Name: fabrication and characterization of superconducting resonators
Uploaded: 2016-05-21T14:00:00
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Los autores reconocen el apoyo financiero de la ROSAS Aeronáutica y del Espacio (NASA) &#39;s y programas APRA. GC también reconoce la Universities Space Research Association para la administración de su nombramiento en la NASA.

1. Línea Microstrip Resonador Fabrication 14 (Figura 3) <ol><li> 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) duran...

<ol>
	<li>Monfardini, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+N&#233;el+IRAM+KID+Arrays+(NIKA).">The N&#233;el IRAM KID Arrays (NIKA).</a> J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).</li><li>Schlaerth, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Status+of+Music:+A+Multicolor+Sub/millimeter+MKID+Instrument.">The Status of Music: A Multicolor Sub/millimeter MKID Instrument.</a> J. Low Temp. Phys. 167 (3-4), 347-353 (2012).</li><li>Swenson, L. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MAKO:+a+pathfinder+instrument+for+on-sky+demonstration+of+low-cost+350+micron+imaging+arrays.">MAKO: a pathfinder instrument for on-sky demonstration of low-cost 350 micron imaging arrays.</a> Proc. SPIE. 8452, 84520P (2012).</li><li>Mazin, B. A., Bumble, B., Meeker, S. R., O'Brien, K., McHugh, S., Langman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+superconducting+focal+plane+array+for+ultraviolet,+optical,+and+near-infrared+astrophysics.">A superconducting focal plane array for ultraviolet, optical, and near-infrared astrophysics.</a> Opt. Express. 20 (2), 1503-1511 (2012).</li><li>Mazin, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microwave Kinetic Inductance Detectors. , (2005).</li><li>McHugh, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+readout+for+large+arrays+of+Microwave+Kinetic+Inductance+Detectors.">A readout for large arrays of Microwave Kinetic Inductance Detectors.</a> Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044702 (2012).</li><li>Mazin, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ARCONS:+A+2024+Pixel+Optical+through+Near-IR+Cryogenic+Imaging+Spectrophotometer.">ARCONS: A 2024 Pixel Optical through Near-IR Cryogenic Imaging Spectrophotometer.</a> Publ. Astron. Soc. Pac. 123 (933), 1348-1361 (2013).</li><li>Zmuidzinas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superconducting+Microresonators:+Physics+and+Applications.">Superconducting Microresonators: Physics and Applications.</a> Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169-214 (2012).</li><li>Vijay, R., Slichter, D. H., Siddiqi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+Quantum+Jumps+in+a+Superconducting.">Observation of Quantum Jumps in a Superconducting.</a> Artificial Atom. Phys. Rev. Lett. 106 (11), 110502 (2011).</li><li>Krupka, J., Derzakowski, K., Tobar, M., Hartnett, J., Geyer, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complex+permittivity+of+some+ultralow+loss+dielectric+crystals+at+cryogenic+temperatures.">Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures.</a> Meas. Sci. Technology. 10 (5), 387-392 (1999).</li><li>Cataldo, G., Wollack, E. J., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+and+calibration+techniques+for+superconducting+resonators.">Analysis and calibration techniques for superconducting resonators.</a> Rev. Sci. Instrum. 86 (1), 013103 (2015).</li><li>Russell, D., Cleary, K., Reeves, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryogenic+probe+station+for+on-wafer+characterization+of+electrical+devices.">Cryogenic probe station for on-wafer characterization of electrical devices.</a> Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044703 (2012).</li><li>Ranzani, L., Spietz, L., Popovic, Z., Aumentado, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-port+microwave+calibration+at+millikelvin+temperatures.">Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures.</a> Rev. Sci. Instrum. 84 (3), 034704 (2013).</li><li>Patel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+MKIDS+for+the+MicroSpec+Spectrometer.">Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer.</a> IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (3), 2400404 (2013).</li><li>Brown, A., Patel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Precision+Thin+Film+Metal+Liftoff+Technique.">High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique.</a> , (2015).</li><li>Laermer, F., Schlip, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+of+anisotropically+etching+silicon.">Method of anisotropically etching silicon.</a> , (1996).</li><li>Chen, D., Wang, Q., Shen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+broadband+microstrip-to-CPW+transition.">A broadband microstrip-to-CPW transition.</a> APMC 2005. Asian-Pac. Conf. Proc. 2 (4), (2005).</li><li>Fano, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sullo+spettro+di+assorbimento+dei+gas+nobili+presso+il+limite+dello+spettro+d'arco.">Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d'arco.</a> Il Nuovo Cimento. 12 (3), 154-161 (1935).</li><li>Fano, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Configuration+Interaction+on+Intensities+and+Phase+Shifts.">Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts.</a> Phys. Rev. 124 (6), 1866-1878 (1961).</li><li>Marquezini, M. V., Kner, P., Bar-Ad, S., Tignon, J., Chemla, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Density+dependence+of+the+spectral+dielectric+function+across+a+Fano+resonance.">Density dependence of the spectral dielectric function across a Fano resonance.</a> Phys. Rev. B. 57 (7), 3745-3748 (1998).</li><li>Singh, R., Al-Naib, I., Cao, W., Rockstuhl, C., Koch, M., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Fano+Resonance+in+Symmetry+Broken+Terahertz+Metamaterials.">The Fano Resonance in Symmetry Broken Terahertz Metamaterials.</a> IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3 (6), 820-826 (2013).</li><li>Giannini, V., Francescano, Y., Amrania, H., Phillips, C. C., Maier, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fano+Resonances+in+Nanoscale+Plasmonic+Systems:+A+Parameter-Free+Modeling+Approach.">Fano Resonances in Nanoscale Plasmonic Systems: A Parameter-Free Modeling Approach.</a> Nano Lett. 11 (7), 2835-2840 (2011).</li><li>O'Connell, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microwave+Dielectric+Loss+at+Single+Photon+Energies+and+Millikelvin+Temperatures.">Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and Millikelvin Temperatures.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (11), 112903 (2008).</li><li>Weber, S. J., Murch, K. W., Slichter, D. H., Vijay, R., Siddiqi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+Crystal+Silicon+Capacitor+with+Low+Microwave+Loss+in+the+Single+Photon+Regime.">Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510 (2011).</li><li>Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-Spec:+an+ultracompact,+high-sensitivity+spectrometer+for+far-infrared+and+submillimeter+astronomy.">Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy.</a> Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).</li></ol>

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 &lt;1 x 10 - 5. 23-24 La capacidad de mod...

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&gt; 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

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="715">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microposit S-1811 Photoresist</td>
			<td style="width:111px;">Shipley</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BCB</td>
			<td style="width:111px;">Dow</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">3022-35</td>
		</tr>
		<tr height="45">
			<td height="45" style="height:45px;width:216px;">SOI wafers</td>
			<td style="width:111px;">SOITec</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">Fabricated with SmartCutTM process</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mo</td>
			<td style="width:111px;">Kamis</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">99.99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nb</td>
			<td style="width:111px;">Kamis</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">99.95% (excludes Ta)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">E-6 metal etch w/AES</td>
			<td style="width:111px;">Fujifilm</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">CPG Grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Acetone</td>
			<td style="width:111px;">JT Baker</td>
			<td style="width:187px;">9005-05</td>
			<td style="width:201px;">CMOS Grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">HF dip (1:10)</td>
			<td style="width:111px;">JT Baker</td>
			<td style="width:187px;">5397-03</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PMMA</td>
			<td style="width:111px;">Microchem</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">950 PMMA A2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">GE 7031</td>
			<td style="width:111px;">General Electric</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">Low-temperature adhesive</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cryogenic Microwave Amplifier</td>
			<td style="width:111px;">MITEQ</td>
			<td>AF S3-02000400-08-CR-4</td>
			<td style="width:201px;">2-4 GHz, gain ~30dB</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">NbTi Semi-rigid SMA cables</td>
			<td style="width:111px;">Coax. Co.</td>
			<td style="width:187px;">SC-086/50-NbTi-NbTi</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Circulator</td>
			<td>PamTech</td>
			<td>CTD1229K</td>
			<td style="width:201px;">return loss &#62; -20 dB from 2-4 GHz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">RF attenuator</td>
			<td>Weinschel</td>
			<td>Model-4M</td>
			<td style="width:201px;">7 dB attenuation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Flexible SMA cables</td>
			<td style="width:111px;">Teledyne-Storm</td>
			<td>R94-240</td>
			<td style="width:201px;">ACCU-TEST</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Vector Network Analyzer</td>
			<td style="width:111px;">Agilent</td>
			<td>N5242A PNA-X</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Liquid He-4 cryogen</td>
			<td>Praxair&#160;</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:216px;">Liquid N2 cryogen</td>
			<td style="width:111px;">Praxair&#160;</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and characterization of superconducting resonators

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.

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 &quot;H&quot; región en forma en u...

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Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

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.

Fabricación y caracterización de resonadores superconductores

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

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