Name: Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 26 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung supraleitender Mikrowellenresonatoren und die Charakterisierung ihrer Streuparameter auf Siliziumsubstraten. Diese Methode ermöglicht präzise Messungen für Quantencomputing und Astrophysik.

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Die Autoren erkennen an finanzieller Unterstützung der National Aeronautics and Space Administration (NASA) &#39;s ROSES und APRA-Programme. GC erkennt auch die Universities Space Research Association für seine Ernennung bei der NASA zu verwalten.

1. Micros Leitungsresonator Fabrication 14 (Figur 3) <ol><li> 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. </li><li> Fertigen Sie ein Lift-Off - Maske, die aus einem Germanium besteht (Ge) / Positiv - Photoresist wie S-1811. 15 <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Manuell Flip Waferstapel den Kopf der Verarbeitung der Rückseite des SOI-Wafer zu beginnen. </li><li>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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol> 2. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator Chip in Testpaket <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Platzieren supraleitende Al Drahtverbindungen zwischen dem Fan-Out-Board und On-Chip-Kontaktflächen. Legen Sie eine maximale Anzahl (~ 4 im Fall hier vorgestellt - siehe <strOng&gt; Abbildung 4) von ~ 500-600 &amp; mgr; m lang, ~ 250 &amp; mgr; m-in-Höhe Drahtbonden, Impedanzanpassung zwischen dem SMA - Anschluss Ein- und Ausgänge zur Verfügung zu stellen und die CPW Zuführungsleitung auf dem Chip. </li><li> 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. </li></ol> 3. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator in einer kryogenen Helium-3 Mikrowelle Testbed <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Legen Sie eine kryogene Zirkulator auf der Ausgangsleitung am Eingang dieses Verstärkers. </li><li> Montieren Sie die verpackten Resonatorbauelemente auf einer Halterung verschraubt mit dem 0,3-K Kältestufe. </li><li> 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 &quot;Gerätekalibrierung Ebene&quot; definieren (siehe Abbildung 2). </li><li> Schließen Sie den Kryostaten auf. Folgen Sie Standardverfahren das Gerät abkühlens bis 0,3 K. </li></ol> 4. Verfahren für die Mikrowellenresonator Messungen <ol><li> 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. </li><li> 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 &quot;Instrument Referenzebene&quot; ( zum Beispiel siehe Abbildung 2). </li><li> 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). </li><li> Verbinden die flexible Leitungen zu den Ein- und Ausgangsleitungen des Kryostaten. </li><li> Schalten Sie den kryogenen Mikrowellenverstärker durch die erforderliche DC-Bias-Spannung angelegt wird, wie in der vom Unternehmen bereitgestellte Dokumentation für den Mikrowellenverstärker angegeben. </li><li> 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 &lt;/ Em&gt; Strukturen indikativ für Mikrowellenresonatoren. </li><li> 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. </li><li> Speichern Sie diese VNA Daten - Scans der komplexen Übertragungsdaten für Nachmessung in-situ - Datei Kalibrierung und Analyse und Gewinnung von Qualitätsfaktoren und Resonanzfrequenzen. 11 </li></ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

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 &lt;1 x 10 - 5 23,24 . Die Fähigkeit, Muster kennzeichnet auf beiden Seite...

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&gt; 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

<table><tbody><tr><td colspan="4">Protocol Abschnitt 1</td></tr><tr><td>Microposit S-1811 Fotolack</td><td>Shipley</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BCB</td><td>Dow</td><td></td><td>3022-35</td></tr><tr><td>SOI-Wafer</td><td>SOITec</td><td></td><td>Hergestellt mit SmartCutTM Prozess</td></tr><tr><td>Mo</td><td>Kamis</td><td></td><td>99,99%</td></tr><tr><td>Nb</td><td>Kamis</td><td></td><td>99,95% ( ausgenommen Ta)</td></tr><tr><td>E-6 Metal Etch w/AES</td><td>Fujifilm</td><td></td><td>CPG</td></tr><tr><td>Grade Aceton</td><td>JT Baker</td><td>9005-05</td><td>CMOS Grade</td></tr><tr><td>HF dip (1:10)</td><td>JT Baker</td><td>5397-03</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>Microchem</td><td></td><td>950 PMMA A2</td></tr><tr><td colspan="4">Protocol Section 2</td></tr><tr><td>GE 7031</td><td>General Electric</td><td></td><td>Tieftemperatur-Klebstoff</td></tr><tr><td colspan="4">Protokoll Abschnitte 3-4</td></tr><tr><td>Kryo-Mikrowellenverstärker</td><td>MITEQ</td><td>AF S3-02000400-08-CR-4</td><td>2-4 GHz, Verstärkung ~30&nbsp; dB</td></tr><tr><td>NbTi Halbstarre SMA-Kabel</td><td>Koax. Co.</td><td>SC-086/50-NbTi-NbTi</td><td></td></tr><tr><td>Zirkulator</td><td>PamTech</td><td>CTD1229K</td><td>Rückflussdämpfung > -20 dB von 2-4 GHz</td></tr><tr><td>HF-Dämpfungsglied</td><td>Weinschel</td><td>Model-4M</td><td>7 dB Dämpfung</td></tr><tr><td>Flexible SMA-Kabel</td><td>Teledyne-Storm</td><td>R94-240</td><td>ACCU-TEST</td></tr><tr><td>Vektor Netzwerkanalysator</td><td>Agilent</td><td>N5242A PNA-X</td><td></td></tr><tr><td>Flüssigkeit He-4 Kryogen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Flüssigkeit N2 Kryogen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

herstellung und charakterisierung von superconducting resonators

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

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.

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 &quot;H&quot; -förmigen Bereich an einem der offenen Enden des Resonators (siehe Protokoll Abschnitt ...

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.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, supraleitende Mikrowellenresonatoren herzustellen und ihre Streuparameter zu charakterisieren. Diese Methode ermöglicht es, supraleitende Instrumentierung zu entwerfen und umzusetzen, indem supraleitende Leitungen auf dem elektrischen Substrat katheterisiert werden. Beispielsweise können die internen Gütefaktoren, Verlustanteile und die Verbindung dieser Infrastrukturen analysiert werden. Der Hauptvorteil dieser Techniken liegt darin, dass sie die Realisierung supraleitender Resonatoren auf beiden Seiten eines Siliziumsubstrats erlauben, was präzise Messungen ermöglicht.Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auf eine breite Palette von Anwendungen, darunter kinetische Induktionsdetektoren zur Erfassung schwacher astrophysikalischer Signale sowie Anwendungen in der Quanteninformatik und der Charakterisierung von Materialien. Zunächst auf ein frisch gereinigtes Silizium-auf-Isolator-Wafer. Einen Fotolack-Lack bei 4.000 U/min 30 Sekunden lang aufspinnen.Als Nächstes dampfabscheidetes Germanium mittels Elektronenstrahl auf den Wafer auf. Danach wird eine Schicht dünner, abscheidungsfähiger Fotolack bei 2.000 U/min für 30 Sekunden aufgespint und der Wafer anschließend eine Minute lang auf einer Heizplatte bei 110 Grad Celsius ausgeglüht. Verwenden Sie nun einen Maskenaligner, um den Fotolack zu belichten.Und sprühen Sie die Entwicklerlösung auf Basis von TMAH auf. Der nächste Schritt ist das reaktive Ionenätzen der hergestellten Germaniumschicht mit Schwefelhexafluorid- und Sauerstoffplasma bei 70 Watt. Anschließend wird die darunterliegende Photoresistschicht im reaktiven Ionenätzer mit Sauerstoffplasma abgeglüht, um einen unterhöhlten Photoresist zu erhalten.Danach mittels eines DC-Magnetrons eine Niobgrundebene mit 3,7 Millitor Argon bei 500 Watt auf den Wafer aufsputtern. Anschließend die Grundebene abheben, indem der Wafer vier Stunden in Aceton getaucht wird. Danach BCB auf den mit Niob beschichteten Wafer bei 4.000 U/min für 30 Sekunden spin-coaten und anschließend dasselbe mit einem neuen Siliziumwafer durchführen.Verbinden Sie nun die beiden BCB-beschichteten Oberflächen bei drei Bars Druck bei 200 Grad Celsius miteinander. Drehen Sie danach den Wafer-Stack um und beginnen Sie mit der Bearbeitung der Rückseite des Silizium-auf-Isolator-Wafers. Ätzen Sie den Silizium-Handle-Wafer durch mechanisches Läppen mit einer Aluminiumoxid-Suspension, die aus 150 Milliliter Aluminiumoxid-Pulver mit einem Durchmesser von 30 Mikrometern und 1.500 Milliliter Wasser besteht.Stellen Sie die Drehzahl der Läppplatte auf 45 U/min ein und lassen Sie den Vorgang zwei bis vier Stunden andauern. Der kritischste Schritt ist das Dünnschleifen des Wafers mittels mechanischem Läppen. Dies liegt daran, dass während des ersten Fertigungszyklus 50 % der Wafer gebrochen wurden.Das Bruchproblem wurde durch Auftragen einer wärmeempfindlichen Folie auf die Rückseite der Wafer verringert. Anschließend verwenden Sie das Bosh-Verfahren, um den verbleibenden Silizium-Handle-Wafer mittels tiefer reaktiver Ionenätzung zu bearbeiten. Ätzen Sie die eingebettete Siliziumoxid-Schicht 20 Minuten lang mit in Wasser im Verhältnis eins zu zehn verdünnter Flusssäure.Setzen Sie die gleichen Techniken fort, um eine Molybd&auml;nnitrid-Schicht abzuscheiden und &auml;tzen, gefolgt vom Aufbringen einer weiteren Germanium-Schicht. Stellen Sie auf diese Weise den Mikrostreifenleiter-Resonator her. Bereiten Sie f&uuml;r dieses Verfahren ein kupfernes Testgeh&auml;use mit vergoldeter Oberfl&auml;che sowie eine Hochfrequenz-Ventilplatine mit definiertem Wellenwiderstand vor, um die Signale zwischen Chip und Sub-Miniature-A- oder SMA-Steckverbindern abzugreifen.Die SMA-Stecker wurden zuvor in den Eingang und Ausgang dieses Testpakets eingefügt, wobei die Mittelleiterstifte ausgerichtet und anschließend mit den entsprechenden Kontaktflächen der Fan-Out-Platine verlötet wurden. Der Resonatorchip wurde zuvor in den Hohlraum des kupfernen, goldbeschichteten Gehäuses montiert, wobei die auf dem Chip befindlichen Anschlussflächen für Eingang und Ausgang neben den entsprechenden Leiterbahnen der Fan-Out-Platine im Coplanarwellenleiter-Format (CPW) lagen. Der Chip sollte mit Kupferclips gesichert werden, die an den Kanten des Chips Kontakt herstellen.Zuvor wurden supraleitende Aluminium-Drahtverbindungen zwischen der Fan-Out-Platine und den Kontaktflächen auf dem Chip angebracht, wobei so viele Verbindungen verwendet wurden, wie zur Impedanzanpassung zwischen den SMA-Steckverbinder-Ein- und -Ausgängen und der auf dem Chip befindlichen CPW-Zuleitung erforderlich waren. Nach dem Drahtbonden überprüfen Sie mit einem Multimeter den Gleichstromwiderstand zwischen den Mittelkontakten der Eingangs- und Ausgangssteckverbinder sowie zwischen einem Mittelkontakt und Masse, um zu bestätigen, dass eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Mittelkontakten besteht und zwischen der Mittelleitung und Masse eine Unterbrechung vorliegt.Die Testplattform wird mit einer Reihe von SMA-Kabeln aufgebaut, die von Raumtemperatur bis zu einer 0,3-Kelvin-Kaltstufe reichen, an der das Bauelement montiert wird. Kupfer- und supraleitende Niob-Titan-Kabel werden verwendet, um Mikrowellenverluste zu minimieren. Zur thermischen Entkopplung zwischen der Zwei-Kelvin- und der 0,3-Kelvin-Stufe kommen Niob-Titan-Kabel zum Einsatz.Für eine Verstärkung mit geringem Rauschen im Frequenzband des Resonatorgeräts wird ein kryogener Hochmobilitätstransistor (HEMT) am Zwei-Kelvin-Stage in der Ausgabeleitung montiert. Beachten Sie außerdem, dass sich in der Ausgabeleitung am Eingang dieses Verstärkers ein kryogener Zirkulator befindet. An der 0,3-Kelvin-Kaltstufe werden die verpackten Resonatorgeräte auf der festgeschraubten Halterung befestigt.Als Nächstes einen Mikrowellen-Attenuator an der Eingangsseite des Gehäuses anschließen, um eine angepasste Abschlussimpedanz bereitzustellen. Anschließend die geeigneten SMA-Kabel mit dem Eingang des Attenuators und dem Ausgang des Gehäuses verbinden. Diese Abschlüsse definieren die Kalibrierungsebene des Geräts.Schließen Sie nun den Kryostaten und befolgen Sie das Standardverfahren, um die Vorrichtungen auf 0,3 Kelvin abzukühlen. Beginnen Sie damit, den VNA einzurichten. Scannen Sie zwischen 10 Megahertz und 8 Gigahertz oder einem ähnlich breiten Frequenzband, wobei sichergestellt werden muss, dass die Leistungsstufe den kritischen Strom des supraleitenden Mikrowellenresonators und der supraleitenden Speiseleitung nicht überschreitet.Stellen Sie die Sendeleistung auf etwa minus 30 Dezibel-Milliwatt oder eine ähnlich geeignete Stufe ein, die ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet. Kalibrieren Sie anschließend die flexiblen Hochfrequenzkabel gemäß dem standardmäßigen Kurzschluss-Offen-Last-Durchgangs-Verfahren unter Verwendung der VNA-Software gemäß den Anweisungen des Herstellers.Diese Kalibrierung definiert die Referenzebene des Instruments. Überprüfen Sie nach der Kalibrierung deren Genauigkeit, indem Sie die Transmission S21 mit angeschlossener Durchgangsleitung bestätigen. Die gemessene VNA-Antwort sollte geringe Restfehler aufweisen, nahe 0 Dezibel bei S11, und S22 sollte beide unter minus 50 Dezibel liegen.Als Nächstes schließen Sie die flexiblen Kabel an die Eingangs- und Ausgangsleitungen des Kryostaten an. Schalten Sie dann den kryogenen Mikrowellenverstärker ein, indem Sie die vom Hersteller spezifizierte Gleichstrom-Vorspannung für den Mikrowellenverstärker anlegen. Beginnen Sie anschließend mit den Messungen.Zunächst einen Breitband-Scan durchführen, um die S21-Basislinienstruktur zu beobachten und nach scharfen, hochgradigen Strukturen zu suchen, die auf Mikrowellenresonatoren hinweisen. Danach den Frequenzbandbereich verengen. Er sollte breit genug sein, um eine ausreichende Basislinie für spätere Anpassungen und die In-situ-Kalibrierung bereitzustellen.Danach die Anzahl der Datenpunkte anpassen. In diesem Fall auf etwa 30.000. Ein Halbwellen-Molybd&auml;nnitrid-Resonator wurde auf beiden Seiten eines 0,45&nbsp;Mikrometer dicken einkristallinen Silizium-Dielektrikums hergestellt.Das Dielektrikum war über eine kapazitive Kopplung über ein gesputtert aufgebrachtes Siliziumoxid-Dielektrikum an eine Niobium-Koplanarwellenleiter-Speiselinie zur Auslesung gekoppelt. Dies erscheint als die achtförmige Region an einem der offenen Enden des Resonators. Die Messung des Betrags des Übertragungskoeffizienten S21 dieser Speiselinie bezogen auf die Referenzebene des VNA wurde als Funktion der Frequenz durchgeführt.Bei der Resonanzfrequenz jedes Resonators zeigt eine Absenkung der Transmissionsamplitude an, dass die Mikrowellenleistung an die Resonatoren gekoppelt wurde. Nach diesen Verfahren kann die gesammelte Datenmenge mithilfe einer inseech-you-Kalibrierungsmethode analysiert werden, um die detaillierten elektromagnetischen Parameter von Interesse in den Resonatoren zu extrahieren. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Herstellungstechnik den Forschern auf dem Gebiet der Mikrowellen-Kinetic-Leitfähigkeitsdetektoren den Weg zur Entwicklung neuartiger, extrem verlustarmer Detektor-Architekturen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Wir beschreiben die Verwendung von einem Kohlendioxid-Laser-Reflow-Verfahren zu Siliciumdioxid Resonanzhohlräume, einschließlich freistehenden Mikrokügelchen und On-Chip Mikrotoroide herzustellen. Der Reflow-Methode entfernt Unebenheiten, so dass lange Photonenlebensdauern innerhalb der beiden Geräte. Die daraus resultierenden Geräte verfügen über extrem hohe Güten und ermöglicht Anwendungen, die von der Telekommunikation bis Biodetektion.

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Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

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