Name: Epitaxiale nanogestructureerde α-quartzfilms op silicium: van materiaal tot nieuwe apparaten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-10-06T14:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Leer de microfabricatie van nanogestructureerde α-quartz cantilevers op silicium met dip coating en nanoimprint lithografie. Deze methode verbetert de integratie van quartz in micro-elektromechanische systemen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Dit werk werd gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad (ERC) in het kader van het onderzoek- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (nr. 803004).

1. Voorbereiding van de oplossing
<ol><li>Bereid een oplossing met voorgehydrolyseerd tetraethylorthorsilicaat (TEOS) 18 uur voor de productie van de gelfilms in een afzuigkap waarin een laboratoriumbalans en een magneetroerder zijn geplaatst.<ol>
<li>Voeg 0,7 g polyethyleenglycolhexadecyl ether (Brij-58) en 23,26 g ethanol toe aan een fles van 50 ml en sluit het deksel van de fles en roer deze totdat de Brij volledig is opgelost.</li>
		<li>Voeg 1,5 g HCl 35% toe aan de kolf in stap 1.1.1, sluit het en roer gedurende 20 s.</li>
		<li>Voeg 4,22 g TEOS toe aan de kolf in stap 1.1.2, sluit het en laat het 18 uur roeren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereiding van 1 M waterige oplossing van Sr2+ vlak voor de productie van de gelfolies omdat een gerijpte oplossing vatbaar is voor reprecipitaat in de vorm van Sr-zout.<ol>
<li>Weeg 2,67 g SrCl2·6H2O in een volumetrische kolf van 10 ml.</li>
		<li>Voeg in stap 1.2.1 1 10 ml ultrapure water (bijv. Milli-Q) tot 10 ml toe aan de kolf en sluit de kolf met een plastic dop en schud de kolf voorzichtig om het strontiumchloride op te lossen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Voeg 275 μL van de 1 M waterige oplossing van Sr2+ toe aan de 10 ml fles met de oplossing die in stap 1.1 is bereid en roer de oplossing gedurende 10 minuten.</li>
</ol>2. Bereiding van polydimethylsiloxaan (PDMS) sjablonen
<ol><li>Voorbereiding van PDMS-oplossing na stap 1.3.<ol>
<li>Meng 1 deel van het uithardingsmiddel met 10 delen van het elastomeer in een bekerglas op de balans. Roer het mengsel met een glazen stok tot het verkrijgen van een homogene verdeling van bellen en verwijder het in een vacuümkamer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Repliceer de siliciummaster met behulp van de PDMS-oplossing. Merk op dat we voor dit werk een master met siliciumpatroon gebruikten die bestond uit pilaren met diameters, hoogte en scheidingsafstand van 1 μm.<ol>
<li>Doe de siliconen master met het gestructureerde gezicht omhoog in een plastic doos en vul de doos met de PDMS-oplossing.</li>
		<li>Plaats de plastic doos gedurende 2 uur in de oven bij 70 °C om een solide PDMS-sjabloon te verkrijgen.</li>
		<li>Scheid de PDMS-sjabloon en de siliciummaster. Snijd de PDMS-sjabloon met een mes op de gewenste grootte en bewaar deze in een schone doos.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Gelfolieafzetting op SOI (100) substraten door dipcoating
<ol><li>Bereiding van de substraten<ol>
<li>Bereid substraten van 2 cm x 6 cm door een 2-inch soi-wafer van het p-type te snijden met een dikte van 2/0,5/0,67 μm (Si/SiO2/Si) in een richting parallel of loodrecht op de wafer plat met behulp van een diamantpunt. Merk op dat de geleidbaarheid van de laag van het siliciumapparaat tussen 1 en 10 Ω/cm moet zijn.</li>
		<li>Introduceer de substraten gedurende 20 minuten in een piranha-oplossing om mogelijke polymeerresiduen te elimineren.</li>
		<li>Reinig met DI-water, vervolgens met ethanol, en laat ze drogen of gebruik stikstofstroom. Deze stap moet net na stap 1.3 worden uitgevoerd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Afzetting van een oplossing die pre-gehydrolyseerd tetraethylorthylorsilicaat (TEOS), Brij-58 sulfactant en SrCl2 6H2O bevat.<ol>
<li>Om een homogene silicafilm te verkrijgen, stelt u de kamer van de dipcoater in onder de omstandigheden bij een relatieve vochtigheid van 40% en 25 °C temperatuur.</li>
		<li>Plaats een bekerglas met een afmeting van ongeveer 5 cm x 1 cm x 8 cm onder het SOI-substraat dat aan de dipcoaterarm hangt en stel een dipcoatingsequentie op met de snelheid van 300 mm/min bij de onderdompeling en terugtrekking. Stel de onderdompelingstijd (tijd op de eindpositie) in op nul.</li>
		<li>Vul het bekerglas met de in stap 1.3 bereide oplossing en wacht tot de relatieve vochtigheidstemperatuur stabiel wordt, d.w.z. respectievelijk 40% en 25 °C.</li>
		<li>Voer een enkele dipcoating uit en wacht tot de film homogeen wordt.</li>
		<li>Breng het SOI-substraat gedurende 5 minuten in een oven bij 450 °C voor de consilidatie van de gelfilm om een dikte van 200 nm te verkrijgen.</li>
		<li>Herhaal stap 3.2.3 en 3.2.4 twee keer meer om een film met ongeveer 600 nm dikte te produceren. Om de stabiliteit van de oplossing te garanderen, moet een herhalingsproces in 1 uur worden uitgevoerd.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Oppervlakte micro/nanostructuration door zachte afdruklithografie
<ol><li>Bereid de micro/nanostructuren op het filmoppervlak voor onder de omstandigheden van relatieve vochtigheid van 40% en 25 °C temperatuur.<ol>
<li>Herhaal stap 3.2.3 om een nieuwe film op soi-substraat te deponeren.</li>
		<li>Plaats het SOI-substraat na stap 3.2.1 op een vlak oppervlak en plaats de PDMS-mal die in stap 2.2 is voorbereid op het SOI-substraat terwijl de sol-gel verdampt.</li>
		<li>Doe het SOI-substraat met de PDMS-mal gedurende 1 minuut in een oven bij 70 °C en vervolgens bij 140 °C gedurende 2 minuten in een tweede oven. Laat het dan afkoelen.</li>
		<li>Verwijder de PDMS-mal om een micro/nanogestructureerde gelfilm op het SOI-substraat te verkrijgen.</li>
		<li>Breng het SOI-substraat gedurende 5 minuten in een oven bij 450 °C om een micro/nanogestructureerde gelfilm met een hoogte van 600 nm te consolideren.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Gelfilm kristallisatie door thermische behandeling
<ol><li>Thermische behandeling van de gelfolies op SOI (100).<ol>
<li>Programmeer de buisvormige ovenverwarming van kamertemperatuur tot 1000 °C.</li>
		<li>Breng het monster dat in een keramische boot is geplaatst gedurende 5 uur in de oven bij 1000 °C. Bedek de buisvormige werkbuis niet tijdens de hele thermische behandeling om de oven met lucht te verzadigen. Tot slot bereikt u de kamertemperatuur door de oven te koelen zonder geprogrammeerde hellingbaan.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Ontwerpen van lithografie masker lay-out
Het masker dat in dit proces wordt gebruikt, is speciaal ontworpen voor een apparaatfabricage op het SOI-substraat met epitaxiaal nanogestructureerd kwarts. Alle fabricageprocessen worden aan de kwartszijde uitgevoerd. Het masker is zo ontworpen dat negatieve toonbestendig in elke stap moet worden gebruikt. Het masker is georganiseerd in vier verschillende stappen zoals hieronder uitgelegd.
<ol><li>Patroon de kwarts om de vorm van de cantilever te bepalen en ook 30 μm x 30 μm vierkante vorm contactgebied. Bijvoorbeeld, 40 μm x 100 μm grootte rechthoekige vorm cantilever gebied van 120 μm x 160 μm gebied is beschermd met negatieve weerstand en de rest is geëtst tot siliciumlaag.</li>
	<li>Realiseer de boven- en onderelektroden. De bovenste elektrode is gevormd op het rechthoekige vrijdragende gebied en de onderste elektrode is gevormd op de 2 μm dikke siliciumlaag op het geëtste gebied van 30 μm x 30 μm. De breedte van het bovenste contact is 4 μm kleiner dan het patroon cantilever gebied en de grootte van het onderste contact is groter dan de 30 μm x 30 μm vierkante vorm geëtst gebied in stap 1.</li>
	<li>Ets alle 2 μm dikke siliciumlagen in 120 μm x 160 μm U-vormig gebied rond de rechthoekvormige cantilever. Het geëtste gebied is opnieuw U-vormig, maar 4 μm kleiner van elke kant om het vrijdragende gebied te beschermen tegen HF-aanval in de laatste stap.</li>
	<li>Laat de cantilever los met BOE ets van SiO2. Het beschermde cantilevergebied is 2 μm groter dan het werkelijke cantilevergebied. Het belangrijkste deel is om het oppervlak en de losse flodders van de cantilever te beschermen.</li>
</ol>7. Reiniging van de kwartsmonsters voor het cantilever microfabrication proces met piranha oplossing
<ol><li>Bereid een piranha-oplossing voor door bij omgevingstemperatuur langzaam 10 ml waterstofperoxide (H2O2) toe te voegen aan 20 ml zwavelzuur (H2SO4). Dit mengsel creëert een thermische reactie.<ol>
<li>Plaats de monsters gedurende 10 minuten in deze oplossing om alle organische resten schoon te maken.</li>
		<li>Spoel de monsters af met DI-water en droog ze af met stikstof.</li>
	</ol>
</li>
</ol>8. Stap 1: Patroon cantilever vorm op de kwarts dunne film
<ol><li>Het eerste lithografieproces<ol>
<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en blaas vervolgens droge stikstof.</li>
		<li>Leg de monsters op de kookplaat bij 140°C gedurende 10 minuten ontvochtiging.</li>
		<li>Spin AZ2070 negatieve fotoresist met een snelheid van 4000 tpm voor 30 s.</li>
		<li>Leg de monsters op de kookplaat om zacht tebakken bij 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Stel het monster bloot met 37,5 mJ.cm-2 UV-dosis gedurende 5 s.</li>
		<li>Leg het monster op de kookplaat voor bak na blootstelling op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Ontwikkel in MIF 726 ontwikkelaar voor 100 s bij omgevingstemperatuur, spoel vervolgens in DI-water en blaas droge stikstof. De verwachte dikte is 5,5 μm.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat bij 125 °C gedurende 10 minuten om de weerstand te hardbaken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reactieve ionenets (RIE) van de kwartslaag<ol>
<li>Ets de kwarts tot siliciumlaag met behulp van RIE met een gasdebiet van 60 sccm CHF3,20 sccm 02,en 10 sccm Ar bij 100 W RF vermogen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigen van de resist resten<ol>
<li>Reinig met plasma met een debiet van 90 sccm 02 gedurende 5 min.</li>
		<li>Als de eerste reinigingsstap niet voldoende is, laat u het monster in remover PG op 80 °C staan totdat alle weerstanden zijn verwijderd.</li>
		<li>Doe het monster vervolgens gedurende 10 minuten in een piranha-oplossing(20ml zwavelzuur H 2 SO4 + 10 ml waterstofperoxide H2O2). Spoel vervolgens in DI-water en föhn met stikstof.</li>
	</ol>
</li>
</ol>9. Stap 2: Realisatie van bodem- en bovenelektrode
<ol><li>Het tweede lithografieproces<ol>
<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en blaas vervolgens droge stikstof.</li>
		<li>Leg de monsters op de kookplaat bij 140 °C gedurende 10 minuten ontvochtiging.</li>
		<li>Spin AZ2020 negatieve fotoresist met een snelheid van 4000 tpm voor 30 s.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat om zacht tebakken bij 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Stel het monster bloot met 23,25 mJ.cm-2 UV-dosis gedurende 3 s.</li>
		<li>Leg het monster op de kookplaat voor bak na blootstelling op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Ontwikkel in MIF 726 ontwikkelaar voor 50 s bij omgevingstemperatuur, spoel vervolgens in DI-water en blaas droge stikstof. De verwachte dikte is 1,7 μm.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Metaaldepositie voor boven- en onderelektroden.<ol>
<li>Deponeer 50 nm chroom met een snelheid van 4 A/s en 120 nm Platina bij 2,5 A/s met elektronenstraalverdamping bij 10-6 mbar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Metalen lift-off<ol>
<li>Laat de monsters eerst in aceton en vervolgens in IPA totdat metaallift is geslaagd.</li>
		<li>Controleer het monster met een optische microscoop en laat het monster indien nodig in remover PG op 80 °C staan totdat alle metalen opstijgen. Spoel vervolgens in DI-water en blaas droge stikstof.</li>
		<li>Als stap 9.3.2 niet genoeg is, doe de monsters dan 5 minuten in een ultrasone reiniger in aceton. Herhaal deze bewerking zo vaak als nodig is.</li>
		<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en föhn vervolgens met stikstof.</li>
	</ol>
</li>
</ol>10. Stap 3: Het patroon van het monster aan ets Si (100) laag
<ol><li>Het derde lithografieproces<ol>
<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en blaas vervolgens droge stikstof.</li>
		<li>Leg de monsters op de kookplaat bij 140 °C gedurende 10 minuten ontvochtiging.</li>
		<li>Spin AZ2070 negatieve fotoresist met een snelheid van 2000 tpm voor 30 s.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat voor softbak op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Stel het monster bloot met 37,5 mJ.cm-2 UV-dosis gedurende 5 s.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat voor bak na blootstelling op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Ontwikkel in MIF 726 gedurende 110 s bij omgevingstemperatuur, spoel vervolgens in DI-water en föhn droog met stikstof. De verwachte dikte is 5,9 μm.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat op 125 °C gedurende 10 minuten om de weerstand te hardbaken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reactieve ionenets van de siliciumlaag<ol>
<li>Ets de siliciumlaag tot SiO2-laag met RIE met gasdebiet van 60 sccm CHF3,20 sccm 02 en 10 sccm Ar bij 100W RF-vermogen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigen van de resist resten<ol>
<li>Reinig eerst met plasma met een debiet van 90 sccm 02 gedurende 5 min.</li>
		<li>Laat het monster in remover PG op 80 °C staan totdat alle weerstanden zijn verwijderd. Spoel vervolgens in DI-water en blaas droge stikstof.</li>
	</ol>
</li>
</ol>11. Stap 4: Cantilever vrijgeven door natte chemische ets van SiO2
<ol><li>Het vierde lithografieproces<ol>
<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en blaas vervolgens droge stikstof.</li>
		<li>Leg de monsters op de kookplaat bij 140 °C gedurende 10 minuten ontvochtiging.</li>
		<li>Spin AZ2020 negatieve fotoresist met een snelheid van 2000 tpm voor 30 s.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat voor zacht bakken op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Stel het monster bloot met 37,5 mJ.cm-2 UV-dosis gedurende 5 s.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat voor bak na blootstelling op 115 °C gedurende 60 s.</li>
		<li>Ontwikkelen in MIF 726 voor 65 s bij omgevingstemperatuur. Spoel af in DI-water en blaas vervolgens droge stikstof. De verwachte dikte is 2,3 μm.</li>
		<li>Zet het monster op de kookplaat bij 125 °C gedurende 10 minuten om de weerstand te hardbaken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Natte ets van SiO2 laag met gebufferde oxide ets (BOE)<ol>
<li>Doe boe 7:1 oplossing in een polytetrafluorethyleen (PTFE) gebaseerde container.</li>
		<li>Doe het monster in deze oplossing en laat het op omgevingstemperatuur totdat alle SiO2 lagen onder de cantilever zijn geëtst. Spoel vervolgens in DI-water en blaas droge stikstof.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigen van de resist resten<ol>
<li>Spoel de monsters af met aceton, IPA en blaas vervolgens droge stikstof.</li>
		<li>Reinig indien nodig de weerstandsresten met plasma met een debiet van 90 sccm O2 gedurende 5 minuten.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Vila-Fungueiriño, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integration+of+functional+complex+oxide+nanomaterials+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physics%22%5BJournal%5D)">Integration of functional complex oxide nanomaterials on silicon.</a> Frontiers in Physics. 3, (2015).</li>
<li>Carretero-Genevrier, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+monolithic+integration+of+vertical+single+crystalline+octahedral+molecular+sieve+nanowires+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Direct monolithic integration of vertical single crystalline octahedral molecular sieve nanowires on silicon.</a> Chemistry of Materials. 26 (2), 1019-1028 (2014).</li>
<li>Gomez, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystal+engineering+of+room-temperature+ferroelectricity+in+epitaxial+1D+hollandite+oxides+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%3A2007.03452+%5Bcond-mat.mtrl-sci%5D%22%5BJournal%5D)">Crystal engineering of room-temperature ferroelectricity in epitaxial 1D hollandite oxides on silicon.</a> arXiv:2007.03452 [cond-mat.mtrl-sci]. , (2020).</li>
<li>Tadigadapa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Piezoelectric+MEMS+sensors%3A+state-of-the-art+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Piezoelectric MEMS sensors: state-of-the-art and perspectives.</a> Measurement Science and Technology. 20 (9), 092001(2009).</li>
<li>Yin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integration+of+epitaxial+piezoelectric+thin+films+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Ecole+Centrale+de+Lyon%2C+France%22%5BJournal%5D)">Integration of epitaxial piezoelectric thin films on silicon.</a> Ecole Centrale de Lyon, France. , (2013).</li>
<li>Isarakorn, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxial+piezoelectric+MEMS+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Epitaxial piezoelectric MEMS on silicon.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (5), 055008(2010).</li>
<li>Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoelectromechanical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nanoelectromechanical systems.</a> Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).</li>
<li>Warusawithana, M. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+ferroelectric+oxide+made+directly+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A ferroelectric oxide made directly on silicon.</a> Science. 324 (5925), 367-370 (2009).</li>
<li>Galliou, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quality+factor+measurements+of+various+types+of+quartz+crystal+resonators+operating+near+4+K%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonic%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Quality factor measurements of various types of quartz crystal resonators operating near 4 K.</a> IEEE Transactions on Ultrasonic, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (7), (2015).</li>
<li>Danel, J. S., Delapierre, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quartz%3A+a+material+for+microdevices%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Quartz: a material for microdevices.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 1 (4), 187(1991).</li>
<li>Sohn, Y. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+and+optical+nanodevices+in+single-crystal+quartz%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Mechanical and optical nanodevices in single-crystal quartz.</a> Applied Physics Letters. 111 (26), 263103(2017).</li>
<li>Santybayeva, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+quartz+microcylinders+by+laser+interference+lithography+for+angular+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micro%2FNanolithography%2C+MEMS%2C+and+MOEMS%22%5BJournal%5D)">Fabrication of quartz microcylinders by laser interference lithography for angular optical tweezers.</a> Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 15, 3(2016).</li>
<li>Lu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+electro-optical+lithium+niobate+photonic+crystal+wire+waveguide+on+a+smart-cut+thin+film%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Enhanced electro-optical lithium niobate photonic crystal wire waveguide on a smart-cut thin film.</a> Optics Express. 20 (3), 2974-2981 (2012).</li>
<li>Carretero-Genevrier, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft-chemistry-based+routes+to+epitaxial+alpha-quartz+thin+films+with+tunable+textures%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Soft-chemistry-based routes to epitaxial alpha-quartz thin films with tunable textures.</a> Science. 340 (6134), 827-831 (2013).</li>
<li>Carretero-Genevrier, A., Gich, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+macroporous+epitaxial+quartz+films+on+silicon+by+chemical+solution+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3A+JoVE%22%5BJournal%5D)">Preparation of macroporous epitaxial quartz films on silicon by chemical solution deposition.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (106), e53543(2015).</li>
<li>Zhang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailoring+the+crystal+growth+of+quartz+on+silicon+for+patterning+epitaxial+piezoelectric+films%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Advances%22%5BJournal%5D)">Tailoring the crystal growth of quartz on silicon for patterning epitaxial piezoelectric films.</a> Nanoscale Advances. 1 (9), 3741-3752 (2019).</li>
<li>Zhang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro%2Fnanostructure+engineering+of+epitaxial+piezoelectric+%CE%B1-quartz+thin+films+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Micro/nanostructure engineering of epitaxial piezoelectric α-quartz thin films on silicon.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (4), 4732-4740 (2020).</li>
<li>Sansen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+cell+membrane+organization+and+dynamics+using+soft+nanoimprint+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Mapping cell membrane organization and dynamics using soft nanoimprint lithography.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (26), 29000-29012 (2020).</li>
<li>Jolly, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+chemistry+assisted+on-chip+integration+of+nanostructured+quartz-based+piezoelectric+microelectromechanical+system%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%3A2007.07566+%5Bphysics.app-ph%5D%22%5BJournal%5D)">Soft chemistry assisted on-chip integration of nanostructured quartz-based piezoelectric microelectromechanical system.</a> arXiv:2007.07566 [physics.app-ph]. , (2020).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

De gepresenteerde methode is een combinatie van bottom-up en top-down benaderingen om nanogestructureerde piëzo-elektrische kwarts micro-cantilevers te produceren op Si. Quartz / Si-MEMS-technologie biedt grote voordelen ten opzichte van bulkkwarts in termen van grootte, stroomverbruik en integratiekosten. Epitaxiaal kwarts/Si MEMS worden namelijk geproduceerd met CMOS-compatibele processen. Dit zou de toekomstige fabricage van single chip-oplossingen voor multifrequente apparaten kunnen vergemakkelijken met behoud van m...

Oxide nanomaterialen met piëzo-elektrische eigenschappen zijn cruciaal voor ontwerpapparaten zoals MEMS-sensoren of micro-energierooiers of opslag1,2,3. Naarmate de vooruitgang in CMOS-technologie toeneemt, wordt de monolithische integratie van hoogwaardige epitaxiale piëzo-elektrische films en nanostructuren in silicium een onderwerp van belang om nieuwe nieuwe apparaten uit te breiden4. Bovendien is een grotere controle op de miniaturisatie van deze apparaten vereist om hoge prestaties te bereiken5,6. Nieuwe sensortoepassingen in elektronische, biologie en geneeskunde worden mogelijk gemaakt door de vooruitgang in micro- en nanofabricatietechnologieën7,8.
Met name α-kwarts wordt veel gebruikt als piëzo-elektrisch materiaal en vertoont uitstekende kenmerken, waarmee gebruikers fabricage voor verschillende toepassingen kunnen maken. Hoewel het een lage elektromechanische koppelingsfactor heeft, die zijn toepassingsgebied voor energiewinning beperkt, maken de chemische stabiliteit en de hoge mechanische kwaliteitsfactor het een goede kandidaat voor frequentiecontroleapparaten en sensortechnologieën9. Deze apparaten werden echter gemicromachined uit bulkkristallen met één kwarts die de gewenste kenmerken voor de fabricage van het apparaat hebben10. De dikte van het kwartskristal moet zo worden geconfigureerd dat de hoogste resonantiefrequentie uit het apparaat kan worden verkregen, tegenwoordig is de laagst haalbare dikte 10 μm11. Tot nu toe werden sommige technieken gemeld om de bulkkristallen te micropatterneren, zoals Faradaykooihoek-ets 11,laserinterferentielithografie12en gerichte ionenstraal (FIB)13.
Onlangs is directe en bottom-up integratie van epitaxiale groei van (100) α kwartsfilm in siliciumsubstraat (100) ontwikkeld door chemische oplossingsdepositie (CSD)14,15. Deze aanpak opende een deur om de bovengenoemde uitdagingen te overwinnen en ook om piëzo-elektrische apparaten te ontwikkelen voor toekomstige sensortoepassingen. Het aanpassen van de structuur van α-kwartsfilm op siliciumsubstraat werd bereikt en het maakte het mogelijk om de textuur, dichtheid en de dikte van de film te regelen16. De dikte van de α-kwartsfilm werd uitgebreid van een paar honderd nanometer tot het micronbereik, die 10 tot 50 keer dunner zijn dan die verkregen door top-down technologieën op bulkkristal. Het optimaliseren van de depositieomstandigheden, vochtigheid en temperatuur van de dipcoating werd in staat gesteld om zowel continue nanogestructureerde kristallijne kwartsfilm als een perfect nanogeïnprinteerd patroon te bereiken door een combinatie van een reeks top-down lithografietechnieken17. In het bijzonder is zachte nanoimprintlithografie (NIL) een goedkoop, grootschalig fabricage- en benchtop-proces op basis van apparatuur. Toepassing van zachte NIL, die top-down en bottom-up benaderingen combineert, is een sleutel om epitaxiale kwarts nanopillar arrays op silicium te produceren met een nauwkeurige controle van pijlerdiameters, hoogte en de interpillar afstanden. Bovendien werd de fabricage van silica nanopillar met gecontroleerde vorm, diameter en periodiciteit op borosilicaatglas voor een biologische toepassing uitgevoerd door zachte NIHIL van epitaxiale kwarts dunne film18aan te passen.
Tot nu toe was het niet mogelijk voor on-chip integratie van piëzo-elektrische nanogestructureerde α kwarts MEMS. Hier tekenen we de gedetailleerde engineeringsroute van materiaal tot apparaatfabricage. We leggen alle stappen uit voor materiaalsynthese, zachte NIL en de microfabrication van het apparaat om een piëzo-elektrische kwarts cantilever op SOI-substraat19 vrij te geven en bespreken de reactie ervan als piëzo-elektrisch materiaal met enkele karakteriseringsresultaten.

<table><tbody><tr><td>Acetone</td><td>Honeywell Riedel de Haën</td><td>UN 1090</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2020 negative resist</td><td>Microchemicals</td><td>USAW176488-1BLO</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2070 negative resist</td><td>Microchemicals</td><td>USAW211327-1FK6</td><td></td></tr><tr><td>AZ 726 MIF developer</td><td>Merck</td><td>DEAA195539</td><td></td></tr><tr><td>BOE (7:1)</td><td>Technic</td><td>AF 87.5-12.5</td><td></td></tr><tr><td>Brij-58</td><td>Sigma</td><td>9004-95-9</td><td></td></tr><tr><td>Chromium</td><td>Neyco</td><td>FCRID1T00004N-F53-062317/FC79271</td><td></td></tr><tr><td>Dip Coater ND-R 11/2 F</td><td>Nadetec</td><td>ND-R 11/2 F</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen peroxide solution 30%</td><td>Carlo Erka Reagents DasitGroup</td><td>UN 2014</td><td></td></tr><tr><td>H2SO4</td><td>Honeywell Fluka</td><td>UN 1830</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol</td><td>Honeywell Riedel de Haën</td><td>UN 1219</td><td></td></tr><tr><td>Mask aligner</td><td>EV Group</td><td>EVG620</td><td></td></tr><tr><td>PG remover</td><td>MicroChem</td><td>18111026</td><td></td></tr><tr><td>Platinum</td><td>Neyco</td><td>INO272308/F14508</td><td></td></tr><tr><td>PTFE based container</td><td>Teflon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reactive ion etching (RIE)</td><td>Corial</td><td>ICP Corial 200 IL</td><td></td></tr><tr><td>SEMFEG</td><td>Hitachi</td><td>Su-70</td><td></td></tr><tr><td>SOI substrate</td><td>University Wafer</td><td>ID :3213</td><td></td></tr><tr><td>Strontium chloride hexahydrate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10025-70-4</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Kit</td><td>Dow</td><td>.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Curing Agent</td><td>Dow</td><td>.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>Tetraethyl orthosilicate</td><td>Aldrich</td><td>78-10-4</td><td></td></tr><tr><td>Tubular Furnace</td><td>Carbolite</td><td>PTF 14/75/450</td><td></td></tr><tr><td>Vibrometer</td><td>Polytec</td><td>OFV-500D</td><td></td></tr><tr><td>2D XRD</td><td>Bruker</td><td>D8 Discover</td><td>Uitgerust met een Eiger2 R 500 K 2D detector</td></tr></tbody></table>

epitaxiale nanogestructureerde α-quartzfilms op silicium: van materiaal tot nieuwe apparaten

Epitaxial Nanostructured &alpha;-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices

In dit werk tonen we een gedetailleerde engineeringsroute van de eerste piëzo-elektrische nanogestructureerde epitaxiale microcantilever op basis van kwarts. We zullen alle stappen in het proces uitleggen, van het materiaal tot de fabricage van het apparaat. De epitaxiale groei van α-kwartsfilm op SOI (100) substraat begint met de bereiding van een strontium gedopte silica sol-gel en gaat verder met de afzetting van deze gel in het SOI-substraat in een dunne filmvorm met behulp van de dipcoatingtechniek onder atmosferische omstandigheden bij kamertemperatuur. Vóór de kristallisatie van de gelfilm wordt nanostructuratie op het filmoppervlak uitgevoerd door middel van nanoimprintlithografie (NIL). Epitaxiale filmgroei wordt bereikt bij 1000 °C, wat een perfecte kristallisatie van de gelfilm met patroon induceert. Fabricage van kwartskristal cantilever-apparaten is een proces in vier stappen op basis van microfabricagetechnieken. Het proces begint met het vormen van het kwartsoppervlak, waarna metaaldepositie voor elektroden het volgt. Na het verwijderen van de siliconen komt de cantilever vrij uit soi-substraat waardoor SiO2 tussen silicium en kwarts wordt geëlimineerd. De prestaties van het apparaat worden geanalyseerd door contactloze laservibrometer (LDV) en atoomkrachtmicroscopie (AFM). Onder de verschillende cantilever's afmetingen opgenomen in de gefabriceerde chip, vertoonde de nanogestructureerde cantilever geanalyseerd in dit werk een afmeting van 40 μm groot en 100 μm lang en werd vervaardigd met een 600 nm dikke patroon kwartslaag (nanopillar diameter en scheidingsafstand van respectievelijk 400 nm en 1 μm) epitaxiaal gekweekt op een 2 μm dikke Si apparaatlaag. De gemeten resonantiefrequentie was 267 kHz en de geschatte kwaliteitsfactor, Q, van de hele mechanische structuur was Q ~ 398 onder lage vacuümomstandigheden. We observeerden de spanningsafhankelijke lineaire verplaatsing van cantilever met beide technieken (d.w.z. AFM-contactmeting en LDV). Daarom, bewijzen dat deze apparaten kunnen worden geactiveerd door het indirecte piëzo-elektrische effect.

De voortgang van de materiaalsynthese en apparaatfabricage (zie figuur 1)werd schematisch weergegeven door verschillende stappen met echte afbeeldingen te volgen. Na de microfabricatieprocessen hebben we het aspect van de nanogestructureerde cantilevers waargenomen met behulp van de field emission Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM) afbeeldingen (figuur 2a-c). 2D Micro röntgendiffractie controleerde de kristalliniteit van de verschillende sta...

Dit werk presenteert een gedetailleerd protocol voor de microfabrication van nanogestructureerde α-kwarts cantilever op een Silicon-On-Insulator (SOI) technologiesubstraat beginnend bij de epitaxiale groei van kwartsfilm met de dipcoatingmethode en vervolgens nanostructuratie van de dunne film via nanoimprintlithografie.

Epitaxiale nanogestructureerde α-quartzfilms op silicium: van materiaal tot nieuwe apparaten

In this work, we show a detailed engineering route of the first piezoelectric nanostructured epitaxial quartz-based microcantilever. We will explain all ...

Tegenwoordig worden kwarts-gebaseerde sensoren beperkt door het miniatuurproces en de monolithische integratie van dit materiaal op silicium. Deze knelpunten worden nu overwonnen met de eerste chemische integratie van epitaxiale vereisten in de vorm van hoogwaardige microcantilevers. Vanuit technologisch oogpunt openen deze nieuwe kwartsapparaten de deur naar de ontwikkeling van kosteneffectieve actieve micro-elektromechanische systemen die zijn gegenereerd uit loodvrije piëzo-elektrische oxidematerialen en die hoge krachten en massa-gevoeligheid bieden met behoud van de kwaliteitsfactor.Begin met het mengen van één deel van de verhardingsmiddel met 10 delen elastomeer in een beker op de weegschaal. Roer dit mengsel met een glazen staaf tot een homogene verdeling van luchtbellen is verkregen, vul vervolgens de master met PDMS en verwijder de luchtbellen in een vacuümkamer. Breng de PDMS en silicium master in een oven op 70 graden Celsius gedurende twee uur.Repliceer de silicium master met behulp van de PDMS-oplossing zoals beschreven in het manuscript. Bereid twee zes centimeter grote substraten voor door een twee inch P-type SOI-wafer in een richting parallel of loodrecht op de wa

epitaxial-nanostructured-quartz-films-on-silicon-from-material-to-new

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen op glas worden vervaardigd door afzetting van boor en fosfor gedoteerd silicium lagen gevolgd door kristallisatie, defect passivering en metallisatie. Plasmonische licht-trapping wordt ingeleid door de vorming van Ag nanodeeltjes op de silicium celoppervlak afgedekt met een diffuus reflector resulteert in ~ 45% fotostroom toebehoren.

Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced Light-trapping

Verschillende procedures worden geschetst om atomair gedefinieerde templates voor te bereiden op epitaxiale groei van complexe oxide deklagen. Chemische behandeling van enkele kristallijne SrTiO 3 (001) en DYSCO 3 (110) substraten werden uitgevoerd om atomair glad, enkel beëindigd oppervlakken te verkrijgen. Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets werden gebruikt om atomair gedefinieerde templates op willekeurige substraten te creëren.

Atomair gedefinieerde templates voor epitaxiale groei van complexe oxide deklagen

De schaalbaarheid en resolutie van conventionele optische manipulatietechnieken worden beperkt door diffractie. We omzeilen de diffractielimiet en beschrijven een methode om nanodeeltjes optisch over een chip te transporteren met behulp van een gouden oppervlak voorzien van een pad van nauw geplaatste C-vormige plasmonische resonantors.

Fabricage en exploitatie van een Nano-Optical transportband

Het fabricageproces en experimentele karakteriseringstechnieken die relevant zijn voor enkele-elektronpompen op basis van silicium metaal-oxide-halfgeleider kwantumdots worden besproken.

Silicon metaal-oxide-halfgeleider Quantum Dots voor Single-electron Pumping

We rapporteren een protocol voor het combineren van de atomaire metrologie van de Scanning Tunneling Microscope voor oppervlaktemodellering met selectieve Atomic Layer Deposition en Reactieve Ionen Etching. Met behulp van een robuust proces dat talrijke atmosferische blootstellingen en transport omvat, worden 3D nanostructuren met atomaire metrologie vervaardigd.

Atomair traceerbaar Nanostructuur Fabrication

Er wordt een protocol gepresenteerd voor de bereiding van piëzo-elektrische macroporeuze epitaxiale kwartsfilms op silicium door middel van oplossingschemie met behulp van dip-coating en thermische behandelingen in de lucht.

Voorbereiding van Macroporeuze Epitaxiale Quartz Films on Silicon door chemische oplossing Deposition

Dit werk beschrijft de procedures voor de groei en de karakterisering van kristallijn SrTiO 3 rechtstreeks op germaniumsubstraten door atomic layer deposition. De procedure illustreert het vermogen van een all-chemische groeimethode oxiden monolithisch geïntegreerd op halfgeleiders voor metaal-oxide halfgeleiderinrichtingen.

Epitaxiaal Groei van Perovskite Strontiumtitanaat op Germanium via Atomic Layer Deposition

Het isoleren van elektrische en thermische effecten op elektrisch ondersteunde vervorming (EAD) is erg moeilijk met behulp van macroscopische monsters. Metaalmonster micro- en nanostructuren samen met een aangepaste testprocedure zijn ontwikkeld om de invloed van toegepaste stroom op de formatie te evalueren zonder de verwarming van de uil en de evolutie van ontwrichten op deze monsters.

Een nieuwe methode voor<em&gt; In situ</em&gt; Elektromechanische Karakterisering van Nanoscale Exemplaren

Een protocol voor grafeen-ondersteunde groei van hoogwaardige AlN-films op saffiersubstraat met nanopatroon wordt gepresenteerd.

Grafeen-Geassisteerde Quasi-van der Waals Epitaxy van AlN Film op Nano-Patroon Sapphire Substraat voor Ultraviolet Light Emitting Diodes

Dit artikel volgt de levenscyclus van een siliciumnitridemembraanresonator, van ontwerp via fabricage tot karakterisering.

Fabricage en karakterisering van high-Q siliciumnitride-membraanresonatoren

De twee-thermische gloeimethode maakt de fabricage van dunne films van type II halfgeleider siliciumclathraat mogelijk. Post-synthesebehandelingen, waaronder thermisch persen en reactief ionenetsen, werden uitgevoerd om de materiaaleigenschappen te verbeteren. Deze benadering biedt een toegankelijk pad voor het vervaardigen van afstembare clathraatfilms die geschikt zijn voor elektronische en fotonische apparaten van de volgende generatie.

Fabricage en optimalisatie van type II siliciumclathraatfilms

Leer de microfabricatie van nanogestructureerde α-quartz cantilevers op silicium met dip coating en nanoimprint lithografie. Deze methode verbetert de integratie van quartz in micro-elektromechanische systemen.

Epitaxiale nanogestructureerde α-quartzfilms op silicium: van materiaal tot nieuwe apparaten

Meer video's verkennen