，对应峰值磁场24 mT，但同样存在Q-slope问题。作为国内研制的第一只 1.3 GHz 单 cell 铜镀铌薄膜超导腔，虽与国外镀膜腔的结果存在一定差距，但该腔垂测结果表明已实现超导，且未见明显缺陷，这为后续进一步改善铌膜质量，提高镀膜超导腔性能，以及尝试在铜基底上进行其他超导材料（NbN、Nb₃Sn）的镀膜奠定了良好的基础。