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Methodenartikel

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

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DOI:

10.3791/53868

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21. Mai 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, 2Instrument Systems and Technology Division, NASA Goddard Space Flight Center

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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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Protokoll

1. Micros Leitungsresonator Fabrication 14 (Figur 3)

  1. 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.
  2. Fertigen Sie ein Lift-Off - Maske, die aus einem Germanium besteht (Ge) / Positiv - Photoresist wie S-1811. 15
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.
  3. 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.
  4. Manuell Flip Waferstapel den Kopf der Verarbeitung der Rückseite des SOI-Wafer zu beginnen.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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).
  8. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Platzieren supraleitende Al Drahtverbindungen zwischen dem Fan-Out-Board und On-Chip-Kontaktflächen. Legen Sie eine maximale Anzahl (~ 4 im Fall hier vorgestellt - siehe Abbildung 4) von ~ 500-600 & mgr; m lang, ~ 250 & mgr; m-in-Höhe Drahtbonden, Impedanzanpassung zwischen dem SMA - Anschluss Ein- und Ausgänge zur Verfügung zu stellen und die CPW Zuführungsleitung auf dem Chip.
  6. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Legen Sie eine kryogene Zirkulator auf der Ausgangsleitung am Eingang dieses Verstärkers.
  5. Montieren Sie die verpackten Resonatorbauelemente auf einer Halterung verschraubt mit dem 0,3-K Kältestufe.
  6. 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).
  7. Schließen Sie den Kryostaten auf. Folgen Sie Standardverfahren das Gerät abkühlens bis 0,3 K.

4. Verfahren für die Mikrowellenresonator Messungen

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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).
  4. Verbinden die flexible Leitungen zu den Ein- und Ausgangsleitungen des Kryostaten.
  5. Schalten Sie den kryogenen Mikrowellenverstärker durch die erforderliche DC-Bias-Spannung angelegt wird, wie in der vom Unternehmen bereitgestellte Dokumentation für den Mikrowellenverstärker angegeben.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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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Ergebnisse

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 ...

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Diskussion

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 Seite...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

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.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Protocol Abschnitt 1
Microposit S-1811 FotolackShipley
BCBDow3022-35
SOI-WaferSOITecHergestellt mit SmartCutTM Prozess
MoKamis99,99%
NbKamis99,95% ( ausgenommen Ta)
E-6 Metal Etch w/AESFujifilmCPG
Grade AcetonJT Baker9005-05CMOS Grade
HF dip (1:10)JT Baker5397-03
PMMAMicrochem950 PMMA A2
Protocol Section 2
GE 7031General ElectricTieftemperatur-Klebstoff
Protokoll Abschnitte 3-4
Kryo-MikrowellenverstärkerMITEQAF S3-02000400-08-CR-42-4 GHz, Verstärkung ~30  dB
NbTi Halbstarre SMA-KabelKoax. Co.SC-086/50-NbTi-NbTi
ZirkulatorPamTechCTD1229KRückflussdämpfung > -20 dB von 2-4 GHz
HF-DämpfungsgliedWeinschelModel-4M7 dB Dämpfung
Flexible SMA-KabelTeledyne-StormR94-240ACCU-TEST
Vektor NetzwerkanalysatorAgilentN5242A PNA-X
Flüssigkeit He-4 KryogenPraxair
Flüssigkeit N2 KryogenPraxair

Referenzen

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