Fabbricazione e caratterizzazione di risonatori a membrana in nitruro di silicio ad alto Q

Sommario

Questo articolo ripercorre il ciclo di vita di un risonatore a membrana in nitruro di silicio, dalla progettazione alla fabbricazione fino alla caratterizzazione.

Abstract

Le membrane in nitruro di silicio sono una piattaforma di risonatori optomeccanici ampiamente utilizzata, che offre un elevato Q meccanico, una bassa perdita ottica e un accoppiamento optomeccanico migliorato utilizzando una panoplia di tecniche di ingegneria della deformazione, dei cristalli fononici e dei cristalli fotonici. Nonostante la loro ubiquità, la fabbricazione e la caratterizzazione delle membrane in nitruro di silicio si basano spesso su conoscenze tacite condivise tra gruppi di ricerca. Questo articolo presenta una dettagliata panoramica video della progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un risonatore contemporaneo a membrana in nitruro di silicio (in particolare, un nanonastro Si₃N₄ su scala centimetrica che supporta modi torsionali con fattori Q superiori a 10⁸ a temperatura ambiente). Il protocollo copre la simulazione agli elementi finiti, l'elaborazione su scala di wafer e chip e la lettura ottica basata su leva. Particolare attenzione è rivolta al pattern fotolitografico, all'incisione a secco e a umido, alla manipolazione dei dispositivi e alla misurazione del ringdown. Il tutorial è inteso sia come un pratico punto di ingresso per i nuovi arrivati sia come riferimento per gruppi esperti che replicano o adattano dispositivi simili. Tutte le procedure sono dimostrate in camere bianche universitarie standard e ambienti da banco.

Introduzione

Le membrane in nitruro di silicio hanno svolto un ruolo importante nell'optomeccanica quantistica¹ negli ultimi due decenni, a partire dalla scoperta che una membrana commerciale (una diapositiva TEM) può supportare modalità tamburo con prodotti di frequenza Q superiori a 10¹³ Hz ed essere accoppiata a una cavità ottica ad alta finezza utilizzando l'approccio membrana nel mezzo ^2,3,4. Gradualmente si è apprezzato come la sollecitazione di trazione e la forma modale influenzino il Q meccanico (attraverso un effetto chiamato diluizione per dissipazione ^5,6), stimolando l'invenzione di membrane micromodellate - trampolino ^7,8, cristallo fononico 2D e 1D ^9,10, frattale¹¹ e risonatori in modalità perimetrale¹² - con fattori Q fino a 10⁹. In combinazione con la criogenia, questi dispositivi hanno permesso esperimenti di riferimento come il raffreddamento allo stato fondamentale^13,14, la compressione ponderomotiva¹⁵, l'entanglement optomeccanico¹⁶ e la misurazione dello spostamento oltre il limite quantistico standard^17,18. Hanno anche un ruolo di primo piano nelle proposte per le tecnologie optomeccaniche di prossima generazione e nelle sonde per la nuova fisica, tra cui i microscopi a forza basati su membrana¹⁹, gli accelerometri²⁰, gli spettroscopi²¹, le memorie quantistiche²², i trasduttori da microonde a fotoni ottici²³ e i rivelatori di materia oscura²⁴.

Nonostante la loro popolarità, la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione dei risonatori a membrana in nitruro di silicio rimangono una disciplina di nicchia all'interno della comunità optomeccanica, basandosi su tecniche su misura tramandate oralmente e dissertazioni 25,26,27,28,29,30,31,32 . Una recente revisione della caratterizzazione interferometrica dei risonatori nanomeccanici demistifica quest'ultimo compito³³, e la modellazione della diluizione per dissipazione è diventata semplice con il software di simulazione agli elementi finiti commerciale²⁸. La nanofabbricazione, tuttavia, rimane un ostacolo all'ingresso, poiché la procedura, sebbene semplice, prevede una sequenza di passaggi delicati le cui sfumature sono spesso tralasciate dalle tradizionali descrizioni verbali e dai diagrammi di flusso del processo.

Questo articolo presenta come esempio la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di un risonatore a membrana in nitruro di silicio in formato video, utilizzando un nanoribbon³⁴ su scala centimetrica, una piattaforma semplice ma robusta che sta guadagnando popolarità per l'optomeccanica quantistica torsionale^35,36 e la misurazione di precisione^37,38 (la procedura è facilmente adattabile ad altre geometrie di risonatori). Il segmento di progettazione fornisce una panoramica di base della simulazione delle modalità a membrana utilizzando software commerciali agli elementi finiti. La sequenza di fabbricazione, che costituisce il nucleo del tutorial, copre la preparazione del substrato, la deposizione del film, la modellazione, l'incisione e il rilascio. L'articolo si conclude con una dimostrazione di caratterizzazione mediante la tecnica della leva ottica (OL). Questa risorsa è intesa come un punto di partenza pratico o un aggiornamento per i ricercatori che lavorano con risonatori di membrana ad alto Q.

Protocollo

1. Simulazione e progettazione ^32,28

1. Scegli i parametri del risonatore per adattarli in modo ottimale a un obiettivo predeterminato
   1. Costruisci un modello COMSOL della geometria generica del risonatore di interesse. Avvia la procedura guidata del modello software e crea una simulazione 2D. Nel menu della fisica della meccanica strutturale, selezionare Piastra o Conchiglia.
      NOTA: La differenza tra piastra e guscio è minima in questo contesto.
   2. Ai fini della progettazione, la frequenza, la forma modale, la massa effettiva e il fattore di qualità del dispositivo sono di massimo interesse. Quindi, selezionare Frequenza propria, Precompresso nel menu Seleziona studio.
   3. Costruisci la geometria del risonatore e imposta il materiale di tutti i domini su nitruro di silicio stechiometrico (elencato come Si₃N₄- nitruro di silicio nella libreria dei materiali del software).
      NOTA: Le proprietà meccaniche del nitruro di silicio variano a seconda della stechiometria e del processo di deposizione. Abbiamo modificato la densità predefinita del materiale a 2700 kg/m³ per riflettere le pellicole utilizzate in questo lavoro (vedi sotto).
   4. Aggiungere una sollecitazione e una deformazione iniziali al modello corrispondenti alla precompressione del film Si₃N₄ (in questo caso, specifichiamo 1 GPa). Quindi aggiungi un nodo di vincolo fisso e seleziona i morsetti del dispositivo.
   5. Nel nodo Mesh, scegli l'opzione Dimensione elemento estremamente fine . La scelta di questa opzione è importante per una simulazione accurata della diluizione della dissipazione. Per aumentare ulteriormente la precisione, ridimensionare la densità della mesh nella finestra Densità mesh.
   6. Passare alla fase di studio stazionaria e assicurarsi che la casella Includi non linearità geometrica sia selezionata. Nella fase di studio delle frequenze proprie, scegli quante modalità risolvere ed esegui la simulazione.
   7. Sotto il nodo dei risultati, aggiungere una valutazione globale che stima il fattore di qualità del risonatore derivante dalla diluizione della dissipazione: il rapporto tra l'energia di deformazione cinetica ed elastica totale moltiplicata per il fattore di qualità intrinseco 28,32,39.
   8. Modificare la geometria del risonatore fino a quando la massa effettiva, la frequenza e il fattore di qualità non soddisfano le specifiche.
   9. Trasferisci le geometrie di progettazione in un file CAD GDSII e popola un wafer CAD (per questo lavoro, utilizziamo il fotoresist positivo in modo che venga modellata solo l'area intorno al risonatore).
   10. Oltre a uno strato di risonatori, aggiungi uno strato inferiore che rappresenta le finestre posteriori su ciascun dispositivo per rimuovere il materiale da dietro ogni dispositivo. In questo modo si accelera anche il processo di incisione a umido più avanti nel protocollo.
   11. Infine, posiziona le linee dei dadi e i quattro segnalini di allineamento sulla parte superiore, inferiore e laterale del wafer CAD su entrambi gli strati. Questo aiuta ad allineare correttamente la parte posteriore del wafer durante l'esecuzione della macchina per fotolitografia.

2. Fabbricazione su scala di wafer ¹

NOTA: La deposizione Si₃N₄ può essere eseguita dal lettore, ma le nostre strutture non dispongono dell'attrezzatura necessaria per farlo e, come tale, iniziamo con wafer di provenienza commerciale per questo studio. Una panoramica del processo di fabbricazione è mostrata di seguito nella Figura 1.

Figura 1: Panoramica della fabbricazione. (A) Un sottile film di nitruro di silicio viene depositato su un substrato di silicio nudo. Il wafer viene quindi (B) rivestito con fotoresist per (C) fotolitografia. Il modello tracciato in (C) viene utilizzato come maschera protettiva per l'incisione ionica reattiva (D) per intagliare i disegni del risonatore nel film. Dopo la cottura a cubetti, l'acetone (E) viene utilizzato per rimuovere il resist prima che la soluzione di idrossido di potassio (F) rimuova il substrato di silicio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Modellare il disegno o i disegni trovati nella sezione precedente su un wafer Si₃N 4-on-Si a doppia faccia. Depositare un film sottile ad alta sollecitazione di Si₃N₄ su un substrato di silicio nudo utilizzando la deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD). I parametri tipici di deposizione sono: Temperatura del quarzo = 800 °C, Pressione = 10 mTorr, Miscela di gas iniettato = Diclorosilano (SiH₂Cl₂) e ammoniaca (NH₃)
   ATTENZIONE: Il SiH₂Cl₂ è combustibile e corrosivo. È estremamente velenoso se inalato e deve essere maneggiato solo con estrema cura e dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati. NOTA: Per questa fase esternalizziamo l'elaborazione di wafer a terzi, come di consueto.
2. Adescamento in fase vapore di esametiltililazano (HMDS)⁴⁰
   NOTA: I seguenti passaggi possono essere sostituiti se si ha accesso a un forno HMDS, che automatizza il processo di adescamento.
   1. Posizionare un wafer Si₃N 4-on-Si pulito a doppia faccia su due vetrini all'interno di un'ampia capsula di Petri di vetro. Distanziare le guide in modo tale che sia supportato solo il bordo esterno del wafer, migliorando l'adescamento posteriore nelle fasi successive.
   2. Posizionare alcune gocce di HMDS lungo il bordo della capsula di Petri con una pipetta capillare monouso. Sotto una cappa aspirante, coprire la capsula di Petri in vetro e scaldare a 90 °C per 1 minuto su una piastra calda, facendo evaporare l'HMDS e lasciandolo aderire al Si₃N₄.
      ATTENZIONE: L'HMDS è combustibile, irritante e causa problemi di salute a lungo termine se inalato e deve essere maneggiato solo sotto una cappa aspirante.
   3. Dopo 1 minuto, rimuovere delicatamente il coperchio della capsula di Petri e sfiatare eventuali HMDS rimanenti dalla capsula. Sposta il wafer in una capsula di Petri di plastica con una salvietta per camera bianca sul fondo.
3. Resistenza al rivestimento di filatura
   1. Prima di depositare il resist, preriscaldare una piastra riscaldante a 115 °C. Ciò garantirà che la piastra riscaldante sia alla temperatura prescritta più avanti nel protocollo.
   2. Centrare il wafer innescato all'interno di una centrifuga e tenerlo in posizione con un mandrino a vuoto. Lasciare la centrifuga aperta per i passaggi successivi.
   3. Utilizzando un ago e una siringa, estrarre non più di 4 mL di fotoresist S1813⁴¹. Muovi delicatamente la siringa ed eroga una piccola quantità di liquido per rimuovere le bolle d'aria.
      ATTENZIONE: S1813 è un irritante combustibile e deve essere maneggiato solo con DPI adeguati e lontano da fiamme libere o scintille.
   4. Riporre l'ago nella fondina e sostituirlo con un filtro da 2 μm per rimuovere il particolato di grandi dimensioni. Come nel passaggio precedente, agitare delicatamente la siringa ed erogare 3-5 gocce di liquido per rimuovere le bolle d'aria rimanenti nel filtro. Prima di continuare, assicurarsi che nella siringa rimangano almeno 3 mL di resist.
   5. Deposita la resistenza goccia a goccia sul wafer per formare una grande piscina. Man mano che questa piscina diventa più grande, deposita il resist vicino al suo bordo per assicurarti che rimanga relativamente centrato sul wafer. Se compaiono delle bolle sulla superficie della piscina, usa la punta dell'ago per farle scoppiare prima di continuare.
   6. Bloccare il coperchio della centrifuga e impostare la centrifuga a 3000 giri/min per 30 s con un'accelerazione di 3000 giri/min/s. Queste impostazioni, secondo il produttore del resist, creeranno uno strato uniforme di 1,5 μm di spessore su tutta la superficie del wafer⁶.
   7. Ispezionare il rivestimento finito per verificare la presenza di bolle, striature e non uniformità. Se ne vengono macchiati, chiudere lo spin coater e lavare la superficie del wafer con acetone e alcol isopropilico (IPA). L'esecuzione della centrifuga durante questa fase migliora la rimozione.
   8. Ripetere i passaggi 2.3.1-2.3.7 per formare un nuovo livello.
      ATTENZIONE: L'acetone e l'alcool isopropilico sono entrambi irritanti combustibili. Devono essere maneggiati solo con DPI adeguati e lontano da fiamme libere o scintille.
   9. Se lo strato di resistenza è privo di difetti, disabilitare il mandrino a vuoto e trasferire il wafer sulla piastra riscaldante preriscaldata per una cottura di 1 minuto⁶. La cottura del wafer fa evaporare il solvente rimasto e lo prepara per la fotolitografia.
   10. Dopo la cottura, togliere la cialda dalla piastra. Procedi alla fase di fotolitografia.
4. Fotolitografia
   1. Caricare il wafer rivestito in una macchina per fotolitografia con allineamento senza maschera (MLA). Assicurati di centrare il wafer nel miglior modo possibile per ridurre al minimo gli errori di rotazione globale e di offset.
   2. Caricare il file wafer compilato dal passaggio 1.2 sul computer e convertirlo in un tipo di file che può essere compreso dal software MLA. Inizia modellando lo strato superiore popolato con disegni di risonatore.
   3. Dopo aver caricato il wafer e il file CAD, selezionare la forma e le dimensioni del wafer corrispondenti. La macchina determina automaticamente l'allineamento utilizzando un algoritmo di rilevamento dei bordi.
   4. Dopo l'allineamento, selezionare l'opzione per includere l'errore di rotazione globale e caricare i seguenti parametri di esposizione del raggio. L'intensità del fascio di 140 mJ/cm² a una lunghezza d'onda di 375 nm produce risultati ottimali per 1,5 μm di questo resist¹.
   5. Con tutti i parametri di esposizione caricati e il wafer allineato, iniziare l'esposizione. Per un wafer da 100 mm diviso in scaglie quadrate da 12 mm, questo processo richiede solitamente circa 20 minuti.
   6. A 5 minuti prima della fine dell'esposizione fotolitografica, sciacquare due grandi stoviglie con acqua deionizzata (DI) e asciugare con azoto compresso.
   7. Riempire una capsula con circa 75 ml di MF-319 Developer⁴²e l'altra con una grande quantità di acqua deionizzata.
      ATTENZIONE: MF-319 è corrosivo, irritante e comporta rischi per la salute a lungo termine. Utilizzare solo con DPI adeguati.
   8. Una volta completata l'esposizione, scaricare il wafer dall'MLA e trasferirlo allo sviluppatore MF-319 per lasciarlo indisturbato per 20 s.
   9. Dopo 20 s di sviluppo, agitare la soluzione per rimuovere il resist esposto per altri 40 s facendo roteare delicatamente il piatto con un movimento circolare. Se il resist esposto rimane, agitare la miscela per altri 30 s, ma fare attenzione a non sovraesporre il wafer⁴².
   10. Trasferire il wafer nel secondo piatto riempito con acqua deionizzata per diluire lo sviluppatore residuo. Lavare delicatamente con acqua deionizzata utilizzando un flacone di lavaggio o una pistola ad acqua deionizzata su entrambi i lati per rimuovere il resto.
   11. Infine, puntare una pistola ad azoto compresso lungo il wafer per rimuovere l'acqua deionizzata dalla superficie del wafer. Utilizzare una bassa pressione e un orientamento corretto della pistola per ridurre al minimo la possibilità di danni.
5. Incisione ionica reattiva^{h 40}
   1. Caricare il wafer sviluppato in un incisore ionico reattivo per trasferire i modelli di resistenza sulla pellicola Si₃N₄ . Eseguire il seguente processo per 5 s alla volta, rimuovendo 30 nm di Si₃N₄ [40]; Composizione del gas: 30 sccm di esafluoruro di zolfo (SF₆) e 10 sccm di Argon (Ar); Polarizzazione ad alta frequenza: 50W; Potenza del plasma accoppiato induttivamente: 1000 W; Pressione della camera: 10 mTorr.
      NOTA: Poiché i profili dei fianchi sono trascurabili, questa incisione può essere continua anziché a gradini. Un processo graduale, tuttavia, riduce il rischio di cuocere il resist.
   2. Eseguire ripetutamente questo processo per rimuovere circa 30 nm di Si₃N₄ per processo fino a quando la pellicola esposta appare argentata, un indicatore che il substrato è esposto. Infine, rimuovere il wafer dall'incisore ionico reattivo; Il wafer è ora pronto per la modellazione sul retro.
6. Fantasia sul retro
   1. Riposizionare il wafer nella centrifuga con il lato del dispositivo rivolto verso il basso. Depositare uno strato di fotoresist da 1,5 μm identico al passaggio 2.3.
      NOTA: Poiché lo strato di resistenza del passaggio 2.4 sopravvive all'incisione al plasma del passaggio 2.5, agisce come uno strato protettivo che previene danni al film sottostante.
   2. Con il nuovo strato di resist rivolto verso l'alto, caricare nuovamente il wafer nell'MLA, ruotare di 180°. Ricaricare il wafer CAD nel software MLA, convertirlo in un tipo di file accettabile e specchiarlo lungo il rispettivo asse. La visualizzazione del CAD convertito garantisce che l'orientamento CAD corrisponda a quello del wafer.
   3. Ripetere i passaggi 2.4.3-2.5.2.
7. Scissione di wafer
   1. Usando le linee dei dadi modellate in nitruro di silicio come guida, posiziona due vetrini sul wafer in modo che siano paralleli al piano di cristallo del substrato. Inserisci con cura un graffietto a punta di diamante tra le diapositive e trascina lungo le linee dei dadi, incidendo lungo il piano di cristallo.
   2. Riallinea le diapositive su una nuova linea di dadi e usa lo scriba per segnare lungo un'altra parte del wafer. Ripeti questo processo di incisione fino a quando tutti i bordi delle singole fiches sono stati incisi.
   3. Posiziona l'ostia sopra le diapositive in modo che una linea di dadi sia equidistante da entrambe. Se il punteggio era abbastanza profondo e ben allineato, una piccola quantità di forza verso la parte superiore del wafer è sufficiente per spaccare il wafer lungo il piano cristallino, ottenendo una rottura perfetta. Rompi continuamente i pezzi del wafer in questo modo per creare singole patatine.

Figura 2: Porta chip personalizzato. Il portatrucioli personalizzato è progettato per mantenere i trucioli in posizione verticale massimizzando l'area esposta per l'incisione KOH. (A) Disegno CAD che mostra la struttura di base del dispositivo. La struttura finale è ricavata da un piccolo blocco di PTFE Teflon per la resistenza chimica. (B, C) I trucioli vengono posizionati in posizione verticale nel supporto e viene utilizzato un bastoncino di PTFE per calarli in un bagno chimico. Questa cifra è stata modificata da³². Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Elaborazione su scala di chip ³²

1. Rilasciare i risonatori modellati dal loro substrato di silicio per produrre film indipendenti.
   1. Innanzitutto, aggiungere 40 ml di soluzione di idrossido di potassio (KOH) con concentrazione al 45% in un recipiente (o becher) e riscaldare a 86 °C utilizzando una piastra riscaldante. Coprire la soluzione per favorire un gradiente di temperatura uniforme.
      ATTENZIONE: KOH è corrosivo e irritante e deve essere maneggiato solo con DPI adeguati sotto una cappa aspirante.
   2. Rimuovere la polvere da un portacampioni di plastica (con coperchio) utilizzando un forte sbuffo di azoto gassoso e sciacquare una sottile rondella metallica delle dimensioni del chip con alcool isopropilico e asciugare con azoto compresso. La rondella fungerà da supporto per la membrana rilasciata all'interno di questo supporto.
   3. Staccare accuratamente le patatine tagliate a dadini dal nastro e immergerle in un bagno di acetone sonicato per almeno 30 secondi per rimuovere i contaminanti resistenti e superficiali. Lavare via l'acetone con un rapido risciacquo IPA e asciugare con azoto compresso.
   4. OPZIONALE: Per diluire il film Si₃N₄ e/o per rimuovere i contaminanti attaccati, immergere il chip in una soluzione tampone di acido fluoridrico (HF) al 10% per rimuovere 1,55 nm/min. Questo passaggio è facoltativo in quanto può essere eseguito prima o dopo l'incisione KOH.
      ATTENZIONE: L'HF è acutamente velenoso, corrosivo e richiede specifiche considerazioni di sicurezza prima di essere utilizzato. Maneggiare solo con un allenamento adeguato, guanti/grembiuli sicuri contro gli acidi e con gel di gluconato di calcio pronto in caso di esposizione.
   5. Per evitare che contaminanti estranei si riattacchino al chip, posizionarlo immediatamente in un supporto personalizzato in politetrafluoroetilene (PTFE)¹ sotto una cappa aspirante. Questo supporto è mostrato nella Figura 2.
2. KOH mordenzatura a umido
   1. Abbassa il portachip personalizzato nella vasca KOH. Coprire la soluzione per mantenere un gradiente termico uniforme. Poiché KOH incide il silicio a una velocità di circa 10 μm/ora per una temperatura del bagno di ~62 °C e una concentrazione del 45%^43,44 (circa un giorno di incisione per un wafer di 200 μm di spessore, a seconda della geometria del dispositivo), è possibile installare una telecamera accanto all'incisione per il monitoraggio a lunga distanza.
      NOTA: Il KOH reagisce con il silicio preferenzialmente lungo il piano cristallino del substrato. Sebbene la velocità di incisione insieme ad altre direzioni sia piccola, rimane non trascurabile, l'angolo di incisione funziona lentamente².
   2. Dopo che tutto il silicio attorno al risonatore è stato inciso e la pellicola è stata rilasciata, interrompere la reazione rimuovendo il recipiente dalla piastra calda. A causa della viscosità del KOH, la rimozione del dispositivo probabilmente frantumerebbe la pellicola⁸, quindi sostituire gradualmente il bagno KOH con acqua deionizzata pipettando iterativamente il KOH e pipettando in acqua deionizzata, senza mai lasciare che il livello del liquido scenda al di sotto della parte superiore del chip. Ripetere questo processo fino a rimuovere tutto il volume del vaso.
   3. Per evitare la contaminazione incrociata con KOH e solventi più avanti in questo protocollo, trasferire il portachip in un bagno d'acqua DI fresco.
      1. Riempire una vasca capiente con acqua deionizzata in eccesso, sufficiente a coprire sia i recipienti per l'incisione che quelli per l'immissione di ioni, con spazio per il supporto soprastante. Posizionare il nuovo bagnomaria DI nella vasca utilizzando le pinze, quindi il recipiente per l'incisione.
      2. Utilizzare l'astina di livello per sollevare delicatamente il portatrucioli dal recipiente di incisione e, mantenendo il truciolo sommerso, trasferirlo nel bagno di disinfezione. Rimuovere entrambi i recipienti dalla vasca con le pinze, lasciando il portatrucioli in un bagno d'acqua DI pulito.
3. Pulizia della pellicola rilasciata
   1. Dopo che il chip è stato trasferito in un bagno d'acqua deionizzata fresca, sostituire gradualmente l'acqua deionizzata con alcool isopropilico nello stesso modo del passaggio 3.2.2. Ancora una volta, non lasciare mai che il livello del liquido scenda al di sotto del bordo superiore del chip.
   2. Dopo che due bagni di liquido sono stati trasferiti, ripetere il processo, sostituendo l'IPA con il metanolo.
   3. Dopo che due bagni di liquido sono stati trasferiti, rimuovere il dispositivo dal bagno di metanolo e asciugare accuratamente lungo il piano del truciolo con una leggera corrente di azoto gassoso.
      NOTA: La pellicola rilasciata è estremamente delicata e deve essere maneggiata con cura. Per ridurre al minimo la possibilità di rompere o contaminare la pellicola, il dispositivo deve essere tenuto per il bordo o l'angolo del chip utilizzando una pinza con punta in fibra di carbonio. Quando si maneggia in un bagno liquido, il truciolo deve essere spostato fuori dal piano del film, in modo tale che il fluido sfiori appena la superficie.
   4. Ispezionare il dispositivo al microscopio per verificare la presenza di detriti, residui di resistenza o difetti. Pulire se necessario rimettendo il truciolo nel metanolo per un po' di tempo e asciugandolo nuovamente.
4. Mordenzatura a umido HF e pulizia aggiuntiva
   1. Se i detriti rimangono resistenti alla fase di pulizia del metanolo 3.3.4, incidere il chip in una soluzione tampone HF al 10%. Si noti che questo reagisce con Si₃N₄ a una velocità di circa 1,55 nm/min. In molti casi, un rapido tuffo può strappare lo strato esterno della pellicola.
   2. Dopo l'immersione nell'HF, trasferire immediatamente l'apparecchio in un bagno d'acqua DI per 30 s per diluire l'HF.
   3. Trasferire il chip in un bagno IPA per altri 30 s e infine trasferirlo in un bagno di metanolo per 1-5 minuti a seconda del livello di contaminazione.
   4. Trascorso il tempo desiderato, rimuovere il truciolo dal bagno di metanolo e asciugarlo delicatamente con una leggera brezza di azoto gassoso.
   5. Ispezionare nuovamente il chip e pulirlo nuovamente se necessario. Dopo che il dispositivo è stato ritenuto pulito, posizionarlo delicatamente all'interno del suo supporto sopra la lavatrice dal passaggio 3.1.2.

4. Caratterizzazione del chip

1. Iniziare la caratterizzazione caricando la membrana rilasciata a faccia in su in una camera a vuoto con una porta di trasmissione per il sondaggio ottico. Per ridurre al minimo le perdite meccaniche, appoggiare il truciolo nella camera senza utilizzare nastro adesivo o colla per tenerlo in posizione²⁵. Per ridurre al minimo lo smorzamento del gas, pompare la camera a una pressione inferiore a ^10-7 mbar (vedi discussione).
2. Configurazione della leva ottica (OL) per misurare la cilindrata in modalità^34,35.
   NOTA: Il metodo OL presenta numerosi vantaggi pratici; Tuttavia, poiché richiede una deflessione angolare di sonda, è meno sensibile dell'interferometria per alcune forme modali. Rimandiamo il lettore al^{punto 33} per un'utile panoramica sulla lettura dello spostamento interferometrico dei risonatori a membrana.
   1. Innanzitutto, focalizzare un raggio laser collimato sul campione con una dimensione dello spot paragonabile alla caratteristica più grande da sondare. Questo è importante poiché la sensibilità della leva ottica è proporzionale sia alla dimensione dello spot che alla potenza riflessa³⁵.
   2. Allineare il raggio laser in modo che sia il più vicino possibile alla normale incidenza sul campione, in genere mediante retroflessione in una fibra ottica. Sebbene l'angolo di incidenza non influisca molto sulla sensibilità, semplifica l'allineamento in un secondo momento.
   3. Con il laser a incidenza normale, inserire un divisore di fascio tra il campione e la lente di messa a fuoco. Il beamsplitter raccoglie la luce riflessa dal risonatore.
   4. Posizionare un fotorivelatore bilanciato lungo il percorso del fascio selezionato, a una buona distanza dalla configurazione, idealmente maggiore della lunghezza di Rayleigh del raggio focalizzato, per massimizzare la sensibilità³⁵. Un diagramma della configurazione OL è fornito nella Figura 3A.
3. Lettura dello spostamento e misurazione del rumore termico
   1. Traslare il raggio incidente lungo il risonatore per concentrarsi su una regione di curvatura modale elevata. Questo può essere trovato facendo riferimento alle forme modali trovate nelle simulazioni nel passaggio 1. Riallineare il resto della configurazione se necessario.
   2. Con la luce incidente sul fotorivelatore diviso (o a quadrante), l'uscita del rivelatore viene inviata a un digitalizzatore. Calcola la densità spettrale di potenza (PSD) in tempo reale del segnale digitalizzato utilizzando il metodo FFT (Fast Fourier Transform)³⁴.
   3. Per una misura OL sufficientemente sensibile, i picchi di rumore termico compaiono nel PSD del segnale a banda larga. Per identificare modalità specifiche, confrontare la posizione dei picchi di rumore termico con le frequenze proprie previste dalle simulazioni nel passaggio 1. Un esempio di picco di rumore termico è mostrato nella Figura 3B. Per questa misurazione, prendere una media RMS di diverse stime PSD (periodogrammi).
4. Anello di energia
   1. L'energia contenuta all'interno di una modalità oscillante è proporzionale all'area sotto il PSD. Inizia tracciando l'integrale su una banda stretta centrata al picco di frequenza di risonanza modale. Man mano che l'energia viene aggiunta al modo e successivamente dissipata, questo caratterizzerà la sua dissipazione.
   2. Quando l'energia viene aggiunta sotto forma di un azionamento coerente, il picco (e l'area sottostante) aumenterà. Per ottenere ciò, posizionare un attuatore piezoelettrico sul lato della camera a vuoto o inviare un secondo raggio laser al campione. In entrambi i casi, la sorgente viene modulata alla frequenza di risonanza del modo.
      NOTA: L'aggiunta di energia a un oscillatore può essere eseguita anche dandogli un calcio. Una forza d'impulso proveniente dalla presa della camera a vuoto crea un'unità bianca istantanea e incoerente che eccita molte modalità contemporaneamente a scapito dell'incoerenza.
   3. Dopo che l'unità è stata spenta, l'energia di oscillazione della modalità decadrà in modo esponenziale. Dedurre la velocità di smorzamento dell'oscillatore da un adattamento eseguito dopo il ringdown. Calcola il modale Q dividendo la frequenza di risonanza per il tasso di smorzamento.
   4. Ripetere questa procedura di riepilogo più volte per trovare una Q media e verificare la coerenza dei risultati.
5. Lettura stroboscopica
   1. Se il dispositivo sembra suonare in modo non lineare o i risultati variano notevolmente tra i ringdown, il dispositivo potrebbe interagire con la sonda e passare attraverso processi fototermici⁴⁵. Per evitare questo problema, utilizzare un ringdown stroboscopico¹⁰ in cui la sonda viene chiusa per alcuni secondi e chiusa per molti altri. Esponendo la sonda solo per pochi secondi alla volta, il riscaldamento del risonatore è ridotto al minimo.

Figura 3: Configurazione della caratterizzazione. (A) Un cartone animato che illustra la configurazione e il funzionamento di base di una leva ottica. Un raggio laser collimato viene focalizzato sul campione utilizzando una lente. Un divisore di fascio preleva la luce retroflessiva, dirigendola verso un fotodiodo diviso. (B) Esempio di un segnale PSD termico mediato 50 volte con una larghezza di banda di risoluzione di 0,1 Hz. (C) I risonatori poggiano su un supporto in alluminio personalizzato, con un contatto fisico minimo, per ridurre al minimo la perdita meccanica estrinseca. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

Dimostriamo il protocollo fabbricando un wafer costituito da diversi risonatori a nastro diagonale di 100 nm di spessore³⁴ e caratterizzando i loro primi modi vibrazionali. In questo lavoro, il nastro è lungo 7 mm e largo 400 μm con filetti di diametro 662 μm. Notiamo che mentre l'OL utilizzato in questo lavoro è naturalmente adatto ai modi torsionali, può anche rilevare i modi di flessione trasversale posizionando la trave in una posizione di deflessione angolare diversa da zero. A titolo illustr...

Discussione

Una cosa che è evidente dai dati nella Figura 5 è che, mentre la Q della modalità torsionale corrisponde al valore simulato, la modalità di flessione Q è inferiore al previsto. Ciò non pregiudica la qualità della simulazione, ma piuttosto è il risultato della trascuratezza dei meccanismi di perdita estrinseci come l'accoppiamento in modalità substrato⁴⁶ e la perdita di bloccaggio. Il modello di diluizione per dissipazione utilizzato n...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
100nm bifacciale Si3N4 su 4'' 200µ m Si wafer	WaferPro		Wafer standard Si3N4 utilizzati per fabbricare risonatori a membrana
Sonificatore 13KHz Quantrex 70	L& R Ultrasuoni		Utilizzato in combinazione con l'acetone per rimuovere i contaminanti e la resistenza indurita dalle superfici dei trucioli.
Piastra di Petri in vetro da 150 mm, profondità 20 mm	Corning Incorporated	08-747F	Per adescamento HMDS
Capsula di Petri in plastica da 150 mm, profonda 15 mm	Supertek	S01268	Per il trasporto di wafer
2 μ m filtro per siringhe	Millipore Sigma	SLAP02550	Per filtrare il particolato resistente
Bicchiere in vetro borosilicato PYREX Griffin da 50 ml	Corning Incorporated, Scienze della vita		Contenitori per bagni liquidi generici
Acetone 99,5% grado ACS	Sigma Aldrich	179124	Solvente per uso generale utilizzato specificamente per sverniciare S1813 resist
Pinzette CarboFib	TDI Internazionale	TDI 2ACFR-SA	Pinzette per uso generale, resistenti agli agenti chimici, per la manipolazione sicura di trucioli in vari bagni
Bombola di azoto compresso	Fornito localmente		Asciugatura e pulizia
Acqua deionizzata	Fornito localmente		Per la pulizia di trucioli/wafer diluendo i corrosivi
Pipette capillari monouso 7,0-7,4 mm	VWR Scientific		Per adescamento HMDS
Microscopio digitale USB Emlimny	Emlimney		Per il monitoraggio a lunga distanza dell'avanzamento dell'incisione a umido
Esametiltililazano (HMDS)	Sigma Aldrich	440191	Primer per wafer
Turbopompa HiCube HiPace 80	Vuoto Pfeiffer		Pompa turbomolecolare utilizzata per pompare le camere a vuoto dei campioni
Acido fluoridrico 48%	Sigma Aldrich	695068	Diluente acido e diluente per film, diluito al 10% quando utilizzato
ICP-RIE DSE, Versaline DSE III	Plasmatherm		Per incisione Si3N4
Isopropanolo 99,5% grado ACS	Sigma Aldrich	190764	Utilizzato per la transizione delle membrane rilasciate dal liquido all'aria e per la pulizia dei film rilasciati
Nastro Kapton - 1 Mil, 1⁄ 2" x 36 iarde	ULINE	S-7595	Utilizzato per fissare wafer e chip ai wafer di supporto nella fase di incisione al plasma
LatticeAscia 225	Ingranaggio reticolare		Strumento di taglio
Laurell WS 650 Spin Coater	Società Laurell Technologies		Macchina di spalmatura a rotazione per il deposito di strati di resist uniformi su wafer
Maschera meno allineatore,  Visualizzazione del materiale MLA150	Strumenti Heidelberg		Macchina per fotolitografia =100nm
Metanolo 99,8% grado ACS	Sigma Aldrich	179337	Utilizzato per la transizione delle membrane rilasciate dal liquido all'aria e per la pulizia dei film rilasciati
Sviluppatore MF-319	Kayaku		Sviluppo di modelli di resistenza esposti
Fotoresist Microposit serie S1800 G2	Azienda chimica Dow		Per la modellazione fotolitografica. Questo lavoro utilizza specificamente S1813 resist.
Controllore MiniVac	Varian	9290191	Controllore della pompa ionica a camera a vuoto
MS-H280-Pro Piastra riscaldante	SU ILiLAB		Dispositivo di riscaldamento generale
National Instruments NI PXI-1033	Strumenti nazionali		Telaio del sistema di acquisizione dati
Ni PXI-4461	Strumenti nazionali		Convertitore analogico/digitale per l'acquisizione dei dati
Soluzione di idrossido di potassio KOH 45%	Sigma Aldrich	417661	Mordenzante a umido con silicio anisotropo
Supporto per campioni	Su misura		Realizzato su misura per mantenere i campioni in posizione verticale in diversi bagni chimici
TLB-6700 Laser a diodi a cavità esterna a velocità	Nuovo Focus	995	Sorgente laser a leva ottica
Controller laser sintonizzabile	Nuovo Focus	TLB-6700	Controllore laser
Pompa ionica Vaclon Plus 55 starcell	Varian	9191340	Pompa a vuoto Passice
Camera a vuoto			Camera a vuoto per l'isolamento dei risonatori
Fotoricevitore per celle a quadrante visibile	Nuovo Focus	23538-WX	Fotodiodo diviso per la lettura ottica a leva