Изготовление и определение характеристик высокодобротных мембранных резонаторов на основе нитрида кремния

Наши исследования направлены на изучение уникальных оптических и механических свойств отдельно стоящих тонких пленок нитрида кремния. Наша производственная процедура позволяет нам быстро проектировать и определять характеристики этих устройств, что позволяет нам быстрее добиваться прогресса в области наномеханики. Заглядывая в будущее, наша группа планирует использовать эти устройства для изучения квантовых свойств углового зондирования для разработки на корабельных акселерометрах и для разработки экспериментов по исследованию физики в этом настольном масштабе.

Для начала приобретите стеклянную чашку Петри, содержащую чистую двустороннюю пластину из нитрида кремния. Поместите несколько капель HMDS по краю стеклянной чашки Петри с помощью одноразовой капиллярной пипетки. Под вытяжной шкаф накройте чашку Петри.

Нагрейте его на горячей плите при температуре 90 градусов Цельсия в течение одной минуты. чтобы испарить HMDS и дать ему прилипнуть к нитриду кремния. После грунтовки поместите пластину внутрь спин-кодера.

Теперь с помощью иглы и шприца извлеките не более четырех миллилитров фоторезиста S1813. Осторожно взбейте шприц и налейте небольшое количество жидкости, чтобы удалить пузырьки воздуха. Безопасно извлеките иглу шприца и прикрепите двухмикронный фильтр.

Снова взмахните шприцем и нанесите от трех до пяти капель, чтобы удалить пузырьки воздуха в фильтре Капля за каплей нанесите резист на центр пластины, чтобы образовалась большая лужа. По мере расширения бассейна продолжайте наносить резист у его края, чтобы он оставался по центру. Используйте кончик иглы, чтобы лопнуть все появившиеся пузырьки на поверхности, прежде чем продолжить.

Теперь заблокируйте крышку кодировщика и установите его в положение вращения, чтобы создать равномерный слой толщиной 1,5 микрометра по всей пластине. Выньте и положите ее на горячую плиту для мягкой выпечки. Через минуту снимите пластину с конфорки.

Чтобы определить шаблоны устройств, загрузите пластину с покрытием в безмассовую юстировочную фотолиографическую машину. Центрируйте его, чтобы свести к минимуму глобальные ошибки вращения и смещения. Загрузите заполненный файл пластины на компьютер и преобразуйте его в формат, совместимый с программным обеспечением MLA.

Начните формировать верхний боковой слой с помощью резонаторов. После юстировки выберите опцию для включения параметров воздействия луча с глобальной погрешностью вращения, установив интенсивность луча равной 140 миллиджоулям на квадратный сантиметр на длине волны 375 нанометров. Теперь наполните большую тарелку примерно 75 миллилитрами проявителя MF319, а другую — деионизированной водой.

После завершения фотолитографической обработки выгрузите пластину из фотолитографической машины. Затем перенесите его в проявитель MF 3 1 9 на 20 секунд. Аккуратно покрутите форму круговыми движениями, чтобы взбалтировать, и снимите экспонированный резист еще на 40 секунд.

Затем переложите пластину в чашку с деионизированной водой, чтобы разбавить остатки проявителя. Промойте обе стороны пластины с помощью пульверизатора, используйте пистолет со сжатым азотом для удаления остатков воды с поверхности пластины, применяя низкое давление и правильную ориентацию для предотвращения повреждения. Загрузите разработанную пластину в реактивную ионную травительную машину, чтобы перенести резистные узоры на пленку из нитрида кремния.

Запускайте процесс травления в течение пяти секунд за цикл с заданными настройками. Повторяйте процесс до тех пор, пока все области пластины, не защищенные слоем резиста, не станут серебристыми, указывая на то, что подложка открыта. Наконец, извлеките пластину из реактивного ионного травителя для нанесения рисунка на обратной стороне.

Высвобождать узорчатые резонаторы из их кремниевой подложки. Пластина нарезается кубиками или раскалывается и обрабатывается в масштабе чипа. Аккуратно очистите нарезанную кубиками стружку от их ленты.

Опустите стружку в ванну с ацетоновым ультразвуком не менее чем на 30 секунд, чтобы удалить резист и поверхностные загрязнения. По желанию, чтобы разбавить пленку из нитрида кремния или удалить прилипшие загрязнения, опустите чип в буферный раствор с 10% плавиковой кислотой, чтобы удалить 1,55 нанометра нитрида кремния в минуту. Немедленно поместите чистую стружку в специальный держатель из ПТФЭ под вытяжным шкафом.

Затем держатель стружки осторожно опускается в ванну с 45% раствором гидроксида калия, поддерживаемую при температуре 86 градусов Цельсия. Накройте раствор крышкой для поддержания равномерного теплового градиента. После того как кремний вокруг резонатора будет полностью протравлен и пленка будет выпущена, остановите реакцию, сняв сосуд с горячей пластины.

Не подвергая чип воздействию постепенно дозатором выведите раствор гидроксида калия и замените его деионизированной водой, всегда поддерживая уровень жидкости над чипом, чтобы предотвратить разрушение устройства. Чтобы избежать перекрестного загрязнения, перенесите держатель стружки и чистый стакан в пресную ванну с деионизированной водой. Затем переложите держатель стружки в чистую мензурку, содержащую деионизированную воду.

После переноса снимите оба стакана. Постепенно заменяйте деионизированную воду на изопропиловый спирт таким же образом, следя за тем, чтобы уровень жидкости всегда оставался выше чипа. Повторите то же самое с метанолом.

После последней ванны снимите скол и тщательно просушите его вдоль плоскости устройства с помощью слабой струи азота. Прибор характеризуется вакуумной камерой, работающей ниже 10 градусов в степени отрицательных семи миллибар с оптическим рычажным считыванием. Чтобы настроить оптический рычаг, поместите фокусировочную линзу после волоконного коллиматора и светоделителя между фокусирующей линзой и образцом.

Сфокусируйте коллимированный лазерный луч на образце с размером пятна, аналогичным самому большому измеряемому объекту. Выровняйте лазерный луч близко к нормальным падениям на образце путем обратного отражения в оптическое волокно, что упрощает последующую юстировку. Разместите сбалансированный фотоприемник вдоль траектории отраженного луча, расположенного за пределами длины рельсы луча, чтобы максимизировать чувствительность.

При падении лазера на разделенный или квадрантный фотодетектор выход детектора направляется на дигитайзер. Вычисление спектральной плотности мощности сигнала в реальном времени с помощью метода быстрого преобразования Фурье. Чтобы определить конкретные модовые пики, сравните расположение пиков теплового шума в широкополосном сигнале с предсказанными собственными частотами из моделирования.

Возьмем среднее квадратичное значение корня из нескольких оценок спектральной плотности мощности, чтобы подтвердить пики. Начните с отслеживания интеграла под пиком спектральной плотности мощности на резонансной частоте для измерения накопленной энергии. Чтобы управлять режимом, подайте энергию, поместив пьезопривод сбоку или направив второй лазерный луч на образец, модулируйте пьезонапряжение или интенсивность луча на резонансной частоте.

После остановки привода отслеживайте экспоненциальное затухание энергии колебаний, чтобы определить скорость демпфирования. Затем рассчитайте модальную добротность, разделив резонансную частоту на скорость демпфирования: моделирование ленточной геометрии в COMSOL выявило моду изгиба 53 килогерц и крутильную моду 70 килогерц. Режим изгиба имеет наибольшее угловое смещение, на полпути между центром ленты и ее скруглениями.

Дизайн GDS2 был создан с 37 микросхемами по 12 квадратных миллиметров каждая, демонстрирующими различные геометрии для изготовления. Анализ спектральной плотности мощности демонстрирует эффективность оптического рычага в считывании углового смещения обеих мод.