高Q窒化ケイ素膜共振器の作製と特性評価

私たちの研究は、自立型窒化ケイ素薄膜の独特の光学的および機械的特性を探求することを目的としています。当社の製造手順により、これらのデバイスを迅速に設計および特性評価できるため、ナノメカニクスの分野でより迅速な進歩を遂げることができます。今後、これらのデバイスを使用して角度センシングの量子特性を研究し、船舶加速度計で開発し、この卓上スケールで物理を探査するための実験を設計する予定です。

まず、きれいな両面窒化ケイ素ウェーハを含むガラス製ペトリ皿を入手します。使い捨てのキャピラリーピペットを使用して、ガラス製ペトリ皿の端に沿ってHMDSを数滴垂らします。ドラフトの下でペトリ皿を覆います。

90°Cのホットプレートで1分間加熱します。HMDSを蒸発させ、窒化ケイ素に付着させます。プライミング後、ウェーハをスピンコーダーの中に入れます。

次に、針と注射器を使用して、4ミリリットル以下のS1813フォトレジストを抽出します。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。シリンジ針を安全に取り外し、2マイクロメートルのフィルターを取り付けます。

シリンジをもう一度フリックし、3〜5滴を分注してフィルター内の気泡を取り除きます。レジストをウェーハの中心に一滴ずつ堆積させ、大きなプールを形成します。プールが拡大するにつれて、その端の近くにレジストを堆積させ続け、中央に保ちます。先に進む前に、針先を使用して表面の気泡を弾きます。

次に、スピンコーダーの蓋をロックし、スピンするように設定して、ウェーハ全体に均一な厚さの1.5マイクロメートルの層を作成します。ウエハースを取り出し、ホットプレートの上に置いて柔らかく焼きます。1分後、ホットプレートからウェーハを取り出します。

デバイスパターンを定義するには、コーティングされたウェーハをマスレスアライメントフォトリソグラフィマシンにロードします。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、中央に配置します。入力されたウェーハ ファイルをコンピュータにロードし、MLA ソフトウェアと互換性のある形式に変換します。

共振器のデザインで最上層のパターン化を開始します。アライメント後、375ナノメートルの波長でビーム強度を140ミリジュール/平方センチメートルに設定して、グローバル回転誤差荷重ビーム露光パラメータを含めるオプションを選択します。次に、大きな皿に約75ミリリットルのMF319現像液を入れ、別の皿に脱イオン水を入れます。

フォトリソグラフィ露光が完了したら、フォトリソグラフィマシンからウェーハをアンロードします。次に、MF 3 1 9 現像液に 20 秒間移します。皿を円を描くようにゆっくりと回転させて、露出したレジストをさらに40秒間撹拌し、取り除きます。

次に、ウェーハを脱イオン水皿に移して、残留現像液を希釈します。スプレーガンを使用してウェーハの両面をすすぎ、圧縮窒素ガスガンを使用してウェーハ表面に残っている水分を除去し、損傷を防ぐために低圧と適切な向きを加えます。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窒化ケイ素膜に転写します。

指定された設定で、サイクルごとに5秒間エッチングプロセスを実行します。レジスト層によって保護されていないすべてのウェーハ領域が銀色に変わり、基板が露出しているまで、このプロセスを繰り返します。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て裏面パターニングを行います。

パターン化された共振器をシリコン基板から解放します。ウェーハはダイスまたは切断され、チップスケールで処理されます。さいの目に切ったチップをテープから慎重に剥がします。

チップを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。オプションで、窒化ケイ素膜を薄くするか、付着した汚染物質を除去するには、チップを10%フッ化水素酸緩衝液に浸して、毎分1.55ナノメートルの窒化ケイ素を除去します。きれいなチップをすぐにヒュームフードの下のカスタムPTFEホルダーに入れます。

次に、チップホルダーを摂氏86度に維持された45%溶液の水酸化カリウム浴にゆっくりと下げます。均一な熱勾配を維持するために溶液を覆います。共振器の周りのシリコンが完全にエッチングされ、フィルムが剥がれたら、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。

チップを露出させることなく、水酸化カリウム溶液を徐々にピペットで取り出し、脱イオン水と交換し、デバイスの粉々化を防ぐためにチップの上の液面を常に維持します。相互汚染を避けるために、チップホルダーと清潔なビーカーを脱イオン水の新鮮な浴槽に移します。次に、チップホルダーを脱イオン水の入ったクリーンビーカーに移します。

移送後、両方のビーカーを取り外します。同じ方法で脱イオン水を徐々にイソプロピルアルコールに置き換え、液面が常にチップより上にとどまるようにします。メタノールで繰り返します。

最後の浴の後、チップを取り除き、穏やかな窒素流を使用してデバイスの平面に沿って慎重に乾燥させます。この装置は、光学レバーの読み出しを備えた負7ミリバールの累乗まで10未満で動作する真空チャンバーを特徴としています。光学レバーを設定するには、ファイバーコリメータの後に集束レンズを配置し、集束レンズとサンプルの間にビームスプリッターを配置します。

コリメートされたレーザービームを、測定する最大の特徴と同様のスポットサイズのサンプルに焦点を合わせます。光ファイバーに再帰反射することで、レーザービームをサンプルへの通常の入射に近づけ、後のアライメントを簡素化します。感度を最大化するために、反射ビーム経路に沿ってバランス光検出器を配置し、ビームのレール長を超えて配置します。

レーザーがスプリット光検出器または象限光検出器に入射すると、検出器出力がデジタイザーに送信されます。高速フーリエ変換法を使用して、信号のリアルタイムパワースペクトル密度を計算します。特定のモード ピークを特定するには、広帯域信号の熱ノイズ ピークの位置を、シミュレーションから予測された固有周波数と比較します。

いくつかのパワースペクトル密度推定値の二乗平均平方根平均を取り、ピークを確認します。共振周波数でパワースペクトル密度ピークの下の積分を追跡して、蓄積されたエネルギーを測定することにより、エネルギーリングダウンを開始します。このモードを駆動するには、ピエゾアクチュエータを側面に配置するか、2番目のレーザービームをサンプルに送信してエネルギーを印加し、共振周波数でピエゾ電圧またはビーム強度を変調します。

ドライブが停止したら、振動エネルギーの指数関数的減衰を追跡して減衰率を決定します。次に、共振周波数を減衰率で割ってモーダルQを計算し、リボン形状のCOMSOLシミュレーションにより、53キロヘルツの曲げモードと70キロヘルツのねじりモードが明らかになりました。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ます。

GDS2 設計は、それぞれ 12 平方ミリメートルの 37 個のチップを使用して作成され、製造用のさまざまな形状を示しています。パワースペクトル密度解析は、両方のモードの角変位を読み取る際の光学レバーの有効性を実証します。