Pellicole α al quarzo epitassiale su silicio: dal materiale ai nuovi dispositivi

Riepilogo

Questo lavoro presenta un protocollo dettagliato per la microfabbricazione di sbalzi di α quarzo nanostrutturati su un substrato tecnologico SILICON-On-Insulator (SOI) a partire dalla crescita epitassiale del film di quarzo con il metodo di rivestimento a tuffo e quindi nanostrutturazione del film sottile tramite litografia nanoimprint.

Abstract

In questo lavoro, mostriamo un percorso ingegneristico dettagliato del primo microcantilever a base di quarzo epitassiale piezoelettrico nanostrutturato. Spiegheremo tutti i passaggi del processo a partire dal materiale alla fabbricazione del dispositivo. La crescita epitassiale del film di α quarzo su substrato SOI (100) inizia con la preparazione di un sol-gel di silice drogato stronzio e continua con la deposizione di questo gel nel substrato SOI in forma di film sottile utilizzando la tecnica di dip-coating in condizioni atmosferiche a temperatura ambiente. Prima della cristallizzazione del film di gel, la nanostrutturazione viene eseguita sulla superficie del film mediante litografia nanoimprint (NIL). La crescita del film epitassiale viene raggiunta a 1000 °C, inducendo una perfetta cristallizzazione della pellicola di gel fantasia. La fabbricazione di dispositivi a sbalzi di cristallo di quarzo è un processo in quattro fasi basato su tecniche di microfabbricazione. Il processo inizia con la sagomatura della superficie del quarzo, quindi la deposizione metallica per gli elettrodi lo segue. Dopo aver rimosso il silicone, il cantilever viene rilasciato dal substrato SOI eliminando SiO_{2 tra silicio} e quarzo. Le prestazioni del dispositivo vengono analizzate dal videometro laser senza contatto (LDV) e dalla microscopia a forza atomica (AFM). Tra le diverse dimensioni del cantilever incluse nel chip fabbricato, il cantilever nanostrutturato analizzato in questo lavoro ha mostrato una dimensione di 40 μm grande e 100 μm di lunghezza ed è stato fabbricato con uno strato di quarzo a motivi geometrici di 600 nm (diametro nanopillare e distanza di separazione rispettivamente di 400 nm e 1 μm) coltivato in modo epitassiale su uno strato di dispositivo Si spesso 2 μm. La frequenza di risonanza misurata era di 267 kHz e il fattore di qualità stimato, Q, dell'intera struttura meccanica era Q ~ 398 in condizioni di basso vuoto. Abbiamo osservato lo spostamento lineare dipendente dalla tensione del sbalzino con entrambe le tecniche (ad esempio, misurazione del contatto AFM e LDV). Pertanto, dimostrando che questi dispositivi possono essere attivati attraverso l'effetto piezoelettrico indiretto.

Introduzione

I nanomateriali di ossido con proprietà piezoelettriche sono fondamentali per progettare dispositivi come sensori MEMS o mietitrici di micro energia^{o stoccaggio 1,2,3}. Con l'aumentare dei progressi della tecnologia CMOS, l'integrazione monolitica di pellicole piezoelettriche e nanostrutture epitassiali di alta qualità nel silicio diventa un argomento di interesse per espandere nuovi nuovi dispositivi⁴. Inoltre, è necessario un maggiore controllo della miniaturizzazione di questi dispositivi per ottenere alte prestazioni^5,

Protocollo

1. Preparazione della soluzione

1. Preparare una soluzione contenente ortosilicato tetraetilico preidrolizzato (TEOS) 18 ore prima della produzione delle pellicole di gel in una cappa fumi in cui sono posizionati un bilanciere di laboratorio e un agitatore magnetico.
   1. Aggiungere 0,7 g di etere esadecile di polietilene glicole (Brij-58) e 23,26 g di etanolo in una bottiglia da 50 ml e chiudere il coperchio della bottiglia e mescolarlo fino a quando il Brij non è completamente sciolto.
   2. Aggiungere 1,5 g di HCl 35% nel pallone nel passaggio 1.1.1, chiuderlo e mescolare per 20 s.
   3. Aggiungere 4,22 g di TEOS al pallone nel passaggio 1.1.2, ....

Risultati

L'avanzamento della sintesi dei materiali e della fabbricazione del dispositivo (cfr. figura 1) è stato descritto schematicamente monitorando diversi passaggi con immagini reali. Dopo i processi di microfabbricazione, abbiamo osservato l'aspetto dei cantilever nanostrutturati utilizzando le immagini di microscopia elettronica a scansione di emissione di campo (FEG-SEM)(Figura 2a-c). La diffrazione a micro raggi X 2D controllava la cristallinit?.......

Discussione

Il metodo presentato è una combinazione di approcci dal basso verso l'alto e dall'alto verso il basso per produrre micro-cantilever al quarzo piezoelettrico nanostrutturati sulla tecnologia Si. Quartz /Si-MEMS offre importanti vantaggi rispetto al quarzo sfuso in termini di dimensioni, consumo energetico e costi di integrazione. Infatti, il quarzo epitassiale/Si MEMS sono prodotti con processi compatibili con CMOS. Ciò potrebbe facilitare la futura fabbricazione di soluzioni a chip singolo per dispositivi multifrequenz.......

Materiali

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