Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fabrikasjon og karakterisering av 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 mikrobølgeovn resonatorer er av interesse for påvisning av lys, quantum computing programmer og materialer karakterisering. Dette arbeidet viser en detaljert fremgangsmåte for fremstilling og karakterisering av superledende mikrobølge resonator spredningsparametere.

Abstract

Superledende mikrobølgeovn resonatorer er av interesse for en rekke bruksområder, blant annet for deres bruk som mikrobølgeovn kinetiske induktans detektorer (MKIDs) for påvisning av svake astrofysiske signaturer, samt for quantum computing programmer og materialer karakterisering. I denne utredningen, er prosedyrer presenteres for fabrikasjon og karakterisering av tynnfilm superledende mikro resonatorer. Fabrikasjon metodikk gjør det mulig for realisering av superledende transmisjonslinjen resonatorer med egenskaper på begge sider av en atomisk glatte enkeltkrystall silisium dielektrikum. Dette arbeidet beskriver fremgangsmåten for installasjon av resonator enheter i en kryogenisk mikrobølgeovn teststed og for nedkjøling under den superledende overgangstemperatur. Oppsettet av den kryogene mikrobølgeteststed gjør det mulig å gjøre forsiktig målinger av den komplekse mikrobølgetransmisjonen av disse resonatoranordninger, slik at uttrekkingen av properties av de superledende ledninger og dielektrisk substrat (f.eks interne kvalitetsfaktorer, tap og kinetiske induktans fraksjoner), som er viktige for enheten utforming og ytelse.

Introduction

Fremskritt i astrofysiske instrumentering har nylig innført superledende mikrobølge resonatorer for påvisning av infrarødt lys 1 -. 4 En superledende resonator vil reagere på infrarød stråling av energi E = hv> 2Δ (hvor h er Plancks konstant, v er den strålingsfrekvensen og Δ er den superledende gapet energi). Når resonatoren er avkjølt til en temperatur godt under den superlederen kritiske temperatur, bryter dette innfallende stråling Cooper parene i resonatorens volum og genererer quasiparticle eksitasjoner. Økningen i tetthet av quasiparticle eksitasjoner endrer kinetiske induktans, og således den komplekse impedansen overflaten av superlederen. Denne optiske respons observeres som en forskyvning av resonansfrekvensen til lavere frekvens, og en reduksjon i kvalitetsfaktoren av resonatoren. I den kanoniske lest ut ordningen for en mikrobølgeovn kinetic induktans detektor (MKID), er resonatoren er koplet til en mikrobølgetilførselsledning og en overvåker den komplekse overføring gjennom denne tilførselsledning på et enkelt mikrobølgefrekvens tone på resonans. Her er den optiske responsen observert som en forandring i både amplitude og fase for overføring 5 (figur 1). Frekvensdomenet multipleksing ordninger er i stand til å lese ut matriser med tusenvis av resonatorer. 6-7

For å kunne utforme og implementere superledende-resonator-baserte instrumenter, egenskapene til disse resonansstrukturene må karakteriseres nøyaktig og effektiv måte. For eksempel, presisjonsmålinger av støyegenskaper, kvalitetsfaktorer Q, resonansfrekvenser (inkludert deres temperaturavhengighet), og optiske responsegenskaper av superledende resonatorer er ønsket i forbindelse med MKID anordning fysikk, 8 kvantum databehandling, 9 og bestemmelse av lav- temperature materialegenskaper. 10

I alle disse tilfeller, er måling av kretsens kompliserte transmisjonsspredningsparametere ønskelig. Dette arbeidet konsentrerer seg om bestemmelse av resonatoren komplekse transmisjonskoeffisient, S 21, hvis amplitude og fase kan måles med en vektor nettverksanalysator (VNA). Ideelt sett ville det VNA referanseplanet (eller testporten) kobles direkte til enheten under test (DUT), men en kryogenisk innstilling normalt krever bruk av ytterligere transmisjonslinjestrukturer for å realisere en termisk sperre mellom romtemperatur (~ 300 K) og den kalde fasen (~ 0,3 K i dette arbeidet, se figur ure 2). Ytterligere mikrobølgekomponenter, som retningskoplere, sirkulatorer, isolatorer, forsterkere, lyddempere, og tilhørende forbindelseskabler kan være nødvendig for å fremstille passende, eksitere, lest ut og forspenningen anordningen av interesse. Defasehastigheter og dimensjoner av disse komponentene variere ved kjøling fra rom til kryogene temperaturer, og derfor påvirke de den observerte respons ved anordningen kalibreringsplanet. Disse mellomliggende komponentene mellom instrumentet og enheten kalibreringsplanet innflytelse komplekset gevinst og må være riktig høyde for i tolkningen av den målte responsen. 11

I teorien er et skjema nødvendig som setter målereferanseplan, identisk med den som anvendes under kalibrering ved DUT. For å nå dette målet, kan man måle kalibreringsstandardene over flere kule-downs; utgjør imidlertid dette begrensninger på stabiliteten av VNA og repeterbarhet av den kryogene instrument, som er vanskelig å oppnå. For å dempe disse bekymringene, kan man plassere de nødvendige standarder i den avkjølte testmiljøet og bytte mellom dem. Det er, for eksempel, i likhet med det som er funnet i mikrobølge-probe stasjoner, Der prøven og kalibreringsstandarder avkjøles til 4 K av en kontinuerlig flytende helium flyt eller en lukket syklus kjølesystem. 12 Denne metoden ble demonstrert ved sub-Kelvin temperaturer, men krever et lavt strømforbruk, høy ytelse mikrobølgeovn bryteren i test band av interesse. 13

En in-situ kalibreringsprosedyren er derfor ønskelig som svarer for den instrumentelle overføringsresponsen mellom VNA referanseplanet, og anordningen kalibreringsplanet (Fig ure 2), og som overvinner begrensningene ved de ovenfor beskrevne metoder. Det kryogene kalibreringsmetode, presentert og diskutert i detalj i Cataldo et al. 11, gjør det mulig å karakterisere multiple resonatorer over et bredt frekvensområde i forhold til resonatoren linjebredde og inter-resonator avstanden med en nøyaktighet på ca. 1%. Denne artikkelen vil fokusere på detaljene i prøven fabrikasjon og prepFraskilling prosesser, eksperimentelle test set-up og måleprosedyrer som brukes for å karakterisere superledende mikro resonatorer med plane linjer geometrier. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Micros Linje Resonator Fabrication 14 (figur 3)

  1. Rengjøre en silisium-på-isolator (SOI) skive, som har en 0,45-mikrometer tykt silikon enhet lag, ved å blande H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) i 10 minutter. Skyll platen i avionisert vann i 10 minutter og tørk med en nitrogen pistol. Umiddelbart forut for etterfølgende prosessering, dypp platen i H 2 O: HF (10: 1) i 10 sekunder og skylling i avionisert vann i 5 min.
  2. Fabrikere en lift-off-maske, som består av en germanium (Ge) / positiv fotoresist for eksempel S-1811. 15
    1. Spin-coat wafer med tynnet positiv fotoresist dobbeltlag (2 deler tynner-P: en del positiv fotoresist) ved 4000 rpm i 30 sek og deretter elektronstråle innskudd Ge.
    2. Mønster Ge ved hjelp av fotolitografi ved først å påføre heksametyldisilazan (HMDS) på skiven i 1 min og deretter skille ut overskudds ved 3000 opm i 30 sek.
    3. Spin på tynnet positiv fotoresist (2 deler tynner-P: en del positiv fotoresist) ved 2000 rpm i 30 sekunder og bake den på en varm plate i 1 min ved 110 ° C. Bruk en maske aligner å avsløre fotoresist og spray utvikle motstå med en tetra ammonium hydroksid-basert løsning.
    4. Reaktiv-ion etse Ge med en SF 6 / O 2 plasma på 70 W. Ash underliggende fotoresist med O 2 plasma å oppnå underslag av fotoresist.
    5. DC-magnetron frese-innskudd niob (Nb) grunnplanet med 3.7 mT av argon (Ar) på 500 W og løft det av ved å plassere wafer inne en aceton-fylt beger i 4 timer.
  3. Spin-coat bisbenzocyclobutene (BCB) ved 4000 rpm i 30 sekunder på den Nb-belagte overflaten av SOI-skiven og til en overflate av en annen silisiumskive. Binde de to BCB-belagte overflater sammen med 3 bar trykk ved 200 ° C.
  4. Manuelt flip platestabel opp ned for å begynne å behandle baksiden av SOI skiven.
  5. Etse silisiumhåndtaksplaten ved mekanisk lapping hjelp av Al 2 O 3 slurry, etterfulgt av dypreaktiv ioneetsing hjelp av Bosch-prosessen 16 Etch den begravde SiO to lag med H2O.: HF (10: 1) i 20 min.
  6. Innskudd molybdennitrid (Mo 2 N) ved hjelp av DC magne reaktiv sputtering på 700 W og 3.3 mT (Ar: N 2 ialtrykket = 7: 1). Mønster resonatorer ved å spinne ved 2000 opm i 30 sek, og baking av den ved 180 ° C i 2 minutter etterfulgt av sentrifugering tynnet positiv fotoresist (2 deler tynner-P: en del positiv fotoresist) ved 2000 opm i 30 sek. Utvikle fotoresist i en tetrametylammonium- hydroksyd-basert løsning og aske i en reaktiv ione etcher. Etse Mo 2 N med en fosforsyre-basert løsning.
  7. Fabrikere en lift-off-maske som består av en Ge / PMMA-dobbeltlaget ved å spinne på polymetylmetakrylat (PMMA) ved 5000 rpm i 30 sekunder og baking av den ved 180 ° C i 2 minutter, etterfulgt av elektronstråle deposition av Ge. Frese-innskudd Nb overføringslinjer og løft av i aceton (se trinn 1.2 med unntak av at den positive fotoresist erstattes med PMMA).
  8. I noen utførelsesformer, radiofrekvens (RF) frese-innskudd SiO 2, mønster den ved spinning med positiv fotoresist og etse i et hydrofluorsyre-basert løsning. Deretter løfter av en frese-deponert Nb tynn film ved hjelp av en germanium / positiv fotoresist liftoff masken som beskrevet i trinn 1.2.

2. Prosedyre for installasjon av Mikrobølgeovn Resonator Chip i Test Package

  1. Design og maskin en test pakke bestående av gull (Au) -belagt kobber hulrom (med en base og lokk) som matcher resonator chip dimensjoner, tilførselsledning inngang og utgang steder. MERK: hulrom størrelsen på huset bør spesifiseres for å støtte en single-modus operasjon med minimal parasittiske kopling over band av interesse.
  2. Design og dikte en kontrollert impedans mikrobølgeovn fan-out styret 17 å rute signaler mellom chip og Sub-miniatyr versjon A (SMA) kontakter.
  3. Sett SMA kontakter inn i inngangen og utgangen av prøvepakke, slik at senterlederen tangen er plassert over tilsvarende fan-out board kontakt pad. Bruke en loddemaske som beskytter mot kortslutning, og loddetinn i området ved sentrum lederpinnen. Plasser pakke på en varm plate og oppvarm til 200 ° C i ~ 5 minutter for å smelte loddemetallet. Avkjøl og fjern deretter loddetinn masken.
  4. Monter resonator sjetong i Au-belagt kobber pakke hulrom slik at on-chip tilførselsledning utgang og inngang pads er nær og justert til tilsvarende fan-out board coplanar waveguide (CPW) linjer. Sikre brikke med kobber klips som gjør kontakt langs kantene av hjørnene på brikken.
  5. Plasser superledende Al tråd bindinger mellom viften ut bord og on-chip kontaktputer. Plasser et maksimalt antall (~ 4 i saken presenteres her - se 4) av ~ 500-600-mikrometer lange, ~ 250 mikrometer-i-høyden metalltråd obligasjoner, for å gi impedans kamp mellom SMA-kontakt inngang og utganger og on-chip CPW tilførselsledning.
  6. Etter wire-binding, med et multimeter sjekke DC motstand mellom senter pinnene i inn- og utganger, og mellom et senter pin og bakken, for å bekrefte det er en elektrisk forbindelse på tvers av de to senter pins og en åpen forbindelse mellom sentrum linje og jord.

3. Prosedyre for installasjon av mikrobølgeovn Resonator i en Cryogenic Helium-3 Mikrobølgeovn teststed

  1. Monter teststed som i konfigurasjonen vist i figur 2, hvor en serie av SMA-kablene er fra RT til den 0,3-K kuldetrinn hvor anordningen skal monteres.
  2. Installere kobber (Cu) og superledende niob-titan (NbTi) kabler som vist i figur 2 for å tilveiebringe lav mikrobølge tap og, iFor de NbTi kabler, en lav termisk ledningsevne. Bruk NbTi kablene som en termisk pause mellom 2-K og 0,3-K etapper.
  3. Montere en kryogenisk høy elektron mobilitet transistor (HEMT) forsterker ved to-trinns K på utgangsledningen for lav støy forsterkning i båndet til det resonatoranordning og installere en sirkulator.
  4. Sette inn en kryogenisk sirkulator på utgangsledningen på inngangen til denne forsterker.
  5. Monter pakket resonatoranordninger en brakett boltet til 0,3-K kaldt scenen.
  6. Koble et mikrobølge attenuator på inngangssiden av pakken for å tilveiebringe matchet terminering og koble de riktige SMA kablene til denne attenuator inngang og utgang pakke. Sørg for at disse kontrollerte impedans avslutninger er godt avstemt, og er så nær til enheten under test som mulig - de definerer "enhet kalibrering flyet" (se figur 2).
  7. Lukk opp kryostaten. Følg standard prosedyre å kjøle enhetens til 0,3 K.

4. Prosedyre for mikrobølgeresonator Målinger

  1. Sett VNA å skanne over et bredt frekvensbånd (10 MHz - 8 GHz, for enheten vurderes her) på enhets-under-test design frekvenser. Juster effektnivåer på VNA til egnede nivåer for enheten under test (~ -30 dBm, for enheten vurderes her).
    MERK: Kontroller at inngangs RF effektnivået er lavt nok til ikke å overstige den kritiske strøm av superledende mikrobølgeovn resonator og superledende tilførselsledning. Kontroller at strømnivået er høyt nok til å gi en tilstrekkelig signal-til-støy-forhold.
  2. Kalibrere fleksible RF-kabler følgende standard Short-Open-Load-Thru (SOLT) prosedyre, etter VNA programvare retninger som finnes i VNA manualen. Sett i kortsluttet, åpne, avsluttet og gjennom standarder på utgangen av hver av de fleksible kabler, hvilken rute fra vektoren nettverket analysator, og som senere vil bli koblet til inngangenav kryostaten for målinger. Denne kalibreringen definerer "instrument referanseplanet" (se for eksempel figur 2).
  3. Etter dette SOLT kalibrering kontrollere gjengivelsen av kalibreringen ved å bekrefte at overføringen, S 21, med den gjennom linjen koblet målt med VNA, har lave restfeil (dvs. er responsen på ~ 0 dB-nivå og S 11 og S 22 er lav, for eksempel, ≤ -50 dB).
  4. Koble fleksible kabler til inngangs- og utgangslinjer kryostaten.
  5. Slå på kryogeniske mikrobølgeovn forsterker ved å påføre den nødvendige DC bias spenning som angitt i selskapet gitt dokumentasjon for mikrobølgeovn forsterker.
  6. Først fullføre en wideband skanning av VNA (10 MHz - 8 GHz, for enheten vurderes her) for å observere S 21 baseline struktur og å lete etter noen skarp høy Q </ Em> strukturer som tyder på mikrobølge resonatorer.
  7. Deretter begrense frekvensområdet (til ~ 2 - 4 GHz, for enheten vurderes her) og justere antall datapunkter (~ 30 000 for enheten vurderes her) av VNA å skanne over resonator band. Bruk et frekvensbånd bred nok til å gi en tilstrekkelig baseline spenn for senere passer til denne baseline å gjennomføre en in-situ kalibrering (se omtale i innledningen).
    MERK: Avhengig av støynivået, øke antall gjennomsnitt, eller redusere IF båndbredde for å forbedre signal-til-støy.
  8. Lagre disse VNA dataundersøkelser av komplekse overføring av data til fil for post-måling in-situ kalibrering, og analyse og utvinning av kvalitetsfaktorer og resonansfrekvenser. 11

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Responsen av en halv-bølge Mo 2 N resonator (figur 5) fremstilt på en 0,45 um-enkeltkrystall silisium dielektrisk ble validert med denne metoden. I dette tilfellet, kobling til en Nb koplanar bølgeleder (CPW) tilførselsledning for utlesning oppnås via kapasitiv kobling gjennom en frese-avsatt SiO 2 dielektrikum, i "H" -formet område på en av de åpne endene av resonatoren (se protokoll kapittel 1.6). I andre tilfeller ble kapasitiv kobling til de feedlines oppnås ved å fjerne regioner i Nb jordplanet. Resonatoren vist i figur 5 viser at fremstillingsteknikken tillater presentert for mikroskopisk superledende kretser på begge sider av et ultratynt enkeltkrystall silisiumlaget til å bli realisert uten oppruing substratoverflaten. Disse resonatorer representerer den mest kritiske komponenten av et MKID og denne teknikken gir god kontroll overderes integritet.

Den kryogeniske måling tilnærmingen beskrevet ble påført på en innretning med syv Mo 2 N resonatorer koplet til en enkelt mikrobølgetilførselsledning. I figur 6, er størrelsen av det målte transmisjonskoeffisient, S 21, i denne enheten ved VNA referanseplanet som en funksjon av frekvensen er vist. Her, koblingen av mikrobølgeeffekt til resonatorene ved hver av deres resonansfrekvenser, og dermed en dip i overføringen størrelse, kan sees. Den gjensidige påvirkning av resonatorene, så vel som deres interaksjon med kontinuum, kan resultere i en Fano spektral respons. 18 - 22 Denne effekten kan også eksperimentelt observert som en interaksjon mellom resonatorene sammen med den forholdsvis brede Fabry-Perot-resonanser som følge stående bølger i systemet. Slike refleksjoner produsere den dominerende spektrale variasjoner i dialektikkenVed instrument baseline for testkonfigurasjonen beskrevet her. Dataene som samles inn gjennom denne metodikken kan analyseres etter en in-situ kalibrering metode for å fjerne effekten av disse interaksjonene og trekke ut detaljert resonator og elektromagnetiske parametere av interesse.

Figur 1
Figur 1. spektrale respons av en resonator. Den svarte linjen viser overføring amplituden av en resonator i mørket med en resonans ved frekvensen f 0. Økningen i quasiparticle tetthet fører til resonans ved f 0 for å flytte til en lavere frekvens, f 0 -δ f, samtidig endrer amplitude av signalet (stiplet linje). Klikk her for å se en større versjonav denne figur.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk av eksperimentelle oppsett. Enheten under test består av flere Mo 2 N resonatorer koblet til en mikrobølgeovn Nb tilførselsledning gjennom kobling kondensatorer, C c. De trappet impedans resonatorer er realisert fra lav- og høy-impedans micros overføringslinjer. 11 Den er designet for å miniatyr resonatoren og øke sin harmoniske resonansfrekvenser bort fra sin grunnfrekvensen. Overføringsresponsen gjennom tilførselsledning måles med en VNA er koblet til DUT via kabler og andre komponenter. Modifisert fra Cataldo et al. 11 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

: Hold-together.within-page = "1"> Figur 3
Figur 3. Micros resonator fabrikasjon strømmen. Denne skjematisk illustrerer fremstillingsprosessen oppsummert i Protokoll 1. Denne prosessen tilveiebringer en måte å fremstille superledende krets på begge sider av en ultra-tynn enkeltkrystall silisium dielektrisk lag. Modifisert fra Patel et al. 14 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Micrograph av en ende av resonatoren-brikke montert i pakken. Al ledning bindingen forbindelser mellom on-chip CPW Nb tilførselsledning og en off-chip fan-out bord kan sees.4large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Micrograph av Mo 2 N micros mikrobølgeresonatoren koplet til en Nb tilførselsledning for utlesning. Den H-formede koplingsområdet til den CPW tilførselsledning er plassert i den øvre del av figuren, og er plassert på toppen av oksidsjiktet. Den Y-formede struktur som ligger i bunnen av figuren er brukt for å kople noen av resonatorene på andre enheter på skiven til en transmisjonslinje av mikrostrimmeltypen. Ytterligere detaljer om resonator design kan bli funnet i Cataldo et al. 11 og Patel et al. 14 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figur 6
Figur 6. Målt overføring, S 21, som en funksjon av frekvens (amplitude only) viser 7 Mo 2 N resonatorer koblet til en enkelt mikrobølgeovn tilførselsledning. Disse dataene ble tatt i kryogene teststed på 0,3 K ved hjelp av en VNA. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Enkelt-flipfremstillingsprosessen tilveiebringer et middel for å realisere supraledende resonatorer på begge sider av en tynn 0,45-um enkeltkrystall Si-substrat. Man kan bli motivert til å bruke en enkeltkrystall Si dielektrisk fordi den har mer enn en størrelsesorden lavere tap enn avsatt dielectrics (som Si 3 N 4) med tap tangenter i 4,0 til 6,5-GHz <1 x 10 - 5 23-24. evnen til mønsteret har på begge sider av dette underlaget gjør det mulig å ansette en microstripline resonator design, som gir god immunitet mot strølys og lav resonator-til-resonator crosstalk. Den lift-off-teknikk som er beskrevet gjør det mulig for integriteten til Si overflaten som skal opprettholdes, fordi ingen ruhet av overflaten opptrer under fordelingen av den superledende Nb tynn film. 15 Denne fremstillingsfremgangsmåten kan anvendes for en rekke strukturer som har en superledende microstripline arkitektur og forventet future bruksområder er å bruke det for langt infrarød spektrometre. 25 Dens viktigste begrensningen er at BCB brukes til å lime underlag sammen setter en øvre grense for behandling temperatur (~ 250 ° C).

Kryogene målinger av den komplekse overføring av disse resonatoranordninger, slik det er beskrevet i protokollen seksjonen, tillater en å trekke nøkkelmaterialparametere for superledende og dielektrisk substrat materialer og / eller for å overvåke deres respons på langbølget infrarød lys. Imidlertid er kalibrering og forberedelse av testoppsettet kritisk for evnen til å gjøre nøyaktige uttak av disse materialparametre. En standard SOLT kalibrering metoden som er benyttet til å kalibrere overføring gjennom de fleksible SMA kablene fra VNA med inngangen til kryostaten. Tilstedeværelsen av RF-attenuator på inngangsenheten og sirkulasjonspumpen ved utgangen av enheten er nødvendige for å tilveiebringe matchet termineringer. Post-måling kalibrering kan være Carried ut etter in-situ kalibrering fremgangsmåten beskrevet i Cataldo et al. 11 Denne in-situ kalibreringsprosedyren beveger referanseplanet til anordningen inngang og utgang (merket som "enheten kalibrerings plane" i fig. 2). Det bør bemerkes at i trinn 6 i protokoll seksjon 4, må et optimalt spektralt område og antall datapunkter bli registrert, noe som gir både tilstrekkelig sampling av de smale resonator-strukturer, men også en tidsrommet som går utover resonatorer for å gjøre det mulig for basislinjen til fjernes på riktig måte. Bort fra resonatorene, blir grunnlinjen tilstrekkelig frakoplet for å oppnå en objektiv amplitude kalibrering, og dermed redusere feil i parametrene som stammer fra den observerte respons.

For å kalibrere VNA data in-situ, blir følgende trinn utført: 1) Fit av komplekset baseline gjennom en analytisk modell fysisk motivert av grunnlinjen svar; 2) Normalizasjon av transmisjonens reelle og imaginære deler ved å tvinge overførings amplitude til å være lik en bort fra resonatorene; 3) Korreksjon for variasjoner i gevinst og flytting av referanseplanet ved DUT ved å dele ut komplekset baseline passform.

Detaljene i denne kalibreringstrinn kan bli funnet i Sec. IV av Cataldo et al. 11 Etter at dataene er blitt kalibrert, kan resonatorene være modellert på en av to måter. I det første muliggjør en fenomenologisk modell basert på fysisk realiserbare rasjonale funksjoner ekstraksjon av resonatorer 'senterfrekvenser og bredder, med en nøyaktighet på 1% uten å spesifisere kretsen nettverket (se kap. V av Cataldo et al. 11). I den andre, en ABCD-matriserepresentasjonen av det distribuerte transmisjonslinjekrets tillater modellering av den observerte responsen fra den karakteristiske impedans, Z, og forplantningskonstanter, γ, meddetaljert kunnskap om enheten geometri (f.eks linjelengder, l - se figur 2).. Selv konsekvent begrensninger for de elektromagnetiske konstituerende forholdet mellom materialets permittiviteten og permeabilitet gjennom Z og γ håndheves for å trekke ut parametere som resonatorer 'kinetiske induktans brøkdel og effektiv indeksen med en nøyaktighet på 2% når kombinert med elektromagnetiske simuleringer (se kap. VI i Cataldo et al. 11). Dette gjør det mulig å studere den indre strukturen av kretsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgments

Forfatterne erkjenner finansiell støtte fra National Aeronautics and Space Administration (NASA) s ROSES og apra programmer. GC erkjenner også Universities Space Research Association for å administrere sin avtale 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 mikrobølgeovn enheter MKIDs kryogeniske målinger kalibrering komplekse overføring mikro-fabrikasjon reaktiv sputtering wafer-nivå bonding
Fabrikasjon og karakterisering av 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