纳米悬臂梁及其制备工艺

1.本发明涉及芯片，具体涉及一种纳米悬臂梁及其制备工艺。


背景技术：

2.光机晶体（optomechanical crystals，om）又称光声晶体，是光子晶体和声子晶体的结合。光声晶体微腔可以同时限制光和机械运动，产生很强的光子-声子相互作用，为在芯片上实现声子的产生和耗尽提供了一个有效途径，在介观量子力学、传感、非线性等基础科学和技术应用方面具有广阔前景。
3.纳米悬臂梁是指百纳米宽度波导在芯片上长达数十微米的悬空结构，通过在悬臂梁上刻蚀渐变微孔，可实现光场和机械模式的同时局域。纳米悬臂梁是目前实现光声晶体微腔的最佳结构，其优势在于能够在较小的尺寸内实现光场与机械模式的强相互作用，实现ghz以上的声子模式和声子激射，用于实现量子基态，从而在介观尺度观测量子效应。悬臂梁结构对于机械模式和光学模式的高效限制使得系统与外界环境的耦合极小，使悬臂梁微腔同时具有极高的光学和机械的品质因子，高的机械的品质因子对应长的声学寿命，在量子信息存储、信号延迟等方面有着诸多应用。同时，纳米悬臂梁结构对于折射率、质量、加速度等物理量的变化特别敏感，可用于片上的高精度多物理量传感。
4.纳米悬臂梁的制备对工艺要求非常高。要获得同时具有高光学品质因子和机械品质因子的微腔需要在纳米悬臂梁上制作纳米精度的渐变微孔；而百纳米宽、长达数十微米的桥型悬臂梁结构机械强度脆弱，容易坍塌。


技术实现要素：

5.至少为解决以上技术问题之一，本发明提供一种纳米悬臂梁及其制备工艺。
6.本发明首先提供一种纳米悬臂梁的制备工艺，采用湿法刻蚀工艺，包括：将完成湿法刻蚀的芯片放入去离子水中停止反应；从去离子水中取出所述芯片后，立即放入第一溶剂中进行过渡；然后晾干；即可得到纳米悬臂梁。
7.所述第一溶剂选自无水乙醇、甲醇、1-丙醇、1-丁醇中的一种或几种。
8.根据本发明实施例，所述第一溶剂优选为无水乙醇。
9.根据本发明实施例，所述无水乙醇的浓度≥99%，尤其是99.5%。
10.根据本发明实施例，将完成湿法刻蚀的芯片放入去离子水中停止反应的时间为15-30s。
11.根据本发明实施例，从去离子水中取出所述芯片后，在15-30s范围内，放入所述第一溶剂中进行过渡。
12.根据本发明具体实施例，所述纳米悬臂梁在soi（silicon-on-insulator，即绝缘衬底上的硅）衬底上制备得到。
13.根据本发明具体实施例，所述纳米悬臂梁的制备工艺包括：
1）提供清洗干净的soi衬底作为芯片，并采用电子束曝光定义纳米臂结构的光声晶体微腔图形，然后采用感应耦合等离体（icp）干法刻蚀并去除电子束胶；2）使用缓冲氢氟酸（bhf）对芯片进行湿法刻蚀，bhf通过纳米臂两侧的刻蚀区腐蚀去除soi芯片下方的sio2，纳米臂光声晶体微腔经过此步湿法刻蚀后将处于悬空；3）将完成湿法刻蚀的芯片放入去离子水中停止反应；4）从去离子水中取出所述芯片后，立即放入第一溶剂中进行过渡；5）然后将所述芯片晾干；即可得到纳米悬臂梁。
14.本发明还包括上述工艺制备得到的纳米悬臂梁。
15.根据本发明实施例，所述纳米悬臂梁的臂宽260-500nm。
16.根据本发明实施例，所述纳米悬臂梁的臂长15-45。
17.根据本发明实施例，所述纳米悬臂梁的长宽比为30-180。
18.根据本发明实施例，所述纳米悬臂梁的声学品质因子达到1500-2700。
19.根据本发明具体实施例，所述纳米悬臂梁的臂宽250nm、臂长超过45，悬臂的长宽比大于180，声学品质因子达到1500。
20.本发明还提供一种芯片，包括上述工艺制备得到的纳米悬臂梁。
21.根据本发明实施例，所述芯片为soi芯片。
22.针对百纳米宽、长达数十微米的桥型悬臂梁结构机械强度脆弱的技术难点，本发明工艺避免了悬臂梁结构的坍塌，成功实现光声晶体微腔的制备。本发明针对制备片上悬空结构必须要用到的湿法刻蚀工艺进行改进，提供了一种低表面张力的纳米悬臂梁制备工艺，实现具有超大长宽比的纳米悬臂梁光声晶体制备方法。相比传统临界点干燥方法，本发明方法工艺简单，无需专用设备，降低了工艺成本。
附图说明
23.图1：本发明实施例纳米悬臂梁的制备工艺流程示意图。
24.图2：本发明实施例制备的片上纳米悬臂梁光声晶体微腔照片。
25.图3和图4：对比例1制备的片上纳米悬臂梁光声晶体微腔照片。
具体实施方式
26.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
27.制备片上悬空结构，需要通过湿法刻蚀去除结构层下方的支撑层形成悬空。光声晶体微腔的悬空波导长宽比接近两个数量级，是一个极细极薄的长桥结构。湿法刻蚀过程中，因为液体内部分子所受的力可以彼此抵消，但表面分子受到液相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小，因此刻蚀溶液蒸发的过程中会产生表面张力，引起悬臂梁的坍塌。传统临界点干燥法，利用液体在临界点状态表面张力趋于零的特点，在水临界点状态时使样品中的水完全汽化，并以气体方式排掉，来达到完全干燥的目的。这里的临界点是指物质的气态和液态两相之间达到相同密度、成为均一流体时的温度和压力的总称，因此传统临界点干
燥法需要依赖水临界点状态的极限控制，难于操控，极易产生悬空结构的坍塌。
28.本发明针对制备片上悬空结构必须要用到的湿法刻蚀工艺展开研究，由于不同试剂液相到气相转变时的表面张力是不同的，表1给出了不同液体蒸发时的表面张力。可以看到无水乙醇比水的表面张力低了2倍，是表面张力最小的常见液体试剂。
29.表1 在温度298.15 k和压力101 kpa时不同试剂的表面张力（参见journal of molecular liquids 2018, 249, 245-253.）因此，本发明的核心是提出采用无水乙醇的过渡工艺规避传统临界点干燥法对液体界面状态的临界点控制，通过刻蚀溶液到无水乙醇的过渡，减小溶液蒸发对悬空结构产生的表面张力，从而可以有效避免湿法刻蚀纳米悬臂梁结构的坍塌，工艺流程如图1所示，具体如下：1）首先清洗干净soi衬底并采用电子束曝光定义纳米臂结构的光声晶体微腔图形，然后采用感应耦合等离体（icp）干法刻蚀并去除电子束胶；2）使用缓冲氢氟酸（bhf）对芯片进行湿法刻蚀，由于bhf会通过纳米臂两侧的刻蚀区腐蚀去除soi芯片下方的sio2，纳米臂光声晶体微腔经过此步湿法刻蚀后将处于悬空；3）完成湿法刻蚀的芯片放入去离子水中停止反应；4）从去离子水中取出芯片后，需要立即放入无水乙醇进行过渡，从而避免从去离子水蒸发过程中会产生表面张力，引起悬臂梁的坍塌；5）取出晾干，完成纳米悬臂梁制备工艺。
30.基于低表面张力的纳米悬臂梁制备工艺，通过最后一步刻蚀溶液采用无水乙醇的过渡，减小了溶液蒸发对悬空结构产生的表面张力，避免了湿法刻蚀纳米悬臂梁结构的坍塌，使得我们在soi片上制备出臂宽250nm、臂长超过45的悬臂梁结构光声晶体微腔，悬臂的长宽比大于180，声学品质因子达到1500（参见图2）。
31.对比例1与上述实施例的区别仅在于：在步骤3）之后直接从去离子水中取出晾干。结果悬臂梁结构坍塌（参见图3），甚至断裂（参见图4）。
32.综上可知，本发明针对制备片上悬空结构必须要用到的湿法刻蚀工艺进行改进，提出一套低表面张力的纳米悬臂梁制备工艺，提出采用无水乙醇的过渡工艺规避传统临界
点干燥法对液体界面状态的临界点控制，通过刻蚀溶液到无水乙醇的过渡，减小溶液蒸发对悬空结构产生的表面张力，从而可以有效避免湿法刻蚀纳米悬臂梁结构的坍塌，实现具有超大长宽比的纳米悬臂梁光声晶体制备方法。
33.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。