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高Q值氮化硅薄膜谐振器的制备与表征

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DOI：

10.3791/68706

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2025年8月8日

 ,  ,  ,  , 
1Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson

本文内容

摘要

本文追踪了氮化硅薄膜谐振器的生命周期，从设计、制备到表征的全过程。

摘要

氮化硅薄膜是一种广泛应用的光机械谐振器平台，具有高机械品质因数（Q）、低光学损耗，并可通过多种应变工程、声子晶体和光子晶体工程技术实现增强的光机械耦合。尽管这类器件已被广泛使用，其制备与表征过程往往依赖于研究团队之间口口相传的隐性知识。本文提供了一个详细的视频教程，全面展示现代氮化硅薄膜谐振器的设计、制备与表征流程（具体而言，是一种厘米尺度的Si3N4纳米带，可在室温下支持Q值超过108的扭转模式）。该实验方案涵盖了有限元仿真、晶圆级与芯片级加工工艺，以及基于光学杠杆的读出技术。特别关注了光刻图形化、干法与湿法刻蚀、器件操作处理以及衰减测量等关键步骤。本教程既可为初学者提供实用的入门指导，也可为有经验的研究团队在复制或改进类似器件时提供参考。所有操作均在标准的高校洁净室和实验台环境中完成。

引言

氮化硅薄膜在量子光力学中发挥了重要作用1 在过去的二十年中，从发现商用膜（透射电镜载网）能够支撑品质因数与频率乘积超过10的鼓模开始13 赫兹，并采用中间膜方法耦合到高精细度光学腔2,3,4逐渐认识到，张应力和振型如何通过一种称为耗散稀释的效应影响机械品质因数Q。5,6），推动了微图案膜——蹦床状7,8二维与一维声子晶体9,10，分形11，以及周长模式谐振器12—Q值高达109结合低温技术，这些装置实现了诸如基态冷却等具有里程碑意义的实验13,14, 有质动力压缩15光机械纠缠16，以及超越标准量子极限的位移测量17,18它们还在下一代光机械技术以及新物理探测的方案中占据重要地位，包括基于薄膜的力显微镜19加速度计20，光谱仪21，量子存储器22微波到光子光子转换器23以及暗物质探测器24.

尽管硅氮化物薄膜谐振器广受关注，其设计、制备与表征在光力学领域内仍属小众方向，主要依赖于口口相传及学位论文中记载的定制化技术25,26,27,28,29,30,31,32。近期一篇关于纳米机械谐振器干涉测量表征的综述已使后一任务更加清晰易懂33，而借助商用有限元仿真软件，对耗散稀释的建模也已变得简便28。然而，纳米加工仍是进入该领域的主要障碍，因为该工艺虽然流程直接，却包含一系列精细步骤，而这些步骤中的细微要点往往在传统的口头描述和工艺流程图中被忽略。

本文以厘米尺度的氮化硅纳米带34（一种结构简单但性能稳健的平台，正日益广泛应用于扭转量子光力学35,36和精密测量37,38）为例，以视频形式展示硅氮化物薄膜谐振器的设计、制备与表征过程（该方法可轻松适配于其他谐振器几何结构）。设计部分简要概述了如何使用商用有限元软件对薄膜振动模式进行仿真。制备流程是本教程的核心，涵盖衬底准备、薄膜沉积、图形化、刻蚀及释放等步骤。文章最后演示了利用光学杠杆（OL）技术进行的表征实验。本资源旨在为从事高Q值薄膜谐振器研究的科研人员提供一个实用的入门指导或复习资料。

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方案

1. 模拟与设计 32,28

  1. 选择谐振器参数以最优地满足预设目标
    1. 构建所关注的通用谐振器几何结构的 COMSOL 模型。启动软件建模向导并创建二维仿真。在结构力学物理场菜单下，选择 Plate or Shell（板或壳）。
      注意：在此上下文中，板与壳之间的差异极小。
    2. 在设计过程中，器件的频率、模态形状、有效质量及品质因数最为关键。因此，在“选择研究”菜单中选择 Eigenfrequency, Prestressed（预应力特征频率）。
    3. 构建谐振器几何结构，并将所有域的材料设置为化学计量比的氮化硅（在软件材料库中列为 Si3N4-silicon nitride）。
      注意：氮化硅的力学性能因化学计量比和沉积工艺的不同而有所变化。我们将默认材料密度修改为 2700 kg/m3，以反映本研究中所用薄膜的特性（见下文）。
    4. 在模型中添加与 Si3N4 薄膜预应力相对应的初始应力和应变（本例中设定为 1 GPa）。然后添加一个固定约束节点，并选择 Device's clamps（器件夹具）。
    5. 在“网格”节点下，选择 Extremely Fine（极细）的单元尺寸选项。选择此选项对于精确模拟耗散稀释效应至关重要。为进一步提高精度，可在“网格密度”窗口中调整网格密度。
    6. 进入稳态研究步骤，确保勾选 Include geometric nonlinearity （包含几何非线性）选项。在特征频率研究步骤下，选择求解的模态数量并运行仿真。
    7. 在“结果”节点下，添加一个全局评估，用于估算由耗散稀释引起的谐振器品质因数——即总动能与弹性应变能之比乘以本征品质因数28,32,39。
    8. 调整谐振器的几何结构，直至其有效质量、频率和品质因数达到设计要求。
    9. 将设计的几何结构导入 GDSII 格式的 CAD 文件，并填充至晶圆级 CAD 布局中（本研究使用正性光刻胶，因此仅对谐振器周围区域进行建模）。
    10. 除谐振器层外，还需添加底层结构，表示每个器件下方的背窗，用于移除器件背面的材料。此设计也可加快后续湿法刻蚀过程。
    11. 最后，在两层结构的晶圆 CAD 布局的顶部、底部和两侧放置划片线及四个对准标记。这有助于在使用光刻机时正确对准晶圆背面。

2. 晶圆级制备 1

注意：Si3N4 沉积步骤可由读者自行完成，但本实验室缺乏相应的设备，因此本研究采用 commercially sourced 的晶圆作为起始材料。图1下方展示了制备流程的概览。

制备流程示意图：Si₃N₄薄膜在Si上；步骤：旋涂、紫外光刻、刻蚀。
图1：制备流程概述。（A）在裸硅基底上沉积一层氮化硅薄膜。随后将晶圆（B）涂覆光刻胶，用于（C）光刻。在（C）中定义的图案作为保护掩模，用于（D）反应离子刻蚀，将谐振器结构刻入薄膜中。划片后，（E）使用丙酮去除光刻胶，然后（F）用氢氧化钾溶液去除硅基底。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 将前一节中设计的图形图案化到双面氮化硅（Si3N4）覆硅（Si）晶圆上。使用低压化学气相沉积（LPCVD）在裸硅基底上沉积一层高应力的氮化硅（Si3N4）薄膜。典型的沉积参数为：石英温度 = 800 °C，压力 = 10 mTorr，注入气体混合物 = 二氯硅烷（SiH2Cl2）和氨气（NH3）。
    警告：SiH2Cl2 易燃且具腐蚀性，吸入后具有急性毒性，仅可在采取充分防护措施并佩戴适当个人防护装备（PPE）的情况下操作。注意：此步骤通常外包给第三方晶圆加工服务商完成，为行业惯例。
  2. 六甲基二硅氮烷（HMDS）气相预处理40
    注意：若具备 HMDS 烘箱，可自动完成预处理过程，以下步骤可被替代。
    1. 将一片洁净的双面氮化硅（Si3N4）覆硅晶圆放置于一个宽口玻璃培养皿内的两片载玻片上，使载玻片间距适当，仅支撑晶圆外缘，以改善后续步骤中背面的预处理效果。
    2. 使用一次性毛细移液管，在培养皿边缘滴加数滴 HMDS。在通风橱内，盖上玻璃培养皿，并在加热板上加热至 90 °C，持续 1 分钟，使 HMDS 蒸发并附着于氮化硅（Si3N4）表面。
      警告：HMDS 易燃、具刺激性，吸入后可导致长期健康问题，仅可在通风橱内操作。
    3. 1 分钟后，轻柔移除培养皿盖，排出残留的 HMDS 气体。将晶圆转移至底部垫有洁净室擦拭布的塑料培养皿中。
  3. 旋涂光刻胶
    1. 在涂布光刻胶前，将加热板预热至 115 °C，以确保后续步骤中加热板达到规定温度。
    2. 将已预处理的晶圆置于旋涂仪中心，使用真空吸盘固定。保持旋涂仪开启，以便后续操作。
    3. 使用针管吸取不超过 4 mL 的 S1813 光刻胶41。轻弹针管并排出少量液体，以去除气泡。
      警告：S1813 为易燃刺激性物质，仅可在佩戴适当个人防护装备（PPE）且远离明火或火花的条件下操作。
    4. 取下针头，更换为 2 µm 滤膜以去除大颗粒杂质。同前一步骤，轻弹针管并排出 3–5 滴液体，以去除滤膜中残留的气泡。继续操作前，确保针管中至少剩余 3 mL 光刻胶。
    5. 逐滴将光刻胶滴加至晶圆表面，形成一个较大的液滴。随着液滴扩大，将光刻胶滴加至其边缘附近，以确保液滴大致居中。若液滴表面出现气泡，使用针尖刺破后再继续操作。
    6. 关闭旋涂仪盖，设定转速为 3000 rpm，持续 30 秒，加速度为 3000 rpm/s。根据光刻胶制造商提供的参数，此设置可在晶圆表面形成均匀的 1.5 µm 厚度光刻胶层6。
    7. 检查成膜后是否存在气泡、条纹或不均匀现象。若发现缺陷，关闭旋涂仪，使用丙酮和异丙醇（IPA）清洗晶圆表面。此过程中运行旋涂仪有助于更彻底地去除残留物。
    8. 重复步骤 2.3.1–2.3.7，以形成新的光刻胶层。
      警告：丙酮和异丙醇均为易燃刺激性物质，仅可在佩戴适当个人防护装备（PPE）且远离明火或火花的条件下操作。
    9. 若光刻胶层无缺陷，关闭真空吸盘，将晶圆转移至预热的加热板上，进行 1 分钟烘烤6。烘烤可蒸发残留溶剂，为后续光刻工艺做准备。
    10. 烘烤完成后，从加热板上取下晶圆，进入光刻步骤。
  4. 光刻工艺
    1. 将涂覆光刻胶的晶圆装入无掩模对准（MLA）光刻机中。确保晶圆尽可能居中，以最小化全局旋转和偏移误差。
    2. 将步骤 1.2 中生成的晶圆文件载入计算机，并转换为 MLA 软件可识别的文件格式。首先对正面层进行曝光，该层已填充谐振器设计图案。
    3. 加载晶圆和 CAD 文件后，选择对应的晶圆形状和尺寸。设备将通过边缘检测算法自动完成对准。
    4. 完成对准后，选择包含全局旋转误差的选项，并加载以下光束曝光参数。对于该光刻胶 1.5 µm 厚度，375 nm 波长下 140 mJ/cm2 的光束强度可获得最佳效果1。
    5. 在所有曝光参数加载完毕且晶圆对准后，开始曝光。对于一个直径为 100 mm、划分为 12 mm 方形芯片的晶圆，此过程通常耗时约 20 分钟。
    6. 在光刻曝光结束前 5 分钟，用去离子水（DI）冲洗两个大培养皿，并用压缩氮气吹干。
    7. 向其中一个培养皿中加入约 75 mL 的 MF-319 显影液42，另一个培养皿中加入大量去离子水。
      警告：MF-319 具腐蚀性、刺激性，并可能造成长期健康风险，仅可在佩戴适当个人防护装备（PPE）的条件下使用。
    8. 曝光完成后，从 MLA 中取出晶圆，转移至 MF-319 显影液中，静置 20 秒。
    9. 显影 20 秒后，通过轻柔地以圆形方式晃动培养皿，继续搅动溶液 40 秒，以去除已曝光的光刻胶。若仍有曝光区域残留，可额外搅动 30 秒，但需注意避免过度显影42。
    10. 将晶圆转移至装有去离子水的第二个培养皿中，以稀释残留显影液。使用冲洗瓶或去离子水枪，对晶圆两面进行轻柔冲洗，彻底去除残留物。
    11. 最后，使用压缩氮气枪沿晶圆表面吹扫，去除残留的去离子水。使用低气压并正确调整喷枪方向，以最大限度减少损伤风险。
  5. 反应离子刻蚀40
    1. 将显影后的晶圆装入反应离子刻蚀机中，将光刻胶图案转移至氮化硅（Si3N4）薄膜上。按以下参数运行刻蚀工艺，每次 5 秒，去除 30 nm 的 Si3N4 [40]；气体组成：30 sccm 六氟化硫（SF6）和 10 sccm 氩气（Ar）；高频偏压：50 W；感应耦合等离子体功率：1000 W；腔室压力：10 mTorr。
      注意：由于侧壁轮廓可忽略，该刻蚀过程可连续进行，无需分步。然而，分步刻蚀可降低光刻胶硬化的风险。
    2. 重复运行该工艺，每次去除约 30 nm 的 Si3N4，直至暴露区域呈现银色，表明基底已暴露。最后，从反应离子刻蚀机中取出晶圆；此时晶圆已准备好进行背面图案化。
  6. 背面图案化
    1. 将晶圆重新放入旋涂仪中，器件面朝下。涂布一层与步骤 2.3 相同的 1.5 µm 厚度光刻胶。
      注意：由于步骤 2.4 中的光刻胶层在步骤 2.5 的等离子刻蚀中得以保留，其可作为保护层，防止下方薄膜受损。
    2. 将新涂布的光刻胶面朝上，重新将晶圆装入 MLA，旋转 180°。重新加载晶圆 CAD 文件至 MLA 软件，转换为可接受的文件格式，并沿相应轴进行镜像。查看转换后的 CAD 文件，确保其方向与晶圆一致。
    3. 重复步骤 2.4.3–2.5.2。
  7. 晶圆切割
    1. 以氮化硅中刻有的划片线为引导，将两片载玻片平行于基底晶向放置于晶圆上。小心地将金刚石划片刀插入两片载玻片之间，沿划片线拖动，在晶向面上划出刻痕。
    2. 重新对齐载玻片至新的划片线，使用划片刀在晶圆另一区域划出刻痕。重复此划痕过程，直至所有芯片边缘均完成划痕。
    3. 将晶圆置于载玻片上，使划片线与两片载玻片等距。若刻痕足够深且对齐良好，施加轻微压力至晶圆顶部即可沿晶向面裂开，实现完美断裂。以此方式连续断裂晶圆，形成独立的芯片。

用于薄膜张力测试装置的实验装置；包括支撑结构、样品架和水浴槽。
图 2：定制芯片架。该定制芯片架设计用于在最大化KOH刻蚀暴露面积的同时，保持芯片直立。(A) 显示装置基本结构的CAD示意图。最终结构由一小块聚四氟乙烯（PTFE）特氟龙材料加工而成，以具备化学耐受性。(B, C) 将芯片垂直放入支架中，并使用一根聚四氟乙烯棒将其浸入化学溶液中。此图经修改自32。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 芯片级处理 32

  1. 将图案化的谐振器从其硅基底上释放，以制备自支撑薄膜。
    1. 首先，将40 mL浓度为45%的氢氧化钾（KOH）溶液加入容器（或烧杯）中，并使用加热板加热至86 °C。覆盖溶液以促进温度梯度均匀。
      警告：KOH具有腐蚀性并可引起刺激，仅可在通风橱内佩戴适当的个人防护装备（PPE）操作。
    2. 使用一股强力氮气吹除塑料样品 holder（带盖）上的灰尘，并用异丙醇（IPA）冲洗与芯片尺寸相同的薄金属垫片，再用压缩氮气吹干。该垫片将在该holder内作为释放膜的支撑架。
    3. 小心地从胶带上剥离切割好的芯片，并将其浸入超声波丙酮浴中至少30秒，以去除光刻胶和表面污染物。随后用少量IPA快速冲洗以去除丙酮，并用压缩氮气吹干。
    4. 可选：为减薄Si3N4薄膜和/或去除顽固污染物，可将芯片浸入10%氢氟酸（HF）缓冲溶液中，以1.55 nm/min的速率进行刻蚀。此步骤为可选，可在KOH刻蚀前或后执行。
      警告：HF具有急性毒性且具强腐蚀性，使用前需特别注意安全事项。仅可由经过专门培训的人员操作，须佩戴耐酸手套/围裙，并备有葡萄糖酸钙凝胶以应对可能的暴露。
    5. 为防止外来污染物重新附着于芯片，应立即将其置于通风橱内的定制聚四氟乙烯（PTFE）holder1中。该holder如图2所示。
  2. KOH湿法刻蚀
    1. 将定制的芯片holder缓慢浸入KOH溶液中。覆盖溶液以维持均匀的温度梯度。由于在约62 °C的浴温和45%浓度下，KOH对硅的刻蚀速率约为10 µm/hr43,44（对于200 µm厚的晶圆，大约需要一天时间，具体取决于器件几何结构），建议在刻蚀装置旁设置摄像头，以便远程监控。
      注：KOH优先沿基底的晶面方向与硅反应。尽管沿其他方向的刻蚀速率较小，但仍不可忽略，会导致角落特征缓慢刻蚀2。
    2. 当谐振器周围的硅完全被刻蚀且薄膜已释放后，通过将容器从加热板上移开以终止反应。由于KOH溶液具有较高黏度，直接取出器件可能导致薄膜破裂8，因此应通过反复移除KOH溶液并加入去离子水（DI水）的方式逐步替换KOH溶液，过程中液面始终不得低于芯片顶部。重复此过程直至全部溶液被替换。
    3. 为防止后续步骤中KOH与溶剂发生交叉污染，将芯片holder转移至新鲜的DI水浴中。
      1. 用大量DI水充满一个大容器，水量需足以同时覆盖刻蚀容器和DI水容器，并留出holder置于其上的空间。使用镊子将新的DI水浴放入该容器中，随后放入刻蚀容器。
      2. 使用浸入棒轻轻将芯片holder从刻蚀容器中提起，在保持芯片始终浸没的条件下转移至DI水浴中。随后用镊子将两个容器从大容器中取出，仅留下芯片holder置于洁净的DI水浴中。
  3. 清洗释放后的薄膜
    1. 将芯片转移至新鲜DI水浴后，参照步骤3.2.2的方法，逐步将DI水替换为异丙醇（IPA）。同样，液面始终不得低于芯片的上边缘。
    2. 当已转移出相当于两个浴体积的液体后，重复该过程，将IPA替换为甲醇。
    3. 当再次转移出相当于两个浴体积的液体后，从甲醇浴中取出器件，并沿芯片平面用轻柔的氮气流小心吹干。
      注：释放后的薄膜极为脆弱，必须小心操作。为最大限度减少薄膜破裂或污染的风险，应使用碳纤维尖端镊子夹持芯片边缘或角落。在液体浴中操作时，应使芯片移动方向偏离薄膜平面，使液体仅轻微掠过表面。
    4. 在显微镜下检查器件是否存在碎屑、残留光刻胶或缺陷。如有必要，可将芯片重新放入甲醇中一段时间后再次干燥，以进一步清洁。
  4. HF湿法刻蚀及附加清洗
    1. 若碎屑在步骤3.3.4的甲醇清洗后仍难以去除，可将芯片浸入10% HF缓冲溶液中进行刻蚀。需注意，该溶液与Si3N4的反应速率约为1.55 nm/min。多数情况下，短暂浸入即可去除薄膜表层。
    2. 浸入HF后，立即将器件转移至DI水浴中30秒，以稀释残留HF。
    3. 将芯片转移至IPA浴中再浸泡30秒，最后根据污染程度转移至甲醇浴中1–5分钟。
    4. 达到所需时间后，从甲醇浴中取出芯片，并用轻柔的氮气流小心吹干。
    5. 重新检查芯片，必要时再次清洗。确认器件洁净后，将其轻轻放置于步骤3.1.2中的垫片上方的holder内。

4. 芯片的表征

  1. 开始表征时，将释放后的膜面朝上装入带有透射窗口用于光学探测的真空腔室中。为尽量减少机械损耗，将芯片放置在腔室内时不要使用胶带或胶水固定25。为尽量减少气体阻尼，将腔室抽真空至压力低于10-7 mbar（见讨论部分）。
  2. 光学杠杆（OL）装置用于测量模式位移34,35。
    注意：光学杠杆法具有多种实际优势；但由于其依赖于探测角偏转，因此对于某些模式形状，其灵敏度低于干涉测量法。关于薄膜谐振器的干涉式位移读出，我们建议读者参考文献33以获得有用概述。
    1. 首先，使用准直激光束并通过聚焦透镜将其光斑尺寸调节至与待测最大特征尺寸相当，照射到样品上。这一点非常重要，因为光学杠杆的灵敏度与光斑尺寸和反射功率均成正比35。
    2. 尽可能使激光束垂直入射到样品表面，通常通过将其反射回光学光纤进行对准。尽管入射角对灵敏度影响不大，但可简化后续对准过程。
    3. 在激光垂直入射条件下，在样品与聚焦透镜之间插入一个分束器。该分束器用于分出从谐振器反射的光。
    4. 将平衡光电探测器置于分出的光路中，并远离实验装置放置，理想情况下应大于聚焦光束的瑞利长度，以最大化灵敏度35。OL装置的示意图见图3A。
  3. 位移读出与热噪声测量
    1. 移动入射光束，使其在谐振器上聚焦于模式曲率较高的区域。该位置可通过参考步骤1中仿真得到的模式形状确定。根据需要重新调整装置其余部分的对准。
    2. 当光照射到分束型（或四象限）光电探测器时，探测器输出信号被送入数字化仪。使用快速傅里叶变换（FFT）方法计算数字化信号的实时功率谱密度（PSD）34。
    3. 对于足够灵敏的OL测量，热噪声峰会在宽带信号的PSD中显现。为识别特定模式，将热噪声峰的位置与步骤1中仿真预测的本征频率进行比较。示例热噪声峰如图3B所示。进行该测量时，应对多个PSD估计值（周期图）进行均方根（RMS）平均。
  4. 能量衰减测量
    1. 振荡模式中包含的能量与PSD曲线下的面积成正比。首先跟踪以模态共振频率峰值为中心的窄带范围内的积分。随着能量被加入并随后耗散，可由此表征其耗散行为。
    2. 当以相干驱动形式加入能量时，共振峰（及其下方面积）将增大。为实现这一点，可在真空腔室侧面放置一个压电驱动器，或向样品引入第二束激光。在任一情况下，驱动源均需在模态的共振频率下进行调制。
      注意：也可通过“敲击”方式向振荡器加入能量。轻敲真空腔室产生的脉冲力会形成瞬时的非相干白噪声驱动，可同时激发多个模式，但结果一致性较差。
    3. 驱动关闭后，模态振荡能量将呈指数衰减。通过衰减过程后的拟合推断振荡器的阻尼率。通过将共振频率除以阻尼率来计算模态Q值。
    4. 重复多次该衰减测量过程，以获得平均Q值并验证结果的一致性。
  5. 频闪读出
    1. 若器件表现出非线性衰减行为，或不同衰减过程间结果差异显著，则器件可能与探针发生相互作用，并通过光热效应被驱动45。为避免此问题，可采用频闪衰减法10，即探针光仅开启数秒，随后关闭更长时间。通过每次仅暴露数秒探针光，可最大程度减少谐振器的加热效应。

光学研究中带有光电二极管、PSD 图谱和微芯片样品的激光干涉仪装置。
图 3：表征装置示意图。（A）展示光学杠杆基本结构与工作原理的示意图。一束准直激光通过透镜聚焦到样品表面，利用分束器将反射光分离并引导至分裂式光电二极管。（B）热噪声PSD信号示例，平均50次，分辨率带宽为0.1 Hz。（C）谐振器放置于定制的铝制支架上，接触面积最小化，以减少外部机械损耗。请点击此处查看该图的高清版本。

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结果

我们通过制备一个包含多个100 nm厚的对角线形条带谐振器34的晶圆，并表征其前几个振动模式，来演示该实验方案。在本研究中，条带长度为7 mm，宽度为400 µm，圆角直径为662 µm。需要注意的是，尽管本研究中使用的光学杠杆（OL）天然适用于检测扭转模式，但通过将光束定位在具有非零角偏转的位置，也可用于检测横向弯曲模式。作为示例，我们使用光学杠杆（OL）同时测量了条带的弯曲模式和扭转模式。

我们首先在 COMSOL 中对该设计的前两个模式进行仿真。特征频率分析得到两个主要模式：一个为 53 kHz 的弯曲模式，Q 值为 4000 万；另一个为 70 kHz 的扭转模式，Q 值为 2 亿。观察它们的模态形状有助于理解如何利用光杠杆对这些模式进行探测。如图 4C所示，弯曲模式在条带中心与其圆角之间的中点处具有最大的角位移，而扭转模式在条带中心处的偏转最大。我们在后续进行表征时将注意到这一点。

接下来，我们创建一个直径为1...

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讨论

从图5的数据中可以明显看出，尽管扭转模式的品质因数（Q）与模拟值相符，但弯曲模式的Q值低于预测值。这并非模拟质量的问题，而是由于忽略了基底模式耦合46和夹持损耗等外部损耗机制所致。本实验方案中采用的耗散稀释模型已考虑了所有内在损耗机制，因此为预应力纳米机械谐振器的性能设定了上限。

另一个必须考虑的特殊因素是KOH刻蚀速率对所释放结构几何形状的依赖性。尽管KOH与硅的反应速度相对较快，但氮化硅可作为硬掩模。因此，大面积器件的刻蚀时间明显长于尺寸较小的器件。此外，KOH刻蚀在100晶向上具有各向异性，会形成54.74°角的金字塔形结构2。虽然大多数几何特征均可通过这种方式刻蚀，但夹具及芯片边缘附近其他类似封闭区域则无法有效刻蚀。因此，芯片角落或边缘处的圆角会限制刻蚀速率。

释放步骤的一个主要限制是所制备结构的存活率。尽管在遵循第1和第2节步骤后，几乎任何几何形状（在分辨率限制范...

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披露

作者声明无竞争利益。

致谢

作者感谢Roland Himmelhuber以及光学科学微/纳米加工洁净室提供设施使用机会及有益的讨论。  本研究由美国国家科学基金会（NSF）资助，项目编号为2239735和2330310。A.R.A. 感谢CNRS-UArizona iGlobes博士后奖学金的支持，A.D.H. 感谢图森光学之友捐赠奖学金的支持。最后，本研究所使用的反应离子刻蚀机由美国国家科学基金会MRI项目ECCS-1725571资助。该实验方案最初由A.R.A.建立，随后由A.D.H.、C.A.C.和O.A.F.进行修改，以优化器件制备工艺。A.D.H.和D.J.W.在所有共同作者的协助下共同撰写了本文稿。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
100纳米双面硅3N4 在4英寸200µm Si晶圆WaferPro用于制造薄膜谐振器的标准氮化硅晶圆
13 kHz Sonificator Quantrex 70L&安谱超声与丙酮联合使用，用于去除芯片表面的污染物和固化的光刻胶。
150 毫米玻璃培养皿，20 毫米深康宁公司08-747F用于 HMDS 引物处理
150 毫米塑料培养皿，15 毫米深SupertekS01268用于晶圆传输
2 μm 注射器滤器Millipore SigmaSLAP02550用于过滤以抵抗颗粒物
50 ml PYREX Griffin 硼硅酸盐玻璃烧杯康宁公司生命科学部通用液体浴容器
丙酮 99.5% ACS 级 Sigma Aldrich179124用于去除 S1813 光刻胶的通用溶剂
CarboFib 镊子 TDI 国际TDI 2ACFR-SA通用型耐化学腐蚀镊子，用于在各种溶液中安全操作芯片
压缩氮气钢瓶本地提供干燥与清洁
去离子水本地提供通过稀释腐蚀性物质来清洗芯片/晶圆
一次性毛细吸管 7.0-7.4mmVWR 科学用于 HMDS 引物处理
Emlimny USB数码显微镜Emlimney用于湿法刻蚀进程的远程监控
六甲基二硅氮烷（HMDS）Sigma Aldrich440191晶圆底涂剂
HiCube HiPace 80 涡轮分子泵Pfeiffer Vacuum用于抽空样品真空室的涡轮分子泵
氢氟酸 48%Sigma Aldrich695068酸洗和稀释至使用浓度为10%的薄膜稀释剂
ICP-RIE DSE，Versaline DSE IIIPlasmatherm对于 Si3N4 蚀刻
异丙醇 99.5% ACS 级 Sigma Aldrich190764用于将释放的膜从液体转移到空气中，并用于清洁已释放的薄膜
Kapton 胶带 - 1 密耳，1⁄2" x 36 码ULINES-7595用于在等离子体刻蚀步骤中将晶圆和芯片固定在载体晶圆上
LatticeAx 225LatticeGear切割工具
Laurell WS 650 旋涂仪Laurell Technologies Corporation用于在晶圆上沉积均匀光刻胶层的旋涂机
无掩模对准器，  MLA150Heidelberg Instruments光刻机 <图片替代文本="公式 1" src="/files/ftp_upload/68706/68706eq02.jpg" 样式="margin: auto;"/>=100 nm
甲醇 99.8% ACS 级Sigma Aldrich179337用于将释放的膜从液体转移到空气中，以及清洁已释放的薄膜
MF-319显影剂试剂制作曝光的光刻胶图形
Microposit S1800 G2 系列光刻胶陶氏化学公司用于光刻图形化。本工作特别使用 S1813 光刻胶。
MiniVac 控制器瓦里安9290191真空腔离子泵控制器
MS-H280-Pro 加热板ONiLAB通用加热装置
国家仪器 NI PXI-1033国家仪器公司数据采集系统机箱
Ni PXI-4461国家仪器公司用于数据采集的模数转换器
45% 氢氧化钾 KOH 溶液Sigma Aldrich417661各向异性硅湿法刻蚀剂
样品台定制专为在不同化学溶液中直立放置样品而定制
TLB-6700 速度型外腔二极管激光器新焦点995光学杠杆激光源
可调谐激光控制器新焦点TLB-6700激光控制器
Vaclon Plus 55 星细胞离子泵Varian9191340被动真空泵
真空室用于隔离谐振器的真空腔室
可见光象限光电探测器新焦点23538-WX用于光杠杆读出的分束光电二极管

参考文献

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