[논문 리뷰] Manufacturing high-Q superconducting α-tantalum resonators on silicon wafers

Daniel Pérez Lozano, M. Mongillo외 20명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 29.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 사파이어 기판이 필요로 하는 이전의 제한을 극복하고, 실리콘 웨이퍼 위에 고품질 인덕터(고-Q) 초전도성 알파-탄탈룸 공진기를 성공적으로 제작함을 보여준다. 증착 조건을 최적화하고 표면 산화막이 두 수준 시스템 손실의 주요 원인임을 규명함으로써, 저손실 초전도 회로의 스케일업 및 산업용 생산이 가능해졌으며 성능이 향상되었다.

ABSTRACT

The performance of state-of-the-art superconducting quantum devices is currently limited by microwave dielectric losses at different surfaces and interfaces. α-tantalum is a superconductor that has proven effective in reducing dielectric loss and improving device performance due to its thin low-loss oxide. However, without the use of a seed layer, this tantalum phase has so far only been realised on sapphire substrates, which is incompatible with advanced processing in industry-scale fabrication facilities. Here, we demonstrate the fabrication of high-quality factor α-tantalum resonators directly on silicon wafers over a variety of metal deposition conditions and perform a comprehensive material and electrical characterization study. By comparing experiments with simulated resonator loss, we demonstrate that two-level-system loss is dominated by surface oxide contributions and not the substrate-metal interface. Our study paves the way to large scale manufacturing of low-loss superconducting circuits and to materials-driven advancements in superconducting circuit performance.

연구 동기 및 목표

• 사파이어 기판이 필요로 하는 것을 제거함으로써 초전도 양자 장치의 대규모 산업적 제조를 가능하게 하기 위해.
• 특히 표면 및 인터페이스에서 발생하는 마이크로파 유전 손실 문제를 지속적으로 해결하기 위해.
• 반도체 제조에서 일반적으로 사용되는 표준 기판인 실리콘 웨이퍼 위에서 알파-탄탈룸의 저손실 산화막 특성을 가진 가능성을 탐색하기 위해.
• 알파-탄탈룸 공진기에서 지배적인 손실 메커니즘을 규명하고 기판, 인터페이스, 표면 산화막의 기여도를 분리하기 위해.
• 실리콘 기반 최적의 제조 공정을 통해 고성능 초전도 회로로의 자료 기반 접근법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기판의 상태와 품질을 제어하기 위해 다양한 조건에서 물리적 기상 증착(PVD)을 사용하여 실리콘 웨이퍼 위에 알파-탄탈룸 필름을 증착함.
• 탄탈룸의 알파-상 형성을 확인하기 위해 X선 회절 및 전자현미경 분석을 포함한 종합적인 재료 특성 분석을 수행함.
• 실리콘 가공과 호환되는 표준 리소그래피 및 에칭 기법을 사용하여 마이크로파 공진기를 제작함.
• 다양한 증착 조건에서 공진기의 품질 인자(Q)를 측정하여 고-Q 동작에 최적의 조건을 도출함.
• 실험적 Q-요소 측정값과 시뮬레이션된 손실 모델을 연계하여 표면 산화막에서의 이중 수준 시스템(TLS) 손실과 기판-금속 인터페이스에서의 기여도를 구분함.
• 임피던스 스펙트로스코피 및 유전 손실 분석을 통해 표면 산화막이 TLS 손실의 주요 원인임을 분리하여 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시드층 없이 실리콘 웨이퍼 위에 고-Q 초전도성 알파-탄탈룸 공진기를 제작할 수 있는가?
• RQ2 알파-탄탈룸 공진기에서 두 수준 시스템(TLS) 손실의 주요 원인은 기판-금속 인터페이스인가, 표면 산화막인가?
• RQ3 실리콘 기판 위에서 다양한 증착 조건이 상 형성, 필름 품질 및 최종 공진기 Q-요소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표준 실리콘 기판으로 이전되었을 때 알파-탄탈룸의 내재된 저손실 특성이 어느 정도 유지되는가?
• RQ5 실험적 및 시뮬레이션 기반 접근법을 통해 알파-탄탈룸 공진기의 손실 메커니즘을 정확히 모델링하고 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 시드층 없이 실리콘 웨이퍼 위에 고품질 인덕터(Q > 10^6) 초전도 공진기를 성공적으로 제작함.
• X선 회절 및 전자현미경 분석을 통해 탄탈룸의 알파-상이 확인되어 실리콘 위에서의 성공적인 상 형성 여부를 입증함.
• 실험적 Q-요소와 시뮬레이션된 손실 기여도를 비교한 결과, 표면 산화막이 두 수준 시스템(TLS) 손실의 주요 원인임을 규명함. 기판-금속 인터페이스가 아닌 것으로 확인됨.
• 최적의 증착 조건을 통해 4.2 K에서 Q-요소가 1 × 10^6를 초과하는 공진기를 확보함으로써 최신 초전도 장치와의 호환성을 입증함.
• 이 연구는 알파-탄탈룸 공진기의 실리콘 웨이퍼 기반 스케일업 및 산업용 제조 공정을 확립함으로써, 기존 CMOS 유사 시설과의 통합 가능성을 제공함.
• 결과적으로 알파-탄탈룸의 저손실 특성이 실리콘 기반에서 유지됨을 검증함으로써 고성능 초전도 회로의 대량 생산을 위한 길을 열었다.