Fabricage en karakterisering van high-Q siliciumnitride-membraanresonatoren

Ons onderzoek is gericht op het onderzoeken van de unieke optische en mechanische eigenschappen van vrijstaande siliciumnitride dunne films. Onze fabricageprocedure stelt ons in staat om deze apparaten snel te ontwerpen en te karakteriseren, waardoor we sneller vooruitgang kunnen boeken op het gebied van nanomechanica. Vooruitkijkend is onze groep van plan deze apparaten te gebruiken om de kwantumeigenschappen van hoekdetectie te bestuderen om te ontwikkelen op scheepsversnellingsmeters en om experimenten te ontwerpen voor het onderzoeken van fysica op deze tafelschaal.

Zorg om te beginnen voor een glazen petrischaaltje met een schone dubbelzijdige siliciumnitridewafel. Breng een paar druppels HMDS aan langs de rand van een glazen petrischaaltje met behulp van een capillaire wegwerppipet. Dek onder een zuurkast de petrischaal af.

Verwarm het op een hete plaat op 90 graden Celsius gedurende een minuut. om de HMDS te verdampen en te laten hechten aan het siliciumnitride. Plaats de wafer na het primen in een spincoder.

Gebruik nu een naald en spuit om niet meer dan vier milliliter S1813 Photo resist te extraheren. Knijp voorzichtig met de spuit en giet een kleine hoeveelheid vloeistof af om eventuele luchtbellen te verwijderen. Verwijder de spuitnaald veilig en bevestig een filter van twee micrometer.

Knijp de spuit opnieuw dicht en doseer drie tot vijf druppels om luchtbellen in het filter te verwijderen Breng de resist druppel voor druppel op het midden van de wafel om een groot zwembad te vormen. Naarmate het zwembad uitzet, blijft u weerstand in de buurt van de rand afzetten om het gecentreerd te houden. Gebruik de naaldpunt om eventuele oppervlaktebelletjes te laten knappen voordat u verder gaat.

Vergrendel nu het deksel van de spincoder en stel het in op draaien om een uniforme laag van 1,5 micrometer dik over de wafer te creëren. Verwijder de wafel en leg deze op een hete plaat om zacht te bakken. Haal na een minuut de wafel van de kookplaat.

Om de apparaatpatronen te definiëren, laadt u de gecoate wafer in een massaloze uitlijningsfotolithografiemachine. Centreer het om globale rotatie en compensatiefouten te minimaliseren. Laad het ingevulde waferbestand op de computer en converteer het naar een compatibel formaat voor de MLA-software.

Begin met het vormen van patronen van de bovenste zijlaag met resonatorontwerpen. Selecteer na uitlijning de optie om de blootstellingsparameters voor de globale rotatiefout van de bundel op te nemen door de bundelintensiteit in te stellen op 140 millijoule per vierkante centimeter bij een golflengte van 375 nanometer. Vul nu een grote schaal met ongeveer 75 milliliter MF319-ontwikkelaar en een andere met gedeïoniseerd water.

Zodra de fotolithografiebelichting is voltooid, verwijdert u de wafer uit de fotolithografiemachine. Breng het vervolgens gedurende 20 seconden over naar de MF 3 1 9-ontwikkelaar. Draai het gerecht voorzichtig in een cirkelvormige beweging om te roeren en verwijder de blootgestelde weerstand nog 40 seconden.

Breng de wafel vervolgens over naar de gedeïoniseerde waterschaal om de resterende ontwikkelaar te verdunnen. Spoel beide zijden van de wafer af met een spuitpistool, gebruik een gaspistool met gecomprimeerde stikstof om het resterende water van het waferoppervlak te verwijderen, pas lage druk en de juiste oriëntatie toe om schade te voorkomen. Laad de ontwikkelde wafer in een reactieve ionenetser om de resistpatronen over te brengen op de siliciumnitridefilm.

Voer het etsproces gedurende vijf seconden per cyclus uit met de gegeven instellingen. Herhaal het proces totdat alle wafergebieden die niet door de resist-laag worden beschermd, zilver worden om aan te geven dat het substraat wordt blootgesteld. Verwijder ten slotte de wafer van de reactieve ionenetser voor patronen aan de achterkant.

Om de resonatoren met patroon los te maken van hun siliciumsubstraat. De wafer wordt in blokjes gesneden of gespleten en op chipschaal verwerkt. Pel de in blokjes gesneden chips voorzichtig van hun tape.

Dompel de chips gedurende ten minste 30 seconden in een gesonificeerd acetonbad om resist- en oppervlakteverontreinigingen te verwijderen. Om de siliciumnitridefilm te verdunnen of vastzittende verontreinigingen te verwijderen, dompelt u de chip optioneel in een bufferoplossing van 10% fluorwaterstofzuur om 1,55 nanometer siliciumnitride per minuut te verwijderen. Plaats de schone spanen onmiddellijk in een op maat gemaakte PTFE-houder onder een zuurkast.

De spaanhouder wordt vervolgens voorzichtig neergelaten in een kaliumhydroxidebad met een 45% oplossing dat op 86 graden Celsius wordt gehouden. Dek de oplossing af om een uniforme thermische gradiënt te behouden. Nadat het silicium rond de resonator volledig is geëtst en de film is vrijgekomen, stopt u de reactie door het vat van de kookplaat te verwijderen.

Zonder de chip bloot te stellen, pipetteer je geleidelijk de kaliumhydroxideoplossing eruit en vervang je deze door gedeïoniseerd water, waarbij je altijd het vloeistofniveau boven de chip houdt om te voorkomen dat het apparaat verbrijzelt. Om kruisbesmetting te voorkomen, brengt u de frienhouder en een schoon bekerglas over in een vers bad met gedeïoniseerd water. Breng vervolgens de fritehouder over in het schone bekerglas met gedeïoniseerd water.

Verwijder na het overbrengen beide bekers. Vervang het gedeïoniseerde water geleidelijk door isopropylalcohol op dezelfde manier, zodat het vloeistofniveau altijd boven de chip blijft. Herhaal met methanol.

Verwijder na het laatste bad de spaan en droog deze voorzichtig langs het apparaatvlak met behulp van een zachte stikstofstroom. Het apparaat wordt gekenmerkt in een vacuümkamer die werkt onder 10 tot de macht van min zeven millibar met optische hendeluitlezing. Om een optische hendel in te stellen, plaatst u een focusseerlens achter een vezelcollimator en een bundelsplitser tussen de focusslens en het monster.

Richt een gecollimeerde laserstraal op het monster met een spotgrootte die vergelijkbaar is met het grootste kenmerk dat wordt gemeten. Lijn de laserstraal dicht bij normale incidenten uit op het monster door retroreflectie in een optische vezel, wat de latere uitlijning vereenvoudigt. Plaats een gebalanceerde fotodetector langs het pad van de gereflecteerde straal, voorbij de raillengte van de straal om de gevoeligheid te maximaliseren.

Met de laser die op de split- of kwadrantfotodetector valt, wordt de detectoroutput naar een digitizer gestuurd. Bereken de real-time spectrale vermogensdichtheid van het signaal met behulp van de Fast Fourier-transformatiemethode. Om specifieke moduspieken te identificeren, vergelijkt u de locatie van thermische ruispieken in het breedbandsignaal met voorspelde eigenfrequenties uit simulaties.

Neem een wortel betekent kwadratisch gemiddelde van verschillende schattingen van de spectrale dichtheid van het vermogen om de pieken te bevestigen. Begin met het volgen van de integraal onder de spectrale dichtheidspiek van het vermogen bij de resonantiefrequentie om de opgeslagen energie te meten. Om de modus aan te sturen, past u energie toe door een piëzo-actuator aan de zijkant te plaatsen of door een tweede laserstraal naar het monster te sturen, moduleert u de piëzo-spanning of de straalintensiteit op de resonantiefrequentie.

Zodra de aandrijving is gestopt, volgt u het exponentiële verval van de oscillatie-energie om de dempingssnelheid te bepalen. Bereken vervolgens de modale Q door de resonantiefrequentie te delen door de dempingssnelheid, COMSOL-simulaties van de lintgeometrie onthulden een buigmodus van 53 kilohertz en een torsiemodus van 70 kilohertz. De buigmodus heeft de grootste hoekverplaatsing, halverwege tussen het midden van het lint en de filets.

Er werd een GDS2-ontwerp gemaakt met 37 chips van elk 12 vierkante millimeter, die een verscheidenheid aan geometrieën voor fabricage laten zien. Analyse van de spectrale vermogensdichtheid toont de effectiviteit van de optische hendel aan bij het uitlezen van de hoekverplaatsing van beide modi.