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

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 a^{10 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 dis....

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....

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.......

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.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
100nm dupla face Si3N4 em 4'' 200µ m Si wafer	WaferPro		Wafers Si3N4 padrão usados para fabricar ressonadores de membrana
Sonificador 13KHz Quantrex 70	L& R Ultrassom		Usado 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 profundidade	Corning Incorporada	08-747F	Para escorva HMDS
Placa de Petri de plástico de 150 mm, 15 mm de profundidade	Supertek	S01268	Para transporte de wafer
2 μ Filtro de seringa M	Millipore Sigma	SLAP02550	Para filtrar, resiste a partículas
Copo de vidro de borosilicato PYREX Griffin de 50ml	Corning Incorporated, Ciências da Vida		Recipientes de banho líquido em geral
Acetona 99,5% grau ACS	Sigma Aldrich	179124	Solvente de uso geral usado especificamente para remover S1813 resistir
Pinças CarboFib	TDI Internacional	TDI 2ACFR-SA	Pinças de uso geral, resistentes a produtos químicos, para manipulação segura de cavacos em vários banhos
Cilindro de gás nitrogênio comprimido	Fornecido localmente		Secagem e limpeza
Água DI	Fornecido localmente		Para limpeza de cavacos/wafers diluindo corrosivos
Pipetas capilares descartáveis 7,0-7,4 mm	VWR Scientific		Para escorva HMDS
Microscópio Digital USB Emlimny	Emlimney		Para o monitoramento de longa distância do progresso da corrosão úmida
Hexametildisilazano (HMDS)	Sigma Aldrich	440191	Primer de wafer
Turbobomba HiCube HiPace 80	Vácuo Pfeiffer		Bomba turbomolecular usada para bombear câmaras de vácuo de amostra
Ácido fluorídrico 48%	Sigma Aldrich	695068	Lavagem ácida e diluente de filme, diluído a 10% quando usado
ICP-RIE DSE, Versaline DSE III	Plasmatherm		Para gravação Si3N4
Isopropanol 99,5% grau ACS	Sigma Aldrich	190764	Usado para fazer a transição de membranas liberadas de líquido para ar e para limpar filmes liberados
Fita Kapton - 1 Mil, 1⁄ 2 "x 36 jardas	ULINE	S-7595	Usado para fixar wafers e chips para wafers transportadores na etapa de gravação a plasma
Treliça 225	Engrenagem de treliça		Ferramenta de clivagem
Laurell WS 650 Revestimento Giratório	Corporação Laurell Technologies		Máquina de revestimento giratório para depositar camadas uniformes de resistência em wafers
Alinhador sem máscara,  MLA150	Heidelberg Instruments		Máquina de fotolitografia =100nm
Metanol 99,8% grau ACS	Sigma Aldrich	179337	Usado para fazer a transição de membranas liberadas de líquido para ar e para limpar filmes liberados
Desenvolvedor MF-319	Caiaque		Desenvolvendo padrões de resistência expostos
Fotorresistentes da série Microposit S1800 G2	Empresa Dow Chemical		Para padronização de fotolitografia. Este trabalho usa especificamente a resistência S1813.
Controlador MiniVac	Varian	9290191	Controlador de bomba de íons com câmara de vácuo
MS-H280-Pro Placa de aquecimento	ONiLAB		Dispositivo de aquecimento geral
National Instruments NI PXI-1033	Instrumentos nacionais		Chassi do sistema de aquisição de dados
Ni PXI-4461	Instrumentos nacionais		Conversor analógico-digital para aquisição de dados
Solução KOH de hidróxido de potássio 45%	Sigma Aldrich	417661	Ácido úmido de silício anisotrópico
Suporte de amostra	Feito sob medida		Feito sob medida para manter as amostras na posição vertical em diferentes banhos químicos
TLB-6700 Laser de diodo de cavidade externa de velocidade	Novo foco	995	Fonte de laser de alavanca óptica
Controlador de laser ajustável	Novo foco	TLB-6700	Controlador a laser
Bomba de íons de células estelares Vaclon Plus 55	Varian	9191340	Bomba de vácuo Passice
Câmara de vácuo			Câmara de vácuo para isolamento de ressonadores
Fotorreceptor de célula de quadrante visível	Novo foco	23538-WX	Fotodiodo dividido para leitura de alavanca óptica