高Q值氮化硅薄膜谐振器的制备与表征

我们的研究旨在探索自支撑氮化硅薄膜独特的光学和力学特性。我们的制备工艺使我们能够快速设计并表征这些器件，从而在纳米力学领域实现更快速的进展。展望未来，我们课题组计划利用这些器件研究角传感的量子特性，以开发船载加速度计，并设计在桌面尺度上探索物理规律的实验。

首先，取一个玻璃培养皿，其中含有干净的双面氮化硅晶片。使用一次性毛细移液管，在玻璃培养皿边缘滴加几滴六甲基二硅氮烷（HMDS）。在通风橱内盖上培养皿盖，将其覆盖。

在90摄氏度的加热板上加热一分钟，以蒸发HMDS并使其附着在氮化硅上。引物处理后，将晶圆放入旋涂仪中。

现在使用针头和注射器吸取不超过四毫升的S1813光刻胶。轻轻弹动注射器，并排出少量液体以去除所有气泡。安全取下注射器针头，然后安装一个2微米的过滤器。

轻弹注射器以去除滤膜中的气泡，然后滴加三到五滴。将光刻胶逐滴滴加到晶圆中心，形成较大的液滴。随着液滴扩展，继续在液滴边缘附近滴加光刻胶，以保持其居中。使用针尖刺破表面出现的任何气泡，然后继续后续操作。

现在锁紧匀胶机的盖子并启动旋转，以在晶圆表面形成一层均匀的 1.5 微米厚薄膜。取出晶圆并将其放置在加热板上进行软烘。一分钟后，从加热板上取下晶圆。

为了定义器件图形，将已涂覆的晶圆装入无掩模对准光刻机中。进行中心对准，以最小化全局旋转和偏移误差。将包含晶圆信息的文件载入计算机，并将其转换为与MLA软件兼容的格式。

开始在顶层上使用谐振器设计进行图形化。对准后，选择包含全局旋转误差的加载光束曝光参数，将光束强度设置为375纳米波长下的每平方厘米140毫焦耳。现在，将一个大培养皿倒入约75毫升的MF319显影液，另一个倒入去离子水。

光刻曝光完成后，将晶圆从光刻机中取出。然后将其转移至 MF 3 1 9 显影液中显影 20 秒。轻轻以圆形轨迹旋转培养皿，使溶液搅动，进一步去除曝光的光刻胶，持续 40 秒。

然后将晶圆转移至去离子水皿中，以稀释残留的显影液。使用喷枪冲洗晶圆的两面，并用压缩氮气枪去除晶圆表面残留的水分，操作时应采用低压力并调整适当角度，以防止损伤晶圆。将已完成显影的晶圆装入反应离子刻蚀机中，将光刻胶上的图形转移到氮化硅薄膜上。

按照给定设置，每个循环蚀刻过程运行五秒钟。重复该过程，直至所有未被光刻胶层保护的晶圆区域变为银色，表明衬底已暴露。最后，将晶圆从反应离子刻蚀机中取出，进行背面图形化。

从硅基底上释放出图案化的谐振器。将晶圆进行切割或劈裂，并在芯片尺度上进行处理。小心地将切割后的芯片从胶带上剥离。

将芯片浸入超声处理的丙酮浴中至少30秒，以去除光刻胶和表面污染物。可选地，为减薄氮化硅薄膜或去除附着的污染物，可将芯片浸入10%氢氟酸缓冲溶液中，以每分钟去除1.55纳米的氮化硅。立即在通风橱下将清洁后的芯片放入定制的聚四氟乙烯（PTFE）支架中。

然后将芯片支架轻轻放入保持在86摄氏度的45%氢氧化钾溶液中。盖住溶液以维持均匀的温度梯度。当谐振器周围的硅被完全蚀刻且薄膜释放后，将容器从加热板上移除以终止反应。

在不暴露芯片的情况下，逐渐用移液器吸出氢氧化钾溶液，并替换为去离子水，始终维持液面高于芯片，以防止装置破裂。为避免交叉污染，将芯片支架和一个洁净的烧杯转移至新鲜的去离子水浴中，然后将芯片支架转移至盛有去离子水的洁净烧杯中。

转移后，取下两个烧杯。以相同方式逐渐用异丙醇替换去离子水，确保液面始终高于芯片。再用甲醇重复此步骤。

最后一次冲洗后，移除芯片，并沿器件平面使用温和的氮气流小心吹干。在真空度低于10的负7次方毫巴的真空腔室中，采用光学杠杆读出方式对器件进行表征。搭建光学杠杆时，在光纤准直器后放置一个聚焦透镜，并在聚焦透镜与样品之间放置一个分束器。

使用准直激光束聚焦到样品上，光斑尺寸应与待测最大特征相近。通过将激光束近似垂直入射样品并反射回光学纤维中，实现光路的初步对准，从而简化后续对准过程。将一个平衡式光电探测器放置在反射光路中，位置应超出光束导轨长度，以最大化灵敏度。

当激光入射到分束或象限光电探测器上时，将探测器输出信号送至数字化仪。利用快速傅里叶变换方法计算信号的实时功率谱密度。为识别特定的模式峰，需将宽带信号中热噪声峰的位置与仿真预测的本征频率进行比较。

对多个功率谱密度估计值进行均方根平均，以确认峰值。通过跟踪共振频率处功率谱密度峰值下的积分来测量储存的能量，从而开始能量衰减。为了激发该模式，可通过在侧面放置压电执行器或将第二束激光照射到样品上施加能量，同时在共振频率下调制压电电压或光束强度。

驱动停止后，追踪振荡能量的指数衰减以确定阻尼率。然后通过将共振频率除以阻尼率来计算模态品质因数Q。对带状结构的COMSOL仿真结果显示，存在一个53千赫兹的弯曲模式和一个70千赫兹的扭转模式。其中，弯曲模式在带状结构中心与其圆角之间的中点处具有最大的角位移。

设计了一款GDS2，包含37个芯片，每个芯片面积为12平方毫米，展示了多种用于制造的几何结构。功率谱密度分析表明，光学杠杆在读取两种模式的角位移方面具有良好的效果。