歸文強(qiáng)，杜小運(yùn)，王 棟

(西安航空學(xué)院車(chē)輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)半導(dǎo)體機(jī)械系統(tǒng)加工工藝的研究已由毫米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展，并在技術(shù)進(jìn)步和用戶(hù)需求等因素驅(qū)動(dòng)下向更細(xì)小級(jí)別邁進(jìn)，因此對(duì)半導(dǎo)體機(jī)械系統(tǒng)加工的光學(xué)微腔精度要求也越來(lái)越高。光學(xué)微腔是把光作為離子，經(jīng)過(guò)加速后在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生耦合作用，這種耦合作用可提高光的能量密度，因此在物體精度校對(duì)、量子信息處理等前沿科技領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。劉玉龍等[2]以二氧化硅為原料，通過(guò)對(duì)原料的熔融加工制成了10-18m/Hz精度的機(jī)械腔，朱一帆等[3]利用微波諧振原理搭建了具有更高精度的測(cè)量機(jī)械設(shè)備，Qing等[4]將微波諧振腔光機(jī)械系統(tǒng)用于磁場(chǎng)分布的高精度測(cè)量。從現(xiàn)階段的研究可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)腔光機(jī)械系統(tǒng)的研究主要集中在機(jī)械材料和諧振光譜領(lǐng)域，對(duì)納米級(jí)的機(jī)械系統(tǒng)能量分布研究尚未涉及。本文將納米機(jī)械諧振器與腔光機(jī)械系統(tǒng)完美結(jié)合，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)和對(duì)光離子的加速實(shí)現(xiàn)高性能的信息處理。以納米機(jī)械諧振器為基礎(chǔ)，將硅片加工成腔光機(jī)械系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比該機(jī)械系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，并分析了導(dǎo)致差異的原因。

1 腔光機(jī)械系統(tǒng)理論分析

腔光機(jī)械系統(tǒng)由若干個(gè)空腔和鏡子組成，其原理如圖1所示，空腔內(nèi)的一個(gè)鏡子是運(yùn)動(dòng)的，在光驅(qū)動(dòng)條件下，運(yùn)動(dòng)的鏡子受到的輻射壓力急劇增加，在壓力驅(qū)使下，運(yùn)動(dòng)的鏡子速度加快，鏡子的運(yùn)動(dòng)對(duì)腔體會(huì)產(chǎn)生反作用力，這種運(yùn)動(dòng)的鏡子和腔體相互作用的原理被廣泛應(yīng)用到精準(zhǔn)測(cè)量等前沿領(lǐng)域。

圖1 腔光機(jī)械系統(tǒng)原理

當(dāng)腔光機(jī)械系統(tǒng)中只有一個(gè)腔時(shí)，假設(shè)腔的自振頻率為ωj，相關(guān)研究表明[4-6]，ωj與腔長(zhǎng)度r呈反比，假設(shè)光離子振幅遠(yuǎn)小于初始腔長(zhǎng)r0，則ωj可用式(1)表示：

(1)

式中：d為腔徑；d0為光腔初始直徑；n為大于1的正整數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

腔光機(jī)械系統(tǒng)是在900 nm寬的硅晶體薄片中刻蝕兩排并列的圓形腔體結(jié)構(gòu)，而在薄片圓形腔體垂直方向中間刻蝕矩形空洞并用兩條平行的縫隙模擬梁體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由此形成二者相互耦合的硅基片腔光機(jī)械系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

運(yùn)用仿真軟件FDTD對(duì)系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度(E)進(jìn)行仿真模擬分析，仿真分析結(jié)果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在光的振動(dòng)模式下，能量集中在腔形梁體中，并向兩側(cè)呈現(xiàn)遞減態(tài)勢(shì)。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

仿真分析輻射損耗光學(xué)Q值如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔半徑h為134 nm時(shí)，其光學(xué)Q值達(dá)到最大。因此為了使Q值最大，光離子的諧振頻率應(yīng)在一維光子的禁錮帶中，光離子以離子態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)避免與上下波的頻域范圍重疊。

圖4 孔半徑與輻射損耗光學(xué)Q值

利用FEM仿真軟件對(duì)諧振器的彎曲振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，腔體中心位置處振幅位移最大，當(dāng)梁腔兩端位移逐漸減小至0，梁腔中心位移在腔體極限位移允許范圍內(nèi)。

圖5 諧振器彎曲振動(dòng)位移

仿真分析過(guò)程中機(jī)械系統(tǒng)聲學(xué)能帶分布如圖6所示。圖中kx為矢量，單位為2π/a,a表示正常元胞的邊長(zhǎng),從圖中可以發(fā)現(xiàn)，光振動(dòng)位移和機(jī)械系統(tǒng)中心位移有相同和相反兩種趨勢(shì)，光的振動(dòng)頻率在系統(tǒng)機(jī)械自振頻率變化范圍內(nèi)，因此可利用機(jī)械振動(dòng)的聲學(xué)禁錮作用防止光能泄漏。

圖6 聲學(xué)能帶分布

3 元器件制備

腔光機(jī)械系統(tǒng)加工制作方式與晶體加工方式相同，其加工過(guò)程如圖7所示。元器件加工前分為4層，由上而下分別為光刻膠、普通硅片、二氧化硅片及普通硅片?；逑葱枰コ砻骐s質(zhì)以減小其對(duì)成品質(zhì)量的影響，清洗液共有兩種，一種是有機(jī)溶液，清洗表面有機(jī)雜質(zhì)，另一種為無(wú)機(jī)溶液，清洗表面的無(wú)機(jī)物雜質(zhì)[7-8]。勻膠工藝中膠液的均勻程度也會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此勻膠過(guò)程也分為兩步，首先使元器件低速旋轉(zhuǎn)，將膠體均勻分布于元器件表面，之后以較高的速度進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在較大的離心力作用下，元器件表面會(huì)均勻涂上一層薄膠體，之后將膠體烘干。電子束曝光是將光束照射在元器件膠體面一側(cè)，以改變?cè)骷瘜W(xué)性質(zhì)。顯影定影是利用電子束運(yùn)動(dòng)中的高能量將膠體進(jìn)行溶解以形成設(shè)計(jì)紋路[9]。刻蝕是利用物理方法按照膠體的紋路對(duì)普通硅片進(jìn)行加工處理，形成與膠體紋路一致的設(shè)計(jì)紋路。掩模去除是將表面覆蓋的膠膜用物理方法從元器件上去除，主要分為干法和濕法兩類(lèi)。腐蝕懸空是利用化學(xué)溶劑對(duì)元器件中的二氧化硅進(jìn)行去除以形成腔體結(jié)構(gòu)[10]。圖形檢查的主要目的是發(fā)現(xiàn)不合格品，提高產(chǎn)品成品率，圖形檢查包括刻蝕深度、尺寸等物理特性，圖8為圖形檢查結(jié)果。

圖7 腔光機(jī)械系統(tǒng)加工流程

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文利用實(shí)驗(yàn)的方法模擬了低溫條件下元器件成品性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)值和仿真模擬結(jié)果對(duì)比分析，判斷元器件的精度，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械頻率fm超過(guò)4.1 GHz之后，振動(dòng)光學(xué)Q值實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果相差較大，這是因?yàn)樵诟咚僬駝?dòng)條件下空氣溫度發(fā)生變化，其對(duì)光離子的阻尼效應(yīng)增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中將振動(dòng)分為1～5共5個(gè)振動(dòng)模態(tài)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，2，4，5這3個(gè)模態(tài)下實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果存在較大差異，且實(shí)驗(yàn)頻率與仿真頻率相比存在頻率左移，這是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，由于加工工藝的限制，成品和仿真模型間存在一定的尺寸誤差。

圖8 圖形檢查結(jié)果

圖9 實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比

由于元器件的主要組成材料是各向差異性較大的單晶硅，因此元器件的物理性能和機(jī)械性能受晶體夾角影響較大。實(shí)驗(yàn)元器件晶體夾角分別為10°、15°、20°和25°，不同夾角下元器件的機(jī)械性能見(jiàn)表1。

5 結(jié)論

腔光機(jī)械系統(tǒng)在靈敏度測(cè)量、量子力學(xué)等前沿科技領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以半導(dǎo)體中的硅為原材料，采用納米級(jí)精度控制的方法制作了元器件上的梁形腔體結(jié)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)，并應(yīng)用仿真和實(shí)驗(yàn)的方法探究了元器件的性能，得出以下結(jié)論：

表1 晶體夾角與元器件性能關(guān)系

1)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析，得到了腔光機(jī)械系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布、孔半徑與輻射損耗光學(xué)Q值、諧振器彎曲振動(dòng)位移、聲學(xué)能帶分布等特征，對(duì)元器件制作過(guò)程中的尺寸制定具有指導(dǎo)意義。

2)對(duì)仿真分析模型進(jìn)行了制作，受現(xiàn)有加工工藝的影響，元器件實(shí)際尺寸與模型存在一定偏差，通過(guò)元器件檢查表明，該加工誤差在可接受范圍內(nèi)。

3)仿真分析與元器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，這是因?yàn)榧庸ぞ群途w夾角對(duì)高速運(yùn)動(dòng)光離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生了影響。