Epitaxial Nanostructured α-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices

Résumé

Ces travaux présentent un protocole détaillé pour la microfabrication du porte-à-faux nanostructuré de α quartz sur un substrat technologique silicon-on-isolateur (SOI) à partir de la croissance épitaxique du film de quartz avec la méthode de revêtement de trempette, puis la nanostructuration du film mince par lithographie nanoimprint.

Résumé

Dans ce travail, nous montrons un itinéraire d’ingénierie détaillé du premier microcantilever épitaxial nanostructurel nanostructurel piezoelectric à base de quartz. Nous expliquerons toutes les étapes du processus à partir du matériau à la fabrication de l’appareil. La croissance épitaxique du film de α quartz sur soi (100) substrat commence par la préparation d’un sol-gel en silice dopé au strontium et se poursuit avec le dépôt de ce gel dans le substrat SOI sous une forme de film mince en utilisant la technique de revêtement dans les conditions atmosphériques à température ambiante. Avant la cristallisation du film gel, la nanostructuration est effectuée sur la surface du film par lithographie nanoimprint (NIL). La croissance du film épitaxique est atteinte à 1000 °C, induisant une cristallisation parfaite du film de gel à motifs. La fabrication de dispositifs en porte-à-faux en cristal de quartz est un processus en quatre étapes basé sur des techniques de microfabrication. Le processus commence par façonner la surface du quartz, puis le dépôt métallique pour les électrodes le suit. Après avoir enlevé le silicone, le porte-à-faux est libéré du substrat SOI éliminant SiO_{2 entre le} silicium et le quartz. Les performances de l’appareil sont analysées par vibromètre laser sans contact (LDV) et microscopie à force atomique (AFM). Parmi les différentes dimensions du porte-à-faux incluses dans la puce fabriquée, le porte-à-faux nanostructuré analysé dans ce travail présentait une dimension de 40 μm de large et 100 μm de long et a été fabriqué avec une couche de quartz à motifs de 600 nm d’épaisseur (diamètre nanopillaire et distance de séparation de 400 nm et 1 μm, respectivement) cultivée épitaxiquement sur un dispositif Si de 2 μm d’épaisseur. La fréquence de résonance mesurée était de 267 kHz et le facteur de qualité estimé, Q, de toute la structure mécanique était Q ~ 398 dans de faibles conditions de vide. Nous avons observé le déplacement linéaire dépendant de la tension du porte-à-faux avec les deux techniques (c.-à-d. mesure de contact d’AFM et LDV). Par conséquent, prouvant que ces dispositifs peuvent être activés par l’effet piezoélectrique indirect.

Introduction

Les nanomatériaux d’oxyde aux propriétés piézoélectriques sont essentiels à la conception d’appareils tels que les capteurs MEMS ou les micro-récolteurs^{d’énergie ou le stockage 1,2,3}. À mesure que les progrès de la technologie CMOS augmentent, l’intégration monolithique de films et nanostructures piezoélectriques épitaxiques de haute qualité dans le silicium devient un sujet d’intérêt pour développer de nouveaux appareils⁴. En outre, un plus grand contrôle de la miniaturisation de ces dispositifs est nécessaire pour atteindre des performances

Protocole

1. Préparation de la solution

1. Préparer une solution contenant de l’orthosilicate tétraéthyle préhydrolysé (TEOS) 18 h avant la production des films de gel dans une hotte de fumée dans laquelle un équilibre de laboratoire et un agitateur magnétique sont placés.
   1. Ajouter 0,7 g d’éther de polyéthylène glycol hexadecyl (Brij-58) et 23,26 g d’éthanol dans une bouteille de 50 ml et fermer le couvercle de la bouteille et remuer jusqu’à ce que le Brij soit complètement dissous.
   2. Ajouter 1,5 g de HCl 35 % dans le flacon à l’étape 1.1.1, le fermer et remuer pendant 20 s.
   3. Ajouter 4,22 g de TEOS à la fiole à l’étape 1.1.2, la fermer et la lai....

Résultats

Les progrès de la synthèse des matériaux et de la fabrication des dispositifs (voir figure 1)ont été représentés schématiquement en surveillant différentes étapes à l’aide d’images réelles. Après les processus de microfabrication, nous avons observé l’aspect des cantilevers nanostructurés à l’aide des images de microscopie électronique à balayage des émissions sur le terrain (FEG-SEM)(figure 2a-c). La diffraction des m.......

Discussion

La méthode présentée est une combinaison d’approches ascendantes et descendantes pour produire des micro-cantilevers à quartz piezoélectrique nanostructuré sur la technologie Si. Quartz/Si-MEMS offre des avantages majeurs par rapport au quartz en vrac en termes de taille, de consommation d’énergie et de coût d’intégration. En effet, le quartz épitaxique/Si MEMS est produit avec des procédés compatibles CMOS. Cela pourrait faciliter la fabrication future de solutions à puce unique pour les appareils mul.......

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetone	Honeywell Riedel de Haën	UN 1090
AZnLOF 2020 negative resist	Microchemicals	USAW176488-1BLO
AZnLOF 2070 negative resist	Microchemicals	USAW211327-1FK6
AZ 726 MIF developer	Merck	DEAA195539
BOE (7:1)	Technic	AF 87.5-12.5
Brij-58	Sigma	9004-95-9
Chromium	Neyco	FCRID1T00004N-F53-062317/FC79271
Dip Coater ND-R 11/2 F	Nadetec	ND-R 11/2 F
Hydrogen peroxide solution 30%	Carlo Erka Reagents DasitGroup	UN 2014
H2SO4	Honeywell Fluka	UN 1830
Isopropyl alcohol	Honeywell Riedel de Haën	UN 1219
Mask aligner	EV Group	EVG620
PG remover	MicroChem	18111026
Platinum	Neyco	INO272308/F14508
PTFE based container	Teflon
Reactive ion etching (RIE)	Corial	ICP Corial 200 IL
SEMFEG	Hitachi	Su-70
SOI substrate	University Wafer	ID :3213
Strontium chloride hexahydrate	Sigma-Aldrich	10025-70-4
SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Kit	Dow	.000000840559
SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Curring Agent	Dow	.000000840559
Tetraethyl orthosilicate	Aldrich	78-10-4
Tubular Furnace	Carbolite	PTF 14/75/450
Vibrometer	Polytec	OFV-500D
2D XRD	Bruker	D8 Discover	Equipped with a Eiger2 R 500 K 2D detector