Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Tillverkning och karakterisering av supraledande resonatorer

Published: May 21, 2016 doi: 10.3791/53868
Automatic Translation
1, 2, 2, 1, 2, 1
1Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, 2Instrument Systems and Technology Division, NASA Goddard Space Flight Center

Summary

Supraledande mikrovågsresonatorerna är av intresse för detektering av ljus, kvantdatorapplikationer och materialkarakterisering. Detta arbete presenterar ett detaljerat förfarande för tillverkning och karakterisering av supraledande mikrovågsugn resonator spridningsparametrar.

Abstract

Supraledande mikrovågsresonatorerna är av intresse för ett brett spektrum av tillämpningar, bland annat för deras användning som mikrovågsugn kinetisk induktans detektorer (MKIDs) för detektion av svaga astrofysiska signaturer, liksom för kvantdatorapplikationer och materialkarakterisering. I detta dokument är förfaranden presenteras för tillverkning och karakterisering av tunnfilmssupraledande mikrovågresonatorerna. Tillverkningen metodologi medger för förverkligandet av supraledande överföringslinje resonatorer med funktioner på båda sidor av ett atomiskt slät enda kristall kisel dielektrikum. Detta arbete beskriver förfarandet för installation av resonatorn enheter till en kryogen mikrovågsugn testbädd och nedkylningen under supraledande övergångstemperaturen. Utformningen av den kryogena mikrovågsugn testbädd gör att man kan göra noggranna mätningar av den komplexa mikrovågsöverföring av dessa resonator anordningar, som möjliggör utvinning av den properties hos den supraledande linjer och dielektriskt substrat (t.ex. interna kvalitetsfaktorer, förlust och kinetiska induktans fraktioner), som är viktiga för enheten design och prestanda.

Introduction

Framsteg inom astrofysiska instrumentering har nyligen infört supraledande mikrovågsresonatorer för detektering av infrarött ljus ett -. 4 En supraledande resonator kommer att svara på infraröd strålning av energi E = hv> 2Δ (där h är Plancks konstant, v är frekvensen strålning och Δ är det supraledande energigapet). När resonatorn kyles till en temperatur väl under supraledarens kritiska temperatur, bryter denna infallande strålning Cooper-par i resonatorn volymen och genererar kvasipartikel excitationer. Ökningen i densiteten för kvasipartikel excitationer ändrar kinetisk induktans, och sålunda den komplexa ytan impedansen hos supraledaren. Denna optiska effekt setts som ett skift i resonansfrekvensen till lägre frekvens och en minskning av kvalitetsfaktorn för resonatorn. I den kanoniska avläsningssystem för en mikrovågsugn kinetic induktans detektor (MKID) är resonator kopplad till en mikrovågsugn ledningen och en övervakar komplexa överföring genom detta feedline på en enda mikrovågsugn frekvenston på resonans. Här, är det optiska svaret observeras som en förändring i både amplituden och fasen hos transmissionen 5 (Figur 1). Frekvensdomän multiplexering system är i stånd att läsa ut grupper av tusentals resonatorer. 6-7

För att framgångsrikt utforma och genomföra supraledande-resonator baserad instrumentering, egenskaperna hos dessa resonansstrukturer måste karaktäriseras noggrant och effektivt. Till exempel, precisionsmätningar av brusegenskaper, faktorer kvalitet Q, resonansfrekvenser (inklusive deras temperaturberoende) och optiska svarsegenskaperna hos supraledande resonatorer önskas i samband med MKID komponentfysik, 8 kvantberäkning, 9 och fastställandet av låg- temperature material egenskaper. 10

I samtliga dessa fall är mätning av kretsens komplexa transmissionsspridningsparametrar önskas. Detta arbete är inriktat på bestämningen av resonatorn komplicerade transmissionskoefficienten, S 21, vars amplitud och fas kan mätas med en vektor nätverksanalysator (VNA). Helst skulle VNA referensplanet (eller testport) anslutas direkt till enheten under test (DUT), men en kryogen miljö kräver normalt användningen av ytterligare transmissionslinjestrukturer för att realisera en isolator mellan RT (~ 300 K) och den kalla steget (~ 0,3 K i detta arbete, se figur ure 2). Ytterligare mikrovågskomponenter, såsom riktningskopplare, cirkulatorer, isolatorer, förstärkare, dämpare, och tillhörande förbindelsekablar kan behövas för att på lämpligt sätt förbereda, excitera, läsa ut och förspänna enheten av intresse. Defas hastigheter och dimensioner av dessa komponenter varierar vid kylning från rum till låga temperaturer, och därför påverkar det observerade svaret vid enheten kalibreringsplanet. Dessa mellanliggande delar mellan instrumentet och enheten kalibreringsplanet påverkar komplexa förstärkning och måste ha lämpliga redovisas i tolkningen av den uppmätta svaret. 11

I teorin behövs ett system som sätter mätningsreferensplanet, identisk med den som användes under kalibreringen, vid DUT. För att nå detta mål, kan man mäta kalibreringsstandarder över flera cool-nedgångar; innebär dock detta begränsningar på stabiliteten i VNA och repeterbarheten av den kryogena instrumentet, som är svåra att uppnå. För att minska dessa problem, skulle man kunna placera nödvändiga standarder i den kylda testmiljön och växla mellan dem. Detta är till exempel, liknande det som finns i mikrovågsugn sondstationer, Där provet och kalibreringsstandarder kyls till 4 K av en kontinuerlig flytande helium flöde eller en sluten cykel kylsystem. 12 Denna metod demonstrerades vid under kelvin temperaturer, men kräver en låg effekt, högpresterande mikrovågsugn omkopplare i testband av intresse. 13

En in-situ kalibreringsproceduren är därför önskvärt som svarar för den instrumentella överföringssvars mellan VNA referensplanet och enheten kalibreringsplanet (fig ure 2) och som övervinner begränsningarna hos de ovan beskrivna metoderna. Detta kryogeniska kalibreringsmetod, presenteras och diskuteras i detalj i et al. Cataldo 11, gör att man kan karakterisera flera resonatorer över ett frekvensområde bred jämfört med resonator linjebredd och inter resonator avståndet med en noggrannhet på ~ 1%. Detta dokument kommer att fokusera på detaljerna i provtillverkning och prepdelser processer, experimentella provuppställning och mätning som används för att karakterisera supraledande mikrovågresonatorerna med plana linjegeometrier. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. mikrostripledning Resonator Fabrication 14 (Figur 3)

  1. Rengöra en kisel-på-isolator (SOI) wafer, som har en 0,45-im tjock kiselanordningslager, med nyblandade H 2 SO 4: H2O 2 (3: 1) under 10 min. Skölj skivan i avjoniserat vatten under 10 minuter och torka med en kväve pistol. Omedelbart före efterföljande bearbetning, doppa skivan i H2O: HF (10: 1) för 10 sek och skölj i avjoniserat vatten i 5 min.
  2. Tillverka en lift-off mask, som består av en germanium (Ge) / positiv fotoresist såsom S-1811. 15
    1. Spin-coat skivan med förtunnad positiv fotoresist tvåskiktsmembran (2 delar tunnare P: en del positiv fotoresist) vid 4000 rpm under 30 sekunder och sedan elektronstråle insättning Ge.
    2. Mönster Ge använder fotolitografi genom att först applicera hexametyldisilazan (HMDS) på skivan under 1 minut och sedan dela ut överskottet på 3000 varv per minut under 30 sekunder.
    3. spin på förtunnad positiv fotoresist (2 delar tunnare-P: en del positiv fotoresist) vid 2000 rpm under 30 sek och baka det på en varm platta under 1 minut vid 110 ° C. Använd en mask Aligner att exponera fotoresisten och spraya utveckla motstå med en tetrametylammoniumhydroxid-baserad lösning.
    4. Reaktiv jonetsning Ge med en SF 6 / O 2 plasma vid 70 W. Ash underliggande fotoresist med O 2 plasma för att uppnå underskärning av fotoresist.
    5. DC-magnetronsputterVärde niob (Nb) jordplan med 3,7 miljoner ton argon (Ar) vid 500 W och lyft bort det genom att placera skivan i ett aceton fylld bägare under 4 timmar.
  3. Spin-coat bisbenzocyclobutene (BCB) vid 4000 rpm under 30 sek på Nb-belagda ytan av SOI wafer och till en yta av ett annat kiselskiva. Binda samman de två BCB belagda ytor tillsammans med 3 bar av tryck vid 200 ° C.
  4. Manuellt flip rån stack upp och ner för att börja bearbeta baksidan av SOI rånet.
  5. Etsa kiselhanteringsskiva genom mekanisk läppning med användning av Al 2 O 3 uppslamning, följt av djup reaktiv jonetsning med användning av Bosch-processen 16 Etsa begravda SiO 2 skikt med H2O:. HF (10: 1) under 20 min.
  6. Insättning molybden nitrid (Mo 2 N) med hjälp av DC magne reaktiv sputtring på 700 W och 3,3 miljoner ton (Ar: N2 partialtryck = 7: 1). Mönster resonatorer genom spinning vid 2000 rpm under 30 sek och bakning den vid 180 ° C under 2 min följt av spinning förtunnad positiv fotoresist (2 delar tunnare-P: en del positiv fotoresist) vid 2000 rpm under 30 sek. Utveckla fotoresist i en tetrametylammoniumhydroxid-baserad lösning och aska i en reaktiv jon etcher. Etch Mo 2 N med en fosforsyra-baserad lösning.
  7. Tillverka en lift-off mask bestående av en Ge / PMMA dubbelskiktet genom att snurra på polymetylmetakrylat (PMMA) vid 5000 rpm under 30 sek och bakning den vid 180 ° C under 2 min följt av elektronstråle deposition av Ge. Spotta-insättning Nb ledningar och lyft i aceton (se steg 1,2 med undantag av att den positiva fotoresisten ersätts med PMMA).
  8. I vissa utföranden, radiofrekvens (RF) spotta Värde SiO 2, mönster genom att snurra med positiv fotoresist och etsning i en fluorvätesyrabaserad lösning. Lyft sedan bort en sputter avsatt Nb tunn film med hjälp av en germanium / positiv fotoresist liftoff mask som beskrivs i steg 1,2.

2. Förfarande för installation av Microwave Resonator Chip i testförpackning

  1. Design och maskin ett testprogram bestående av guld (Au) -belagda koppar hålighet (med en bas och lock) som matchar resonator chip dimensioner, matarledning input och output platser. OBS! Hålighet storlek av huset bör specificeras för att stödja en enda mod med minimal parasit koppling över bandet av intresse.
  2. Design och tillverkning av en kontrollerad impedans mikrovågsugn fan-out kortet 17 för att dirigera signalerna mellan chipet och under miniatyr version A (SMA) kontakter.
  3. Sätt i SMA-kontakter till ingången och utgången av testpaketet, så att den centrala ledaren stiftet är i linje över motsvarande solfjäder ut ombord kontaktdyna. Tillämpa en lödmask för att skydda mot kortslutning, och applicera lödmetall i området för den centrala ledaren pin. Placera paketet på en varm platta och värm till 200 ° C under ~ 5 min för att smälta lodet. Låt svalna och sedan ta bort löda mask.
  4. Montera resonator chip i Au-belagda koppar paket hålighet så att de on-chip feedline utgångs- och ingångs kuddar är nära och i linje med motsvarande fan-ut ombord koplanar vågledare (CPW) linjer. Säkra chip med kopparklämmor som gör kontakt vid kanterna av hörnen på chipet.
  5. Placera supraledande Al trådbond mellan fläkten-ut ombord och on-chip kontaktplattor. Placera ett maximalt antal (~ 4 i fall som presenteras här - se 4) av ~ 500-600-um långa, ~ 250-um-i-höjd tråd obligationer, för att ge impedansanpassning mellan kontakt ingång SMA och utgångar och on-chip CPW matarledning.
  6. Efter trådbondning, med en multimeter kontrollera DC resistans mellan centrumstiften hos in- och utgångsanslutningar, och mellan en centrumtappen och jord, för att bekräfta det finns en elektrisk förbindelse mellan de två centrumtappar och en öppen förbindelse mellan centrum linje och jord.

3. Förfarande för installation av Microwave Resonator i en kryogenisk Helium-3 Microwave Testbed

  1. Montera testbädd som i den konfiguration som visas i figur 2, i vilken en serie av SMA-kablar är dragna från RT till 0,3-K kallt stadium där anordningen kommer att monteras.
  2. Installera koppar (Cu) och supraledande niob-titan (NbTi) kablar som visas i figur 2 för att ge låg mikrovågsugn förlust och, ifallet med NbTi kablar, en låg värmeledningsförmåga. Använd NbTi kablar som en termisk paus mellan 2-K och 0,3-K steg.
  3. Montera en kryogen Hemt (HEMT) förstärkare vid 2-K scenen på utgångsledningen för lågt brus förstärkning i bandet av resonatoranordningen och installera en cirkulationspump.
  4. Sätt en kryogenisk cirkulationspump på utgångsledningen vid ingången till denna förstärkare.
  5. Montera de förpackade resonator enheter på en konsol fastskruvad på 0,3 K kallt skede.
  6. Anslut en mikrovågsugn dämpare på ingångssidan av förpackningen att tillhandahålla matchade uppsägning och ansluta lämpliga SMA kablarna till denna dämparen ingång och paket utgång. Se till att dessa kontrollerade impedans avslutningar är väl avstämda och är så nära mätobjektet som möjligt - de definierar "enhetskalibrering plan" (se figur 2).
  7. Närbild kryostaten. Följ standardförfarande för att kyla enhetens till 0,3 K.

4. Förfarande för mikrovågsresonator Mätningar

  1. Ställ in VNA att skanna över ett brett frekvensband (10 MHz - 8 GHz, för den betraktade här enheten) på enhetsundertestdesign frekvenser. Justera effektnivåer på VNA till lämpliga nivåer för enheten under test (~ -30 dBm, för den betraktade här enheten).
    OBS: Se till att den inmatade RF-effektnivån är tillräckligt låg för att inte överskrida den kritiska strömmen av supraledande mikrovågresonatorn och supraledande matarledning. Se till att effektnivån är tillräckligt hög för att ge en tillräcklig signal-till-brus-förhållande.
  2. Kalibrera flexibla RF-kablar följande standard Short-Open-Load-Thru (Solt) förfarande, efter VNA mjukvaru riktningar som finns i VNA manual. Sätt i kortsluten, öppna, avslutas och thru standarder vid utgången av var och en av de flexibla kablar, vilken väg från vektorn nätverksanalysator och som senare kommer att anslutas till ingångenkryostatens för mätningar. Denna kalibrering definierar "instrumentreferensplan" (t.ex., se figur 2).
  3. Efter denna solt kalibrering kontrollera trohet kalibreringen genom att bekräfta att överföringen, S 21, med thru linje ansluten mäts med VNA har låga rest fel (det vill säga, är svaret på ~ 0 dB nivå och S 11 och S 22 är låga, t.ex., ≤ -50 dB).
  4. Anslut flexibla kablar till in- och utgående ledningar på kryostaten.
  5. Slå på den kryogena mikrovågsförstärkaren genom att applicera den erforderliga DC-förspänningen som specificeras i företaget-tillgänglig dokumentation för mikrovågsförstärkaren.
  6. Först fyller en bredbandig genomsökning av VNA (10 MHz - 8 GHz, för den betraktade här enheten) att observera S 21 baslinjen struktur och att leta efter några skarpa hög Q </ Em> strukturer som indikerar mikrovågsresonatorerna.
  7. Sedan begränsa frekvensområdet (till ~ 2-4 GHz, för den betraktade här enheten) och justera antalet datapunkter (~ 30.000 för den betraktade här enheten) i VNA att skanna över resonator bandet. Använd ett frekvensband tillräckligt bred för att ge en adekvat baslinje spann för senare passar till denna baslinje för att utföra en in-situ kalibrering (se diskussion i inledningen).
    OBS: Beroende på bullernivån, öka antalet medelvärden, eller minska IF bandbredd för att förbättra signal-till-brus.
  8. Spara dessa VNA uppgiftsskanningar av uppgifterna komplexa transmissions att ansöka om post-mätning in situ kalibrering och analys och utvinning av kvalitetsfaktorer och resonansfrekvenser. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Svaret på en halv-våg Mo 2N resonator (Figur 5) tillverkas på en 0,45-um enda kristall kisel dielektrisk validerades med denna metod. I detta fall, koppling till en Nb koplanar vågledare (CPW) matarledning för utläsning sker via kapacitiv koppling genom en sputter-deponerad SiO 2 dielektrikum, i "H" -formade region vid en av de öppna ändarna av resonatorn (se protokoll avsnitt 1.6). I andra fall var kapacitiv koppling till de matningslinjer uppnås genom att avlägsna regioner i Nb-jordplanet. Resonatorn som visas i figur 5 visar att tekniken tillverkning presenteras möjliggör mikroskopisk supraledande kretsar på båda sidor av en ultratunn enkristallin kiselskiktet som skall förverkligas utan uppruggning av substratytan. Dessa resonatorer utgör den mest kritiska komponenten i en MKID och denna teknik möjliggör god kontroll överderas integritet.

Den kryogena mätmetod som beskrivs applicerades till en enhet med sju Mo 2 N resonatorer kopplade till en enda mikrovågsugn matarledning. I figur 6, är storleken på den uppmätta transmissionskoefficienten, S 21, med denna anordning vid VNA referensplanet som en funktion av frekvens visas. Här, kopplingen av mikrovågseffekt till resonatorerna vid var och en av sina resonansfrekvenser, och sålunda ett dopp i transmissions storleksordning, kan ses. Växelverkan mellan resonatorerna, samt deras interaktion med kontinuum, kan resultera i en Fano spektralsvar 18 -. 22 Denna effekt kan även experimentellt observerats som en interaktion mellan resonatorerna med den relativt breda Fabry-Perot-resonanser till följd av stående vågor i systemet. Sådana reflektioner producerar den dominerande spektral variation i observed instrument baslinje för testkonfiguration som beskrivs här. De uppgifter som samlas in genom denna metod kan analyseras efter en in-situ kalibreringsmetod för att ta bort effekterna av dessa interaktioner och extrahera detaljerad resonator och elektromagnetiska parametrar av intresse.

Figur 1
Figur 1. Spektral respons hos en resonator. Den svarta linjen anger transmissions amplituden hos en resonator i mörker med en resonans vid frekvensen f 0. Ökningen av kvasipartikel densitet orsakar resonans vid f 0 för att flytta till en lägre frekvens, f 0 -δ f, samtidigt ändra amplituden av signalen (streckad linje). Klicka här för att se en större versionav denna siffra.

figur 2
Figur 2. Schematisk av försöksuppställningen. Anordningen under test består av flera Mo 2 N resonatorer kopplade till en mikrovågsugn Nb matarledning genom kopplingskondensatorer, Cc. Den stegade impedans resonatorer realiseras från låg- och hög impedans mikrostripöverföringsledningar. 11 Den är utformad för att miniatyrisera resonatorn och öka dess övertonsresonansfrekvenser bort från dess grundresonansfrekvens. Överföringen respons genom matningsledningen mäts med en VNA ansluten till DUT via kablar och andra komponenter. Modifierad från Cataldo et al. 11 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

: Keep-together.within-page = "1"> Figur 3
Figur 3. Mikro resonator tillverkningsflödet. Denna schematiska illustrerar tillverkningsprocessen sammanfattas i protokollet 1. Denna process ger ett sätt att tillverka supraledande kretsar på båda sidor av en ultratunn enda kristall kisel dielektriskt skikt. Modifierad från Patel et al. 14 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Mikrograf av en ände av resonatorn chips monterat i förpackningen. Al wire bond anslutningar mellan on-chip CPW Nb ledningen och en off-chip fan-ut ombord kan ses.4large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. Mikrograf av Mo 2 N microstrip mikrovågsresonator som är kopplad till ett Nb feedline för utläsning. Den H-formade kopplingsområdet till CPW feedline är belägen vid den övre delen av figuren och är beläget på toppen av oxidskiktet. Den Y-formade struktur som ligger i botten av figuren används för att koppla en del av resonatorerna på andra enheter på skivan till en mikrostriptransmissionsledning. Ytterligare information om resonator design kan hittas i Cataldo et al. 11 och Patel et al. 14 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> figur 6
Figur 6. Uppmätt överföring, S 21, som en funktion av frekvens (endast amplitud) visar 7 Mo 2 N resonatorer kopplade till en enda mikrovågsugn matarledning. Dessa data togs i den kryogeniska testbädd vid 0,3 K med en VNA. Klicka här för att en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den enkel flip tillverkningsprocessen ger ett medel för att realisera supraledande resonatorer på båda sidor av ett tunt 0,45-um enda kristall Si-substrat. Man kan motiveras att använda en enda kristall Si dielektrisk eftersom den har mer än en storleksordning lägre förlust än deponerade dielektrika (såsom Si 3 N 4) med förlustfaktorer i 4,0-6,5 GHz intervall <1 x 10 - 5. 23-24 förmågan att mönstret har på båda sidor av detta substrat gör att man kan använda en microstrip resonator konstruktion, som ger god immunitet mot ströljus och låg resonator till resonator överhörning. Den lift-off teknik som beskrivits tillåter integriteten hos den Si-yta som skall upprätthållas, eftersom ingen uppruggning av dess yta uppstår under mönstring av den supraledande Nb tunna filmen. 15 Denna tillverkningsprocess kan användas för en mängd olika strukturer som har en supraledande microstrip arkitektur och förväntade FUTure applikationer inkluderar använder det för infraröd spektrometrar. 25 Dess huvudsakliga begränsningen är att BCB som används för att limma substraten tillsammans sätter en övre gräns för processtemperaturen (~ 250 ° C).

Kryogeniska mätningar av komplexa överföring av dessa resonator anordningar, som beskrivs i protokollet avsnittet tillåter en att dra ut de viktigaste materialparametrar för supraledande och dielektriska substratmaterial och / eller för att övervaka deras svar på långt infrarött ljus. Dock är kalibrering och beredning av provuppställning avgörande för förmågan att göra exakta extraktioner av dessa materialparametrar. En standard Solt kalibreringsmetod användes för att kalibrera transmission genom de flexibla SMA kablar från VNA till ingången på kryostaten. Närvaron av RF-dämparen vid ingång enheten och cirkulationspumpen vid utenheten är nödvändiga för att tillhandahålla matchade avslutningar. Post-mätning kalibrering kan vara carriEd ute efter in situ beskriven kalibreringsprocedur i Cataldo et al. 11 Denna kalibreringen in situ flyttar referensplanet till ingångs- och utgångsanordning (märkt som "enhetskalibrering plan" i fig. 2). Det bör noteras att i steg 6 i protokoll avsnitt 4, måste en optimal spektralområde och antalet datapunkter registreras, vilket ger både adekvat provtagning av de smala resonatorkonstruktioner men också en spännvidd som sträcker sig längre än de resonatorer för att baslinjen till tas bort på rätt sätt. Bort från resonatorer blir baslinjen tillräckligt frikopplade att uppnå en opartisk amplitud kalibrering, vilket minskar fel i parametrar som härrör från observerade svaret.

Att kalibrera VNA uppgifterna in situ, är följande steg: 1) Montera av komplexet baslinjen genom en analytisk modell fysiskt motiveras av baslinjen svar; 2) Normalization av transmissions verkliga och imaginära delar genom att tvinga sändnings amplitud att vara lika med en bort från resonatorer; 3) Korrigering för variationer i förstärkning och omlokalisering av referensplanet vid DUT genom att dividera ut komplexa baslinjen passform.

Detaljerna i denna kalibreringsstegen kan hittas i Sec. IV Cataldo et al. 11 När data har kalibrerats, kan resonatorer modelleras i ett av två sätt. I den första, en fenomenologisk modell baserad på fysiskt realiserbara rationella funktioner möjliggör extraktion av resonatorer "mittfrekvenser och bredder med en noggrannhet på 1% utan att uttryckligen ange kretsnätet (se kap. V i Cataldo et al. 11). I den andra, en ABCD-matrisrepresentation av den distribuerade transmissionsledningskrets tillåter modellering av den observerade svar från de karakteristiska impedansema, Z, och utbredningskonstanter, γ, meddetaljerad kunskap om anordningens geometri (t.ex. ledningslängder, l - se Fig. 2). Själv konsekvent begränsningar för elektromagnetiska konstitutiva relationerna mellan materialets permittivitet och permeabilitet genom Z och γ verkställs för att extrahera parametrar såsom resonatorer "kinetisk induktans fraktion och effektivt index med en noggrannhet på 2% när den kombineras med elektromagnetiska simuleringar (se kap. VI i Cataldo et al. 11). Detta gör det möjligt att studera den inre strukturen av kretsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Författarna erkänner finansieringsstöd från National Aeronautics and Space Administration (NASA) s RO och APRA program. GC erkänner också universitet Space Research Association för att administrera sin utnämning på NASA.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Monfardini, A., et al. The Néel IRAM KID Arrays (NIKA). J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).
  2. Schlaerth, J. A., et al. The Status of Music: A Multicolor Sub/millimeter MKID Instrument. J. Low Temp. Phys. 167 (3-4), 347-353 (2012).
  3. Swenson, L. J., et al. MAKO: a pathfinder instrument for on-sky demonstration of low-cost 350 micron imaging arrays. Proc. SPIE. 8452, 84520P (2012).
  4. Mazin, B. A., Bumble, B., Meeker, S. R., O'Brien, K., McHugh, S., Langman, E. A superconducting focal plane array for ultraviolet, optical, and near-infrared astrophysics. Opt. Express. 20 (2), 1503-1511 (2012).
  5. Mazin, B. A. Microwave Kinetic Inductance Detectors. , California Institute of Technology. Pasadena, California. (2005).
  6. McHugh, S., et al. A readout for large arrays of Microwave Kinetic Inductance Detectors. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044702 (2012).
  7. Mazin, B. A., et al. ARCONS: A 2024 Pixel Optical through Near-IR Cryogenic Imaging Spectrophotometer. Publ. Astron. Soc. Pac. 123 (933), 1348-1361 (2013).
  8. Zmuidzinas, J. Superconducting Microresonators: Physics and Applications. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169-214 (2012).
  9. Vijay, R., Slichter, D. H., Siddiqi, I. Observation of Quantum Jumps in a Superconducting. Artificial Atom. Phys. Rev. Lett. 106 (11), 110502 (2011).
  10. Krupka, J., Derzakowski, K., Tobar, M., Hartnett, J., Geyer, R. G. Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures. Meas. Sci. Technology. 10 (5), 387-392 (1999).
  11. Cataldo, G., Wollack, E. J., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K. Analysis and calibration techniques for superconducting resonators. Rev. Sci. Instrum. 86 (1), 013103 (2015).
  12. Russell, D., Cleary, K., Reeves, R. Cryogenic probe station for on-wafer characterization of electrical devices. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044703 (2012).
  13. Ranzani, L., Spietz, L., Popovic, Z., Aumentado, J. Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures. Rev. Sci. Instrum. 84 (3), 034704 (2013).
  14. Patel, A., et al. Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (3), 2400404 (2013).
  15. High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique. Brown, A., Patel, A. , 9076658 B1 (2015).
  16. Method of anisotropically etching silicon. Laermer, F., Schlip, A. , U.S. Patent No. 5501893 (1996).
  17. Chen, D., Wang, Q., Shen, Z. A broadband microstrip-to-CPW transition. APMC 2005. Asian-Pac. Conf. Proc. 2 (4), (2005).
  18. Fano, U. Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d'arco. Il Nuovo Cimento. 12 (3), 154-161 (1935).
  19. Fano, U. Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts. Phys. Rev. 124 (6), 1866-1878 (1961).
  20. Marquezini, M. V., Kner, P., Bar-Ad, S., Tignon, J., Chemla, D. S. Density dependence of the spectral dielectric function across a Fano resonance. Phys. Rev. B. 57 (7), 3745-3748 (1998).
  21. Singh, R., Al-Naib, I., Cao, W., Rockstuhl, C., Koch, M., Zhang, W. The Fano Resonance in Symmetry Broken Terahertz Metamaterials. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3 (6), 820-826 (2013).
  22. Giannini, V., Francescano, Y., Amrania, H., Phillips, C. C., Maier, S. A. Fano Resonances in Nanoscale Plasmonic Systems: A Parameter-Free Modeling Approach. Nano Lett. 11 (7), 2835-2840 (2011).
  23. O'Connell, A. D., et al. Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and Millikelvin Temperatures. Appl. Phys. Lett. 92 (11), 112903 (2008).
  24. Weber, S. J., Murch, K. W., Slichter, D. H., Vijay, R., Siddiqi, I. Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime. Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510 (2011).
  25. Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy. Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).

Tags

Engineering Supraledande resonatorer mikrovågsugn anordningar MKIDs kryogeniska mätningar kalibrering komplexa transmission mikro-tillverkning reaktiv sputtering wafer-nivå bindning
Tillverkning och karakterisering av supraledande resonatorer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cataldo, G., Barrentine, E. M.,… More

Cataldo, G., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K., Wollack, E. J. Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators. J. Vis. Exp. (111), e53868, doi:10.3791/53868 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter