Name: Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 26 s
Description: Leer supergeleidende resonators fabriceren en hun verstrooiingsparameters karakteriseren met siliciumsubstraten. Deze methode ondersteunt toepassingen in kwantumcomputing en detectie van zwakke astrofysische signalen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs erkennen financiële steun van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) &#39;s ROSES en APRA-programma&#39;s. GC erkent ook de universiteiten Space Research Association voor het beheer van zijn benoeming bij de NASA.

1. Microstrip Line Resonator Fabrication 14 (figuur 3) <ol><li> Schoon een silicium-op-isolator (SOI) wafer, die een 0,45 pm dikke laag silicium apparaat, vers gemengd H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) gedurende 10 min. Spoel vervolgens de wafer in gedemineraliseerd water gedurende 10 minuten en droog met een stikstof pistool. Onmiddellijk voor later verwerken, dompel de wafer H 2 O: HF (10: 1) gedurende 10 sec en spoelen in gedeïoniseerd water gedurende 5 minuten. </li><li> Fabriceren lift-off masker, dat bestaat uit een germanium (Ge) / positieve fotoresist zoals S-1811. 15 <ol><li> Spin-coat de wafer met verdunde positieve fotoresist dubbellaag (2 delen verdunner-P: 1 deel positief fotoresist) bij 4.000 tpm gedurende 30 sec en dan elektronenbundel borg Ge. </li><li> Patroon Ge met behulp van foto-lithografie door eerst hexamethyldisilazaan (HMDS) op de wafer gedurende 1 minuut en vervolgens spin-off van het overtollige bij 3.000 tpm gedurende 30 sec. </li><li> Spin on verdunde positieve fotolak (2 delen verdunner-P: 1 part positieve fotoresist) bij 2000 tpm gedurende 30 sec en bakken op een hete plaat gedurende 1 min bij 110 ° C. Gebruik een masker aligner te fotolak bloot te leggen en te spuiten ontwikkelen weerstaan ​​met een tetramethyl ammonium-hydroxide gebaseerde oplossing. </li><li> Reactief-ion etsen de Ge met een SF6 / O 2 plasma bij 70 W. Ash onderliggende fotoresist met O 2 plasma-undercut van fotolak te bereiken. </li><li> DC-magnetron sputter-deposit niobium (Nb) grondvlak met 3,7 mT van argon (Ar) bij 500 W en verwijder deze door het plaatsen van de wafer in een aceton gevulde beker gedurende 4 uur. </li></ol></li><li> Spin-coat bisbenzocyclobutene (BCB) bij 4000 tpm gedurende 30 seconden op de Nb-gecoate oppervlak van het SOI wafer en een oppervlak van een ander silicium wafer. Binden de twee BCB gecoate oppervlakken met 3 bar druk bij 200 ° C. </li><li> Handmatig flip wafer stack kop begint verwerking van de achterzijde van de SOI wafer. </li><li>Etsen silicium wafer handvat mechanisch omwikkelen behulp Al 2 O 3 suspensie, gevolgd door diepe reactief ionen-etsen met het Boschproces 16 Ets het begraven SiO 2 laag met H2O. HF (10: 1) gedurende 20 min. </li><li> Borg nitride molybdeen (Mo 2 N) via DC magnetron reactief sputteren op 700 W en 3,3 mT (Ar: N2 partiële = 7: 1). Patroon resonatoren door het draaien bij 2000 rpm gedurende 30 seconden en bakken bij 180 ° C gedurende 2 minuten gevolgd door spinnen verdunde positieve fotoresist (2 delen verdunner-P: 1 part positieve fotoresist) bij 2000 tpm gedurende 30 sec. Ontwikkel fotolak in een tetramethyl ammonium-hydroxide gebaseerde oplossing en as in een reactief ionen etser. Etch Mo 2 N met een fosforzuur-gebaseerde oplossing. </li><li> Fabriceren lift-off masker bestaande uit een Ge / PMMA dubbellaag van spinnen op het polymethylmethacrylaat (PMMA) bij 5000 tpm gedurende 30 sec en bakken bij 180 ° C gedurende 2 minuten gevolgd door elektronenbundels depSTANDPUNT van Ge. Sputter-deposit Nb transmissielijnen en til in aceton (zie stap 1.2 behalve dat de positieve fotoresist gesubstitueerd met PMMA). </li><li> In sommige uitvoeringsvormen, radiofrequentie (RF) sputtering depot SiO 2, patroon door draaien met positieve fotoresist en etsen in een waterstoffluoride zuur gebaseerde oplossing. Dan til a-sputteren afgezette Nb dunne film met behulp van een germanium / positieve fotolak lancering masker zoals beschreven in stap 1.2. </li></ol> 2. Procedure voor de installatie van Microwave Resonator Chip in Test Pakket <ol><li> Ontwerp en machine een test bestaande uit goud (Au) koper beklede holte (met een basis en deksel) die past resonator chip afmetingen feedline input en output locaties. LET OP: De grootte van de holte van de behuizing moet worden aangegeven in een single-mode werking te ondersteunen met een minimale parasitaire koppeling over de band van belang. </li><li> Ontwerp en fabriceren een gecontroleerde impedantie magnetron fan-out board 17 voor het routeren van de signalen tussen de chip en Sub-Miniatuur versie A (SMA) connectors. </li><li> Steek de SMA-connectoren in de input en output van de test-pakket, zodat de centrale geleider pin is uitgelijnd ten opzichte van dezelfde fan-out board contact pad. Breng een soldeermasker te beschermen tegen kortsluiting en soldeer in het gebied van de centrale geleider pin. Plaats het pakket op een hete plaat en verhit tot 200 ° C ~ 5 min naar het soldeer te smelten. Laat afkoelen en verwijder het soldeer masker. </li><li> Monteer de resonator chip in de Au-beklede koperen pakket holte zodanig dat de on-chip feedline output en input pads zijn dicht en afgestemd op de overeenkomstige fan-out board coplanaire golfgeleider (CPW) lijnen. Bevestig de chip met koperen clips waarmee contact aan de randen van de hoeken van de chip te maken. </li><li> Plaats supergeleidende Al draad bindingen tussen de fan-out board en on-chip contact pads. Plaats een maximum aantal (~ 4 in het geval hier gepresenteerde - zie <strong&gt; Figuur 4) van ~ 500-600-um-lang, ~ 250-um-in-hoogte draad obligaties, impedantie match tussen de SMA-connector input en output en de on-chip CPW feedline bieden. </li><li> Na wire-bonding, met een multimeter controleer de DC-weerstand tussen het centrum pinnen van de in- en uitgangen, en tussen een centreerpen en gemalen, of er en een elektrische verbinding over de twee middelste pennen en een open verbinding tussen het centrum lijn en op de grond. </li></ol> 3. Procedure voor de installatie van de magnetron Resonator in een cryogene Helium-3 Magnetron Testbed <ol><li> Monteer het testbed zoals in figuur 2 configuratie, waarbij een reeks SMA kabels lopen van RT om het 0,3-K koude fase waarin het instrument wordt aangesloten. </li><li> Installeer koper (Cu) en supergeleidende niobium-titanium (NbTi) kabels zoals getoond in figuur 2 naar laag microgolfverlies en, in hetgeval van de NbTi kabels, een lage thermische geleiding. Gebruik de NbTi kabels als een thermische onderbreking tussen de 2-K en 0,3-K fasen. </li><li> Monteer een cryogene hoge beweeglijkheid van de elektronen transistor (HEMT) versterker op de 2-K etappe op de output lijn voor ruisarme versterking in de band van de resonator apparaat en installeer een circulatiepomp. </li><li> Plaats een cryogene circulatiepomp aan de uitgang lijn bij de ingang van deze versterker. </li><li> Monteer de verpakte resonator apparaten op een beugel met bouten aan de 0,3-K koud podium. </li><li> Verbind een microgolf verzwakker aan de ingangszijde van de verpakking te voorzien afgestemd beëindiging en sluit de juiste SMA kabels om deze verzwakker ingang en uitgang pakket. Zorg ervoor dat deze gecontroleerde impedantie opzeggingen zijn goed op elkaar afgestemd en zijn zo dicht mogelijk bij het ​​meetobject mogelijk - zij het ​​&quot;apparaatkalibratie plane&quot; te definiëren (zie figuur 2). </li><li> Close-up van de cryostaat. Volg de standaard procedure om het apparaat te koelens tot 0,3 K. </li></ol> 4. Procedure for Microwave Resonator Metingen <ol><li> Stel de VNA scannen over een brede frequentieband (10 MHz - 8 GHz, voor het apparaat hier beschouwd) en het apparaat under testontwerp frequenties. Stel de vermogensniveaus van de VNA geschikte hoeveelheden voor het meetobject (~ -30 dBm, voor het apparaat hier beschouwd). OPMERKING: Zorg ervoor dat de input RF vermogen is laag genoeg om te voorkomen dat de kritische stroom van de supergeleidende magnetron resonator en supergeleidende feedline overschrijden. Zorgen dat het vermogen hoog genoeg is om een ​​voldoende signaal-ruisverhouding te verschaffen. </li><li> IJk de flexibele RF kabels volgende standaard Short-Open-Load-Thru (SOLT) procedure, na VNA software aanwijzingen gevonden in de VNA handleiding. Invoegen in kortgesloten, geopend, beëindigd en via normen aan de uitgang van elk van de flexibele kabels, die uit de bovenstaande vector netwerkanalysator en die later zal worden aangesloten op de ingangvan de cryostaat metingen. Deze kalibratie definieert de &quot;instrument referentievlak&quot; (bijvoorbeeld, zie figuur 2). </li><li> Naar aanleiding van deze SOLT kalibratie, controleert de trouw van de kalibratie door te bevestigen dat de transmissie, S 21, met de thru lijn aangesloten gemeten met de VNA, heeft een lage resterende fouten (dat wil zeggen, het antwoord is op ~ 0 dB niveau en de S 11 en S 22 zijn laag, bijvoorbeeld ≤ -50 dB). </li><li> Sluit de flexibele kabels aan de ingangs- en uitgangslijnen van de cryostaat. </li><li> Zet de cryogene microgolfversterker door toepassing van de vereiste DC voorspanning zoals gespecificeerd in de onderneming verschafte documentatie voor de magnetron versterker. </li><li> Ten eerste, compleet een breedband-scan van VNA (10 MHz - 8 GHz, voor het apparaat hier beschouwd) met de S 21 basislijn structuur te observeren en te zoeken naar eventuele scherpe hoge Q &lt;/ Em&gt; structuren indicatief magnetron resonatoren. </li><li> Vervolgens smal frequentiebereik (tot ~ 2-4 GHz, voor het apparaat hier besproken) en stel het aantal gegevenspunten (~ 30.000 voor het apparaat hier beschouwd) van de VNA scannen via resonator band. Gebruik een frequentieband breed genoeg is om een adequate basislijn overspanning voor later past deze basislijn van een in-situ kalibratie uit te voeren (zie bespreking in de inleiding). OPMERKING: Afhankelijk van het geluidsniveau, verhoging van het aantal gemiddelden, of vermindering van de IF bandbreedte om het signaal-ruis te verbeteren. </li><li> Bewaar deze VNA gegevens scans van het complex gegevensoverdracht tot het dossier voor post-meting in-situ kalibratie, en analyse en extractie van de kwaliteit factoren en resonantie frequenties. 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>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.

De single-flip vervaardigingswerkwijze verschaft een middel voor het realiseren supergeleidende resonatoren aan beide zijden van een dunne 0,45 pm monokristallijn Si-substraat. Een gemotiveerd zijn om een monokristallijn Si diëlektrische gebruiken omdat het meer dan een orde van grootte minder verlies dan afgezet diëlektrica (zoals Si 3N 4) met verlies raaklijnen in de 4,0-6,5 GHz range &lt;1 x 10 - 5. 23-24 De mogelijkheid om patroonkenmerken aan weerszijden van dit substraat...

Vooruitgang in astrofysische instrumenten hebben onlangs supergeleidende magnetron resonatoren voor de detectie van infrarood licht 1 -. 4 een supergeleidende resonator reageert infraroodstraling energie E = hv&gt; 2Δ (waarbij h de constante van Planck, v is de stralingsfrequentie en Δ is de supergeleidende bandkloof-energie). Wanneer de resonator wordt afgekoeld tot een temperatuur ruim onder de kritische temperatuur supergeleider Dit invallende straling breekt Cooper-paren in de resonator volume genereert quasiparticle excitaties. De toename van de dichtheid van quasiparticle excitaties verandert de kinetische inductie, en dus de complexe impedantie oppervlak van de supergeleider. Deze optische respons wordt waargenomen als een verschuiving van de resonantiefrequentie van lagere frequentie en een vermindering van de kwaliteitsfactor van de resonator. In de canonieke uitlezen regeling voor een magnetron kinetic inductantie detector (MKID), de resonator is gekoppeld met een magnetron en een toevoerlijn bewaakt de complexe transmissie via dit voedingslijn op een microgolffrequentie toon op resonantie. Hier wordt de optische respons waargenomen als een verandering in zowel de amplitude en fase van de transmissie 5 (figuur 1). Frequentiedomein multiplexen regelingen kunnen uitlezen arrays duizenden resonatoren. 6-7 Te ontwerpen en te implementeren supergeleidende-resonator-gebaseerde instrumentatie, de eigenschappen van deze resonante structuren moeten nauwkeurig en efficiënt worden gekarakteriseerd. Bijvoorbeeld nauwkeurige metingen van de ruis eigenschappen, kwaliteit factoren Q, resonantiefrequenties (inclusief temperatuursafhankelijkheid) en optische responseigenschappen van supergeleidende resonatoren gewenst in het kader van MKID device fysica, quantum computing 8, 9 en de bepaling van laag- temperature materiaaleigenschappen. 10 In al deze gevallen wordt de meting van complex transmissie verstrooiingsparameters het circuit gewenst. Dit werk richt zich op de bepaling van de resonator complexe transmissiecoëfficiënt, S 21, waarvan de amplitude en fase kan worden gemeten met een vector netwerk analyzer (VNA). Idealiter zou de VNA referentievlak (of meetopening) rechtstreeks verbonden met de inrichting onder test (DUT), maar een cryogene instelling vereist gewoonlijk het gebruik van aanvullende transmissielijn structuren onderbroken koudebrug tussen kamertemperatuur (~ 300 K) te realiseren en de koude fase (~ 0,3 K in dit werk, zie figuur ure 2). Aanvullende magnetron onderdelen zoals richtingkoppelstukken, circulatiepompen, isolatoren, versterkers, verzwakkers en bijbehorende verbindingskabels nodig zijn om adequaat te bereiden, wek, uitgelezen en vertekening van de inrichting plaats. Defase snelheden en de afmetingen van deze componenten variëren bij het koelen van kamer tot cryogene temperaturen, en daarom zijn ze van invloed op de waargenomen respons op het apparaat kalibratie vliegtuig. Deze tussenliggende componenten tussen het instrument en het apparaat kalibreren vliegtuig invloed van het complex te krijgen en moeten op de juiste wijze verwerkt in de interpretatie van de gemeten respons. 11 In theorie, is een regeling nodig die de meting referentievlak, identiek aan die toegepast bij het kalibreren op de DUT wordt. Om dit doel te bereiken, kan men de kalibratie normen over meerdere cool-downs te meten; echter, deze stelt beperkingen aan de stabiliteit van de VNA en de herhaalbaarheid van het cryogene instrument, die moeilijk te bereiken zijn. Om deze bezwaren te beperken, kan men de nodige normen in de gekoelde testomgeving te plaatsen en te schakelen tussen hen. Dit is bijvoorbeeld vergelijkbaar met wat wordt gevonden in magnetron probe stations, Waarbij het ​​monster en kalibratiestandaarden gekoeld tot 4 K een continue vloeibare helium stroom of een gesloten cyclus koelsysteem. 12 Deze methode werd aangetoond bij sub-kelvin temperaturen maar vereist minder energie verbruikt, krachtige microgolf schakelaar in de -test band van belang. 13 Een in-situ kalibratieprocedure is derhalve gewenst dat goed is voor de instrumentele transmissie reactie tussen de VNA referentievlak en de inregeling van het vlak (fig ure 2) en die de beperkingen van de hierboven beschreven werkwijzen overwint. Deze cryogene kalibratiemethode, gepresenteerd en besproken in Cataldo et al. 11, maakt het mogelijk om meerdere resonatoren kenmerken over een breed frequentiegebied in vergelijking met de breedte resonator lijn en onderlinge afstand resonator met een nauwkeurigheid van ~ 1%. Dit artikel zal zich richten op de details van het monster fabricage en prepPreparation processen, experimentele test set-up en meetprocedures gebruikt om supergeleidende magnetron resonatoren karakteriseren met vlakke lijn geometrieën. 11

<table><tbody><tr><td colspan="4">Protocol Sectie 1</td></tr><tr><td>Microposit S-1811 Fotoresist</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>Vervaardigd met SmartCutTM proces</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 niet inbegrepen)</td></tr><tr><td>E-6 metaal ets w/AES</td><td>Fujifilm</td><td></td><td>CPG Grade</td></tr><tr><td>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 Sectie 2</td></tr><tr><td>GE 7031</td><td>General Electric</td><td></td><td>Laag-temperatuur kleefstof</td></tr><tr><td colspan="4">Protocol Secties 3-4</td></tr><tr><td>Cryogene Microgolfversterker</td><td>MITEQ</td><td>AF S3-02000400-08-CR-4</td><td>2-4 GHz, versterking ~30&nbsp;dB</td></tr><tr><td>NbTi Semi-starre SMA kabels</td><td>Coax. Co.</td><td>SC-086/50-NbTi-NbTi</td><td></td></tr><tr><td>Circulator</td><td>PamTech</td><td>CTD1229K</td><td>terugverlies > -20 dB van 2-4 GHz</td></tr><tr><td>RF verzwakker</td><td>Weinschel</td><td>Model-4M</td><td>7 dB verzwakken</td></tr><tr><td>Flexibele SMA kabels</td><td>Teledyne-Storm</td><td>R94-240</td><td>ACCU-TEST</td></tr><tr><td>Vector Netwerk Analyzer</td><td>Agilent</td><td>N5242A PNA-X</td><td></td></tr><tr><td>Vloeibare He-4 cryogeen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vloeibare N2 cryogeen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

fabricage en karakterisering van supergeleidende resonators

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Supergeleidende magnetron resonatoren van belang voor een groot aantal toepassingen, inclusief hun gebruik als magnetron kinetische inductie detectoren (MKIDs) voor het detecteren van zwakke astrofysische handtekeningen en voor quantum computing toepassingen en materiaal karakterisatie. In dit artikel worden procedures voorgesteld voor de fabricage en karakterisering van dunne-film supergeleidende magnetron resonatoren. De fabricage methode maakt de realisatie van supergeleidende transmissielijn resonatoren faciliteiten aan beide zijden van een atomair glad monokristallijn silicium diëlektrische. Dit werk beschrijft de procedure voor de installatie van de resonator apparaten in een cryogene magnetron testbed en cool-down onder de supergeleidende overgang temperatuur. De set-up van de cryogene magnetron testbed maakt het mogelijk om zorgvuldige metingen van het complex microgolf transmissie van deze resonator apparaten te doen, waardoor de extractie van de properties van de supergeleidende lijnen en diëlektrische drager (bijvoorbeeld interne kwaliteitsfactoren, verlies en kinetische inductie fracties), die belangrijk zijn voor apparaatontwerp en prestaties.

De reactie van een enkelzijdige Mo 2 N resonator (figuur 5) vervaardigd op een 0,45 urn monokristallijn silicium diëlektrische werd gevalideerd met deze methode. In dit geval koppeling met een Nb coplanaire golfgeleider (CPW) toevoerlijn voor uitlezen wordt bereikt door capacitieve koppeling door een afgezet door sputtering SiO 2 diëlektricum, in het &quot;H&quot; -vormige gebied aan een van de open einden van de resonator (zie Protocol paragraaf 1....

Supergeleidende magnetron resonatoren van belang zijn voor de detectie van licht, quantum computing toepassingen en materialen karakterisering. Dit werk geeft een gedetailleerde procedure voor de fabricage en karakterisering van supergeleidende magnetron resonator verstrooiing parameters.

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

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

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen van supergeleidende microgolfresonatoren en het karakteriseren van hun verstrooiingsparameters. Deze methode maakt het mogelijk om supergeleidende instrumentatie te ontwerpen en te implementeren door middel van de catheterisatie van supergeleidende lijnen op het elektrische substraat. Bijvoorbeeld, de interne kwaliteitsfactoren, verliesfracties en verbindingsfracties kunnen worden bepaald. Het belangrijkste voordeel van deze technieken is dat ze de realisatie van supergeleidende resonatoren aan beide zijden van een siliciumsubstraat mogelijk maken, wat precieze metingen faciliteert.De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot een breed scala aan toepassingen, waaronder kinetische inductiedetectoren voor de detectie van zwakke astrofysische signalen, evenals toepassingen in quantumcomputing en materiaalkarakterisering. Begin met een vers gereinigde silicon-on-insulator wafer. Spin-coat een laag fotolak bij 4.000 rpm gedurende 30 seconden.Breng vervolgens germanium aan op de wafer via electron-beam depositie. Spin daarna een laag dunne positieve photoresist op bij 2,000 rpm gedurende 30 seconden en bak de wafer vervolgens één minuut op een hotplate van 110 degree celsius. Gebruik nu een mask aligner om de photoresist te belichten.Sproei vervolgens de TMAH-gebaseerde ontwikkelaar-resistoplossing op. De volgende stap is het uitvoeren van een reactieve ionenetsing van de vervaardigde germaniumlaag met zwavelhexafluoride- en zuurstofplasma bij 70 watts. Verwijder nu de onderliggende fotorezistlaag met zuurstofplasma in een reactieve ionenetser om een ondersnijding van de fotorezist te verkrijgen.Zet vervolgens met een DC-magnetron een niobiumen grondvlak op de wafer door sputterdepositie met 3,7 mTorr argon bij 500 watt. Verwijder daarna het grondvlak door de wafer vier uur lang in aceton onder te dompelen. Spin-coat vervolgens BCB op de niobium-gecoate wafer bij 4.000 rpm gedurende 30 seconden en doe hetzelfde met een nieuwe siliciumwafer.Bond nu de twee BCB-gecoate oppervlakken aan elkaar met drie staven druk bij 200 °C. Draai vervolgens de wafer-stapel om en begin met het bewerken van de achterzijde van de silicon-on-insulator-wafer. Ets de silicium-handle-wafer door middel van mechanisch polijsten met een aluminiumoxidesuspensie bestaande uit 150 ml aluminiumoxidepoeder, 30 µm diameter, en 1.500 ml water.Stel de rotatie van de polijstplaat in op 45 rpm en laat dit twee tot vier uur duren. De meest kritische stap is het dunner maken van de wafer via mechanisch polijsten. Dit komt omdat er tijdens de eerste fabricagerun 50% van de wafers brak.Het breukprobleem werd verminderd door hitte-ontlaadbare tape op de achterzijde van de wafers aan te brengen. Gebruik vervolgens het Bosh-proces om het resterende silicium-handle-wafer diep reactief ionetseren. Ets de ingebedde siliciumoxidelaag gedurende 20 minuten met waterstofluorzuur, verdund één-op-tien in water.Ga verder met het gebruik van dezelfde technieken om een molybdeennitride-laag te depositeren en te etsen, gevolgd door het toevoegen van een andere germanium-laag. Fabriceer zo de microstrip-lijnresonator. Zorg dat u voor deze procedure een goudgecoate koperen holte-testbehuizing en een microwave fan-out board met gecontroleerde impedantie heeft klaargezet om de signalen tussen de chip en sub-miniature versie A- of SMA-connectoren te routeren.De SMA-connectoren werden eerder in de ingang en uitgang van dit testpakket geplaatst, waarbij de centrale geleidexpin was uitgelijnd en vervolgens was vastgesolderd aan het overeenkomstige contactpunt van de fan-out-printplaat. De resonatorchip was eerder gemonteerd in de met goud gecoate koperen behuizing van het pakket, waarbij de on-chip voedingslijn-uitgangs- en ingangspads zich naast de overeenkomstige CPW-lijnen van de fan-out-printplaten bevonden. De chip dient te worden vastgezet met koperen clips, die contact maken aan de randen van de chip.Supergeleidende aluminium draadverbindingen werden eerder geplaatst tussen de fan-out board en de contactpads op de chip, waarbij zoveel mogelijk verbindingen werden aangebracht als nodig was voor impedantieaanpassing tussen de SMA-connectoringangen en -uitgangen en de CPW-toevoerlijn op de chip. Controleer na het draadbonden met een multimeter de DC-weerstand tussen de middenpinnen van de ingangs- en uitgangconnectoren, en tussen een middenpin en de aarde, om te bevestigen dat er een elektrische verbinding bestaat tussen de twee middenpinnen en een open verbinding tussen de middenlijn en de aarde.De testopstelling is gemonteerd met een reeks SMA-kabels die lopen van kamertemperatuur naar een koude trap van 0,3 kelvin, waar het apparaat zal worden bevestigd. Koperen en supergeleidende niobium-titaniumkabels worden gebruikt om microgolfverliezen te minimaliseren. Voor een thermische onderbreking tussen de trappen van twee kelvin en 0,3 kelvin worden niobium-titaniumkabels gebruikt.Voor ruisarme versterking in de band van het resonatorapparaat wordt een cryogene high-electron mobility transistor-versterker op de twee-kelvin-trap van de uitgangslijn gemonteerd. Let er ook op dat er op de uitgangslijn, bij de ingang van deze versterker, een cryogene circulator aanwezig is. Monteer de verpakte resonatorapparaten op de vastgeschroefde beugel bij de 0,3 kelvin koudetrap.Sluit vervolgens een microgolf-attenuator aan op de ingangszijde van de behuizing om een aangepaste afsluiting te realiseren. Sluit daarna de juiste SMA-kabels aan op deze attenuatoringang en de uitgang van de behuizing. Deze afsluitingen definiëren het kalibratievlak van het apparaat.Sluit nu de cryostaat en volg de standaardprocedure om de apparaten af te koelen tot 0,3 kelvin. Begin met het instellen van de VNA. Scan tussen 10 megahertz en 8 gigahertz of een vergelijkbaar breed bandbereik, waarbij u ervoor zorgt dat het vermogensniveau de kritische stroom van de supergeleidende microgolfresonator en de supergeleidende voedingslijn niet overschrijdt.Stel het vermogensniveau in op ongeveer min 30 decibel milliwatt, of een vergelijkbaar geschikt niveau dat een adequate signaal-ruisverhouding biedt. Kalibreer vervolgens de flexibele radiofrequentiekabels volgens de standaard short-open-load-through procedure. Gebruik hiervoor de VNA-software zoals voorgeschreven door de fabrikant.Deze kalibratie definieert het referentievlak van het instrument. Verifieer na de kalibratie de nauwkeurigheid ervan door de transmissie S21 te bevestigen met de through-lijn aangesloten. De gemeten VNA-respons moet een lage residuele fout vertonen, nabij 0 decibels, waarbij S11 en S22 beide een waarde onder minus 50 decibels moeten meten.Sluit vervolgens de flexibele kabels aan op de ingangs- en uitgangslijnen van de cryostaat. Zet daarna de cryogene microgolfversterker aan door de door de fabrikant gespecificeerde DC-biasspanning voor de microgolfversterker aan te leggen. Begin vervolgens met de metingen.Voer eerst een breedbandscan uit om de S21-basislijnstructuur waar te nemen en te zoeken naar scherpe high-Q-structuren, die wijzen op microgolfresonatoren. Versmal vervolgens het frequentiebereik. Maak dit bereik breed genoeg om een adequate basislijn te bieden voor latere fits en in-situ kalibratie.Pas vervolgens het aantal datapunten aan. In dit geval naar ongeveer 30 000. Een halfgolf molybdenumnitride-resonator werd gefabriceerd aan beide zijden van een 0,45 micron enkelkristal silicium-diëlektricum.Het diëlektricum werd gekoppeld aan een niobium coplanaire golfgeleider-toevoerlijn voor uitlezing via een capacitieve koppeling door een gesputterde siliciumoxide-diëlektricumlaag. Dit is zichtbaar als het achtvormige gebied aan een van de open uiteinden van de resonator. De grootte van de gemeten transmissiecoëfficiënt, S21 van deze toevoerlijn, werd gemeten als functie van de frequentie op het referentievlak van de VNA.Bij de resonantiefrequentie van elke resonator geeft een dip in de transmissieamplitude aan dat het microgolfvermogen is gekoppeld aan de resonatoren. Na het volgen van deze procedures kunnen de verzamelde gegevens worden geanalyseerd volgens een inseech-you kalibratiemethode om de gedetailleerde elektromagnetische parameters van de resonator te extraheren. Na de ontwikkeling heeft deze fabricagetechniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van microgolf kinetische conductiedetectoren om nieuwe detectorgereedschappen en -architecturen met ultra-laag verlies te ontwikkelen.

fabrication-and-characterization-of-superconducting-resonators

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Wij beschrijven het gebruik van een kooldioxide laser reflow techniek silica trilholten, zoals vrijstaande microsferen en on-chip microtoroids fabriceren. De reflow-methode verwijdert oneffenheden, waardoor lange levensduur foton in beide apparaten. De resulterende apparaten hebben een zeer hoge kwaliteit factoren, waardoor toepassingen, variërend van telecommunicatie tot biodetection.

Fabricage van Silica Ultra High Quality Factor microresonators

Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

De aangepaste technieken ontwikkeld in ons laboratorium om microgolf fotonica systemen te bouwen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren worden gepresenteerd. De protocollen voor deze resonatoren te verkrijgen en te karakteriseren zijn gedetailleerd, en een uitleg van een aantal van hun toepassingen in de magnetron fotonica wordt gegeven.

Magnetron Fotonica Systemen op basis van Whispering-gallery-mode resonatoren

Parametrische optomechanische excitaties zijn onlangs experimenteel aangetoond in microfluïdische optomechanische resonatoren door middel van optische stralingsdruk en gestimuleerde Brillouin-verstrooiing. Dit artikel beschrijft de fabricage van deze microfluïdische resonatoren samen met methodologieën voor het genereren en verifiëren van optomechanische oscillaties.

Fabricage en testen van Microfluidic Optomechanische oscillators

Een protocol voor het ontwerp en de fabricage van een nieuw-nanopillar gebaseerde split ring resonator (SRR) wordt gepresenteerd.

Fabricage van Nanopillar-Based Split Ring Resonators voor Displacement Current gemedieerde resonanties in Terahertz Metamaterials

Protocollen voor de synthese van microsferen uit polymeren, de manipulatie van microsferen en microfotoluminescentiemetingen worden voorgesteld.

Fabricage van Polymer Microsferen voor Optische Resonator en Laser Applicaties

Een protocol voor een vaste-fixed beam-ontwerpen met behulp van een laser Doppler vibrometer (LDV), met inbegrip van de meting van de frequentie afstemmen, wijziging van tuning mogelijkheden, en het vermijden van apparaatfout en stiction, wordt gepresenteerd. De superioriteit van de LDV-methode over de netwerkanalyse blijkt toe te schrijven aan zijn hogere modus vermogen.

Design en karakterisatie methodologie voor efficiënte Wide Range afstembare MEMS Filters

Hier presenteren we een protocol om solitonkristallen te genereren in een vlinder-verpakte micro-ring resonator met behulp van een thermisch afgestemde methode. Verder worden de herhalingssnelheidsfluctuaties van een solitonkristal met een enkele leegte gemeten met behulp van een vertraagde zelf-heterodyne methode.

Snelle herhalingssnelheid fluctuatiemeting van Solitonkristallen in een microresonator

Twee fabricagetechnieken, lift-off en natte etsen, worden beschreven in de productie van interdigitale elektrodetransducers op een piëzo-elektrisch substraat, lithium niobate, op grote schaal gebruikt om oppervlakte akoestische golven te genereren nu vinden breed nut in micro-tot nanoschaal vloeistof. De geproduceerde elektroden worden getoond om megahertz te veroorzaken om Rayleigh oppervlakte akoestische golven te bestellen.

Fabricage van Surface Acoustic Wave-apparaten op lithium niobate

Dit artikel volgt de levenscyclus van een siliciumnitridemembraanresonator, van ontwerp via fabricage tot karakterisering.

Fabricage en karakterisering van high-Q siliciumnitride-membraanresonatoren

Leer supergeleidende resonators fabriceren en hun verstrooiingsparameters karakteriseren met siliciumsubstraten. Deze methode ondersteunt toepassingen in kwantumcomputing en detectie van zwakke astrofysische signalen.

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

Meer video's verkennen