Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ייצור ואפיון של מהודי מוליכים

Published: May 21, 2016 doi: 10.3791/53868
Automatic Translation
1, 2, 2, 1, 2, 1
1Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, 2Instrument Systems and Technology Division, NASA Goddard Space Flight Center

Summary

תהודת מיקרוגל מוליכים הם עניין לגילוי ואפיון חומרי יישומי מחשוב אור, קוונטים. עבודה זו מציגה נוהל מפורט ייצור ואפיון פרמטרי פיזור מהוד מיקרוגל מוליכים.

Abstract

תהודת מיקרוגל מוליכים הן בעלי העניין עבור מגוון רחב של יישומים, כולל לשימושם גלאי השראות הקינטית מיקרוגל (MKIDs) לצורך זיהוי של חתימות אסטרופיסיקאליות קלושות, כמו גם עבור יישומי מחשוב קוונטים ואפיון חומרים. במאמר זה, נהלים מוצגים עבור הייצור והאפיון של תהודת מיקרוגל מוליך סרט דק. המתודולוגיה הייצור מאפשרת למימוש מוליכי תהודה-קו תמסורת עם תכונות משני הצדדים של דיאלקטרי סיליקון יחיד גביש חלקה אטומית. עבודה זו מתארת ​​את הליך ההתקנה של התקני מהוד לתוך testbed מיקרוגל קריוגני ועבור מגניבים למטה מתחת לטמפרטורת מעבר מוליך. הסט-אפ של testbed מיקרוגל קריוגני מאפשר לאדם לעשות מדידות זהירות של שידור המיקרוגל המורכב של מכשירי מהוד אלה, מה שמאפשר את המיצוי של properties של קווים מוליכי ואת מצע דיאלקטרי (למשל, גורמי איכות פנימיות, אובדן ושברי השראות קינטית), אשר חשובים בעיצוב ביצועי מכשיר.

Introduction

התקדמות מכשור אסטרופיסיקאליות לאחרונה הציגה תהודת מיקרוגל מוליכים לצורך זיהוי של אור אינפרא אדום 1 -. 4 מהוד מוליך יגיב לקרינה אינפרא אדום אנרגית E = HV> 2Δ (כאשר h הוא, v הקבוע פלאנק הוא תדר קרינת Δ הוא אנרגית הפער המוליכה). כאשר המהוד הוא מקורר לטמפרטורה היטב מתחת לטמפרטורת המוליך הקריטית, קרינת האירוע הזה שובר זוגות קופר בהיקף המהוד ומייצרת את ריגושים קוואזי-חלקיק. הגידול בצפיפות של ריגושים קוואזי-חלקיק משנה את ההשראות הקינטית, וכך עכבת המשטח המורכבת של המוליך. בתגובה אופטית זה הוא ציין גם שינוי תדר התהודה לתדר נמוך וירידת גורם האיכות של המהוד. בתכנית לקריאה החוצה הקנונית עבור ומקןה מיקרוגלהשראות גלאי טיק (MKID), המהוד הוא מצמיד את feedline מיקרוגל אחד מפקח על השידור המורכב באמצעות feedline הזה צליל בתדר מיקרוגל יחיד על תהודה. כאן, התגובה האופטית הוא ציין כשינוי הוא האמפליטודה והפאזה של שידור 5 (איור 1). תוכניות ריבוב תדרים-תחום מסוגלים לקרוא את מערך של אלפי תהודה. 6-7

כדי לעצב בהצלחה וליישם-מהוד מוליך מבוססי מכשור, את המאפיינים של מבני התהודה האלה צריכים להיות מאופיינים בדייקנות וביעילות. לדוגמא, מדידות המדויקות של מאפייני הרעש, איכות גורמי Q, תדרי תהודה (כולל התלות בטמפרטורה שלהם) ואפיין תגובה אופטיים של תהודת מוליך הם רצויות בהקשר של פיזיקת תקן MKID, מחשוב קוונטים 8, 9 והקביעה נמוכה teחומרי mperature נכסים. 10

בכל המקרים הללו, מדידת פרמטרי פיזור שידור המורכב של המעגל היא רצויה. עבודה זו מתרכזת קביעת מקדם העברת הקומפלקס של המהוד, S 21, המשרעת והפאזה אשר ניתן למדוד עם מנתח רשת וקטור (VNA). באופן אידיאלי, מטוס התייחסות VNA (או יציאת בדיקה) יהיה מחובר ישירות למכשיר נבדק (DUT), אבל הגדרה קריוגני בדרך כלל מחייבת שימוש של מבני קו תמסורת נוספים לממש הפסקה תרמית בין RT (~ 300 K) ו בשלב קר (~ 0.3 K בעבודה זו, ראה איור יור 2). רכיבי מיקרוגל נוספים כגון מצמדים כיווניים, circulators, מבודד, מגברים, מנחתים, וכבלים מקשרים הקשורים עשויים להיות נחוצים כדי להכין כראוי, לרגש, הקריא והטיית המכשיר של עניין. המהירות הפאזה ומהירת ממדי רכיבים אלה משתנים כאשר קירור מחדר בקירור, ולכן הם משפיעים על התגובה שנצפתה מטוס כיול מכשיר. רכיבים להתערב אלה בין המכשיר לבין שפעת מטוס כיול מכשיר הרווח המורכב צריכים להיות היוו כראוי עבור בפרשנות של התגובה המדודה. 11

בתיאוריה, תוכנית נדרשת אשר מפרטת את המטוס התייחסות מדידה, זהה לזו המועסקים במהלך הכיול, על הנבדק. כדי להשיג יעד זה, אפשר למדוד את סטנדרטי הכיול מעל מגניבות ומורדות מרובות; עם זאת, זה מציב מגבלות על יציבות VNA ואת הדירות של המכשיר קריוגני, אשר קשה להשיג. כדי למתן את החששות האלה, אפשר למקם את הסטנדרטים הנדרשים בסביבת הבדיקה המקוררת ולעבור ביניהם. זהו, למשל, בדומה למה שנמצא בתחנות בדיקת מיקרוגל, שבו הסטנדרטים המדגמים וכיול הם מקוררים 4 K ידי זרימת הליום נוזלית רציפה או מערכת קירור סגור מחזור. 12 שיטה זו הודגמה בטמפרטורות תת-קלווין אבל דורשים מתג מיקרוגל צריכת חשמל נמוך, בעל ביצועים גבוהים ב מבחן להקה של עניין. 13

הליך כיול in-situ ולכן הוא רצוי המהווה את תגובת השידור אינסטרומנטלי בין מטוס התייחסות VNA ומטוס כיול מכשיר (איור יור 2) ו המתגבר על המגבלות של השיטות שתוארו לעיל. שיטת כיול קריוגני זה, הוצג ונדון בהרחבת Cataldo et al. 11, מאפשרת לאפיין תהודה מרובה על פני טווח תדרים רחב לעומת רוחב קו המהוד וריווח-מהוד היתר עם ​​דיוק של ~ 1%. מאמר זה יתמקד הפרטים של ייצור המדגם הכנהתהליכי aration, נהלי הגדרה ומדידת בדיקה ניסיוניים להשתמש בם כדי לאפיין תהודת מיקרוגל מוליכים בגיאומטריות קו מישוריים. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Microstrip קו מהוד ייצור 14 (איור 3)

  1. נקה פרוסות סיליקון על מבודד (SOI), אשר יש שכבת מכשיר סיליקון 0.45 מיקרומטר עבה, עם H המעורב טרי 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) במשך 10 דקות. לאחר מכן לשטוף את הפרוסות במי deionized במשך 10 דקות ויבשות עם אקדח חנקן. בסמוך למועד מאוחר יותר כדי עיבוד, טובלים את פרוסות ב H 2 O: HF (10: 1) במשך 10 שניות ולשטוף במים deionized במשך 5 דקות.
  2. לפברק מסכת המראה, אשר מורכבת של גרמניום (Ge) / photoresist החיובי כגון S-1811. 15
    1. ספין-המעיל הרקיק עם bilayer photoresist החיובי הדליל (2 חלקים דקים-P: חלק 1 photoresist החיובי) ב 4000 סל"ד למשך 30 שניות ולאחר מכן הפקדת אלומת אלקטרונים גה.
    2. תבנית גה באמצעות-פוטוליתוגרפיה ידי החלת הראשון hexamethyldisilazane (HMDS) על פרוסות דקות 1 ולאחר מכן לסובב את העודף בסל"ד 3000 למשך 30 שניות.
    3. SPIn על דליל photoresist החיובי (2 חלקים דקים-P: חלק 1 photoresist החיובי) ב 2000 סל"ד במשך 30 שניות ואופים אותו על פלטה חשמלית 1 דקות ב 110 מעלות צלזיוס. השתמש aligner מסכה לחשוף photoresist ולרסס לפתח להתנגד עם פתרון המבוסס אמוניום הידרוקסיד tetramethyl.
    4. יון-reactive לחרוט את גה עם פלזמה SF 6 / O 2 ב 70 W. אש שבבסיס photoresist עם פלזמה O 2 כדי להשיג שיפול של photoresist.
    5. DC-magnetron גמגום-הפקדת ניוביום (NB) מטוס לקרקע עם 3.7 MT של ארגון (Ar) ב 500 W ולהרים אותו על ידי נחת הפרוסה בתוך כוס מלאה-אצטון עבור 4 שעות.
  3. ספין-מעיל bisbenzocyclobutene (BCB) ב 4000 סל"ד למשך 30 שניות על פני השטח NB-מצופה של רקיק SOI וכדי משטח אחד אחר פרוסות סיליקון. איגרות חוב שני משטחי BCB מצופה יחד עם 3 בר של לחץ ב 200 מעלות צלזיוס.
  4. ידני מחסנית רקיק להעיף במהופך כדי מתחילה לעבד את הישבן של רקיק SOI.
  5. Etch רקיק ידית סיליקון ידי לחיכה מכאנית באמצעות אל 2 O 3 סלארי, ואחריו תחריט עמוק תגובתי יון באמצעות תהליך Bosch 16 Etch שכבת SiO 2 הקבורה עם H 2 O:. HF (10: 1) במשך 20 דקות.
  6. ניטריד מוליבדן פיקדון (מו 2 N) באמצעות DC magnetron המקרטעת תגובתי ב 700 ו W 3.3 MT (Ar: N 2 הלחץ החלקי = 7: 1). תהודת תבנית על ידי ספינינג ב 2000 סל"ד למשך 30 שניות אפייה זה ב C 180 מעלות במשך 2 דקות ואחריו ספינינג דליל photoresist החיובי (2 חלקים דקים-P: חלק 1 photoresist החיובי) ב -2,000 סל"ד למשך 30 שניות. פיתוח photoresist בתמיסת אמוניום tetramethyl מבוסס הידרוקסיד ואפר בתוך חרט יון תגובתי. Etch מו 2 N עם פתרון מבוסס חומצה זרחתית.
  7. לפברק מסכת המראה המורכבת bilayer Ge / PMMA ידי ספינינג על polymethylmethacrylate (PMMA) ב 5000 סל"ד למשך 30 שניות אפייה זה ב 180 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות ואחריו dep אלומת אלקטרוניםosition של גה. גמגום-הפקדת Nb קווי תמסורת ולהרים אצטון (עיין בשלב 1.2 למעט כי photoresist החיובי מוחלף עם PMMA).
  8. ב התגלמות כמה רדיו תדר (RF) גמגום-הפקדה SiO 2, דפוס זה על ידי ספינינג עם photoresist חיובי לחרוט בתמיסה המבוססת הידרופלואורית-חומצה. לאחר מכן, להרים את סרט Nb דק שהופקד גמגום באמצעות מסיכת שיגור photoresist גרמניום / חיובית כמפורט בשלב 1.2.

נוהל 2. עבור התקנת צ'יפ מהוד המיקרוגל בחבילת מבחן

  1. עיצוב ומכונת חבילת מבחן מורכב הזהב (Au) חלל נחושת מצופה (עם בסיס ומכסה) אשר תואם ממדי שבב מהוד, קלט feedline ואת מיקומי פלט. הערה: גודל החלל של הדיור צריכה להיות מוגדר כדי לתמוך בפעולה במצב יחיד עם צימוד טפיל מינימאלי על הלהקה של עניין.
  2. עיצוב לפברק-ou אוהד מיקרוגל עכבה מבוקרt לוח 17 לניתוב אותות בין שבב וגרסה תת-מיניאטורות ומחברים (SMA).
  3. הכנס את מחברי SMA לתוך הקלט והפלט של חבילת הבדיקה כדי סיכת המוליך המרכזי מיושרת על משטח מגע לוח אוהד-אאוט המקביל. החל מסכת הלחמה כדי להגן מפני shorting, ולהחיל הלחמה באזור של סיכת המוליך המרכזי. מניחים את החבילה על צלחת חום חם 200 מעלות צלזיוס במשך ~ 5 דקות כדי להמיס את הלחמה. בוא מגניב ולאחר מכן להסיר את מסכת ההלחמה.
  4. הר שבב המהוד לתוך חלל Au מצופה חבילת נחושת כך רפידות התפוקה לתשומה על שבב feedline קרובות ו מיושר מוליך גל coplanar לוח אוהד-אאוט המקביל קווים (CPW). אבטח את השבב עם קליפים נחושת אשר ליצור קשר בקצות הפינות של השבב.
  5. מניח מוליכי אג"ח תיל אל בין לוח אוהד החוצה על-שבב רפידות קשר. מניח מספר מרבי (~ 4 במקרה המוצג כאן - ראה 4) של ~ 500-600 מיקרומטר ארוך, ~ 250 מיקרומטר-in-גובה אג"ח תיל, כדי לספק התאמה עכבה בין קלט מחבר SMA ו התפוקות ואת feedline על שבב CPW.
  6. לאחר-מליט תיל, עם מודד לבדוק את התנגדות DC בין הפינים במרכז מחברי הקלט ופלט, ובין פין מרכז הקרקע, כדי לאשר יש חיבור חשמל ברחבי שתי סיכות המרכז וחיבור פתוח בין המרכז קו קרקע.

נוהל 3. התקנת מהוד מיקרוגל בתוך testbed מיקרוגל קריוגני הליום -3

  1. הרכב את testbed כפי בתצורה שמוצגת באיור 2, שבו שורה של כבלי SMA מנותבות מ RT לשלב הקר 0.3-K שבו המכשיר יהיה רכוב.
  2. התקן נחושת (Cu) ו מוליכי ניוביום-טיטניום (NbTi) כבלים כפי שמוצג באיור 2 לספק אובדן מיקרוגל נמוך, בבמקרה של כבלי NbTi, מוליכות תרמית נמוכה. השתמשו בכבלי NbTi כשבר תרמית בין 2-K ושלבי 0.3-K.
  3. הר טרנזיסטור ניידות קריוגני גבוהים אלקטרוני מגבר (HEMT) בשלב 2-K על שורת הפלט עבור הגברת רעש נמוך בלהקה של מכשיר המהוד ולהתקין סירקולטור.
  4. הכנס circulator קריוגני על שורת הפלט בכניסה אל המגבר הזה.
  5. הר המכשירים מהוד ארוז על סוגר ובריח לשלב קר 0.3-K.
  6. חבר מחליש מיקרוגל בצד הקלט של החבילה לספק להפסקה מתאימה וחברו את כבלי SMA המתאימים לקלט מחליש זה ופלט חבילה. ודא כי הפסקות עכבה המבוקרות אלה הם מתאימים היטב והם קרוב ההתקן נבדק ככל האפשר - הם מגדירים את "מטוס כיול מכשיר" (ראה איור 2).
  7. סגור את cryostat. בצע הליך רגיל כדי לקרר את המכשירs ל 0.3 ק

נוהל 4. מדידות מהוד מיקרוגל

  1. הגדר את VNA לסריקה רצועת תדרים רחב (10 מגה-הרץ - 8 גיגה-הרץ, עבור המכשיר נחשב כאן) בתדרים עיצוב המכשיר-תחת-מבחן. כוון את עוצמת הכח על VNA לרמות מתאימות המכשיר נבדק (~ -30 dBm, עבור המכשיר נחשב כאן).
    הערה: ודא שמפלס כוח קלט RF הוא נמוך מספיק כדי לא לחרוג נוכחי הקריטית של מהוד מיקרוגל מוליך feedline מוליכים. ודא שמפלס כוח הוא גבוה מספיק כדי לספק יחס אות לרעש מספיק.
  2. כייל את כבלי RF גמישה בהתאם לנוהל השגרתי קצר פתוח טען-Thru (Solt), אם עוקבים אחרי ההוראות תוכנה VNA למצוא במדריך VNA. הכנס ב לקצר, פתוח, הסתיים thru סטנדרטים במוצא של כל אחת כבלי בעלי הגמישות, באיזו דרך מן מנתח רשת וקטור ואשר מאוחר יותר יחובר לכניסהשל cryostat למדידות. כיול זה מגדיר את "מטוס מכשיר התייחסות" (למשל, ראה איור 2).
  3. בעקבות זאת כיול Solt, לאמת את הנאמנות של הכיול על ידי המאשר כי השידור, 21 S, עם הקו דרך אתר הקשור נמדד עם VNA, יש שגיאות שיורית נמוכות (כלומר, התגובה היא ב ~ 0 dB רמה ו- S 11 ו- S 22 הם נמוכים, למשל, ≤ -50 dB).
  4. חבר את כבלי בעלי גמישות לקווי קלט ופלט של cryostat.
  5. הפעל למגבר המיקרוגל קריוגני על ידי יישום מתח הטיה DC נדרש כמפורט בתיעוד שסופק על-ידי החברה במשך למגבר המיקרוגל.
  6. ראשית, להשלים סריקה wideband של VNA (10 מגה-הרץ - 8 גיגה-הרץ, עבור המכשיר נחשב כאן) כדי לבחון את מבנה הבסיס S 21 ו לחפש כל Q גבוהה חדה </ Em> מבנים המעידים על תהודת מיקרוגל.
  7. לאחר מכן, לצמצם את טווח התדרים (כדי ~ 2 - 4 ג'יגה-רץ, עבור המכשיר נחשב כאן) ולהתאים את מספר נקודות נתונים (~ 30,000 עבור המכשיר נחשב כאן) של VNA לסריקת להקת המהוד. השתמש תדרים רחבים מספיק כדי לספק אורך בסיס נאות בהתקף מאוחר יותר הבסיס הזה לבצע כיול in-situ (ראה דיון במבוא).
    הערה: בהתאם לרמת הרעש, להגדיל את מספר ממוצע, או לצמצם את רוחב הפס IF לשפר אות לרעש.
  8. שמור סריקות נתוני VNA אלה של העברת נתונים המורכבים להגיש תביעה-מדידה פוסט כיול in-situ, וניתוח וסחיט גורמי איכות ותדרי תהודה. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התגובה של מהוד N חצי גל מו 2 (איור 5) מפוברק על דיאלקטרי סיליקון 0.45 מיקרומטר יחיד גביש היה תוקף עם מתודולוגיה זו. במקרה זה, צימוד מוליך גל coplanar Nb (CPW) feedline עבור לקריאה החוצה מושג באמצעות צימוד קיבולים באמצעות דיאלקטרי SiO 2 גמגום-שהופקד, ב "H" בצורה באזור באחד הקצוות הפתוחים של המהוד (ראה באזור פרוטוקול 1.6). במקרים אחרים, צימוד קיבולי אל feedlines הושג על ידי הסרת אזורים במישור קרקע Nb. המהוד שמוצג באיור 5 מראה כי טכניקת הייצור הציגה מאפשרת מעגלי מוליכים מיקרוסקופים משני צידי שכבת סיליקון יחיד גביש ultrathin להתממש בלי חספוס פני המצע. תהודה אלה מייצגות את המרכיב הקריטי ביותר של MKID טכניקה זו מאפשרת שליטה טובה עלשלמותם.

גישת מדידת קריוגני תיאר הייתה מוחלת על מכשיר עם שבע מו 2 N תהודה מצמידה את feedline מיקרוגל יחיד. באיור 6, בסדר גודל של מקדם העברה נמדד, S 21, של המכשיר הזה על המטוס התייחסות VNA כפונקציה של תדר מוצג. הנה, הצימוד של כוח המיקרוגל אל התהודה בכל תדרי התהודה שלהם, ובכך לטבול את גודל השידור, ניתן לראות. האינטראקציה ההדדית של התהודה, כמו גם האינטראקציה שלהם עם הרצף, יכולה לגרום לתגובת ספקטרלי Fano 18 -. 22 אפקט זה גם יכול להיות נצפה בניסוי כאינטראקציה בין התהודה עם פברי פרו- הרחבה יחסית רזוננסים הנובע גלים עומדים במערכת. השתקפויות כאלה מייצרות הווריאציה ספקטרלי הדומיננטית obserבסיס מכשיר ved עבור תצורת הבדיקה המתוארת כאן. הנתונים נאספו באמצעות מתודולוגיה זו ניתן לנתח לאחר שיטת כיול in-situ להסיר את ההשפעות של אינטראקציות אלה ולחלץ מהוד מפורט ופרמטרים אלקטרומגנטית של עניין.

איור 1
איור 1. ספקטרלית התגובה של מהוד. הקו השחור מראה את משרעת העברת מהוד בחושך עם תהודה בתדר f 0. הגידול בצפיפות קוואזי-חלקיק גורם תהודה ב f 0 לעבור בתדירות נמוכה יותר, ו 0 -δ f, ובמקביל לשנות את המשרעת של האות (קו מקווקו). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2
איור 2. סכמטי של ניסוי ההגדרה. המכשיר נבדק מורכב המרובה מו 2 N תהודה מצמידה את feedline מיקרוגל Nb דרך קבלי צימוד, ג ג. תהודת העכבה פסעה תמומש מקווי הולכת microstrip נמוכים וגבוהה-עכבה. 11 זה נועד כדי למזער המהוד ולהגדיל תדרי התהודה ההרמוניים שלה הרחק תדר תהודת היסוד שלה. תגובת השידור דרך feedline נמדדת עם VNA מחובר הנבדק באמצעות כבלים ורכיבים אחרים. שונה מן Cataldo et al. 11 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

: לשמור-together.within-page = "1"> איור 3
זרימת איור 3. ייצור מהוד Microstrip. סכמטית זה ממחישה את תהליך הייצור לסכם Protocol 1. תהליך זה מספק אמצעי לפברק מעגלים מוליכים משני צידי שכבת דיאלקטרי סיליקון דק יחיד גביש. שונה מן פאטל et al. 14 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. מיקרוסקופ של קצה אחד של שבב המהוד רכוב בחבילה. קשרי אג"ח תיל אל בין feedline על שבב CPW Nb, קרש אוהד יוצא מן השבב ניתן לראות.4large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. מיקרוסקופ של 2 מו N microstrip מיקרוגל מהוד מצמיד את feedline Nb עבור-אאוט לקרוא. אזור הצימוד בצורת H אל feedline CPW ממוקם בחלק העליון של הדמות והוא ממוקם על גבי שכבת התחמוצת. המבנה בצורת האות V הממוקם בתחתית של הדמות משמש צימוד חלק התהודה במכשירים אחרים על פרוסות סיליקון מסוימות לקו הולכת microstrip. פרטים נוספים על העיצוב מהוד ניתן למצוא Cataldo et al. 11 ו פאטל et al. 14 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

<p class = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> איור 6
שידור איור 6. נמדד, 21 S, כפונקציה של תדר (משרעת בלבד) מראה 7 מו 2 N תהודה מצמידים את feedline מיקרוגל יחיד. נתונים אלה צולמו testbed קריוגני ב 0.3 K באמצעות VNA. נא ללחוץ כאן לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

תהליך הייצור חד להעיף מספק אמצעי למימוש תהודה מוליכה משני צידי מצע Si 0.45 מיקרומטר יחיד גביש דק. אפשר להיות מוטיבציה להשתמש דיאלקטרי Si יחיד גביש כי יש לו יותר מאשר בסדר גודל ההפסד הנמוך מ דיאלקטריים שהופקדו (כגון Si 3 N 4) עם בסיפורי מעשיות הפסד בטווח 4.0-6.5 ג'יגה הרץ <1 x 10 - 5. 23-24 יכולת דפוס תכונות משני צידי מצע זה מאפשר להעסיק עיצוב מהוד microstripline, אשר מעניק חסינות טובה לסטות אור נמוך מהוד-אל-מהוד crosstalk. טכניקת ההמראה תארה מאפשרת שלמויות שטח Si להישמר, כי אף חספוס של פני השטח שלו מתרחש במהלך דפוסים של סרט Nb הדק המוליך. 15 זה תהליך הייצור יכול לשמש עבור מגוון רחב של מבנים בעלי ארכיטקטורת המוליכים microstripline , ו fut הצפוייישומים יור כוללים להשתמש בה עבור ספקטרוסקופיה-אדום רחוק. 25 ההגבלה העיקרית היא כי BCB השתמש ספר כדי להדביק המצעים יחד מציב גבול עליון על טמפרטורת העיבוד (~ 250 ° C).

מדידות קריוגני של השידור המורכב של התקני מהוד אלה, כפי שמתוארים בסעיף הפרוטוקול, לאפשר אחד כדי לחלץ פרמטרי חומרי מפתח עבור חומרים מוליכי דיאלקטרי מצע ו / או לפקח על תגובתם אור-אדום רחוק. עם זאת, כיול והכנה מער הבדיקה הוא קריטי ליכולת לעשות עקירות מדויקות של פרמטרי חומר אלה. מתודולוגיה כיול Solt סטנדרטית שמשה לכיול השידור דרך כבלי SMA הגמישים מן VNA לכניסה של cryostat. הנוכחות של מחליש RF בכניסת המכשיר לבין circulator במוצא המכשיר נחוץ על מנת לספק הפסקות מתאימות. פוסט כיול מכשיר המדידה יכול להיות carried החוצה בעקבות הליך הכיול באתרו המתואר Cataldo et al. 11 זה הליך כיול in-situ נע מטוס התייחסות קלט התקן הפלט (שכותרתו כמו "מטוס כיול המכשיר" באיור. 2). יצוין כי בשלב 6 של פרוטוקול סעיף 4, טווח ספקטרלי אופטימלית מספר נקודות נתונים חייבים להיות מוקלט, המספקים הוא דגימה נאותה של מבני מהוד הצרים אלא גם תוחלת שחורגת התהודה לאפשר המחקר ל יוסר כראוי. הרחק התהודה, הבסיס הופך צימוד מספיק כדי להשיג כיול משרעת משוחד, ובכך להקטין את השגיאה בפרמטרים נגזרו בתגובה הנצפית.

כדי לכייל את נתוני VNA in-situ, את הפעולות הבאות מבוצעות: 1) Fit של קו הבסיס המורכב באמצעות מודל אנליטי מוטיבציה פיזית מהיענות הבסיס; 2) Normalization של חלקים האמיתיים ומדומים של השידור על ידי לאלץ את משרעת השידור להיות שווה לאחת מן התהודה; 3) תיקון עבור וריאציות רווח והעתקות של מטוס ההתייחסות בבית נבדק על ידי חלוקה החוצה בכושר הבסיס המורכב.

הפרטים של צעדי כיול זה ניתן למצוא Sec. IV של Cataldo et al. 11 לאחר שהנתונים כבר מכוילים, התהודה יכולה להיות מודל באחת משתי דרכים. בחלק הראשון, מודל הפנומנולוגית המבוססים על פונקציות רציונליות מימוש פיזי מאפשר מיצוי של תדרים ורוחב מרכז 'תהודה עם דיוק של 1% מבלי לציין את הרשת במעגל במפורש (ראה סעיף. V של Cataldo et al. 11). במקרה השני, ייצוג מטריקס-ABCD של מעגל קו התמסורת המופץ מאפשר מודלים של התגובה שנצפתה מן עכבות מאפיין, Z, וקבועי התפשטות, γ, עםידע מפורט של הגיאומטריה המכשיר (למשל, קו אורך, l - ראה איור 2.). אילוצים עצמיים עקביים היחסים המכוננים אלקטרומגנטית בין permittivity והחדירה באמצעות Z ו- γ של החומר נאכפים לחלץ פרמטרים כגון שבר השראות התנועתיות" התהודה ואינדקס יעיל עם דיוק של 2% כאשר מצמידים עם סימולציות אלקטרומגנטית (ראו סעיף. VI של Cataldo et al. 11). זה מאפשר ללמוד את המבנה הפנימי של המעגל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

המחברים מודים תמיכת מימון ממנהל התעופה הלאומית שטח (נאס"א) של ורדי תוכניות APRA. GC גם מכיר האגודה לחקר החלל אוניברסיטאות לניהול מינויו בנאס"א.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Protocol Section 1
Microposit S-1811 Photoresist Shipley
BCB Dow 3022-35
SOI wafers SOITec Fabricated with SmartCutTM process
Mo Kamis 99.99%
Nb Kamis 99.95% (excludes Ta)
E-6 metal etch w/AES Fujifilm CPG Grade
Acetone JT Baker 9005-05 CMOS Grade
HF dip (1:10) JT Baker 5397-03
PMMA Microchem 950 PMMA A2
Protocol Section 2
GE 7031 General Electric Low-temperature adhesive
Protocol Sections 3-4
Cryogenic Microwave Amplifier MITEQ AF S3-02000400-08-CR-4 2-4 GHz, gain ~30 dB
NbTi Semi-rigid SMA cables Coax. Co. SC-086/50-NbTi-NbTi
Circulator PamTech CTD1229K return loss > -20 dB from 2-4 GHz
RF attenuator Weinschel Model-4M 7 dB attenuation
Flexible SMA cables Teledyne-Storm R94-240 ACCU-TEST
Vector Network Analyzer Agilent N5242A PNA-X
Liquid He-4 cryogen Praxair
Liquid N2 cryogen Praxair

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

הנדסה גיליון 111 תהודת מוליכים מכשירי מיקרוגל MKIDs מדידות קריוגני כיול שידור מורכב מייקרו-ייצור המקרטעת תגובתי מליטה רקיק ברמה
ייצור ואפיון של מהודי מוליכים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cataldo, G., Barrentine, E. M.,… More

Cataldo, G., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K., Wollack, E. J. Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators. J. Vis. Exp. (111), e53868, doi:10.3791/53868 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter