High-Q Silisyum Nitrür Membran Rezonatörlerinin İmalatı ve Karakterizasyonu

Özet

Bu makale, tasarımdan fabrikasyona ve karakterizasyona kadar bir silisyum nitrür membran rezonatörünün yaşam döngüsünü izlemektedir.

Özet

Silisyum nitrür membranlar, yaygın olarak kullanılan bir optomekanik rezonatör platformudur ve yüksek mekanik Q, düşük optik kayıp ve bir dizi gerinim, fononik-kristal ve fotonik-kristal mühendislik teknikleri kullanarak gelişmiş optomekanik kuplaj sunar. Her yerde bulunmalarına rağmen, silisyum nitrür membranların üretimi ve karakterizasyonu genellikle araştırma grupları arasında paylaşılan zımni bilgilere dayanır. Bu makale, çağdaş bir silikon nitrür membran rezonatörünün (özellikle, oda sıcaklığında 10^8'i aşan Q faktörlerine sahip burulma modlarını destekleyen santimetre ölçeğinde bir Si₃N₄ nanoribbon) tasarımı, üretimi ve karakterizasyonunun ayrıntılı bir video incelemesini sunmaktadır. Protokol, sonlu eleman simülasyonu, yonga plakası ve çip ölçeğinde işleme ve optik kol tabanlı okumayı kapsar. Fotolitografik desenleme, kuru ve ıslak aşındırma, cihaz kullanımı ve halka ölçümü konularına özel önem verilir. Eğitim, hem yeni gelenler için pratik bir giriş noktası hem de benzer cihazları kopyalayan veya uyarlayan deneyimli gruplar için bir referans olarak tasarlanmıştır. Tüm prosedürler standart üniversite temiz oda ve tezgah üstü ortamlarda gösterilmiştir.

Giriş

Silisyum nitrür membranlar, ticari bir membranın (bir TEM slaytı) 10¹³ Hz'i aşan Q frekansı ürünleriyle tambur modlarını destekleyebileceğinin ve ortadaki membran yaklaşımı ^2,3,4 kullanılarak yüksek incelikli bir optik boşluğa bağlanabileceğinin keşfedilmesiyle başlayarak, son yirmi yılda kuantum optomekaniğinde 1 önemli bir rol oynamıştır. Yavaş yavaş, çekme gerilimi ve mod şeklinin mekanik Q'yu nasıl etkilediği (dağılma seyreltmesi ^5,6 adı verilen bir etki yoluyla), mikro desenli zarların (trambolin ^7,8, 2D an1D fononik kristal ^9,10, fraktal¹¹ ve çevre modu rezonatörleri¹²) icadını teşvik ettiği anlaşıldı ve Q faktörleri 10⁹ kadar yüksek. Kriyojenik ile bağlantılı olarak, bu cihazlar, temel durum soğutması ^13,14, ponderomotive sıkma¹⁵, optomekanik dolaşıklık¹⁶ ve Standart Kuantum Limiti^17,18'in ötesinde yer değiştirme ölçümü gibi dönüm noktası deneylerini mümkün kılmıştır. Ayrıca, membran tabanlı kuvvet mikroskopları¹⁹, ivmeölçerler²⁰, spektroskoplar²¹, kuantum bellekler²², mikrodalga-optik foton dönüştürücüleri²³ ve karanlık madde dedektörleri²⁴ dahil olmak üzere yeni nesil optomekanik teknolojiler ve yeni fizik için problar için tekliflerde belirgin bir şekilde yer alıyorlar.

Popülerliklerine rağmen, silisyum nitrür membran rezonatörlerinin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu, ağızdan ağıza ve tezlerle aktarılan ısmarlama tekniklere dayanan optomekanik topluluğu içinde niş bir disiplin olmaya devam etmektedir 25,26,27,28,29,30,31,32. Nanomekanik rezonatörlerin interferometrik karakterizasyonunun yakın tarihli bir incelemesi, ikinci görevin³³ gizemini çözmektedir ve dağılım seyreltmesinin modellenmesi, ticari sonlu elemanlar simülasyon yazılımı²⁸ ile basit hale gelmiştir. Bununla birlikte, nanofabrikasyon, giriş için bir engel olmaya devam etmektedir, çünkü prosedür basit olsa da, nüansları genellikle geleneksel sözlü açıklamaların ve süreç akış diyagramlarının dışında bırakılan bir dizi hassas adımı içerir.

Bu makale, örnek olarak santimetre ölçekli bir nanoribbon³⁴ (burulma kuantum optomekaniği^35,36 ve hassas ölçüm^37,38 için popülerlik kazanan basit ama sağlam bir platform) kullanılarak video formatında bir silikon nitrür membran rezonatörünün tasarımını, üretimini ve karakterizasyonunu sunmaktadır (prosedür diğer rezonatör geometrilerine kolayca uyarlanabilir). Tasarım segmenti, ticari sonlu elemanlar yazılımı kullanarak membran modlarının simüle edilmesine ilişkin temel bir genel bakış sağlar. Eğitimin özünü oluşturan imalat dizisi, alt tabaka hazırlama, film biriktirme, desenleme, aşındırma ve serbest bırakmayı kapsar. Makale, optik kaldıraç (OL) tekniği kullanılarak bir karakterizasyon gösterimi ile sona ermektedir. Bu kaynak, yüksek Q membran rezonatörleri ile çalışan araştırmacılar için pratik bir başlangıç noktası veya tazeleme olarak tasarlanmıştır.

Protokol

1. Simülasyon ve tasarım ^32,28

1. Önceden belirlenmiş bir hedefe en iyi şekilde uyması için rezonatör parametrelerini seçin
   1. İlgilenilen jenerik rezonatör geometrisinin bir COMSOL modelini oluşturun. Yazılım modeli sihirbazını başlatın ve bir 2B simülasyon oluşturun. Yapı mekaniği fiziği menüsü altında, Plaka veya Kabuk'u seçin.
      NOT: Bu bağlamda plaka ve kabuk arasındaki fark minimumdur.
   2. Tasarım açısından, cihazın frekansı, mod şekli, etkin kütlesi ve kalite faktörü en çok ilgi çekenlerdir. Bu nedenle, Etüt Seç menüsünde Özfrekans, Öngerilmeli'yi seçin.
   3. Rezonatör geometrisini oluşturun ve tüm alanların malzemesini stokiyometrik silisyum nitrür olarak ayarlayın (Yazılım malzeme kitaplığında Si₃N₄- silisyum nitrür olarak listelenmiştir).
      NOT: Silisyum nitrürün mekanik özellikleri, stokiyometri ve biriktirme işlemine bağlı olarak değişir. Bu çalışmada kullanılan filmleri yansıtmak için varsayılan malzeme yoğunluğunu 2700 kg/^m3 olarak değiştiriyoruz (aşağıya bakın).
   4. Si₃N₄ filminin ön gerilmesine karşılık gelen modele bir başlangıç gerilimi ve gerinim ekleyin (Bu durumda, 1 GPa belirtiriz). Ardından sabit bir kısıtlama düğümü ekleyin ve Cihazın kelepçelerini seçin.
   5. Kafes düğümü altında, Son Derece İnce öğe boyutu seçeneğini belirleyin. Bu seçeneğin seçilmesi, doğru dağılım seyreltme simülasyonu için önemlidir. Doğruluğu daha da artırmak için, Ağ Yoğunluğu penceresinde ağ yoğunluğunu ölçeklendirin.
   6. Sabit etüt adımına gidin ve Geometrik doğrusal olmayanlığı dahil et kutusunun işaretli olduğundan emin olun. Özfrekans etüdü adımının altında, simülasyonun kaç modun çözüleceğini seçin ve çalıştırın.
   7. Sonuçlar düğümü altında, rezonatörün dağılma seyreltmesinden kaynaklanan kalite faktörünü tahmin eden genel bir değerlendirme ekleyin - toplam kinetik ve elastik gerinim enerjisinin çarpı içsel kalite faktörü 28,32,39 oranı.
   8. Etkin kütle, frekans ve kalite faktörü spesifikasyonları karşılayana kadar rezonatörün geometrisini değiştirin.
   9. Tasarım geometrilerini bir GDSII CAD dosyasına aktarın ve bir wafer CAD doldurun (bu çalışma için pozitif fotorezist kullanıyoruz, böylece yalnızca rezonatörün etrafındaki alan modelleniyor).
   10. Bir rezonatör katmanına ek olarak, her cihazın arkasındaki malzemeyi çıkarmak için her cihaza arka camları temsil eden bir alt katman ekleyin. Bunu yapmak, protokolün ilerleyen bölümlerinde ıslak aşındırma sürecini de hızlandırır.
   11. Son olarak, wafer CAD'in her iki katmanında da üste, altına ve yanlarına zar çizgileri ve dört hizalama işaretçisi yerleştirin. Bu, fotolitografi makinesini çalıştırırken gofretin arka tarafının düzgün bir şekilde hizalanmasına yardımcı olur.

2. Gofret ölçeğinde imalat ¹

NOT: Si₃N₄ biriktirme işlemi okuyucu tarafından gerçekleştirilebilir, ancak tesislerimiz bunu yapmak için gerekli ekipmana sahip değildir ve bu nedenle, bu çalışma için ticari kaynaklı gofretlerle başlıyoruz. İmalat sürecine genel bir bakış aşağıda Şekil 1'de gösterilmiştir.

Şekil 1: İmalata genel bakış. (A) İnce bir silisyum nitrür filmi, çıplak bir silikon substrat üzerine biriktirilir. Gofret daha sonra (B) (C) fotolitografi için fotorezist ile kaplanır. (C)'de gösterilen desen, rezonatör tasarımlarını filme oymak için (D) reaktif iyon aşındırma için koruyucu bir maske olarak kullanılır. Küp küp doğradıktan sonra, (F) potasyum hidroksit çözeltisi silikon substratı çıkarmadan önce direnci çıkarmak için (E) aseton kullanılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. Önceki bölümde bulunan tasarım(lar)ı çift taraflı Si₃N_{4'e Si} gofret üzerine desenlendirin. Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme (LPCVD) kullanarak çıplak bir silikon alt tabaka üzerine yüksek gerilimli ince bir Si₃N₄ filmi biriktirin. Tipik biriktirme parametreleri şunlardır: Kuvars sıcaklığı = 800 °C, Basınç = 10 mTorr, Enjekte edilen gaz karışımı = Diklorosilan (SiH₂Cl₂) ve amonyak (NH₃)
   DİKKAT: SiH₂Cl₂ yanıcı ve aşındırıcıdır. Solunması halinde akut zehirlidir ve yalnızca çok dikkatli ve uygun kişisel koruyucu ekipman (KKD) ile kullanılmalıdır. NOT: Alışılageldiği gibi, bu adım için üçüncü taraf bir gofret işlemeye dış kaynak sağlıyoruz.
2. Heksametildisilazan (HMDS) buhar fazı hazırlama⁴⁰
   NOT: Hazırlama işlemini otomatikleştiren bir HMDS fırınına erişiminiz varsa, aşağıdaki adımlar değiştirilebilir.
   1. Geniş bir cam Petri kabının içindeki iki cam kızağa temiz, çift taraflı Si₃N_4'e Si gofret yerleştirin. Slaytları, yonga plakasının yalnızca dış kenarı desteklenecek şekilde yerleştirin ve sonraki adımlarda arka taraf astarını iyileştirin.
   2. Tek kullanımlık bir kılcal pipet ile Petri kabının kenarına birkaç damla HMDS yerleştirin. Bir çeker ocak altında, cam Petri kabını kapatın ve sıcak bir plaka üzerinde 1 dakika boyunca 90 °C'ye ısıtın, HMDS'yi buharlaştırın ve Si₃N_4'e yapışmasına izin verin.
      DİKKAT: HMDS yanıcıdır, tahriş edicidir ve solunduğunda uzun vadeli sağlık sorunlarına neden olur ve yalnızca çeker ocak altında ele alınmalıdır.
   3. 1 dakika sonra, petri kabı kapağını nazikçe çıkarın ve kalan HMDS'yi tabaktan boşaltın. Gofreti, altında temiz oda mendili bulunan plastik bir Petri kabına taşıyın.
3. Spin kaplama direnci
   1. Rezistansı biriktirmeden önce, bir ocak gözünü önceden 115 °C'ye ısıtın. Bu, ocak gözünün protokolün ilerleyen bölümlerinde belirtilen sıcaklıkta olmasını sağlayacaktır.
   2. Astarlanmış gofreti bir spin kaplayıcının içinde ortalayın ve bir vakumlu mandren ile yerinde tutun. Daha sonraki adımlar için sıkma kaplayıcıyı açık bırakın.
   3. Bir iğne ve şırınga kullanarak, 4 mL'den fazla S1813 fotorezist⁴¹ çıkarmayın. Şırıngayı hafifçe vurun ve hava kabarcıklarını gidermek için az miktarda sıvı dağıtın.
      DİKKAT: S1813 yanıcı bir tahriş edicidir ve yalnızca uygun KKD ile ve açık alev veya kıvılcımlardan uzakta kullanılmalıdır.
   4. İğneyi kılıflayın ve büyük partikülleri gidermek için 2 μm'lik bir filtre ile değiştirin. Önceki adımda olduğu gibi, şırıngayı hafifçe vurun ve filtrede kalan hava kabarcıklarını gidermek için 3-5 damla sıvı dağıtın. Devam etmeden önce, şırıngada en az 3 mL direnç kaldığından emin olun.
   5. Büyük bir havuz oluşturmak için direnci gofret üzerine damla damla yatırın. Bu havuz büyüdükçe, gofret üzerinde nispeten ortalanmış kalmasını sağlamak için direnci kenarına yakın bir yere koyun. Havuz yüzeyinde herhangi bir kabarcık oluşursa, devam etmeden önce bunları patlatmak için iğne ucunu kullanın.
   6. Sıkma kaplayıcı kapağını kilitleyin ve 3000 rpm/s'lik bir ivme ile 30 saniye boyunca 3000 rpm'de dönmeye ayarlayın. Rezistans üreticisine göre bu ayarlar, gofret yüzeyi⁶ boyunca 1,5 μm kalınlığında tek tip bir tabaka oluşturacaktır.
   7. Bitmiş kaplamayı kabarcıklar, çizgiler ve düzensizlik açısından inceleyin. Herhangi biri tespit edilirse, sıkma kaplayıcıyı kapatın ve gofret yüzeyini aseton ve izopropil alkol (IPA) ile yıkayın. Bu adım sırasında sıkma kaplayıcıyı çalıştırmak, çıkarma işlemini iyileştirir.
   8. Yeni bir katman oluşturmak için 2.3.1-2.3.7 adımlarını tekrarlayın.
      DİKKAT: Aseton ve IPA'nın her ikisi de yanıcı tahriş edicidir. Yalnızca uygun KKD ile ve açık alevlerden veya kıvılcımlardan uzakta kullanılmalıdırlar.
   9. Direnç tabakası kusursuzsa, vakumlu mandreni devre dışı bırakın ve gofreti 1 dakikalık bir pişirme için önceden ısıtılmış sıcak plakaya^{aktarın 6}. Gofretin pişirilmesi, kalan çözücüyü buharlaştırır ve fotolitografi için hazırlar.
   10. Pişirdikten sonra gofreti ocaktan çıkarın. Fotolitografi adımına geçin.
4. Fotolitografi
   1. Kaplanmış gofreti maskesiz hizalama (MLA) fotolitografi makinesine yükleyin. Global döndürme ve ofset hatalarını en aza indirmek için gofreti mümkün olan en iyi şekilde ortaladığınızdan emin olun.
   2. Adım 1.2'deki doldurulmuş gofret dosyasını bilgisayara yükleyin ve MLA yazılımı tarafından anlaşılabilecek bir dosya türüne dönüştürün. Rezonatör tasarımlarıyla doldurulmuş üst tarafı desenleyerek başlayın.
   3. Gofret ve CAD dosyasını yükledikten sonra, ilgili gofret şeklini ve boyutunu seçin. Makine, bir kenar algılama algoritması kullanarak hizalamayı otomatik olarak belirler.
   4. Hizalamadan sonra, global dönüş hatasını dahil etme seçeneğini belirleyin ve aşağıdaki ışın pozlama parametrelerini yükleyin. 375 nm dalga boyunda 140 mJ/^cm2 ışın yoğunluğu, bu direncin^1.5 μm'si için en uygun sonuçları verir.
   5. Tüm pozlama parametreleri yüklendikten ve yonga plakası hizalandıktan sonra pozlamaya başlayın. 12 mm kare yongalara bölünmüş 100 mm'lik bir gofret için bu işlem genellikle yaklaşık 20 dakika sürer.
   6. Fotolitografi maruziyetinin bitiminden 5 dakika önce, iki büyük kabı deiyonize (DI) su ile durulayın ve sıkıştırılmış nitrojen gazı ile kurutun.
   7. Bir kabı yaklaşık 75 mL MF-319 geliştirici⁴²ve diğerini çok miktarda DI su ile doldurun.
      DİKKAT: MF-319 aşındırıcıdır, tahriş edicidir ve uzun vadeli sağlık riskleri oluşturur. Yalnızca uygun KKD ile kullanın.
   8. Pozlama tamamlandığında, gofreti MLA'dan boşaltın ve 319 saniye boyunca rahatsız edilmeden bırakılması için MF-20 geliştiricisine aktarın.
   9. 20 saniyelik geliştirmeden sonra, tabağı dairesel hareketlerle hafifçe döndürerek açıkta kalan direnci gidermek için çözeltiyi 40 saniye daha çalkalayın. Açıkta kalan direnç kalırsa, karışımı 30 saniye daha çalkalayın, ancak gofret^42'yi aşırı pozlamamaya dikkat edin.
   10. Artık geliştiriciyi seyreltmek için gofretleri DI suyla doldurulmuş ikinci kaba aktarın. Gerisini çıkarmak için her iki tarafta bir yıkama şişesi veya bir DI su tabancası kullanarak DI suyla nazikçe yıkayın.
   11. Son olarak, DI suyunu gofret yüzeyinden çıkarmak için sıkıştırılmış bir nitrojen gazı tabancasını gofret boyunca doğrultun. Hasar olasılığını en aza indirmek için düşük basınç ve uygun tabanca yönü kullanın.
5. Reaktif iyon aşındırma⁴⁰
   1. Direnç desenlerini Si₃N₄ filme aktarmak için geliştirilen gofreti reaktif bir iyon aşındırıcıya yükleyin. Aşağıdaki işlemi 5 saniye boyunca çalıştırın, 30 nm Si₃N₄ [40] çıkarın; Gaz bileşimi: 30 sccm kükürt hekzaflorür (SF₆) ve 10 sccm Argon (Ar); Yüksek frekans önyargısı: 50W; Endüktif olarak bağlanmış plazmanın gücü: 1000 W; Oda basıncı: 10 mTorr.
      NOT: Yanak profilleri ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, bu aşındırma kademeli yerine sürekli olabilir. Bununla birlikte, kademeli bir işlem, direncin sert pişme riskini azaltır.
   2. Açıkta kalan film gümüş görünene kadar işlem başına yaklaşık 30 nm Si₃N₄ çıkarmak için bu işlemi tekrar tekrar çalıştırın, bu da alt tabakanın açığa çıktığının bir göstergesidir. Son olarak, gofreti reaktif iyon aşındırıcıdan çıkarın; Gofret artık arka taraf desenleme için hazırdır.
6. Arka taraf deseni
   1. Gofreti, cihaz tarafı aşağı bakacak şekilde sıkma kaplayıcıya geri yerleştirin. Adım 2.3 ile aynı olan 1,5 μm'lik bir fotorezist tabakası biriktirin.
      NOT: Adım 2.4'teki direnç katmanı, adım 2.5'teki plazma aşındırmasından kurtulduğundan, altındaki filmin zarar görmesini önleyen koruyucu bir tabaka görevi görür.
   2. Yeni direnç katmanı yukarı bakacak şekilde, gofreti MLA'ya geri yükleyin, 180° döndürün. Gofret CAD'i MLA yazılımına yeniden yükleyin, kabul edilebilir bir dosya türüne dönüştürün ve ilgili eksen boyunca yansıtın. Dönüştürülen CAD'i görüntülemek, CAD oryantasyonunun gofretinkiyle eşleşmesini sağlar.
   3. 2.4.3-2.5.2 adımlarını tekrarlayın.
7. Gofret parçalama
   1. Silisyum nitrür şeklinde desenlenmiş zar çizgilerini kılavuz olarak kullanarak, gofret üzerine alt tabaka kristal düzlemine paralel olacak şekilde iki cam slayt yerleştirin. Slaytlar arasına dikkatlice elmas uçlu bir çizici yerleştirin ve kristal düzlem boyunca puan alarak zar çizgileri boyunca sürükleyin.
   2. Slaytları yeni bir zar çizgisine yeniden hizalayın ve gofretin başka bir kısmı boyunca puan almak için çiziciyi kullanın. Tek tek çiplerin tüm kenarları çizilene kadar bu puanlama işlemini tekrarlayın.
   3. Gofret'i, bir zar çizgisi her ikisinden de eşit uzaklıkta olacak şekilde slaytların üzerine yerleştirin. Skor yeterince derin ve iyi hizalanmışsa, gofretin tepesine küçük bir miktar kuvvet, gofreti kristal düzlem boyunca bölmek için yeterlidir ve bu da mükemmel bir kırılma ile sonuçlanır. Tek tek cips yapmak için gofretin parçalarını bu şekilde sürekli olarak kırın.

Şekil 2: Özel çip tutucu. Özel talaş tutucu, KOH aşındırma için açıkta kalan alanı en üst düzeye çıkarırken talaşları dik tutmak için tasarlanmıştır. (A) Cihazın temel yapısını gösteren CAD çizimi. Nihai yapı, kimyasal direnç için küçük bir PTFE Teflon bloğundan işlenir. (B, C) Talaşlar tutucuya dik olarak yerleştirilir ve bunları kimyasal bir banyoya indirmek için bir PTFE çubuğu kullanılır. Bu rakam^32'den değiştirildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Çip ölçeğinde işleme ³²

1. Serbest duran filmler üretmek için desenli rezonatörleri silikon alt tabakalarından serbest bırakın.
   1. İlk olarak, bir kaba (veya behere) 40 mL E konsantrasyonlu potasyum hidroksit (KOH) çözeltisi ekleyin ve bir ocak gözü kullanarak 86 °C'ye ısıtın. Düzgün bir sıcaklık gradyanını teşvik etmek için çözeltiyi örtün.
      DİKKAT: KOH aşındırıcı ve tahriş edicidir ve yalnızca çeker ocak altında uygun KKD ile kullanılmalıdır.
   2. Güçlü bir nitrojen gazı üfleyerek plastik bir numune tutucudaki (kapaklı) tozu alın ve çip boyutunda ince bir metal rondelayı IPA ile durulayın ve sıkıştırılmış nitrojen gazı ile kurutun. Yıkayıcı, bu tutucunun içinde serbest kalan zar için bir stand görevi görecektir.
   3. Doğranmış cipsleri bantlarından dikkatlice soyun ve direnç ve yüzey kirleticilerini gidermek için en az 30 saniye boyunca sonikasyonlu bir aseton banyosuna batırın. Asetonu hızlı bir IPA durulama ile yıkayın ve sıkıştırılmış nitrojen gazı ile kurulayın.
   4. İSTEĞE BAĞLI: Si₃N₄ filmi inceltmek ve/veya yapışmış kirleticileri çıkarmak için, 1,55 nm/dk'yı çıkarmak için çipi hidroflorik asit (HF) tampon çözeltisine batırın. Bu adım, KOH aşındırmasından önce veya sonra gerçekleştirilebilmesi açısından isteğe bağlıdır.
      DİKKAT: HF akut zehirlidir, aşındırıcıdır ve kullanılmadan önce özel güvenlik hususları gerektirir. Yalnızca uygun eğitim, aside dayanıklı eldivenler/önlükler ve maruz kalma durumunda hazır kalsiyum glukonat jeli ile tutun.
   5. Yabancı kirleticilerin çipe yeniden yapışmasını önlemek için, hemen bir çeker ocak altındaki özel bir politetrafloroetilen (PTFE) tutucuya¹ yerleştirin. Bu tutucu Şekil 2'de gösterilmiştir.
2. KOH ıslak aşındırma
   1. Özel talaş tutucuyu KOH banyosuna indirin. Düzgün bir termal gradyan sağlamak için çözeltiyi örtün. KOH, silikonu ~10 °C'lik bir banyo sıcaklığı ve b'lik bir konsantrasyon için yaklaşık ⁴⁵ μm/saat hızında aşındırdığından43,44 (cihaz geometrisine bağlı olarak 200 μm kalınlığında bir gofret için yaklaşık bir günlük aşındırma), uzun mesafeli izleme için aşındırmanın yanına bir kamera kurun.
      NOT: KOH, tercihen substratın kristal düzlemi boyunca silikon ile reaksiyona girer. Diğer yönlerle birlikte aşındırma oranı küçük olsa da, ihmal edilemez kalır, köşe özelliklerini yavaşça aşındırır².
   2. Rezonatörün etrafındaki tüm silikon kazındıktan ve film serbest bırakıldıktan sonra, kabı sıcak plakadan çıkararak reaksiyonu durdurun. KOH'nin viskozitesi nedeniyle, cihazın çıkarılması muhtemelen filmi⁸ parçalayacaktır, bu nedenle KOH'yi yinelemeli olarak pipetleyerek ve DI suyunda pipetleyerek KOH banyosunu kademeli olarak DI suyla değiştirin, sıvı seviyesinin asla çipin üst kısmının altına düşmesine izin vermeyin. Tüm damar hacmi çıkarılana kadar bu işlemi tekrarlayın.
   3. Bu protokolün ilerleyen bölümlerinde KOH ve solventlerle çapraz kontaminasyonu önlemek için, talaş tutucuyu taze bir DI su banyosuna aktarın.
      1. Büyük bir tekneyi, hem aşındırma hem de DI kaplarını yukarıdaki tutucu için yer olacak şekilde kaplayacak kadar fazla DI suyla doldurun. Yeni DI su banyosunu maşa kullanarak tekneye ve ardından aşındırma kabına yerleştirin.
      2. Talaş tutucuyu aşındırma kabından nazikçe kaldırmak için daldırma çubuğunu kullanın ve talaşı su altında tutarken DI banyosuna aktarın. Her iki kabı da maşa ile tekneden çıkarın ve talaş tutucuyu temiz bir DI su banyosunda bırakın.
3. Serbest bırakılan filmin temizlenmesi
   1. Çip taze bir DI su banyosuna aktarıldıktan sonra, DI suyunu adım 3.2.2'deki gibi kademeli olarak IPA ile değiştirin. Yine, sıvı seviyesinin çipin üst kenarının altına düşmesine asla izin vermeyin.
   2. İki banyo değerinde sıvı dışarı aktarıldıktan sonra, IPA'yı metanol ile değiştirerek işlemi tekrarlayın.
   3. İki banyo değerinde sıvı dışarı aktarıldıktan sonra, cihazı metanol banyosundan çıkarın ve hafif bir nitrojen gazı akımı ile talaş düzlemi boyunca dikkatlice kurutun.
      NOT: Serbest bırakılan film son derece hassastır ve dikkatli bir şekilde kullanılmalıdır. Filmin kırılma veya kirlenme olasılığını en aza indirmek için cihaz, karbon fiber uçlu forseps kullanılarak çip kenarından veya köşesinden tutulmalıdır. Bir sıvı banyosunda kullanılırken, çip, sıvının yüzeyi sıyıracağı şekilde film düzleminden dışarı çıkarılmalıdır.
   4. Cihazı mikroskop altında kalıntı, artık direnç veya kusur açısından inceleyin. Çipi bir süre metanol içine geri koyarak ve yeniden kurutarak gerektiği gibi temizleyin.
4. HF ıslak aşındırma ve ek temizlik
   1. Kalıntı, metanol temizleme adımı 3.3.4'e karşı dirençli kalırsa, çipi 'luk bir HF tampon çözeltisinde aşındırın. Bunun Si₃N₄ ile yaklaşık 1.55 nm / dak hızında reaksiyona girdiğine dikkat edin. Çoğu durumda, hızlı bir daldırma, filmin dış katmanını sıyırabilir.
   2. HF'ye daldırdıktan sonra, HF'yi seyreltmek için cihazı hemen 30 saniye boyunca bir DI su banyosuna aktarın.
   3. Çipi 30 saniye daha bir IPA banyosuna aktarın ve son olarak kontaminasyon seviyesine bağlı olarak 1-5 dakika metanol banyosuna aktarın.
   4. İstenilen süre geçtikten sonra, çipi metanol banyosundan çıkarın ve hafif bir nitrojen gazı esintisi ile hafifçe kurulayın.
   5. Çipi yeniden inceleyin ve gerekirse yeniden temizleyin. Cihazın temiz olduğu kabul edildikten sonra, 3.1.2 adımından itibaren yıkayıcının üzerine yavaşça tutucusunun içine yerleştirin.

4. Çipin karakterizasyonu

1. Serbest bırakılan membran yüzünü, optik problama için bir iletim portu olan bir vakum odasına yükleyerek karakterizasyona başlayın. Mekanik kaybı en aza indirmek için, çipi yerinde tutmak için bant veya yapıştırıcı kullanmadan^{hazneye yerleştirin 25}. Gaz sönümlemesini en aza indirmek için, hazneyi ^10-7 mbar'ın altındaki bir basınca pompalayın (tartışmaya bakın).
2. Mod yer değiştirmesini ölçmek için optik kol (OL) kurulumu ^34,35.
   NOT: OL yönteminin çok sayıda pratik avantajı vardır; Bununla birlikte, açısal sapmanın araştırılmasını gerektirdiğinden, bazı mod şekilleri için interferometriden daha az hassastır. Membran rezonatörlerinin interferometrik yer değiştirme okumasına faydalı bir genel bakış için okuyucuyu^33'e yönlendiriyoruz.
   1. İlk olarak, kolimasyonlu bir lazer ışınını, problanan en büyük özellik ile karşılaştırılabilir bir nokta boyutuna sahip numune üzerine odaklayın. Optik kol hassasiyeti hem nokta boyutu hem de yansıyan güç³⁵ ile orantılı olduğu için bu önemlidir.
   2. Lazer ışınını, tipik olarak bir optik fibere retrofleksiyon yoluyla, numune üzerinde mümkün olduğunca normal insidansa yakın olacak şekilde hizalayın. Geliş açısı hassasiyeti çok etkilemese de daha sonra hizalamayı kolaylaştırır.
   3. Lazer normal insidanstayken, numune ile odaklama lensi arasına bir ışın ayırıcı yerleştirin. Işın ayırıcı, rezonatörden yansıyan ışığı alır.
   4. Hassasiyeti³⁵ en üst düzeye çıkarmak için, seçilen ışın yolu boyunca, kurulumdan iyi bir mesafeye, ideal olarak odaklanan ışının Rayleigh uzunluğundan daha büyük bir mesafeye dengeli bir fotodetektör yerleştirin. OL kurulumunun bir diyagramı Şekil 3A'da verilmiştir.
3. Deplasman okuması ve termal gürültü ölçümü
   1. Yüksek mod eğriliğine sahip bir bölgeye odaklanmak için gelen ışını rezonatör boyunca çevirin. Bu, 1. adımdaki simülasyonlarda bulunan mod şekillerine başvurularak bulunabilir. Kurulumun geri kalanını gerektiği gibi yeniden hizalayın.
   2. Bölünmüş (veya kadran) fotodetektöre gelen ışıkla, dedektör çıkışı bir sayısallaştırıcıya gönderilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) yöntemini³⁴ kullanarak sayısallaştırılmış sinyalin gerçek zamanlı güç spektral yoğunluğunu (PSD) hesaplayın.
   3. Yeterince hassas bir OL ölçümü için, geniş bant sinyali PSD'de termal gürültü tepe noktaları görünür. Belirli modları tanımlamak için, termal gürültü tepe noktalarının konumunu, 1. adımdaki simülasyonlar tarafından tahmin edilen özfrekanslarla karşılaştırın. Örnek bir termal gürültü tepe noktası Şekil 3B'de gösterilmiştir. Bu ölçüm için, birkaç PSD tahmininin (periodogramlar) RMS ortalamasını alın.
4. Enerji halkası
   1. Bir salınım modunda bulunan enerji, PSD'nin altındaki alanla orantılıdır. İntegrali, modal rezonans frekans zirvesinde ortalanmış dar bir bant üzerinden takip ederek başlayın. Moda enerji eklendikçe ve daha sonra dağıldıkça, bu onun dağılmasını karakterize edecektir.
   2. Tutarlı bir sürücü şeklinde enerji eklendiğinde, tepe noktası (ve altındaki alan) artacaktır. Bunu başarmak için, vakum odasının yan tarafına bir piezo aktüatör yerleştirin veya numuneye ikinci bir lazer ışını gönderin. Her iki durumda da kaynak, modun rezonans frekansında modüle edilir.
      NOT: Bir osilatöre enerji eklemek, ona bir tekme atarak da yapılabilir. Vakum odasına dokunmaktan gelen bir itme kuvveti, tutarsızlık pahasına birçok modu aynı anda heyecanlandıran anlık, tutarsız bir beyaz sürücü oluşturur.
   3. Sürücü kapatıldıktan sonra, mod salınım enerjisi katlanarak azalacaktır. Osilatörün sönümleme oranını, halkalamadan sonra gerçekleştirilen bir uyumdan çıkarın. Rezonans frekansını sönümleme oranına bölerek modal Q'yu hesaplayın.
   4. Ortalama bir Q bulmak ve sonuçların tutarlılığını doğrulamak için bu halkalandırma prosedürünü birkaç kez tekrarlayın.
5. Stroboskopik okuma
   1. Cihaz doğrusal olmayan bir şekilde çalıyor gibi görünüyorsa veya sonuçlar halkalar arasında çılgınca değişiyorsa, cihaz prob ile etkileşime giriyor olabilir ve fototermal işlemlerden⁴⁵ geçiyor olabilir. Bu sorunu önlemek için, probun birkaç saniye boyunca kapalı olduğu ve birkaç saniye daha kapalı olduğu stroboskopik bir halka¹⁰ kullanın. Probu bir seferde sadece birkaç saniye maruz bırakarak, rezonatörün ısınması en aza indirilir.

Şekil 3: Karakterizasyon kurulumu. (A) Bir optik kolun temel kurulumunu ve çalışmasını özetleyen bir karikatür. Kolimasyonlu bir lazer ışını, bir lens kullanılarak numuneye odaklanır. Bir ışın ayırıcı, geri çekilen ışığı alır ve onu bölünmüş bir fotodiyota yönlendirir. (B) 0,1 Hz çözünürlük bant genişliği ile ortalama 50 kez termal PSD sinyali örneği. (C) Rezonatörler, dışsal mekanik kaybı en aza indirmek için minimum fiziksel temasla özel bir alüminyum tutucuya dayanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

Protokolü, birkaç 100 nm kalınlığında diyagonal şerit rezonatöründen³⁴ oluşan bir gofret üreterek ve ilk birkaç titreşim modunu karakterize ederek gösteriyoruz. Bu çalışmada şerit 7 mm uzunluğunda ve 400 μm genişliğinde olup, 662 μm çapında filetolardır. Bu çalışmada kullanılan OL'nin doğal olarak burulma modlarına uygun olmasına rağmen, ışını sıfır olmayan açısal sapma konumuna konumlandırarak enine eğilme modlarını da algılayabildiğini not ediyoruz. Örnek olarak, şeritlerin hem eğilme hem de bur...

Tartışma

Şekil 5'teki verilerden açıkça görülen bir şey, burulma modunun Q'su simüle edilen değerle eşleşirken, eğilme modu Q'nun tahmin edilenden daha düşük olmasıdır. Bu, simülasyonun kalitesinde hata yapmaz, daha ziyade substrat modu kuplajı⁴⁶ ve sıkıştırma kaybı gibi dışsal kayıp mekanizmalarının ihmal edilmesinin bir sonucudur. Protokolde kullanılan dağılma seyreltme modeli, tüm içsel kayıp mekanizmalarını açıklar ve bu nedenle, öngerilme...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
100nm çift taraflı Si3N4 4'' 200µ üzerinde; m Si gofret	Gofret Pro		Membran rezonatörlerinin imalatında kullanılan standart Si3N4 levhalar
13KHz Sonificator Quantrex 70	L& R Ultrasonik		Talaş yüzeylerinden kirleticileri ve sertleştirilmiş direnci çıkarmak için aseton ile birlikte kullanılır.
150 mm cam petri kabı, 20 mm derinlik	Corning Anonim Şirketi	08-747F	HMDS hazırlama için
150 mm plastik petri kabı, 15 mm derinliğinde	Süper Tek	S01268	Gofret taşımacılığı için
2 μ m şırınga filtresi	Millipore Sigma	SLAP02550	Partikül direncini filtrelemek için
50ml PYREX Griffin Borosilikat Cam Beher	Corning Incorporated, Yaşam Bilimleri		Genel sıvı banyo kapları
⁄