方法論記事

高Q窒化ケイ素膜共振器の作製と特性評価

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DOI：

10.3791/68706

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2025年8月8日

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1Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson

この記事について

サマリー

この記事では、窒化ケイ素膜共振器のライフサイクルを、設計から製造、特性評価までたどります。

要約

窒化ケイ素膜は、広く使用されている光機械式共振器プラットフォームであり、ひずみ、フォノニック結晶、およびフォトニック結晶工学技術のパノプリーを使用して、高い機械的Q、低い光損失、および強化された光機械的結合を提供します。窒化ケイ素膜は遍在しているにもかかわらず、多くの場合、研究グループ間で共有される暗黙知に依存しています。この記事では、最新の窒化ケイ素膜共振器(具体的には、室温でQ係数が108を超えるねじりモードをサポートするセンチメートルスケールのSi3N4ナノリボン)の設計、製造、および特性評価の詳細なビデオウォークスルーを紹介します。このプロトコルは、有限要素シミュレーション、ウェーハおよびチップスケールの処理、および光学レバーベースの読み出しを対象としています。フォトリソグラフィーのパターニング、ドライエッチングとウェットエッチング、デバイスの取り扱い、リングダウン測定に特別な注意が払われています。このチュートリアルは、初心者向けの実用的な入り口として、また、同様のデバイスを複製または適応させる経験豊富なグループ向けのリファレンスとして意図されています。すべての手順は、標準的な大学のクリーンルームおよびベンチトップ環境で実証されます。

概要

窒化ケイ素膜は、市販の膜(TEMスライド)が1013 Hzを超えるQ周波数積を持つドラムモードをサポートし、中間膜アプローチ2,3,4を使用して高精細な光学共振器に結合できることの発見から始まり、過去20年間にわたって量子オプトメカニクス1において重要な役割を果たしてきました.引張応力とモード形状が機械的Qにどのように影響するかが徐々に理解され(散逸希釈5,6と呼ばれる効果を介して)、マイクロパターン膜(トランポリン7,8、2Dおよび1Dフォノニック結晶9,10、フラクタル11、および周囲モード共振器12)の発明に拍車をかけました。.極低温学と組み合わせて、これらのデバイスは、基底状態冷却13,14、ポンデロモーティブスクイージング15、光機械的もつれ16、および標準量子限界17,18を超える変位測定などの画期的な実験を可能にしました。また、膜ベースの力顕微鏡19、加速度計20、分光器21、量子メモリ22、マイクロ波から光への光子トランスデューサ23、暗黒物質検出器24など、新しい物理学のための次世代光機械技術およびプローブの提案にも顕著に取り上げられています。

窒化ケイ素膜共振器の設計、製造、特性評価は、その人気にもかかわらず、口コミや論文によって受け継がれるオーダーメイドの技術に依存しており、オプトメカニクス コミュニティ内のニッチな分野であり続けています 25,26,27,28,29,30,31,32.ナノメカニカル共振器の干渉計特性評価の最近のレビューは、後者のタスク33をわかりやすくし、散逸希釈のモデリングは市販の有限要素シミュレーションソフトウェア28で簡単になりました。しかし、ナノファブリケーションは、手順は簡単ですが、従来の口頭での説明やプロセスフロー図からニュアンスが省略されることが多い一連の繊細なステップを伴うため、依然として参入の障害となっています。

本稿では、レンチメートルスケールのナノリボン34(ねじり量子光力学35,36および精密測定37,38で人気が高まっているシンプルかつ堅牢なプラットフォーム)を例として、ビデオ形式の窒化ケイ素膜共振器の設計、製造、および特性評価を紹介します(この手順は、他の共振器形状に容易に適応できます)。設計セグメントでは、市販の有限要素ソフトウェアを使用した膜モードのシミュレーションの基本的な概要を提供します。チュートリアルの中核を形成する製造シーケンスは、基板の準備、成膜、パターニング、エッチング、およびリリースをカバーします。この記事は、光学レバー(OL)技術を使用した特性評価のデモンストレーションで締めくくられています。このリソースは、高Q膜共振器を扱う研究者のための実用的な出発点または復習として意図されています。

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プロトコル

1. シミュレーションと設計 32,28

  1. 所定の対物レンズに最適に適合する共振器パラメータを選択する
    1. 目的の汎用共振器ジオメトリの COMSOL モデルを構築します。ソフトウェア モデル ウィザードを起動し、2D シミュレーションを作成します。構造力学の物理メニューで、 プレートまたはシェルを選択します。
      注:このコンテキストでは、プレートとシェルの違いは最小限です。
    2. 設計の目的では、デバイスの周波数、モード形状、有効質量、および品質係数が最も重要です。そのため、[スタディの選択]メニューで[ 固有周波数、プレストレス] を選択します。
    3. 共振器の形状を構築し、すべてのドメインの材料を化学量論的窒化ケイ素(ソフトウェア材料ライブラリにSi3N4-窒化ケイ素としてリストされています)に設定します。
      注:窒化ケイ素の機械的特性は、化学量論と蒸着プロセスによって異なります。この作業で使用したフィルムを反映するために、デフォルトの材料密度を2700 kg / m3 に変更します(以下を参照)。
    4. Si3N4 膜のプレストレスに対応するモデルに初期応力とひずみを追加します(この場合、1GPaを指定します)。次に、固定拘束ノードを追加し、 デバイスのクランプを選択します。
    5. [メッシュ]ノードで、[ 非常に細かい 要素サイズ]オプションを選択します。このオプションを選択することは、正確な散逸希釈シミュレーションにとって重要です。精度をさらに高めるには、メッシュ密度(Mesh Density)ウィンドウでメッシュ密度をスケールします。
    6. 定常スタディステップに進み、[ 幾何学的非線形性を含める] ボックスがオンになっていることを確認します。固有周波数スタディステップで、解くモードの数を選択してシミュレーションを実行します。
    7. 結果ノードの下に、散逸希釈から生じる共振器の品質係数(総運動歪エネルギーと弾性ひずみエネルギーの比率に固有品質係数 28,32,39 を掛けたもの)を推定するグローバル評価を追加します。
    8. 有効質量、周波数、および品質係数が仕様を満たすまで、共振器の形状を変更します。
    9. 設計形状をGDSII CADファイルに転送し、ウェーハCADに入力します(この作業では、ポジティブフォトレジストを使用するため、共振器の周囲の領域のみがモデル化されます)。
    10. 共振器の層に加えて、各デバイスのバックウィンドウを表す最下層を追加して、各デバイスの背後から材料を除去します。そうすることで、プロトコルの後半のウェットエッチングプロセスも早められます。
    11. 最後に、サイコロの線と4つのアライメントマーカーを、両方のレイヤーのウェーハCADの上部、下部、側面に配置します。これにより、フォトリソグラフィ機を実行するときにウェーハの裏側を適切に位置合わせすることができます。

2. ウェハスケールの製造 1

注:Si3N4 蒸着はリーダーで実行できますが、当社の施設にはそれに必要な機器がないため、この研究では市販のウェーハから始めます。製造プロセスの概要を以下の 図1に示します。

figure-protocol-1
図1:製造の概要。 (A)窒化ケイ素の薄膜を裸のシリコン基板上に堆積する。次に、ウェーハは(B)フォトレジストでコーティングされ、(C)フォトリソグラフィーが施されます。(C)でトレースされたパターンは、(D)反応性イオンエッチングの保護マスクとして使用され、共振器のデザインをフィルムに刻み込みます。ダイシング後、(E)アセトンを使用してレジストを除去し、その後(F)水酸化カリウム溶液がシリコン基板を除去します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

  1. 前のセクションで見つけたデザインを両面Si3N 4-on-Siウェーハにパターン化します。低圧化学気相成長法(LPCVD)を用いて、Si3N4の高応力薄膜をベアシリコン基板上に堆積させる。典型的な蒸着パラメータは、石英温度 = 800 °C、圧力 = 10 mTorr、注入ガス混合物 = ジクロロシラン (SiH2Cl2) およびアンモニア (NH3) です。
    注意: SiH2Cl2 は 可燃性で腐食性があります。吸入すると急性有毒であるため、細心の注意と適切な個人用保護具 (PPE) を使用してのみ取り扱う必要があります。注:このステップでは、通常、サードパーティのウェーハ処理に委託しています。
  2. ヘキサメチルジシラザン(HMDS)気相プライミング40
    注:プライミングプロセスを自動化するHMDSオーブンにアクセスできる場合は、次の手順を置き換えることができます。
    1. きれいな両面Si3N 4-on-Siウェーハを、幅広のガラスペトリ皿内の2枚のスライドガラスの上に置きます。ウェーハの外縁のみがサポートされるようにスライドの間隔を空け、後のステップで裏面のプライミングを改善します。
    2. 使い捨てのキャピラリーピペットを使用して、ペトリ皿の端に沿ってHMDSを数滴置きます。ヒュームフードの下で、ガラスのペトリ皿に蓋をし、ホットプレートで90°Cに1分間加熱し、HMDSを蒸発させ、Si3N4に付着させます。
      注意: HMDS は可燃性で刺激性があり、吸入すると長期的な健康上の問題を引き起こすため、ヒュームフードの下でのみ取り扱う必要があります。
    3. 1分後、シャーレカバーをそっと取り外し、残っているHMDSを皿から排出します。ウエハースをプラスチック製のペトリ皿に移し、底にクリーンルーム用ワイプを貼ります。
  3. スピンコーティングレジスト
    1. レジストを堆積させる前に、ホットプレートを115°Cに予熱します。 これにより、プロトコルの後半でホットプレートが所定の温度になるようになります。
    2. 下塗りしたウェーハをスピンコーター内の中央に置き、真空チャックで所定の位置に保持します。後の手順のためにスピンコーターを開いたままにしておきます。
    3. 針とシリンジを使用して、4 mL以下のS1813フォトレジスト41を抽出します。シリンジをそっとフリックし、少量の液体を分注して気泡を取り除きます。
      注意: S1813は可燃性の刺激物であり、適切なPPEを使用し、裸火や火花から遠ざけてのみ取り扱う必要があります。
    4. 針をホルスターにし、2μmのフィルターと交換して大きな微粒子を取り除きます。前のステップと同様に、シリンジをそっとフリックし、3〜5滴の液体を分注して、フィルターに残っている気泡を取り除きます。続行する前に、シリンジに少なくとも3 mLのレジストが残っていることを確認してください。
    5. レジストをウェーハに一滴ずつ堆積させ、1つの大きなプールを形成します。このプールが大きくなるにつれて、レジストをその端近くに堆積させて、ウェーハの比較的中央に留まるようにします。プールの表面に泡が現れた場合は、続行する前に針先で泡をはじいてください。
    6. スピンコーターの蓋をロックし、3000 rpm/s の加速度で 3000 rpm で 30 秒間回転するように設定します。レジストメーカーによると、これらの設定は、ウェーハ表面全体に均一な厚さ1.5μmの層を作成します6。
    7. 完成したコートに気泡、縞模様、不均一性がないか検査します。汚れがある場合は、スピンコーターを閉じ、ウェーハ表面をアセトンとイソプロピルアルコール(IPA)で洗浄します。このステップ中にスピンコーターを実行すると、除去が向上します。
    8. 手順2.3.1〜2.3.7を繰り返して、新しいレイヤーを形成します。
      注意: アセトンと IPA はどちらも可燃性刺激物です。適切な PPE を使用し、裸火や火花から遠ざけてのみ取り扱う必要があります。
    9. レジスト層に欠陥がない場合は、真空チャックを無効にし、ウェーハを予熱したホットプレートに移して1分間焼きます6。ウェーハを焼くと、残った溶媒が蒸発し、フォトリソグラフィの準備が整います。
    10. 焼いたら、ウエハースをホットプレートから取り出します。フォトリソグラフィのステップに進みます。
  4. 写真石版
    1. コーティングされたウェーハをマスクレスアライメント(MLA)フォトリソグラフィ装置にロードします。グローバル回転とオフセットの誤差を最小限に抑えるために、ウェーハを可能な限り中央に配置してください。
    2. ステップ1.2で入力したウェーハファイルをコンピュータにロードし、MLAソフトウェアで理解できるファイルタイプに変換します。まず、共振器のデザインで満たされた上面の層をパターン化します。
    3. ウェーハとCADファイルをロードした後、対応するウェーハの形状とサイズを選択します。機械は、エッジ検出アルゴリズムを使用して位置合わせを自動的に決定します。
    4. 位置合わせ後、グローバル回転誤差を含めるオプションを選択し、次のビーム露出パラメータをロードします。375 nmの波長で140 mJ/cm2 のビーム強度は、このレジスト1の1.5 μmに対して最適な結果を生み出します。
    5. すべての露光パラメータがロードされ、ウェーハが整列したら、露光を開始します。100mmのウェーハを12mm角のチップに分割した場合、このプロセスには通常約20分かかります。
    6. フォトリソグラフィー露光終了の5分前に、2つの大きな皿を脱イオン(DI)水ですすぎ、圧縮窒素ガスでブロードライします。
    7. 一方の皿に約75mLのMF-319現像液42を充填し、もう一方の皿に大量の脱イオン水を充填します。
      注意: MF-319 は腐食性、刺激性があり、長期的な健康リスクをもたらします。適切なPPEでのみ使用してください。
    8. 露光が完了したら、MLAからウェーハをアンロードし、MF-319現像液に移し、20秒間邪魔されずに放置します。
    9. 20秒の現像後、皿を円運動で穏やかに回転させて、さらに40秒間溶液を攪拌して露出したレジストを除去します。露出したレジストが残っている場合は、混合物をさらに30秒間撹拌しますが、ウェーハ42を露出しすぎないように注意してください。
    10. ウェーハをDI水で満たされた2番目の皿に移し、残留現像液を希釈します。両面のウォッシュボトルまたはDIウォーターガンを使用してDI水で優しく洗い、残りを取り除きます。
    11. 最後に、圧縮窒素ガスガンをウェーハに沿って向けて、ウェーハ表面から脱イオン水を除去します。損傷の可能性を最小限に抑えるために、低圧と適切な銃の向きを使用してください。
  5. 反応性イオンエッチング40
    1. 開発されたウェーハを反応性イオンエッチャーにロードし、レジストパターンをSi3N4 フィルムに転写します。次のプロセスを一度に5秒間実行し、30 nmのSi3N4 を除去します[40]。ガス組成:6フッ化硫黄(SF6)30 sccm、アルゴン(Ar)10 sccm。高周波バイアス:50W;誘導結合プラズマの電力:1000 W;チャンバー圧力:10 mTorr。
      注: サイドウォール プロファイルは無視できるため、このエッチングは段差ではなく連続的にすることができます。ただし、段階的なプロセスにより、レジストがハードベークされるリスクが軽減されます。
    2. このプロセスを繰り返し実行して、露光膜が銀色に現れるまで、プロセスごとに約30 nmのSi3N4 を除去します。最後に、反応性イオンエッチャーからウェーハを取り外します。これで、ウェーハは裏面パターニングの準備が整いました。
  6. 裏面パターニング
    1. ウェーハをデバイス側を下に向けてスピンコーターに戻します。ステップ2.3と同じ1.5μmのフォトレジスト層を堆積させます。
      注:ステップ2.4のレジスト層は、ステップ2.5のプラズマエッチングに耐えるため、下のフィルムへの損傷を防ぐ保護層として機能します。
    2. 新しいレジスト層を上に向けて、ウェーハをMLAに戻し、180°回転させます。ウェーハCADをMLAソフトウェアにリロードし、許容可能なファイルタイプに変換し、それぞれの軸に沿ってミラーリングします。変換された CAD を表示すると、CAD の向きがウェーハの向きと一致することを確認します。
    3. 手順 2.4.3 から 2.5.2 を繰り返します。
  7. ウェーハ切断
    1. 窒化ケイ素にパターン化されたサイコロの線をガイドとして使用して、基板の結晶面と平行になるように2つのスライドガラスをウェーハ上に配置します。先端がダイヤモンドのスクライブをスライドの間に慎重に挿入し、サイコロのラインに沿ってドラッグし、結晶面に沿ってスコアを付けます。
    2. スライドを新しいサイコロラインに再配置し、スクライブを使用してウェーハの別の部分に沿ってスコアリングします。個々のチップのすべてのエッジがスクライビングされるまで、このスコアリングプロセスを繰り返します。
    3. サイコロのラインが両方から等距離になるように、スライドの上にウェーハを置きます。スコアが十分に深く、適切に整列している場合、ウェーハの上部にわずかな力を加えるだけで、結晶面に沿ってウェーハを切断するのに十分であり、完全な破断が得られます。このようにウェーハの断片を連続的に破壊して、個々のチップを作成します。

figure-protocol-2
図2:カスタムチップホルダー。 カスタムチップホルダーは、KOHエッチングの露出面積を最大化しながら、チップを直立させるように設計されています。(A)デバイスの基本構造を示すCAD図面。最終的な構造は、耐薬品性のためにPTFEテフロンの小さなブロックから機械加工されます。(B、C)チップをホルダー内に直立させ、PTFEスティックを使用して化学浴に下ろします。この数値は32から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. チップスケール処理 32

  1. パターン化された共振器をシリコン基板から解放して、自立型フィルムを製造します。
    1. まず、40 mLの45%濃度の水酸化カリウム(KOH)溶液を容器(またはビーカー)に加え、ホットプレートを使用して86°Cに加熱します。均一な温度勾配を促進するために溶液を覆います。
      注意: KOHは腐食性で刺激性があるため、ヒュームフードの下で適切なPPEを使用してのみ取り扱う必要があります。
    2. 窒素ガスを強力にパフしてプラスチック製のサンプルホルダー(蓋付き)からほこりを取り除き、チップサイズの薄い金属ワッシャーをIPAですすぎ、圧縮窒素ガスでブロードライします。ワッシャーは、このホルダー内のリリースされた膜のスタンドとして機能します。
    3. さいの目に切ったチップをテープから慎重に剥がし、超音波処理されたアセトン浴に少なくとも30秒間浸して、レジストと表面の汚染物質を除去します。アセトンをクイックIPAすすぎで洗い流し、圧縮窒素ガスで乾燥させます。
    4. オプション:Si3N4 フィルムを薄くしたり、付着した汚染物質を除去したりするには、チップを10%フッ化水素酸(HF)緩衝液に浸して1.55 nm/分で除去します。このステップは、KOHエッチングの前後に実行できるという点でオプションです。
      注意: HF は急性毒性、腐食性があり、使用前に特定の安全上の考慮事項が必要です。適切なトレーニング、酸に安全な手袋/エプロン、および暴露に備えてグルコン酸カルシウムゲルを用意してのみ取り扱ってください。
    5. 異物がチップに再付着するのを防ぐために、ヒュームフードの下のカスタムポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ホルダー1 にすぐにチップを配置します。このホルダーを 図2に示します。
  2. KOHウェットエッチング
    1. カスタムチップホルダーをKOHバスに降ろします。均一な熱勾配を維持するために溶液を覆います。KOHは、浴温度~62°C、濃度45%43,44(デバイスの形状にもよりますが、厚さ200μmのウェーハでエッチング約1日)で約10μm/hrの速度でシリコンをエッチングするため、エッチングの横にカメラを設置して長距離監視を行います。
      注:KOHは、基板の結晶面に沿ってシリコンと優先的に反応します。他の方向とともにエッチング速度は小さいですが、無視できないままで、エッチングコーナーの特徴はゆっくりと2です。
    2. 共振器の周りのシリコンをすべてエッチングし、フィルムを剥がした後、容器をホットプレートから取り外して反応を停止します。KOHの粘度により、デバイスを取り外すとフィルム8が粉々になる可能性が高いため、液面がチップの上部より下に下がらないように、KOHをピペッティングしてDI水でピペッティングを繰り返して、KOHバスを徐々にDI水に交換します。すべての容器容量が取り除かれるまで、このプロセスを繰り返します。
    3. このプロトコルの後半でKOHおよび溶媒との相互汚染を防ぐために、チップホルダーを新鮮なDIウォーターバスに移します。
      1. エッチング容器とDI容器の両方を覆うのに十分な余分なDI水を大きなバットに満たし、上のホルダー用のスペースを確保します。トングを使用して新しいDIウォーターバスをバットに入れ、続いてエッチング容器に入れます。
      2. ディップスティックを使用してチップホルダーをエッチング容器からそっと持ち上げ、チップを水没させたままDIバスに移します。トングで両方の容器をバットから取り出し、チップホルダーをきれいなDIウォーターバスに入れたままにします。
  3. 剥がれたフィルムの洗浄
    1. チップを新鮮なDIウォーターバスに移した後、手順3.2.2と同じ方法で、DI水を徐々にIPAに交換します。繰り返しになりますが、液面がチップの上端を下回らないようにしてください。
    2. 2浴分の液体を移した後、IPAをメタノールに置き換えて、このプロセスを繰り返します。
    3. 2 槽分の液体を移した後、メタノール浴から装置を取り出し、窒素ガスの穏やかな流れでチップ面に沿って慎重にブロードライします。
      注:リリースされたフィルムは非常にデリケートであるため、取り扱いには注意が必要です。フィルムが破損したり汚染されたりする可能性を最小限に抑えるために、先端がカーボンファイバー製の鉗子を使用して、デバイスをチップの端または角で保持する必要があります。液体浴で取り扱う場合は、流体が表面をかすめるように、チップをフィルムの平面から移動させる必要があります。
    4. 顕微鏡でデバイスを検査し、破片、レジストの残り、欠陥がないか確認します。必要に応じて、チップをメタノールに戻し、再乾燥させて洗浄します。
  4. HFウェットエッチングと追加洗浄
    1. 破片がメタノール洗浄ステップ3.3.4に対して弾力性が保たれている場合は、チップを10%HF緩衝液でエッチングします。これは、Si3N4 と約1.55 nm / minの速度で反応することに注意してください。多くの場合、すばやく浸すとフィルムの外層が剥がれてしまう可能性があります。
    2. HFに浸した後、すぐにデバイスをDIウォーターバスに30秒間移し、HFを希釈します。
    3. チップをIPA浴にさらに30秒間移し、最後に汚染レベルに応じてメタノール浴に1〜5分間移します。
    4. 必要な時間が経過したら、メタノール浴からチップを取り出し、窒素ガスの軽い風で穏やかに乾燥させます。
    5. 切りくずを再検査し、必要に応じて再洗浄します。デバイスがきれいであると判断したら、手順 3.1.2 の洗濯機の上のホルダー内にそっと置きます。

4. チップの特性評価

  1. 放出された膜を上向きにして、光学プロービング用の伝送ポートを備えた真空チャンバーにロードすることから、特性評価を開始します。機械的損失を最小限に抑えるために、テープや接着剤を使用してチップをチャンバー内に置き、所定の位置に保持します25.ガス減衰を最小限に抑えるには、チャンバーを10〜7 mbar未満の圧力にポンプで送ります(説明を参照)。
  2. モード変位を測定するための光学レバー(OL)セットアップ34,35。
    注: OL 法には多くの実用的な利点があります。ただし、角度たわみのプロービングが必要なため、一部のモード形状では干渉法よりも感度が低くなります。膜共振器の干渉変位の読み出しの有用な概要については、読者に33 を参照します。
    1. まず、コリメートされたレーザービームを、プローブする最大の特徴に匹敵するスポットサイズのサンプルに集束させます。光学レバーの感度はスポットサイズと反射電力35の両方に比例するため、これは重要です。
    2. 通常は光ファイバーへの逆屈折によって、レーザービームをサンプルへの垂直入射にできるだけ近づけるように位置合わせします。入射角は感度にあまり影響しませんが、後で位置合わせを簡素化します。
    3. レーザーを垂直入射で、サンプルと集束レンズの間にビームスプリッターを挿入します。ビームスプリッターは、共振器から反射された光をピックアップします。
    4. 感度を最大化するために、ピックオフされたビーム経路に沿って、セットアップから十分な距離を置き、理想的には集束ビームのレイリー長よりも大きく配置します35。OLセットアップの図を 図3Aに示します。
  3. 変位読み出しと熱ノイズ測定
    1. 共振器に沿って入射ビームを平行移動させ、高モード曲率の領域に焦点を合わせます。これは、ステップ 1 のシミュレーションで見つかったモード形状を参照することで確認できます。必要に応じて、セットアップの残りの部分を再調整します。
    2. スプリット(または象限)光検出器に光が入射すると、検出器の出力がデジタイザに送信されます。高速フーリエ変換(FFT)法34を使用して、デジタル化された信号のリアルタイムパワースペクトル密度(PSD)を計算します。
    3. 十分に感度の高いOL測定では、広帯域信号PSDに熱ノイズのピークが現れます。特定のモードを特定するには、熱ノイズピークの位置を、ステップ1のシミュレーションで予測された固有周波数と比較します。熱ノイズピークの例を 図3Bに示します。この測定では、いくつかのPSD推定値(ピリオドグラム)のRMS平均を取得します。
  4. エネルギーリングダウン
    1. 発振モードに含まれるエネルギーは、PSDの下の面積に比例します。まず、モーダル共振周波数ピークを中心とする狭い帯域で積分を追跡します。エネルギーがモードに追加され、その後消散すると、これがその散逸を特徴付けます。
    2. コヒーレントドライブの形でエネルギーが加わると、ピーク(およびその下の領域)が増加します。これを実現するには、真空チャンバーの側面にピエゾアクチュエーターを配置するか、2番目のレーザービームをサンプルに送信します。いずれの場合も、ソースはモードの共振周波数で変調されます。
      注:オシレーターにエネルギーを加えることは、発振器を与えることによって行うこともできます。真空チャンバーを叩くことによるインパルス力により、瞬間的で一貫性のない白いドライブが生成され、不整合を犠牲にして一度に多くのモードが励起されます。
    3. ドライブをオフにすると、モード発振エネルギーは指数関数的に減衰します。リングダウン後に実行されたフィットから発振器の減衰率を推測します。共振周波数を減衰率で割ってモーダルQを計算します。
    4. このリングダウン手順を数回繰り返して、平均Qを見つけ、結果の整合性を確認します。
  5. ストロボ読み出し
    1. デバイスが非線形にリングダウンしているように見える場合、または結果がリングダウン間で大きく異なる場合、デバイスはプローブと相互作用し、光熱プロセス45を介して駆動されている可能性があります。この問題を回避するには、プローブが数秒間シャッターオンされ、さらに数秒間シャッターがオフになるストロボリングダウン10 を採用します。プローブを一度に数秒間だけ露出させることで、共振器の加熱が最小限に抑えられます。

figure-protocol-3
図3:特性評価のセットアップ。 (A) 光学レバーの基本的なセットアップと操作を概説する漫画。コリメートされたレーザービームは、レンズを使用してサンプルに焦点を合わせます。ビームスプリッターは、再屈折した光をピックアップし、分割されたフォトダイオードに向けます。(B) 分解能帯域幅 0.1 Hz で平均 50 回の熱 PSD 信号の例。(C) 共振器は、外因的な機械的損失を最小限に抑えるために、物理的接触を最小限に抑えたカスタム アルミニウム ホルダー上に置かれます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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結果

我々は、いくつかの厚さ100nmの対角リボン共振器34 からなるウェーハを作製し、それらの最初のいくつかの振動モードを特徴付けることによって、プロトコルを実証する。この作品では、リボンは長さ7mm、幅400μmで、直径662μmのフィレットです。この研究で使用されたOLは、当然ねじりモードに適していますが、角度たわみがゼロ以外の位置にビームを配置することで横曲げモードも検出できることに注意してください。例として、OLを使用して、リボンの曲げモードとねじりモードの両方を測定します。

まず、この設計の最初の 2 つのモードを COMSOL でシミュレーションします。固有周波数解析により、Q が 4,000 万の 53 kHz 曲げモードと、Q が 2 億の 70 kHz ねじりモードの 2 つの主要なモードが得られます。モード形状を見ると、光学レバーでどのようにプローブするかがわかります。 図4Cに示すように、曲げモードはリボンの中心とそのフィレットの中間で最大の角変位を持ち、ね...

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ディスカッション

図5のデータから明らかなことの1つは、ねじりモードのQはシミュレーション値と一致するが、曲げモードQは予測よりも低いということです。これは、シミュレーションの品質を損なうものではなく、むしろ、基板モード結合46やクランプ損失などの外因性損失メカニズムを無視した結果である。プロトコルで使用される散逸希釈モデルは、すべての固有の損失メカニズムを説明するため、プレストレストナノメカニカル共振器の性能に上限を設定します。

考慮しなければならないもう一つの癖は、リリースされるジオメトリに対するKOHエッチング速度の依存性です。KOH はシリコンと比較的速く反応しますが、窒化ケイ素はハードマスクとして機能します。当然のことながら、大面積のデバイスは、小さなデバイスよりもエッチングにかなり時間がかかります。さらに、KOHエッチングは100結晶面に沿って異方性であり、54.74°の角度でピラミッドを形成し

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開示事項

著者らは、競合する利益はないと宣言している。

謝辞

著者らは、Roland Himmelhuber氏とOptical Sciences Micro/Nano Fabrication Cleanroomの施設の利用と有益な議論に感謝したいと思います。 この研究は、全米科学財団 (NSF) によって、賞番号 2239735 と 2330310 を通じて支援されました。ARAはCNRS-UArizona iGlobesフェローシップからの支援を認め、ADHはFriends of Tucson Optics Endowed Scholarshipからの支援を認めます。最後に、この研究に使用された反応性イオンエッチャーは、NSF MRI 助成金 ECCS-1725571 によって資金提供されました。このプロトコルは当初 ARA によって開発され、後に A.D.H.、C.A.C.、および O.A.F. によってデバイスの製造を最適化するために変更されました。ADHとDJWは、すべての共著者の協力を得て原稿を共同執筆しました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
100nm両面Si3N4 4インチ200µm Siウェーハウェーハプロメンブレン共振器の製造に使用される標準的なSi3N4ウェーハ
13KHz ソニフィケーター Quantrex 70L&R超音波アセトンと組み合わせて使用して、チップ表面から汚染物質や硬化レジストを剥がします。
150 mmガラスシャーレ、深さ20 mmコーニング株式会社08-747階HMDSプライミング用
150 mmプラスチック製シャーレ、深さ15 mmスーパーテックS01268ウェハ搬送用
2 &ミュー;MシリンジフィルターミリポアシグマSLAP02550レジスト微粒子のろ過用
50ml PYREX グリフィンホウケイ酸ガラスビーカーコーニング・インコーポレイテッド、ライフサイエンス一般的な液浴容器
アセトン 99.5% ACS グレード シグマ・アルドリッチ179124S1813レジストを剥がすために特別に使用される汎用溶剤
CarboFibピンセット TDIインターナショナルTDI 2ACFR-SA様々な浴槽でチップを安全に操作するための汎用、耐薬品性ピンセット
圧縮窒素ガスボンベ現地で提供乾燥と洗浄
脱イオン水現地で提供腐食剤を希釈してチップ/ウエハーを洗浄するため
使い捨てキャピラリーピペット7.0-7.4mmVWRサイエンティフィックHMDSプライミング用
エムリムニーUSBデジタルマイクロスコープエムリムニーウェットエッチングの進行状況を長距離監視するため
ヘキサメチルジシラザン(HMDS)シグマ・アルドリッチ440191ウェーハプライマー
HiCube HiPace 80ターボポンプファイファーバキュームサンプル真空チャンバーをポンプダウンするために使用されるターボ分子ポンプ
フッ化水素酸 48%シグマ・アルドリッチ695068酸洗浄とフィルムシンナー、使用時に10%に希釈
ICP-RIE DSE、バーサリンDSE IIIプラズマテルムSi3N4エッチング用
イソプロパノール 99.5% ACS グレード  シグマ・アルドリッチ190764放出膜を液体から空気に移行させたり、放出膜を洗浄したりするために使用します
カプトンテープ - 1 Mil、1⁄2インチ x 36ヤードウラインS-7595プラズマエッチング工程でウェーハやチップをキャリアウェーハに固定するために使用
ラティス斧 225ラティスギア切断ツール
Laurell WS 650 スピンコーターローレル・テクノロジーズ・コーポレーションウェーハ上に均一なレジスト層を成膜するスピンコーティング機
マスクレスアライナー、 MLA150ハイデルベルク・インストゥルメンツフォトリソグラフィマシン figure-materials-1メタノール 99.8% ACS グレードシグマ・アルドリッチ179337放出膜を液体から空気に移行させたり、放出膜を洗浄したりするために使用します
MF-319 現像液カヤク露出レジストパターンの開発
Microposit S1800 G2シリーズフォトレジストダウ・ケミカル・カンパニーフォトリソグラフィパターニング用。この作品では、特にS1813レジストを使用しています。
MiniVacコントローラーバリアン9290191真空チャンバーイオンポンプ制御装置
MS-H280-Proホットプレートオニラボ一般暖房装置
ナショナルインスツルメンツ NI PXI-1033ナショナルインスツルデータ収集システムシャーシ
ニッケルPXI-4461ナショナルインスツルデータ収集用のアナログ-デジタルコンバータ
水酸化カリウムKOH溶液45%シグマ・アルドリッチ417661異方性シリコン湿式エッチング液
サンプルホルダーカスタムメイドさまざまな化学浴でサンプルを直立させるためのカスタムメイド
TLB-6700 ベロシティ外部キャビティダイオードレーザー新しい焦点995光学レバーレーザー光源
チューナブルレーザーコントローラー新しい焦点TLB-6700レーザーコントローラー
Vaclon Plus 55 スターセルイオンポンプバリアン9191340パッシアイス真空ポンプ
真空チャンバー共振器を絶縁するための真空チャンバー
可視象限セル光受信機新しい焦点23538-WX型光レバー読み出し用のスプリットフォトダイオード
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参考文献

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