基于激光微加工技术实现任意复杂结构SiN纳米机械谐振器的无悬垂快速制备

本文介绍了一种开源软件工具集（SCLMT），可实现从GDSII文件自动生成激光烧蚀孔序列，突破了传统纳米加工限制。该技术能在1小时内制备任意复杂结构的氮化硅（SiN）纳米机械谐振器，残余悬垂≤2μm，品质因子（Q）高达3.7×106，为高性能辐射传感提供了快速原型解决方案。

　　

亮点

我们展示了激光微加工作为快速原型制备SiN纳米机械谐振器的强大平台，其灵活性和速度远超传统纳米加工技术。布局对准器（Layout Aligner）的开发使结构残余SiN悬垂最多仅为2μm，若采用更高分辨率的对准成像设备，此数值有望进一步降低。通过引入交错式布局孔序列组装器（interleaved Layout Hole Sequence Assembler），我们成功实现了复杂几何形状的制备。

方法

结构制备通过将SiN薄膜芯片安装在平移台上，使台面在脉冲激光束下移动，编程控制烧蚀孔序列以切割出目标几何形状（图1）。自支撑富硅SiN薄膜（边长1.2或1.7 mm，厚度100 nm）作为激光加工基底。薄膜通过接触式光刻和KOH蚀刻在实验室制备，但也可采用商用预制薄膜。

结果

图3展示了多种基于蹦床结构的谐振器，它们具有不同几何形状和特征尺寸，均通过SCLMT工具集制备。我们制备的最小特征为图3a中蹦床的15μm宽悬臂梁；但这并非激光加工的最小极限，因先前研究已实现7μm宽梁的制备。图3(c,e)中的结构需使用交错式布局孔序列组装器（SCLMT工具4，见图1.4）进行加工。

结论

我们证实激光微加工是SiN纳米机械谐振器快速原型制备的强大平台，其灵活性和速度是传统纳米加工无法比拟的。布局对准器可将残余SiN悬垂控制在2μm以内，而交错式孔序列组装器则能实现复杂几何形状的无裂纹加工。制备的谐振器品质因子高达3.7×10⁶，与未加工SiN薄膜的性能相当，表明该工艺对材料本征耗散影响极小。