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

Nasze badania mają na celu zbadanie unikalnych właściwości optycznych i mechanicznych wolnostojących cienkich warstw azotku krzemu. Nasza procedura produkcyjna pozwala nam szybko zaprojektować i scharakteryzować te urządzenia, co pozwala nam na szybszy postęp w dziedzinie nanomechaniki. Patrząc w przyszłość, nasza grupa planuje wykorzystać te urządzenia do badania właściwości kwantowych detekcji kątowej, aby rozwijać się na akcelerometrach okrętowych oraz projektować eksperymenty do sondowania fizyki w tej skali stołowej.

Na początek zaopatrz się w szklaną szalkę Petriego zawierającą czystą dwustronną płytkę z azotku krzemu. Umieść kilka kropli HMDS wzdłuż krawędzi szklanej szalki Petriego za pomocą jednorazowej pipety kapilarnej. Pod wyciągiem przykryj szalkę Petriego.

Podgrzej go na gorącej płycie w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez minutę. aby odparować HMDS i pozwolić mu przylegać do azotku krzemu. Po zalaniu umieść wafel w koderze spinowym.

Teraz użyj igły i strzykawki, aby wydobyć nie więcej niż cztery mililitry S1813 Photo resist. Delikatnie strzepnąć strzykawkę i dozować niewielką ilość płynu, aby usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza. Bezpiecznie wyjąć igłę strzykawki i założyć filtr dwumikrometryczny.

Ponownie przesuń strzykawkę i dozuj od trzech do pięciu kropli, aby usunąć pęcherzyki powietrza z filtra Umieść opór kropla po kropli na środku płytki, aby utworzyć dużą kałużę. W miarę rozszerzania się puli kontynuuj odkładanie oporu w pobliżu jej krawędzi, aby utrzymać ją wyśrodkowaną. Użyj końcówki igły, aby przebić wszelkie pęcherzyki na powierzchni, które pojawią się przed kontynuowaniem.

Teraz zablokuj pokrywę kodera wirującego i ustaw go tak, aby wirował, aby utworzyć jednolitą warstwę o grubości 1,5 mikrometra w poprzek płytki. Wyjmij wafel i połóż go na gorącym talerzu, aby upiec go na miękko. Po minucie wyjmij wafel z płyty grzejnej.

Aby zdefiniować wzorce urządzeń, załaduj powlekaną płytkę do bezmasowej maszyny fotolitograficznej do wyrównywania. Wyśrodkuj go, aby zminimalizować globalny obrót i błędy przesunięcia. Załaduj wypełniony plik waflowy na komputer i przekonwertuj go na format zgodny z oprogramowaniem MLA.

Rozpocznij modelowanie górnej warstwy bocznej za pomocą wzorów rezonatorów. Po wyrównaniu wybierz opcję uwzględnienia parametrów ekspozycji wiązki obciążenia globalnym błędem rotacji, ustawiając intensywność wiązki na 140 milidżuli na centymetr kwadratowy przy długości fali 375 nanometrów. Teraz napełnij duże naczynie około 75 mililitrami wywoływacza MF319, a drugie wodą dejonizowaną.

Po zakończeniu naświetlania fotolitograficznego wyjmij płytkę z maszyny fotolitograficznej. Następnie przenieś go do wywoływacza MF 3 1 9 na 20 sekund. Delikatnie obracaj naczyniem okrężnymi ruchami, aby zamieszać i usuń odsłonięty opór na dodatkowe 40 sekund.

Następnie przenieś wafel do naczynia z wodą dejonizowaną, aby rozcieńczyć pozostałości wywoływacza. Opłucz obie strony wafla za pomocą pistoletu natryskowego, użyj pistoletu na sprężony azot, aby usunąć pozostałą wodę z powierzchni płytki, stosując niskie ciśnienie i odpowiednią orientację, aby zapobiec uszkodzeniom. Załaduj wytworzony wafel do reaktywnego wytrawiacza jonowego, aby przenieść wzory rezystancji na folię z azotku krzemu.

Uruchom proces trawienia przez pięć sekund na cykl z podanymi ustawieniami. Powtarzaj proces, aż wszystkie obszary płytki, które nie są chronione przez warstwę rezystancyjną, zmienią kolor na srebrny, wskazując, że podłoże jest odsłonięte. Na koniec wyjmij wafel z wytrawiacza jonów reaktywnych, aby uzyskać wzór z tyłu.

Aby uwolnić wzorzyste rezonatory z ich podłoża krzemowego. Wafel jest krojony w kostkę lub łupany i przetwarzany na skali wiórów. Ostrożnie oderwij pokrojone w kostkę frytki z taśmy.

Zanurz wióry w sonikowanej kąpieli acetonowej na co najmniej 30 sekund, aby usunąć zanieczyszczenia rezystancyjne i powierzchniowe. Opcjonalnie, aby rozcieńczyć warstwę azotku krzemu lub usunąć przyklejone zanieczyszczenia, zanurz chip w 10% roztworze buforowym kwasu fluorowodorowego, aby usunąć 1,55 nanometra azotku krzemu na minutę. Natychmiast umieść czysty chip w niestandardowym uchwycie z PTFE pod wyciągiem.

Uchwyt na wióry jest następnie delikatnie zanurzany w kąpieli wodorotlenku potasu w 45% roztworze utrzymywanym w temperaturze 86 stopni Celsjusza. Przykryj roztwór, aby utrzymać jednolity gradient termiczny. Po całkowitym wytrawieniu krzemu wokół rezonatora i uwolnieniu filmu należy zatrzymać reakcję, wyjmując naczynie z płyty grzejnej.

Nie odsłaniając chipa, stopniowo odpipetuj roztwór wodorotlenku potasu i zastąp go wodą dejonizowaną, zawsze utrzymując poziom cieczy nad chipem, aby zapobiec rozbiciu urządzenia. Aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego, przenieś uchwyt na wióry i czystą zlewkę do świeżej kąpieli z dejonizowaną wodą. Następnie przenieś uchwyt na wióry do czystej zlewki zawierającej wodę dejonizowaną.

Po przeniesieniu wyjmij obie zlewki. Stopniowo zastępuj wodę dejonizowaną alkoholem izopropylowym w ten sam sposób, upewniając się, że poziom cieczy zawsze utrzymuje się nad chipem. Powtórz z metanolem.

Po ostatniej kąpieli wyjmij chip i ostrożnie wysusz go wzdłuż płaszczyzny urządzenia za pomocą delikatnego strumienia azotu. Urządzenie charakteryzuje się komorą próżniową pracującą poniżej 10 do potęgi minus siedem milibarów z optycznym odczytem dźwigniowym. Aby ustawić dźwignię optyczną, umieść soczewkę skupiającą za kolimatorem światłowodowym i rozdzielaczem wiązki między soczewką skupiającą a próbką.

Skoncentruj skolimowaną wiązkę laserową na próbce o rozmiarze plamki podobnym do największej mierzonej cechy. Ustaw wiązkę laserową blisko normalnych zdarzeń na próbce, odbijając ją wstecznie do światłowodu, co upraszcza późniejsze wyrównanie. Umieść zrównoważony fotodetektor wzdłuż odbitej ścieżki wiązki, umieszczony poza długością szyny wiązki, aby zmaksymalizować czułość.

Gdy laser pada na fotodetektor podzielony lub kwadrantowy, wyjście detektora jest wysyłane do digitizera. Obliczanie gęstości widmowej mocy sygnału w czasie rzeczywistym przy użyciu metody szybkiej transformaty Fouriera. Aby zidentyfikować określone piki modów, należy porównać lokalizację pików szumu termicznego w sygnale szerokopasmowym z przewidywanymi częstotliwościami własnymi na podstawie symulacji.

Weź średnią kwadratową średniej kwadratowej z kilku oszacowań gęstości widmowej mocy, aby potwierdzić szczyty. Rozpocznij pierścień energii w dół, śledząc całkę pod szczytem gęstości widmowej mocy na częstotliwości rezonansowej, aby zmierzyć zmagazynowaną energię. Aby sterować trybem, należy zastosować energię, umieszczając siłownik piezoelektryczny z boku lub wysyłając drugą wiązkę laserową do próbki, modulując napięcie piezoelektryczne lub intensywność wiązki o częstotliwości rezonansowej.

Po zatrzymaniu napędu śledź wykładniczy zanik energii oscylacji, aby określić szybkość tłumienia. Następnie oblicz modalne Q, dzieląc częstotliwość rezonansową przez szybkość tłumienia Symulacje COMSOL geometrii wstęgi ujawniły 53 kilohercowy tryb zginania i 70 kilohercowy tryb skrętny. Tryb zgięcia ma największe przemieszczenie kątowe, w połowie odległości między środkiem wstążki a jej zaokrągleniami.

Stworzono projekt GDS2 z 37 chipami o wielkości 12 milimetrów kwadratowych każdy, pokazującymi różne geometrie do produkcji. Analiza gęstości widmowej mocy pokazuje skuteczność dźwigni optycznej w odczytywaniu przemieszczenia kątowego obu modów.