Fabricación y caracterización de resonadores superconductores

Resumen

resonadores de microondas superconductores son de interés para la detección de aplicaciones de computación cuántica, la luz y caracterización de materiales. Este trabajo presenta un procedimiento detallado para la fabricación y caracterización de los parámetros de dispersión resonador superconductor de microondas.

Resumen

resonadores de microondas superconductores son de interés para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo para su uso como detectores de microondas cinética de inductancia (MKIDs) para la detección de firmas astrofísicas débiles, así como para aplicaciones de computación cuántica y la caracterización de materiales. En este trabajo, se presentan los procedimientos para la fabricación y caracterización de resonadores de película delgada superconductora de microondas. La metodología de fabricación permite la realización de superconductor de resonadores de línea de transmisión con las características de ambos lados de un dieléctrico de silicio de cristal único atómicamente lisa. Este trabajo describe el procedimiento para la instalación de dispositivos de resonador en un banco de pruebas de microondas y criogénico de enfriamiento por debajo de la temperatura de transición superconductora. La puesta en marcha del banco de pruebas de microondas criogénico permite a uno hacer cuidadosas mediciones de la transmisión de microondas compleja de estos dispositivos resonadores, lo que permite la extracción de la properties de las líneas de superconductores y sustrato dieléctrico (por ejemplo, factores de calidad interno, la pérdida y fracciones de inductancia cinética), que son importantes para el diseño del dispositivo y el rendimiento.

Introducción

Los avances en la instrumentación astrofísica han introducido recientemente resonadores de microondas superconductores para la detección de luz infrarroja ^{1 -.} Resonador ⁴ Un superconductor responderá a la radiación infrarroja de la energía E = hv> 2Δ (donde h es constante, v de Planck es la frecuencia de la radiación y Δ es la energía hueco superconductor). Cuando el resonador se enfría a una temperatura muy por debajo de la temperatura crítica del superconductor, esta radiación incidente rompe pares de Cooper en el volumen del resonador y genera excitaciones cuasipartícula. El aumento en la densidad de las excitaciones cuasipartícula cambia la inductancia cinética, y por lo tanto la impedancia compleja superficie del superconductor. Esta respuesta óptica se observa como un cambio en la frecuencia de resonancia de frecuencia más baja y una reducción en el factor de calidad del resonador. En el esquema canónico de lectura para un microondas vacasdetector inductancia tic (mkid), el resonador está acoplado a una línea de alimentación de microondas y uno supervisa la transmisión compleja a través de esta línea de alimentación en un solo tono de frecuencia de microondas en la resonancia. Aquí, la respuesta óptica se observa como un cambio tanto en la amplitud y fase de transmisión ⁵ (Figura 1). Esquemas de multiplexación en dominio de frecuencia son capaces de leer en las matrices de miles de resonadores. ^6-7

Para diseñar e implementar instrumentación basada en superconductor resonador con éxito, las propiedades de estas estructuras resonantes tienen que caracterizarse con precisión y eficiencia. Por ejemplo, medidas de precisión de las propiedades de ruido, factores de calidad Q, frecuencias de resonancia (incluyendo su dependencia de la temperatura) y las propiedades de respuesta óptica de resonadores superconductores se desean en el contexto de la física mkid dispositivo, ⁸ computación cuántica, ⁹ y la determinación de baja temateriales mperatura propiedades. ¹⁰

En todos estos casos, se desea la medición de los parámetros de dispersión de transmisión complejos del circuito. Este trabajo se centra en la determinación del coeficiente de transmisión compleja del resonador, S _21, cuya amplitud y la fase se puede medir con un analizador de redes vectorial (VNA). Idealmente, el plano de referencia VNA (o puerto de prueba) se conectaría directamente al dispositivo bajo prueba (DUT), pero un entorno criogénico normalmente requiere el uso de estructuras de líneas de transmisión adicionales para realizar una rotura de puente térmico entre RT (~ 300 K) y la fase fría (~ 0,3 K en este trabajo; ver fIGURA 2). componentes de microondas adicionales tales como acopladores direccionales, circuladores, aisladores, amplificadores, atenuadores, y los cables de interconexión asociados pueden ser necesarios para preparar adecuadamente, excitar, leer y polarizar el dispositivo de interés. losvelocidades de fase y dimensiones de estos componentes varían cuando el enfriamiento de habitación a temperaturas criogénicas, y por lo tanto afectan a la respuesta observada en el plano de calibración del dispositivo. Estos componentes intermedios entre el instrumento y la influencia dispositivo plano de calibración de la ganancia compleja y necesitan estar apropiadamente en cuenta en la interpretación de la respuesta medida. ¹¹

En teoría, se necesita un esquema que establece el plano de referencia de medición, idéntica a la empleada durante la calibración, en el DUT. Para alcanzar este objetivo, se podría medir los patrones de calibración a través de múltiples-llanuras frescas; Sin embargo, esto plantea limitaciones sobre la estabilidad de la VNA y la repetibilidad del instrumento criogénico, que son difíciles de alcanzar. Para mitigar estas preocupaciones, se podría colocar los estándares necesarios en el entorno de prueba se enfrió y cambiar entre ellos. Este es, por ejemplo, similar a lo que se encuentra en las estaciones de sonda de microondas, Donde las muestras estándar de calibración y se enfrían a 4 K por un flujo de helio líquido continuo o un sistema de ciclo cerrado de refrigeración. ¹² Este método se demostró a temperaturas sub-kelvin, pero requiere un bajo consumo de energía, interruptor de microondas de alto rendimiento en el prueba de banda de interés. ¹³

Por lo tanto, se desea un procedimiento de calibración in situ que representa la respuesta de transmisión instrumental entre el plano de referencia y el plano VNA calibración del dispositivo (Fig ure 2) y que supera las limitaciones de los métodos descritos anteriormente. Este método de calibración criogénico, presentado y discutido en detalle en Cataldo et al. ^11, le permite a uno para caracterizar múltiples resonadores a través de una amplia gama de frecuencias en comparación con el ancho de línea resonador y el espaciamiento inter-resonador con una precisión de ~ 1%. Este documento se centrará en los detalles de la fabricación y preparación de muestrasprocesos, procedimientos sepa- configuración de prueba y medición experimentales utilizados para caracterizar los resonadores de microondas superconductor con geometrías de línea plana. ¹¹

Protocolo

1. Línea Microstrip Resonador Fabrication ¹⁴ (Figura 3)

1. Limpiar una oblea de silicio sobre aislante (SOI), que tiene una capa de dispositivo de silicio de 0,45 micras de espesor, con H recién mezclado ₂ SO _4: H ₂ O ₂ (3: 1) durante 10 min. A continuación, enjuagar la oblea en agua desionizada durante 10 minutos y se seca con una pistola de nitrógeno. Inmediatamente antes de procesar posteriormente, sumergir la oblea en _H2O: HF (10: 1) durante 10 segundos y enjuague en agua desionizada durante 5 min.
2. Fabricar una máscara de despegue, que consiste en una germanio (Ge) / fotoprotector positivo tal como S-1811. ¹⁵
   1. Spin-capa de la oblea con la bicapa adelgazado positivo fotoprotector (2 partes más delgadas-P: fotoprotector positivo 1 parte) a 4.000 rpm durante 30 segundos y luego depósito por haz de electrones Ge.
   2. Ge patrón usando fotolitografía por primera aplicación de hexametildisilazano (HMDS) en la oblea durante 1 minuto y luego escindir el exceso a 3.000 rpm durante 30 segundos.
   3. spin en adelgazado fotoprotector positivo (2 partes más delgadas-P: fotoprotector positivo 1 parte) a 2.000 rpm durante 30 segundos y se hornea en una placa caliente durante 1 minuto a 110 ° C. Utilice un alineador de máscara fotorresistente para exponer y rociar desarrollan resistir con una solución a base de hidróxido de tetrametil amonio.
   4. Reactiva de iones de grabar la Ge con un SF ₆ / plasma de _O2 a 70 W. Ash resina fotosensible subyacente con plasma de _O2 para lograr rebajada de resina fotosensible.
   5. DC-magnetrón plano de niobio por pulverización catódica de depósito (Nb) del suelo con el 3,7 Tm de argón (Ar) a 500 W y lo despega mediante la colocación de la oblea dentro de un vaso de precipitados de acetona-llenado durante 4 horas.
3. bisbenzocyclobutene Spin-capa (BCB) a 4.000 rpm durante 30 segundos en la superficie recubierta de Nb de la oblea SOI y a una superficie de otra lámina de silicio. Unir las dos superficies BCB recubiertos junto con 3 bar de presión a 200 ° C.
4. Manualmente flip pila de obleas al revés para comenzar el procesamiento de la parte trasera de la oblea SOI.
5. Etch la oblea de silicio mango por lapeado mecánico utilizando Al ₂ O ₃ en suspensión, seguido por ataque iónico reactivo profundo utilizando el proceso de Bosch ¹⁶ Etch el enterrado capa de SiO ₂ con H ₂ O:. HF (10: 1) durante 20 min.
6. Depósito de nitruro de molibdeno (Mo ₂ N) utilizando DC de pulverización catódica reactiva a 700 W y 3,3 Tm (Ar: N ₂ = presión parcial 7: 1). resonadores patrón girando a 2000 rpm durante 30 segundos y hornear a 180 ° C durante 2 min seguido de hilatura adelgazados fotorresistente positivo (2 partes más delgada-P: fotorresistente positivo 1 parte) a 2000 rpm durante 30 s. Desarrollar fotorresistente en una solución a base de hidróxido de tetrametil amonio y cenizas en un grabador de iones reactivos. Etch Mo ₂ N con una solución a base de ácido fosfórico.
7. Fabricar una máscara lift-off que consiste en una bicapa Ge / PMMA haciendo girar en el polimetilmetacrilato (PMMA) a 5.000 rpm durante 30 seg y hornear a 180 ° C durante 2 min seguido de dep haz de electronesOSICIÓN de Ge. Por pulverización catódica de depósito líneas de transmisión de Nb y levante en acetona (consulte el paso 1.2, con la excepción de que la resina fotosensible positiva está sustituido con PMMA).
8. En algunas realizaciones, radio-frecuencia (RF) por pulverización catódica de depósito de SiO _2, modelo que haciendo girar con fotorresistencia positiva y grabar en una solución basada fluorhídrico-ácido. A continuación, levante una película delgada depositada por pulverización catódica Nb usando una máscara fotorresistente despegue germanio / positiva como se detalla en el paso 1.2.

2. Procedimiento para la instalación del resonador de microondas de la viruta en el paquete de prueba

1. Diseño y la máquina de un paquete de prueba que consiste en oro (Au) de la cavidad de cobre recubierta (con una base y tapa) que coincide con las dimensiones de chips de resonador, entrada de línea de alimentación y ubicaciones de salida. NOTA: El tamaño de la cavidad de la carcasa se debe especificar para soportar una operación de un solo modo con acoplamiento parásito mínima sobre la banda de interés.
2. Diseño y fabricar una impedancia de microondas ventilador-ou controladat placa ¹⁷ para enrutar las señales entre la versión conectores subminiatura A (SMA) chip y.
3. Inserte los conectores SMA en la entrada y salida del módulo de ensayo de manera que el pasador de conductor central está alineado sobre la almohadilla de contacto oculto bajo el abanico de salida correspondiente. Aplicar una máscara de soldadura para proteger contra cortocircuito, y aplicar la soldadura en la región de la espiga del conductor central. Coloque el paquete en un plato caliente y calentar a 200 ° C durante ~ 5 minutos para derretir la soldadura. Dejar enfriar y luego quite la máscara de soldadura.
4. Montar el chip resonador de este tipo en el que las almohadillas de salida de línea de alimentación en un chip y de entrada se acercan y se alinea con la correspondiente guía de ondas coplanar bordo abanico de salida (CPW) líneas cavidad del envase de cobre con recubrimiento de Au. Asegurar el chip con clips de cobre que hacen contacto en los bordes de las esquinas del chip.
5. Coloque los enlaces del alambre superconductor de Al entre el tablero y el abanico de salida en el chip almohadillas de contacto. Colocar un número máximo (~ 4 en el caso que aquí se presenta - véase Figura 4), ​​de ~ ~ soldaduras de hilos 500-600-m-largas de 250 micras-en-altura, para proporcionar adaptación de impedancia entre la entrada y salidas de conector SMA y la línea de transmisión CPW en el chip.
6. Después de alambre de unión, con un multímetro comprobar la resistencia de CC entre los pines centrales de los conectores de entrada y salida, y entre un pasador central y suelo, para confirmar que no es una conexión eléctrica entre los dos pines en el centro y una conexión abierta entre el centro la línea y tierra.

3. Procedimiento para la instalación del resonador de microondas en un banco de pruebas de microondas criogénicos de helio-3

1. Montar el banco de pruebas como en la configuración mostrada en la Figura 2, en la que una serie de cables de SMA se encaminan desde RT a la etapa fría 0,3-K en la que se monta el dispositivo.
2. Instalar cobre (Cu) y cables superconductores de niobio-titanio (NbTi) como se muestra en la Figura 2 para proporcionar una baja pérdida de microondas y, en elcaso de los cables NbTi, una conductancia térmica baja. Utilice los cables NbTi como una rotura de puente térmico entre el 2-K y 0,3 K-etapas.
3. Montar un amplificador criogénico Transistores HEMT (HEMT) en la etapa 2-K en la línea de salida para la amplificación de bajo ruido en la banda del dispositivo resonador e instalar un dispositivo de circulación.
4. Inserte un dispositivo de circulación criogénico en la línea de salida a la entrada de este amplificador.
5. Montar los dispositivos resonadores envasados ​​en un soporte atornillado a la fase fría 0,3-K.
6. Conectar un atenuador de microondas en el lado de entrada del paquete para proporcionar una terminación emparejado y conectar los cables de SMA apropiadas para esta entrada atenuador y salida de paquetes. Asegúrese de que estas terminaciones de impedancia controlada son bien adaptado y están lo más cerca posible del dispositivo bajo prueba como sea posible - que definen el "plano de calibración del dispositivo" (ver Figura 2).
7. Cerrar el criostato. Siga el procedimiento estándar para enfriar el dispositivos a 0,3 K.

4. Procedimiento para las mediciones de microondas Resonador

1. Ajuste el VNA para escanear a través de una amplia banda de frecuencias (10 MHz - 8 GHz, para el dispositivo considerado aquí) en las frecuencias de diseño dispositivo bajo prueba. Ajustar los niveles de potencia del VNA a niveles adecuados para el dispositivo bajo prueba (~ -30 dBm, para el dispositivo considerado aquí).
   NOTA: Asegúrese de que el nivel de potencia de RF de entrada es lo suficientemente bajo como para que no se exceda la corriente crítica del resonador superconductor microondas y línea de alimentación superconductor. Asegúrese de que el nivel de potencia es lo suficientemente alto como para proporcionar una adecuada relación señal-ruido.
2. Calibrar los cables de RF flexibles siguiente procedimiento estándar abierto corto-Load-Thru (SOLT), siguiendo las instrucciones de software VNA se encuentran en el manual de VNA. Insertar en cortocircuito, abierto, terminado y a través de las normas en la salida de cada uno de los cables flexibles, que ruta desde el analizador de redes vectorial y que más tarde se conectará a la entradadel criostato para las mediciones. Esta calibración se define el "plano de referencia del instrumento" (por ejemplo, véase la Figura 2).
3. Siguiendo esta calibración SOLT, verificar la fidelidad de la calibración mediante la confirmación de que la transmisión, S _21, con el a través de la línea conectada mide con el VNA, tiene errores residuales bajas (es decir, la respuesta está en ~ nivel 0 dB y S ₁₁ y S ₂₂ son bajos, por ejemplo, ≤ -50 dB).
4. Conectar los cables flexibles para las líneas de entrada y de salida del criostato.
5. Encienda el amplificador de microondas criogénico mediante la aplicación de la tensión de polarización CC requerida como se especifica en la documentación proporcionada por la compañía para el amplificador de microondas.
6. En primer lugar, completar una exploración de banda ancha de VNA (10 MHz - 8 GHz, para el dispositivo considerado aquí) para observar la estructura de base ₂₁ y S para buscar cualquier Q alta aguda </ Em> estructuras indicativos de resonadores de microondas.
7. A continuación, reducir la gama de frecuencia (a ~ 2-4 GHz, para el dispositivo considerado aquí) y ajustar el número de puntos de datos (~ 30.000 para el dispositivo considerado aquí) de la VNA a escanear a través de la banda de resonador. Utilice una banda de frecuencia lo suficientemente ancho para proporcionar un período de línea de base adecuada para ataques posteriores a esta línea de base para llevar a cabo una calibración in situ (véase la discusión en la introducción).
   NOTA: Dependiendo del nivel de ruido, aumentar el número de promedios, o reducir el ancho de banda IF para mejorar la relación señal-ruido.
8. Guarde estas exploraciones de datos VNA de los datos de transmisión complejos a presentar para la post-medición de calibración in situ, y el análisis y la extracción de los factores de calidad y frecuencias de resonancia. ¹¹

Resultados

La respuesta de un medio de onda Mo ₂ resonador N (Figura 5) fabricada en un dieléctrico de silicio de cristal único de 0,45 micras se validó con esta metodología. En este caso, el acoplamiento a una guía de onda Nb coplanar (CPW) línea de alimentación para la lectura de se logra a través del acoplamiento capacitivo a través de una relación _SiO2 dieléctrica por pulverización catódica depositada, en la "H" región en forma en u...

Discusión

El proceso de fabricación de un solo flip proporciona un medio para la realización de resonadores superconductores a ambos lados de un sustrato de Si de cristal único de 0,45 micras delgada. Uno puede estar motivado para utilizar un solo cristal de Si dieléctrica, ya que tiene más de un orden de magnitud menor que la pérdida dieléctricos depositados (por ejemplo, Si ₃ N ₄₎ con la tangente de pérdida en el rango de 4,0 a 6,5 GHz <1 x 10 ^{- 5. 23-24} La capacidad de mod...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Protocol Section 1
Microposit S-1811 Photoresist	Shipley
BCB	Dow		3022-35
SOI wafers	SOITec		Fabricated with SmartCutTM process
Mo	Kamis		99.99%
Nb	Kamis		99.95% (excludes Ta)
E-6 metal etch w/AES	Fujifilm		CPG Grade
Acetone	JT Baker	9005-05	CMOS Grade
HF dip (1:10)	JT Baker	5397-03
PMMA	Microchem		950 PMMA A2
Protocol Section 2
GE 7031	General Electric		Low-temperature adhesive
Protocol Sections 3-4
Cryogenic Microwave Amplifier	MITEQ	AF S3-02000400-08-CR-4	2-4 GHz, gain ~30 dB
NbTi Semi-rigid SMA cables	Coax. Co.	SC-086/50-NbTi-NbTi
Circulator	PamTech	CTD1229K	return loss > -20 dB from 2-4 GHz
RF attenuator	Weinschel	Model-4M	7 dB attenuation
Flexible SMA cables	Teledyne-Storm	R94-240	ACCU-TEST
Vector Network Analyzer	Agilent	N5242A PNA-X
Liquid He-4 cryogen	Praxair
Liquid N2 cryogen	Praxair