Summary
Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für die Erfassung von Licht, Quanten-Computing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. Diese Arbeit stellt ein detailliertes Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von supraleitenden Mikrowellenresonator Streuparameter.
Abstract
Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich für ihre Verwendung als Mikrowellen-kinetische Induktivität Detektoren (MKIDs) zum Nachweis von schwachen astrophysikalische Signaturen sowie für Quantencomputing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von Dünnschichtsupraleitenden Mikrowellenresonatoren dargestellt. Die Herstellungsmethode ermöglicht die Realisierung von supraleitenden Übertragungsleitungsresonatoren mit Funktionen auf beiden Seiten eines atomar glatten einkristallinem Silizium Dielektrikums. Diese Arbeit beschreibt das Verfahren für die Installation von Resonatorbauelemente in einer kryogenen Mikrowelle Testbed und Abkühlphase unterhalb der Supraleitungsübergangstemperatur. Der Aufbau des kryogenen Mikrowelle Testbed ermöglicht eine sorgfältige Messungen des komplexen Mikrowellenübertragung dieser Resonatorbauelemente zu tun, um die Extraktion der pr ermöglichenoperties der supraleitenden Leitungen und dielektrischen Substrat (zB interne Qualitätsfaktoren, Verlust und kinetische Induktivität Fraktionen), die für Gerätedesign und Leistung wichtig sind.
Introduction
Advances in astrophysikalischen Instrumentierungs wurden kürzlich supraleitende Mikrowellenresonatoren für die Detektion von Infrarotlicht eingeführt . 1 - 4 Ein supraleitenden Resonator für Infrarotstrahlung Energie E reagieren = hv> 2Δ (wobei h die Plancksche Konstante, v ist die Strahlungsfrequenz und Δ ist die supraleitende Energielücke). Wenn der Resonator auf eine Temperatur deutlich unter dem Supraleiter kritische Temperatur abgekühlt wird, bricht diese einfallende Strahlung Cooper-Paare in dem Resonator Volumen und erzeugt Quasiteilchen-Anregungen. Die Erhöhung der Dichte der Quasiteilchen Anregungen ändert die kinetische Induktivität und damit die komplexe Oberflächenimpedanz des Supraleiters. Diese optische Antwort wird als eine Verschiebung in der Resonanzfrequenz auf niedrigere Frequenz und eine Verringerung des Gütefaktors des Resonators beobachtet. In der kanonischen Ausleseschema für eine Mikrowelle kinetic Induktivität Detektor (MKID) wird der Resonator mit einem Mikrowellenzuführungsleitung gekoppelt ist und eine überwacht die komplexe Übertragung durch diese Speiseleitung mit einer einzigen Mikrowellenfrequenz Ton auf Resonanz. Hier wird die optische Reaktion wird als Änderung beobachtet sowohl in der Amplitude und Phase des Getriebes 5 (Figur 1). Frequenz-Domain Multiplexing - Schemata sind in der Lage Arrays von Tausenden von Resonatoren Auslesens. 6-7
Um erfolgreich zu gestalten und supraleitenden Resonator-basierte Instrumente zu implementieren, müssen die Eigenschaften dieser resonanten Strukturen werden genau und effizient aus. Beispielsweise Präzisionsmessungen der Rauscheigenschaften, Qualitätsfaktoren Q, Resonanzfrequenzen (einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit) und optischen Antworteigenschaften von supraleitenden Resonatoren erwünscht sind im Rahmen der MKID Vorrichtung Physik, 8 Quantencomputing, 9 und die Bestimmung von nieder- temperatur Materialeigenschaften. 10
In allen diesen Fällen wird die Messung der komplexen Übertragungsstreuparameter der Schaltung gewünscht. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Bestimmung der komplexen Übertragungskoeffizienten des Resonators, S 21, dessen Amplitude und Phase kann mit einem Vektor - Netzwerkanalysator (VNA) gemessen werden. Idealerweise würde der VNA Bezugsebene (oder Prüfanschluss) direkt mit dem Gerät unter Test (DUT) verbunden werden, aber eine kryogene Einstellung erfordert normalerweise die Verwendung von zusätzlichen Strukturen Übertragungsleitung eine thermische Trennung zwischen RT (~ 300 K) zu erkennen, und die Kältestufe (~ 0,3 K in dieser Arbeit, siehe Abb ure 2). Zusätzliche Mikrowellenkomponenten wie Richtkoppler, Umwälzpumpen, Isolatoren, Verstärker, Dämpfungsglieder und dazugehörige Verbindungskabel können in geeigneter Weise benötigt werden, vorzubereiten, zu erregen, ausgelesen und vorspannen das Gerät von Interesse. DasPhasengeschwindigkeiten und Abmessungen dieser Komponenten variieren, wenn von Raum zu kryogenen Temperaturen Kühlung und damit beeinflussen sie die beobachtete Reaktion am Gerät Kalibrierungsebene. Diese dazwischenliegenden Komponenten zwischen dem Gerät und dem Gerätekalibrierung Ebene Einfluss auf die komplexe Verstärkung und müssen in geeigneter Weise für die Interpretation der gemessenen Reaktion berücksichtigt werden. 11
In der Theorie wird eine Regelung erforderlich, die die Messreferenzebene, identisch mit dem bei der Kalibrierung verwendet setzt, an der DUT. Um dieses Ziel zu erreichen, könnte man die Kalibrierungsstandards über mehrere kühl-downs messen; jedoch stellt dies Einschränkungen für die Stabilität des VNA und die Wiederholbarkeit des kryogenen Instrument, das nur schwer zu erreichen. Um diese Bedenken zu mildern, könnte man die erforderlichen Standards in der gekühlten Testumgebung platzieren und zwischen ihnen wechseln. Dies ist zum Beispiel ähnlich dem, was in Mikrowellensonde Stationen gefunden wird,, Wobei die Proben- und Eichstandards sind auf 4 K durch einen kontinuierlichen Flüssigheliumstrom oder einem geschlossenen Kreislauf Kühlsystem gekühlt. 12 dieses Verfahren bei Unter Kelvin Temperaturen gezeigt wurde, erfordert aber ein Low-Power - Hochleistungsmikrowellenschalter in der Testband von Interesse. 13
Ein in-situ Kalibrierprozedur ist daher erwünscht , die für die instrumentellen Transmissionsverhalten zwischen der VNA Referenzebene und der Vorrichtung Kalibrierungsebene (Fig ure 2) ausmacht und die die Beschränkungen der oben beschriebenen Verfahren überwindet. Diese kryogenen Kalibrierungsverfahren, dargestellt und im Detail in Cataldo et al. 11, ermöglicht es , mehrere Resonatoren über einen breiten Frequenzbereich im Vergleich zu dem Resonator Linienbreite und zwischen den Resonatoren Abstand mit einer Genauigkeit von ~ 1% zu charakterisieren. Dieses Papier konzentriert sich auf die Details der Probenherstellung und Vorbereitungreitung Prozesse, experimentelle Test - Set-up und Messverfahren verwendet , um supraleitenden Mikrowellenresonatoren mit planaren Liniengeometrien zu charakterisieren. 11
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Protocol
1. Micros Leitungsresonator Fabrication 14 (Figur 3)
- Reinigen eines Silizium-auf-Isolator (SOI) -Wafer, der einen 0,45 um dicken Siliziumvorrichtungsschicht aufweist, mit frisch gemischten H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) für 10 min. Dann spülen Sie den Wafer in entsalztem Wasser 10 Minuten lang und mit einem trockenen Stickstoffpistole. Unmittelbar vor der Wafer in H , um anschließend die Verarbeitung, tauchen 2 O: HF (10: 1) für 10 Sekunden und spülen Sie in VE - Wasser für 5 min.
- Fertigen Sie ein Lift-Off - Maske, die aus einem Germanium besteht (Ge) / Positiv - Photoresist wie S-1811. 15
- Spin-Beschichtung der Wafer mit ausgedünnten positiven Photoresist-Doppelschicht (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 4.000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden und dann Elektronenstrahl Ablagerung Ge.
- Muster Ge mit Fotolithographie, indem zuerst Hexamethyldisilazan (HMDS) auf dem Wafer für 1 min und dann ausgliedern das überschüssige bei 3000 Upm für 30 sec.
- Spin auf verdünnte positive Photoresist (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 2000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden und backen sie auf einer heißen Platte für 1 min bei 110 ° C. Verwenden Sie einen Mask Aligner Photoresist zu belichten und Spray develop mit einem Tetramethylammoniumhydroxid-basierte Lösung widerstehen.
- Reactive-Ionen - ätzen die Ge mit einem SF 6 / O 2 Plasma bei 70 W. Ash zugrundeliegenden Photoresist mit O 2 Plasma zu erreichen Hinterschneidung des Photolacks.
- DC-Magnetron-Sputter-Ablagerung Niob (Nb) Grundebene mit 3,7 mT von Argon (Ar) bei 500 W und heben Sie sie, indem Sie den Wafer innerhalb eines Aceton gefüllte Becher 4 Stunden ab.
- Spin-coat Bisbenzocyclobuten (BCB) bei 4000 Upm für 30 sec auf der Nb-beschichtete Oberfläche des SOI-Wafers und auf eine Oberfläche eines anderen Siliziumwafer. Verbinden die beiden BCB-beschichteten Oberflächen zusammen mit 3 bar Druck bei 200 ° C.
- Manuell Flip Waferstapel den Kopf der Verarbeitung der Rückseite des SOI-Wafer zu beginnen.
- Ätzen des Silizium - Substrat-Wafer durch mechanisches Läppen unter Verwendung von Al 2 O 3 Aufschlämmung durch tiefes reaktives Ionenätzen folgte dem Bosch - Verfahren unter Verwendung von 16 Etch die vergrabene SiO 2 -Schicht mit H 2 O:. HF (10: 1) für 20 min.
- Kaution Molybdän - Nitrid (Mo 2 N) unter Verwendung von DC - Magnetron - reaktives Sputtern bei 700 W und 3,3 mT (Ar: N 2 -Partialdruck = 7: 1). Muster Resonatoren durch bei 2000 Upm für 30 sec Spinn- und Einbrennen bei 180 ° C für 2 min, gefolgt von Spinn gedünnt positive Photoresist (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 2000 Upm für 30 sec. Entwickeln Photoresist in einer Tetramethylammoniumhydroxid-basierte Lösung und Asche in einem reaktiven Ionenätzer. Ätzen Mo 2 N mit einer Phosphorsäure basierenden Lösung.
- Fabrizieren einen lift-off-Maske, bestehend aus einer Ge / PMMA bilayer auf dem Polymethylmethacrylat (PMMA) bei 5000 Upm für 30 sec durch Verspinnen und Backen bei 180 ° C für 2 min durch Elektronenstrahl dep gefolgtosition von Ge. Sputtern aufbringen Nb Übertragungsleitungen und abheben in Aceton (siehe 1.2 mit Ausnahme zu dem Schritt, dass der positive Photoresist wird mit PMMA ersetzt).
- In einigen Ausführungsformen, Hochfrequenz (RF) durch Sputtern aufbringen SiO 2, Muster durch mit positiven Photoresist Spinn- und in einer Flusssäure - basierte Lösung ätzen. Dann heben Sie eine sputterabgeschiedenes Nb-Dünnfilm unter Verwendung eines Germanium / Positiv-Photoresist liftoff Maske wie detailliert in Schritt 1.2 aus.
2. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator Chip in Testpaket
- Design und Maschine ein Paket Test, bestehend aus Gold (Au) beschichteten Kupfer Hohlraum (mit Boden und Deckel), die Resonatorchips Dimensionen entspricht, Zuleitung Eingabe und Ausgabestellen. HINWEIS: Die Hohlraumgröße des Gehäuses sollte eine Single-Mode-Betrieb mit minimalen parasitären Kopplung über das interessierende Band zu unterstützen, anzugeben.
- Konstruktion und Herstellung eine kontrollierte Impedanz Mikrowelle Fan-out Platte 17 zu leiten die Signale zwischen dem Chip und Sub-Miniatur - Version A (SMA) Anschlüsse.
- Legen Sie die SMA-Stecker in den Eingang und Ausgang des Testpakets, so dass der Mittelleiter Stift über dem entsprechenden Fan-Out-Board Kontaktfeld ausgerichtet ist. Übernehmen einer Lötmaske gegen Kurzschlüsse zu schützen und Lötzinn in dem Bereich der Mittelleiterstift. Legen Sie das Paket auf einer heißen Platte und Hitze auf 200 ° C für ca. 5 min das Lot zu schmelzen. Abkühlen lassen und dann die Lötstopplack entfernen.
- Montieren Sie den Resonator-Chip in die Au-beschichtete Kupfer Paket Hohlraum, so dass die On-Chip-Zuführungsleitung Ausgangs- und Eingangs Pads sind in der Nähe und ausgerichtet auf die entsprechenden Fan-Out-Board Koplanarwellenleiter (CPW) Linien. Sichern Sie den Chip mit Kupfer-Clips, die den Kontakt an den Rändern der Ecken des Chips zu machen.
- Platzieren supraleitende Al Drahtverbindungen zwischen dem Fan-Out-Board und On-Chip-Kontaktflächen. Legen Sie eine maximale Anzahl (~ 4 im Fall hier vorgestellt - siehe
- Nach dem Drahtbonden, überprüfen Sie mit einem Multimeter den DC-Widerstand zwischen den mittleren Pins der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, und zwischen einem Mittelstift und Erde gibt es eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Mittelstifte und eine offene Verbindung zwischen dem Zentrum zu bestätigen Leitung und Masse.
3. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator in einer kryogenen Helium-3 Mikrowelle Testbed
- Zusammenbauen testbed wie in der Konfiguration in 2 gezeigt ist , in dem eine Reihe von SMA Kabel von RT auf den 0,3-K Kältestufe geleitet werden , wo die Vorrichtung angebracht werden.
- Installieren Kupfer (Cu) und supraleitenden Niob-Titan (NbTi) Kabel wie in Abbildung 2 zu liefern geringer Mikrowellenverlust und in der gezeigtenBei der NbTi-Kabel, eine niedrige thermische Leitfähigkeit. Verwenden Sie die NbTi Leitungen, die als thermische Trennung zwischen dem 2-K und 0,3-K Stufen.
- Montieren eines kryogenen HEMT (HEMT) -Verstärker an der 2-K Stufe auf der Ausgangsleitung für die rauscharmen Verstärker in dem Band des Resonatorvorrichtung und einen Zirkulator installieren.
- Legen Sie eine kryogene Zirkulator auf der Ausgangsleitung am Eingang dieses Verstärkers.
- Montieren Sie die verpackten Resonatorbauelemente auf einer Halterung verschraubt mit dem 0,3-K Kältestufe.
- Schließen Sie einen Mikrowellen-Dämpfungsglied auf der Eingangsseite des Pakets für abgestimmte Kündigung und die entsprechenden SMA-Kabel an diesem Dämpfungsglied Eingang und Paket-Ausgang anschließen. Stellen Sie sicher , dass diese kontrollierte Impedanz Abschlüsse gut aufeinander abgestimmt sind und so nah an der zu prüfenden Vorrichtung wie möglich - sie die "Gerätekalibrierung Ebene" definieren (siehe Abbildung 2).
- Schließen Sie den Kryostaten auf. Folgen Sie Standardverfahren das Gerät abkühlens bis 0,3 K.
4. Verfahren für die Mikrowellenresonator Messungen
- Stellen Sie die VNA ein breites Frequenzband abtastet (10 MHz - 8 GHz, für das Gerät hier betrachteten) an den Geräte-under-Test-Design-Frequenzen. Anpassen der Leistungspegel auf der VNA auf geeignete Pegel für den Prüfling (~ -30 dBm, für das Gerät hier in Betracht gezogen).
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Eingangs-HF-Leistungspegel niedrig genug ist, um nicht den kritischen Strom des supraleitenden Mikrowellenresonator und supraleitenden Zuleitung zu überschreiten. Sicherzustellen, dass der Leistungspegel hoch genug ist, ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu liefern. - Kalibrieren Sie die flexiblen HF-Kabel folgenden Standardkurz Open-Load-Thru (SOLT-) Verfahren nach VNA Software Richtungen in der VNA-Handbuch. Einfügen in kurzgeschlossene, offene, beendet und thru Standards am Ausgang von jedem der flexiblen Kabel, die Route von dem Vektor-Netzwerkanalysator und welche später mit dem Eingang verbunden werdendes Kryostaten für Messungen. Diese Kalibrierung definiert das "Instrument Referenzebene" ( zum Beispiel siehe Abbildung 2).
- Im Anschluss an diese SOLT- Kalibrierung, überprüfen Sie die Genauigkeit der Kalibrierung , indem bestätigt wird, dass die Übertragung, S 21, mit der durch Linie mit dem VNA gemessen verbunden ist , geringe Restfehler hat ( das heißt, die Reaktion bei ~ 0 dB - Pegel und S 11 und S 22 sind niedrig, zB ≤ -50 dB).
- Verbinden die flexible Leitungen zu den Ein- und Ausgangsleitungen des Kryostaten.
- Schalten Sie den kryogenen Mikrowellenverstärker durch die erforderliche DC-Bias-Spannung angelegt wird, wie in der vom Unternehmen bereitgestellte Dokumentation für den Mikrowellenverstärker angegeben.
- Zuerst füllen Sie einen Breitband - Scan von VNA (10 MHz - 8 GHz, für das Gerät hier betrachteten) , um die S 21 Basisstruktur zu beobachten und für jede scharfe High - Q zu sehen </ Em> Strukturen indikativ für Mikrowellenresonatoren.
- Dann verengen den Frequenzbereich (bis ~ 2 bis 4 GHz, für das Gerät hier betrachteten) und stellen die Anzahl der Datenpunkte (~ 30.000 für das Gerät hier betrachteten) des VNA über den Resonator Band abzutasten. Verwenden breit genug , um ein Frequenzband eine ausreichende Basis Spanne für spätere Anpassungen an diese Grundlinie , um eine in-situ - Kalibrierung durchzuführen (siehe Diskussion in Einleitung).
HINWEIS: Je nach Geräuschpegel, erhöhen Sie die Anzahl der Mittelwerte oder die ZF-Bandbreite reduzieren Signal-Rausch zu verbessern. - Speichern Sie diese VNA Daten - Scans der komplexen Übertragungsdaten für Nachmessung in-situ - Datei Kalibrierung und Analyse und Gewinnung von Qualitätsfaktoren und Resonanzfrequenzen. 11
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Representative Results
Die Reaktion einer Halbwelle Mo 2 N Resonator (5) auf einem dielektrischen 0,45-um - Einkristall-Silizium hergestellt wurde mit dieser Methode bestätigt. In diesem Fall Kopplung mit einer Nb koplanaren Wellenleiter (CPW) Speiseleitung zum Auslesen über eine kapazitive Kopplung durch ein Sputtern abgelagerten SiO 2 dielektrische erreicht wird, in der "H" -förmigen Bereich an einem der offenen Enden des Resonators (siehe Protokoll Abschnitt 1.6). In anderen Fällen sind kapazitive Kopplung mit den Versorgungsleitungen wurde durch Entfernen Regionen in der Nb Masseebene erreicht. Der Resonator in 5 gezeigt ist zeigt , daß die Herstellungstechnik auf beiden Seiten eines ultradünnen einkristalline Siliziumschicht realisiert werden kann für mikroskopische supraleitende Schaltung dargestellt , ohne die Substratoberfläche aufgerauht. Diese Resonatoren stellen die wichtigste Komponente eines MKID und diese Technik ermöglicht eine gute Kontrolle überihre Integrität.
Die kryogene Messansatz beschrieben wurde , gekoppelt mit sieben Mo 2 N Resonatoren auf ein Gerät angewandt auf eine einzelne Mikrowellenzuleitung. In Abbildung 6 wird die Größe des gemessenen Transmissionskoeffizienten, S 21 dieser Vorrichtung auf der VNA - Bezugsebene als eine Funktion der Frequenz gezeigt. Hierbei ist die Kopplung von Mikrowellenenergie in den Resonatoren an jedem ihrer Resonanzfrequenzen und damit ein Sprung in der Größenordnung Übertragung zu sehen. Die Wechselwirkung der Resonatoren sowie ihr Zusammenwirken mit dem Kontinuum kann in einer Fano Spektralempfindlichkeit ergeben . 18 - 22 dieser Effekt auch experimentell als eine Interaktion zwischen den Resonatoren mit der relativ breiten Fabry-Perot beobachtet werden können Resonanzen aus stehende Wellen in dem System. Solche Reflexionen erzeugen die dominante spektrale Variation des Observed Instrument Grundlage für die Testkonfiguration hier beschrieben. Die Daten , die durch diese Methodik gesammelt können nach einer in situ-Kalibrierungsverfahren analysiert werden , um die Auswirkungen dieser Wechselwirkungen zu entfernen und die detaillierte Resonator und elektromagnetische Parameter von Interesse zu extrahieren.
Abbildung 1. Spektrale Empfindlichkeit eines Resonators. Die schwarze Linie zeigt die Transmissionsamplitude eines Resonators in der Dunkelheit mit einer Resonanz bei der Frequenz f 0. Der Anstieg der Quasiteilchen Dichte bewirkt , dass die Resonanz bei f 0 zu einer niedrigeren Frequenz zu bewegen, f 0 -δ f, während gleichzeitig die Amplitude des Signals (gestrichelte Linie) zu ändern. Bitte hier klicken , um eine größere Version zu sehendieser Figur.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus. Der Prüfling besteht aus mehreren Mo 2 N Resonatoren gekoppelt mit einem Mikrowellen - Nb Zuleitung durch Koppelkondensatoren, C c. Die gestuften Impedanzresonatoren sind von Nieder- und Hochimpedanz Mikrostrip- Übertragungsleitungen realisiert. 11 Es ausgebildet ist , den Resonator und erhöhen seine harmonische Resonanzfrequenzen entfernt von seiner Grundresonanzfrequenz zu miniaturisieren. Das Übertragungsverhalten durch die Speiseleitung mit einem VNA gemessen mit dem DUT verbunden über Kabel und andere Komponenten. Geändert von Cataldo et al. 11 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Abbildung 3. Micros Resonator Fertigungsfluss. Dieses Schema zeigt den Herstellungsprozess in Protokoll 1 zusammengefasst Dieses Verfahren stellt ein Mittel supraleitende Schaltungen auf beiden Seiten einer ultradünnen einkristallinem Silizium dielektrischen Schicht herzustellen. Geändert von Patel et al. 14 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Mikroskopische Aufnahme eines Endes des Resonators Chip im Gehäuse montiert ist . Al Drahtbondverbindungen zwischen dem On-Chip - CPW Nb Schlauch und einem Off-Chip - Fan-Out - Board zu sehen.4large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Fig . 5 Mikroskopische Aufnahme von Mo 2 N Mikros Mikrowellenresonator gekoppelt mit einem Nb Speiseleitung zum Auslesen. Die H-förmigen Kupplungsbereich zur CPW Speiseleitung am oberen Teil der Figur und ist auf der Oberseite der Oxidschicht. Die Y-förmigen Struktur liegt in der Unterseite der Figur wird zum Koppeln einige der Resonatoren auf andere Vorrichtungen auf dem Wafer auf eine Mikrostrip-Übertragungsleitung verwendet. Weitere Einzelheiten über den Resonator - Design kann in Cataldo et al. 11 und Patel et al. 14 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. Gemessene Übertragungs, S 21, als Funktion der Frequenz (Amplitude nur) zeigt 7 Mo 2 N Resonatoren gekoppelt mit einem einzelnen Mikrowellenzuleitung. Diese Daten in der kryogenen Testbed einen VNA genommen wurden bei 0,3 K verwendet wird . Bitte klicken Sie hier , um die sehen eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Der Single-Flip Herstellungsverfahren stellt ein Mittel zur Realisierung von supraleitenden Resonatoren auf beiden Seiten einer dünnen 0,45-um-Einkristall-Si-Substrat. Man kann motiviert werden , um eine einkristalline Si-Dielektrikum zu verwenden , weil es mehr als eine Größenordnung geringeren Verlust als abgeschieden Dielektrika (wie Si 3 N 4) mit Dielektrizitätsverlusten im 4,0-6,5-GHz - Bereich hat <1 x 10 - 5 23,24 . Die Fähigkeit, Muster kennzeichnet auf beiden Seiten dieses Substrats ermöglicht es , eine Mikros Resonatordesign zu verwenden, die eine gute Immunität Licht und niedrige Resonator zu Resonator Übersprechens wegzulaufen zur Verfügung stellt. Die lift-off - Technik beschrieben , ermöglicht es die Integrität der Si - Oberfläche gehalten werden, weil keine Aufrauhung der Oberfläche während der Strukturierung des supraleitenden Nb - Dünnfilm eintritt. 15 Dieses Herstellungsverfahren für eine Vielzahl von Strukturen verwendet werden kann , eine supraleitende Mikrostreifenleitung- Architektur und erwartet future Anwendungen sind für Fern-Infrarot - Spektrometer verwendet wird . 25 Die Hauptbegrenzung ist , dass die BCB die Substrate zusammen legt eine obere Grenze für die Verarbeitungstemperatur (~ 250 ° C) zu kleben , verwendet.
Kryogenen Messungen der komplexen Übertragung dieser Resonatorvorrichtungen, wie in dem Protokoll beschrieben wird, ermöglichen eine Schlüsselmaterialien Parameter für supraleitende und dielektrische Substratmaterialien und / oder zu überwachen, ihre Reaktion auf fernen Infrarotlicht zu extrahieren. Allerdings Kalibrierung und Vorbereitung des Testaufbaus ist entscheidend für die Fähigkeit, präzise Extraktionen dieser Materialparameter zu tun. Eine Standard-Kalibrierungs SOLT Methodik wurde verwendet, um die Übertragung durch die flexible SMA Kabel von der VNA mit dem Eingang des Kryostaten zu kalibrieren. Das Vorhandensein des HF-Dämpfungsglieds am Geräteeingang und der Zirkulator am Geräteausgang erforderlich angepaßten Abschlüssen vorzusehen. Post-Messung Kalibrierung kann carri seined folgende aus dem Verfahren in-situ - Kalibrierung in Cataldo et al. 11 Dieses Kalibrierverfahren in-situ bewegt die Referenzebene auf das Gerät Ein- und Ausgang (als "Gerätekalibrierung Ebene" bezeichnet in Abb. 2). Es sollte in Schritt 6 des Protokolls Abschnitt 4, eine optimale Spektralbereich und die Anzahl der Datenpunkte müssen aufgezeichnet werden, die sowohl eine angemessene Auswahl der engen Resonatorstrukturen bieten, sondern auch eine Spanne, die die Basislinie über den Resonatoren geht zu ermöglichen, festzustellen, dass zu werden korrekt entfernt. Abseits von den Resonatoren, wird die Basislinie ausreichend entkoppelten unvoreingenommen Amplitudenkalibrierung zu erreichen, so dass die Fehler in den Parametern, die aus der beobachteten Reaktion zu reduzieren.
Um die VNA Daten in-situ zu kalibrieren, werden die folgenden Schritte durchgeführt: 1) Fit des komplexen Basislinie durch ein analytisches Modell physikalisch durch die Grundreaktion motiviert; 2) Normalisierungtion der realen und imaginären Teile der Übertragung durch die Sendeamplitude Zwingen von den Resonatoren, um gleich einem entfernt; 3) Korrektur für Variationen in der Verstärkung und die Verlagerung der Referenzebene des Prüflings durch die komplexe Basis fit Teilung aus.
Die Einzelheiten dieser Kalibrierungsschritte können in Sec gefunden werden. IV von Cataldo et al. 11 Nachdem die Daten kalibriert worden sind, können die Resonatoren in einer von zwei Weisen modelliert werden. In der ersten, eine phänomenologische Modell auf physikalisch realisierbaren rationalen Funktionen auf Basis der Extraktion der Mittenfrequenzen und Breiten mit einer Genauigkeit von 1% ohne explizite Angabe des Schaltungsnetzwerk (s. V von Cataldo et al. 11) "Resonatoren ermöglicht. In der zweiten, ermöglicht eine ABCD-Matrix - Darstellung der verteilten Übertragungsleitungsschaltung Modellierung der beobachteten Reaktion aus den charakteristischen Impedanzen, Z, und Ausbreitungskonstanten, γ, mitdetaillierte Kenntnis der Bauteilgeometrie (zB Leitungslängen, l - siehe Abb . 2). Selbst konsistente Einschränkungen für die elektromagnetischen konstitutiven Beziehungen zwischen der Dielektrizitätskonstante des Materials und Permeabilität durch Z und γ werden erzwungen Parameter zu extrahieren, wie die kinetische Induktivität Fraktion "Resonatoren und effektiven Index mit einer Genauigkeit von 2% , wenn sie mit elektromagnetischen Simulationen gekoppelt (s. VI von Cataldo et al. 11). Dadurch kann die interne Struktur des Schaltkreises zu studieren.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen an finanzieller Unterstützung der National Aeronautics and Space Administration (NASA) 's ROSES und APRA-Programme. GC erkennt auch die Universities Space Research Association für seine Ernennung bei der NASA zu verwalten.
Materials
| 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 | ||
References
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