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Artigo de método

Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

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DOI:

10.3791/53868

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21 de maio de 2016

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

Neste artigo

Resumo

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para a detecção de, aplicações de computação quântica leves e caracterização de materiais. Este trabalho apresenta um procedimento detalhado para a fabricação e caracterização de parâmetros ressonador supercondutor de espalhamento de microondas.

Resumo

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para uma larga gama de aplicações, incluindo para a sua utilização como detectores de microondas cinética de indução (MKIDs) para a detecção de assinaturas astrofísicas leves, bem como para aplicações de computação quântica e caracterização de materiais. Neste trabalho, os procedimentos são apresentados para a fabricação e caracterização de thin-film ressonadores supercondutores de microondas. A metodologia de fabricação permite a realização de supercondutores ressonadores de linha de transmissão com características de ambos os lados de um dielétrico único cristal de silício atomicamente lisa. Este trabalho descreve o procedimento para a instalação de dispositivos de ressonador em um testbed microondas criogênico e de arrefecimento abaixo da temperatura de transição supercondutora. O set-up do testbed microondas criogênico permite fazer medidas cuidadosas da transmissão de microondas complexo destes dispositivos ressonador, permitindo a extração do properties das linhas supercondutoras e substrato dielétrico (por exemplo, fatores internos de qualidade, perda e frações de indutância cinética), que são importantes para o projeto de dispositivos e desempenho.

Introdução

Os avanços na instrumentação astrophysical introduziram recentemente ressonadores de microondas supercondutores para a detecção de luz infravermelha 1 -. 4 Um supercondutor ressonador irá responder à radiação infravermelha de energia E = hv> 2Δ (em que h é a constante de Planck, v é a frequência de radiação e Δ é a energia gap supercondutor). Quando o ressonador é arrefecida para uma temperatura bem abaixo da temperatura crítica supercondutor, esta radiação incidente quebra pares de Cooper no volume ressonador e gera excitações quasiparticle. O aumento na densidade das excitações quasiparticle muda a indutância cinética e, portanto, a impedância complexa superfície do supercondutor. Esta resposta óptica é observada como uma mudança na frequência de ressonância para frequência mais baixa e uma redução no factor de qualidade do ressonador. No canônica esquema de leitura para um vacas microondasdetector de indutância tic (MKID), o ressonador é acoplado a uma linha de alimentação de microondas e um monitoriza a transmissão complexo através desta linha de alimentação de um único tom de frequência de microondas em ressonância. Aqui, a resposta óptica é observada como uma mudança, tanto na amplitude e fase de transmissão de velocidades 5 (Figura 1). Esquemas de multiplexação no domínio da frequência são capazes de ler as matrizes de milhares de ressonadores 6-7.

Para conceber e implementar a instrumentação baseada em supercondutor-ressonador com sucesso, as propriedades destas estruturas ressonantes precisam ser caracterizados com precisão e eficiência. Por exemplo, medições de precisão das propriedades de ruído, factores de qualidade Q, as frequências de ressonância (incluindo a sua dependência da temperatura) e propriedades de resposta ópticos ressonadores de supercondutores são desejados no contexto da MKID física do dispositivo, 8 computação de quantum, 9 e a determinação de baixa temateriais mperatura propriedades. 10

Em todos estes casos, é desejável a medição de parâmetros de difusão complexos de transmissão do circuito. Este trabalho concentra-se na determinação do coeficiente de transmissão do complexo do ressonador, S 21, cuja amplitude e de fase pode ser medido com um analisador de rede vector (VNA). Idealmente, o plano de referência VNA (ou porta de teste) seria ligado directamente ao dispositivo sob teste (DUT), mas uma configuração criogénico requer normalmente a utilização de estruturas de linha de transmissão adicional para realizar um corte térmico entre RT (~ 300 K) e a fase fria (~ 0,3 K neste trabalho, ver Fig ure 2). microondas componentes adicionais, tais como acopladores direcionais, circuladores, isoladores, amplificadores, atenuadores, e cabos de interconexão associados podem ser necessários para preparar adequadamente, excite, lidos e bias o dispositivo de interesse. oAs velocidades de fase e as dimensões destes componentes variam quando o arrefecimento da sala a temperaturas criogénicas, e, portanto, afectar a resposta observada no plano de calibração do dispositivo. Estes componentes intermediários entre o instrumento ea influência dispositivo plano de calibração do ganho complexo e precisa ser devidamente contabilizados na interpretação da resposta medida 11.

Em teoria, um esquema é necessário que define o plano de referência de medição, idêntico ao utilizado durante a calibração, no DUT. Para alcançar este objectivo, pode-se medir os padrões de calibração ao longo de vários cool-baixos; No entanto, isto coloca restrições sobre a estabilidade do VNA e a repetibilidade do instrumento criogénico, que são difíceis de atingir. Para atenuar estas preocupações, pode-se colocar os padrões necessários no ambiente de teste arrefecidos e alternar entre elas. Este é, por exemplo, similar ao que é encontrado nas estações de sonda de microondas, Onde os padrões de amostra e de calibragem são arrefecidos a 4 K por um fluxo de hélio líquido contínua ou um sistema de ciclo fechado de refrigeração. 12 Este método foi demonstrada em temperaturas sub-kelvin, mas requer um baixo consumo de energia, interruptor de microondas de alta performance na teste de banda de interesse. 13

Um procedimento de calibração in situ, por conseguinte, é desejado que responde pela transmissão de resposta instrumental entre o plano de referência VNA e o plano de calibração do dispositivo (Fig ure 2) e que ultrapasse as limitações dos métodos acima descritos. Este método de calibração criogénico, apresentados e discutidos em detalhe em Cataldo et al. 11, permite que um para caracterizar vários ressoadores sobre uma vasta gama de frequências em comparação com a largura da linha do ressonador e o espaçamento inter-ressonador com uma precisão de aproximadamente 1%. Este artigo incidirá sobre os detalhes da fabricação de amostra e prepprocessos prepara-, teste de set-up e medição procedimentos experimentais utilizados para caracterizar ressonadores supercondutores de microondas com geometrias linha planar. 11

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Protocolo

1. Microstrip Linha ressonador Fabrication 14 (Figura 3)

  1. Limpar uma bolacha de silício sobre isolante (SOI), que tem uma camada do dispositivo de silício de 0,45 um de espessura, com H acabado de misturar 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) durante 10 min. Em seguida, lavar o wafer em água deionizada por 10 minutos e seque com uma arma de azoto. Imediatamente antes do processamento, posteriormente, mergulhar a bolacha em H 2 O: HF (10: 1) durante 10 seg e de enxaguar em água desionizada, durante 5 min.
  2. Fabricar uma máscara de lift-off, que consiste de um germânio (Ge) / fotorresistente positivo tal como S-1811. 15
    1. Spin-coat o wafer com diluído bicamada fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 4.000 rpm por 30 segundos e, em seguida, depósito por feixe de elétrons Ge.
    2. Padrão Ge usando a foto-litografia aplicando primeiro hexametildissilazano (HMDS) na bolacha durante 1 min e, em seguida, fiar o excesso a 3000 rpm durante 30 segundos.
    3. Spin on diluído fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 2.000 rpm durante 30 segundos e cozê-lo em uma placa quente para 1 min a 110 ° C. Use um alinhador de máscara para expor fotorresiste e spray desenvolvem resistir com uma solução à base de hidróxido de tetrametilamónio.
    4. Reativa-ion gravar o Ge com um SF 6 / O 2 plasma a 70 W. Ash subjacente fotorresiste com O2 plasma para alcançar rebaixo de fotorresiste.
    5. DC-magnetron plano borrifamento de depósito de nióbio (Nb) térreo, com 3,7 milhões de toneladas de argônio (Ar) em 500 W e retire-a, colocando a bolacha dentro de um copo cheio de acetona, durante 4 h.
  3. bisbenzocyclobutene spin-revestimento (BCB) a 4000 rpm durante 30 seg sobre a superfície de Nb-revestido da bolacha SOI e a uma superfície de outra pastilha de silício. Ligar as duas superfícies revestidas com BCB juntamente com 3 bar de pressão a 200 ° C.
  4. Manualmente aleta pilha wafer de cabeça para baixo para começar a processar parte de trás do wafer SOI.
  5. Etch a bolacha de silício por punho de polimento mecânico usando o Al 2 O 3 de pasta, seguido por gravação iónica reactiva profunda usando o processo Bosch 16 Etch do enterrado camada SiO 2 com H 2 O:. HF (10: 1) durante 20 min.
  6. Depósito de molibdénio nitreto (Mo 2 N), utilizando DC pulverização catódica reactiva em 700 W e 3,3 mT (Ar: N2 pressão parcial = 7: 1). ressonadores teste padrão por centrifugação a 2000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por fiação diluído fotorresistente positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresistente positiva) a 2.000 rpm durante 30 segundos. Desenvolver fotorresistente em uma solução à base de hidróxido de tetrametil amónio e de cinzas num etcher iões reactivos. Etch Mo 2 N, com uma solução à base de ácido fosfórico.
  7. Fabricar uma máscara de lift-off consistindo de uma bicamada de Ge / PMMA, girando sobre o polimetilmetacrilato (PMMA) a 5000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por dep por feixe de elétronsOSIÇÃO de Ge. Por borrifamento de depósito N ° de linhas de transmissão e levante em acetona (consulte a etapa 1.2, com a excepção de que o fotorresistente positivo é substituído com PMMA).
  8. Em algumas formas de realização, de rádio-frequência (RF) por pulverização catódica-depósito de SiO2, padrão que por fiação com fotorresiste positivo e gravar em uma solução baseada fluorídrico-ácido. Em seguida, tire uma fina película Nb depositados por borrifamento usando a / máscara fotorresistivo decolagem germânio positiva conforme detalhado na etapa 1.2.

2. Procedimento para Instalação de Microondas ressonador Chip no pacote de teste

  1. Concepção e máquina de um conjunto de ensaios que consiste em ouro (Au) cavidade cobre -Revestido (com uma base e tampa) que coincide com dimensões de chips ressonador, entrada de linha de alimentação e locais de saída. NOTA: O tamanho da cavidade da carcaça deve ser especificado para apoiar uma operação de modo único com acoplamento parasita mínima sobre a banda de interesse.
  2. Projetar e fabricar uma impedância de microondas fã-ou controladat bordo 17 para encaminhar os sinais entre o chip e conectores versão Sub-Miniature A (SMA).
  3. Inserir os conectores SMA para a entrada e saída do pacote de teste para que o pino condutor central está alinhada sobre a almofada de contacto bordo fan-out correspondente. Aplicar uma máscara para soldar para proteger contra o curto-circuito, e aplicar a solda na região do pino condutor central. Colocar o pacote numa placa de aquecimento e aquecer a 200 ° C durante ~ 5 min para derreter a solda. Deixe esfriar e, em seguida, remover a máscara de solda.
  4. Montar o chip ressonador na cavidade pacote cobre Au revestido de tal forma que as pastilhas de saída e entrada feedline on-chip estão próximos e alinhado com o correspondente guia de onda coplanar bordo fan-out linhas (CPW). Fixar o chip com os grampos de cobre que fazem contacto com os bordos dos cantos do chip.
  5. Coloque supercondutores laços de fio de Al entre a placa de fan-out e on-chip de contato. Coloque um número máximo (~ 4 no caso aqui apresentado - veja Figura 4) de ~ 500-600 mícrons de comprimento, ~ laços de arame 250 mícrons-em-altura, para fornecer jogo de impedância entre a entrada do conector SMA e saídas eo feedline CPW on-chip.
  6. Depois de fio-ligação, com um multímetro verificar a resistência DC entre os pinos centrais dos conectores de entrada e saída, e entre um pino central e do solo, para confirmar que há uma conexão elétrica entre os dois pinos centrais e de uma conexão aberta entre o centro line e solo.

3. Procedimento para a instalação de micro-ondas ressonador em um criogênico Hélio-3 Testbed Microondas

  1. Montar o banco de ensaio, como na configuração mostrada na Figura 2, em que uma série de cabos de SMA são encaminhadas de RT para a fase fria 0,3-K em que o dispositivo vai ser montado.
  2. Instalação de cobre (Cu) e cabos de supercondutores de nióbio e titânio (NbTi) como mostrado na Figura 2 para proporcionar baixa perda de microondas e, nocaso dos cabos NBTI, uma condutividade térmica baixa. Use os cabos NBTI como uma ruptura térmica entre o 0,3-K fases 2-K e.
  3. Montar um amplificador criogênico de elétrons de alta mobilidade transistor (HEMT) na fase 2-K na linha de saída para a amplificação de baixo ruído na banda do dispositivo ressonador e instalar um circulador.
  4. Insira um circulador criogénico na linha de saída na entrada para este amplificador.
  5. Montar os dispositivos ressonador embalados em um suporte aparafusado à fase fria 0,3-K.
  6. Conectar um atenuador de microondas no lado de entrada do pacote de prever o termo combinados e ligar os cabos SMA adequadas para esta entrada e de saída do atenuador pacote. Garantir que essas terminações de impedância controlados são bem entrosados ​​e são o mais próximo do dispositivo em teste quanto possível - eles definem o "plano de calibração do dispositivo" (ver Figura 2).
  7. Feche o criostato. Siga o procedimento padrão para resfriar o dispositivos a 0,3 K.

4. Procedimento para Medidas Microondas ressonador

  1. Defina o VNA para digitalizar em uma banda de frequências de largura (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo aqui considerados) às frequências de design do dispositivo em teste. Ajustar os níveis de energia no VNA em níveis adequados para o dispositivo em teste (~ -30 dBm, para o dispositivo considerado aqui).
    NOTA: Certifique-se de que o nível de potência de RF de entrada é suficientemente baixo de modo a não exceder a corrente crítica do ressonador supercondutor microondas e feedline supercondutor. Certifique-se de que o nível de potência é alta o suficiente para fornecer uma relação adequada entre o sinal e o ruído.
  2. Calibrar os cabos de RF flexíveis seguindo procedimento padrão Short-Open-Load-Thru (SOLT), seguindo as instruções de software VNA encontrados no manual VNA. Inserção em curto-circuito, aberta, e terminada através de padrões na saída de cada um dos cabos flexíveis, que rota a partir do analisador de rede vector e que mais tarde irá ser ligada à entrada dedo criostato para as medições. Esta calibração define o "plano de referência instrumento" (por exemplo, ver Figura 2).
  3. Seguindo essa calibração SOLT, verificar a fidelidade da calibração, confirmando que a transmissão, S 21, com o através da linha conectada medido com o VNA, tem erros residuais baixos (ou seja, a resposta é no ~ nível 0 dB e S 11 e S 22 são baixos, por exemplo, ≤ -50 dB).
  4. Conecte os cabos flexíveis para as linhas de entrada e saída do criostato.
  5. Ligue o amplificador de microondas criogênico, aplicando a tensão de polarização DC exigido como especificado na documentação fornecida pela empresa para o amplificador de microondas.
  6. Em primeiro lugar, completar uma varredura de banda larga de VNA (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo considerado aqui) para observar a estrutura de base S 21 e olhar para qualquer Q alta acentuada </ Em> estruturas indicativas de ressonadores de microondas.
  7. Em seguida, limitar a gama de frequências (de ~ 2-4 GHz, para o dispositivo considerado aqui) e ajustar o número de pontos de dados (~ 30.000 para o dispositivo considerado aqui) do VNA para fazer a varredura através da banda ressoador. Use uma faixa de frequência ampla o suficiente para fornecer uma extensão de linha de base adequada para ajustes posteriores a esta linha de base para realizar uma calibração in-situ (ver discussão na Introdução).
    NOTA: Dependendo do nível de ruído, aumentar o número de médias, ou reduzir a largura de banda IF para melhorar a relação sinal-ruído.
  8. Guarde estas verificações de dados VNA dos dados complexos de transmissão de arquivo para a pós-medição de calibragem in-situ, e análise e extracção de factores de qualidade e frequências de ressonância. 11

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Resultados

A resposta de uma meia-onda Mo ressonador N 2 (Figura 5) fabricado em um dielétrico de silício de cristal único de 0,45 uM foi validado com esta metodologia. Neste exemplo, o acoplamento a uma guia de onda Nb complanar (CPW) linha de alimentação para leitura para fora é conseguido através de acoplamento capacitivo através de uma SiO2 dieléctrico depositado por borrifamento, no "H" região em forma de uma das extremidades abertas do ressonad...

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Discussão

O processo de fabricação-flip única fornece um meio para a realização de ressonadores supercondutores em ambos os lados de uma 0,45 mm substrato fina Si monocristalino. Uma pode ser motivado a usar um único cristal de Si dieléctrico porque tem mais do que uma ordem de grandeza menor do que a perda de dieléctricos depositados (tais como Si 3 N 4) com tangentes perda na gama de 4,0-6,5 GHz <1 x 10 - 5. 23-24 a capacidade de padrão apresenta em ambos os lados deste substrato p...

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Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Os autores reconhecem apoio financeiro das rosas e dos programas APRA Aeronautics and Space Administration (NASA) 's. GC também reconhece a Universidades Espaço Research Association para administrar sua nomeação na NASA.

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Materiais

Protocolo Seção 2< / strong >
Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Protocolo Seção 1
Microposit S-1811 FotorresistenteShipley
BCBDow3022-35
SOI wafersSOITecFabricados com processo SmartCutTM
MoKamis99,99%
NbKamis99,95% ( exclui Ta)
E-6 gravura em pó metálico com AESFujifilmCPG Grau
AcetonaJT Baker9005-05CMOS Grau
HF dip (1:10)JT Baker5397-03
PMMAMicrochem950 PMMA A2
GE 7031General ElectricAdesivo de baixa temperatura
Protocolo Seções 3-4Amplificador de Microondas Criogênico MITEQ AF S3-02000400-08-CR-4 2-4 GHz, ganho ~30 
dB
NbTi Cabos SMA semi-rígidosCoax. Co.SC-086/50-NbTi-NbTi
CirculadorPamTechCTD1229Kperda de retorno > -20 dB de 2-4 GHz
atenuador de RFWeinschelModel-4M7 dB atenuação
Cabos SMA flexíveisTeledyne-StormR94-240ACCU-TEST
Analisador de rede vetorialAgilentN5242A PNA-X
Líquido He-4 criogênioPraxair
Líquido N2 criogénioPraxair
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Referências

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