超导微波谐振器在光探测、量子计算应用和材料表征方面具有重要意义。本文介绍了一种用于制备和表征超导微波谐振器散射参数的详细实验方法。
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摘要
摘要
超导微波谐振器在多个领域具有重要应用价值，包括用作微波动力学电感探测器（MKIDs）以探测微弱的天体物理信号，以及在量子计算和材料表征中的应用。本文介绍了薄膜超导微波谐振器的制备与表征方法。该制备工艺可实现超导传输线谐振器的加工，其结构特征分布于原子级平整的单晶硅介质基片的两侧。本文还描述了将谐振器器件安装至低温微波测试平台并冷却至超导转变温度以下的操作流程。低温微波测试平台的配置可实现对这些谐振器器件微波复数传输特性的精确测量，从而提取超导线路及介质基底的物理特性例如，内部质量因子、损耗和动能电感比例），这些参数对于器件设计和性能至关重要。
引言
天体物理仪器的最新进展已将超导微波谐振器应用于红外光的探测。1-4 超导谐振器会对能量为 E = hv > 2Δ 的红外辐射产生响应（其中 h 为普朗克常数，v 为辐射频率，Δ 为超导能隙）。当谐振器被冷却至远低于超导体临界温度时，入射辐射会破坏谐振器体积内的库珀对，并产生准粒子激发。准粒子激发密度的增加会改变超导体的动力学电感，从而改变其复表面阻抗。这种光学响应表现为谐振频率向低频方向移动，同时谐振器的品质因数下降。在微波动力学电感探测器（MKID）的标准读出方案中，谐振器与微波馈线耦合，通过监测馈线上单一微波频率（处于谐振频率处）的复传输信号来实现读出。在此情况下，光学响应表现为传输信号的幅度和相位均发生变化5（图1）。频域多路复用方案能够实现对数千个谐振器阵列的同时读出6-7。
为了成功设计和实现基于超导谐振器的仪器，需要对这些谐振结构的特性进行准确而高效的表征。例如，在MKID器件物理8、量子计算9以及低温材料特性研究10的背景下，需要精确测量超导谐振器的噪声特性、品质因数 Q、谐振频率（包括其温度依赖性）以及光学响应特性。
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方案
1. 微带线谐振器的制备14（图 3）
- 用新配制的 H2SO4:H2O2（3:1）溶液清洗具有 0.45 µm 厚硅器件层的绝缘体上硅（SOI）晶圆，处理 10 分钟。随后在去离子水中冲洗晶圆 10 分钟，并用氮气枪吹干。在后续工艺开始前立即用 H2O:HF（10:1）溶液浸泡晶圆 10 秒，然后在去离子水中冲洗 5 分钟。
- 制备由锗（Ge）和正性光刻胶（如 S-1811）组成的剥离掩模。15
- 在晶圆上旋涂稀释的正性光刻胶双层膜（2 份稀释剂-P : 1 份正性光刻胶），转速为 4,000 rpm，持续 30 秒，然后通过电子束沉积锗。
- 采用光刻法对锗进行图形化：首先在晶圆上涂覆六甲基二硅氮烷（HMDS）1 分钟，然后以 3,000 rpm 转速甩去多余液体，持续 30 秒。
- 旋涂稀释的正性光刻胶（2 份稀释剂-P : 1 份正性光刻胶），转速为 2,000 rpm，持续 30 秒，并在 110 °C 的热板上烘烤 1 分钟。使用掩模对准器曝光光刻胶，并用基于四甲基氢氧化铵的溶液喷雾显影。
- 使用 SF6/O2 等离子体在 70 W 功率下对锗进行反应离子刻蚀。用 O2 等离....
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结果
采用该方法验证了在0.45-µm单晶硅介质上制备的半波Mo2N谐振器（图5）的响应特性。在此实例中，通过溅射沉积的SiO2介质在谐振器一端开口处的“H”形区域实现与Nb共面波导（CPW）馈线的电容耦合，以进行读出（参见实验方案第1.6节）。在其他情况下，则通过去除Nb接地板中的部分区域来实现与馈线的电容耦合。如图5所示，该制备技术能够在超薄单晶硅层的两侧均实现显微尺度的超导电路，且不会使基底表面变得粗糙。这些谐振器是微波 kinetic 电感探测器（MKID）中最关键的组成部分，而该技术可有效控制其结构完整性。
所描述的低温测量方法应用于一个包含七个Mo2N谐振器并耦合至单根微波馈线的器件。在图6中，展示了该器件在矢量网络分析仪（VNA）参考面上测得的传输系数幅值S
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讨论
单次翻转制备工艺提供了一种在厚度为0.45 µm的单晶硅基底两侧实现超导谐振器的方法。采用单晶硅作为介质材料的原因在于，其损耗比沉积介质（如Si3N4）低一个数量级以上，在4.0–6.5 GHz频率范围内的损耗角正切值小于1 × 10-5<。23–24 能够在基底两侧同时进行图形化加工，使得可以采用微带线谐振器设计，该设计对杂散光具有良好的抗干扰能力，并且谐振器之间的串扰较低。所描述的剥离工艺能够保持硅表面的完整性，因为在对超导铌薄膜进行图形化加工过程中不会造成其表面粗糙化。15 该制备工艺可用于多种具有超导微带线结构的器件，未来预期应用包括用于远红外光谱仪。25 其主要局限性在于，用于粘合基底的BCB材料限制了后续工艺的最高温度（约250 °C）。
如方案部分所述，对这些谐振器器件进行低温下的复数传输测量，可提取超导材料和介电基底材料的关键材料参数，或监测其对远红外光的响应。然而，测试装置的校准与准备对于精确提取这些材料参数至关重要。采用标准.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
作者感谢美国国家航空航天局（NASA）的ROSES和APRA项目提供的资金支持。GC还感谢大学空间研究协会（Universities Space Research Association）为其在NASA的任职提供管理支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 实验方案第1部分 | |||
| Microposit S-1811 光刻胶 | Shipley | ||
| BCB | Dow | 3022-35 | |
| SOI 晶圆 | SOITec | 采用 SmartCutTM 工艺制备 | |
| Mo | Kamis | 99.99% | |
| Nb | Kamis | 99.95%（不含 Ta） | |
| 含 AES 的 E-6 金属蚀刻液 | Fujifilm | CPG 级 | |
| 丙酮 | JT Baker | 9005-05 | CMOS 级 |
| HF 浸泡液（1:10） | JT Baker | 5397-03 | |
| PMMA | Microchem | 950 PMMA A2 | |
| 实验方案第2部分 | |||
| GE 7031 | 通用电气（General Electric） | 低温粘合剂 | |
| 实验方案第3-4部分 | |||
| 低温微波放大器 | MITEQ | AF S3-02000400-08-CR-4 | 2–4 GHz，增益约 30 dB |
| NbTi 半刚性 SMA 电缆 | Coax. Co. | SC-086/50-NbTi-NbTi | |
| 环形器 | PamTech | CTD1229K | 2–4 GHz 范围内回波损耗 > -20 dB |
| 射频衰减器 | Weinschel | Model-4M | 7 dB 衰减 |
| 柔性 SMA 电缆 | Teledyne-Storm | R94-240 | ACCU-TEST |
| 矢量网络分析仪 | Agilent | N5242A PNA-X | |
| 液态 He-4 制冷剂 | Praxair | ||
| 液态 N2 制冷剂 | Praxair |
参考文献
- Monfardini, A., et al. The Néel IRAM KID Arrays (NIKA). J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).
- 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).
- Swe....
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重印与许可
