[論文レビュー] On-chip scalable optomechanical magnetometers

Bei‐Bei Li, Douglas Bulla+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、高Q値のトロイダルマイクロレゾネータにスパッタ堆積したテルフェノール-D薄膜を用いて、スケーラブルで再現性のあるオンチップキャビティオプトメカニカル磁力計のプロセスを提示している。ピーク感度は585 pT/√Hzに達し、手動でエポキシ接着した手法と同等の性能を示している。また、薄膜の結晶化と磁歪性の向上を促進するための後処理焼鈍により、感度が6.3倍向上した。

ABSTRACT

The dual-resonant enhancement of mechanical and optical response in cavity optomechanical magnetometers enables precision sensing of magnetic fields. In previous working prototypes of such magnetometers, a cavity optomechanical system is functionalized by manually epoxy-bonding a grain of magnetostrictive material. While this approach allows proof-of-principle demonstrations, practical applications require more scalable and reproducible fabrication pathways. In this work, we scalably fabricate optomechanical magnetometers on a silicon chip, with reproducible performance across different devices, by sputter coating a magnetostrictive film onto high quality toroidal microresonators. Furthermore, we demonstrate that thermally annealing the sputtered film can improve the magnetometer sensitivity by a factor of 6.3. A peak sensitivity of 585 pT/Hz^1/2 is achieved, which is comparable with previously reported results using epoxy-bonding.

研究の動機と目的

• 手動によるテルフェノール-D膜の積層に起因する制限を克服するため、スケーラブルで再現性のあるオンチップキャビティオプトメカニカル磁力計のプロセス開発を目的とする。
• 磁歪性材料のマイクログレインをエポキシ接着した従来のプロトタイプで見られた、デバイス間の一貫性の欠如とスケーラビリティの問題を解決することを目的とする。
• 量子センシングおよびバイオメディカルイメージングの実用的応用を実現するため、高感度磁力計のウェーハスケール統合を可能にする。
• プロセス後処理としての熱的焼鈍により、磁歪性応答を最適化し、感度を向上させることを目的とする。
• スパッタ堆積したテルフェノール-D膜が、以前に報告された手動処理手法と同等の性能を達成できることを示し、プロセス制御性が向上することを目的とする。

提案手法

• スケーラブルなプロセスを実現するため、1ウェーハプロセスで高Q値のシリカマイクロトロイドレゾネータにスパッタ堆積したテルフェノール-D薄膜（2 µm 厚さ）を直接堆積した。
• 磁力計の設計では、半径23 µm のテルフェノール-Dディスクを外径30 µm のシリカトロイド内に埋め込み、薄膜をシリコンピットに接着して機械的共振を支持する。
• 磁場駆動による磁歪性によって誘発される機械的変位を検出するために、キャビティ共鳴周波数の変化を光学的読み取りで測定した。
• COMSOL Multiphysics を用いてマイクロトロイドの径方向呼吸モードをシミュレーションし、力が作用するテルフェノール-D/シリカ界面で最大変位が発生することを確認した。
• 薄膜のアモルファス構造を結晶化させ、内部応力を緩和するために、高真空（10⁻⁷ Torr）下で400 °Cで6時間の熱的焼鈍処理を実施した。
• 28.5 MHz の既知の磁場に対する信号対ノイズ比（SNR）を測定し、基準条件に対して正規化したデータを用いて感度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロトロイドレゾネータにスパッタ堆積したテルフェノール-D膜が、手動接着プロトタイプと同等の磁力計感度を達成できるか？
• RQ2 熱的焼鈍処理が、スパッタ堆積したテルフェノール-D膜の磁歪係数および感度にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ3 ウェーハスケールで一貫性のあるプロセスを用いることで、複数デバイス間での再現性のあるデバイス性能が得られるか？
• RQ4 スパッタ堆積構造における膜厚さおよび幾何形状の変化に伴い、システムの機械的および光学的応答はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 膜の組成および結晶性が、最終的な磁力計感度にどのような影響を及えるか？

主な発見

• スパッタ堆積磁力計でピーク感度585 pT/√Hzを達成し、以前に報告されたエポキシ接着プロトタイプと同等の性能を示した。
• 同じウェーハから作製された10デバイスの感度は、平均3.65 nT/√Hzを基準に±2.19 nT/√Hzの範囲に収まり、高い再現性を示した。
• 400 °Cでの熱的焼鈍処理により、信号対ノイズ比が16 dB向上し、感度が6.3倍向上した。
• スパッタ堆積膜は非理想的な組成（Fe 74%、Tb 8%、Dy 18%）を示し、最適化の余地があることが判明した（理想的な組成：Fe 66%、Tb 10%、Dy 24%）。
• 焼鈍処理によりアモルファス膜が結晶相に変化し、磁歪係数が向上し、内部応力が低減した。これは感度向上に直接寄与した。
• 1回のスパッタリングプロセスでウェーハスケールのプロダクションが可能であり、オンチップ量子磁力計のスケーラブルで再現性のあるプロセスを提供した。