Name: Epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-10-06T14:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Poznaj mikrofabrykację nanostrukturalnych dźwigników α-kwarcowych na podłożu SOI. Ta metoda poprawia integrację kwarcu z krzemem i wydajność systemów MEMS.

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

Ta praca została sfinansowana przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) w ramach programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji (No.803004).

1. Przygotowanie roztworu
<ol>
	<li>Przygotować roztwór zawierający wstępnie zhydrolizowany ortokrzemian tetraetylu (TEOS) na 18 godzin przed wytworzeniem folii żelowych w dygestorium, w którym umieszczono wagę laboratoryjną i mieszadło magnetyczne.
	<ol>
		<li>Dodać 0,7 g eteru sześciokrotnego glikolu polietylenowego (Brij-58) i 23,26 g etanolu do butelki o pojemności 50 ml, zamknąć pokrywkę butelki i mieszać aż do całkowitego rozpuszczenia Brij.</li>
		<li>Dodać 1,5 g HCl 35% do kolby w kroku 1.1.1, zamknąć ją i mieszać przez 20 s.</li>
		<li>Dodać 4,22 g TEOS do kolby w kroku 1.1.2, zamknąć ją i pozostawić na 18 godzin.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie 1 M wodnego roztworu Sr2+ tuż przed wytworzeniem folii żelowych, ponieważ dojrzały roztwór jest podatny na ponowne wytrącenie w postaci soli Sr.
	<ol>
		<li>Odważyć 2,67 g SrCl2·6H2Ow kolbie miarowej o pojemności 10 ml.</li>
		<li>Dodać 10 ml ultraczystej wody (np. Milli-Q) do 10 ml do kolby w kroku 1.2.1, zamknąć kolbę plastikową nasadką i delikatnie wstrząsnąć kolbą w celu rozpuszczenia chlorku strontu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodać 275 μl 1 M wodnego roztworu Sr2+ do 10 ml butelki zawierającej roztwór, który został przygotowany w kroku 1.1 i mieszać roztwór przez 10 minut.</li>
</ol>
2. Przygotowanie szablonów polidimetylosiloksanu (PDMS)
<ol>
	<li>Przygotowanie roztworu PDMS po kroku 1.3.
	<ol>
		<li>Wymieszaj 1 część utwardzacza z 10 częściami elastomeru w zlewce na wadze. Mieszaj mieszaninę szklanym patyczkiem, aż do uzyskania jednorodnego rozkładu pęcherzyków i wyjmij ją w komorze próżniowej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Replikacja wzorca krzemowego przy użyciu rozwiązania PDMS. Zauważ, że do tej pracy użyliśmy wzorzystego wzorca krzemowego złożonego z filarów o średnicy, wysokości i odległości separacji 1 μm.
	<ol>
		<li>Umieść silikonowy master strukturą do góry w plastikowym pudełku i napełnij pudełko roztworem PDMS.</li>
		<li>Wprowadzić plastikowe pudełko do pieca w temperaturze 70 °C na 2 godziny, aby uzyskać stały szablon PDMS.</li>
		<li>Oddziel szablon PDMS i wzorzec krzemowy. Przytnij szablon PDMS do żądanego rozmiaru za pomocą ostrza i przechowuj go w czystym pudełku.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Nakładanie filmu żelowego na podłożach SOI (100) metodą powlekania zanurzeniowego
<ol>
	<li>Przygotowanie podłoży
	<ol>
		<li>Przygotuj podłoża o wymiarach 2 cm x 6 cm, wycinając 2-calową płytkę SOI typu p o grubości 2/0,5/0,67 μm (Si/SiO2/Si) w kierunku równoległym lub prostopadłym do płasko płytki za pomocą diamentowej końcówki. Zwróć uwagę, że przewodność warstwy urządzenia silikonowego musi wynosić od 1 do 10 Ω/cm.</li>
		<li>Wprowadzić substraty do roztworu piranii na 20 minut w celu wyeliminowania ewentualnych pozostałości polimeru.</li>
		<li>Oczyść wodą DI, a następnie etanolem i pozwól im wyschnąć lub użyj przepływu azotu. Ten krok należy wykonać zaraz po kroku 1.3.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Osadzanie roztworu zawierającego wstępnie zhydrolizowany ortokrzemian tetraetylu (TEOS), sulfaktant Brij-58 i SrCl2 6H2O.
	<ol>
		<li>W celu uzyskania jednorodnej warstwy krzemionki należy ustawić komorę powlekarki zanurzeniowej w warunkach wilgotności względnej 40% i temperaturze 25 °C.</li>
		<li>Umieścić zlewkę o wymiarach około 5 cm x 1 cm x 8 cm pod podłożem SOI zwisającym z ramienia powlekarki zanurzeniowej i ustalić sekwencję powlekania zanurzeniowego z prędkością 300 mm/min przy zanurzaniu i pobieraniu. Ustaw czas zanurzenia (czas w końcowej pozycji) na zero.</li>
		<li>Napełnić zlewkę roztworem przygotowanym w kroku 1.3 i poczekać, aż temperatura wilgotności względnej ustabilizuje się, tj. odpowiednio 40 % i 25 °C.</li>
		<li>Wykonaj pojedynczą powłokę zanurzeniową i poczekaj, aż folia stanie się jednorodna.</li>
		<li>Wprowadzić substrat SOI do pieca w temperaturze 450 °C na 5 minut w celu zbudowania warstwy żelowej do uzyskania grubości 200 nm.</li>
		<li>Powtórzyć kroki 3.2.3 i 3.2.4 dwa razy więcej, aby uzyskać film o grubości około 600 nm. Aby zapewnić stabilność roztworu, należy wykonać powtarzający się proces w ciągu 1 godziny.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Mikro/nanostrukturyzacja powierzchni za pomocą miękkiej litografii odciskowej
<ol>
	<li>Przygotować mikro/nanostruktury na powierzchni folii w warunkach wilgotności względnej 40% i temperatury 25 °C.
	<ol>
		<li>Powtórz krok 3.2.3, aby nałożyć nową warstwę na podłoże SOI.</li>
		<li>Umieść substrat SOI po kroku 3.2.1 na płaskiej powierzchni i umieść formę PDMS przygotowaną w kroku 2.2 na podłożu SOI, podczas gdy zol-żel odparowuje.</li>
		<li>Substrat SOI z formą PDMS umieścić w piecu w temperaturze 70 °C na 1 minutę, a następnie w temperaturze 140 °C na 2 minuty w drugim piecu. Następnie pozostaw do wystygnięcia.</li>
		<li>Usuń formę PDMS, aby uzyskać mikro/nanostrukturalną warstwę żelową na podłożu SOI.</li>
		<li>Wprowadzić substrat SOI do pieca w temperaturze 450 °C na 5 minut, aby skonsolidować mikro/nanostrukturalną warstwę żelową o wysokości 600 nm.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Krystalizacja filmu żelowego przez obróbkę termiczną
<ol>
	<li>Obróbka termiczna folii żelowych na SOI (100).
	<ol>
		<li>Zaprogramować ogrzewanie pieca rurowego od temperatury pokojowej do 1000 °C.</li>
		<li>Próbkę umieszczoną w ceramicznym woreczku wprowadzić do pieca w temperaturze 1000 °C na 5 godzin. Nie należy przykrywać rurowej rury roboczej podczas całej obróbki termicznej w celu nasycenia pieca powietrzem. Na koniec osiągnij temperaturę pokojową, schładzając piec bez zaprogramowanej rampy.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Projektowanie układu maski litograficznej
Maska używana w tym procesie została zaprojektowana specjalnie do produkcji urządzenia na podłożu SOI z epitaksjalnego nanostrukturalnego kwarcu. Wszystkie procesy produkcyjne odbywają się po stronie kwarcu. Maska została zaprojektowana w taki sposób, aby na każdym kroku należy stosować odporność na negatywne tony. Maska jest zorganizowana w czterech różnych krokach, jak wyjaśniono poniżej.
<ol>
	<li>Ułóż wzór kwarcu, aby określić kształt wspornika, a także obszar styku o wymiarach 30 μm x 30 μm w kształcie kwadratu. Na przykład prostokątny obszar wspornika o wymiarach 40 μm x 100 μm z obszaru 120 μm x 160 μm jest chroniony ujemnym rezystancją, a reszta jest wytrawiana do warstwy krzemu.</li>
	<li>Uświadom sobie górną i dolną elektrodę. Górna elektroda jest wzorowana na prostokątnym obszarze wspornika, a dolna elektroda jest wzorowana na warstwie krzemu o grubości 2 μm na wytrawionym obszarze o wymiarach 30 μm x 30 μm. Szerokość górnego styku jest o 4 μm mniejsza niż wzorzysty obszar wspornika, a rozmiar dolnego styku jest większy niż wytrawiony obszar o kwadratowym kształcie 30 μm x 30 μm w kroku 1.</li>
	<li>Wytrawić wszystkie warstwy krzemu o grubości 2 μm w obszarze w kształcie litery U o wymiarach 120 μm x 160 μm wokół wspornika w kształcie prostokąta. Wytrawiony obszar jest ponownie w kształcie litery U, ale o 4 μm mniejszy z każdej strony, aby chronić obszar wspornika przed atakiem HF w ostatnim kroku.</li>
	<li>Zwolnij wspornik za pomocą wytrawiania BOE SiO2. Chroniony obszar wspornika jest o 2 μm większy niż rzeczywisty obszar wspornika. Najważniejszą częścią jest ochrona powierzchni i półfabrykatów wspornika.</li>
</ol>
7. Czyszczenie próbek kwarcu do procesu mikroprodukcji kantylowej roztworem piranii
<ol>
	<li>Przygotować roztwór piranii, powoli dodając 10 ml nadtlenku wodoru (H2O2) do 20 ml kwasu siarkowego (H2SO4) w temperaturze otoczenia. Ta mieszanina tworzy reakcję termiczną.
	<ol>
		<li>Umieść próbki w tym roztworze na 10 minut w celu oczyszczenia wszystkich pozostałości organicznych.</li>
		<li>Przepłukać próbki wodą demineralizowaną i osuszyć je azotem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. Krok 1: Wzorowanie kształtu wspornika na cienkiej warstwie kwarcu
<ol>
	<li>Pierwszy proces litograficzny
	<ol>
		<li>Przepłucz próbki acetonem, IPA, a następnie wysusz azot.</li>
		<li>Umieść próbki na płycie grzejnej w temperaturze 140°C na 10 minut osuszania.</li>
		<li>Fotorezystor ujemny wirować AZ2070 z prędkością 4000 obr./min przez 30 s.</li>
		<li>Umieść próbki na płycie grzejnej do pieczenia na miękko w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Naświetlić próbkę dawką 37,5 mJ.cm-2 UV przez 5 s.</li>
		<li>Umieścić próbkę na płycie grzejnej do pieczenia po ekspozycji w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Wywoływać w wywoływaczu MIF 726 przez 100 s w temperaturze otoczenia, a następnie spłukać w wodzie DI i wysuszyć azotem. Przewidywana grubość to 5,5 μm.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej w temperaturze 125 °C na 10 minut, aby upiec rezystor na twardo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Reaktywne trawienie jonowe (RIE) warstwy kwarcu
	<ol>
		<li>Wytrawiaj kwarc do warstwy krzemu za pomocą RIE o natężeniu przepływu gazu 60 sccm CHF3, 20 sccm 02 i 10 sccm Ar przy mocy RF 100 W.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Czyszczenie rezystancji
	<ol>
		<li>Czyścić plazmą o natężeniu przepływu 90 sccm0 2 przez 5 min.</li>
		<li>Jeżeli pierwszy etap czyszczenia nie jest wystarczający, pozostawić próbkę w zmywaczu PG w temperaturze 80 °C, aż wszystkie resztki zostaną usunięte.</li>
		<li>Następnie umieścić próbkę w roztworze piranii (20 ml kwasu siarkowegoH2SO4 +10 ml nadtlenku wodoruH2O2) na 10 minut. Następnie spłucz w wodzie DI i wysusz suszarką z azotem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
9. Krok 2: Wykonanie dolnej i górnej elektrody
<ol>
	<li>Drugi proces litograficzny
	<ol>
		<li>Przepłucz próbki acetonem, IPA, a następnie wysusz azot.</li>
		<li>Umieścić próbki na płycie grzejnej w temperaturze 140 °C na 10 minut osuszania.</li>
		<li>Wiruj fotorezystem ujemnym AZ2020 z prędkością 4000 obr./min przez 30 s.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej, aby upiec ją na miękko w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Naświetlić próbkę dawką 23,25 mJ.cm-2 UV przez 3 s.</li>
		<li>Umieścić próbkę na płycie grzejnej do pieczenia po ekspozycji w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Wywoływać w wywoływaczu MIF 726 przez 50 s w temperaturze otoczenia, a następnie spłukać w wodzie DI i wysuszyć azotem. Oczekiwana grubość to 1,7 μm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Osadzanie metalu dla elektrod górnych i dolnych.
	<ol>
		<li>Osadzanie 50 nm chromu z szybkością 4 A/s i platyny 120 nm z prędkością 2,5 A/s z odparowaniem wiązką elektronów przy 10-6 mbar.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Metalowy lifting
	<ol>
		<li>Pozostawić próbki najpierw w acetonie, a następnie w IPA, aż do momentu pomyślnego oderwania metalu.</li>
		<li>Sprawdzić próbkę za pomocą mikroskopu optycznego i w razie potrzeby pozostawić próbkę w zmywaczu PG w temperaturze 80 °C, aż wszystkie metale oderwą się. Następnie spłucz w wodzie DI i wysusz azotem.</li>
		<li>Jeśli krok 9.3.2 nie jest wystarczający, umieść próbki w myjce ultradźwiękowej w acetonie na 5 minut. Powtórz tę operację tyle razy, ile to konieczne.</li>
		<li>Próbki przepłukać acetonem, IPA, a następnie wysuszyć azotem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
10. Krok 3: Modelowanie próbki w celu wytrawienia warstwy Si(100)
<ol>
	<li>Trzeci proces litograficzny
	<ol>
		<li>Przepłucz próbki acetonem, IPA, a następnie wysusz azot.</li>
		<li>Umieścić próbki na płycie grzejnej w temperaturze 140 °C na 10 minut osuszania.</li>
		<li>Wiruj fotorezyst ujemny AZ2070 z prędkością 2000 obr./min przez 30 s.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej do pieczenia na miękko w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Naświetlić próbkę dawką 37,5 mJ.cm-2 UV przez 5 s.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej do pieczenia po ekspozycji w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Wywoływać w MIF 726 przez 110 s w temperaturze otoczenia, następnie spłukać w wodzie demineralizowanej i wysuszyć suszarką z azotem. Przewidywana grubość to 5,9 μm.</li>
		<li>Umieścić próbkę na płycie grzejnej w temperaturze 125 °C na 10 minut, aby upiec rezystor na twardo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Reaktywne trawienie jonowe warstwy krzemu
	<ol>
		<li>Wytrawić warstwę krzemu do warstwy SiO2 za pomocą RIE o natężeniu przepływu gazu 60 sccm CHF3, 20 sccm 02 i 10 sccm Ar przy mocy RF 100 W.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Czyszczenie rezystancji
	<ol>
		<li>Najpierw czyścić plazmą o natężeniu przepływu 90 sccm0 2 przez 5 minut.</li>
		<li>Pozostawić próbkę w zmywaczu PG w temperaturze 80 °C do momentu usunięcia wszystkich rezystu. Następnie spłucz w wodzie DI i wysusz azotem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
11. Krok 4: Uwalnianie wspornika przez chemiczne trawienie SiO2 na mokro
<ol>
	<li>Czwarty proces litograficzny
	<ol>
		<li>Przepłucz próbki acetonem, IPA, a następnie wysusz azot.</li>
		<li>Umieścić próbki na płycie grzejnej w temperaturze 140 °C na 10 minut osuszania.</li>
		<li>Wiruj fotorezyst ujemny AZ2020 z prędkością 2000 obr./min przez 30 s.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej do miękkiego pieczenia w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Naświetlić próbkę dawką 37,5 mJ.cm-2 UV przez 5 s.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej do pieczenia po ekspozycji w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.</li>
		<li>Wywoływanie w MIF 726 przez 65 s w temperaturze otoczenia. Spłucz w wodzie DI, a następnie wysusz azot. Oczekiwana grubość to 2,3 μm.</li>
		<li>Umieść próbkę na płycie grzejnej w temperaturze 125 °C na 10 minut, aby upiec rezystor na twardo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wytrawianie na mokro warstwySiO 2 za pomocą buforowanego wytrawiania tlenkowego (BOE)
	<ol>
		<li>Umieścić roztwór BOE 7:1 w pojemniku na bazie politetrafluoroetylenu (PTFE).</li>
		<li>Umieść próbkę w tym roztworze i pozostaw ją w temperaturze otoczenia, aż wszystkie warstwy SiO2 zostaną wytrawione pod wspornikiem. Następnie spłucz w wodzie DI i wysusz azot</li>.
	</ol>
	</li>
	<li>Czyszczenie rezystancji
	<ol>
		<li>Przepłucz próbki acetonem, IPA, a następnie wysusz azot.</li>
		<li>W razie potrzeby wyczyść pozostałości rezystu plazmą o natężeniu przepływu 90 sccm O2 przez 5 minut.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przedstawiona metoda jest połączeniem podejścia oddolnego i odgórnego w celu wytworzenia nanostrukturalnych piezoelektrycznych mikrowsporników kwarcowych na Si. Technologia kwarcu/Si-MEMS oferuje duże zalety w porównaniu z kwarcem luzem pod względem rozmiaru, zużycia energii i kosztów integracji. Rzeczywiście, epitaksjalny kwarc/Si MEMS jest wytwarzany w procesach kompatybilnych z CMOS. Może to ułatwić w przyszłości wytwarzanie rozwiązań jednoukładowych dla urządzeń wieloczęstotliwościowych, przy jednoczesnym zachowaniu ...

Nanomateriały tlenkowe o właściwościach piezoelektrycznych są kluczowe dla projektowania urządzeń, takich jak czujniki MEMS, mikrokombajny lub magazynowanie energii1,2,3. Wraz ze wzrostem postępu w technologii CMOS, monolityczna integracja wysokiej jakości epitaksjalnych warstw piezoelektrycznych i nanostruktur w krzem staje się przedmiotem zainteresowania w celu rozszerzenia nowych urządzeń4. Ponadto do osiągnięcia wysokich osiągów wymagana jest większa kontrola nad miniaturyzacją tych urządzeń5,6. Nowe zastosowania czujników w elektronice, biologii i medycynie są możliwe dzięki postępom w technologiach mikro- i nanofabrykacji7,8.
W szczególności, α-kwarc jest szeroko stosowany jako materiał piezoelektryczny i wykazuje wyjątkowe cechy, które pozwalają użytkownikom na wytwarzanie produktów do różnych zastosowań. Chociaż ma niski współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, co ogranicza jego obszar zastosowań do pozyskiwania energii, jego stabilność chemiczna i wysoki współczynnik jakości mechanicznej sprawiają, że jest dobrym kandydatem do urządzeń sterujących częstotliwością i technologii czujników9. Jednak urządzenia te zostały poddane mikroobróbce z pojedynczych kryształów kwarcu luzem, które mają pożądane cechy do produkcji urządzeń10. Grubość kryształu kwarcu powinna być skonfigurowana w taki sposób, aby z urządzenia można było uzyskać najwyższą częstotliwość rezonansową, obecnie najniższa osiągalna grubość to 10 μm11. Do tej pory opisano niektóre techniki mikromodelowania kryształów masowych, takie jak wytrawianie pod kątem klatki Faradaya11, litografia interferencyjna laserowa12 i skupiona wiązka jonów (FIB)13.
Niedawno, bezpośrednia i oddolna integracja epitaksjalnego wzrostu (100) warstwy α-kwarcowej z substratem krzemowym (100) została opracowana przez chemiczne osadzanie roztworu (CSD)14,15. Takie podejście otworzyło drogę do przezwyciężenia wyżej wymienionych wyzwań, a także do opracowania urządzeń piezoelektrycznych do przyszłych zastosowań czujników. Udało się dostosować strukturę folii α-kwarcowej do podłoża krzemowego, co pozwoliło kontrolować teksturę, gęstość i grubość folii16. Grubość warstwy α-kwarcowej została zwiększona z kilkuset nanometrów do zakresu mikronów, które są od 10 do 50 razy cieńsze niż te uzyskane w technologiach top-down na kryształach luzem. Optymalizacja warunków osadzania, wilgotności i temperatury powłoki zanurzeniowej umożliwiła uzyskanie zarówno ciągłej nanostrukturalnej krystalicznej warstwy kwarcowej, jak i doskonałego wzoru nanonadruku dzięki połączeniu zestawu technik litografii z góry na dół17. W szczególności litografia miękkiego nanoodcisku (NIL) jest tanim, wielkoskalowym procesem produkcyjnym opartym na sprzęcie laboratoryjnym. Zastosowanie miękkiego NIL, który łączy podejście odgórne i oddolne, jest kluczem do produkcji epitaksjalnych matryc nanofilarów kwarcowych na krzemie z precyzyjną kontrolą średnic filarów, wysokości i odległości między filarami. Ponadto, wyprodukowano nanofilar krzemionkowy o kontrolowanym kształcie, średnicy i okresowości na szkle borokrzemianowym do zastosowań biologicznych, dostosowując miękki NIL cienkiej warstwy epitaksjalnego kwarcu18.
Do tej pory nie było możliwe zintegrowanie piezoelektrycznych nanostrukturalnych α-kwarcowych MEMS na chipie. Tutaj rysujemy szczegółową ścieżkę inżynieryjną, zaczynając od materiału do produkcji urządzenia. Wyjaśniamy wszystkie etapy syntezy materiału, miękkiego NIL i mikrowytwarzania urządzenia w celu uwolnienia piezoelektrycznego kwarcowego wspornika na podłożu SOI19 i omawiamy jego reakcję jako materiału piezoelektrycznego z niektórymi wynikami charakterystyki.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Honeywell Riedel de Ha&euml; n</td><td>UN 1090</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2020 ujemna rezystancja</td><td>Mikrochemikalia</td><td>USAW176488-1BLO</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2070 ujemna rezystancja</td><td>Mikrochemikalia</td><td>USAW211327-1FK6</td><td></td></tr><tr><td>AZ 726 MIF wywoływacz</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>Powlekarka zanurzeniowa ND-R 11/2 F</td><td>Nadetec</td><td>ND-R 11/2 F</td><td></td></tr><tr><td>Roztwór nadtlenku wodoru 30%</td> <td>Carlo Erka Odczynniki 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>Alkohol izopropylowy</td><td>Honeywell Riedel de Ha&euml; n</td><td>UN 1219</td><td></td></tr><tr><td>Wyrównywacz maski</td><td>EV Group</td><td>EVG620</td><td></td></tr><tr><td>PG zmywacz</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>Pojemnik na bazie PTFE</td><td>Teflon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reaktywne trawienie jonowe (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>Podłoże SOI</td><td>Identyfikator wafla uniwersyteckiego</td><td>:3213</td><td></td></tr><tr><td>Sześciowodny chlorek strontu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10025-70-4</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Zestaw elastomerów silikonowych</td><td></td> <td>Dow.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Elastomer silikonowy Środek utwardzający</td><td></td> <td>Dow.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>Ortokrzemian tetraetylu</td><td>Aldrich</td><td>78-10-4</td><td></td></tr><tr><td>Piec rurowy</td><td>Carbolite</td><td>PTF 14/75/450</td><td></td></tr><tr><td>Wibrometr</td><td>Polytec</td><td>OFV-500D</td><td></td></tr><tr><td>2D XRD</td><td>Bruker</td><td>D8 Discover</td><td>Wyposażony w detektor 2D Eiger2 R 500 K</td></tr></tbody></table>

epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń

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

W tej pracy pokazujemy szczegółową ścieżkę inżynieryjną pierwszego piezoelektrycznego nanostrukturalnego epitaksjalnego mikrowspornika na bazie kwarcu. Wyjaśnimy wszystkie etapy procesu, począwszy od materiału, a skończywszy na produkcji urządzenia. Epitaksjalny wzrost filmu α-kwarcowego na podłożu SOI (100) rozpoczyna się od przygotowania zol-żelu krzemionkowego domieszkowanego strontem i kontynuuje osadzanie tego żelu w podłożu SOI w postaci cienkiej warstwy przy użyciu techniki powlekania zanurzeniowego w warunkach atmosferycznych w temperaturze pokojowej. Przed krystalizacją filmu żelowego nanostrukturyzacja jest przeprowadzana na powierzchni filmu za pomocą litografii nanoodciskowej (NIL). Wzrost filmu epitaksjalnego osiąga się w temperaturze 1000 °C, wywołując doskonałą krystalizację wzorzystego filmu żelowego. Wytwarzanie wsporników z kryształu kwarcu to czteroetapowy proces oparty na technikach mikrofabrykacji. Proces rozpoczyna się od ukształtowania powierzchni kwarcu, a następnie następuje osadzanie metalu pod elektrody. Po usunięciu silikonu wspornik jest uwalniany z podłoża SOI, eliminując SiO2 między krzemem a kwarcem. Działanie urządzenia jest analizowane za pomocą bezdotykowego wibrometru laserowego (LDV) i mikroskopii sił atomowych (AFM). Spośród różnych wymiarów wspornika zawartych w wyprodukowanym chipie, nanostrukturalny wspornik analizowany w tej pracy wykazywał wymiar 40 μm dużego i 100 μm długości i został wytworzony z wzorzystą warstwą kwarcu o grubości 600 nm (średnica nanofilaru i odległość separacji odpowiednio 400 nm i 1 μm) epitaksjalnie wyhodowaną na warstwie urządzenia Si o grubości 2 μm. Zmierzona częstotliwość rezonansowa wynosiła 267 kHz, a szacowany współczynnik jakości Q całej struktury mechanicznej wynosił Q ~ 398 w warunkach niskiej próżni. Obserwowaliśmy zależne od napięcia przemieszczenie liniowe wspornika za pomocą obu technik (tj. pomiaru kontaktowego AFM i LDV). W związku z tym udowadnia, że urządzenia te mogą być aktywowane poprzez pośredni efekt piezoelektryczny.

Postęp syntezy materiału i produkcji urządzenia (zobacz Rysunek 1) przedstawiono schematycznie, monitorując poszczególne etapy za pomocą rzeczywistych obrazów. Po procesach mikrofabrykacji zaobserwowano wygląd nanostrukturalnych konsoli przy użyciu obrazów mikroskopii skaningowej z emisją polową (FEG-SEM) (Rysunek 2a–c). Krystaliczność różnych warstw warstwowych konsoli kontrolowano za pomocą mikrodiffrakcji rentgenowskiej w 2D (<strong class="x...

Ta praca przedstawia szczegółowy protokół mikrowytwarzania nanostrukturalnego wspornika α-kwarcowego na podłożu w technologii Silicon-On-Insulator(SOI), zaczynając od epitaksjalnego wzrostu warstwy kwarcowej metodą powlekania zanurzeniowego, a następnie nanostrukturyzacji cienkiej warstwy za pomocą litografii nanoimprint.

Epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń

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

Obecnie czujniki kwarcowe są ograniczone procesem miniaturyzacji i monolityczną integracją tego materiału z krzemem. Te wąskie gardła zostały teraz pokonane dzięki pierwszej chemicznej integracji wymagań epitaksjalnych w postaci wysokiej jakości mikrowsporników. Z technologicznego punktu widzenia te nowatorskie urządzenia kwarcowe otwierają drzwi do opracowania opłacalnego aktywnego systemu mikroelektromechanicznego generowanego z bezołowiowych materiałów tlenku piezoelektrycznego i zapewniającego duże siły i czułość masy, przy jednoczesnym zachowaniu współczynnika jakości.Zacznij od wymieszania jednej części utwardzacza z 10 częściami elastomeru w zlewce na wadze. Mieszaj tę mieszaninę szklanym patyczkiem, aż do uzyskania jednorodnego rozkładu pęcherzyków powietrza, a następnie napełnij mistrza PDMS i usuń pęcherzyki w komorze próżniowej. Wprowadź PDMS i silicon master do pieca w temperaturze 70 stopni Celsjusza na dwie godziny.Zreplikuj wzorzec krzemowy przy użyciu roztworu PDMS zgodnie z opisem w manuskrypcie. Przygotuj podłoża o wymiarach dwa na sześć centymetrów, przycinając dwucalową płytkę SOI typu P w kierunku równoległym lub prostopadłym do płaskiej płytki za pomocą diamen

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Polikrystaliczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu na szkle są wytwarzane poprzez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Pułapkowanie światła oparte na plazmonice wprowadza się poprzez formowanie nanocząsteczek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytego reflektorem dyfuzyjnym, co skutkuje wzrostem prądu światła o ok. 45%.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

Przedstawiono różne procedury przygotowania atomowo zdefiniowanych szablonów do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych. Przeprowadzono obróbkę chemiczną monokrystalicznych substratów SrTiO3 (001) i DyScO3 (110) w celu uzyskania atomowo gładkich, jednozakończonych powierzchni. Ca2 Nb3 O10- nanoarkusze wykorzystano do stworzenia atomowo zdefiniowanych szablonów na dowolnych podłożach.

Atomowo zdefiniowane matryce do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Omówiono proces produkcji i eksperymentalne techniki charakterystyki pomp jednoelektronowych opartych na kropkach kwantowych krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowych.

Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Przedstawiono protokół do przygotowania piezoelektrycznych makroporowatych warstw epitaksjalnych kwarcu na krzemie za pomocą chemii roztworu przy użyciu powlekania zanurzeniowego i obróbki termicznej w powietrzu.

Otrzymywanie makroporowatych epitaksjalnych warstw kwarcowych na krzemie przez osadzanie roztworu chemicznego

Ta praca szczegółowo opisuje procedury wzrostu i charakterystyki krystalicznego SrTiO3 bezpośrednio na podłożach germanowych poprzez osadzanie warstw atomowych. Procedura ilustruje zdolność całkowicie chemicznej metody wzrostu do monolitycznego integrowania tlenków z półprzewodnikami w urządzeniach półprzewodnikowych z tlenkami metali.

Epitaksjalny wzrost perowskitowego tytanianu strontu na germanie poprzez osadzanie warstwy atomowej

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

Przedstawiono protokół wspomaganego grafenem wzrostu wysokiej jakości warstw AlN na podłożu szafirowym o nanowzorze.

Epitaksja quasi-van der Waalsa wspomagana grafenem warstwy AlN na nanowzorzystym podłożu szafirowym dla diod elektroluminescencyjnych ultrafioletowych

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Metoda dwutermicznego wyżarzania umożliwia wytwarzanie cienkich warstw półprzewodnikowego klatranu krzemu typu II. Przeprowadzono zabiegi posyntetyczne, w tym tłoczenie termiczne i trawienie jonów reaktywnych, aby poprawić właściwości materiału. Takie podejście zapewnia dostępną ścieżkę do wytwarzania regulowanych folii klatratowych odpowiednich dla urządzeń elektronicznych i fotonicznych nowej generacji.

Wytwarzanie i optymalizacja filmów typu II z użyciem klatryn krzemowych

Poznaj mikrofabrykację nanostrukturalnych dźwigników α-kwarcowych na podłożu SOI. Ta metoda poprawia integrację kwarcu z krzemem i wydajność systemów MEMS.

Epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń

Przeglądaj więcej filmów