CN119093898A - 基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法，涉及量子器件制备技术领域。一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件，包括：衬底硅片；应力薄膜层，沉积于衬底硅片的一侧，其下表面与衬底硅片接触，应力薄膜层包括悬空窗口，悬空窗口对应的衬底硅片的部分被刻蚀去除；声子晶体层，设置于应力薄膜层的上表面，与悬空窗口相对，声子晶体层包括多个互不相连的纳米柱体，且声子晶体层正中心处未设置纳米柱体；金属层，设置于声子晶体层正中心处；下基板硅片；下基板电路，沉积于下基板硅片的上表面；连接模块，沉积于下基板硅片的上表面的边缘，且连接模块与下基板电路不相连，衬底硅片倒装后通过连接模块与下基板硅片连接。

Description

基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法

技术领域

本申请涉及量子器件制备技术领域，具体而言，涉及一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法。

背景技术

随着室温量子技术的发展，例如悬浮纳米颗粒以及可以由光场控制刚度的微机械结构，使得室温下实现量子态的制备成为了可能。

实现高效率的相干谐振的关键是提升器件的Q值。而机械谐振器由于本身材料的限制以及受外界热噪声的影响比较大，在室温下难以实现理想的性能。

随着微纳加工技术的发展，碳化硅单晶薄膜的制备已经发展成熟，碳化硅单晶薄膜相比于传统的氮化硅材料具有更高的屈服应力，具有实现更高Q值的潜力。

发明内容

根据本申请的一方面，提供一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件，包括：衬底硅片；应力薄膜层，沉积于衬底硅片的一侧，其下表面与衬底硅片接触，应力薄膜层包括悬空窗口，悬空窗口对应的衬底硅片的部分被刻蚀去除；声子晶体层，设置于应力薄膜层的上表面，与悬空窗口相对，声子晶体层包括多个互不相连的纳米柱体，且声子晶体层正中心处未设置纳米柱体；金属层，沉积于声子晶体层正中心处；下基板硅片；下基板电路，沉积于下基板硅片的上表面，其中包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块；连接模块，沉积于下基板硅片的上表面的边缘，且连接模块与下基板电路不相连，衬底硅片倒装后通过连接模块与下基板硅片连接。

根据一些实施例，应力薄膜层的材料为单晶碳化硅。

根据一些实施例，悬空窗口处于应力薄膜层正中心。

根据一些实施例，声子晶体层的面积与悬空窗口的面积相等；声子晶体层的多个纳米柱体呈正方形布局排列，多个纳米柱体彼此之间的距离为声子晶体层的声子晶体周期；纳米柱体的半径为声子晶体周期的一半。

根据一些实施例，金属层的材料包括铝，金属层为圆柱体结构。

根据一些实施例，下基板电路的材料包括镍。

根据一些实施例，连接模块的材料包括铟。

根据一些实施例，衬底硅片倒装后，金属层与下基板电路中的微波电容相对，且应力薄膜层与下基板电路之间的距离在预设区间内。

根据本申请的一方面，提供一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件的制备方法，包括：将应力薄膜层沉积到衬底硅片的一侧，并使应力薄膜层的下表面与衬底硅片接触；在应力薄膜层的上表面旋涂电子束胶，以根据预设的声子晶体版图进行电子束光刻并保留图像化的电子束胶；在显影定影后，基于图像化的电子束胶对应力薄膜层进行刻蚀，以形成声子晶体层；将金属层沉积于声子晶体层的正中心处；窗口化刻蚀衬底硅片未沉积应力薄膜层的一侧，直至应力薄膜层的下表面暴露，以形成应力薄膜层的悬空窗口，其中悬空窗口与声子晶体层相对；将下基板电路和连接模块分别沉积于下基板硅片的上表面，其中下基板电路包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块；将沉积有应力薄膜层、声子晶体层和金属层的衬底硅片倒装，并通过连接模块连接衬底硅片和沉积有下基板电路和连接模块的下基板硅片。

根据一些实施例，通过低压化学气相沉积工艺，将应力薄膜层沉积于衬底硅片的一侧，并使应力薄膜层具有高于预设阈值的面内应力。

根据一些实施例，在显影定影后，基于图像化的电子束胶对应力薄膜层进行刻蚀，以形成声子晶体层，包括：基于图像化的电子束胶，通过反应离子刻蚀法刻蚀应力薄膜层至预设高度；清洗去除图像化的电子束胶，以形成多个互不相连的纳米柱体；通过多个互不相连的纳米柱体构成声子晶体层，并使声子晶体层正中心处未设置纳米柱体。

根据一些实施例，通过连接模块连接衬底硅片和沉积有下基板电路和连接模块的下基板硅片，包括：调整连接模块的厚度，以控制衬底硅片与下基板硅片之间的距离，使得应力薄膜层与下基板电路之间的距离在预设区间内。

根据本申请的一方面，提供一种微波读取装置，包括如上所述的机械振子量子器件。

根据本申请的实施例，通过密度声子晶体对缺陷态振动模式的保护，降低了环境噪声对机械振子的干扰和本征机械耗散，提升了机械振子的品质因子，实现了更长的相干时间。本申请的技术方案可实现室温下宏观量子比特的制备，适用于微波频段的信号处理，并且微纳加工的难度低，成品率高。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1示出根据本申请示例实施例的一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件的结构示意图。

图2示出根据本申请示例实施例的声子晶体层的制备过程示意图。

图3示出根据本申请示例实施例的声子晶体层的结构示意图（俯视图）。

图4示出根据本申请示例实施例的声子晶体层的能带结构示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的沉积下基板电路的下基板硅片制备过程示意图。

图6示出根据本申请示例实施例的下基板电路的结构示意图。

图7示出根据本申请示例实施例的应力薄膜层与下基板电路构成的等效电路的结构示意图。

附图标记：1、衬底硅片；2、应力薄膜层；3、声子晶体层；4、金属层；5、下基板硅片；6、下基板电路；7、连接模块；8、电子束胶。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或操作等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本申请提供一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法，降低了环境噪声对机械振子的干扰，提升了机械振子的品质因子。

下面将参照附图，对根据本申请实施例的一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件及其制备方法进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件的结构示意图。

如图1所示，机械振子量子器件包括衬底硅片1、应力薄膜层2、声子晶体层3、金属层4、下基板硅片5、下基板电路6和连接模块7。

应力薄膜层2沉积于衬底硅片1的一侧，其下表面与衬底硅片接触。其中，应力薄膜层2包括悬空窗口。

根据一些实施例，应力薄膜层2的悬空窗口处于应力薄膜层2的正中心，并且应力薄膜层2的悬空窗口对应的衬底硅片1的部分被刻蚀去除。

声子晶体层3设置于应力薄膜层2的上表面，与应力薄膜层2的悬空窗口相对。其中，声子晶体层3包括对应力薄膜层2进行刻蚀形成的多个互不相连的纳米柱体，并且在声子晶体层3的正中心处不设置纳米柱体。

金属层4沉积于声子晶体层3的正中心处。

下基板电路6沉积于下基板硅片5的上表面。

根据一些实施例，下基板电路6包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块（图1中均未示出），以构成LC振荡器。

连接模块7沉积于下基板硅片5的上表面的边缘，并且连接模块7与下基板电路6不相连。

沉积有应力薄膜层2、声子晶体层3和金属层4的衬底硅片1倒装后通过连接模块7与沉积有下基板电路6的下基板硅片5连接。

如图1所示的机械振子量子器件中，应力薄膜层2的悬空窗口部分自身内部的面内张应力能够使薄膜处于紧绷状态。

声子晶体层3产生声子禁带，可降低环境噪声对振薄膜振动的干扰。

金属层4与下基板电路6中的微波电容共同构成LC振荡器中的可调谐电容。

下基板电路6用于与输入的微波信号匹配，并通过电容和电感的设计形成微波电路。

连接模块7的厚度可通过控制倒装焊的压力来调整，从而控制应力薄膜层2与下基板电路6之间的距离，以实现控制机械振子与微波电路的耦合强度，使得微波电路中的信号与机械振子可以产生耦合。

机械振子的振动可以影响微波电路的谐振频率，使得振动信号可以被探测。

根据一些实施例，可根据图1所示的机械振子量子器件制备一种微波读取装置，以用于微波频段的信号处理。

图2示出根据本申请示例实施例的声子晶体层的制备过程示意图。

如图2所示，声子晶体层的制备方法包括以下步骤：

步骤S100，选取衬底硅片1。

根据一些实施例，选取的衬底硅片1可采用高电阻率硅衬底，其厚度可为500μm。

步骤S110，将应力薄膜层2沉积于衬底硅片1的一侧，并且应力薄膜层2的下表面与衬底硅片1接触。

根据一些实施例，应力薄膜层2的材料为单晶碳化硅。

根据一些实施例，应力薄膜层2可通过低压化学气相沉积工艺（LPCVD）沉积于衬底硅片1，其沉积厚度可为1μm，具有高于预设阈值的面内应力。预设阈值可根据实际需求调整，例如2GPa。

步骤S120，在应力薄膜层2的上表面旋涂电子束胶8。

根据一些实施例，电子束胶8的厚度与电子束曝光的剂量相关，一般可为1μm。

步骤S130，通过电子束直写曝光将电子束胶8图像化，以进行电子束光刻。

根据一些实施例，可根据预设的声子晶体版图进行电子束光刻，并通过去胶液、除胶剂等进行清洗，以保留图像化的电子束胶8。

步骤S140，在显影定影后，基于图像化的电子束胶8对应力薄膜层2进行刻蚀。

根据一些实施例，可基于图像化的电子束胶8通过反应离子刻蚀法（RIE）对应力薄膜层2进行刻蚀，最终保留的应力薄膜层2的厚度为50nm。

步骤150，去除残余的电子束胶8，以形成声子晶体层3。

根据一些实施例，在对应力薄膜层2进行刻蚀后，去除应力薄膜层2上残余的电子束胶8，在应力薄膜层2的上表面形成多个互不相连的纳米柱体，并以此构成声子晶体层3。

根据一些实施例，纳米柱体的厚度可在100nm至1μm之间，并且声子晶体层3的正中心处未设置纳米柱体，在声子晶体带隙内构建了缺陷态。

根据一些实施例，如图3所示，声子晶体层3中的多个纳米柱体呈正方形布局排列，多个纳米柱体彼此之间的距离恒定为声子晶体层3的声子晶体周期，取值可在200μm至300μm之间。

根据一些实施例，如图3所示，声子晶体层3中的纳米柱体的截面可为正方形，其半径为声子晶体层3的声子晶体周期的一半。

根据一些实施例，如图3所示，声子晶体层3正中心的纳米柱体缺失处沉积有金属层4。金属层4的材料包括铝、镍、铌等金属，可为圆柱体结构，其厚度在20nm至120nm之间。

声子晶体层3制备完成后，可通过预设的仿真软件生成其对应的能带机构，如图4所示。

如图4所示，声子晶体层3在0.8MHz至1.2MHz频段内形成禁带，而应力薄膜层2中心的悬空窗口由声子晶体层3的中心缺陷处形成的机械振动的频率在1MHz左右，从而实现了对机械振动模式的保护。

在声子晶体层制备完成后，还需对衬底硅片进行刻蚀，以形成与声子晶体层相对的应力薄膜层的悬空窗口。衬底硅片的刻蚀步骤如下：

步骤S200，窗口化刻蚀衬底硅片1未沉积应力薄膜层2的一侧，直至应力薄膜层2的下表面暴露，以形成应力薄膜层2的悬空窗口。

根据一些实施例，可采用湿法刻蚀工艺（例如KOH溶液）或干法刻蚀工艺（例如反应离子刻蚀），窗口化去除衬底硅片1未沉积应力薄膜层2的一侧中间的部分衬底，直至刻蚀穿透整个衬底硅片1，使得应力薄膜层2的下表面暴露，并形成应力薄膜层2的悬空窗口。

根据一些实施例，应力薄膜层2的悬空窗口与声子晶体层3相对，其厚度为刻蚀保留的应力薄膜层2的厚度（即50nm）。

根据一些实施例，应力薄膜层2的悬空窗口为正方形，其面积与声子晶体层3的面积相等，可根据实际需求调整，例如1000μm×1000μm。

图5示出根据本申请示例实施例的沉积下基板电路的下基板硅片制备过程示意图。

如图5所示，下基板硅片的制备方法包括以下步骤：

步骤S300，选取下基板硅片5。

根据一些实施例，选取的下基板硅片5可采用高电阻率硅衬底，其厚度可为500μm。

步骤S310，将下基板电路6沉积于下基板硅片5的上表面。

根据一些实施例，下基板电路6的材料包括镍等金属，其厚度可为120nm。

根据一些实施例，下基板电路6包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块，如图6所示。其中，微波电容与设置于声子晶体层3中的金属层4相对，形成可调谐电容，并与微波电感构成LC振荡器。

根据一些实施例，金属层4截面的面积与微波电容的面积接近，并且金属层4截面的面积略大于微波电容中心圆形的面积。

根据一些实施例，微波输入/输出模块可与外部耦合连接，可进行微波信号的输入/输出。

根据一些实施例，下基板电路6通过微波电容和微波电感形成微波电路，其与应力薄膜层2构成的等效电路如图7所示。其中，Cr代表微波电容，Lr代表微波电感。

可选地，下基板硅片的制备方法还包括：

步骤S320，将连接模块7（图4中未示出）沉积于下基板硅片5的上表面。

根据一些实施例，连接模块7的材料包括铟，可通过蒸发工艺或溅射工艺将连接模块7沉积于下基板硅片5的上表面的边缘。

根据一些实施例，可在下基板硅片5的上表面沉积多个连接模块7，其中每个连接模块7均与下基板电路6不相连。

根据一些实施例，连接模块7的厚度可调整，从而控制应力薄膜层2与下基板电路6之间的距离在预设区间内。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件，其特征在于，包括：

衬底硅片；

应力薄膜层，沉积于所述衬底硅片的一侧，其下表面与所述衬底硅片接触，所述应力薄膜层包括悬空窗口，所述悬空窗口对应的所述衬底硅片的部分被刻蚀去除；

声子晶体层，设置于所述应力薄膜层的上表面，与所述悬空窗口相对，所述声子晶体层包括多个互不相连的纳米柱体，且所述声子晶体层正中心处未设置所述纳米柱体；

金属层，沉积于所述声子晶体层正中心处；

下基板硅片；

下基板电路，沉积于所述下基板硅片的上表面，其中包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块；

连接模块，沉积于所述下基板硅片的上表面的边缘，且所述连接模块与所述下基板电路不相连，所述衬底硅片倒装后通过所述连接模块与所述下基板硅片连接。

2.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述应力薄膜层的材料为单晶碳化硅。

3.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述悬空窗口处于所述应力薄膜层正中心。

4.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，

所述声子晶体层的面积与所述悬空窗口的面积相等；

所述声子晶体层的多个纳米柱体呈正方形布局排列，所述多个纳米柱体彼此之间的距离为所述声子晶体层的声子晶体周期；

所述纳米柱体的半径为所述声子晶体周期的一半。

5.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述金属层的材料包括铝，所述金属层为圆柱体结构。

6.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述下基板电路的材料包括镍。

7.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述连接模块的材料包括铟。

8.根据权利要求1所述的机械振子量子器件，其特征在于，所述衬底硅片倒装后，所述金属层与所述下基板电路中的微波电容相对，且所述应力薄膜层与所述下基板电路之间的距离在预设区间内。

9.一种基于密度声子晶体的机械振子量子器件的制备方法，其特征在于，包括：

将应力薄膜层沉积到衬底硅片的一侧，并使所述应力薄膜层的下表面与所述衬底硅片接触；

在所述应力薄膜层的上表面旋涂电子束胶，以根据预设的声子晶体版图进行电子束光刻并保留图像化的电子束胶；

在显影定影后，基于所述图像化的电子束胶对所述应力薄膜层进行刻蚀，以形成声子晶体层；

将金属层沉积于所述声子晶体层的正中心处；

窗口化刻蚀所述衬底硅片未沉积所述应力薄膜层的一侧，直至所述应力薄膜层的下表面暴露，以形成所述应力薄膜层的悬空窗口，其中所述悬空窗口与所述声子晶体层相对；

将下基板电路和连接模块分别沉积于下基板硅片的上表面，其中所述下基板电路包括微波电容、微波电感和微波输入/输出模块；

将沉积有所述应力薄膜层、所述声子晶体层和所述金属层的衬底硅片倒装，并通过所述连接模块连接所述衬底硅片和沉积有所述下基板电路和所述连接模块的下基板硅片。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，

通过低压化学气相沉积工艺，将所述应力薄膜层沉积于所述衬底硅片的一侧，并使所述应力薄膜层具有高于预设阈值的面内应力。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在显影定影后，基于所述图像化的电子束胶对所述应力薄膜层进行刻蚀，以形成声子晶体层，包括：

基于所述图像化的电子束胶，通过反应离子刻蚀法刻蚀所述应力薄膜层至预设高度；

清洗去除所述图像化的电子束胶，以形成多个互不相连的纳米柱体；

通过所述多个互不相连的纳米柱体构成所述声子晶体层，并使所述声子晶体层正中心处未设置所述纳米柱体。

12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，通过所述连接模块连接所述衬底硅片和沉积有所述下基板电路和所述连接模块的下基板硅片，包括：

调整所述连接模块的厚度，以控制所述衬底硅片与所述下基板硅片之间的距离，使得所述应力薄膜层与所述下基板电路之间的距离在预设区间内。

13.一种微波读取装置，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的机械振子量子器件。