Fabrication et caractérisation de résonateurs à membrane en nitrure de silicium à haut Q

Notre recherche vise à explorer les propriétés optiques et mécaniques uniques des couches minces de nitrure de silicium autoportantes. Notre processus de fabrication nous permet de concevoir et de caractériser rapidement ces dispositifs, ce qui nous permet de faire des progrès plus rapides dans le domaine de la nanomécanique. À l’avenir, notre groupe prévoit d’utiliser ces appareils pour étudier les propriétés quantiques de la détection angulaire à développer sur les accéléromètres des navires et pour concevoir des expériences visant à sonder la physique à cette échelle de table.

Pour commencer, procurez-vous une boîte de Pétri en verre contenant une plaquette de nitrure de silicium double face propre. Placez quelques gouttes de HMDS le long du bord d’une boîte de Pétri en verre à l’aide d’une pipette capillaire jetable. Sous une hotte, couvrez la boîte de Pétri.

Chauffez-le sur une plaque chauffante à 90 degrés Celsius pendant une minute. pour évaporer le HMDS et lui permettre d’adhérer au nitrure de silicium. Après l’amorçage, placez la plaquette à l’intérieur d’un codeur de centrifugation.

Maintenant, utilisez une aiguille et une seringue pour ne pas extraire plus de quatre millilitres de résine photo S1813. Agitez doucement la seringue et versez une petite quantité de liquide pour éliminer les bulles d’air. Retirez en toute sécurité l’aiguille de la seringue et fixez un filtre de deux micromètres.

Actionnez à nouveau la seringue et distribuez trois à cinq gouttes pour éliminer les bulles d’air dans le filtre Déposez la résine goutte à goutte au centre de la plaquette pour former une grande flaque. Au fur et à mesure que la piscine s’agrandit, continuez à déposer de la résine près de son bord pour la maintenir centrée. Utilisez la pointe de l’aiguille pour faire éclater les bulles de surface qui apparaissent avant de continuer.

Verrouillez maintenant le couvercle du codeur de spin et réglez-le sur qu’il tourne pour créer une couche uniforme de 1,5 micromètre d’épaisseur sur la plaquette. Retirez la gaufrette et placez-la sur une plaque chauffante pour une cuisson molle. Au bout d’une minute, retirez la gaufrette de la plaque chauffante.

Pour définir les motifs de l’appareil, chargez la plaquette revêtue dans une machine de photolithographie à alignement sans masse. Centrez-le pour minimiser les erreurs de rotation globale et de décalage. Chargez le fichier de plaquette rempli sur l’ordinateur et convertissez-le dans un format compatible avec le logiciel MLA.

Commencez à modeler la couche latérale supérieure avec des motifs de résonateur. Après l’alignement, sélectionnez l’option permettant d’inclure les paramètres d’exposition du faisceau de charge d’erreur de rotation globale en réglant l’intensité du faisceau sur 140 millijoules par centimètre carré à une longueur d’onde de 375 nanomètres. Remplissez maintenant un grand plat avec environ 75 millilitres de révélateur MF319 et un autre avec de l’eau déminéralisée.

Une fois l’exposition à la photolithographie terminée, déchargez la plaquette de la machine de photolithographie. Transférez-le ensuite dans le révélateur MF 3 1 9 pendant 20 secondes. Faites tourner doucement le plat dans un mouvement circulaire pour agiter et retirez le vernis exposé pendant 40 secondes supplémentaires.

Transférez ensuite la plaquette dans le bol d’eau déminéralisée pour diluer le révélateur résiduel. Rincez les deux côtés de la plaquette à l’aide d’un pistolet pulvérisateur, utilisez un pistolet à gaz à azote comprimé pour éliminer l’eau restante de la surface de la plaquette, en appliquant une faible pression et une orientation appropriée pour éviter de l’endommager. Chargez la plaquette développée dans un graveur d’ions réactif pour transférer les motifs de réserve sur le film de nitrure de silicium.

Exécutez le processus de gravure pendant cinq secondes par cycle avec les paramètres donnés. Répétez le processus jusqu’à ce que toutes les régions de la plaquette non protégées par la couche de réserve deviennent argentées, indiquant que le substrat est exposé. Enfin, retirez la plaquette du graveur ionique réactif pour le motif de la face arrière.

Pour libérer les résonateurs à motifs de leur substrat de silicium. La plaquette est coupée en dés ou clivée et traitée à l’échelle de la puce. Retirez soigneusement les chips coupées en dés de leur ruban adhésif.

Trempez les copeaux dans un bain d’acétone soniquée pendant au moins 30 secondes pour éliminer la résine et les contaminants de surface. En option, pour diluer le film de nitrure de silicium ou éliminer les contaminants collés, trempez la puce dans une solution tampon d’acide fluorhydrique à 10 % pour éliminer 1,55 nanomètre de nitrure de silicium par minute. Placez immédiatement la puce propre dans un support en PTFE personnalisé sous une hotte.

Le porte-copeaux est ensuite abaissé doucement dans un bain d’hydroxyde de potassium à 45 % maintenu à 86 degrés Celsius. Couvrez la solution pour maintenir un gradient thermique uniforme. Une fois que le silicium autour du résonateur est complètement gravé et que le film est libéré, arrêtez la réaction en retirant le récipient de la plaque chauffante.

Sans exposer la puce, pipetez progressivement la solution d’hydroxyde de potassium et remplacez-la par de l’eau déminéralisée, en maintenant toujours le niveau de liquide au-dessus de la puce pour éviter de briser l’appareil. Pour éviter la contamination croisée, transférez le porte-copeaux et un bécher propre dans un bain frais d’eau déminéralisée. Transférez ensuite le porte-copeaux dans le bécher propre contenant de l’eau déminéralisée.

Après le transfert, retirez les deux béchers. Remplacez progressivement l’eau déminéralisée par de l’alcool isopropylique de la même manière, en veillant à ce que le niveau de liquide reste toujours au-dessus de la puce. Répétez l’opération avec du méthanol.

Après le dernier bain, retirez la copeau et séchez-la soigneusement le long du plan de l’appareil à l’aide d’un léger jet d’azote. Le dispositif est caractérisé dans une chambre à vide fonctionnant en dessous de 10 à la puissance moins sept millibars avec lecture par levier optique. Pour mettre en place un levier optique, placez une lentille de focalisation après un collimateur à fibre et un séparateur de faisceau entre la lentille de focalisation et l’échantillon.

Focalisez un faisceau laser collimaté sur l’échantillon avec une taille de spot similaire à la plus grande caractéristique mesurée. Alignez le faisceau laser près des incidents normaux sur l’échantillon par rétroréflexion dans une fibre optique, ce qui simplifie l’alignement ultérieur. Placez un photodétecteur équilibré le long de la trajectoire du faisceau réfléchi, positionné au-delà de la longueur du rail du faisceau pour maximiser la sensibilité.

Avec l’incident laser sur le photodétecteur split ou quadrant, la sortie du détecteur est envoyée à un numériseur. Calculez la densité spectrale de puissance en temps réel du signal à l’aide de la méthode de la transformée de Fourier rapide. Pour identifier des pics de mode spécifiques, comparez l’emplacement des pics de bruit thermique dans le signal large bande aux fréquences propres prévues à partir de simulations.

Prenez une moyenne quadratique de plusieurs estimations de densité spectrale de puissance pour confirmer les pics. Commencez l’anneau d’énergie en suivant l’intégrale sous le pic de densité spectrale de puissance à la fréquence de résonance pour mesurer l’énergie stockée. Pour piloter le mode, appliquez de l’énergie soit en plaçant un actionneur piézoélectrique sur le côté, soit en envoyant un deuxième faisceau laser sur l’échantillon, modulez la tension piézoélectrique ou l’intensité du faisceau à la fréquence de résonance.

Une fois le variateur arrêté, suivez la décroissance exponentielle de l’énergie d’oscillation pour déterminer le taux d’amortissement. Calculez ensuite le modal Q en divisant la fréquence de résonance par le taux d’amortissement Les simulations COMSOL de la géométrie du ruban ont révélé un mode de flexion de 53 kilohertz et un mode de torsion de 70 kilohertz. Le mode de flexion a le plus grand déplacement angulaire, à mi-chemin entre le centre du ruban et ses congés.

Une conception GDS2 a été créée avec 37 puces de 12 millimètres carrés chacune, montrant une variété de géométries pour la fabrication. L’analyse de la densité spectrale de puissance démontre l’efficacité du levier optique dans la lecture du déplacement angulaire des deux modes.