Películas epitaxiales nanoestructuradas α-cuarzo sobre silicio: del material a los nuevos dispositivos

Hoy en día, los sensores basados en cuarzo están limitados por el proceso de miniaturización y la integración monolítica de este material en el silicio. Estos cuellos de botella se superan ahora con la primera integración química de los requisitos epitaxiales en forma de microvoladizos de alta calidad. Desde una perspectiva tecnológica, estos novedosos dispositivos de cuarzo abren la puerta al desarrollo de un sistema microelectromecánico activo rentable que se genera a partir de materiales de óxido piezoeléctrico sin plomo y proporciona altas fuerzas y sensibilidad a la masa al tiempo que conserva su factor de calidad.

Comience mezclando una parte del agente de curado con 10 partes de elastómero en un vaso de precipitados en la balanza. Revuelva esta mezcla con un palito de vidrio hasta obtener una distribución homogénea de las burbujas de aire, luego llene el maestro con PDMS y elimine las burbujas en una cámara de vacío. Introduzca el PDMS y el maestro de silicona en una estufa a 70 grados centígrados durante dos horas.

Replicar el maestro de silicio utilizando la solución PDMS como se describe en el manuscrito. Prepare sustratos de dos por seis centímetros cortando una oblea SOI de tipo P de dos pulgadas en una dirección paralela o perpendicular a la oblea plana con una punta de diamante, asegurándose de que la conductividad de la capa del dispositivo de silicio esté entre 1 y 10 ohmios por centímetro. Para eliminar los posibles polímeros de fabricación, introduzca estos sustratos en una solución de piraña durante 20 minutos.

Cuelgue el sustrato SOI preparado del brazo del codificador de inmersión, coloque un vaso de precipitados debajo y llénelo con una solución a base de estroncio. Para obtener una película de sílice homogénea, ajuste la cámara del codificador de inmersión a 40% de humedad relativa y 25 grados centígrados. Ajuste la secuencia de codificación de inmersión a una velocidad de 300 milímetros por minuto en la inmersión y extracción e inicie el proceso de inmersión al 40% de humedad relativa.

Después del recubrimiento por inmersión, introduzca el sustrato SOI en un horno a 450 grados centígrados durante cinco minutos para consolidar la película de gel a un grosor de 200 nanómetros. Repita el recubrimiento por inmersión dos veces para producir una película con un grosor de aproximadamente 600 nanómetros. Inicie un nuevo recubrimiento por inmersión y coloque el molde de PDMS preparado en el sustrato SOI.

Coloque el aparato en el horno a 70 grados centígrados durante un minuto y luego a 140 grados centígrados durante dos minutos. Retire el molde de PDMS para obtener una película de gel micro o nanoestructurada en el sustrato SOI y luego coloque el sustrato SOI en el horno a 450 grados Celsius durante cinco minutos para consolidar la altura de la película de gel patrón a 600 nanómetros. Coloque la muestra en un bote de cerámica e introdúzcala en el horno a 1.000 grados centígrados durante cinco horas.

Tapa el horno y saturalo de aire. Cuando termine, deje que el horno se enfríe a temperatura ambiente sin ninguna rampa programada. Para modelar una forma de voladizo en la película delgada de cuarzo, comience colocando las muestras dentro de la solución de piraña para limpiar todos los residuos orgánicos, luego colóquelas en una placa caliente a 140 grados Celsius durante 10 minutos de deshumidificación.

Gire la fotorresistencia negativa AZ 2070 a una velocidad de 4.000 rotaciones por minuto durante 30 segundos, luego coloque la muestra en la placa calefactora para hornearla suavemente a 115 grados centígrados durante 60 segundos. Exponga la muestra a una dosis ultravioleta de 37,5 milijulios por centímetro cuadrado durante cinco segundos y vuelva a colocar la muestra en la placa calefactora para hornearla después de la exposición. Revele la muestra en revelador 726 libre de iones metálicos durante 100 segundos a temperatura ambiente.

Enjuágalo con agua desionizada y sécalo con nitrógeno. Espere un grosor de 5,5 micrómetros. Coloque la muestra en la placa calefactora a 125 grados centígrados durante 10 minutos para hornear la fotorresistencia.

Usando un sistema de grabado iónico reactivo, grabe el cuarzo en la capa de silicio con los ajustes de caudal de gas y potencia de radiofrecuencia descritos en el manuscrito del texto. Límpialo con plasma a un caudal de 90 centímetros cúbicos estándar por minuto de oxígeno durante cinco minutos. Para la realización del electrodo inferior y superior, centrifugar la fotorresistencia negativa AZ 2020 y realizar un horneado suave como se describió anteriormente.

Exponga la muestra a una dosis ultravioleta de 23,25 miligramos por centímetro cuadrado durante tres segundos y colóquela en la placa caliente para hornearla después de la exposición. Revele, enjuague y seque la muestra como se describe en el manuscrito de texto. Espere un grosor de 1,7 micrómetros.

Deposite 50 nanómetros de cromo metálico y 120 nanómetros de platino metálico a una velocidad de cuatro amperios por segundo y 2,5 amperios por segundo respectivamente con evaporación por haz de electrones a 10 por los seis milibares negativos. Deje las muestras en acetona primero y luego en alcohol isopropílico hasta que el despegue del metal sea exitoso. Para modelar la muestra para grabar la capa de silicio 100, gire la fotorresistencia negativa AZ 2070 a una velocidad de 2.000 rotaciones por minuto durante 30 segundos y coloque la muestra en la placa calefactora para un horneado suave a 115 grados centígrados durante 60 segundos.

Exponga la muestra a una dosis ultravioleta de 37,5 milijulios por centímetro cuadrado durante cinco segundos y vuelva a colocar la muestra en la placa calefactora para hornearla después de la exposición. Revele, enjuague y seque la muestra como se describe en el manuscrito del texto. Espere un grosor de 5,9 micrómetros.

Coloque la muestra en una placa caliente a 125 grados centígrados durante 10 minutos para hornear la fotorresistencia. Usando un sistema de grabado iónico reactivo, grabe la capa de silicio en la capa de dióxido de silicio con la tasa de flujo de gas y los ajustes de potencia de radiofrecuencia descritos en el manuscrito de texto. Para liberar el voladizo mediante grabado químico húmedo, gire la fotorresistencia negativa AZ 2020 a una velocidad de 2.000 rotaciones por minuto durante 30 segundos y coloque la muestra en una placa caliente para un horneado suave a 115 grados centígrados durante 60 segundos.

Exponga la muestra a una dosis ultravioleta de 37,5 milijulios por centímetro cuadrado durante cinco segundos y vuelva a colocar la muestra en la placa calefactora para hornearla después de la exposición. Revele, enjuague y seque la muestra como se describe en el manuscrito del texto. Espere un grosor de 2,3 micrómetros.

Coloque la muestra en la placa caliente a 125 grados centígrados durante 10 minutos para hornear la resistencia. Coloque la solución de grabado de óxido tamponado en un recipiente a base de politetrafluoroetileno y deje la muestra en la solución a temperatura ambiente hasta que todas las capas de óxido de silicio estén grabadas debajo del voladizo. Limpie la muestra cuidadosamente con agua y retire la resina con acetona e IPA.

Los pasos de síntesis y nanoestructuración de películas de cuarzo y la microfabricación de voladizos de cuarzo se representaron esquemáticamente mediante el monitoreo de diferentes pasos con imágenes reales. Aquí se muestran los aspectos de un chip nanoestructurado a base de cuarzo con diferentes dimensiones de voladizo y su imagen de sección transversal en el sustrato SOI. La difracción de micro rayos X 2D controló la cristalinidad de las diferentes capas de apilamiento del voladizo.

Sus espesores se indican en el difractograma. La cristalización detallada de los pilares de cuarzo se analizó utilizando la técnica de difracción de electrones e imágenes FEGSEM en el modo de electrones retrodispersados. Se realizó una caracterización estructural más profunda de un voladizo nanoestructurado piezoeléctrico a base de cuarzo mediante el registro de la figura del polo y la curva de balanceo.

La respuesta electromecánica de los voladizos piezoeléctricos a base de cuarzo se detectó utilizando un vibrómetro láser Doppler y con un microscopio de fuerza atómica. La dependencia lineal de la amplitud del voladizo y el voltaje de CA aplicado se registró con el sistema de deflexión del haz óptico del microscopio de fuerza atómica. Lo más importante de este proceso es asegurar la calidad secuestrada del cuarzo, su funcionalidad en este factor de calidad mecánica.

Para eso, son necesarias tres cosas. En primer lugar, es obligatorio proteger la capa de cuarzo grabado para evitar cualquier infiltración de ácido durante la liberación del voladizo. Lo segundo es utilizar una solución tampón que permita una liberación suave.

Y la última es aumentar el grosor de la fotorresistencia negativa que permite un mayor tiempo de grabado en húmedo. Este proceso ofrece grandes ventajas sobre el cuarzo en términos de tamaño, consumo de energía y costo de integración. Facilitará la fabricación futura de una solución de un solo chip para dispositivos multifrecuencia, al tiempo que preservará la miniaturización y los procesos rentables.