Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fremstilling og karakterisering af superledende Resonatorer

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

Superledende mikroovn resonatorer er af interesse til påvisning af lys, kvante computing applikationer og materialer karakterisering. Dette arbejde præsenterer en detaljeret procedure for fremstilling og karakterisering af superledende mikroovn resonator sprednings- parametre.

Abstract

Superledende mikroovn resonatorer er af interesse for en bred vifte af applikationer, herunder for deres anvendelse som mikrobølge kinetisk induktans detektorer (MKIDs) til påvisning af svage astrofysiske signaturer, samt for kvantecomputere applikationer og materialer karakterisering. I dette papir, er procedurer præsenteres for fremstilling og karakterisering af tynd-film superledende mikroovn resonatorer. Fremstillingen metode muliggør realiseringen af ​​superledende transmission line resonatorer med træk på begge sider af et atomisk glat enkelt-krystal silicium dielektrikum. Dette arbejde beskriver proceduren for installation af resonator enheder i en kryogene mikrobølge testbænk og cool-down under superledende overgang temperatur. Opsætningen af ​​den kryogene mikrobølge testbed tillader en at gøre omhyggelige målinger af komplekse mikrobølge transmission af disse resonator enheder og muliggøre ekstraktionen af ​​properties af de superledende linjer og dielektriske substrat (fx interne kvalitet faktorer, tab og kinetiske induktans fraktioner), som er vigtige for enhedens design og ydeevne.

Introduction

Fremskridt inden astrofysiske instrumentering har for nylig indført superledende mikroovn resonatorer til påvisning af infrarødt lys 1 -. 4 En superledende resonator vil reagere på infrarød stråling med energi E = hv> 2Δ (hvor h er Plancks konstant, v er strålingen frekvens og Δ er den superledende kløften energi). Når resonatoren afkøles til en temperatur et godt stykke under superlederen kritiske temperatur, denne indfaldende stråling lejligheder Cooper par i resonator volumen og genererer kvasipartikel excitationer. Stigningen i tætheden af ​​kvasipartikel excitationer ændrer den kinetiske induktans, og dermed den komplekse overflade impedans af superlederen. Denne optiske respons observeres som et skift i resonansfrekvensen til lavere frekvens og en reduktion i kvaliteten faktor resonatoren. I den kanoniske udlæsning ordning for en mikrobølgeovn Køertic induktans detektor (MKID), er resonatoren koblet til en mikrobølgeovn feedline og man overvåger komplekse transmission gennem denne feedline på et enkelt mikrobølge frekvens tone på resonans. Her er den optiske respons observeret som en ændring i både amplituden og fasen af transmissionen 5 (figur 1). Frekvens-domænet multiplexing ordninger er i stand til at udlæse arrays af tusindvis af resonatorer. 6-7

For at kunne designe og implementere superledende-resonator-baserede instrumentering, egenskaberne af disse resonant strukturer skal karakteriseres præcist og effektivt. For eksempel, præcision målinger af støj egenskaber, kvalitet faktorer Q, resonansfrekvenser (herunder deres temperaturafhængighed) og optiske respons egenskaber af superledende resonatorer ønskes i forbindelse med MKID enhed fysik, 8 kvantecomputere, 9 og bestemmelse af lav- temperature materialer egenskaber. 10

I alle disse tilfælde, ønskes måling af banens komplekse transmission sprednings- parametre. Dette arbejde er koncentreret om bestemmelsen af resonatoren komplekse transmissionskoefficient, S 21, hvis amplitude og fase kan måles med en vektor Network Analyzer (VNA). Ideelt set ville VNA referenceplanet (eller test-port) være direkte forbundet til enheden under test (DUT), men en kryogene indstilling kræver normalt anvendelse af yderligere transmission line strukturer til at realisere en termisk pause mellem RT (~ 300 K) og den kolde fase (~ 0,3 K i dette arbejde, se figur ure 2). Ekstra mikroovn komponenter såsom retningskoblere, cirkulationspumper, isolatorer, forstærkere, dæmpere og tilhørende indbyrdes forbundne kabler kan være nødvendige for korrekt forberede, ophidse, udlæses og partiskhed enheden af ​​interesse. Detfasehastigheder og dimensioner af disse komponenter varierer når køling fra rum til kryogene temperaturer, og derfor de påvirker den observerede respons på enhedens kalibrering flyet. Disse mellemliggende komponenter mellem instrumentet og enheden kalibrering flyet indflydelse det komplekse gain og har brug for at være passende tegnede sig for i fortolkningen af den målte respons. 11

I teorien er behov for en ordning, der sætter målingen referenceplanet, identisk med den anvendt under kalibreringen, ved DUT. For at nå dette mål, kunne man måle kalibreringsstandarderne over flere seje-downs; Men dette udgør begrænsninger på stabiliteten af ​​VNA og repeterbarheden af ​​den kryogene instrument, som er vanskelige at nå. For at afbøde disse bekymringer, kunne man stille de nødvendige standarder i den afkølede testmiljøet og skifte mellem dem. Dette er for eksempel i lighed med hvad der er fundet i mikrobølgeovn sonde stationer, Hvor prøven og kalibrering standarder afkølet til 4 K ved en kontinuerlig flydende helium flow eller et lukket kredsløb kølesystem. 12 Denne metode blev demonstreret på sub-Kelvin temperaturer, men kræver en energibesparende, højtydende mikrobølge kontakten i test bånd af interesse. 13

En kalibreringsprocedure in situ ønskes derfor som tegner sig for den instrumentelle transmission reaktion mellem VNA referenceplanet og enheden kalibrering planet (fig ure 2), og som overvinder begrænsningerne ved de ovenfor beskrevne metoder. Denne kryogene kalibrering metode, præsenteres og diskuteres i detaljer i Cataldo et al. 11, tillader en at karakterisere flere resonatorer over et frekvensområde bred sammenlignet med resonator linje bredde og inter-resonator afstanden med en nøjagtighed på ~ 1%. Dette papir vil fokusere på detaljerne i prøven fabrikation og prepredelsen processer, eksperimentelle test set-up og målemetoder der anvendes til at karakterisere superledende mikroovn resonatorer med plane line geometrier. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. microstrip linje Resonator Fabrication 14 (figur 3)

  1. Rense en silicon-on-insulator (SOI) wafer, som har en 0,45-um tykt silicium enhed lag, med frisk blandet H 2 SO 4: H2O 2 (3: 1) i 10 minutter. Derefter skylles skiven i deioniseret vand i 10 minutter og tør med en nitrogen pistol. Umiddelbart før efterfølgende forarbejdning, dyppe vaflen i H2O: HF (10: 1) i 10 sek og skyl i deioniseret vand i 5 minutter.
  2. Fabrikere en lift-off maske, som består af en germanium (Ge) / positiv fotoresist såsom S-1811. 15
    1. Spin-coat vaflen med fortyndet positiv fotoresist dobbeltlag (2 dele fortynder-P: 1 del positiv fotoresist) ved 4.000 rpm i 30 sek og derefter elektronstråle indbetaling Ge.
    2. Mønster Ge brug af foto-litografi ved først at påføre hexamethyldisilazan (HMDS) på waferen i 1 min og derefter spinde det overskydende ved 3000 rpm i 30 sek.
    3. Spin på tyndet positiv fotoresist (2 dele fortynder-P: 1 del positiv fotoresist) ved 2.000 rpm i 30 sek og bage det på en varmeplade i 1 min ved 110 ° C. Brug en maske aligner at eksponere fotoresist og spray udvikle modstå med en tetramethylammoniumhydroxid-baseret løsning.
    4. Reaktiv-ion etch Ge med et SF 6 / O 2 plasma ved 70 W. Ash underliggende fotoresist med O 2 plasma for at opnå underskæring af fotoresist.
    5. DC-magnetron sputter-depositum niobium (Nb) jordplanet med 3,7 mT af argon (Ar) ved 500 W og løft det ved at placere wafer inde i en acetone-fyldt bæger i 4 timer.
  3. Spin-coat bisbenzocyclobutene (BCB) ved 4.000 rpm i 30 sek om Nb-coatede overflade af SOI wafer og til den ene overflade af en anden siliciumwafer. Binde to BCB overflader sammen med 3 bar tryk ved 200 ° C.
  4. Manuelt flip wafer stak hovedet for at begynde at behandle bagsiden af ​​SOI wafer.
  5. Etch siliciumhåndteringswaferen ved mekanisk slibning under anvendelse Al 2 O 3 opslæmning, efterfulgt af dyb reaktiv ion ætsning ved hjælp af Bosch-processen 16 Etch den begravede SiO2 lag med H2O:. HF (10: 1) i 20 min.
  6. Depositum molybdæn nitrid (Mo 2 N) ved hjælp af DC magnetron reaktiv sputtering på 700 W og 3,3 mT (Ar: N2 partialtryk = 7: 1). Mønster resonatorer ved centrifugering ved 2.000 rpm i 30 sek og bagning ved 180 ° C i 2 minutter efterfulgt af spinding tyndet positiv fotoresist (2 dele fortynder-P: 1 del positiv fotoresist) ved 2.000 rpm i 30 sek. Udvikle fotoresist i et tetramethylammoniumhydroxid-baseret løsning og aske i en reaktiv ion etcher. Etch Mo 2 N med en fosforsyre-baseret løsning.
  7. Fabrikere et lift-off maske bestående af en Ge / PMMA dobbeltlag ved spinding på polymethylmethacrylat (PMMA) ved 5.000 rpm i 30 sek og bagning ved 180 ° C i 2 minutter efterfulgt af elektron-stråle deposition af Ge. Sputter-Deposit Nb transmissionslinier og løft i acetone (se trin 1.2 med den undtagelse, at den positive fotoresist er substitueret med PMMA).
  8. I nogle udførelsesformer, radio-frekvens (RF) sputter-indskud SiO2, mønster det ved spinning med positiv fotoresist og ætse i en flussyre-syre baseret løsning. Derefter løft en katodeforstøvet Nb tynd film ved hjælp af en germanium / positiv fotoresist liftoff maske som beskrevet i trin 1.2.

2. Procedure for installation af Microwave Resonator Chip i Test Package

  1. Design og maskine en test bestående af guld (Au) overtrukne kobber hulrum (med en base og låg), som matcher resonator chip dimensioner, feedline input og output steder. BEMÆRK: Hulrummet størrelse af huset bør præciseres for at støtte en single-mode operation med minimal parasitære kobling over bandet af interesse.
  2. Design og fabrikere en kontrolleret impedans mikroovn fan-out bord 17 til rute signalerne mellem chip og Sub-Miniature udgave A (SMA) stik.
  3. Sæt SMA-stik ind i input og output af testen pakke, så at centret dirigent pin er justeret i forhold til samme fan-out board kontakt pad. Påfør en loddemaske at beskytte mod kortslutning, og loddes i region midterlederen pin. Placer pakken på en varmeplade og opvarmes til 200 ° C i ~ 5 minutter for at smelte loddemetallet. Lad afkøle og fjern derefter loddemaske.
  4. Monter resonator chip i Au-belagt kobber pakke hulrum sådanne, at de on-chip feedline output og input pads er tæt og tilpasset til det tilsvarende fan-out board coplanar waveguide (VTTL) linjer. Fastgør chip med kobber clips, som gør kontakt ved kanterne af hjørnerne af chippen.
  5. Placer superledende Al wire obligationer mellem fan-out bord og on-chip kontakt pads. Placer et maksimalt antal (~ 4 i sagen præsenteres her - se 4) på ~ 500-600-um-lange, ~ 250-um-i-højde wire obligationer, for at give impedans match mellem SMA-stik input og output, og on-chip CPW feedline.
  6. Efter wire-bonding, med et multimeter tjekke DC modstand mellem center stifter af input og output stik, og mellem et center pin og jord, for at bekræfte, at der er en elektrisk forbindelse på tværs af de to midterste ben og en åben forbindelse mellem centrum linje og jorden.

3. Procedure for installation af Microwave Resonator i en Kryogene Helium-3 Microwave Prøvestand

  1. Saml testbed som i konfigurationen vist i figur 2, i hvilken en serie af SMA føres fra RT til 0,3-K kold fase, hvor enheden vil blive monteret.
  2. Installere kobber (Cu) og superledende niobium-titan (NbTi) kabler som vist i figur 2 for at tilvejebringe lav mikrobølge tab og itilfælde af NbTi kabler, en lav termisk ledningsevne. Brug NbTi kabler som en termisk pause mellem de 2-K og 0,3-K etaper.
  3. Monter en kryogen høj elektron mobilitet transistor (HEMT) forstærker på 2-K etape på output linje for støjsvage forstærkning i bandet af resonator enhed og installere en cirkulationspumpe.
  4. Indsæt en kryogen cirkulationspumpe på output linje ved indgangen til denne forstærker.
  5. Montere de emballerede resonator enheder på en holder boltet til 0,3-K kold fase.
  6. Tilslut en mikrobølgeovn dæmperen på indgangssiden af ​​pakken til at sørge for matchede opsigelse og forbinde de relevante SMA-kabler til denne dæmperen input og pakke output. Sørg for, at disse kontrollerede impedans afslutninger er godt matchet og er så tæt på enheden under test som muligt - de definerer "enhed kalibrering plane" (se figur 2).
  7. Nærbillede kryostaten. Følg standardprocedure at afkøle enhedens til 0,3 K.

4. Procedure for Microwave Resonator Målinger

  1. Indstil VNA at scanne over et bredt frekvensbånd (10 MHz - 8 GHz, til enheden betragtes her) på device-under-test design frekvenser. Juster effektniveauer på VNA til passende niveauer for enheden under test (~ -30 dBm, til enheden betragtes her).
    BEMÆRK: Sørg for, at input RF-effekt er lavt nok til ikke at overskride den kritiske strøm af superledende mikrobølge resonator og superledende feedline. Sikre, at effektniveauet er høj nok til at give et passende signal-til-støj-forhold.
  2. Kalibrer de fleksible RF-kabler følgende standard Short-Open-Load-Thru (SOLT) procedure, efter VNA software retninger findes i VNA manual. Indsæt i kortsluttede, åben, afsluttes, og thru standarder på udgangen af ​​hver af de fleksible kabler, hvilken vej fra vektoren Network Analyzer, og som senere vil blive forbundet til indgangenaf kryostaten for målinger. Denne kalibrering definerer "instrument referenceplanet" (f.eks, se figur 2).
  3. Efter denne SOLT kalibrering, kontrollere troskab af kalibreringen ved at bekræfte, at transmissionen, S 21, med den gennem linje tilsluttet målt med VNA, har lave resterende fejl (dvs. svaret er på ~ 0 dB-niveau og S 11 og S 22 er lave, fx ≤ -50 dB).
  4. Tilslut fleksible kabler til input og output linjer i kryostaten.
  5. Tænd for kryogene mikrobølge forstærker ved at anvende den nødvendige DC bias spænding som angivet i dokumentationen til mikrobølgeovnen forstærker firma-forudsat.
  6. Først udfylde en bredbånds-scanning af VNA (10 MHz - 8 GHz, til enheden betragtes her) at observere S 21 baseline struktur og til at lede efter nogen skarp høj Q </ Em> strukturer indikerer mikrobølge resonatorer.
  7. Derefter indsnævre frekvensområdet (til ~ 2 - 4 GHz, for indretningen anses her) og justere antallet af datapunkter (~ 30.000 for indretningen anses her) af VNA at scanne over resonator band. Brug et frekvensbånd bred nok til at give en tilstrækkelig baseline span for senere passer til denne baseline til at udføre en in-situ kalibrering (se diskussionen i indledning).
    BEMÆRK: Afhængigt af støjniveauet, øge antallet af gennemsnit, eller reducere IF båndbredde for at forbedre signal-støj.
  8. Gem disse VNA data scanninger af de komplekse transmission af data til fil for post-måling in situ kalibrering og analyse og udvinding af kvalitet faktorer og resonansfrekvenser. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Svaret fra en halvbølge Mo 2 N resonator (figur 5) fremstillet på en 0,45 um enkelt-krystal silicium dielektrisk blev valideret med denne metodologi. I dette tilfælde, kobling til en Nb koplanar bølgeleder (CPW) feedline til udlæsning opnås via kapacitiv kobling gennem en katodeforstøvet SiO2 dielektrisk, i "H" -formet region ved en af de åbne ender af resonatoren (se protokol afsnit 1.6). I andre tilfælde blev kapacitiv kobling til de Tilførselslinjerne opnås ved at fjerne regioner i Nb jordplan. Den i figur 5 resonator viser, at fremstillingsteknik præsenteret muliggør mikroskopisk superledende kredsløb på begge sider af en ultratynd single-krystal siliciumlag skal realiseres uden opruning substratoverfladen. Disse resonatorer repræsenterer den mest kritiske komponent i en MKID og denne teknik tillader god kontrol overderes integritet.

Den kryogene målemetoden beskrevet blev påført på en enhed med syv Mo 2 N resonatorer koblet til en enkelt mikrobølge feedline. I figur 6 er størrelsen af den målte transmission koefficient, S 21, af denne anordning ved VNA referenceplanet som en funktion af frekvensen vist. Her, kobling af mikrobølgeeffekt til resonatorerne ved hver af deres resonansfrekvenser, og dermed et fald i transmissionen størrelsesorden, kan ses. Den indbyrdes interaktion resonatorerne samt deres interaktion med kontinuumet, kan resultere i en Fano spektralt respons 18 -. 22 Denne virkning kan også eksperimentelt observeres som en vekselvirkning mellem resonatorerne med relativt bredt Fabry-Perot resonanser som følge af stående bølger i systemet. Sådanne overvejelser producere den dominerende spektrale variation i obseraba instrument baseline til testen konfiguration beskrevet her. De indsamlede gennem denne metode kan analyseres efter en in-situ kalibrering metode til at fjerne virkningerne af disse interaktioner og udtrække den detaljerede resonator og elektromagnetiske parametre af interesse.

figur 1
Figur 1. Spectral reaktion af en resonator. Den sorte linje viser transmissionen amplituden af en resonator i mørke med en resonans ved frekvensen f 0. Stigningen i kvasipartikel tæthed forårsager resonans ved f 0 for at flytte til en lavere frekvens, f 0 -δ f, samtidig ændrer amplituden af signalet (stiplet linje). Klik her for at se en større versionaf dette tal.

Figur 2
Figur 2. Skematisk af den eksperimentelle opstilling. Enheden under test består af flere Mo 2 N resonatorer koblet til en mikrobølgeovn Nb feedline gennem kondensatorer, Cc. De trådte impedans resonatorer realiseres fra lav- og høj-impedans mikrostrip transmissionslinjer. 11 Det er designet til miniaturize resonator og øge sin harmoniske resonansfrekvenser væk fra sin grundlæggende resonansfrekvens. Transmissionssvaret gennem feedline måles med en VNA forbundet til DUT via kabler og andre komponenter. Modificeret fra Cataldo et al. 11 Klik her for at se en større version af dette tal.

: Holde-together.within-side = "1"> Figur 3
Figur 3. Microstrip resonator fabrikation flow. Denne skematiske illustrerer fremstillingsprocessen sammenfattet i protokol 1. Denne fremgangsmåde tilvejebringer et middel til at fabrikere superledende kredsløb på begge sider af en ultratynd single-krystal silicium dielektrisk lag. Modificeret fra Patel et al. 14 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Mikrograf af en ende af resonatorens chip monteret i pakken. Al wire bond forbindelser mellem on-chip CPW Nb feedline og en off-chip fan-out bord kan ses.4large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Micrograph of Mo 2N microstrip mikrobølgeresonator koblet til en Nb feedline for udlæsning. H-formede kobling region til CPW feedline er placeret ved den øvre del af figuren og er placeret på toppen af oxidlaget. Y-formet struktur placeret i bunden af ​​figuren anvendes til kobling nogle af resonatorerne på andre enheder på waferen til en mikrostrip transmissionsledning. Yderligere oplysninger om resonator design kan findes i Cataldo et al. 11 og Patel et al. 14 Klik her for at se en større version af dette tal.

<p class = "jove_content" fo: holde-together.within-side = "1"> Figur 6
Figur 6. Målt transmission, S 21, som en funktion af frekvens (amplitude kun), der viser 7 Mo 2 N resonatorer koblet til en enkelt mikrobølge feedline. Disse data blev taget i kryogene testbed på 0,3 K ved hjælp af en VNA. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den fælles-flip fabrikationsproces tilvejebringer et middel til at realisere superledende resonatorer på begge sider af et tyndt 0,45-um enkelt-krystal Si substrat. Man kan være motiveret til at bruge en enkelt-krystal Si dielektrikum fordi den har mere end en størrelsesorden lavere tab end deponerede dielektrikum (såsom Si 3 N 4) med tab tangenter i 4,0-6,5-GHz <1 x 10 - fem. 23-24 evnen til mønsteret funktioner på begge sider af dette substrat tillader en at ansætte en microstripline resonator design, som giver god immunitet over for falsk lys og lav resonator-til-resonator krydstale. Den lift-off-teknik beskrevet tillader integriteten af Si overflade, der skal opretholdes, fordi ingen ruhed af dens overflade forekommer under mønsterdannelse af det superledende Nb tynd film. 15 Denne fremstillingsproces kan anvendes til en række strukturer, der har en superledende microstripline arkitektur og forventet futUre applikationer omfatter bruge det til langtrækkende infrarød spektrometre. 25 Dens største begrænsning er, at BCB bruges til at lime substrater sammen lægger en øvre grænse for behandling temperatur (~ 250 ° C).

Kryogene målinger af den komplekse fremsendelse af disse resonator indretninger, som er beskrevet i afsnittet protokol, tillader en at udtrække vigtige materials parametre for superledende og dielektriske substratmaterialer og / eller til at overvåge deres reaktion på fjern-infrarøde lys. Men kalibrering og forberedelse af testen set-up er afgørende for evnen til at gøre præcise ekstraktioner af disse materielle parametre. En standard SOLT kalibrering metode blev anvendt til at kalibrere transmission gennem de fleksible SMA kabler fra VNA til indgangen af ​​kryostaten. Tilstedeværelsen af ​​RF dæmperen på input-enhed og cirkulationspumpen på enhedens output er nødvendige for at matchede opsigelser. Post-måling kalibrering kan være Carried ud efter in-situ beskrevne kalibreringsprocedure i Cataldo et al. 11 Denne kalibreringsprocedure in situ bevæger referenceplanet til enheden input og output (mærket som "kalibrering af anordningen plane" i fig. 2). Det skal bemærkes, at i trin 6 i protokol afsnit 4, skal et optimalt spektralområde og antal datapunkter registreres, som giver både tilstrækkelig prøveudtagning af de smalle resonator strukturer, men også en spændvidde, der går ud over de resonatorer til, at baseline til fjernes korrekt. Væk fra resonatorerne, grundlinjen bliver tilstrækkelig afkoblet at opnå en objektiv amplitude kalibrering, og dermed reducere fejl i parametre udledt fra den observerede respons.

For at kalibrere VNA data i situ, udføres følgende trin: 1) Fit af komplekset baseline gennem en analytisk model fysisk motiveret af baseline reaktion; 2) Normalization af transmissionens reelle og imaginære dele ved at tvinge transmission amplitude at være lig med en væk fra resonatorer; 3) Korrektion for variationer i gevinst og flytning af referenceplanet ved DUT ved at dividere den komplekse baseline pasform.

Detaljerne i denne kalibrering trin kan findes i Sec. IV for Cataldo et al. 11 Efter dataene er blevet kalibreret, kan de resonatorer modelleres i en af to måder. I den første, en fænomenologisk model baseret på fysisk realisable rationelle funktioner muliggør ekstraktion af resonatorer 'center frekvenser og bredder med en nøjagtighed på 1% uden udtrykkeligt at angive kredsløbet netværk (se kap. V for Cataldo et al. 11). I den anden, en ABCD-matrix repræsentation af den distribuerede transmission line kredsløb tillader modellering af den observerede respons fra de karakteristiske impedanser, Z og udbredelseskonstanter, γ, meddetaljeret kendskab til enhedens geometri (fx ledningslængder, l - se fig. 2). Selvstændige konsekvent begrænsninger for de elektromagnetiske konstitutive relationer mellem materialets permittivitet og permeabilitet gennem Z og γ håndhæves at udtrække parametre såsom resonatorer 'kinetiske induktans fraktion og effektiv indeks med en nøjagtighed på 2%, når kombineret med elektromagnetiske simuleringer (se kap. VI Cataldo et al. 11). Dette gør det muligt at studere den interne struktur af kredsløbet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Forfatterne anerkender midler støtte fra National Aeronautics and Space Administration (NASA) 's roser og Apra programmer. GC anerkender også den universiteter Space Research Association til administration hans udnævnelse på NASA.

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

Engineering Superledende resonatorer mikroovn udstyr MKIDs kryogene målinger kalibrering kompleks transmission mikro-fabrikation reaktiv sputtering wafer-niveau bonding
Fremstilling og karakterisering af superledende Resonatorer
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