Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

Resumo

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para a detecção de, aplicações de computação quântica leves e caracterização de materiais. Este trabalho apresenta um procedimento detalhado para a fabricação e caracterização de parâmetros ressonador supercondutor de espalhamento de microondas.

Resumo

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para uma larga gama de aplicações, incluindo para a sua utilização como detectores de microondas cinética de indução (MKIDs) para a detecção de assinaturas astrofísicas leves, bem como para aplicações de computação quântica e caracterização de materiais. Neste trabalho, os procedimentos são apresentados para a fabricação e caracterização de thin-film ressonadores supercondutores de microondas. A metodologia de fabricação permite a realização de supercondutores ressonadores de linha de transmissão com características de ambos os lados de um dielétrico único cristal de silício atomicamente lisa. Este trabalho descreve o procedimento para a instalação de dispositivos de ressonador em um testbed microondas criogênico e de arrefecimento abaixo da temperatura de transição supercondutora. O set-up do testbed microondas criogênico permite fazer medidas cuidadosas da transmissão de microondas complexo destes dispositivos ressonador, permitindo a extração do properties das linhas supercondutoras e substrato dielétrico (por exemplo, fatores internos de qualidade, perda e frações de indutância cinética), que são importantes para o projeto de dispositivos e desempenho.

Introdução

Os avanços na instrumentação astrophysical introduziram recentemente ressonadores de microondas supercondutores para a detecção de luz infravermelha ^{1 -. 4} Um supercondutor ressonador irá responder à radiação infravermelha de energia E = hv> 2Δ (em que h é a constante de Planck, v é a frequência de radiação e Δ é a energia gap supercondutor). Quando o ressonador é arrefecida para uma temperatura bem abaixo da temperatura crítica supercondutor, esta radiação incidente quebra pares de Cooper no volume ressonador e gera excitações quasiparticle. O aumento na densidade das excitações quasiparticle muda a indutância cinética e, portanto, a impedância complexa superfície do supercondutor. Esta resposta óptica é observada como uma mudança na frequência de ressonância para frequência mais baixa e uma redução no factor de qualidade do ressonador. No canônica esquema de leitura para um vacas microondasdetector de indutância tic (MKID), o ressonador é acoplado a uma linha de alimentação de microondas e um monitoriza a transmissão complexo através desta linha de alimentação de um único tom de frequência de microondas em ressonância. Aqui, a resposta óptica é observada como uma mudança, tanto na amplitude e fase de transmissão de velocidades ⁵ (Figura 1). Esquemas de multiplexação no domínio da frequência são capazes de ler as matrizes de milhares de ressonadores ^6-7.

Para conceber e implementar a instrumentação baseada em supercondutor-ressonador com sucesso, as propriedades destas estruturas ressonantes precisam ser caracterizados com precisão e eficiência. Por exemplo, medições de precisão das propriedades de ruído, factores de qualidade Q, as frequências de ressonância (incluindo a sua dependência da temperatura) e propriedades de resposta ópticos ressonadores de supercondutores são desejados no contexto da MKID física do dispositivo, ⁸ computação de quantum, ⁹ e a determinação de baixa temateriais mperatura propriedades. ¹⁰

Em todos estes casos, é desejável a medição de parâmetros de difusão complexos de transmissão do circuito. Este trabalho concentra-se na determinação do coeficiente de transmissão do complexo do ressonador, S _21, cuja amplitude e de fase pode ser medido com um analisador de rede vector (VNA). Idealmente, o plano de referência VNA (ou porta de teste) seria ligado directamente ao dispositivo sob teste (DUT), mas uma configuração criogénico requer normalmente a utilização de estruturas de linha de transmissão adicional para realizar um corte térmico entre RT (~ 300 K) e a fase fria (~ 0,3 K neste trabalho, ver Fig ure 2). microondas componentes adicionais, tais como acopladores direcionais, circuladores, isoladores, amplificadores, atenuadores, e cabos de interconexão associados podem ser necessários para preparar adequadamente, excite, lidos e bias o dispositivo de interesse. oAs velocidades de fase e as dimensões destes componentes variam quando o arrefecimento da sala a temperaturas criogénicas, e, portanto, afectar a resposta observada no plano de calibração do dispositivo. Estes componentes intermediários entre o instrumento ea influência dispositivo plano de calibração do ganho complexo e precisa ser devidamente contabilizados na interpretação da resposta medida ^11.

Em teoria, um esquema é necessário que define o plano de referência de medição, idêntico ao utilizado durante a calibração, no DUT. Para alcançar este objectivo, pode-se medir os padrões de calibração ao longo de vários cool-baixos; No entanto, isto coloca restrições sobre a estabilidade do VNA e a repetibilidade do instrumento criogénico, que são difíceis de atingir. Para atenuar estas preocupações, pode-se colocar os padrões necessários no ambiente de teste arrefecidos e alternar entre elas. Este é, por exemplo, similar ao que é encontrado nas estações de sonda de microondas, Onde os padrões de amostra e de calibragem são arrefecidos a 4 K por um fluxo de hélio líquido contínua ou um sistema de ciclo fechado de refrigeração. ¹² Este método foi demonstrada em temperaturas sub-kelvin, mas requer um baixo consumo de energia, interruptor de microondas de alta performance na teste de banda de interesse. ¹³

Um procedimento de calibração in situ, por conseguinte, é desejado que responde pela transmissão de resposta instrumental entre o plano de referência VNA e o plano de calibração do dispositivo (Fig ure 2) e que ultrapasse as limitações dos métodos acima descritos. Este método de calibração criogénico, apresentados e discutidos em detalhe em Cataldo et al. ^11, permite que um para caracterizar vários ressoadores sobre uma vasta gama de frequências em comparação com a largura da linha do ressonador e o espaçamento inter-ressonador com uma precisão de aproximadamente 1%. Este artigo incidirá sobre os detalhes da fabricação de amostra e prepprocessos prepara-, teste de set-up e medição procedimentos experimentais utilizados para caracterizar ressonadores supercondutores de microondas com geometrias linha planar. ¹¹

Protocolo

1. Microstrip Linha ressonador Fabrication ¹⁴ (Figura 3)

1. Limpar uma bolacha de silício sobre isolante (SOI), que tem uma camada do dispositivo de silício de 0,45 um de espessura, com H acabado de misturar ₂ SO _4: H ₂ O ₂ (3: 1) durante 10 min. Em seguida, lavar o wafer em água deionizada por 10 minutos e seque com uma arma de azoto. Imediatamente antes do processamento, posteriormente, mergulhar a bolacha em H ₂ O: HF (10: 1) durante 10 seg e de enxaguar em água desionizada, durante 5 min.
2. Fabricar uma máscara de lift-off, que consiste de um germânio (Ge) / fotorresistente positivo tal como S-1811. ¹⁵
   1. Spin-coat o wafer com diluído bicamada fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 4.000 rpm por 30 segundos e, em seguida, depósito por feixe de elétrons Ge.
   2. Padrão Ge usando a foto-litografia aplicando primeiro hexametildissilazano (HMDS) na bolacha durante 1 min e, em seguida, fiar o excesso a 3000 rpm durante 30 segundos.
   3. Spin on diluído fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 2.000 rpm durante 30 segundos e cozê-lo em uma placa quente para 1 min a 110 ° C. Use um alinhador de máscara para expor fotorresiste e spray desenvolvem resistir com uma solução à base de hidróxido de tetrametilamónio.
   4. Reativa-ion gravar o Ge com um SF ₆ / O ₂ plasma a 70 W. Ash subjacente fotorresiste com _O2 plasma para alcançar rebaixo de fotorresiste.
   5. DC-magnetron plano borrifamento de depósito de nióbio (Nb) térreo, com 3,7 milhões de toneladas de argônio (Ar) em 500 W e retire-a, colocando a bolacha dentro de um copo cheio de acetona, durante 4 h.
3. bisbenzocyclobutene spin-revestimento (BCB) a 4000 rpm durante 30 seg sobre a superfície de Nb-revestido da bolacha SOI e a uma superfície de outra pastilha de silício. Ligar as duas superfícies revestidas com BCB juntamente com 3 bar de pressão a 200 ° C.
4. Manualmente aleta pilha wafer de cabeça para baixo para começar a processar parte de trás do wafer SOI.
5. Etch a bolacha de silício por punho de polimento mecânico usando o Al ₂ O ₃ de pasta, seguido por gravação iónica reactiva profunda usando o processo Bosch ¹⁶ Etch do enterrado camada SiO ₂ com H ₂ O:. HF (10: 1) durante 20 min.
6. Depósito de molibdénio nitreto (Mo ₂ N), utilizando DC pulverização catódica reactiva em 700 W e 3,3 mT (Ar: _N2 pressão parcial = 7: 1). ressonadores teste padrão por centrifugação a 2000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por fiação diluído fotorresistente positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresistente positiva) a 2.000 rpm durante 30 segundos. Desenvolver fotorresistente em uma solução à base de hidróxido de tetrametil amónio e de cinzas num etcher iões reactivos. Etch Mo ₂ N, com uma solução à base de ácido fosfórico.
7. Fabricar uma máscara de lift-off consistindo de uma bicamada de Ge / PMMA, girando sobre o polimetilmetacrilato (PMMA) a 5000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por dep por feixe de elétronsOSIÇÃO de Ge. Por borrifamento de depósito N ° de linhas de transmissão e levante em acetona (consulte a etapa 1.2, com a excepção de que o fotorresistente positivo é substituído com PMMA).
8. Em algumas formas de realização, de rádio-frequência (RF) por pulverização catódica-depósito de _SiO2, padrão que por fiação com fotorresiste positivo e gravar em uma solução baseada fluorídrico-ácido. Em seguida, tire uma fina película Nb depositados por borrifamento usando a / máscara fotorresistivo decolagem germânio positiva conforme detalhado na etapa 1.2.

2. Procedimento para Instalação de Microondas ressonador Chip no pacote de teste

1. Concepção e máquina de um conjunto de ensaios que consiste em ouro (Au) cavidade cobre -Revestido (com uma base e tampa) que coincide com dimensões de chips ressonador, entrada de linha de alimentação e locais de saída. NOTA: O tamanho da cavidade da carcaça deve ser especificado para apoiar uma operação de modo único com acoplamento parasita mínima sobre a banda de interesse.
2. Projetar e fabricar uma impedância de microondas fã-ou controladat bordo ¹⁷ para encaminhar os sinais entre o chip e conectores versão Sub-Miniature A (SMA).
3. Inserir os conectores SMA para a entrada e saída do pacote de teste para que o pino condutor central está alinhada sobre a almofada de contacto bordo fan-out correspondente. Aplicar uma máscara para soldar para proteger contra o curto-circuito, e aplicar a solda na região do pino condutor central. Colocar o pacote numa placa de aquecimento e aquecer a 200 ° C durante ~ 5 min para derreter a solda. Deixe esfriar e, em seguida, remover a máscara de solda.
4. Montar o chip ressonador na cavidade pacote cobre Au revestido de tal forma que as pastilhas de saída e entrada feedline on-chip estão próximos e alinhado com o correspondente guia de onda coplanar bordo fan-out linhas (CPW). Fixar o chip com os grampos de cobre que fazem contacto com os bordos dos cantos do chip.
5. Coloque supercondutores laços de fio de Al entre a placa de fan-out e on-chip de contato. Coloque um número máximo (~ 4 no caso aqui apresentado - veja Figura 4) de ~ 500-600 mícrons de comprimento, ~ laços de arame 250 mícrons-em-altura, para fornecer jogo de impedância entre a entrada do conector SMA e saídas eo feedline CPW on-chip.
6. Depois de fio-ligação, com um multímetro verificar a resistência DC entre os pinos centrais dos conectores de entrada e saída, e entre um pino central e do solo, para confirmar que há uma conexão elétrica entre os dois pinos centrais e de uma conexão aberta entre o centro line e solo.

3. Procedimento para a instalação de micro-ondas ressonador em um criogênico Hélio-3 Testbed Microondas

1. Montar o banco de ensaio, como na configuração mostrada na Figura 2, em que uma série de cabos de SMA são encaminhadas de RT para a fase fria 0,3-K em que o dispositivo vai ser montado.
2. Instalação de cobre (Cu) e cabos de supercondutores de nióbio e titânio (NbTi) como mostrado na Figura 2 para proporcionar baixa perda de microondas e, nocaso dos cabos NBTI, uma condutividade térmica baixa. Use os cabos NBTI como uma ruptura térmica entre o 0,3-K fases 2-K e.
3. Montar um amplificador criogênico de elétrons de alta mobilidade transistor (HEMT) na fase 2-K na linha de saída para a amplificação de baixo ruído na banda do dispositivo ressonador e instalar um circulador.
4. Insira um circulador criogénico na linha de saída na entrada para este amplificador.
5. Montar os dispositivos ressonador embalados em um suporte aparafusado à fase fria 0,3-K.
6. Conectar um atenuador de microondas no lado de entrada do pacote de prever o termo combinados e ligar os cabos SMA adequadas para esta entrada e de saída do atenuador pacote. Garantir que essas terminações de impedância controlados são bem entrosados ​​e são o mais próximo do dispositivo em teste quanto possível - eles definem o "plano de calibração do dispositivo" (ver Figura 2).
7. Feche o criostato. Siga o procedimento padrão para resfriar o dispositivos a 0,3 K.

4. Procedimento para Medidas Microondas ressonador

1. Defina o VNA para digitalizar em uma banda de frequências de largura (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo aqui considerados) às frequências de design do dispositivo em teste. Ajustar os níveis de energia no VNA em níveis adequados para o dispositivo em teste (~ -30 dBm, para o dispositivo considerado aqui).
   NOTA: Certifique-se de que o nível de potência de RF de entrada é suficientemente baixo de modo a não exceder a corrente crítica do ressonador supercondutor microondas e feedline supercondutor. Certifique-se de que o nível de potência é alta o suficiente para fornecer uma relação adequada entre o sinal e o ruído.
2. Calibrar os cabos de RF flexíveis seguindo procedimento padrão Short-Open-Load-Thru (SOLT), seguindo as instruções de software VNA encontrados no manual VNA. Inserção em curto-circuito, aberta, e terminada através de padrões na saída de cada um dos cabos flexíveis, que rota a partir do analisador de rede vector e que mais tarde irá ser ligada à entrada dedo criostato para as medições. Esta calibração define o "plano de referência instrumento" (por exemplo, ver Figura 2).
3. Seguindo essa calibração SOLT, verificar a fidelidade da calibração, confirmando que a transmissão, S _21, com o através da linha conectada medido com o VNA, tem erros residuais baixos (ou seja, a resposta é no ~ nível 0 dB e S ₁₁ e S ₂₂ são baixos, por exemplo, ≤ -50 dB).
4. Conecte os cabos flexíveis para as linhas de entrada e saída do criostato.
5. Ligue o amplificador de microondas criogênico, aplicando a tensão de polarização DC exigido como especificado na documentação fornecida pela empresa para o amplificador de microondas.
6. Em primeiro lugar, completar uma varredura de banda larga de VNA (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo considerado aqui) para observar a estrutura de base S ₂₁ e olhar para qualquer Q alta acentuada </ Em> estruturas indicativas de ressonadores de microondas.
7. Em seguida, limitar a gama de frequências (de ~ 2-4 GHz, para o dispositivo considerado aqui) e ajustar o número de pontos de dados (~ 30.000 para o dispositivo considerado aqui) do VNA para fazer a varredura através da banda ressoador. Use uma faixa de frequência ampla o suficiente para fornecer uma extensão de linha de base adequada para ajustes posteriores a esta linha de base para realizar uma calibração in-situ (ver discussão na Introdução).
   NOTA: Dependendo do nível de ruído, aumentar o número de médias, ou reduzir a largura de banda IF para melhorar a relação sinal-ruído.
8. Guarde estas verificações de dados VNA dos dados complexos de transmissão de arquivo para a pós-medição de calibragem in-situ, e análise e extracção de factores de qualidade e frequências de ressonância. ¹¹

Resultados

A resposta de uma meia-onda Mo ressonador N ₂ (Figura 5) fabricado em um dielétrico de silício de cristal único de 0,45 uM foi validado com esta metodologia. Neste exemplo, o acoplamento a uma guia de onda Nb complanar (CPW) linha de alimentação para leitura para fora é conseguido através de acoplamento capacitivo através de uma _SiO2 dieléctrico depositado por borrifamento, no "H" região em forma de uma das extremidades abertas d...

Discussão

O processo de fabricação-flip única fornece um meio para a realização de ressonadores supercondutores em ambos os lados de uma 0,45 mm substrato fina Si monocristalino. Uma pode ser motivado a usar um único cristal de Si dieléctrico porque tem mais do que uma ordem de grandeza menor do que a perda de dieléctricos depositados (tais como Si ₃ N ₄₎ com tangentes perda na gama de 4,0-6,5 GHz <1 x 10 ^{- 5. 23-24} a capacidade de padrão apresenta em ambos os lados deste su...

Materiais

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