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

La nostra ricerca mira ad esplorare le proprietà ottiche e meccaniche uniche dei film sottili di nitruro di silicio indipendenti. La nostra procedura di fabbricazione ci consente di progettare e caratterizzare rapidamente questi dispositivi, il che ci consente di fare progressi più rapidi nel campo della nanomeccanica. Guardando al futuro, il nostro gruppo prevede di utilizzare questi dispositivi per studiare le proprietà quantistiche del rilevamento angolare da sviluppare sugli accelerometri delle navi e per progettare esperimenti per sondare la fisica su questa scala da tavolo.

Per iniziare, procuratevi una piastra di Petri di vetro contenente un wafer di nitruro di silicio pulito a doppia faccia. Posizionare alcune gocce di HMDS lungo il bordo di una capsula di Petri di vetro utilizzando una pipetta capillare monouso. Sotto una cappa aspirante coprire la capsula di Petri.

Scaldalo su una piastra calda a 90 gradi Celsius per un minuto. per far evaporare l'HMDS e permettergli di aderire al nitruro di silicio. Dopo l'adescamento, posizionare il wafer all'interno di uno spin coder.

Ora usa un ago e una siringa per estrarre non più di quattro millilitri di S1813 Photo resist. Muovi delicatamente la siringa ed eroga una piccola quantità di liquido per rimuovere eventuali bolle d'aria. Rimuovere in modo sicuro l'ago della siringa e collegare un filtro da due micrometri.

Agitare nuovamente la siringa ed erogare da tre a cinque gocce per rimuovere le bolle d'aria nel filtro Depositare il resist goccia a goccia al centro del wafer per formare una grande piscina. Man mano che la piscina si espande, continua a depositare resist vicino al suo bordo per mantenerla centrata. Usa la punta dell'ago per far scoppiare eventuali bolle superficiali che appaiono prima di procedere.

Ora blocca il coperchio dello spin coder e impostalo su Spin per creare uno strato uniforme di 1,5 micrometri di spessore sul wafer. Togliete la cialda e mettetela su una piastra calda per farla cuocere morbidamente. Dopo un minuto, togliere la cialda dalla piastra calda.

Per definire i modelli del dispositivo, caricare il wafer rivestito in una macchina fotolitografica di allineamento senza massa. Centrarlo per ridurre al minimo gli errori di rotazione globale e di offset. Caricare il file wafer compilato sul computer e convertirlo in un formato compatibile per il software MLA.

Inizia a modellare lo strato laterale superiore con i disegni dei risonatori. Dopo l'allineamento, selezionare l'opzione per includere i parametri di esposizione del fascio del carico con errore di rotazione globale impostando l'intensità del fascio su 140 millijoule per centimetro quadrato a una lunghezza d'onda di 375 nanometri. Ora riempi un piatto grande con circa 75 millilitri di rivelatore MF319 e un altro con acqua deionizzata.

Una volta completata l'esposizione fotolitografica, scaricare il wafer dalla macchina fotolitografica. Quindi trasferiscilo nello sviluppatore MF 3 1 9 per 20 secondi. Agitare delicatamente il piatto con un movimento circolare per agitare e rimuovere il resist esposto per altri 40 secondi.

Quindi trasferire il wafer nella ciotola dell'acqua deionizzata per diluire lo sviluppatore residuo. Sciacquare entrambi i lati del wafer utilizzando una pistola a spruzzo, utilizzare una pistola ad azoto compresso per rimuovere l'acqua residua dalla superficie del wafer, applicando una bassa pressione e un orientamento corretto per evitare danni. Caricare il wafer sviluppato in un incisore ionico reattivo per trasferire i modelli di resistenza sul film di nitruro di silicio.

Eseguire il processo di incisione per cinque secondi per ciclo con le impostazioni specificate. Ripetere il processo fino a quando tutte le regioni del wafer non protette dallo strato di resistenza diventano argentate, indicando che il substrato è esposto. Infine, rimuovere il wafer dall'incisore ionico reattivo per la modellazione sul retro.

Per liberare i risonatori modellati dal loro substrato di silicio. Il wafer viene tagliato a cubetti o tagliato e lavorato su scala di chip. Sbucciare con cura le patatine tagliate a dadini dal nastro.

Immergere i chip in un bagno di acetone sonicato per almeno 30 secondi per rimuovere i contaminanti resistenti e superficiali. Facoltativamente, per diluire il film di nitruro di silicio o rimuovere i contaminanti attaccati, immergere il chip in una soluzione tampone di acido fluoridrico al 10% per rimuovere 1,55 nanometri di nitruro di silicio al minuto. Posizionare immediatamente il chip pulito in un supporto in PTFE personalizzato sotto una cappa aspirante.

Il portatrucioli viene quindi calato delicatamente in un bagno di idrossido di potassio al 45% mantenuto a 86 gradi Celsius. Coprire la soluzione per mantenere un gradiente termico uniforme. Dopo che il silicio attorno al risonatore è stato completamente inciso e la pellicola è stata rilasciata, interrompere la reazione rimuovendo il recipiente dalla piastra calda.

Senza esporre il chip, pipettare gradualmente la soluzione di idrossido di potassio e sostituirla con acqua deionizzata, mantenendo sempre il livello del liquido sopra il chip per evitare di frantumare il dispositivo. Per evitare la contaminazione incrociata, trasferire il portatrucioli e un becher pulito in un bagno fresco di acqua deionizzata. Quindi trasferire il portatrucioli nel bicchiere pulito contenente acqua deionizzata.

Dopo il trasferimento, rimuovere entrambi i becher. Sostituire gradualmente l'acqua deionizzata con alcol isopropilico allo stesso modo, assicurandosi che il livello del liquido rimanga sempre al di sopra del truciolo. Ripetere con metanolo.

Dopo l'ultimo bagno, rimuovere il truciolo e asciugarlo accuratamente lungo il piano del dispositivo utilizzando un getto di azoto delicato. Il dispositivo è caratterizzato in una camera a vuoto operante al di sotto di 10 alla potenza di sette millibar negativi con lettura ottica a leva. Per impostare una leva ottica, posizionare una lente di messa a fuoco dopo un collimatore a fibra e un divisore di fascio tra la lente di messa a fuoco e il campione.

Focalizzare un raggio laser collimato sul campione con una dimensione dello spot simile alla caratteristica più grande da misurare. Allineare il raggio laser vicino ai normali incidenti sul campione mediante retroriflessione in una fibra ottica, che semplifica l'allineamento successivo. Posizionare un fotorilevatore bilanciato lungo il percorso del raggio riflesso, posizionato oltre la lunghezza del binario del raggio per massimizzare la sensibilità.

Con l'incidente laser sul fotorivelatore diviso o a quadrante, l'uscita del rivelatore viene inviata a un digitalizzatore. Calcola la densità spettrale di potenza in tempo reale del segnale utilizzando il metodo della trasformata di Fourier veloce. Per identificare picchi di modalità specifici, confrontare la posizione dei picchi di rumore termico nel segnale a banda larga con le frequenze proprie previste dalle simulazioni.

Prendi una radice media media quadrata di diverse stime di densità spettrale di potenza per confermare i picchi. Inizia l'anello di energia verso il basso tracciando l'integrale sotto il picco di densità spettrale di potenza alla frequenza di risonanza per misurare l'energia immagazzinata. Per pilotare la modalità, applicare energia posizionando un attuatore piezoelettrico sul lato o inviando un secondo raggio laser al campione, modulare la tensione piezoelettrica o l'intensità del raggio alla frequenza di risonanza.

Una volta che l'azionamento è stato arrestato, tenere traccia del decadimento esponenziale dell'energia di oscillazione per determinare la velocità di smorzamento. Quindi calcola il modale Q dividendo la frequenza di risonanza per il tasso di smorzamento: le simulazioni COMSOL della geometria del nastro hanno rivelato un modo di flessione di 53 kilohertz e un modo di torsione di 70 kilohertz. La modalità di flessione ha lo spostamento angolare maggiore, a metà strada tra il centro del nastro e i suoi raccordi.

È stato creato un progetto GDS2 con 37 chip di 12 millimetri quadrati ciascuno, che mostrano una varietà di geometrie per la fabbricazione. L'analisi della densità spettrale di potenza dimostra l'efficacia della leva ottica nella lettura dello spostamento angolare di entrambe le modalità.