Name: 超伝導共振器の作製と評価 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 26 s
Description: 学ぶ超伝導マイクロ波共振器の作製と散乱パラメータの評価法。シリコン基板両面への実装と内部Q値・損失率の測定により、量子コンピューティングや天体物理信号検出への応用が可能となる。

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著者は、アメリカ航空宇宙局（NASA）のバラとAPRAプログラムから資金援助を認めます。 GCはまた、NASAで彼の予定を管理するための大学宇宙研究協会を認めています。

1.マイクロストリップ線路共振器の製作14（図3） <ol><li> 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。 </li><li>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 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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ンでレジストを現像スプレーするマスクアライナを使用してください。 </li><li>反応性イオンは、フォトレジストのアンダーカットを達成するために、O 2プラズマでフォトレジストの下にある70 W.アッシュで、SF 6 / O 2プラズマでのGeをエッチングします。 </li><li> 500 Wのアルゴンの3.7ミリテスラ（AR）でDCマグネトロンスパッタ堆積物ニオブ（Nbの）グランドプレーンと4時間アセトンで満たされたビーカーの内側にウエハを置くことによって、それを持ち上げ。 </li></ol></li><li>スピンコートビスベンゾシクロブテン（BCB）SOIウェーハのNbを塗布面に30秒間4,000rpmで別のシリコンウエハの一方の面に。 200℃で圧力を3バールと一緒に2 BCB被覆表面を接着。 </li><li>手動で逆さまフリップウェーハスタックは、SOIウエハの裏面の処理を開始します。 </li><li>ボッシュプロセスを使用して、深い反応性イオンエッチング、続いてのAl 2 O 3スラリーを用いて機械研磨によりシリコンハンドルウエハをエッチングする16エッチングH 2 Oとの埋込SiO 2層：HF（10：1）で20分間。 </li><li>預金モリブデン700 WのDCマグネトロン反応性スパッタリングを用いて、窒化モリブデン（Mo 2 N）および3.3 mTのアルゴン（Ar：N 2分圧= 7：1）。 30秒間2000rpmで30秒間、2000rpmでスピニング、スピニング続いて2分間、180℃でそれを焼成することにより、パターンの共振器は、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。反応性イオンエッチング装置内の水酸化テトラメチルアンモニウムベースのソリューションと灰にフォトレジストを開発します。リン酸系溶液でのMo 2 Nをエッチングします。 </li><li> 30秒間5000rpmでポリメチルメタクリレート（PMMA）でスピンし、電子ビームDEP、続いて2分間、180℃でそれを焼成したGe / PMMA二重層からなるリフトオフマスクを製作Geをosition。 Nbの伝送ライン預金をスパッタし、アセトン中でリフトオフ（ポジ型フォトレジストは、PMMAで置換されていることを除いて、1.2のステップを参照）。 </li><li>いくつかの実施形態では、無線周波数（RF）にポジ型フォトレジストを用いて回転させてSiO 2のパターンをデポジットスパッタとフッ酸系溶液中でエッチングします。次に、ステップ1.2で詳述したように、マスクリフトオフゲルマニウム/ポジ型フォトレジストを用いて、スパッタ堆積のNb薄膜をリフトオフ。 </li></ol>テストパッケージにおけるマイクロ波共振器チップの設置2.手順<ol><li>設計と機械金からなるテストパッケージ（金）で被覆された銅の空洞共振器チップ寸法、給電線の入力と出力の場所と一致して（ベースおよび蓋付き）。注：ハウジングの空洞サイズは、目的の帯域にわたって最小限の寄生結合でシングルモード動作をサポートするように指定する必要があります。 </li><li>インピーダンス制御されたマイクロ波ファン-OUを設計・製作ルートへトンボード17チップとサブミニチュアバージョンA（SMA）コネクタ間の信号。 </li><li>中心導体ピンは、対応するファンアウトボードのコンタクトパッドの上に位置合わせされるように、テストパッケージの入力および出力にSMAコネクタを挿入します。短絡から保護し、中心導体ピンの領域にはんだを適用するために、はんだマスクを適用します。はんだを溶融するために〜5分間200℃にホットプレートや熱にパッケージを配置します。冷ます、その後、はんだマスクを削除します。 </li><li>オンチップの給電線の出力と入力パッドが近いと、対応するファンアウトボードのコプレーナ線路（CPW）ラインに整列していること例えばAu被覆銅パッケージキャビティ内に共振器チップをマウントします。チップのコーナー部の縁で接触する銅クリップでチップを固定します。 </li><li>コンタクトパッドファンアウトボードとオンチップのAlワイヤボンドを超伝導置きます。ここで紹介する場合の最大数（〜4を配置 - を参照してください。 <strSMAコネクタの入力と出力とオンチップCPW給電線との間のインピーダンス整合を提供するために、〜500-600μmの長い、〜250ミクロン・イン・高さのワイヤボンドオング&gt;図4）。 </li><li>ワイヤボンディングした後、マルチメータで入力および出力コネクタの中心ピン間の直流抵抗をチェックして、センターピンとグランドの間に、2つの中央のピンの間の電気的接続と中心とのオープン接続があることを確認します線路とグランド。 </li></ol>極低温ヘリウム3マイクロ波テストベッドにおけるマイクロ波共振器の取り付け3.手順<ol><li> SMAケーブルのシリーズは、デバイスがマウントされる0.3-KのコールドステージにRTからルーティングされている。図2に示す構成、のようにテストベッドを組み立てます。 </li><li>で、低マイクロ波損失を提供するために、図2に示すように、銅（Cu）と超伝導ニオブ-チタン（のNbTi）ケーブルを取り付け、NbTiケーブルの場合、低い熱伝導性。 2-Kおよび0.3-Kステージ間の熱ブレークとしてのNbTiケーブルを使用してください。 </li><li>共振器の帯域で低雑音増幅のための出力ライン上の2-K段階で低温高電子移動度トランジスタ（HEMT）増幅器をマウントし、サーキュレータを取り付けます。 </li><li>この増幅器への入力で出力ライン上の極低温サーキュレータを挿入します。 </li><li> 0.3-Kのコールドステージにボルトで固定ブラケットにパッケージ化された共振器デバイスをマウントします。 </li><li>マッチ終結を提供し、この減衰器の入力とパッケージの出力に適切なSMAケーブルを接続するには、パッケージの入力側のマイクロ波減衰器を接続します。これらの制御されたインピーダンスの終端がよくマッチしており、可能な限り、被試験デバイスの近くにあることを確認します-彼らは、「デバイスの校正面」を定義します（ 図2を参照）。 </li><li>クライオスタットをクローズアップ。デバイスを冷却するための標準的な手順に従ってください0.3 K.秒</li></ol>マイクロ波共振器の測定のための4.手順<ol><li>被試験デバイスの設計周波数における - （ここでは考慮デバイスのために、8 GHzの10 MHz）の広い周波数帯域をオーバースキャンするVNAを設定します。テスト中のデバイスに最適なレベルにVNA上の電力レベルを調整します（〜-30 dBmに、ここで考えデバイス用）。 注：超伝導マイクロ波共振器と超伝導給電線の臨界電流を超えないように、入力RF電力レベルが十分に低いことを確認してください。電力レベルが十分な信号対雑音比を提供するのに十分に高いことを確認してください。 </li><li> VNAマニュアルに記載されていVNAソフトウェアの指示に従って、標準的な短期オープン負荷スルー（SOLT）の手順に従って、柔軟なRFケーブルを調整します。後で入力に接続されるベクトル・ネットワーク・アナライザからのルートとフレキシブルケーブルのそれぞれの出力、で終了し、短絡、オープンにし、標準スルー挿入測定用クライオスタットの。このキャリブレーションは、「機器の基準面」を規定する（ 例えば 、 図2を参照します）。 </li><li>このSOLT校正に続いて、送信、VNAで測定接続スルーラインとS 21は 、低残留誤差（ すなわちを持って、応答が〜0デシベルレベルとS 11とSであることを確認することにより、キャリブレーションの忠実度を確認します22）は ≤-50 dBで、 例えば 、低いです。 </li><li>クライオスタットの入力および出力ラインにフレキシブルケーブルを接続します。 </li><li>マイクロ波増幅器のための会社が提供するドキュメントに指定されているように必要な直流バイアス電圧を印加することにより、極低温マイクロ波増幅器をオンにします。 </li><li> S 21ベースラインの構造を観察すると、任意のシャープな高Qを探すために&lt; -まず、VNAの広帯域スキャン（ここでは考慮デバイスのための8 GHzの、10 MHz）を完了/ em&gt;のマイクロ波共振器を示す構造。 </li><li>共振帯域にわたってスキャンするVNAの - （ここで検討装置4ギガヘルツ〜2）と（ここで考察デバイスの〜3万）データポイントの数を調整し、次に、周波数範囲を狭めます。 その場でキャリブレーションを行うために、このベースラインに後でフィットのために適切なベースラインスパンを提供するために十分広い周波数帯域を使用します（導入での議論を参照してください）。 注：ノイズレベルに応じて、信号対雑音比を改善するために、平均の数を増やす、またはIF帯域幅を減少させます。 </li><li>測定後その場でキャリブレーション、および分析と品質係数と共振周波数を抽出するためのファイルに複雑な伝送データのこれらのVNAデータスキャンを保存します。11 </li></ol>

<ol><li>Monfardini, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+N%C3%A9el+IRAM+KID+Arrays+%28NIKA%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">The Néel IRAM KID Arrays (NIKA).</a> J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).</li>
<li>Schlaerth, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Status+of+Music%3A+A+Multicolor+Sub%2Fmillimeter+MKID+Instrument%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">The Status of Music: A Multicolor Sub/millimeter MKID Instrument.</a> J. Low Temp. Phys. 167 (3-4), 347-353 (2012).</li>
<li>Swenson, L. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MAKO%3A+a+pathfinder+instrument+for+on-sky+demonstration+of+low-cost+350+micron+imaging+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">MAKO: a pathfinder instrument for on-sky demonstration of low-cost 350 micron imaging arrays.</a> Proc. SPIE. 8452, 84520P(2012).</li>
<li>Mazin, B. A., Bumble, B., Meeker, S. R., O'Brien, K., McHugh, S., Langman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+superconducting+focal+plane+array+for+ultraviolet%2C+optical%2C+and+near-infrared+astrophysics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">A superconducting focal plane array for ultraviolet, optical, and near-infrared astrophysics.</a> Opt. Express. 20 (2), 1503-1511 (2012).</li>
<li>Mazin, B. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Microwave+Kinetic+Inductance+Detectors%22">Microwave Kinetic Inductance Detectors</a>. , California Institute of Technology. Pasadena, California. (2005).</li>
<li>McHugh, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+readout+for+large+arrays+of+Microwave+Kinetic+Inductance+Detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A readout for large arrays of Microwave Kinetic Inductance Detectors.</a> Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044702(2012).</li>
<li>Mazin, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ARCONS%3A+A+2024+Pixel+Optical+through+Near-IR+Cryogenic+Imaging+Spectrophotometer%5BTitle%5D)+AND+%22Publ.+Astron.+Soc.+Pac%22%5BJournal%5D)">ARCONS: A 2024 Pixel Optical through Near-IR Cryogenic Imaging Spectrophotometer.</a> Publ. Astron. Soc. Pac. 123 (933), 1348-1361 (2013).</li>
<li>Zmuidzinas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superconducting+Microresonators%3A+Physics+and+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Condens.+Matter+Phys%22%5BJournal%5D)">Superconducting Microresonators: Physics and Applications.</a> Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169-214 (2012).</li>
<li>Vijay, R., Slichter, D. H., Siddiqi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Quantum+Jumps+in+a+Superconducting%5BTitle%5D)+AND+%22Artificial+Atom.+Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of Quantum Jumps in a Superconducting.</a> Artificial Atom. Phys. Rev. Lett. 106 (11), 110502(2011).</li>
<li>Krupka, J., Derzakowski, K., Tobar, M., Hartnett, J., Geyer, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+permittivity+of+some+ultralow+loss+dielectric+crystals+at+cryogenic+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technology%22%5BJournal%5D)">Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures.</a> Meas. Sci. Technology. 10 (5), 387-392 (1999).</li>
<li>Cataldo, G., Wollack, E. J., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+and+calibration+techniques+for+superconducting+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Analysis and calibration techniques for superconducting resonators.</a> Rev. Sci. Instrum. 86 (1), 013103(2015).</li>
<li>Russell, D., Cleary, K., Reeves, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cryogenic+probe+station+for+on-wafer+characterization+of+electrical+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Cryogenic probe station for on-wafer characterization of electrical devices.</a> Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044703(2012).</li>
<li>Ranzani, L., Spietz, L., Popovic, Z., Aumentado, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-port+microwave+calibration+at+millikelvin+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures.</a> Rev. Sci. Instrum. 84 (3), 034704(2013).</li>
<li>Patel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+MKIDS+for+the+MicroSpec+Spectrometer%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Appl.+Supercond%22%5BJournal%5D)">Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer.</a> IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (3), 2400404(2013).</li>
<li>High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique. , 9076658 B1 (2015).</li>
<li>Method of anisotropically etching silicon. , U.S. Patent No. 5501893 (1996).</li>
<li>Chen, D., Wang, Q., Shen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+broadband+microstrip-to-CPW+transition%5BTitle%5D)+AND+%22APMC+2005.+Asian-Pac.+Conf.+Proc%22%5BJournal%5D)">A broadband microstrip-to-CPW transition.</a> APMC 2005. Asian-Pac. Conf. Proc. 2 (4), (2005).</li>
<li>Fano, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sullo+spettro+di+assorbimento+dei+gas+nobili+presso+il+limite+dello+spettro+d%27arco%5BTitle%5D)+AND+%22Il+Nuovo+Cimento%22%5BJournal%5D)">Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d'arco.</a> Il Nuovo Cimento. 12 (3), 154-161 (1935).</li>
<li>Fano, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Configuration+Interaction+on+Intensities+and+Phase+Shifts%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev%22%5BJournal%5D)">Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts.</a> Phys. Rev. 124 (6), 1866-1878 (1961).</li>
<li>Marquezini, M. V., Kner, P., Bar-Ad, S., Tignon, J., Chemla, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Density+dependence+of+the+spectral+dielectric+function+across+a+Fano+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Density dependence of the spectral dielectric function across a Fano resonance.</a> Phys. Rev. B. 57 (7), 3745-3748 (1998).</li>
<li>Singh, R., Al-Naib, I., Cao, W., Rockstuhl, C., Koch, M., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Fano+Resonance+in+Symmetry+Broken+Terahertz+Metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Terahertz+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">The Fano Resonance in Symmetry Broken Terahertz Metamaterials.</a> IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3 (6), 820-826 (2013).</li>
<li>Giannini, V., Francescano, Y., Amrania, H., Phillips, C. C., Maier, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fano+Resonances+in+Nanoscale+Plasmonic+Systems%3A+A+Parameter-Free+Modeling+Approach%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Fano Resonances in Nanoscale Plasmonic Systems: A Parameter-Free Modeling Approach.</a> Nano Lett. 11 (7), 2835-2840 (2011).</li>
<li>O'Connell, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+Dielectric+Loss+at+Single+Photon+Energies+and+Millikelvin+Temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and Millikelvin Temperatures.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (11), 112903(2008).</li>
<li>Weber, S. J., Murch, K. W., Slichter, D. H., Vijay, R., Siddiqi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+Crystal+Silicon+Capacitor+with+Low+Microwave+Loss+in+the+Single+Photon+Regime%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510(2011).</li>
<li>Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-Spec%3A+an+ultracompact%2C+high-sensitivity+spectrometer+for+far-infrared+and+submillimeter+astronomy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy.</a> Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).</li>
</ol>

著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。

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&lt;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（〜...

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&gt;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測定は、品質がMKIDデバイス物理学、8量子コンピューティング、9のコンテキストと低の決意に望まれているQ、（それらの温度依存性を含む）の共振周波数と超伝導共振器の光学応答特性因子テmperatureの材料特性。10 これらの場合の全てにおいて、回路の複雑な伝送散乱パラメータの測定が望まれています。この作業は、振幅と位相ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いて測定することができ、共振器の複素透過係数、S 21の決意に集中します。理想的には、VNAの基準面（又はテストポート）に直接被試験デバイス（DUT）に接続されるが、低温設定は、通常RT間に断熱層を実現するために、追加の伝送線路構造の使用を必要とする（〜300 K）とコールドステージ（この作業中〜0.3 K; 図の URE 2を参照してください）。そのような方向性結合器、サーキュレータ、アイソレータ、増幅器、減衰器、および関連する相互接続ケーブルのような追加のマイクロ波構成要素を適宜調製励起、目的のデバイスを読み出してバイアスするために必要とされてもよいです。ザ部屋から極低温に冷却したときに位相速度およびこれらの構成要素の寸法が変化し、したがって、それらは、デバイスの校正面で観測​​された応答に影響を与えます。機器およびデバイスの校正面との間にこれらの介在部品は、複雑なゲインに影響を与え、適切に測定された応答の解釈において考慮される必要がある。11 理論的には、スキームがDUTに、キャリブレーション時に用いたものと同一の測定基準面を設定することが必要とされます。この目標を達成するためには、複数のクールダウン以上の校正標準を測定することができます。しかしながら、これは達成が困難であるVNAの安定性と低温機器の再現性に制約を課します。これらの問題を軽減するためには、冷却されたテスト環境で必要な基準を配置し、それらを切り替えることができました。これは、例えば、マイクロ波プローブステーションに見られるものと類似していますサンプル及び較正標準は12、この方法は、サブケルビン温度で実証された。連続液体ヘリウム流または閉サイクル冷凍システムにより、4 Kに冷却が、低消費電力、高性能マイクロ波スイッチを必要としている場合テスト目的のバンド。13 その場較正手順は、従って、VNAの基準面と、上記の方法の限界を克服する装置校正面（ 図の URE 2）との間の楽器送信応答を考慮することが望まれます。この低温較正方法、提示さカタルドら 11で詳細に議論は、一つの広い〜1％の精度で共振線幅と共振器間の間隔と比較して周波数範囲にわたって複数の共振器を特徴づけることを可能にします。本稿では、サンプルの製造および準備の詳細に焦点を当てますarationプロセス、実験的テストセットアップ及び測定手順は、平面線路形状と超電導マイクロ波共振器を特徴づけるために使用される。11

<table><tbody><tr><td colspan="4">Protocol Section 1</strong</td></tr><tr><td>>Microposit S-1811 Photoresist</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 wafers</td><td>SOITec</td><td></td><td>Fabricated with SmartCutTM process</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% (Ta)</td></tr><tr><td>E-6メタルエッチングw / AES</td><td>富士フイルム</td><td></td><td>CPGグレード</td></tr><tr><td>アセトン</td><td>JTベイ</td><td>カー9005-05CMOS</td><td>グレード</td></tr><tr><td>HFディップ(1:10)</td><td>JTベイ</td><td>カー5397-03</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>マイクロケム</td><td></td><td>950 PMMA A2</td></tr><tr><td colspan="4">プロトコルセクション2</td></tr><tr><td>GE7031</td>ゼ<td>ネラルエレクトリック</td><td></td><td>低温接着剤</td></tr><tr><td colspan="4">プロトコルセクション3-4</td></tr><tr><td>極低温マイクロ波増幅器</td><td>MITEQ</td><td>AF S3-02000400-08-CR-4</td><td>2-4 GHz, gain ~30&nbsp;dB</td></tr><tr><td>NbTi セミリジッドSMAケーブル</td><td>Coax. Co.</td><td>SC-086/50-NbTi-NbTi</td><td></td></tr><tr><td>サーキュレーター</td><td>PamTech</td><td>CTD1229K</td><td>リターンロス > -20 dB from 2-4 GHz</td></tr><tr><td>RF アッテネーター</td><td>Weinschel</td><td>Model-4M</td><td>7 dB 減衰</td></tr><tr><td>フレキシブル SMA ケーブル</td><td>Teledyne-Storm</td><td>R94-240</td><td>ACCU-TEST</td></tr><tr><td>ベクトル ネットワーク アナライザー</td><td>Agilent</td><td>N5242A PNA-X</td><td></td></tr><tr><td>液体 He-4 極低温</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr><tr><td>液状N2 極低温物質</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

超伝導共振器の作製と評価

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

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。

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...

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。

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

この手順の目的は、超伝導マイクロ波共振器を作製し、その散乱パラメータを評価することです。この手法により、誘電体基板上に超伝導ラインをパターン形成することで、超伝導計測機器を設計および実装することが可能になります。例えば、内部品質係数、損失分率、および結合分率などを算出できます。これらの手法の主な利点は、シリコン基板の両面に超伝導共振器を実現できるため、精密な測定が可能になることです。この手法の意義は、微弱な天体物理学信号を検出するための速度運動インダクタンス検出器をはじめ、量子コンピューティングへの応用や材料特性評価など、幅広い分野に及びます。まず、洗浄直後のシリコンオンインシュレーター（SOI）ウェハを用意します。フォトレジスト層を4,000 rpmで30秒間スピンコートします。次に、電子ビームを用いてウェハー上にゲルマニウムを堆積させます。続いて、薄いポジ型フォトレジストを2,000 rpmで30秒間スピンコートし、その後、110 °Cのホットプレートでウェハーを1分間ベークします。次に、マスクアライナを用いてフォトレジストを露光します。次に、TMAHベースの現像液をスプレーします。次のステップでは、70 Wの六フッ化硫黄および酸素プラズマを用いて、作製したゲルマニウム層を反応性イオンエッチングします。その後、反応性イオンエッチャー内で酸素プラズマを用いて下層のフォトレジスト層をアッシングし、フォトレジストのアンダーカットを形成します。次に、DCマグネトロンスパッタ装置を用いて、3.7 millitorのアルゴン雰囲気下、500 wattsの条件でウェハ上にニオブ接地平面をスパッタ堆積させます。その後、ウェハをアセトンに4時間浸漬させ、接地平面をリフトオフします。続いて、ニオブコーティングされたウェハにBCBを4,000 rmpで30秒間スピンコートし、新しいシリコンウェハに対しても同様の操作を行います。次に、200℃で3barの圧力をかけ、BCBコーティングされた2つの表面を接合します。続いて、ウェハスタックを反転させ、SOI（シリコンオンインシュレーター）ウェハの裏面の処理を開始します。30μm径の酸化アルミニウム粉末150mLと水1,500mLからなる酸化アルミニウムスラリーを用いた機械的ラッピングにより、シリコンハンドルウェハをエッチングします。ラッピングプレートの回転数を45 rpmに設定し、2〜4時間そのままにします。最も重要な工程は、機械的ラッピングによるウェーハの薄層化です。これは、初回の作製においてウェーハの50%が破損したためです。ウェハの背面に熱剥離テープを貼付することで、破損の問題を軽減しました。次に、ボッシュプロセスを用いて、残りのシリコンハンドルウェハを深掘り反応性イオンエッチングします。その後、10倍に希釈したフッ化水素酸を用いて、埋め込まれた酸化シリコン層を20分間エッチングします。同様の手法を用いて窒化モリブデン層の堆積とエッチングを行い、続いて別のゲルマニウム層を形成します。これにより、マイクロストリップ線路共振器を作製します。この手順に備えて、金コーティングされた銅製キャビティテストパッケージと、チップとサブミニチュアVersion AまたはSMAコネクタ間の信号をルーティングするための制御インピーダンス・マイクロ波ファンアウトボードを用意しておいてください。SMAコネクタをあらかじめ本テストパッケージの入力側と出力側に挿入し、センターコンダクターピンを合わせてから、対応するファンアウトボードのコンタクトパッドにはんだ付けしておきます。共振器チップは、オンチップ給電線の出力パッドおよび入力パッドが、対応するファンアウトボードのCPWラインに隣接するように、金コーティングされた銅パッケージキャビティに取り付けておきます。チップは、チップのエッジ部分で接触する銅製クリップで固定してください。超電導アルミニウムワイヤボンディングを、ファンアウトボードとチップ上のコンタクトパッドの間に、SMAコネクタの入力・出力とチップ上のCPW給電線との間でインピーダンス整合に必要な本数だけ配置しました。ワイヤボンディング後、マルチメーターを用いて、入力・出力コネクタの中心ピン間のDC抵抗を確認します。また、中心ピンとグランド間の抵抗を確認し、2つの中心ピン間に電気的接続があり、中心線とグランド間が開路（オープン）になっていることを確認します。テストベッドは、室温からデバイスが装着される0.3 kelvinのコールドステージまで伸びる一連のSMAケーブルで構成されています。マイクロ波損失を最小限に抑えるため、銅および超伝導ニオブチタンケーブルが使用されます。2 kelvinステージと0.3 kelvinステージの間のサーマルブレークには、ニオブチタンケーブルが使用されます。共振器デバイスの帯域における低ノイズ増幅のため、出力ラインの2ケルビンステージに極低温高電子移動度トランジスタ（HEMT）増幅器を設置します。また、出力ライン上のこの増幅器の入力側には、極低温サーキュレーターがあることに注意してください。0.3ケルビンのコールドステージにおいて、パッケージ化された共振器デバイスをボルトで固定されたブラケットに取り付けます。次に、整合終端を提供するために、パッケージの入力側にマイクロ波アッテネータを接続します。その後、このアッテネータ入力とパッケージ出力に適切なSMAケーブルを接続します。これらの終端によって、デバイスの校正面が定義されます。ここでクライオスタットを密閉し、デバイスを0.3 kelvinまで冷却するための標準的な手順に従います。まず、VNAをセットアップします。10 megahertzから8 gigahertz、または同様に広い帯域でスキャンを行い、パワーレベルが超伝導マイクロ波共振器および超伝導給電線の臨界電流を超えないようにしてください。出力を約-30 dBm、または十分な信号対雑音比が得られる同等の適切なレベルに調整します。次に、標準的なショート・オープン・ロード・スルーの手順に従って、フレキシブル高周波ケーブルを校正します。VNAソフトウェアの使用方法は、製造元の指示に従ってください。この校正により、装置の基準面が定義されます。校正後、スルーラインを接続して透過係数S21を確認し、その精度を検証してください。測定されたVNA応答の残留誤差は小さく、S21は0 dBに近く、S11およびS22はともに-50 dB以下である必要があります。次に、フレキシブルケーブルをクライオスタットの入力線および出力線に接続します。その後、メーカー指定のDCバイアス電圧を極低温マイクロ波増幅器に印加して、増幅器の電源を入れます。そして、測定を開始します。まず、広帯域スキャンを行い、S21のベースライン構造を観察し、マイクロ波共振器を示す急峻な高Q値構造がないかを確認します。その後、周波数帯域の範囲を狭めます。この際、後のフィッティングおよびインサイチュ校正（in-situ calibration）に十分なベースラインを確保できる程度の幅を持たせてください。次に、データポイント数を調整します。この例では、約 30,000 に設定します。0.45 micron の単結晶シリコン誘電体の両側に、半波長の窒化モリブデン共振器を作製しました。誘電体は、スパッタ堆積させた酸化シリコン誘電体を介した容量結合により、読み出し用のニオブ共面導波路給電線に結合されました。これは、共振器の開放端の一方にある8字型の領域として確認できます。VNA基準面におけるこの給電線の測定透過係数S21の大きさを、周波数の関数として測定しました。各共振器の共振周波数における透過振幅のディップは、マイクロ波電力が共振器に結合したことを示しています。これらの手順に従って収集したデータは、inseech-you校正法を用いて解析し、目的とする共振器の詳細な電磁パラメータを抽出することができます。この作製技術の開発により、マイクロ波キネティック・コンダクタンス検出器の分野の研究者が、新しい超低損失検出器アーキテクチャを開発する道が開かれました。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

私たちは、自立ミクロスフェアおよびオンチップmicrotoroids含むシリカ共振空洞を作製する二酸化炭素レーザーリフロー技術の使用について説明します。リフロー法は、両方のデバイス内の長い光子寿命をできるように、表面欠陥を除去します。結果としてデバイスは、通信からbiodetectionに至るまでのアプリケーションを可能にする、超高品質因子を持っています。...

シリカ超高品質ファクターMicroresonatorsの作製

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フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

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テラヘルツメタマテリアルにおける変位電流仲介共鳴のためのナノピラーベースのスプリットリング共振器の作製

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光共振器およびレーザ応用のためのポリマーマイクロスフェアの作製

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デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法

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マイクロレゾナレーターにおけるソリトン結晶の迅速反復率変動測定

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高Q窒化ケイ素膜共振器の作製と特性評価

学ぶ超伝導マイクロ波共振器の作製と散乱パラメータの評価法。シリコン基板両面への実装と内部Q値・損失率の測定により、量子コンピューティングや天体物理信号検出への応用が可能となる。

超伝導共振器の作製と評価

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