Herstellung und Charakterisierung von Siliziumnitrid-Membranresonatoren mit hoher Güte

Unsere Forschung zielt darauf ab, die einzigartigen optischen und mechanischen Eigenschaften von freistehenden Siliziumnitrid-Dünnschichten zu erforschen. Unser Herstellungsverfahren ermöglicht es uns, diese Geräte schnell zu entwerfen und zu charakterisieren, was es uns ermöglicht, schnellere Fortschritte auf dem Gebiet der Nanomechanik zu erzielen. Mit Blick auf die Zukunft plant unsere Gruppe, diese Geräte zu nutzen, um die Quanteneigenschaften der Winkelsensorik zu untersuchen, um sie auf Schiffsbeschleunigungssensoren zu entwickeln und Experimente zur Untersuchung der Physik auf dieser Tischskala zu entwerfen.

Besorgen Sie sich zunächst eine Petrischale aus Glas, die einen sauberen doppelseitigen Siliziumnitrid-Wafer enthält. Geben Sie einige Tropfen HMDS mit einer Einweg-Kapillarpipette auf den Rand einer Petrischale aus Glas. Decken Sie unter einem Abzug die Petrischale ab.

Auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius eine Minute lang erhitzen. um das HMDS zu verdampfen und es an das Siliziumnitrid anhaften zu lassen. Platzieren Sie den Wafer nach dem Priming in einem Spin-Coder.

Verwenden Sie nun eine Nadel und eine Spritze, um nicht mehr als vier Milliliter S1813 Photo Resist zu extrahieren. Schnippen Sie vorsichtig mit der Spritze und geben Sie eine kleine Menge Flüssigkeit ab, um Luftblasen zu entfernen. Entfernen Sie die Spritzennadel sicher und bringen Sie einen Zwei-Mikrometer-Filter an.

Schnippen Sie erneut mit der Spritze und geben Sie drei bis fünf Tropfen ab, um Luftblasen im Filter zu entfernen. Geben Sie den Resist Tropfen für Tropfen auf die Mitte des Wafers, um eine große Lache zu bilden. Wenn sich der Pool ausdehnt, setzen Sie den Resist in der Nähe des Randes fort, um ihn zentriert zu halten. Verwenden Sie die Nadelspitze, um alle auftretenden Oberflächenblasen zu entfernen, bevor Sie fortfahren.

Verriegeln Sie nun den Deckel des Spin-Coders und stellen Sie ihn auf Spin, um eine gleichmäßige 1,5 Mikrometer dicke Schicht auf dem Wafer zu erzeugen. Den Wafer herausnehmen und zum weichen Backen auf eine heiße Platte legen. Nach einer Minute nehmen Sie den Wafer von der Heizplatte.

Um die Gerätemuster zu definieren, laden Sie den beschichteten Wafer in eine masselose Ausrichtungs-Photolithographie-Maschine. Zentrieren Sie es, um globale Drehung und Versatzfehler zu minimieren. Laden Sie die ausgefüllte Wafer-Datei auf den Computer und konvertieren Sie sie in ein Format, das mit der MLA-Software kompatibel ist.

Beginnen Sie mit der Strukturierung der oberen Seitenschicht mit Resonator-Designs. Wählen Sie nach dem Ausrichten die Option aus, um die Belichtungsparameter des globalen Rotationsfehlers einzuschließen, indem Sie die Strahlintensität auf 140 Millijoule pro Quadratzentimeter bei einer Wellenlänge von 375 Nanometern einstellen. Füllen Sie nun eine große Schale mit ca. 75 Millilitern MF319-Entwickler und eine weitere mit deionisiertem Wasser.

Sobald die Photolithographie-Belichtung abgeschlossen ist, entladen Sie den Wafer aus der Fotolithographie-Maschine. Übertragen Sie es dann für 20 Sekunden in den Entwickler MF 3 1 9. Schwenken Sie die Schale vorsichtig in kreisenden Bewegungen, um den freiliegenden Resist für weitere 40 Sekunden zu bewegen und zu entfernen.

Übertragen Sie dann den Wafer in die deionisierte Wasserschale, um den restlichen Entwickler zu verdünnen. Spülen Sie beide Seiten des Wafers mit einer Spritzpistole ab, verwenden Sie eine Druckgaspistole, um das restliche Wasser von der Waferoberfläche zu entfernen, indem Sie niedrigen Druck ausüben und die richtige Ausrichtung anwenden, um Schäden zu vermeiden. Laden Sie den entwickelten Wafer in einen reaktiven Ionenätzer, um die Lackmuster auf den Siliziumnitridfilm zu übertragen.

Führen Sie den Ätzvorgang fünf Sekunden pro Zyklus mit den angegebenen Einstellungen durch. Wiederholen Sie den Vorgang, bis sich alle Wafer-Bereiche, die nicht durch die Resistschicht geschützt sind, silberfarben verfärben, was darauf hinweist, dass das Substrat freigelegt ist. Entfernen Sie abschließend den Wafer aus dem reaktiven Ionenätzer, um die Texturierung auf der Rückseite zu erhalten.

Um die strukturierten Resonatoren von ihrem Siliziumsubstrat zu lösen. Der Wafer wird gewürfelt oder gespalten und im Chipmaßstab verarbeitet. Ziehe die gewürfelten Chips vorsichtig vom Klebeband ab.

Tauchen Sie die Chips mindestens 30 Sekunden lang in ein beschalltes Acetonbad, um Resist und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Um den Siliziumnitridfilm zu verdünnen oder festsitzende Verunreinigungen zu entfernen, tauchen Sie den Chip optional in eine 10%ige Flusssäurepufferlösung, um 1,55 Nanometer Siliziumnitrid pro Minute zu entfernen. Legen Sie den sauberen Chip sofort in einen speziellen PTFE-Halter unter einem Abzug.

Der Chiphalter wird dann vorsichtig in ein 45%iges Kaliumhydroxidbad abgesenkt, das bei 86 Grad Celsius gehalten wird. Decken Sie die Lösung ab, um einen gleichmäßigen thermischen Gradienten aufrechtzuerhalten. Nachdem das Silikon um den Resonator herum vollständig geätzt und der Film freigesetzt wurde, stoppen Sie die Reaktion, indem Sie das Gefäß von der Heizplatte nehmen.

Ohne den Chip freizulegen, pipettieren Sie die Kaliumhydroxidlösung nach und nach heraus und ersetzen Sie sie durch entionisiertes Wasser, wobei Sie den Flüssigkeitsstand immer über dem Chip halten müssen, um ein Zerbrechen des Geräts zu verhindern. Um Kreuzkontaminationen zu vermeiden, geben Sie den Chiphalter und ein sauberes Becherglas in ein frisches Bad mit entionisiertem Wasser. Setzen Sie dann den Chiphalter in das saubere Becherglas mit deionisiertem Wasser um.

Entfernen Sie nach dem Transfer beide Becher. Ersetzen Sie das entionisierte Wasser nach und nach auf die gleiche Weise durch Isopropylalkohol, wobei Sie sicherstellen müssen, dass der Flüssigkeitsstand immer über dem Chip bleibt. Wiederholen Sie den Vorgang mit Methanol.

Entfernen Sie nach dem letzten Bad den Chip und trocknen Sie ihn vorsichtig entlang der Geräteebene mit einem sanften Stickstoffstrahl. Das Gerät zeichnet sich durch eine Vakuumkammer aus, die unter 10 hoch minus sieben Millibar arbeitet und über einen optischen Hebel aussagt. Um einen optischen Hebel einzurichten, platzieren Sie eine Fokussierlinse hinter einem Faserkollimator und einen Strahlteiler zwischen der Fokussierlinse und der Probe.

Fokussieren Sie einen kollimierten Laserstrahl auf die Probe mit einer Punktgröße, die der des größten zu messenden Merkmals entspricht. Richten Sie den Laserstrahl nahe an normalen Einfällen auf die Probe aus, indem Sie ihn in eine optische Faser retroreflektieren, was die spätere Ausrichtung vereinfacht. Platzieren Sie einen symmetrischen Fotodetektor entlang des reflektierten Strahlengangs, der über die Schienenlänge des Strahls hinausgeht, um die Empfindlichkeit zu maximieren.

Wenn der Laser auf den Split- oder Quadranten-Photodetektor trifft, wird die Detektorausgabe an einen Digitalisierer gesendet. Berechnen Sie die spektrale Leistungsdichte des Signals in Echtzeit mit der Fast-Fourier-Transformationsmethode. Um spezifische Modenspitzen zu identifizieren, vergleichen Sie die Position der thermischen Rauschspitzen im Breitbandsignal mit den vorhergesagten Eigenfrequenzen aus Simulationen.

Nehmen Sie eine Wurzel bedeutet quadratischen Durchschnitt mehrerer Schätzungen der spektralen Leistungsdichte, um die Spitzen zu bestätigen. Beginnen Sie mit dem Energiering, indem Sie das Integral unter der spektralen Dichtespitze der Leistung bei der Resonanzfrequenz verfolgen, um die gespeicherte Energie zu messen. Um den Modus anzusteuern, wenden Sie Energie an, indem Sie entweder einen Piezoaktor an der Seite platzieren oder einen zweiten Laserstrahl auf die Probe senden, die Piezospannung oder die Strahlintensität auf die Resonanzfrequenz modulieren.

Sobald der Antrieb gestoppt ist, verfolgen Sie den exponentiellen Abfall der Schwingungsenergie, um die Dämpfungsrate zu bestimmen. Berechnen Sie dann das Modal Q, indem Sie die Resonanzfrequenz durch die Dämpfungsrate dividieren. COMSOL-Simulationen der Bandgeometrie ergaben eine Biegemode von 53 Kilohertz und eine Torsionsmode von 70 Kilohertz. Der Biegemodus weist die größte Winkelverschiebung auf, die sich auf halbem Weg zwischen der Mitte des Farbbands und seinen Verrundungen befindet.

Es wurde ein GDS2-Design mit 37 Chips von je 12 Quadratmillimetern erstellt, das eine Vielzahl von Geometrien für die Fertigung zeigt. Die spektrale Dichteanalyse zeigt die Wirksamkeit des optischen Hebels beim Auslesen der Winkelverschiebung beider Moden.