Методическая статья

Изготовление и определение характеристик высокодобротных мембранных резонаторов на основе нитрида кремния

1.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68706

⸱

8 августа 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье прослеживается жизненный цикл мембранного резонатора из нитрида кремния, от проектирования до изготовления и определения характеристик.

Аннотация

Мембраны из нитрида кремния представляют собой широко используемую оптомеханическую резонаторную платформу, обеспечивающую высокую механическую добротность, низкие оптические потери и улучшенную оптомеханическую связь с использованием множества методов деформационной, фононно-кристаллической и фотонно-кристаллической инженерии. Несмотря на их повсеместное распространение, изготовление и характеристика мембран из нитрида кремния часто основываются на неявных знаниях, которыми обмениваются исследовательские группы. В данной статье представлен подробный видеообзор проектирования, изготовления и определения характеристик современного мембранного резонатора на основе нитрида кремния (в частности, наноленты Si3N4 сантиметрового масштаба, поддерживающей крутильные моды с Q-факторами, превышающими 108 при комнатной температуре). Протокол охватывает моделирование методом конечных элементов, обработку в масштабе пластин и чипов, а также считывание показаний на основе оптического рычага. Особое внимание уделяется фотолитографическому структурированию, сухому и мокрому травлению, работе с приборами и измерению ринга. Учебное пособие предназначено как практическая отправная точка для новичков, так и справочное пособие для опытных групп, воспроизводящих или адаптирующих подобные устройства. Все процедуры демонстрируются в стандартных университетских чистых помещениях и настольных условиях.

Введение

Мембраны из нитрида кремния играют важную роль в квантовой оптомеханикев течение последних двух десятилетий, начиная с открытия того, что коммерческая мембрана (ПЭМ-слайд) может поддерживать барабанные моды с Q-частотой, превышающей 10-13 Гц, и быть соединена с высокотонким оптическим резонатором с использованием подхода «мембрана посередине» 2,3,4. Постепенно стало ясно, как растягивающее напряжение и форма моды влияют на механическую добротность (через эффект, называемый диссипационным разбавлением 5,6), что привело к изобретению мембран с микроструктурой — батута 7,8, 2D фононного кристалла 9,10, фрактала11 и периметральных модовых резонаторов12 — с добротными факторами до 109. В сочетании с криогеникой эти устройства позволили провести такие знаковые эксперименты, как охлаждение основного состояния13,14, пондеромоторное сжатие15, оптомеханическое запутывание16 и измерение смещения за пределами стандартного квантового предела17,18. Они также занимают видное место в предложениях по оптомеханическим технологиям следующего поколения и зондам для новой физики, включая мембранные силовые микроскопы19, акселерометры20, спектроскопы21, квантовые памяти22, микроволново-оптические преобразователи фотонов23 и детекторы темной материи24.

Несмотря на их популярность, проектирование, изготовление и определение характеристик мембранных резонаторов из нитрида кремния остаются нишевой дисциплиной в сообществе оптомехаников, опираясь на индивидуальные методы, передаваемые из уст в уста и в диссертациях 25,26,27,28,29,30,31,32. Недавний обзор интерферометрических характеристик наномеханических резонаторов развенчивает мифы о последней задаче33, а моделирование разбавления диссипации стало простым с помощью коммерческого программного обеспечения для моделирования методом конечных элементов28. Нанопроизводство, однако, остается препятствием для входа, поскольку процедура, хотя и простая, включает в себя последовательность тонких шагов, нюансы которых часто опускаются в традиционных словесных описаниях и схемах процессов.

В данной статье представлено проектирование, изготовление и определение характеристик мембранного резонатора из нитрида кремния в видеоформате с использованием наноленты сантиметрового масштаба34 — простой, но надежной платформы, набирающей популярность для торсионной квантовой оптомеханики35,36 и прецизионных измерений37,38 — в качестве примера (процедура легко адаптируется к другим геометриям резонатора). Сегмент проектирования предоставляет базовый обзор моделирования мембранных мод с помощью коммерческого программного обеспечения для конечных элементов. Последовательность изготовления, которая составляет основу учебного пособия, охватывает подготовку подложки, нанесение пленки, нанесение узоров, травление и выпуск. Статья завершается демонстрацией характеризации с использованием метода оптического рычага (ОЛ). Этот ресурс предназначен в качестве практической отправной точки или освежения знаний для исследователей, работающих с мембранными резонаторами с высокой добротностью.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Моделирование и проектирование 32,28

  1. Выберите параметры резонатора для оптимального соответствия заданной задаче
    1. Постройте модель COMSOL на основе общей геометрии резонатора, которую вы хотите получить. Запустите мастер моделирования программного обеспечения и создайте 2D-симуляцию. В меню физики строительной механики выберите «Пластина» или «Оболочка».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разница между пластиной и оболочкой в этом контексте минимальна.
    2. С точки зрения проектирования наибольший интерес представляют частота, форма моды, эффективная масса и добротность устройства. Итак, выберите Собственная частота, предварительно напряженная в меню Выбрать исследование.
    3. Постройте геометрию резонатора и установите материал всех областей на стехиометрический нитрид кремния (указан как Si3N4-нитрид кремния в библиотеке материалов программного обеспечения).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Механические свойства нитрида кремния варьируются в зависимости от стехиометрии и процесса осаждения. Мы изменяем стандартную плотность материала на 2700 кг/м3 , чтобы отразить пленки, используемые в этой работе (см. ниже).
    4. Прибавляем к модели начальное напряжение и деформацию, соответствующие преднапряжению пленки Si3N4 (в данном случае указываем 1 ГПа). Затем добавьте фиксированный узел ограничения и выберите зажимы устройства.
    5. В узле Mesh (Mesh) выберите опцию Extremely Fine element size ( Очень тонкий размер элемента). Выбор этого варианта важен для точного моделирования разрежения дипсипации. Чтобы еще больше повысить точность, масштабируйте плотность сетки в окне Плотность сетки.
    6. Перейдите к шагу стационарного исследования и убедитесь, что установлен флажок Включить геометрическую нелинейность . На шаге исследования собственных частот выберите, для скольких мод необходимо решить, и запустите моделирование.
    7. В узел результатов добавьте глобальную оценку, которая оценивает добротность резонатора, возникающую в результате разбавления дипсипации, — отношение общей кинетической и упругой энергии деформации, умноженной на собственный коэффициент качества 28,32,39.
    8. Изменяйте геометрию резонатора до тех пор, пока эффективная масса, частота и добротность не будут соответствовать техническим характеристикам.
    9. Перенесите проектную геометрию в файл GDSII CAD и заполните САПР пластины (для этой работы мы используем положительный фоторезист, поэтому моделируется только область вокруг резонатора).
    10. В дополнение к слою резонаторов добавьте нижний слой, представляющий задние окна на каждом устройстве, чтобы удалить материал за каждым устройством. Это также ускоряет процесс мокрого травления на более поздних этапах протокола.
    11. Наконец, поместите линии кубиков и четыре маркера выравнивания сверху, снизу и по бокам САПР пластины на обоих слоях. Это помогает правильно выровнять заднюю сторону пластины при работе фотолитографической машины.

2. Производство пластин 1

ПРИМЕЧАНИЕ: Осаждение Si3N4 может быть выполнено с помощью считывателя, но на наших предприятиях нет необходимого оборудования для этого, поэтому для этого исследования мы начинаем с коммерческих пластин. Обзор процесса изготовления показан ниже на рисунке 1.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Обзор изготовления. (A) Тонкая пленка нитрида кремния наносится на голую кремниевую подложку. Затем пластину (В) покрывают фоторезистом для (С) фотолитографии. Рисунок, обведенный на рисунке (C), используется в качестве защитной маски для травления реактивными ионами (D) для вырезания конструкций резонаторов на пленке. После нарезки кубиками (E) ацетон используется для удаления резиста, прежде чем (F) раствор гидроксида калия удаляет кремниевую подложку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

  1. Нанесите рисунок(ы) из предыдущего раздела на двустороннюю пластину Si3N 4-on-Si. Нанесите тонкую пленку Si3N4 под высоким напряжением на голую кремниевую подложку с помощью химического осаждения из газовой фазы под низким давлением (LPCVD). Типичные параметры осаждения: температура кварца = 800 °C, давление = 10 мторр, впрыскиваемая газовая смесь = дихлорсилан (SiH2Cl2) и аммиак (NH3)
    ВНИМАНИЕ: SiH2Cl2 является горючим и коррозионным. Он сильно ядовит при вдыхании, и с ним следует обращаться только с особой осторожностью и надлежащими средствами индивидуальной защиты (СИЗ). ПРИМЕЧАНИЕ: Как обычно, на этом этапе мы передаем обработку пластин стороннему поставщику.
  2. Гексаметилдисилазан (HMDS) газофазное грунтование40
    ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги могут быть заменены, если у вас есть доступ к печи HMDS, которая автоматизирует процесс заливки.
    1. Поместите чистую двустороннюю пластину Si3N 4-on-Si на два стеклянных предметных стекла в широкую стеклянную чашку Петри. Расположите слайды таким образом, чтобы поддерживался только внешний край пластины, улучшая грунтование тыльной стороны на последующих этапах.
    2. Поместите несколько капель HMDS по краю чашки Петри с помощью одноразовой капиллярной пипетки. Под вытяжной шкаф накройте стеклянную чашку Петри и нагрейте до 90 °C в течение 1 минуты на горячей плите, испаряя HMDS и давая ей прилипнуть к Si3N4.
      ВНИМАНИЕ: HMDS является горючим, раздражающим и вызывает долгосрочные проблемы со здоровьем при вдыхании, поэтому с ним следует работать только под вытяжным шкафом.
    3. Через 1 минуту аккуратно снимите крышку чашки Петри и выпустите из нее остатки HMDS. Переместите в пластиковую чашку Петри с салфеткой для чистой комнаты на дне.
  3. Стойкость к отжиму покрытия
    1. Перед нанесением резиста разогрейте конфорку до 115 °C. Это гарантирует, что конфорка будет иметь предписанную температуру позже в протоколе.
    2. Центрируйте загрунтованную пластину внутри отвержимого устройства для нанесения покрытий и удерживайте на месте с помощью вакуумного патрона. Оставьте пловальный аппарат открытым для последующих шагов.
    3. С помощью иглы и шприца извлечь не более 4 мл фоторезиста S181341. Аккуратно взбейте шприц и налейте небольшое количество жидкости, чтобы удалить пузырьки воздуха.
      ВНИМАНИЕ: S1813 является горючим раздражителем, и с ним следует обращаться только с надлежащими СИЗ и вдали от открытого огня или искр.
    4. Уберите иглу в кобуру и замените ее фильтром 2 мкм для удаления крупных частиц. Как и на предыдущем этапе, аккуратно взмахните шприцем и выдайте 3-5 капель жидкости, чтобы удалить оставшиеся пузырьки воздуха в фильтре. Прежде чем продолжить, убедитесь, что в шприце осталось не менее 3 мл резиста.
    5. Наносите резист по капле на пластину, чтобы образовался один большой бассейн. По мере того, как этот бассейн становится больше, поместите резист рядом с его краем, чтобы он оставался относительно по центру пластины. Если на поверхности бассейна появились пузырьки, используйте кончик иглы, чтобы лопнуть их, прежде чем продолжить.
    6. Зафиксируйте крышку отжима и установите отжим на 3000 об/мин в течение 30 с с ускорением 3000 об/мин. Эти настройки, по мнению производителя резиста, позволят создать равномерный слой толщиной 1,5 мкм по всей поверхности пластины6.
    7. Осмотрите готовое покрытие на наличие пузырей, разводов и неоднородности. Если они обнаружены, закройте прядильную установку и промойте поверхность пластины ацетоном и изопропиловым спиртом (IPA). Работа прядильной машины на этом этапе улучшает удаление.
    8. Повторите шаги 2.3.1-2.3.7, чтобы сформировать новый слой.
      ВНИМАНИЕ: Ацетон и IPA являются горючими раздражителями. С ними следует обращаться только с надлежащими СИЗ и вдали от открытого огня или искр.
    9. Если слой резиста не имеет дефектов, отключите вакуумный патрон и переложите пластину на предварительно нагретую горячую плиту для выпечки1 минута 6. При выпечке испаряются остатки растворителя и подготавливаются к фотолитографии.
    10. После выпечки снимите с конфорки. Перейдите к этапу фотолитографии.
  4. Фотолитография
    1. Загрузите пластину с покрытием в фотолитографию без маски (MLA). Убедитесь, что пластина центрирована как можно лучше, чтобы свести к минимуму глобальные ошибки вращения и смещения.
    2. Загрузите заполненный файл пластины из шага 1.2 на компьютер и преобразуйте его в тип файла, который может быть понятен программным обеспечением MLA. Начните с моделирования верхнего слоя, заполненного резонаторами.
    3. После загрузки пластины и файла САПР выберите соответствующую форму и размер пластины. Станок автоматически определяет выравнивание с помощью алгоритма обнаружения кромок.
    4. После юстировки выберите опцию включения глобальной ошибки вращения и загрузите следующие параметры экспозиции луча. Интенсивность пучка 140 мДж/см2 на длине волны 375 нм дает оптимальные результаты для 1,5 мкм этого сопротивления1.
    5. Загрузив все параметры экспозиции и выровняв пластину, начните экспонирование. Для пластины диаметром 100 мм, разделенной на квадратные микросхемы диаметром 12 мм, этот процесс обычно занимает около 20 минут.
    6. За 5 минут до окончания фотолитографии две большие чашки ополосните деионизированной (DI) водой и высушите сжатым азотом.
    7. Наполните одну чашку примерно 75 мл проявителя MF-31942, а другую – большим количеством деионизированной воды.
      ВНИМАНИЕ: MF-319 вызывает коррозию, раздражение и представляет долгосрочную опасность для здоровья. Используйте только с надлежащими СИЗ.
    8. После завершения экспонирования выгрузите пластину из MLA и передайте проявителю MF-319, чтобы оставить в покое в течение 20 секунд.
    9. После 20 с проявки перемешайте раствор, чтобы удалить открытые резисты, еще 40 с, осторожно вращая чашку круговыми движениями. Если экспонированное сопротивление осталось, перемешайте смесь еще 30 с, но будьте осторожны, чтобы не передержать пластину42.
    10. Переложите во вторую чашку, наполненную деионизионной водой, чтобы разбавить остатки проявителя. Аккуратно промойте деионизионной водой с помощью бутылки для мытья или деион-водяного пистолета с обеих сторон, чтобы удалить остатки.
    11. Наконец, направьте газовый пистолет со сжатым азотом вдоль пластины, чтобы удалить деионизионную воду с поверхности пластины. Используйте низкое давление и правильную ориентацию оружия, чтобы свести к минимуму вероятность повреждения.
  5. Реактивное ионное травление40
    1. Загрузите разработанную пластину в реактивную ионную травительную машину, чтобы перенести узоры резиста на пленку Si3N4 . Запустите следующий процесс в течение 5 с за один раз, удаляя 30 нм Si3N4 [40]; Газовый состав: 30 куб. см гексафторида серы (SF6) и 10 куб. см аргона (Ar); Смещение высокой частоты: 50 Вт; Мощность индуктивно связанной плазмы: 1000 Вт; Давление в камере: 10 мТорр.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку профили боковых стенок незначительны, это травление может быть непрерывным, а не ступенчатым. Однако ступенчатый процесс снижает риск жесткого запекания резиста.
    2. Повторяйте этот процесс, чтобы удалить около 30 нм Si3N4 за процесс, пока на подверженной воздействию пленке не появится серебристый цвет, что указывает на то, что подложка подвергается воздействию. Наконец, извлеките пластину из реактивного ионного травителя; Теперь пластина готова к нанесению рисунка на обратной стороне.
  6. Узор на обратной стороне
    1. Поместите пластину обратно в отвержимую машину стороной устройства вниз. Нанесите слой фоторезиста толщиной 1,5 мкм, идентичный шагу 2.3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку слой резиста из шага 2.4 выдерживает плазменное травление на шаге 2.5, он действует как защитный слой, предотвращающий повреждение пленки под ним.
    2. Положив новый резистивный слой вверх, загрузите пластину обратно в MLA, поверните на 180°. Перезагрузите САПР пластины в программное обеспечение MLA, преобразуйте в файл приемлемого типа и зеркально отразите по соответствующей оси. Просмотр преобразованной САПР гарантирует, что ориентация САПР совпадает с ориентацией пластины.
    3. Повторите шаги 2.4.3-2.5.2.
  7. Колка вафель
    1. Используя в качестве ориентира линии кубиков, выложенные из нитрида кремния, поместите два предметных стекла на пластину так, чтобы они были параллельны плоскости кристалла подложки. Аккуратно вставьте между предметными стеклами палочку с алмазным наконечником и проведите по линиям игральных костей, засевая по хрустальной плоскости.
    2. Снова выровняйте слайды по новой линии кубика и с помощью писца надрежьте вдоль другой части пластины. Повторяйте этот процесс надрезки до тех пор, пока не будут нанесены все грани отдельных сколов.
    3. Поместите пластину поверх предметных стекол таким образом, чтобы линия игральных костей была равноудалена от обоих. Если надрез был достаточно глубоким и хорошо выровненным, достаточно небольшого усилия в верхней части пластины, чтобы расколоть пластину вдоль кристаллической плоскости, что приведет к идеальному разрыву. Непрерывно разбивайте кусочки пластины таким образом, чтобы получилась отдельная микросхема.

figure-protocol-2
Рисунок 2: Пользовательский чипхолдер. Изготовленный на заказ держатель стружки предназначен для удержания стружки в вертикальном положении, при этом максимально увеличивая открытую площадь для травления методом KOH. (A) Чертеж САПР, показывающий базовую конструкцию устройства. Окончательная структура изготовлена из небольшого блока тефлона из ПТФЭ для обеспечения химической стойкости. (В, В) Стружка помещается в держатель вертикально, а палочка из ПТФЭ опускается в химическую ванну. Эта цифра была изменена с32. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

3. Обработка в масштабе стружки 32

  1. Освободите резонаторы с рисунком от кремниевой подложки для получения отдельно стоящих пленок.
    1. Сначала добавьте 40 мл 45% раствора гидроксида калия (KOH) в сосуд (или стакан) и нагрейте до 86 °C с помощью горячей плиты. Накройте раствор крышкой, чтобы обеспечить равномерный градиент температуры.
      ВНИМАНИЕ: KOH является коррозионным и раздражающим фактором, и с ним следует работать только с надлежащими СИЗ под вытяжным шкафом.
    2. Удалите пыль из пластикового держателя образцов (с крышкой) с помощью крепкой затяжки газообразным азотом и промойте тонкую металлическую шайбу размером со скол IPA и высушите феном сжатым газообразным азотом. Шайба будет выступать в качестве подставки для освободившейся мембраны внутри этого держателя.
    3. Осторожно очистите нарезанную кубиками стружку от ленты и опустите в ванну с ацетоном на основе ультразвука не менее чем на 30 с, чтобы удалить резист и поверхностные загрязнения. Смойте ацетон с помощью быстрой полоскания IPA и высушите сжатым азотом.
    4. ДОПОЛНИТЕЛЬНО: Чтобы разбавить пленку Si3N4 и/или удалить прилипшие загрязнения, окуните чип в буферный раствор 10% фтористоводородной кислоты (HF) для удаления со скоростью 1,55 нм/мин. Этот шаг является необязательным, так как он может быть выполнен до или после травления KOH.
      ВНИМАНИЕ: СН является остро ядовитым, коррозионным и требует особых мер безопасности перед использованием. Обращайтесь только с надлежащей подготовкой, в безопасных для кислоты перчатках/фартуках и с гелем глюконата кальция наготове на случай воздействия.
    5. Чтобы предотвратить повторное прикрепление посторонних загрязнений к чипу, немедленно поместите его в специальный держатель из политетрафторэтилена (ПТФЭ)1 под вытяжной шкаф. Этот держатель показан на рисунке 2.
  2. KOH мокрое травление
    1. Опустите специальный чипхолдер в ванну KOH. Накройте раствор крышкой для поддержания равномерного теплового градиента. Поскольку KOH травит кремний со скоростью около 10 мкм/ч при температуре ванны ~62 °C и концентрации 45%43,44 (около одного дня травления для пластины толщиной 200 мкм, в зависимости от геометрии устройства), установите рядом с травлением камеру для мониторинга на большом расстоянии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: KOH реагирует с кремнием преимущественно вдоль кристаллической плоскости подложки. В то время как скорость травления вместе с другими направлениями невелика, она остается незначительной, особенности протравления углов медленно2.
    2. После того, как весь кремний вокруг резонатора будет протравлен и пленка будет выпущена, остановите реакцию, сняв сосуд с горячей пластины. Из-за вязкости KOH извлечение устройства, скорее всего, приведет к разрушению пленки8, поэтому постепенно заменяйте ванну KOH деионизированной водой, итеративно пипетируя KOH и пипетируя в деионизированной воде, никогда не позволяя уровню жидкости опускаться ниже верхней части чипа. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будет удален весь объем сосуда.
    3. Чтобы предотвратить перекрестное загрязнение KOH и растворителями в дальнейшем в этом протоколе, переместите держатель стружки на баню с пресной деионизированной водой.
      1. Наполните большой чан избытком воды DI, достаточно, чтобы покрыть как сосуды для травления, так и сосуды DI, где есть место для держателя выше. Поместите новую водяную баню DI в чан с помощью щипцов, а затем в сосуд для травления.
      2. С помощью щупа аккуратно поднимите стружкодержатель из емкости для травления и, удерживая стружку в погруженном состоянии, переложите в ванну со стержневым стержнем. Извлеките оба сосуда из бака с помощью щипцов, оставив держатель стружки на чистой водяной бане DI.
  3. Очистка выпущенной пленки
    1. После того, как чип был переведен в баню с пресной деионизионной водой, постепенно заменяйте деионизионную воду на изопропиловый спирт таким же образом, как в шаге 3.2.2. Опять же, никогда не позволяйте уровню жидкости опускаться ниже верхнего края чипа.
    2. После того, как жидкость из двух ванн будет выведена, повторите процесс, заменив изопропиловый спирт метанолом.
    3. После того, как жидкость будет выведена из двух ванн, выньте устройство из ванны с метанолом и осторожно высушите феном вдоль плоскости чипа слабым потоком газообразного азота.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выпущенная пленка чрезвычайно нежная и с ней нужно обращаться осторожно. Чтобы свести к минимуму вероятность разрыва или загрязнения пленки, устройство следует удерживать за край или угол скола с помощью щипцов с наконечниками из углеродного волокна. При работе в жидкой ванне стружку следует отодвинуть за плоскость пленки так, чтобы жидкость просто касалась поверхности.
    4. Осмотрите прибор под микроскопом на наличие мусора, остатков резистента или дефектов. При необходимости очистите, поместив чип обратно в метанол на некоторое время и повторно высушив.
  4. HF влажное травление и дополнительная очистка
    1. Если мусор остается устойчивым к очистке метанолом на этапе 3.3.4, протравите чип в 10% буферном растворе HF. Обратите внимание, что он реагирует с Si3N4 со скоростью около 1,55 нм/мин. Во многих случаях быстрое погружение может сорвать внешний слой пленки.
    2. После погружения в HF немедленно переведите устройство на водяную баню DI на 30 с для разбавления HF.
    3. Поместите чип в ванну с изопропиловым спиртом еще на 30 секунд и, наконец, переложите в ванну с метанолом на 1-5 минут в зависимости от уровня загрязнения.
    4. По истечении нужного времени выньте чип из метанольной ванны и аккуратно высушите легким ветерком газообразный азот.
    5. Повторно осмотрите чип и при необходимости повторно очистите. После того, как устройство будет признано чистым, аккуратно поместите его в держатель на шайбу из шага 3.1.2.

4. Характеристика чипа

  1. Начните определение характеристик с загрузки освобожденной мембраны лицевой стороной вверх в вакуумную камеру с передающим портом для оптического зондирования. Чтобы свести к минимуму механические потери, уложите чип в камеру, не используя ленту или клей, чтобы удерживать его на месте25. Чтобы свести к минимуму затухание газа, накачайте камеру до давления ниже 10-7 мбар (см. обсуждение).
  2. Настройка оптического рычага (ОЛ) для измерения режима смещения 34,35.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Метод ОЛ имеет множество практических преимуществ; Однако, поскольку он требует зондирования углового отклонения, он менее чувствителен, чем интерферометрия для некоторых форм колебаний. Мы отсылаем читателя кпункту 33 для получения полезного обзора интерферометрического считывания смещения мембранных резонаторов.
    1. Во-первых, сфокусируйте коллимированный лазерный луч на образце с размером пятна, сравнимым с самым большим исследуемым объектом. Это важно, поскольку чувствительность оптического рычага пропорциональна как размеру пятна, так и отраженной мощности35.
    2. Выровняйте лазерный луч так, чтобы он был как можно ближе к нормальному падению на образец, как правило, путем ретрофлексии в оптическое волокно. Хотя угол падения не сильно влияет на чувствительность, он упрощает юстировку в дальнейшем.
    3. При нормальном падении лазера вставьте светоделитель между образцом и фокусирующей линзой. Светоделитель улавливает свет, отраженный от резонатора.
    4. Разместите сбалансированный фотоприемник вдоль траектории выбранного луча, на достаточном расстоянии от установки, в идеале большем, чем длина сфокусированного луча по Рэлею, чтобы максимизировать чувствительность35. Схема установки ОЛ приведена на рисунке 3А.
  3. Считывание смещений и измерение теплового шума
    1. Переместите падающий луч вдоль резонатора, чтобы сфокусироваться на области высокой модовой кривизны. Это можно узнать, обратившись к формам колебаний, найденным в моделировании на шаге 1. При необходимости выровняйте остальную часть настройки.
    2. При попадании света на разделенный (или квадрантный) фотоприемник выходной сигнал детектора направляется на дигитайзер. Вычисление спектральной плотности мощности (PSD) оцифрованного сигнала в реальном времени с помощью метода быстрого преобразования Фурье (БПФ)34.
    3. Для достаточно чувствительного измерения ОЛ в широкополосном сигнале PSD появляются пики теплового шума. Чтобы определить конкретные моды, сравните расположение пиков теплового шума с собственными частотами, предсказанными с помощью моделирования на шаге 1. Пример пика теплового шума показан на рисунке 3B. Для этого измерения возьмите среднее среднеквадратичное значение нескольких оценок PSD (периодограмм).
  4. Энергетическое кольцо
    1. Энергия, содержащаяся в колебательной моде, пропорциональна площади под PSD. Начните с отслеживания интеграла по узкой полосе с центром на пике модальной резонансной частоты. По мере того, как энергия добавляется в режим и впоследствии рассеивается, это будет характеризовать его рассеивание.
    2. Когда энергия добавляется в виде когерентного драйва, пик (и область под ним) увеличивается. Для этого либо поместите пьезопривод сбоку вакуумной камеры, либо отправьте второй лазерный луч на образец. В любом случае источник модулируется на резонансной частоте моды.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление энергии к осциллятору также может быть выполнено путем придания ему толчка. Импульсная сила от постукивания по вакуумной камере создает мгновенный, некогерентный белый привод, который возбуждает множество режимов одновременно за счет несогласованности.
    3. После выключения привода энергия колебаний моды будет уменьшаться в геометрической прогрессии. Сделайте вывод о скорости демпфирования осциллятора по подгонке, выполненной после звонка. Рассчитайте модальную добротность, разделив резонансную частоту на коэффициент демпфирования.
    4. Повторите эту процедуру прозвона несколько раз, чтобы найти среднее значение Q и проверить согласованность результатов.
  5. Стробоскопическое считывание
    1. Если кажется, что устройство вызывает вызов нелинейным образом или результаты сильно различаются между вызовами, устройство может взаимодействовать с зондом и проходить через фототермические процессы45. Чтобы избежать этой проблемы, используйте стробоскопическое кольцо10 , при котором зонд закрывается на несколько секунд и закрывается еще на несколько секунд. Экспонируя зонд всего на несколько секунд за раз, нагрев резонатора сводится к минимуму.

figure-protocol-3
Рисунок 3: Настройка характеристик. (A) Мультфильм, описывающий основную настройку и работу оптического рычага. Коллимированный лазерный луч фокусируется на образце с помощью линзы. Светоделитель улавливает ретрофлектированный свет, направляя его на разделенный фотодиод. (B) Пример теплового сигнала PSD, усредненного в 50 раз с разрешением полосы пропускания 0,1 Гц. (C) Резонаторы опираются на специальный алюминиевый держатель с минимальным физическим контактом, чтобы свести к минимуму внешние механические потери. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Мы демонстрируем протокол, изготавливая пластину, состоящую из нескольких диагональных ленточных резонаторов34 толщиной 100 нм и характеризуя их первые несколько колебательных мод. В этой работе лента имеет длину 7 мм и ширину 400 мкм с галтелями диаметром 662 мкм. Отметим, что, хотя ОЛ, используемая в этой работе, естественно подходит для крутильных мод, она также может обнаруживать поперечные изгибные моды, позиционируя луч в месте ненулевого углового отклонения. В качестве иллюстрации мы исполь...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Из данных на рисунке 5 очевидно, что в то время как добротность крутильной моды соответствует моделируемой величине, изгибная мода Q ниже, чем прогнозировалось. Это не сказывается на качестве моделирования, а скорее является результатом пренебрежения механизмами внешних потерь, такими как связь46 моды подложки и потери при зажиме. Используемая в протоколе модель разбавления диэлектрических потерь учитывает все механизмы собственных по...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Роланда Химмельхубера и Clean room Optical Sciences Micro/Nano Fabrication Cleanroom за использование их помещений и полезные обсуждения.  Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF) в виде премий No 2239735 и No 2330310. A.R.A. выражает признательность за поддержку от стипендии CNRS-UArizona iGlobes, а A.D.H. выражает признательность за поддержку от стипендии Friends of Tucson Optics Endowed Scholarship. Наконец, реактивный ионный травитель, использованный для этого исследования, был профинансирован грантом NSF MRI ECCS-1725571. Протокол был первоначально разработан компанией A.R.A., а затем был модифицирован A.D.H., C.A.C. и O.A.F. для оптимизации изготовления устройств. A.D.H. и D.J.W. написали рукопись в соавторстве с помощью всех соавторов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
100 нм двусторонний Si3N4 на 4'' 200&микро; m Пластина SiВафельПроСтандартные пластины Si3N4, используемые для изготовления мембранных резонаторов
Сонификатор 13 кГц Quantrex 70Л& R УльтразвукИспользуется в сочетании с ацетоном для удаления загрязнений и закаленного сопротивления с поверхностей стружки.
Стеклянная чашка Петри 150 мм, глубина 20 ммКорнинг Инкорпорейтед08-747ФДля заливки HMDS
Пластиковая чашка Петри 150 мм, глубина 15 ммСупертекС01268Для транспортировки пластин
2 μ Шприцевой фильтр ММиллипора СигмаSLAP02550Для фильтрации устойчивых частиц
50 мл стакан из боросиликатного стекла PYREX GriffinCorning Incorporated, Медико-биологические наукиЕмкости для жидкостных ванн общего назначения
Ацетон 99,5% класса ACS Сигма Олдрич179124Растворитель общего назначения, используемый специально для снятия резиста S1813
Пинцет CarboFib TDI ИнтернэшнлТДИ 2ACFR-SAУниверсальный химически стойкий пинцет для безопасного обращения со стружкой в различных ваннах
Баллон со сжатым азотомПредоставляется на местеСушка и чистка
Деионная водаПредоставляется на местеДля очистки чипов/пластин путем разбавления коррозионными веществами
Одноразовые капиллярные пипетки 7,0-7,4 ммVWR ScientificДля заливки HMDS
Емлимный USB цифровой микроскопЭмлимниДля дистанционного контроля хода мокрого травления на большом расстоянии
Гексаметилдисилазан (HMDS)Сигма Олдрич440191Вафельный праймер
Турбонасос HiCube HiPace 80Вакуум PfeifferТурбомолекулярный насос, используемый для откачки вакуумных камер для образцов
Фтористоводородная кислота 48%Сигма Олдрич695068Кислотная промывка и разбавитель пленки, разбавляемый до 10% при использовании
ICP-RIE DSE, Versaline DSE IIIПлазматермДля травления Si3N4 травление
Изопропанол 99,5% класса ACS Сигма Олдрич190764Используется для перехода высвобождающихся мембран из жидкости в воздух и для очистки высвободившихся пленок
Каптоновая лента - 1 мил, 1⁄ 2 x 36 ярдовУЛИНС-7595Используется для крепления пластин и микросхем к несущим пластинам на этапе плазменного травления
РешеткаAx 225Решетчатый механизмИнструмент для раскалывания
Laurell WS 650 Прядильный коатинговый аппаратКорпорация Laurell TechnologiesОтжимная машина для нанесения однородных слоев резиста на пластины
Выравниватель без маски,  МЛА150Гейдельбергские инструментыФотолитографическая машина figure-materials-1=100 нм
Метанол 99,8% марки ACSСигма Олдрич179337Используется для перехода высвобождающихся мембран из жидкости в воздух и для очистки высвободившихся пленок
Разработчик MF-319КаякуРазработка открытых резистивных шаблонов
Фоторезисты Microposit серии S1800 G2Компания Dow ChemicalДля построения моделей фотолитографии. В этой работе специально используется резист S1813.
Контроллер MiniVacВариан9290191Контроллер ионного насоса вакуумной камеры
MS-H280-Pro КонфоркаONiLABОбщий отопительный прибор
Национальные инструменты NI PXI-1033Национальные инструментыШасси системы сбора данных
Никель PXI-4461Национальные инструментыАналого-цифровой преобразователь для сбора данных
Раствор гидроксида калия KOH 45%Сигма Олдрич417661Анизотропный силиконовый мокрый травитель
Держатель образцаИзготовление на заказИзготовлен на заказ для удержания образцов в вертикальном положении в различных химических ваннах
TLB-6700 Высокоскоростной диодный лазер с внешним резонаторомНовый фокус995Оптический рычажный лазерный источник
Настраиваемый лазерный контроллерНовый фокусТЛБ-6700Лазерный контроллер
Ионный насос Vaclon Plus 55 starcellВариан9191340Вакуумный насос Passice
Вакуумная камераВакуумная камера для изолирующих резонаторов
Фотоприемник клеток видимого квадрантаНовый фокус23538-WXРазделенный фотодиод для считывания оптического рычага

Ссылки

  1. Aspelmeyer, M., Kippenberg, T. J., Marquardt, F. Cavity optomechanics. Rev Mod Phys. 86 (4), 1391-1452 (2014).
  2. Zwickl, B. M., et al. High quality mechanical and optical properties of commercial silicon nitride membranes. Appl Phys. Lett. 92 (10), 103125(2008).
  3. Thompson, J. D., et al. Strong dispersive coupling of a high-finesse cavity to a micromechanical membrane. Nature. 452 (7183), 72-75 (2008).
  4. Wilson, D. J., Regal, C. A., Papp, S. B., Kimble, H. J. Cavity optomechanics with stoichiometric SiN films. Phys Rev Lett. 103 (20), 207204(2009).
  5. Fedorov, S. A., et al. Generalized dissipation dilution in strained mechanical resonators. Phys Rev B. 99 (5), 054107(2019).
  6. Engelsen, N. J., Beccari, A., Kippenberg, T. J. Ultrahigh-quality-factor micro- and nanomechanical resonators using dissipation dilution. Nat Nanotechnol. 19 (6), 725-737 (2024).
  7. Reinhardt, C., Müller, T., Bourassa, A., Sankey, J. C. Ultralow-noise SiN trampoline resonators for sensing and optomechanics. Phys Rev X. 6 (2), 021001(2016).
  8. Norte, R. A., Moura, J. P., Gröblacher, S. Mechanical resonators for quantum optomechanics experiments at room temperature. Phys Rev Lett. 116 (14), 147202(2016).
  9. Tsaturyan, Y., Barg, A., Polzik, E. S., Schliesser, A. Ultracoherent nanomechanical resonators via soft clamping and dissipation dilution. Nat Nanotechnol. 12 (8), 776-783 (2017).
  10. Ghadimi, A. H., et al. Elastic strain engineering for ultralow mechanical dissipation. Science. 360 (6390), 764-768 (2018).
  11. Fedorov, S. A., Beccari, A., Engelsen, N. J., Kippenberg, T. J. Fractal-like mechanical resonators with a soft-clamped fundamental mode. Phys Rev Lett. 124 (2), 025502(2020).
  12. Bereyhi, M. J., et al. Perimeter modes of nanomechanical resonators exhibit quality factors exceeding 109 at room temperature. Phys Rev X. 12 (2), 021036(2022).
  13. Peterson, R. W., et al. Laser cooling of a micromechanical membrane to the quantum backaction limit. Phys Rev Lett. 116 (6), 063601(2016).
  14. Rossi, M., Mason, D., Chen, J., Tsaturyan, Y., Schliesser, A. Measurement-based quantum control of mechanical motion. Nature. 563 (7729), 53-58 (2018).
  15. Purdy, T. P., Yu, P. L., Peterson, R. W., Kampel, N. S., Regal, C. A. Strong optomechanical squeezing of light. Phys Rev X. 3 (3), 031012(2013).
  16. Chen, J., Rossi, M., Mason, D., Schliesser, A. Entanglement of propagating optical modes via a mechanical interface. Nat Commun. 11, 943(2020).
  17. Kampel, N. S., et al. Improving broadband displacement detection with quantum correlations. Phys Rev X. 7 (2), 021008(2017).
  18. Mason, D., Chen, J., Rossi, M., Tsaturyan, Y., Schliesser, A. Continuous force and displacement measurement below the standard quantum limit. Nat Phys. 15 (8), 745-749 (2019).
  19. Hälg, D., et al. Membrane-based scanning force microscopy. Phys Rev Appl. 15 (2), L021001(2021).
  20. Chowdhury, M. D., Agrawal, A. R., Wilson, D. J. Membrane-based optomechanical accelerometry. Phys Rev Appl. 19 (2), 024011(2023).
  21. West, R. G., Kanellopulos, K., Schmid, S. Photothermal microscopy and spectroscopy with nanomechanical resonators. J Phys Chem C. 127 (45), 21915-21929 (2023).
  22. Kristensen, M. B., Kralj, N., Langman, E. C., Schliesser, A. Long-lived and efficient optomechanical memory for light. Phys Rev Lett. 132 (10), 100802(2024).
  23. Andrews, R. W., et al. Bidirectional and efficient conversion between microwave and optical light. Nat Phys. 10 (4), 321-326 (2014).
  24. Manley, J., Chowdhury, M. D., Grin, D., Singh, S., Wilson, D. J. Searching for vector dark matter with an optomechanical accelerometer. Phys Rev Lett. 126 (6), 061301(2021).
  25. Wilson, D. J. Cavity optomechanics with high-stress silicon nitride films. , California Institute of Technology. (2012).
  26. Norte, R. A. Nanofabrication for on-chip optical levitation, atom-trapping, and superconducting quantum circuits. , California Institute of Technology. (2015).
  27. Reinhardt, C. Ultralow-noise silicon nitride trampoline resonators for sensing and optomechanics. , McGill University. (2017).
  28. Ghadimi, A. H. Ultra-coherent nano-mechanical resonators for quantum optomechanics at room temperature. , EPFL. (2018).
  29. Tsaturyan, Y. Ultracoherent soft-clamped mechanical resonators for quantum cavity optomechanics. , University of Copenhagen, Niels Bohr Institute, Danish Center for Quantum Optics. (2019).
  30. Sadeghi, P. Study of high-Q nanomechanical silicon nitride resonators. , Technische Universität Wien. (2021).
  31. Bereyhi, M. Ultra low quantum decoherence nano-optomechanical systems. , EPFL. (2022).
  32. Agrawal, A. R. Ultra-High-Q Membrane Optomechanics with a Twist. , University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences. (2024).
  33. Barg, A., et al. Measuring and imaging nanomechanical motion with laser light. Appl Phys B. 123, 1-8 (2017).
  34. Pratt, J. R., et al. Nanoscale torsional dissipation dilution for quantum experiments and precision measurement. Phys Rev X. 13 (1), 011018(2023).
  35. Pluchar, C. M., Agrawal, A. R., Wilson, D. J. Quantum-limited optical lever measurement of a torsion oscillator. Optica. 12 (3), 418-423 (2025).
  36. Shin, D. C., Hayward, T. M., Fife, D., Menon, R., Sudhir, V. Active laser cooling of a centimeter-scale torsional oscillator. Optica. 12 (4), 473-478 (2025).
  37. Manley, J., et al. Microscale torsion resonators for short-range gravity experiments. Phys Rev D. 110 (12), 122005(2024).
  38. Condos, C. A., et al. Ultralow loss torsion micropendula for chipscale gravimetry. arXiv. , (2024).
  39. Villanueva, L. G., Schmid, S. Evidence of surface loss as ubiquitous limiting damping mechanism in SiN micro- and nanomechanical resonators. Phys Rev Lett. 113 (22), 227201(2014).
  40. Yang, C., Pham, J. Characteristic study of silicon nitride films deposited by LPCVD and PECVD. Silicon. 10 (6), 2561-2567 (2018).
  41. Microposit S1800 G2 Series Photoresists. Technical Datasheet. Technical Datasheet. , Dow Chemical Co. (2024).
  42. Microposit MS-319 Developer. Technical Datasheet. , Shipley Co. (1997).
  43. Seidel, H., Csepregi, L., Heuberger, A., Baumgärtel, H. Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions: I. Orientation dependence and behavior of passivation layers. J Electrochem Soc. 137 (11), 3612-3626 (1990).
  44. Zubel, I., Kramkowska, M. Etch rates and morphology of silicon (hkl) surfaces etched in KOH and KOH saturated with isopropanol solutions. Sens Actuators A Phys. 115 (2-3), 549-556 (2004).
  45. Metzger, C., Favero, I., Ortlieb, A., Karrai, K. Optical self cooling of a deformable Fabry-Perot cavity in the classical limit. Phys Rev B. 78 (3), 035309(2008).
  46. de Jong, M. H., et al. Mechanical dissipation by substrate-mode coupling in SiN resonators. Appl Phys Lett. 121 (3), 032201(2022).
  47. Metzger, C., Favero, I., Ortlieb, A., Karrai, K. Optical self cooling of a deformable Fabry-Perot cavity in the classical limit. Phys Rev B. 78 (3), 035309(2008).
  48. Moura, J. P., Norte, R. A., Guo, J., Schäfermeier, C., Gröblacher, S. Centimeter-scale suspended photonic crystal mirrors. Opt Express. 26 (2), 1895-1909 (2018).
  49. Norder, L., et al. Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization. Nat Commun. 16 (1), 2753(2025).
  50. Høj, D., et al. Ultra-coherent nanomechanical resonators based on inverse design. Nat Commun. 12 (1), 5766(2021).
  51. Shin, D., et al. Spiderweb nanomechanical resonators via Bayesian optimization: inspired by nature and guided by machine learning. Adv Mater. 34 (3), 2106248(2022).
  52. Gärtner, C., Moura, J. P., Haaxman, W., Norte, R. A., Gröblacher, S. Integrated optomechanical arrays of two high reflectivity SiN membranes. Nano Lett. 18 (11), 7171-7175 (2018).
  53. Guo, J., Norte, R., Gröblacher, S. Feedback cooling of a room temperature mechanical oscillator close to its motional ground state. Phys Rev Lett. 123 (22), 223602(2019).
  54. Engelsen, N. J., et al. Optomechanical integration of ultralow dissipation nanomechanical resonators. , Optica Publishing Group. (2022).
  55. Schilling, R., et al. Near-field integration of a SiN nanobeam and a SiO2 microcavity for Heisenberg-limited displacement sensing. Phys Rev Appl. 5 (5), 054019(2016).
  56. Wilson, D. J., et al. Measurement-based control of a mechanical oscillator at its thermal decoherence rate. Nature. 524 (7565), 325-329 (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

ringdown

Похожие статьи