Изготовление и характеристика сверхпроводящие резонаторы

Резюме

Сверхпроводящие СВЧ резонаторы представляют интерес для обнаружения света, квантовые вычислительные приложения и характеристик материалов. Эта работа представляет собой подробный порядок изготовления и определения характеристик параметров резонатора рассеяния сверхпроводящего СВЧ.

Аннотация

Сверхпроводящие СВЧ резонаторы представляют интерес для широкого круга приложений, в том числе для их использования в качестве СВЧ-кинетическая индуктивность детекторов (MKIDs) для обнаружения слабых астрофизических подписей, а также для квантовых вычислительных приложений и характеристик материалов. В данной статье процедуры представлены для изготовления и определения характеристик тонкопленочных сверхпроводящего СВЧ-резонаторов. Методика изготовления позволяет для реализации сверхпроводящих резонаторов линии передачи с функциями по обе стороны атомарно гладкой монокристаллического кремния диэлектрика. Эта работа описывает процедуру установки резонаторных устройств в криогенной СВЧ и для тестового стенда остывания ниже температуры сверхпроводящего перехода. Установка криогенного СВЧ тестового стенда позволяет сделать тщательные измерения комплексной микроволновой передачи этих резонаторных устройств, что позволяет извлечение прСВОЙСТВА из сверхпроводящих линий и диэлектрической подложки (например, внутренние факторы качества, потери и кинетической индуктивности фракций), которые имеют важное значение для разработки устройств и производительности.

Введение

Прогресс в области астрофизических приборов недавно ввели сверхпроводящие СВЧ - резонаторы для обнаружения инфракрасного света ^{1 -. 4} Сверхпроводящий резонатор реагирует на инфракрасное излучение с энергией Е = Нч> 2Δ (где Н постоянная Планка, V частота излучения и Δ является энергетическая щель сверхпроводящий). Когда резонатор охлаждают до температуры значительно ниже критической температуры сверхпроводник, это падающее излучение разрушает куперовских пар в объеме резонатора и генерирует квазичастичные возбуждения. Увеличение плотности квази- частичных возбуждений изменяет кинетическую индуктивность, и, таким образом, комплексное поверхностное сопротивление сверхпроводника. Этот оптический отклик наблюдается как сдвиг в резонансной частоте к более низкой частоте и снижение добротности резонатора. В канонической схеме считыванием для микроволновой коровьимкрестики детектор индуктивности (MKID), резонатор соединен с СВЧ-фидера и один контролирует комплексную передачу данных через этот фидером на одной частоте СВЧ-сигнала на резонанс. При этом оптический отклик наблюдается как изменение как амплитуды , так и фазы передачи ⁵ (рисунок 1). Схемы мультиплексирования в частотной области способны считывать массивы тысяч резонаторами. ^6-7

Для того, чтобы успешно разработать и осуществить приборы сверхпроводящего резонатора на основе свойства этих резонансных структур должны быть охарактеризована точно и эффективно. Например, прецизионные измерения свойств шума, показатели качества Q, резонансные частоты ( в том числе их температурной зависимости) и оптические свойства отклика сверхпроводящих резонаторов желательно в контексте физики устройства MKID, ⁸ квантовые вычисления, ⁹ и определения низко- т.еmperature свойств материалов. ¹⁰

Во всех этих случаях, измерение комплексных параметров рассеяния передачи цепи в желателен. Эта работа концентрируется на определении комплексного коэффициента передачи резонатора, S _21, амплитуда и фаза может быть измерена с помощью векторного анализатора сети (ВНА). В идеале, ВНА плоскость отсчета (или тестовый порт) будет подключен непосредственно к испытуемому устройству (ИУ), но криогенная установка обычно требует использования дополнительных линий электропередачи структур для реализации тепловой разрыв между РТ (~ 300 К) и холодный этап (~ 0,3 К в этой работе, см рис Юр 2). Дополнительные компоненты, такие как микроволновые направленных ответвителей, циркуляторы, изоляторы, усилители, аттенюаторы и связанных с ними соединительных кабелей могут быть необходимы для надлежащего подготовки, возбуждают, считывать и смещения устройства интереса.Фазовые скорости и размеры этих компонентов изменяется при понижении температуры от комнатной до криогенных температур, и, следовательно, они влияют на наблюдаемый отклик на калибровочном устройстве плоскости. Эти промежуточные компоненты , расположенные между прибором и влиянием устройства калибровки плоскости комплексного коэффициента усиления и должны быть надлежащим образом учтены в интерпретации измеренного ответа. ¹¹

Теоретически, схема необходима, которая устанавливает измерения базовой плоскости, идентичной той, используемой в процессе калибровки, в ИУ. Для достижения этой цели, можно было бы измерить стандарты калибровки на нескольких прохладных переносов; Однако, это ставит ограничения на стабильность ВНА и воспроизводимости криогенной инструмента, которые трудно достичь. Для смягчения этих проблем можно было бы разместить необходимые стандарты в охлажденном тестовой среде и переключаться между ними. Это, например, аналогично тому, что находится в СВЧ-зондовых станций, Где образец и калибровки стандарты охлаждают до 4 К непрерывным потоком жидкости гелия или систему замкнутого цикла охлаждения. ¹² Этот метод был продемонстрирован при температурах к югу от Кельвина , но требует с низким энергопотреблением, высокой производительности СВЧ - переключатель в тест группа интересов. ¹³

Процедура калибровки на месте Поэтому желательно на долю которого приходится инструментальной реакции передачи между опорной плоскостью ВНА и калибровочного устройства плоскости (рис Юр 2) и которая преодолевает ограничения методов , описанных выше. Этот криогенный метод калибровки, представлены и подробно обсуждаются в Катальдо и др. ^11, позволяет охарактеризовать несколько резонаторы в диапазоне частот шириной по сравнению с шириной резонатора линии и расстоянием между ними резонатора с точностью ~ 1%. В данной статье основное внимание будет уделено деталям изготовления образца и прептовка процессы, экспериментальные испытательной установки и измерительных процедур , используемых для характеристики сверхпроводящего СВЧ - резонаторы с плоскими линейными геометрий. ¹¹

протокол

1. МПЛ Резонатор ¹⁴ Изготовление (Рисунок 3)

1. Очистить кремний-на-изоляторе (SOI) пластины, которая имеет 0,45 мкм толстый слой с устройства кремния, со свежеприготовленной смесью H ₂ SO _4: H ₂ O ₂ (3: 1) в течение 10 мин. Затем промыть пластины в деионизированной воде в течение 10 мин и сухой с ружьем азота. Непосредственно перед последующей обработки, погрузить пластины в H ₂ O: HF (10: 1) в течение 10 секунд и промыть в деионизированной воде в течение 5 мин.
2. Изготовить маску Отрыв от земли, которая состоит из германия (Ge) / позитивного фоторезиста , таких как S-1811. ¹⁵
   1. Спин-пальто пластина с разреженной положительной фоторезиста бислой (2 части тоньше-P: 1 часть позитивного фоторезиста) при 4000 оборотов в минуту в течение 30 секунд, а затем депозитного электронно-лучевого Ge.
   2. Образец Ge с использованием фотолитографии сначала применяя гексаметилдисилазана (HMDS) на пластине в течение 1 мин, а затем отвинтить его избыток при 3000 оборотах в минуту в течение 30 сек.
   3. Спип на разбавить позитивного фоторезиста (2 части тоньше P: 1 часть позитивного фоторезиста) при 2000 оборотах в минуту в течение 30 сек и испечь его на горячей плите в течение 1 мин при 110 ° С. Используйте маску выравнивателя подвергать фоторезиста и распылить развиваться сопротивляться раствором гидроксида на основе тетраметиламмония.
   4. Реактивный-ионная протравить Ge с SF ₆ / O ₂ плазмы при 70 W. Ash , лежащей в основе фоторезиста с O ₂ плазмы для достижения подрезать фоторезиста.
   5. DC-магнетронного распылени месторождение ниобий (Nb) заземлени с 3,7 мТл аргона (Ar) при 500 Вт и поднимите ее, помещая пластины внутри химический стакан ацетона заполненный в течение 4 ч.
3. Спин-пальто bisbenzocyclobutene (БКБ) при 4000 оборотах в минуту в течение 30 с на поверхности Nb-покрытием пластины SOI и на одну поверхность другой кремниевой пластины. Скрепить две поверхности BCB покрытием вместе с 3 бар давлением при 200 ° С.
4. Вручную флип стек пластины с ног на голову, чтобы начать обработку тыльную КНИ пластины.
5. Протравите кремния ручки пластины механическим притирки с использованием Al ₂ O _3, суспензии с последующим глубоким реактивного ионного травления с использованием процесса Bosch ¹⁶ Протравите похоронен SiO ₂ слоя с H ₂ O:. HF (10: 1) в течение 20 мин.
6. Депозит нитрида молибдена (Mo ₂ N) с помощью магнетронного реактивного распыления при 700 Вт и 3,3 мТл (Ar: N ₂ парциального давления = 7: 1). Узор резонаторы центрифугированием при 2000 оборотов в минуту в течение 30 сек и выпечке ее при 180 ° С в течение 2 мин с последующим формованием разбавить позитивного фоторезиста (2 части тоньше-P: 1 часть позитивного фоторезиста) при 2000 оборотах в минуту в течение 30 сек. Разработка фоторезиста в растворе гидроксида на основе тетраметиламмония и золы в реактивном ионном офортиста. Травление Mo ₂ N раствором фосфорной кислоты на основе.
7. Изготовить подъемную-офф маску, состоящую из двухслойных Ge / ПММА пр дением на полиметилметакрилат (ПММА) при 5000 оборотах в минуту в течение 30 сек и выпечке ее при 180 ° С в течение 2 мин с последующим электронно-лучевой DEPosition Се. Sputter депозитных-Nb линий электропередачи и отрываться в ацетоне (обратитесь к шагу 1.2, за исключением, что положительный фоторезист замещен ПММА).
8. В некоторых вариантах осуществления радиочастотной (РЧ) разбрызгивание для хранения SiO _2, рисунок она пр дением с позитивным фоторезистом и травление в растворе на основе плавиковой кислот. Затем снимите с распылением осажденного Nb тонкую пленку, используя германий / позитивную маску фоторезиста Liftoff, как описано в шаге 1.2.

2. Процедура для установки СВЧ резонатором монетой в тестовом пакете

1. Конструкция и машина тест пакет, состоящий из золота (Au) -покрытие меди полости (с основанием и крышкой), которая соответствует размеры чипа резонатора фидер ввода и вывода местоположения. ПРИМЕЧАНИЕ: Размер полости корпуса должен быть указан для поддержки операции одномодового с минимальным наводкам по зоне интереса.
2. Конструкция и изготовить управляемый СВЧ сопротивление вентилятора-НУдоска ¹⁷ т для маршрутизации сигналов между чипом и разъемами Sub-миниатюрная версия A (SMA).
3. Вставьте разъемы SMA во входной и выходной тестового пакета так, что центральный проводник штырь выровнен по соответствующему веера из доски контактной площадки. Нанесите припой маску для защиты от короткого замыкания, а также применять припой в области центрального проводника штифта. Поместите пакет на горячей плите и тепла до 200 ° С в течение ~ 5 мин, чтобы расплавить припой. Дайте остыть и затем снимите маску припоя.
4. Установите чип резонатора в качестве Au-меди с покрытием полости упаковки таким образом, что на чипе вывода фидер и входные колодки близки и приведены в соответствие с соответствующим веера из платы копланарный волновод (CPW) линий. Закрепите чип с медными зажимами, которые находятся в контакте с краями углов чипа.
5. Поместите сверхпроводящие провода связи Al между вентилятором из доски и на-чипе контактных площадок. Поместите максимальное число (~ 4 в случае, представленном здесь - см Рисунок 4) ~ 500-600 мкм длиной, ~ 250 мкм в высоте проволоки облигации, чтобы обеспечить полное сопротивление соответствия между входного разъема SMA и выходов и на чипе CPW фидера.
6. После того, как проводная связи, с помощью мультиметра проверить сопротивление по постоянному току между центром штифтами входных и выходных разъемов, а также между центральным штырем и землей, чтобы подтвердить, есть электрическое соединение через два центральных штифтов и открытое соединение между центром линия и земля.

3. Процедура для установки СВЧ резонаторе в криогенной Гелий-3 СВЧ Testbed

1. Собрать испытательный стенд , как в конфигурации , показанной на фиг.2, в котором серия кабелей SMA проложены от РТ до 0,3-К холодной стадии , на которой будет установлен прибор.
2. Установить медь (Cu) и сверхпроводящий ниобий-титановые кабели (NbTi) , как показано на рисунке 2 , чтобы обеспечить низкие потери СВЧ и, вслучай кабелей NbTi, низкой теплопроводностью. Используйте кабели NbTi в качестве теплового разрыва между 2-K и 0,3-K стадий.
3. Установите усилитель криогенная с высокой подвижностью электронов транзисторов (HEMT) на стадии 2-K на выходной линии для малошумящего усиления в полосе резонатора устройства и установить циркуляционный.
4. Вставьте криогенную циркулятор на выходной линии на входе этого усилителя.
5. Установите упакованного резонатора устройства на кронштейне болтами к холодной стадии 0.3-K.
6. Подключение микроволновую аттенюатор на входной стороне пакета, чтобы обеспечить для согласованного прекращения и подключить соответствующие кабели SMA для этого аттенюатора ввода и вывода пакета. Убедитесь в том, что эти контролируемые окончаний импеданса хорошо подобраны и как можно ближе к испытуемому устройству , насколько это возможно - они определяют "калибровки устройства плоскость" (рисунок 2).
7. Закройте криостата. Следуйте стандартной процедуре для охлаждения устройстваs до 0,3 К.

4. Процедура СВЧ резонатора Измерения

1. Установите ВНА для сканирования по широкой полосе частот (10 МГц - 8 ГГц, для устройства рассматриваемого здесь) на расчетных частот устройства испытуемый. Отрегулируйте уровни мощности на ВНА до приемлемых уровней для тестируемого устройства (~ -30 дБм, для устройства рассматриваемого здесь).
   Примечание: Убедитесь, что входной ВЧ уровень мощности достаточно низка, чтобы не превышать критического тока сверхпроводящего СВЧ резонатора и сверхпроводящего фидера. Убедитесь в том, что уровень мощности достаточно высок, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнала к шуму.
2. Калибруйте гибкие ВЧ кабели следуя стандартной процедуре Short-Open-Load-Thru (Solt), следуя инструкциям программного обеспечения ВНА найти в руководстве по ВНА. Вставить в закорочены, открыт, прекращается и через стандарты на выходе каждого из гибких кабелей, по какому маршруту из векторного анализатора цепей и который позже будет подключен к входукриостата для измерений. Эта калибровка определяет «инструмент опорной плоскости" (например, см рисунок 2).
3. После этой калибровки Solt, проверки точности калибровки, подтвердив , что передача, S _21, с через линии , подключенной измеряется с ВНА, имеет низкие остаточные ошибки (то есть, ответ на ~ уровне 0 дБ и S ₁₁ и S ₂₂ являются низкими, например, ≤ -50 дБ).
4. Подключение гибких кабелей к входным и выходным линиям криостата.
5. Включите криогенной СВЧ-усилителя, применяя требуемое напряжение смещения постоянного тока, как указано в документации, предоставленных компанией для СВЧ-усилителя.
6. Во- первых, завершить широкополосную сканирование ВНА (10 МГц - 8 ГГц, для устройства рассматриваемого здесь) , чтобы наблюдать за исходную структуру S ₂₁ и искать любого острого высокого Q </ EM> структуры, указывающие на СВЧ-резонаторов.
7. Затем, сузить диапазон частот (до ~ 2 - 4 ГГц, для устройства рассматриваемого здесь) и регулировать количество точек данных (~ 30000 для устройства рассматриваемого здесь) от ВНА для сканирования по полосы резонатора. Используйте полосу частот достаточно широкой , чтобы обеспечить достаточный базовый срок для последующего припадков к этой базовой линии для проведения калибровки на месте (см обсуждение в введении).
   Примечание: В зависимости от уровня шума, увеличить количество средних, или уменьшить ширину полосы ПЧ, чтобы улучшить отношение сигнал-шум.
8. Сохраните эти данные сканирования ВНА комплексных данных передачи в файл для последующей калибровки измерения на месте, а также анализа и извлечения качественных факторов и резонансных частот. ¹¹

Результаты

Реакция полуволнового Mo ₂ N резонатора (рис 5) , изготовленную на 0,45 мкм монокристаллического кремния диэлектрика в была подтверждена с этой методологией. В этом случае муфта к Nb копланарный волновод (КПВ) фидер для считывания достигается посредством емк?...

Обсуждение

Процесс изготовления одного флип обеспечивает средство для реализации сверхпроводящие резонаторы с обеих сторон тонкого 0,45 мкм монокристаллической кремниевой подложке. Один может быть мотивирован , чтобы использовать монокристаллический Si диэлектрик , поскольку он имеет более чем ?...

Материалы

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