Artigo de método

Fabricação e caracterização de ressonadores de membrana de nitreto de silício High-Q

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DOI:

10.3791/68706

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8 de agosto de 2025

 ,  ,  ,  , 
1Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson

Neste artigo

Resumo

Este artigo traça o ciclo de vida de um ressonador de membrana de nitreto de silício, desde o projeto até a fabricação e a caracterização.

Resumo

As membranas de nitreto de silício são uma plataforma de ressonador optomecânico amplamente utilizada, oferecendo alto Q mecânico, baixa perda óptica e acoplamento optomecânico aprimorado usando uma panóplia de técnicas de engenharia de tensão, cristal fonônico e cristal fotônico. Apesar de sua onipresença, a fabricação e a caracterização de membranas de nitreto de silício geralmente dependem do conhecimento tácito compartilhado entre grupos de pesquisa. Este artigo apresenta um vídeo passo a passo detalhado do projeto, fabricação e caracterização de um ressonador de membrana de nitreto de silício contemporâneo (especificamente, uma nanofita Si3N4 em escala centimétrica que suporta modos de torção com fatores Q superiores a 108 à temperatura ambiente). O protocolo abrange simulação de elementos finitos, processamento em escala de wafer e chip e leitura óptica baseada em alavanca. Atenção especial é dada à padronização fotolitográfica, gravação a seco e úmida, manuseio de dispositivos e medição de ringdown. O tutorial pretende ser um ponto de entrada prático para os recém-chegados e uma referência para grupos experientes que replicam ou adaptam dispositivos semelhantes. Todos os procedimentos são demonstrados em ambientes padrão de sala limpa e bancada universitária.

Introdução

As membranas de nitreto de silício têm desempenhado um papel importante na optomecânica quântica1 nas últimas duas décadas, começando com a descoberta de que uma membrana comercial (uma lâmina TEM) pode suportar modos de tambor com produtos de frequência Q superiores a10 13 Hz e ser acoplada a uma cavidade óptica de alta finesse usando a abordagem de membrana no meio 2,3,4. Gradualmente, foi apreciado como a tensão de tração e a forma do modo afetam o Q mecânico (por meio de um efeito chamado diluição de dissipação 5,6), estimulando a invenção de membranas micropadronizadas - trampolim 7,8, cristal fonônico 2D an1D 9,10, fractal11 e ressonadores de modo de perímetro12 - com fatores Q tão altos quanto 109. Em conjunto com a criogenia, esses dispositivos permitiram experimentos marcantes, como resfriamento do estado fundamental13,14, compressão ponderomotriz15, emaranhamento optomecânico16 e medição de deslocamento além do Limite Quântico Padrão17,18. Eles também aparecem com destaque em propostas de tecnologias optomecânicas de próxima geração e sondas para a nova física, incluindo microscópios de força baseados em membrana19, acelerômetros20, espectroscópios21, memórias quânticas22, transdutores de fótons de micro-ondas para ópticos23 e detectores de matéria escura24.

Apesar de sua popularidade, o projeto, fabricação e caracterização de ressonadores de membrana de nitreto de silício continuam sendo uma disciplina de nicho dentro da comunidade optomecânica, contando com técnicas sob medida transmitidas de boca em boca e dissertações 25,26,27,28,29,30,31,32. Uma revisão recente da caracterização interferométrica de ressonadores nanomecânicos desmistifica a última tarefa33, e a modelagem da diluição da dissipação tornou-se simples com o software comercial de simulação de elementos finitos28. A nanofabricação, no entanto, continua sendo um obstáculo à entrada, uma vez que o procedimento, embora simples, envolve uma sequência de etapas delicadas cujas nuances são frequentemente deixadas de fora das descrições verbais tradicionais e dos diagramas de fluxo do processo.

Este artigo apresenta o projeto, fabricação e caracterização de um ressonador de membrana de nitreto de silício em formato de vídeo, usando uma nanofita em escala centimétrica34 - uma plataforma simples, mas robusta, que está ganhando popularidade para optomecânica quântica de torção 35,36 e medição de precisão37,38 - como exemplo (o procedimento é prontamente adaptável a outras geometrias de ressonador). O segmento de design fornece uma visão geral básica da simulação de modos de membrana usando software comercial de elementos finitos. A sequência de fabricação, que forma o núcleo do tutorial, abrange a preparação do substrato, a deposição do filme, a padronização, a gravação e a liberação. O artigo conclui com uma demonstração de caracterização usando a técnica de alavanca óptica (OL). Este recurso destina-se a ser um ponto de partida prático ou uma atualização para pesquisadores que trabalham com ressonadores de membrana de alto Q.

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Protocolo

1. Simulação e projeto 32,28

  1. Escolha os parâmetros do ressonador para se adequar perfeitamente a um objetivo predeterminado
    1. Construa um modelo COMSOL da geometria genérica do ressonador de interesse. Inicie o assistente de modelo de software e crie uma simulação 2D. No menu de física da mecânica estrutural, selecione Placa ou Casca.
      NOTA: A diferença entre placa e casca é mínima neste contexto.
    2. Para fins de design, a frequência do dispositivo, a forma do modo, a massa efetiva e o fator de qualidade são de maior interesse. Portanto, selecione Frequência própria, Protendido no menu Selecionar estudo.
    3. Construa a geometria do ressonador e defina o material de todos os domínios para nitreto de silício estequiométrico (listado como Si3N4- nitreto de silício na biblioteca de materiais do software).
      NOTA: As propriedades mecânicas do nitreto de silício variam dependendo da estequiometria e do processo de deposição. Alteramos a densidade do material padrão para 2700 kg / m3 para refletir os filmes usados neste trabalho (veja abaixo).
    4. Adicione uma tensão e deformação iniciais ao modelo correspondente à pré-compressão do filme Si3N4 (neste caso, especificamos 1 GPa). Em seguida, adicione um nó de restrição fixa e selecione os grampos do dispositivo.
    5. No nó Malha, escolha a opção Tamanho do elemento extremamente fino . A escolha desta opção é importante para uma simulação precisa da diluição da dissipação. Para aumentar ainda mais a precisão, dimensione a densidade da malha na janela Densidade da malha.
    6. Vá para a etapa de estudo estacionário e certifique-se de que a caixa Incluir não linearidade geométrica esteja marcada. Na etapa de estudo de frequência própria, escolha quantos modos resolver e execute a simulação.
    7. No nó de resultados, adicione uma avaliação global que estime o fator de qualidade do ressonador decorrente da diluição da dissipação - a razão entre a energia total da deformação cinética e elástica vezes o fator de qualidade intrínseco 28,32,39.
    8. Modifique a geometria do ressonador até que a massa efetiva, a frequência e o fator de qualidade atendam às especificações.
    9. Transfira as geometrias do projeto para um arquivo CAD GDSII e preencha um CAD de wafer (para este trabalho, usamos fotorresiste positivo para que apenas a área ao redor do ressonador seja modelada).
    10. Além de uma camada de ressonadores, adicione uma camada inferior representando as janelas traseiras de cada dispositivo para remover o material de trás de cada dispositivo. Isso também acelera o processo de gravação úmida mais tarde no protocolo.
    11. Por fim, coloque linhas de dados e quatro marcadores de alinhamento na parte superior, inferior e nas laterais do CAD do wafer em ambas as camadas. Isso ajuda a alinhar corretamente a parte traseira do wafer ao operar a máquina de fotolitografia.

2. Fabricação em escala de wafer 1

NOTA: A deposição de Si3N4 pode ser realizada pelo leitor, mas nossas instalações não possuem o equipamento necessário para fazê-lo e, como tal, começamos com wafers de origem comercial para este estudo. Uma visão geral do processo de fabricação é mostrada abaixo na Figura 1.

figure-protocol-1
Figura 1: Visão geral da fabricação. (A) Uma fina película de nitreto de silício é depositada em um substrato de silício nu. O wafer é então (B) revestido com fotorresistente para fotolitografia (C). O padrão traçado em (C) é usado como uma máscara protetora para (D) gravação de íons reativos para esculpir os desenhos do ressonador no filme. Após o corte em cubos, (E) acetona é usada para remover a resistência antes que (F) a solução de hidróxido de potássio remova o substrato de silício. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Padronize o(s) desenho(s) encontrado(s) na seção anterior em um wafer Si3N 4-on-Si de dupla face. Deposite uma película fina de alta tensão de Si3N4 em um substrato de silício nu usando deposição de vapor químico de baixa pressão (LPCVD). Os parâmetros típicos de deposição são: Temperatura de quartzo = 800 °C, Pressão = 10 mTorr, Mistura de gás injetado = Diclorosilano (SiH2Cl2) e amônia (NH3)
    CUIDADO: SiH2Cl2 é combustível e corrosivo. É agudamente venenoso se inalado e só deve ser manuseado com extremo cuidado e equipamento de proteção individual (EPI) adequado. NOTA: Terceirizamos para um processamento de wafer de terceiros para esta etapa, como é habitual.
  2. Hexametildisilazana (HMDS) escorva em fase de vapor40
    NOTA: As etapas a seguir podem ser substituídas se alguém tiver acesso a um forno HMDS, que automatiza o processo de preparação.
    1. Coloque um wafer Si3N 4-on-Si limpo e de dupla face em duas lâminas de vidro dentro de uma placa de Petri de vidro larga. Espace as lâminas de forma que apenas a borda externa do wafer seja suportada, melhorando a preparação traseira em etapas posteriores.
    2. Coloque algumas gotas de HMDS ao longo da borda da placa de Petri com uma pipeta capilar descartável. Sob uma capela de exaustão, cobrir a placa de Petri de vidro e aquecer a 90 °C durante 1 min numa placa quente, evaporando a HMDS e deixando-a aderir ao Si3N4.
      CUIDADO: O HMDS é combustível, irritante e causa problemas de saúde a longo prazo se inalado e só deve ser manuseado sob um exaustor.
    3. Após 1 min, remova a tampa da placa de Petri com cuidado e ventile qualquer HMDS restante da placa. Mova o wafer para uma placa de Petri de plástico com um pano de limpeza na parte inferior.
  3. O revestimento giratório resiste
    1. Antes de depositar a resistência, pré-aqueça uma placa de aquecimento a 115 °C. Isso garantirá que a placa de aquecimento esteja na temperatura prescrita posteriormente no protocolo.
    2. Centralize o wafer preparado dentro de um revestidor giratório e segure no lugar com um mandril a vácuo. Deixe o revestidor giratório aberto para etapas posteriores.
    3. Usando uma agulha e seringa, extraia não mais do que 4 mL de S1813 fotorresistente41. Agite suavemente a seringa e dispense uma pequena quantidade de fluido para remover as bolhas de ar.
      CUIDADO: S1813 é um irritante combustível e só deve ser manuseado com EPI adequado e longe de chamas ou faíscas.
    4. Coloque a agulha no coldre e substitua por um filtro de 2 μm para remover partículas grandes. Como na etapa anterior, agite suavemente a seringa e dispense 3-5 gotas de fluido para remover as bolhas de ar restantes no filtro. Antes de continuar, certifique-se de que pelo menos 3 mL de resistência permaneçam na seringa.
    5. Deposite a resistência gota a gota no wafer para formar uma grande piscina. À medida que essa piscina aumenta, deposite a resistência perto de sua borda para garantir que ela permaneça relativamente centralizada no wafer. Se aparecerem bolhas na superfície da piscina, use a ponta da agulha para estourá-las antes de continuar.
    6. Trave a tampa do revestidor de centrifugação e gire a 3000 rpm por 30 s com uma aceleração de 3000 rpm/s. Essas configurações, de acordo com o fabricante da resistência, criarão uma camada uniforme de 1,5 μm de espessura na superfície do wafer6.
    7. Inspecione a camada acabada quanto a bolhas, listras e não uniformidade. Se algum for detectado, feche o revestidor giratório e lave a superfície do wafer com acetona e álcool isopropílico (IPA). Executar o revestidor giratório durante esta etapa melhora a remoção.
    8. Repita as etapas 2.3.1 a 2.3.7 para formar uma nova camada.
      CUIDADO: A acetona e o IPA são irritantes combustíveis. Eles só devem ser manuseados com EPI adequado e longe de chamas ou faíscas.
    9. Se a camada de resistência estiver livre de defeitos, desative o mandril de vácuo e transfira o wafer para a placa de aquecimento pré-aquecida para assar por 1 min6. O cozimento do wafer evapora o solvente restante e o prepara para a fotolitografia.
    10. Após o cozimento, retire o wafer da placa de aquecimento. Prossiga para a etapa de fotolitografia.
  4. Fotolitografia
    1. Carregue o wafer revestido em uma máquina de fotolitografia de alinhamento sem máscara (MLA). Certifique-se de centralizar o wafer da melhor maneira possível para minimizar a rotação global e os erros de deslocamento.
    2. Carregue o arquivo wafer preenchido da etapa 1.2 no computador e converta em um tipo de arquivo que possa ser entendido pelo software MLA. Comece padronizando a camada superior preenchida com designs de ressonador.
    3. Depois de carregar o wafer e o arquivo CAD, selecione a forma e o tamanho do wafer correspondentes. A máquina determina automaticamente o alinhamento usando um algoritmo de detecção de borda.
    4. Após o alinhamento, selecione a opção para incluir o erro de rotação global e carregue os seguintes parâmetros de exposição do feixe. A intensidade do feixe de 140 mJ/cm2 em um comprimento de onda de 375 nm produz resultados ideais para 1,5 μm dessa resistência1.
    5. Com todos os parâmetros de exposição carregados e o wafer alinhado, inicie a exposição. Para um wafer de 100 mm dividido em cavacos quadrados de 12 mm, esse processo geralmente leva cerca de 20 min.
    6. 5 minutos antes do final da exposição fotolitográfica, enxágue dois pratos grandes com água deionizada (DI) e seque com gás nitrogênio comprimido.
    7. Encha um prato com cerca de 75 mL de MF-319 revelador42e o outro com uma grande quantidade de água DI.
      CUIDADO: O MF-319 é corrosivo, irritante e apresenta riscos à saúde a longo prazo. Use apenas com EPI adequado.
    8. Quando a exposição estiver completa, descarregue o wafer do MLA e transfira para o revelador MF-319 para ser deixado intacto por 20 s.
    9. Após 20 s de desenvolvimento, agite a solução para remover a resistência exposta por mais 40 s, girando suavemente o prato em movimentos circulares. Se a resistência exposta permanecer, agite a mistura por mais 30 s, mas tome cuidado para não expor demais o wafer42.
    10. Transfira o wafer para o segundo prato cheio de água DI para diluir o revelador residual. Lave suavemente com água DI usando uma garrafa de lavagem ou uma pistola de água DI em ambos os lados para remover o resto.
    11. Finalmente, aponte uma pistola de gás nitrogênio comprimido ao longo do wafer para remover a água DI da superfície do wafer. Use baixa pressão e orientação adequada da pistola para minimizar a chance de danos.
  5. Gravura em àgua forte reativa40 do íon
    1. Carregue o wafer revelado em um gravador de íons reativo para transferir os padrões de resistência para o filme Si3N4 . Execute o seguinte processo por 5 s de cada vez, removendo 30 nm de Si3N4 [40]; Composição do gás: 30 sccm de hexafluoreto de enxofre (SF6) e 10 sccm de Argônio (Ar); Polarização de alta frequência: 50W; Potência do plasma indutivamente acoplado: 1000 W; Pressão da câmara: 10 mTorr.
      NOTA: Como os perfis da parede lateral são insignificantes, essa gravação pode ser contínua em vez de escalonada. Um processo escalonado, no entanto, reduz o risco de cozimento duro da resistência.
    2. Execute repetidamente este processo para remover cerca de 30 nm de Si3N4 por processo até que o filme exposto pareça prateado, um indicador de que o substrato está exposto. Finalmente, remova o wafer do gravador de íons reativo; O wafer agora está pronto para o padrão traseiro.
  6. Padrão traseiro
    1. Coloque o wafer de volta no revestidor giratório com o lado do dispositivo voltado para baixo. Deposite uma camada de 1,5 μm de fotorresistente idêntica à etapa 2.3.
      NOTA: Como a camada de resistência da etapa 2.4 sobrevive à gravação de plasma na etapa 2.5, ela atua como uma camada protetora que evita danos ao filme por baixo.
    2. Com a nova camada de resistência voltada para cima, carregue o wafer de volta no MLA, gire 180°. Recarregue o CAD do wafer no software MLA, converta para um tipo de arquivo aceitável e espelhe ao longo do respectivo eixo. A visualização do CAD convertido garante que a orientação do CAD corresponda à do wafer.
    3. Repita as etapas 2.4.3-2.5.2.
  7. Clivagem de wafer
    1. Usando as linhas de dados padronizadas em nitreto de silício como guia, coloque duas lâminas de vidro no wafer de forma que fiquem paralelas ao plano de cristal do substrato. Insira cuidadosamente um escriba com ponta de diamante entre os slides e arraste ao longo das linhas dos dados, marcando ao longo do plano do cristal.
    2. Realinhe os slides a uma nova linha de dados e use o escriba para pontuar ao longo de outra parte do wafer. Repita este processo de pontuação até que todas as arestas de fichas individuais tenham sido escritas.
    3. Coloque o wafer em cima das lâminas de forma que uma linha de dados fique equidistante de ambas. Se a pontuação for profunda o suficiente e bem alinhada, uma pequena quantidade de força no topo do wafer é suficiente para clivar o wafer ao longo do plano do cristal, resultando em uma quebra perfeita. Quebre os pedaços do wafer continuamente dessa maneira para fazer chips individuais.

figure-protocol-2
Figura 2: Suporte de chip personalizado. O porta-cavacos personalizado é projetado para manter os cavacos na posição vertical enquanto maximiza a área exposta para gravação KOH. (A) Desenho CAD mostrando a estrutura básica do dispositivo. A estrutura final é usinada a partir de um pequeno bloco de PTFE Teflon para resistência química. (B, C) Os cavacos são colocados na vertical no suporte e um bastão de PTFE é usado para baixá-los em um banho químico. Este número foi modificado de32. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Processamento em escala de chip 32

  1. Libere os ressonadores padronizados de seu substrato de silício para produzir filmes independentes.
    1. Em primeiro lugar, adicionar 40 ml de solução de hidróxido de potássio (KOH) a 45% de concentração num recipiente (ou copo) e aquecer a 86 °C com uma placa de aquecimento. Cubra a solução para promover um gradiente de temperatura uniforme.
      CUIDADO: O KOH é corrosivo e irritante e só deve ser manuseado com EPI adequado sob uma coifa.
    2. Remova a poeira de um porta-amostras de plástico (com tampa) usando uma forte nuvem de gás nitrogênio e enxágue uma arruela de metal fina do tamanho do chip com IPA e seque com gás nitrogênio comprimido. A arruela atuará como um suporte para a membrana liberada dentro deste suporte.
    3. Descasque os chips em cubos cuidadosamente de sua fita e mergulhe em um banho de acetona sonicada por pelo menos 30 s para remover a resistência e os contaminantes da superfície. Lave a acetona com um enxágue rápido de IPA e seque com gás nitrogênio comprimido.
    4. OPCIONAL: Para diluir o filme de Si3N4 e/ou remover contaminantes presos, mergulhe o cavaco em uma solução tampão de ácido fluorídrico (HF) a 10% para remover 1,55 nm/min. Esta etapa é opcional, pois pode ser executada antes ou depois da gravação KOH.
      CUIDADO: O HF é agudamente venenoso, corrosivo e requer considerações de segurança específicas antes de ser usado. Manuseie apenas com treinamento adequado, luvas/aventais à prova de ácido e com gel de gluconato de cálcio pronto em caso de exposição.
    5. Para evitar que contaminantes estranhos se reconectem ao chip, coloque-o imediatamente em um suporte personalizado de politetrafluoretileno (PTFE)1 sob uma capela de exaustão. Este suporte é mostrado na Figura 2.
  2. Gravação úmida KOH
    1. Abaixe o porta-cavacos personalizado no banho KOH. Cubra a solução para manter um gradiente térmico uniforme. Como o KOH grava o silício a uma taxa de cerca de 10 μm / h para uma temperatura de banho de ~ 62 °C e concentração de 45% 43 , 44 (cerca de um dia de gravação para um wafer de 200 μm de espessura, dependendo da geometria do dispositivo), configure uma câmera ao lado da gravação para monitoramento de longa distância.
      NOTA: O KOH reage com o silício preferencialmente ao longo do plano cristalino do substrato. Embora a taxa de gravação junto com outras direções seja pequena, ela permanece não desprezível, gravando recursos de canto lentamente2.
    2. Depois que todo o silício ao redor do ressonador tiver sido gravado e o filme for liberado, pare a reação removendo o recipiente da placa quente. Devido à viscosidade do KOH, a remoção do dispositivo provavelmente quebraria o filme8, portanto, substitua o banho de KOH gradualmente por água DI, pipetando iterativamente o KOH e pipetando em água DI, nunca deixando o nível do líquido cair abaixo do topo do chip. Repita este processo até que todo o volume do recipiente tenha sido removido.
    3. Para evitar a contaminação cruzada com KOH e solventes posteriormente neste protocolo, transfira o porta-cavacos para um banho-maria DI fresco.
      1. Encha uma cuba grande com excesso de água DI, o suficiente para cobrir os recipientes de gravação e DI com espaço para o suporte acima. Coloque o novo banho-maria DI na cuba usando uma pinça, seguido do recipiente de gravação.
      2. Use a vareta para levantar suavemente o porta-cavacos para fora do recipiente de gravação e, mantendo o cavaco submerso, transfira para o banho DI. Remova os dois recipientes da cuba com uma pinça, deixando o porta-cavacos em banho-maria DI limpo.
  3. Limpando o filme lançado
    1. Depois de a aparas ter sido transferida para um banho-maria DI fresco, substituir gradualmente a água DI por IPA, da mesma forma que o passo 3.2.2. Novamente, nunca deixe o nível do líquido cair abaixo da borda superior do chip.
    2. Depois que dois banhos de líquido forem transferidos, repita o processo, substituindo o IPA por metanol.
    3. Depois de transferir o equivalente a dois banhos de líquido, retirar o dispositivo do banho de metanol e secar cuidadosamente ao longo do plano das aparas com uma corrente suave de gás azoto.
      NOTA: O filme liberado é extremamente delicado e deve ser manuseado com cuidado. Para minimizar a chance de quebrar ou contaminar o filme, o dispositivo deve ser segurado pela borda ou canto do cavaco usando uma pinça com ponta de fibra de carbono. Ao manusear em banho líquido, o cavaco deve ser movido para fora do plano do filme, de modo que o fluido apenas roça a superfície.
    4. Inspecione o dispositivo sob um microscópio em busca de detritos, restos de resistência ou falhas. Limpe conforme necessário, colocando o chip de volta no metanol por algum tempo e secando novamente.
  4. Corrosão húmida HF e limpeza adicional
    1. Se os detritos permanecerem resistentes à etapa de limpeza de metanol 3.3.4, coloque o chip em uma solução tampão de HF a 10%. Observe que isso reage com Si3N4 a uma taxa de cerca de 1,55 nm / min. Em muitos casos, um mergulho rápido pode remover a camada externa do filme.
    2. Após mergulhar em HF, transfira imediatamente o dispositivo para um banho-maria DI por 30 s para diluir o HF.
    3. Transfira o chip para um banho de IPA por mais 30 s e, finalmente, transfira para um banho de metanol por 1-5 min, dependendo do nível de contaminação.
    4. Decorrido o tempo desejado, retire a aparas do banho de metanol e seque suavemente com uma leve brisa de gás azoto.
    5. Inspecione novamente o chip e limpe novamente conforme necessário. Depois que o dispositivo for considerado limpo, coloque-o cuidadosamente dentro de seu suporte no topo da lavadora a partir da etapa 3.1.2.

4. Caracterização do chip

  1. Comece a caracterização carregando a membrana liberada voltada para cima em uma câmara de vácuo com uma porta de transmissão para sondagem óptica. Para minimizar a perda mecânica, coloque o chip na câmara sem usar fita ou cola para mantê-lo no lugar25. Para minimizar o gás damping, bombeie a câmara a uma pressão abaixo de 10-7 mbar (ver discussão).
  2. Configuração da alavanca óptica (OL) para medir o deslocamento do modo 34,35.
    NOTA: O método OL tem inúmeras vantagens práticas; no entanto, como requer deflexão angular de sondagem, é menos sensível do que a interferometria para algumas formas próprias. Remetemos o leitor ao33 para uma visão geral útil da leitura do deslocamento interferométrico dos ressonadores de membrana.
    1. Primeiro, concentre um feixe de laser colimado na amostra com um tamanho de ponto comparável ao maior recurso que está sendo sondado. Isso é importante, pois a sensibilidade da alavanca óptica é proporcional ao tamanho do ponto e à potência refletida35.
    2. Alinhe o feixe de laser para ficar o mais próximo possível da incidência normal na amostra, normalmente por retroflexão em uma fibra óptica. Embora o ângulo de incidência não afete muito a sensibilidade, ele simplifica o alinhamento posteriormente.
    3. Com o laser em incidência normal, insira um divisor de feixe entre a amostra e a lente de foco. O divisor de feixe capta a luz refletida no ressonador.
    4. Coloque um fotodetector balanceado ao longo do caminho do feixe escolhido, a uma boa distância da configuração, idealmente maior que o comprimento de Rayleigh do feixe focado, para maximizar a sensibilidade35. Um diagrama da configuração do OL é fornecido na Figura 3A.
  3. Leitura de deslocamento e medição de ruído térmico
    1. Translade o feixe incidente ao longo do ressonador para focar em uma região de curvatura de modo alto. Isso pode ser encontrado referenciando as formas de modo encontradas nas simulações na etapa 1. Realinhe o restante da configuração conforme necessário.
    2. Com a luz incidente no fotodetector dividido (ou quadrante), a saída do detector é enviada para um digitalizador. Calcule a densidade espectral de potência em tempo real (PSD) do sinal digitalizado usando o método da Transformada Rápida de Fourier (FFT)34.
    3. Para uma medição OL suficientemente sensível, aparecem picos de ruído térmico no sinal de banda larga PSD. Para identificar modos específicos, compare a localização dos picos de ruído térmico com as frequências próprias previstas pelas simulações na etapa 1. Um exemplo de pico de ruído térmico é mostrado na Figura 3B. Para esta medição, tome uma média RMS de várias estimativas PSD (periodogramas).
  4. Ringdown de energia
    1. A energia contida em um modo oscilante é proporcional à área sob o PSD. Comece rastreando a integral em uma banda estreita centrada no pico de frequência ressonante modal. À medida que a energia é adicionada ao modo e posteriormente se dissipa, isso caracterizará sua dissipação.
    2. Quando a energia é adicionada na forma de um impulso coerente, o pico (e a área abaixo dele) aumentará. Para conseguir isso, coloque um atuador piezoelétrico na lateral da câmara de vácuo ou envie um segundo feixe de laser para a amostra. Em ambos os casos, a fonte é modulada na frequência de ressonância do modo.
      NOTA: Adicionar energia a um oscilador também pode ser feito dando-lhe um chute. Uma força de impulso ao bater na câmara de vácuo cria um acionamento branco instantâneo e incoerente que excita muitos modos ao mesmo tempo ao custo da inconsistência.
    3. Depois que o inversor for desligado, a energia de oscilação do modo diminuirá exponencialmente. Inferir a taxa de amortecimento do oscilador a partir de um ajuste realizado após o ringdown. Calcule o modal Q dividindo a frequência de ressonância pela taxa de amortecimento.
    4. Repita este procedimento de ringdown várias vezes para encontrar um Q médio e verificar a consistência dos resultados.
  5. Leitura estroboscópica
    1. Se o dispositivo parecer tocar de forma não linear ou os resultados variarem muito entre os ringdowns, o dispositivo pode estar interagindo com a sonda e conduzido por processos fototérmicos45. Para evitar esse problema, empregue um ringdown estroboscópico10 no qual a sonda é fechada por alguns segundos e fechada por vários outros. Ao expor a sonda apenas por alguns segundos de cada vez, o aquecimento do ressonador é minimizado.

figure-protocol-3
Figura 3: Configuração da caracterização. (A) Um desenho descrevendo a configuração básica e a operação de uma alavanca óptica. Um feixe de laser colimado é focado na amostra usando uma lente. Um divisor de feixe capta a luz retroflexionada, direcionando-a para um fotodiodo dividido. (B) Exemplo de um sinal PSD térmico em média 50 vezes com uma largura de banda de resolução de 0,1 Hz. (C) Os ressonadores repousam sobre um suporte de alumínio personalizado, com contato físico mínimo, para minimizar a perda mecânica extrínseca. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Resultados

Demonstramos o protocolo fabricando um wafer consistindo de vários ressonadores de fita diagonais de 100 nm de espessura34 e caracterizando seus primeiros modos vibracionais. Neste trabalho, a fita tem 7 mm de comprimento e 400 μm de largura com filetes de 662 μm de diâmetro. Observamos que, embora o OL usado neste trabalho seja naturalmente adequado para modos de torção, ele também pode detectar modos de flexão transversal posicionando a viga em um local de deflexão angular diferente de zero. Com...

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Discussão

Uma coisa que fica evidente nos dados da Figura 5 é que, enquanto o Q do modo de torção corresponde ao valor simulado, o modo de flexão Q é menor do que o previsto. Isso não prejudica a qualidade da simulação, mas sim o resultado de negligenciar mecanismos de perda extrínseca, como acoplamento de modo de substrato46 e perda de fixação. O modelo de diluição de dissipação usado no protocolo leva em conta todos os mecanismos de perda int...

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Divulgações

Os autores declaram não haver interesses conflitantes.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer a Roland Himmelhuber e à Optical Sciences Micro/Nano Fabrication Cleanroom pelo uso de suas instalações e discussões úteis.  Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF) por meio dos prêmios nº 2239735 e nº 2330310. A AR reconhece o apoio de uma bolsa CNRS-UArizona iGlobes, e a ADH reconhece o apoio de uma bolsa de estudos da Friends of Tucson Optics. Finalmente, o gravador de íons reativos usado para este estudo foi financiado por uma bolsa de ressonância magnética da NSF, ECCS-1725571. O protocolo foi inicialmente desenvolvido pela A.R.A. e posteriormente modificado pela A.D.H., C.A.C. e O.A.F. para otimizar a fabricação do dispositivo. A.D.H. e D.J.W. co-escreveram o manuscrito com a ajuda de todos os co-autores.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
100nm dupla face Si3N4 em 4'' 200µ m Si waferWaferProWafers Si3N4 padrão usados para fabricar ressonadores de membrana
Sonificador 13KHz Quantrex 70L& R UltrassomUsado em conjunto com acetona para remover contaminantes e endurecer a resistência das superfícies dos cavacos.
Placa de Petri de vidro de 150 mm, 20 mm de profundidadeCorning Incorporada08-747FPara escorva HMDS
Placa de Petri de plástico de 150 mm, 15 mm de profundidadeSupertekS01268Para transporte de wafer
2 μ Filtro de seringa MMillipore SigmaSLAP02550Para filtrar, resiste a partículas
Copo de vidro de borosilicato PYREX Griffin de 50mlCorning Incorporated, Ciências da VidaRecipientes de banho líquido em geral
Acetona 99,5% grau ACS Sigma Aldrich179124Solvente de uso geral usado especificamente para remover S1813 resistir
Pinças CarboFib TDI InternacionalTDI 2ACFR-SAPinças de uso geral, resistentes a produtos químicos, para manipulação segura de cavacos em vários banhos
Cilindro de gás nitrogênio comprimidoFornecido localmenteSecagem e limpeza
Água DIFornecido localmentePara limpeza de cavacos/wafers diluindo corrosivos
Pipetas capilares descartáveis 7,0-7,4 mmVWR ScientificPara escorva HMDS
Microscópio Digital USB EmlimnyEmlimneyPara o monitoramento de longa distância do progresso da corrosão úmida
Hexametildisilazano (HMDS)Sigma Aldrich440191Primer de wafer
Turbobomba HiCube HiPace 80Vácuo PfeifferBomba turbomolecular usada para bombear câmaras de vácuo de amostra
Ácido fluorídrico 48%Sigma Aldrich695068Lavagem ácida e diluente de filme, diluído a 10% quando usado
ICP-RIE DSE, Versaline DSE IIIPlasmathermPara gravação Si3N4
Isopropanol 99,5% grau ACS Sigma Aldrich190764Usado para fazer a transição de membranas liberadas de líquido para ar e para limpar filmes liberados
Fita Kapton - 1 Mil, 1⁄ 2 "x 36 jardasULINES-7595Usado para fixar wafers e chips para wafers transportadores na etapa de gravação a plasma
Treliça 225Engrenagem de treliçaFerramenta de clivagem
Laurell WS 650 Revestimento GiratórioCorporação Laurell TechnologiesMáquina de revestimento giratório para depositar camadas uniformes de resistência em wafers
Alinhador sem máscara,  MLA150Heidelberg InstrumentsMáquina de fotolitografia figure-materials-1=100nm
Metanol 99,8% grau ACSSigma Aldrich179337Usado para fazer a transição de membranas liberadas de líquido para ar e para limpar filmes liberados
Desenvolvedor MF-319CaiaqueDesenvolvendo padrões de resistência expostos
Fotorresistentes da série Microposit S1800 G2Empresa Dow ChemicalPara padronização de fotolitografia. Este trabalho usa especificamente a resistência S1813.
Controlador MiniVacVarian9290191Controlador de bomba de íons com câmara de vácuo
MS-H280-Pro Placa de aquecimentoONiLABDispositivo de aquecimento geral
National Instruments NI PXI-1033Instrumentos nacionaisChassi do sistema de aquisição de dados
Ni PXI-4461Instrumentos nacionaisConversor analógico-digital para aquisição de dados
Solução KOH de hidróxido de potássio 45%Sigma Aldrich417661Ácido úmido de silício anisotrópico
Suporte de amostraFeito sob medidaFeito sob medida para manter as amostras na posição vertical em diferentes banhos químicos
TLB-6700 Laser de diodo de cavidade externa de velocidadeNovo foco995Fonte de laser de alavanca óptica
Controlador de laser ajustávelNovo focoTLB-6700Controlador a laser
Bomba de íons de células estelares Vaclon Plus 55Varian9191340Bomba de vácuo Passice
Câmara de vácuoCâmara de vácuo para isolamento de ressonadores
Fotorreceptor de célula de quadrante visívelNovo foco23538-WXFotodiodo dividido para leitura de alavanca óptica

Referências

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