超伝導共振器の作製と評価

サマリー

超電導マイクロ波共振器は、光、量子コンピューティングアプリケーションおよび材料特徴付けの検出のために重要です。この作品は、製作と超伝導マイクロ波共振器の散乱パラメータの特性評価のための詳細な手順を示します。

要約

超電導マイクロ波共振器は、かすかな天体のシグネチャを検出するためのマイクロ波の運動インダクタンス検出器（MKIDs）としてのそれらの使用を含め、ならびに量子コンピューティング・アプリケーションと材料特性評価、アプリケーションの広い範囲のために重要です。本論文では、手順は、薄膜超伝導マイクロ波共振器の製造および特徴付けのために提示されています。製造方法は、原子的に平滑な単結晶シリコン誘電体の両側に特徴を有する伝送線路共振器を超伝導の実現を可能にします。この作品は、極低温マイクロ波テストベッドへと超伝導転移温度以下でクールダウンのための共振器デバイスをインストールするための手順を説明します。極低温マイクロ波テストベッドのセットアップは、PRの抽出を可能にする、1は、これらの共振器デバイスの複雑なマイクロ波伝送の慎重な測定を行うことができますデバイスの設計および性能のために重要である超電導線と誘電体基板（ 例えば 、内部品質係数、損失および運動インダクタンス分画）、のoperties。

概要

天体物理計測器の進歩は、赤外光の検出のために最近導入された超伝導マイクロ波共振器を持つ^{1 - 4}超伝導共振器は、エネルギーの赤外線E = HV>2Δ（hはプランク定数、vは電磁波の周波数である、Δがあるに応答します超伝導ギャップエネルギー）。共振器が十分に超電導臨界温度以下に冷却されると、この入射光は、共振器体積のクーパー対を破壊し、準粒子励起を生成します。準粒子励起の密度の増加は、運動インダクタンスが変化し、従って、超伝導体の複合体表面インピーダンス。この光反応は、より低い周波数の共振周波数のシフトと共振器の品質係数の減少として観察されます。マイクロ波雌牛のための標準的な読み出し方式でチックインダクタンス検出器（MKID）、共振器は、マイクロ波給電線に結合され、1つは、共振上の単一のマイクロ波周波数トーンで、この給電線を介して複雑な伝送を監視します。ここでは、光学応答は、振幅及び変速機^5（ 図1）の位相の両方の変化として観察されます。周波数領域の多重化方式は、共振器の数千の配列を読み出すことが可能である^。6-7

成功した超伝導共振器ベースの計測器を設計し、実装するには、これらの共振構造の特性を正確かつ効率的に特徴づけする必要があります。例えば、ノイズ特性の精密な....

プロトコル

1.マイクロストリップ線路共振器の製作^14（図3）

1. H ₂ O _2（3：1）で10分間混合したばかりのH ₂ SO ₄を用いて、0.45μmの厚さのシリコンデバイス層を有するシリコン・オン・インシュレータ（SOI）ウェハをきれい。その後、窒素ガンで10分間、乾燥のために、脱イオン水でウェハをすすぎます。 HF（10：1）、続いて加工直前に、H ₂ O中にウェハを浸漬するための10秒、5分間、脱イオン水ですすぎます。
2. ゲルマニウム（Ge）などのS-1811のような/ポジ型フォトレジストで構成されてリフトオフマスクを製作^。15
   1. スピンコート薄くポジ型フォトレジストの二層（2部シンナー-P：1部ポジ型フォトレジスト）とのウェハ30秒、その後、電子ビーム堆積物のGeのための4000 rpmで。
   2. 最初の1分間のウェハ上にヘキサメチルジシラザン（HMDS）を塗布した後、30秒間3000rpmで過剰をスピンオフすることにより、フォトリソグラフィを用いてパターンのGe。
   3. SPI30秒間2000rpmで110℃で1分間ホットプレート上でそれを焼く：nは上にポジ型フォトレジスト（1部ポジ型フォトレジスト2部シンナー-P）を薄く。フォトレジストを露光し、テトラメチルアンモニウムヒドロキシベースのソリューショ....

結果

0.45μmの単結晶シリコン誘電体上に作製半波長のMo ₂ N共振器（ 図5）の応答は、この方法論を用いて検証しました。この例では、読み出しのためのNbのコプレーナ線路への結合（CPW）給電路は、（参照共振器の開放端の1に「H」状の領域でのスパッタ堆積SiO ₂の誘電体を介して、容量結合を介して達成されますプロトコルセクション1.6）。他の例では、給電線に容量結合は、Nbの接地面内の領域を除去することにより達成されました。 図5に示されている共振器は提示製造技術は、基板の表面を粗面化することなく実現することが極薄の単結晶シリコン層の両側に微細な超伝導回路を可能にすることを示しています。これらの共振器はMKIDの最も重要なコンポーネントを表し、この技法は、良好な制御を超えることができますそれらの完全性。

記載の低温測定法は、単一のマイクロ波給.......

ディスカッション

単一フリップ製造プロセスは、薄い0.45μmの単結晶Si基板の両面に超伝導共振器を実現するための手段を提供します。それは4.0から6.5 GHzの範囲の損失正接<1×10で（例えば、Si ₃ N ₄など）に堆積誘電体よりも一桁低い損失以上のものを持っているので一つは、単結晶Siの誘電体を使用するのやる気かもしれ^{- 5。}パターンへの能力は、この基板の両面に備え^23-24は 1つが、迷光と低共振器の共振器のクロストークに良い耐性を提供するマイクロストリップ線路共振器の設計を採用することができます。リフトオフ表面のない荒れが超電導のNb薄膜のパターニング時に発生しないため、記載された技術は、Si表面の完全性を維持することを可能にする^。15この製造プロセスは、超電導マイクロストリップライン構造を有する様々な構造のために使用することができます、および予想されるFUTUREアプリケーションは、遠赤外線分光計のためにそれを使用してあります^。25その主な制限は、基板を接着するために使用されるBCBが一緒に処理温度（〜.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
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% (Ta)
E-6メタルエッチングw / AES	富士フイルム		CPGグレード
アセトン	JTベイ	カー9005-05CMOS	グレード
HFディップ(1:10)	JTベイ	カー5397-03
PMMA	マイクロケム		950 PMMA A2
プロトコルセクション2
GE7031	ネラルエレクトリック		低温接着剤
プロトコルセクション3-4
極低温マイクロ波増幅器	MITEQ	AF S3-02000400-08-CR-4	2-4 GHz, gain ~30 dB
NbTi セミリジッドSMAケーブル	Coax. Co.	SC-086/50-NbTi-NbTi
サーキュレーター	PamTech	CTD1229K	リターンロス > -20 dB from 2-4 GHz
RF アッテネーター	Weinschel	Model-4M	7 dB 減衰
フレキシブル SMA ケーブル	Teledyne-Storm	R94-240	ACCU-TEST
ベクトル ネットワーク アナライザー	Agilent	N5242A PNA-X
液体 He-4 極低温	Praxair
液状N2 極低温物質	Praxair

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