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

Nossa pesquisa visa explorar as propriedades ópticas e mecânicas únicas de filmes finos de nitreto de silício independentes. Nosso procedimento de fabricação nos permite projetar e caracterizar rapidamente esses dispositivos, o que nos permite fazer avanços mais rápidos no campo da nanomecânica. Olhando para o futuro, nosso grupo planeja usar esses dispositivos para estudar as propriedades quânticas do sensoriamento angular para desenvolver em acelerômetros de navios e projetar experimentos para sondar a física nessa escala de mesa.

Para começar, obtenha uma placa de Petri de vidro contendo um wafer de nitreto de silício de dupla face limpo. Coloque algumas gotas de HMDS ao longo da borda de uma placa de Petri de vidro usando uma pipeta capilar descartável. Sob uma hotte, cobrir a placa de Petri.

Aqueça em uma chapa quente a 90 graus Celsius por um minuto. para evaporar o HMDS e permitir que ele adira ao nitreto de silício. Após a preparação, coloque o wafer dentro de um codificador de rotação.

Agora use uma agulha e uma seringa para extrair não mais do que quatro mililitros de S1813 Photo resist. Agite suavemente a seringa e dispense uma pequena quantidade de fluido para remover quaisquer bolhas de ar. Remova com segurança a agulha da seringa e coloque um filtro de dois micrômetros.

Agite a seringa novamente e dispense de três a cinco gotas para remover as bolhas de ar no filtro Deposite a resistência gota a gota no centro do wafer para formar uma grande piscina. À medida que a piscina se expande, continue depositando resistência perto de sua borda para mantê-la centralizada. Use a ponta da agulha para estourar quaisquer bolhas de superfície que apareçam antes de prosseguir.

Agora trave a tampa do codificador de rotação e configure-a para girar para criar uma camada uniforme de 1,5 micrômetro de espessura no wafer. Retire o wafer e coloque-o em uma chapa quente para assar suavemente. Após um minuto, retire o wafer da placa de aquecimento.

Para definir os padrões do dispositivo, carregue o wafer revestido em uma máquina de fotolitografia de alinhamento sem massa. Centralize-o para minimizar a rotação global e os erros de deslocamento. Carregue o arquivo wafer preenchido no computador e converta-o em um formato compatível para o software MLA.

Comece a padronizar a camada lateral superior com designs de ressonador. Após o alinhamento, selecione a opção para incluir os parâmetros de exposição do feixe de carga de erro de rotação global definindo a intensidade do feixe para 140 milijoules por centímetro quadrado em um comprimento de onda de 375 nanômetros. Agora encha um prato grande com aproximadamente 75 mililitros de revelador MF319 e outro com água deionizada.

Quando a exposição da fotolitografia estiver concluída, descarregue o wafer da máquina de fotolitografia. Em seguida, transfira-o para o revelador MF 3 1 9 por 20 segundos. Gire suavemente o prato em movimentos circulares para agitar e remover a resistência exposta por mais 40 segundos.

Em seguida, transfira o wafer para o prato de água deionizada para diluir o revelador residual. Enxágue ambos os lados do wafer usando uma pistola de pulverização, use uma pistola de gás nitrogênio comprimido para remover a água restante da superfície do wafer, aplicando baixa pressão e orientação adequada para evitar danos. Carregue o wafer revelado em um gravador de íons reativo para transferir os padrões de resistência para o filme de nitreto de silício.

Execute o processo de gravação por cinco segundos por ciclo com as configurações fornecidas. Repita o processo até que todas as regiões do wafer não protegidas pela camada de resistência fiquem prateadas, indicando que o substrato está exposto. Finalmente, remova o wafer do gravador de íons reativo para padronizar a parte traseira.

Para liberar os ressonadores padronizados de seu substrato de silício. O wafer é cortado em cubos ou clivado e processado na escala de cavacos. Retire cuidadosamente as batatas fritas cortadas da fita.

Mergulhe os chips em um banho de acetona sonicada por pelo menos 30 segundos para remover a resistência e os contaminantes da superfície. Opcionalmente, para diluir o filme de nitreto de silício ou remover contaminantes presos, mergulhe o chip em uma solução tampão de ácido fluorídrico a 10% para remover 1,55 nanômetros de nitreto de silício por minuto. Coloque imediatamente o chip limpo em um suporte de PTFE personalizado sob uma capela de exaustão.

O porta-cavacos é então baixado suavemente para um banho de hidróxido de potássio a 45% de solução mantido a 86 graus Celsius. Cubra a solução para manter um gradiente térmico uniforme. Depois que o silício ao redor do ressonador estiver totalmente gravado e o filme for liberado, pare a reação removendo o recipiente da placa quente.

Sem expor o chip, pipete gradualmente a solução de hidróxido de potássio e substitua-a por água deionizada, sempre mantendo o nível do líquido acima do chip para evitar quebrar o dispositivo. Para evitar contaminação cruzada, transfira o porta-aparas e um béquer limpo para um banho fresco de água deionizada. Em seguida, transfira o porta-aparas para o copo limpo contendo água deionizada.

Após a transferência, remova os dois béqueres. Substitua gradualmente a água deionizada por álcool isopropílico da mesma forma, garantindo que o nível do líquido permaneça sempre acima do cavaco. Repita com metanol.

Após o último banho, remova o chip e seque-o cuidadosamente ao longo do plano do dispositivo usando um fluxo suave de nitrogênio. O dispositivo é caracterizado em uma câmara de vácuo operando abaixo de 10 à potência de sete milibares negativos com leitura de alavanca óptica. Para configurar uma alavanca óptica, coloque uma lente de foco após um colimador de fibra e um divisor de feixe entre a lente de foco e a amostra.

Focalize um feixe de laser colimado na amostra com um tamanho de ponto semelhante ao maior recurso que está sendo medido. Alinhe o feixe de laser próximo aos incidentes normais na amostra retrorefletindo em uma fibra óptica, o que simplifica o alinhamento posterior. Coloque um fotodetector balanceado ao longo do caminho do feixe refletido, posicionado além do comprimento do trilho do feixe para maximizar a sensibilidade.

Com o incidente do laser no detector de fotos dividido ou quadrante, a saída do detector é enviada para um digitalizador. Calcule a densidade espectral de potência em tempo real do sinal usando o método da transformada rápida de Fourier. Para identificar picos de modo específicos, compare a localização dos picos de ruído térmico no sinal de banda larga com as frequências próprias previstas das simulações.

Pegue uma média quadrada de média de raiz de várias estimativas de densidade espectral de potência para confirmar os picos. Comece o anel de energia rastreando a integral sob o pico de densidade espectral de potência na frequência ressonante para medir a energia armazenada. Para acionar o modo, aplique energia colocando um atuador piezo na lateral ou enviando um segundo feixe de laser para a amostra, module a tensão piezo ou a intensidade do feixe na frequência ressonante.

Uma vez que o inversor é interrompido, rastreie o decaimento exponencial da energia de oscilação para determinar a taxa de amortecimento. Em seguida, calcule o modal Q dividindo a frequência de ressonância pela taxa de amortecimento, as simulações COMSOL da geometria da fita revelaram um modo de flexão de 53 kilohertz e um modo de torção de 70 kilohertz. O modo de flexão tem o maior deslocamento angular, a meio caminho entre o centro da fita e seus filetes.

Um projeto GDS2 foi criado com 37 chips de 12 milímetros quadrados cada, mostrando uma variedade de geometrias para fabricação. A análise da densidade espectral de potência demonstra a eficácia da alavanca óptica na leitura do deslocamento angular de ambos os modos.