Connectique, pr´ecautions et thermalisation

Le circuit d´ecrit dans les paragraphes pr´ec´edents se pr´esente `a plus grande ´echelle sur une puce en silicium visible `a la figure 2.7.

L’´echantillon est connect´e au circuit de mesure par des fils d’aluminium de 25 µm soud´es aux plots d’un support en c´eramique Kyocera-LCC32 (cf. fig. 2.8) par une technique ultrasonique (wedge bonding) [Nordic Electronics], support sur lequel la puce en silicium est coll´ee `a l’aide de vernis General Elec-tric. Le support en c´eramique Kyocera est plac´e lui-mˆeme dans un support normalis´e LCC32-IC-support, o`u les quatre fils de mesure (les deux grilles, la tension de polarisation, et le courant) ainsi que la masse ´electrique du circuit

2.3. Appareillage technique 65

Fig. 2.8: Photographie du support en c´eramique Kyocera-LCC32. Les plots de contacts sont en nickel plaqu´e or. La base centrale de surface 7 × 10 mm2 accueille l’´echantillon. Seules six connections sont utilis´ees pour un circuit (quatre fils de mesure, et deux contacts `a la masse) (figure 2.7).

de mesure sont soud´es.

Le substrat en silicium ´etant recouvert par une fine couche isolante d’oxyde de silicium, la r´esistance tunnel des trois jonctions en s´erie, et la r´esistance tunnel de la jonction test simulant la r´esistance tunnel de la jonction centrale peuvent ˆetre mesur´ees `a temp´erature ambiante. L’utilisation d’un substrat en silicium non oxyd´e aurait n´ecessit´e, pour connaˆıtre les r´esistances tunnel, un refroidissement `a 4 K afin de le rendre isolant.

La moindre d´echarge ´electrostatique traverse n´ecessairement le circuit m´etallique et peut endommager les jonctions tunnel, les jonctions ´etant tr`es proches les unes des autres, et les ´epaisseurs des barri`eres d’oxyde tr`es minces. Le champ ´electrique n´ecessaire pour d´etruire la couche d’oxyde des jonctions tunnel approche les 5 GV/m pour des jonctions transparentes [Gloos 03]. La destruction de la (ou des) couche(s) d’oxyde se manifeste par un circuit ouvert, mais peut aussi se d´eclarer par un court circuit d’une ou plusieurs jonctions. Aussi, les micro soudures sont r´ealis´ees seulement apr`es avoir mis tous les contacts du support en c´eramique au potentiel ´electrique de la micro-soudeuse. Lors de la mesure des r´esistances tunnel `a l’aide d’un testeur sous pointes mis `a notre disposition par le CRTBT, une boite de test est utilis´ee

Multi-mètre ^échantillon mesure masse 1.5 M 1 M

Fig. 2.9: Sch´ema de la boˆıte de test pour mesurer une r´esistance tunnel `a tem-p´erature ambiante. L’´echantillon est d’abord connect´e avec la position ”masse”, le potentiom`etre ´etant en position de court-circuit. Ensuite, le multim`etre est allum´e, l’´echantillon est connect´e `a ”mesure” et la r´esistance du potentiom`etre est mise au maximum. Le multim`etre mesure ainsi la r´esistance du potentiom`etre (1 MΩ) en parall`ele avec l’´echantillon, le tout en s´erie avec la r´esistance de 1.5 MΩ.

(cf fig. 2.9) afin de limiter les d´echarges dues aux connections.

Des pr´ecautions sont prises ´egalement lors de la connection de l’´echan-tillon au syst`eme de mesure. Une fois les contacts r´ealis´es par ”wedge bon-ding” sur le support Kyoc´era, l’´echantillon est court-circuit´e au niveau des plots en or du support. Les lignes du syst`eme de mesure sont mises `a la masse par l’interm´ediaire de deux interrupteurs situ´es au sommet du cryostat. Le support Kyoc´era peut ainsi ˆetre plac´e sur le support normalis´e LCC32-IC-support, l’´echantillon est ainsi partout au mˆeme potentiel. Le court-circuit est enlev´e `a l’aide de pincettes avant de fermer le cryostat, l’´echantillon est ainsi connect´e au circuit de mesure. Les interrupteurs restent dans leur position ”masse” tant que les appareils de mesure ne sont pas connect´es au cryostat et allum´es.

Les mesures ont ´et´e pratiqu´ees dans un cryostat `a dilution de type Joule-Thompson dont la temp´erature de base avoisine les 60 mK (en fin de th`ese 40 mK). Le support normalis´e LCC32-IC-support a ´et´e viss´e sur un doigt froid en cuivre, `a l’int´erieur d’une boite en cuivre, doigt froid viss´e `a la chambre de m´elange en laiton du r´efrig´erateur `a dilution. Ce r´efrig´erateur `a dilution est appel´ee diluette en raison de sa petite taille due `a l’absence de pot `a 1 K. ´Etant en partie consacr´ee `a des exp´eriences en champ magn´etique intense produit par les bobines r´esistives du laboratoire, la chambre de m´e-lange est en laiton, et non en cuivre pour att´enuer les courants de Foucault qui apparaissent lorsque le champs magn´etique varie en fonction du temps, et donc le chauffage qui en r´esulte.

2.3. Appareillage technique 67

Le thermalisation de l’´echantillon et de la puce en silicium se r´ealise via le support en c´eramique o`u sur la base centrale, l’´echantillon est coll´e. La m´etallisation du support en c´eramique, et le blindage de chacun des fils de mesure en cuivre sont connect´es `a la masse en cuivre du doigt froid, conf´erant une masse thermique importante au syst`eme.

Les quatre contacts sont filtr´es par des filtres plac´es `a froid, appel´es ther-mocoaxes (cf. paragraphe suivant) qui viennent se brancher directement `a la sortie de la boˆıte de l’´echantillon en cuivre par l’interm´ediaire de connec-teurs coaxiaux Microdot. Les filtres thermocoaxes sont ensuite fix´es le long des tubes d’aspiration et d’injection du m´elange d’He3 - He4 par du fil de pˆeche pour la thermalisation depuis la chambre de m´elange jusqu’au d´ebut des ´echangeurs `a 200 mK. Concernant les grilles, les filtres sont suivis de cables coaxiaux en inox (gaine et ˆame). Concernant les fils de polarisation de tension et de mesure du courant, les thermocoaxes sont connect´es `a une paire de fils de manganin torsad´es.

La temp´erature de la boˆıte en cuivre est mesur´ee par une r´esistance en oxyde de ruth´enium RuO2 soigneusement coll´ee sur l’ext´erieur de la boˆıte de m´elange, dont le comportement exponentiel en fonction de la temp´erature est bien connu et calibr´e.