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방법 논문

초전도 공진기의 제조 및 특성

11.4K 조회수

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DOI:

10.3791/53868

⸱

2016년 5월 21일

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

이 논문에서

요약

초전도 마이크로파 공진기는 빛, 양자 컴퓨팅 애플리케이션 및 재료 특성의 검출에 대한 관심이다. 이 작품은 제조 및 초전도 전자 레인지 공진 산란 매개 변수의 특성에 대한 자세한 절차를 제공합니다.

초록

초전도 마이크로파 공진기 희미한 천체 물리학 서명의 검출을위한 마이크로 웨이브 운동 인덕턴스 검출기 (MKIDs)로서의 사용을 포함 대해서뿐만 아니라 양자 컴퓨팅 애플리케이션과 재료 특성, 다양한 애플리케이션을 위해 관심이다. 본 논문에서는 절차는 박막 초전도 마이크로파 공진기의 제조 및 특성에 대해 제공됩니다. 제조 방법은 아주 매끄러운 단결정 실리콘 유전체의 양쪽 기능 전송선 초전도 공진기의 실현을 허용한다. 이 작업은 극저온 전자 시험대으로 초전도 전이 온도 이하로 냉각 용 진동 장치를 설치하는 절차를 설명한다. 극저온 전자 시험대의 셋업은 PR의 추출을 가능하게 한 다음 진동 장치의 복잡한 전자 전송에주의를 측정 할 수 있도록장치 설계와 성능에 중요한 초전도 선 및 유전체 기판 (예를 들어, 내부 품질 요인 손실 인덕턴스 운동 분획)의 operties.

서론

천체 물리학 기기의 발전은 최근 적외선의 검출을 위해 초전도 마이크로파 공진기를 도입 한 -. 4 초전도 공진기는 에너지 E의 적외선에 반응 = HV> 2Δ은 (Δ이며, h는 플랑크 상수, V는 방사 주파수이고 곳 초전도 갭 에너지). 공진기는 또한 초전도 임계 온도 이하로 냉각 될 때,이 입사 방사선 공진 체적 쿠퍼 쌍 끊어 준 입자 음원 정보를 생성한다. 기진 준 입자의 밀도 증가는 따라서 초전도체의 복잡한 표면 임피던스 운동 인덕턴스를 변경하며. 이 광 반응은 더 낮은 주파수의 공진 주파수의 변화와 공진기의 품질 인자의 감소로서 관찰된다. 전자 kine를위한 표준 판독 방식에서TIC 인덕턴스 검출기 (MKID) 공진기는 마이크로파 급전선에 연결되고 다른 하나는 단일 공진 마이크로파 주파수 톤에이 급전선을 통해 복잡한 송신을 모니터링한다. 여기서, 광학 응답의 진폭 및 변속기 (5) (도 1)의 두 위상의 변화로서 관찰된다. 주파수 영역 다중화 방식은 공진기의 수천의 어레이를 판독 할 수있다. 6-7

성공적으로 설계 및 초전도 공진 기반 장비를 구현하기 위해, 이러한 공진 구조의 특성을 정확하고 효율적으로 특징 지어 질 필요가있다. 예를 들어, 잡음 특성의 정밀 측정, 품질 MKID 장치 물리학 8 양자 컴퓨팅, (9)의 컨텍스트와 저 결정에 요구되는 Q (그 온도 의존성 포함)의 공진 주파수와 초전도 공진기의 광학 응답 특성 요인 테mperature 재료 특성. (10)

이러한 모든 경우에서, 송신 회로의 복잡한 산란 파라미터의 측정이 요구된다. 이 작업은, 공진기의 복잡한 전달 계수의 결정에 집중 진폭 및 위상 벡터 네트워크 애널라이저 (VNA)로 측정 할 수있다 (21), 에스. 이상적으로, VNA 기준면 (또는 테스트 포트)이 직접 테스트 대상 장치 (DUT)에 접​​속 될 수 있지만, 극저온 설정이 정상적으로 RT 사이의 열 차단 (~ 300 K)를 실현하기위한 추가 전송 라인 구조의 사용을 필요로하며 추운 단계 (이 작품에서 ~ 0.3 K는 도면의 URE 2 참조). 이러한 방향성 결합기, 서큘 레이터, 아이솔레이터, 증폭기, 감쇠기 및 연관된 상호 접속 케이블과 같은 추가의 전자 부품은 적절히 준비 자극, 주목 장치를 판독하는데 필요한 바이어스 될 수있다. 그만큼극저온 실온에서 냉각시의 위상 속도 및 이들 구성 요소의 크기는 다르며, 따라서 그들은 장치 교정면에서 관찰 된 반응에 영향을 미친다. 장비 및 장치 교정 평면 영향 복소 이득 및 이들 사이에 개재 구성 요소를 적절하게 측정 된 응답의 해석에 설명 될 필요가있다. (11)

이론에서, 방식은 DUT의 교정시 이용 하나, 동일한 측정 기준 평면을 설정하는 것을 필요로한다. 이 목표에 도달하기 위해, 하나는 여러 쿨 다운을 통해 교정 표준을 측정 할 수; 그러나, 이것은 달성하기 곤란하다 VNA의 안정성 및 저온 기기의 반복성에 대한 제약을 야기. 이러한 문제를 완화하기 위해, 하나의 냉각 된 테스트 환경에 필요한 기준을 배치하고 그 사이를 전환 할 수있다. 전자 레인지 프로브 스테이션에서 발견 된 내용이 유사한 예를 들면,샘플 및 보정 기준 (12)이 방법은 서브 켈빈 온도에서 입증되었다. 연속 액체 헬륨 류 또는 폐쇄 - 사이클 냉동 시스템에 의해 4 K로 냉각하지만의 저전력, 고성능의 전자 스위치가 요구되는 곳 테스트 관심의 밴드. (13)

인 - 시튜 교정 절차 따라서 VNA 기준면 전술 한 방법의 한계를 극복 장치 교정 평면 (도를 URE 2)의 계기 송신 응답을 차지하고있는 것이 바람직하다. 이 극저온 교정 방법, 표시 및 카탈 외.도 11에서 자세히 설명은 하나의 폭 ~ 1 %의 정확도로 공진 선폭 간 공진 간격에 비해 주파수 범위에 걸쳐 다수의 공진을 특성화 할 수있다. 이 논문은 샘플 제작 및 준비의 세부 사항에 초점을 맞출 것이다aration 공정 실험 테스트 셋업 및 측정 절차는 평탄한 선 형상으로 초전도 마이크로파 공진기를 특성화하기 위해 사용된다. (11)

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프로토콜

1. 마이크로 스트립 라인 공진기 제작 (14) (그림 3)

  1. H 2 O 2 (3 : 1) 10 분 동안 혼합 갓 H 2 SO 4, 0.45 μm의 두께의 실리콘 소자 층을 갖는 실리콘 - 온 - 인슐레이터 (SOI) 웨이퍼, 청소. 그런 다음 질소 총 10 분 건조를위한 탈 이온수에서 웨이퍼를 씻어. HF (10 : 1) 이후에 처리하기 직전, H 2 O의 웨이퍼를 찍어 10 초, 5 분 동안 탈 이온수에 헹군다.
  2. 게르마늄 (창) 등 S-1811 등 / 긍정적 인 포토 레지스트로 구성되어 리프트 오프 마스크를 제작. (15)
    1. 스핀 코트 박형화 포지티브 포토 레지스트 이중층 (2 부 신나-P : 1 부 포지티브 포토 레지스트)와 웨이퍼 (30) 초 후 전자빔 입금 게르마늄 4,000 rpm에서.
    2. 제 1 분간 웨이퍼 상에 헥사 메틸 디 실라 잔을 (HMDS)을인가 한 후 30 초 동안 3000 rpm에서 과잉 스핀 오프하여 포토 리소그래피를 이용하여 패턴 창.
    3. SPI30 초 동안 2,000 rpm에서 110 ℃에서 1 분 동안 핫 플레이트에 구워 : N에 긍정적 인 포토 레지스트 (1 부 긍정적 인 포토 레지스트 2 부 얇은-P)를 얇게. 포토 레지스트를 노광하고, 테트라 메틸 암모늄 히드 록 시드 계 용액으로 레지스트 개발할 스프레이 마스크 얼 라이너를 사용한다.
    4. 반응성 이온은 포토 레지스트의 언더컷 달성하기 위해 O 2 플라즈마와 포토 레지스트를 기본 70 W. 애쉬에서 SF 6 / O 2 플라즈마로 게르마늄을 에칭.
    5. 500 W, 4 시간 동안 아세톤 가득한 비커 내부의 웨이퍼를 배치하여 들어 올립니다에서 아르곤 3.7 만 T (AR)와 DC 마그네트론 스퍼터 - 예금 니오븀 (Nb를) 접지면.
  3. 스핀 코트 bisbenzocyclobutene (BCB)이 SOI 웨이퍼의 NB-코팅 표면에 30 초간 4000 rpm에서 다른 실리콘 웨이퍼의 한쪽면에 관한 것이다. 200 ℃에서 3 바의 압력과 함께 두 BCB 코팅 표면 접합.
  4. 수동으로 거꾸로 플립 웨이퍼 스택은 SOI 웨이퍼의 뒷면을 처리하기 시작합니다.
  5. 보쉬 공정을 사용하여 딥 반응성 이온 에칭에 이어 알 2 O 3 슬러리를 사용하여 기계적 래핑에 의해 실리콘 핸들 웨이퍼 식각 16 엣지 H 2 O로 매립의 SiO2 층 :. HF (10 : 1)을 20 분 동안.
  6. 입금 몰리브덴 질화물 W 3.3 mT 내지 700에서 DC 마그네트론 반응성 스퍼터링을 이용한 MO (2 N) (AR : N 2 분압 = 7 : 1). 30 초 동안 2,000 rpm에서 30 초 동안 2,000 rpm으로 회전하고 회전 한 다음 2 분 동안 180 ℃로 소성하여 패턴 공진기는 긍정적 인 포토 레지스트 (1 부 긍정적 인 포토 레지스트 2 부 얇은-P)를 얇게. 반응성 이온 에칭에 테트라 메틸 암모늄 히드 록 시드 계 용액 재에 포토 레지스트를 개발한다. 인산 계 용액을 몰리브덴이 N 에칭.
  7. 2 분 전자빔 증착 한 다음, 30 초 동안 5000 rpm에서 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)에 회전 및 180 ℃로 소성함으로써 게르마늄 / PMMA 이중층으로 구성된 리프트 - 오프 마스크를 제조게르마늄의 osition. Nb를 전송선 입금 스퍼터 아세톤으로 리프트 오프 (포지티브 포토 레지스트 PMMA로 치환 된 것을 제외하고는 단계 1.2 참조).
  8. 일부 실시 예, 무선 주파수 (RF)에서 긍정적 인 포토 레지스트로 회전시켜 SiO2로, 패턴을 예금 스퍼터과 불화 산 기반 솔루션에 에칭. 단계 120에 설명 된대로 그리고, 게르마늄 / 포지티브 포토 레지스트 리프트 오프 용 마스크를 사용하여 스퍼터 증착 된 박막 Nb를 리프트 오프.

테스트 패키지 마이크로 웨이브 공진기 칩의 설치 2. 절차

  1. 시스템 설계 및 금으로 이루어진 테스트 패키지 (호주) 코팅 된 구리 공동 공진기 칩 치수 급전선 입출력 위치와 일치 (베이스 및 뚜껑). 주 : 상기 하우징의 공극 크기는 관심있는 대역에 걸친 최소 기생 커플 링 단일 모드 동작을 지원하도록 지정한다.
  2. 설계 및 제어 임피던스 전자 팬 OU를 제작이 항공사는 t 기판 (17) 칩과 서브 미니어처 버전 A (SMA) 커넥터 사이의 신호.
  3. 중심 도체 핀 대응하는 팬 아웃 보드 접촉 패드 위에 정렬되도록 테스트 패키지의 입력 및 출력에 SMA 커넥터를 삽입한다. 단락을 방지하고, 중심 도체 핀의 영역에 땜납을 적용하는 솔더 마스크를 적용한다. 땜납을 용융 ~ 5 분 동안 200 ° C에 핫 플레이트 열에서 패키지를 놓습니다. 식지 후 솔더 마스크를 제거합니다.
  4. 아프리카 연합 코팅 된 구리 패키지 공동 같은 온 - 칩 급전선 출력 및 입력 패드는 해당 팬 아웃 보드 동일 평면 도파관에 가까운 정렬되었는지 (CPW) 라인으로 공진기 칩을 탑재합니다. 칩의 모서리의 가장자리에 접촉 구리 클립 칩을 고정합니다.
  5. 접촉 패드 팬 아웃 보드 사이에 칩 알루미늄 와이어 본드 초전도 놓습니다. 여기서 제시하는 경우의 최대 수 (~ 4 플레이스 - 참조 ~ 500-600 μm의 긴 ~ 250 μm의에서 높이 와이어 본드, 그림 4)는 SMA 커넥터 입력과 출력 및 온 - 칩 CPW의 급전선 사이의 임피던스 일치를 제공합니다.
  6. 와이어 본딩 후, 멀티 미터로 입력 및 출력 커넥터의 중앙 핀 사이의 DC 저항을 확인하고, 중심 핀과 그라운드 사이에, 확인을 위해 두 개의 센터 핀 사이의 전기적 접속과 중심 사이의 개방 연결이 라인 및 접지.

극저온 헬륨 3 마이크로 웨이브 테스트 베드에서 마이크로 웨이브 공진기의 설치를위한 3. 지원 절차

  1. SMA 케이블의 시리즈는 장치가 장착되는 0.3 K 콜드 스테이지 RT에서 전달되는도 2에 도시 된 구성에서와 같이 테스트 베드를 조립한다.
  2. 에, 낮은 전자 레인지 손실을 제공하기 위해 그림 2와 같이 구리 (Cu) 및 초전도 니오븀 - 티타늄 (NBTI) 케이블을 설치하고NBTI 케이블, 낮은 열 전도성의 경우. 2-K 및 0.3-K 단계 사이의 열 차단으로 NBTI 케이블을 사용합니다.
  3. 공진기 장치의 대역 저잡음 증폭 용 출력 선에 K 2 단계에서 저온 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 앰프를 탑재하고, 서큘 레이터를 설치한다.
  4. 이 앰프의 입력에서 출력 라인에 저온 순환 장치를 삽입합니다.
  5. 0.3-K 감기 단계에 볼트로 고정 브라켓에 포장 된 공진기 장치를 탑재합니다.
  6. 정합 종단을 제공하고이 감쇠기 입력 및 출력 패키지에 적절한 SMA 케이블을 연결하기 위해 패키지의 입력측에 마이크로파 감쇠기를 연결한다. 이러한 제어 임피던스 종단이 잘 일치하고 가능한 테스트 대상 장치에 가까이 있는지 확인 - 그들은 "장치 교정 평면을"정의 (그림 2 참조).
  7. 그라 이오 스탯을 닫습니다. 장치를 냉각하는 표준 절차를 따르십시오0.3 K.에의

마이크로 웨이브 공진기 측정 4. 절차

  1. 장치 피 시험 설계 주파수 - (여기서 고려 장치, 8 GHz의 10 메가 헤르츠) 넓은 주파수 대역에 걸쳐 스캔 할 VNA를 설정한다. 시험 장치에 적합한 수준으로 VNA의 전력 레벨을 조정 (~ -30 dBm으로, 여기에서 고려되는 디바이스).
    주 : 초전도 마이크로파 공진기 초전도 급전선의 임계 전류를 초과하지 않도록 상기 입력 RF 전력 레벨이 충분히 낮은 것을 확인. 전력 레벨이 충분한 신호 대 노이즈 비를 제공하기에 충분히 높다는 것을 보장한다.
  2. VNA 설명서에있는 VNA 소프트웨어 지침에 따라, 표준 짧은 오픈로드 - 스루 (SOLT) 절차에 따라 유연한 RF 케이블을 보정합니다. 이후 상기 입력에 연결되는 벡터 네트워크 분석기에서 경로 및 플렉시블 케이블의 각각의 출력에서​​ 종료, 단락 및 개방 표준을 통해 삽입측정을위한 저온 유지 장치의. 이 교정은 "악기 기준면"를 정의 (예를 들어,도 2 참조).
  3. 이 SOLT 보정 후, 스루 선 투과, S (21)은 VNA로 측정하여 연결된 확인하여 보정의 정확도를 확인 낮은 잔류 에러를 갖는다 (즉, 응답 ~ 0dB 레벨 S 11, S에있을 22) ≤ -50 dB, 예를 들어, 낮습니다.
  4. 그라 이오 스탯의 입력 및 출력 라인에 유연한 케이블을 연결합니다.
  5. 마이크로파 증폭기 회사가 제공하는 문서에 지정된 필요한 DC 바이어스 전압을인가함으로써, 극저온 전자 증폭기를 켜고.
  6. 첫째, VNA의 광대역 스캔 (10 메가 헤르츠 - 8 GHz의, 여기서 고려 장치에 대한) 완료 S (21) 기본 구조를 관찰하고 날카로운 높은 Q 검색을 </ EM> 마이크로파 공진기를 나타내는 구조.
  7. 그리고, 주파수 범위 (~ 2 - 4 GHz의 여기를 고려 장치) 좁히 공진 주파수 대역에 걸쳐 스캐닝하도록 VNA의 (여기에서 고려되는 디바이스 ~ 30000) 데이터 포인트의 수를 조정한다. 원위치 보정을 수행하는 기준이 나중에 끼워 위해 적절한 기준 범위를 제공하기 위하여 충분히 넓은 주파수 대역을 사용 (개요에 대한 설명을 참조).
    주 : 잡음 레벨에 따라서 평균의 수를 증가 또는 신호 - 대 - 잡음을 개선하기 위해 IF 대역폭을 감소시킨다.
  8. 후 측정 현장 교정 및 분석 및 품질 요인과 공진 주파수의 추출 파일로 복잡한 전송 데이터의 이러한 VNA 데이터 스캔을 저장합니다. (11)

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결과

0.45 μm의 단결정 실리콘 유전체 상에 제조 반파 모 N 2 공진기 (도 5)의 반응은이 방법으로 검증 하였다. 이 경우에있어서, Nb를 동일 평면 도파관에 커플 링 (CPW) 급전선에 대한 판독은 상기 공진기의 개방 단부 중 한 영역 형상은 "H"의 스퍼터 증착 된 SiO2를 유전체층을 통해 용량 성 결합을 통해 달성된다 (참조 : 프로토콜 1.6 절). 다른 예에서, 상기 급전선에 용량 결합은 Nb를 접지 평면 영역을 제거함으로써 달성되었다. 도 5에 도시 된 공진되게 제조 기술은 기판 표면을 거칠게하지 않고 실현할하는 초박형 단결정 실리콘 층의 양면에 미세한 초전도 회로를 허용한다는 것을 알 수있다. 이러한 공진기는 MKID의 가장 중요한 구성 요소를 대표하고이 기​​술은 좋은 제어를 통해 할 수 있습니다무결성.

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토론

단일 플립 제조 공정은 0.45 μm의 박막 단결정 Si 기판의 양면에 초전도 공진기를 실현하기위한 수단을 제공한다. 하나는 1 × 10 4.0-6.5 GHz의 범위 <손실 탄젠트와 (예시 3 N 4)을 증착 유전체보다 크기 낮은 손실의 순서 이상을 가지고 있기 때문에 단결정 실리콘 유전체를 사용하도록 동기를 부여 할 수있다 - 이 기판은 하나의 빛과 낮은 공진에 공진 크로스 토크를 이탈하는 좋은 내성을 제공하는 마이크로 스트립 공진기 설계를 채용 할 수의 패턴 5. 23 ~ 24 수있는 능력은 양쪽에 있습니다. 그 표면에는 요철이 초전도 Nb를 박막의 패터닝 동안 발생하지 않기 때문에 설명 된 리프트 오프 기술은 실리콘 표면의 무결성이 유지 될 수있다. (15)이 제조 공정은 초전도 마이크로 스트립 구조를 갖는 다양한 구조물에 사용될 수있는 그리고 예상 푸웃URE 애플리케이션 원적외선 분광계를 사용하여 ...

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공개 사항

저자는 더 경쟁 재정적 이해 관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

저자는 미국 항공 우주국 (NASA)의 장미와 APRA 프로그램의 자금 지원을 인정합니다. GC는 NASA에서 자신의 약속을 관리하기위한 대학 우주 연구 협회을 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
프로토콜 섹션 1
Microposit S-1811 포토레지스트Shipley
BCBDow3022-35
SOI 웨이퍼SOITecSmartCutTM 프로세스로 제작
MoKamis99.99%
NbKamis99.95% ( 제외: Ta)
E-6 금속 식각, w/AES후지필름CPG 등급
, 아세톤JT, Baker9005-05CMOS 등급
HF, dip (1:10),JT Baker5397-03
PMMA,Microchem950, PMMA A2
Protocol Section 2
GE 7031General Electric저온 접착제
Protocol Sections 3-4
Cryogenic Microwave AmplifierMITEQAF S3-02000400-08-CR-42-4 GHz, gain ~30  dB
NbTi 반강성 SMA 케이블Coax.SC-086/50-NbTi-NbTi
순환기PamTechCTD1229K반사 손실 > -20dB 2-4GHz
RF 감쇠기Weinschel모델-4M7dB 감쇠
유연한 SMA 케이블Teledyne-StormR94-240ACCU-TEST
벡터 네트워크 분석기AgilentN5242A PNA-X
Liquid He-4 극저온Praxair
액체 N2 극저온Praxair
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참고문헌

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