Flip-Chip Architecture for Graphene-Based Materials

Thumbnail Image

Files

Kekkonen_Lilian_2025.pdf (9.82 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-26

Department

Major/Subject

Quantum Technology

Mcode

SCI3103

Degree programme

Aalto Bachelor’s Programme in Science and Technology

Language

en

Pages

29+4

Series

Abstract

Flip-chip bonding is a promising chip-level interconnection technique that enables 3D integration of superconducting microwave chips and offers possibilities for scalable integration of quantum devices. This technique provides advantages such as significantly higher packaging density and new opportunities in 3D chip architecture. The aim of this thesis is to investigate the flip-chip bonding technique based on indium bump deposition using superconducting microwave resonators. In this way, we can assess the potential of flip-chip bonding to enable combined radiofrequency and direct-current measurements, which are crucial for characterizing sensitive two-dimensional materials such as graphene-based materials. The thesis focuses on the fabrication process of the flip-chip bonding interface and the associated microwave measurements. A theoretical overview of superconductivity, resonators, and the fundamentals of flip-chip bonding is presented to establish the context. Microwave measurements were performed in a cryogenic environment using a dilution refrigerator, where both the resonators and indium bumps exhibit superconductivity. The resonator responses were characterized by fitting Lorentzian functions to the experimental data. This enabled the extraction of parameters such as resonance frequency and quality factor, which were then compared between bonded and unbonded configurations to evaluate the success of the flip-chip integration. In conclusion, a prototype sample was successfully fabricated using a manual approach and measured in a cryostat, which demonstrated the feasibility of the technique. However, the actual sample following the proposed fabrication process could not be measured due to issues in the final fabrication steps. Despite this, nearly all critical fabrication procedures were established.

Flip-chip-liitostekniikka on lupaava sirutason kytkentämenetelmä, joka mahdollistaa suprajohtavien mikrosirujen kolmiulotteisen integroinnin ja jota voidaan hyödyntää kvanttilaitteiden skaalaamisessa. Verrattuna perinteisiin liitostapoihin, flip-chip-liitostekniikka tarjoaa huomattavasti suuremman sirujen pakkaustiheyden sekä uusia mahdollisuuksia monimutkaisten 3D-rakenteiden toteuttamiseen. Tämän kandidaatintyö tutkii indiumnystyihin pohjautuvaa flip-chip-liitostekniikkaa käyttäen suprajohtavia mikroaaltoresonaattoreita. Tavoitteena on arvioida flip-chip-liitostekniikan mahdollisuuksia toteuttaa samanaikaisia radiotaajuus- ja tasavirtamittauksia, mikä on oleellista esimerkiksi herkkien 2D-materiaalien, kuten grafeenipohjaisten materiaalien karakterisoinnissa. Työssä keskitytään sekä flip-chip-rakenteen fabrikaatioprosessiin että niiden mikroaaltomittauksiin. Aluksi esitellään teoreettinen katsaus suprajohtavuuteen, resonaattoreiden toimintaan ja flip-chip-liitostekniikan perusteisiin, mikä luo pohjan kokeellisille menetelmille. Mikroaaltomittaukset suoritettiin kryogeenisissä olosuhteissa diluutiokryostaattia hyödyntäen, jolloin resonaattorit sekä indiumnystyt muuttuvat suprajohtaviksi. Mikroaaltoresonaattoreiden taajuusvasteita karakterisoitiin sovittamalla Lorentzin funktio kokeelliseen dataan. Näin voitiin määrittää keskeisiä parametreja, kuten resonanssitaajuus ja hyvyysluku, joita vertailtiin liitettyjen ja liittämättömien rakenteiden välillä. Tulosten perusteella voidaan arvioida, miten hyvin flip-chip-integraatio on onnistunut. Prototyyppinäyte, joka fabrikoitiin manuaalisella menetelmällä ja mitattiin kryostaatissa, osoitti flip-chip-liitostekniikan toteutuskelpoisuuden. Kuitenkin varsinaista näytettä, joka seurasi suunniteltua fabrikaatioprosessia, ei voitu mitata viimeisissä fabrikaativaiheissa kohdattujen ongelmien vuoksi. Tästä huolimatta kaikki fabrikaatiovaiheet ennen tätä saatiin määriteltyä ja toteutettua onnistuneesti.

Description

Supervisor

Raasakka, Matti

Thesis advisor

Hakonen, Pertti

Keywords

flip-chip, 3D integration, microwave resonator, graphene, superconductivity

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510218402

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI