High-Q 질화규소 멤브레인 공진기의 제작 및 특성화

우리의 연구는 독립형 질화규소 박막의 독특한 광학적, 기계적 특성을 탐구하는 것을 목표로 합니다. 우리의 제조 절차를 통해 이러한 장치를 신속하게 설계하고 특성화할 수 있으므로 나노 역학 분야에서 더 빠르게 발전할 수 있습니다. 앞으로 우리 그룹은 이러한 장치를 사용하여 각도 감지의 양자 특성을 연구하여 선박 가속도계에서 개발하고 이 탁상용 규모에서 물리학을 조사하기 위한 실험을 설계할 계획입니다.

시작하려면 깨끗한 양면 질화규소 웨이퍼가 들어 있는 유리 페트리 접시를 얻습니다. 일회용 모세관 피펫을 사용하여 유리 페트리 접시의 가장자리를 따라 HMDS 몇 방울을 떨어뜨립니다. 흄 후드 아래에서 페트리 접시를 덮습니다.

섭씨 90도의 핫 플레이트에서 1분간 가열합니다. HMDS를 증발시키고 질화규소에 부착되도록 합니다. 프라이밍 후 웨이퍼를 스핀 코더 안에 넣습니다.

이제 바늘과 주사기를 사용하여 4밀리리터 이하의 S1813 포토레지스트를 추출합니다. 주사기를 부드럽게 튕기고 소량의 액체를 분배하여 기포를 제거합니다. 주사기 바늘을 안전하게 제거하고 2마이크로미터 필터를 부착합니다.

주사기를 다시 튕기고 3-5방울을 분배하여 필터의 기포를 제거합니다. 레지스트를 웨이퍼 중앙에 한 방울씩 증착하여 큰 풀을 형성합니다. 풀이 확장됨에 따라 가장자리 근처에 레지스트를 계속 증착하여 중앙에 유지합니다. 계속하기 전에 바늘 끝을 사용하여 나타나는 표면 기포를 터뜨립니다.

이제 스핀 코더 뚜껑을 잠그고 스핀으로 설정하여 웨이퍼 전체에 균일한 1.5마이크로미터 두께의 층을 만듭니다. 웨이퍼를 꺼내 핫플레이트에 올려 부드럽게 굽습니다. 1분 후 핫 플레이트에서 웨이퍼를 제거합니다.

장치 패턴을 정의하려면 코팅된 웨이퍼를 질량이 없는 정렬 사진 분석 기계에 로드합니다. 전체 회전 및 오프셋 오류를 최소화하기 위해 중앙에 배치합니다. 채워진 웨이퍼 파일을 컴퓨터에 로드하고 MLA 소프트웨어와 호환되는 형식으로 변환합니다.

공진기 디자인으로 상단 레이어 패턴화를 시작합니다. 정렬 후 빔 강도를 375나노미터의 파장에서 평방센티미터당 140밀리줄로 설정하여 전역 회전 오류 하중 빔 노출 매개변수를 포함하는 옵션을 선택합니다. 이제 큰 접시에 약 75밀리리터의 MF319 현상액을 채우고 다른 접시에 탈이온수를 채웁니다.

사진 해설 노출이 완료되면 사진 해설 기계에서 웨이퍼를 언로드하십시오. 그런 다음 MF 3 1 9 현상액으로 20초 동안 전송합니다. 접시를 원을 그리며 부드럽게 휘젓고 노출된 레지스트를 40초 동안 교반하고 제거합니다.

그런 다음 웨이퍼를 탈이온수 접시로 옮겨 잔류 현상액을 희석합니다. 스프레이 건을 사용하여 웨이퍼의 양면을 헹구고 압축 질소 가스 건을 사용하여 웨이퍼 표면에 남아 있는 물을 제거하고 낮은 압력과 적절한 방향을 적용하여 손상을 방지합니다. 개발 된 웨이퍼를 반응성 이온 에처 (reactive ion etcher) 에 로드하여 저항 패턴을 질화규소 필름으로 옮깁니다.

주어진 설정으로 주기당 5초 동안 에칭 프로세스를 실행합니다. 저항층에 의해 보호되지 않는 모든 웨이퍼 영역이 기판이 노출되었음을 나타내는 은색으로 바뀔 때까지 이 과정을 반복합니다. 마지막으로, 뒷면 패턴화를 위해 반응성 이온 에처에서 웨이퍼를 제거합니다.

실리콘 기판에서 패턴화된 공진기를 방출합니다. 웨이퍼는 칩 스케일에서 다이싱되거나 절단되어 처리됩니다. 테이프에서 잘게 썬 칩을 조심스럽게 떼어냅니다.

칩을 초음파 처리된 아세톤 수조에 최소 30초 동안 담가 레지스트와 표면 오염 물질을 제거합니다. 선택적으로 질화규소 필름을 얇게 하거나 오염 물질에 붙어 있는 물질을 제거하려면 칩을 10% 불화수소산 완충 용액에 담가 분당 1.55나노미터의 질화규소를 제거합니다. 깨끗한 칩을 즉시 퓨머 후드 아래의 맞춤형 PTFE 홀더에 넣습니다.

그런 다음 칩 홀더를 섭씨 86도로 유지된 45% 용액 수산화칼륨 수조에 부드럽게 내립니다. 균일한 열 구배를 유지하기 위해 용액을 덮습니다. 공진기 주변의 실리콘이 완전히 에칭되고 필름이 방출된 후 핫 플레이트에서 용기를 제거하여 반응을 중지합니다.

칩을 노출시키지 않고 점차적으로 수산화칼륨 용액을 피펫팅하고 탈이온수로 교체하고 장치가 부서지는 것을 방지하기 위해 항상 칩 위의 액체 레벨을 유지합니다. 교차 오염을 방지하려면 칩 홀더와 깨끗한 비커를 탈이온수가 담긴 깨끗한 욕조에 옮깁니다. 그런 다음 칩 홀더를 탈이온수가 들어 있는 깨끗한 비커로 옮깁니다.

전송 후 두 비커를 모두 제거하십시오. 같은 방식으로 탈이온수를 이소프로필 알코올로 점차적으로 교체하여 액체 레벨이 항상 칩 위에 유지되도록 합니다. 메탄올로 반복합니다.

마지막 수욕 후 칩을 제거하고 부드러운 질소 흐름을 사용하여 장치 평면을 따라 조심스럽게 건조시킵니다. 이 장치는 광학 레버 판독이 있는 음의 7밀리바의 거듭제곱까지 10 미만에서 작동하는 진공 챔버를 특징으로 합니다. 광학 레버를 설정하려면 파이버 콜리메이터 (fiber collimator) 뒤에 초점 렌즈를 배치하고 초점 렌즈와 샘플 사이에 빔 스플리터 (beam splitter) 를 배치합니다.

시준된 레이저 빔을 측정 중인 가장 큰 형상과 유사한 스폿 크기의 샘플에 초점을 맞춥니다. 광섬유로 역반사하여 레이저 빔을 샘플에 정상 입사에 가깝게 정렬하여 나중에 정렬을 단순화합니다. 감도를 최대화하기 위해 빔의 레일 길이 너머에 배치된 반사 빔 경로를 따라 균형 잡힌 광 검출기를 배치합니다.

분할 또는 사분면 광 검출기에 레이저가 입사하면 검출기 출력이 디지타이저로 전송됩니다. 고속 푸리에 변환 방법을 사용하여 신호의 실시간 전력 스펙트럼 밀도를 계산합니다. 특정 모드 피크를 식별하려면 광대역 신호의 열 노이즈 피크 위치를 시뮬레이션에서 예측된 고유 주파수와 비교합니다.

피크를 확인하기 위해 여러 전력 스펙트럼 밀도 추정치의 제곱근 평균 평균을 취합니다. 저장된 에너지를 측정하기 위해 공진 주파수에서 전력 스펙트럼 밀도 피크 아래의 적분을 추적하여 에너지 링 다운을 시작합니다. 모드를 구동하려면 피에조 액추에이터를 측면에 배치하거나 두 번째 레이저 빔을 샘플에 보내 에너지를 적용하고 공진 주파수에서 피에조 전압 또는 빔 강도를 변조합니다.

드라이브가 중지되면 진동 에너지의 기하급수적인 감쇠를 추적하여 감쇠율을 결정합니다. 그런 다음 공진 주파수를 감쇠율로 나누어 모달 Q를 계산하면 리본 형상의 COMSOL 시뮬레이션에서 53킬로헤르츠 굴곡 모드와 70킬로헤르츠 비틀림 모드가 나타났습니다. 굴곡 모드는 리본 중심과 필렛 사이의 중간에 가장 큰 각도 변위를 갖습니다.

GDS2 설계는 각각 12제곱밀리미터의 칩 37개로 만들어졌으며 제작을 위한 다양한 형상을 보여줍니다. 전력 스펙트럼 밀도 분석은 두 모드의 각도 변위를 판독하는 광학 레버의 효과를 보여줍니다.