Fabricación y caracterización de resonadores de membrana de nitruro de silicio de alta calidad

Nuestra investigación tiene como objetivo explorar las propiedades ópticas y mecánicas únicas de las películas delgadas de nitruro de silicio independientes. Nuestro procedimiento de fabricación nos permite diseñar y caracterizar rápidamente estos dispositivos, lo que nos permite realizar avances más rápidos en el campo de la nanomecánica. De cara al futuro, nuestro grupo planea usar estos dispositivos para estudiar las propiedades cuánticas de la detección angular para desarrollar acelerómetros en barcos y diseñar experimentos para sondear la física en esta escala de mesa.

Para empezar, obtenga una placa de Petri de vidrio que contenga una oblea limpia de nitruro de silicio de doble cara. Coloque unas gotas de HMDS a lo largo del borde de una placa de Petri de vidrio con una pipeta capilar desechable. Bajo una campana extractora, cubra la placa de Petri.

Caliéntelo en una placa caliente a 90 grados centígrados durante un minuto. para evaporar el HMDS y permitir que se adhiera al nitruro de silicio. Después de cebar, coloque la oblea dentro de un codificador de centrifugado.

Ahora use una aguja y una jeringa para extraer no más de cuatro mililitros de fotorresistencia S1813. Mueva suavemente la jeringa y dispense una pequeña cantidad de líquido para eliminar las burbujas de aire. Retire de forma segura la aguja de la jeringa y coloque un filtro de dos micrómetros.

Vuelva a mover la jeringa y dispense de tres a cinco gotas para eliminar las burbujas de aire en el filtro. Deposite la resina gota a gota en el centro de la oblea para formar un gran charco. A medida que la piscina se expande, continúe depositando resistencia cerca de su borde para mantenerla centrada. Use la punta de la aguja para reventar las burbujas superficiales que aparezcan antes de continuar.

Ahora bloquee la tapa del codificador de centrifugación y configúrela para que gire para crear una capa uniforme de 1,5 micrómetros de espesor a través de la oblea. Retire la oblea y colóquela en una placa caliente para hornear suavemente. Después de un minuto, retire la oblea de la placa caliente.

Para definir los patrones del dispositivo, cargue la oblea recubierta en una máquina de fotolitografía de alineación sin masa. Céntrelo para minimizar la rotación global y los errores de desplazamiento. Cargue el archivo de oblea rellenado en el ordenador y conviértalo a un formato compatible con el software MLA.

Comience a modelar la capa lateral superior con diseños de resonadores. Después de la alineación, seleccione la opción para incluir parámetros de exposición de haz de carga de error de rotación global estableciendo la intensidad del haz en 140 milijulios por centímetro cuadrado a una longitud de onda de 375 nanómetros. Ahora llene un plato grande con aproximadamente 75 mililitros de revelador MF319 y otro con agua desionizada.

Una vez que se complete la exposición a la fotolitografía, descargue la oblea de la máquina de fotolitografía. Luego transfiéralo al revelador MF 3 1 9 durante 20 segundos. Gire suavemente el plato con un movimiento circular para agitar y eliminar la resistencia expuesta durante 40 segundos adicionales.

Luego transfiera la oblea al plato de agua desionizada para diluir el revelador residual. Enjuague ambos lados de la oblea con una pistola rociadora, use una pistola de gas nitrógeno comprimido para eliminar el agua restante de la superficie de la oblea, aplicando baja presión y orientación adecuada para evitar daños. Cargue la oblea desarrollada en un grabador de iones reactivo para transferir los patrones de resistencia a la película de nitruro de silicio.

Ejecute el proceso de grabado durante cinco segundos por ciclo con la configuración dada. Repita el proceso hasta que todas las regiones de obleas no protegidas por la capa de resistencia se vuelvan plateadas, lo que indica que el sustrato está expuesto. Finalmente, retire la oblea del grabador de iones reactivos para el patrón trasero.

Para liberar los resonadores estampados de su sustrato de silicio. La oblea se corta en cubitos o se corta y se procesa a escala de chips. Retire con cuidado las papas fritas cortadas en cubitos de su cinta.

Sumerja los chips en un baño de acetona sonicada durante al menos 30 segundos para eliminar la resistencia y los contaminantes de la superficie. Opcionalmente, para diluir la película de nitruro de silicio o eliminar los contaminantes adheridos, sumerja el chip en una solución tampón de ácido fluorhídrico al 10% para eliminar 1,55 nanómetros de nitruro de silicio por minuto. Coloque inmediatamente el chip limpio en un soporte de PTFE personalizado debajo de una campana extractora.

Luego, el soporte del chip se baja suavemente a un baño de hidróxido de potasio en solución al 45% mantenido a 86 grados Celsius. Cubra la solución para mantener un gradiente térmico uniforme. Después de que el silicio alrededor del resonador esté completamente grabado y se libere la película, detenga la reacción retirando el recipiente de la placa calefactora.

Sin exponer el chip, pipetee gradualmente la solución de hidróxido de potasio y reemplácela con agua desionizada, manteniendo siempre el nivel de líquido por encima del chip para evitar que se rompa el dispositivo. Para evitar la contaminación cruzada, transfiera el soporte de chips y un vaso de precipitados limpio a un baño fresco de agua desionizada. Luego transfiera el soporte de chip al vaso limpio que contiene agua desionizada.

Después de la transferencia, retire ambos vasos de precipitados. Reemplace gradualmente el agua desionizada con alcohol isopropílico de la misma manera, asegurándose de que el nivel de líquido siempre permanezca por encima del chip. Repita con metanol.

Después del último baño, retire el chip y séquelo cuidadosamente a lo largo del plano del dispositivo con una suave corriente de nitrógeno. El dispositivo se caracteriza en una cámara de vacío que funciona por debajo de 10 a una potencia de siete milibares negativos con lectura de palanca óptica. Para configurar una palanca óptica, coloque una lente de enfoque después de un colimador de fibra y un divisor de haz entre la lente de enfoque y la muestra.

Enfoque un rayo láser colimado en la muestra con un tamaño de punto similar a la característica más grande que se está midiendo. Alinee el rayo láser cerca de los incidentes normales en la muestra mediante retrorreflexión en una fibra óptica, lo que simplifica la alineación posterior. Coloque un fotodetector equilibrado a lo largo de la trayectoria del haz reflejado, colocado más allá de la longitud del riel del haz para maximizar la sensibilidad.

Con el láser incidente en el fotodetector dividido o cuadrante, la salida del detector se envía a un digitalizador. Calcule la densidad espectral de potencia en tiempo real de la señal utilizando el método de transformada rápida de Fourier. Para identificar picos de modo específicos, compare la ubicación de los picos de ruido térmico en la señal de banda ancha con las frecuencias propias predichas de las simulaciones.

Tome un promedio cuadrático de varias estimaciones de densidad espectral de potencia para confirmar los picos. Comience el anillo de energía hacia abajo rastreando la integral bajo el pico de densidad espectral de potencia en la frecuencia de resonancia para medir la energía almacenada. Para impulsar el modo, aplique energía colocando un actuador piezoeléctrico en el costado o enviando un segundo rayo láser a la muestra, module el voltaje piezoeléctrico o la intensidad del haz a la frecuencia de resonancia.

Una vez que se detiene la unidad, realice un seguimiento de la disminución exponencial de la energía de oscilación para determinar la tasa de amortiguación. Luego, calcule el modal Q dividiendo la frecuencia de resonancia por la tasa de amortiguamiento. Las simulaciones COMSOL de la geometría de la cinta revelaron un modo de flexión de 53 kilohercios y un modo torsional de 70 kilohercios. El modo de flexión tiene el desplazamiento angular más grande, a medio camino entre el centro de la cinta y sus filetes.

Se creó un diseño GDS2 con 37 chips de 12 milímetros cuadrados cada uno, que muestran una variedad de geometrías para la fabricación. El análisis de densidad espectral de potencia demuestra la eficacia de la palanca óptica para leer el desplazamiento angular de ambos modos.