Epitaxial ננו מובנה α-קוורץ סרטים על סיליקון: מהחומר למכשירים חדשים

תחמוצת ננו עם תכונות piezoelectric הם מרכזיים לתכנן התקנים כגון חיישני MEMS או מקצרי אנרגיה מיקרו או אחסון^1,2,3. ככל שההתקדמות בטכנולוגיית CMOS גדלה, האינטגרציה המונוליטית של סרטים פנטקסיים וננו-מבנים איכותיים לסיליקון הופכת לנושא מעניין להרחבת מכשירים חדשניים חדשים⁴. בנוסף, שליטה רבה יותר של מזעור של התקנים אלה נדרש כדי להשיג ביצועים גבוהים^5,6. יישומי חיישנים חדשים בתחום האלקטרוניקה, הביולוגיה והרפואה מופעלים על ידי ההתקדמות בטכנולוגיות מיקרו וננו-פבריקציה^7,8.

בפרט, α-קוורץ נמצא בשימוש נרחב כחומר פיזואלקטרי ומציג מאפיינים יוצאי דופן, המאפשרים למשתמשים לבצע ייצור עבור יישומים שונים. למרות שיש לו גורם צימוד אלקטרומכני נמוך, המגביל את אזור היישום שלו לקצירת אנרגיה, היציבות הכימית שלו וגורם האיכות המכני הגבוה הופכים אותו למועמד טוב להתקני בקרת תדרים וטכנולוגיות חיישנים⁹. עם זאת, התקנים אלה היו micromachined מגבישי קוורץ יחיד בתפזורת אשר יש את המאפיינים הרצויים לייצור מכשיר¹⁰. העובי של גביש הקוורץ צריך להיות מוגדר באופן כזה שתדירות התהודה הגבוהה ביותר ניתן להשיג מהמכשיר, כיום, העובי הנמוך ביותר בר השגה הוא 10 מיקרומטר¹¹. עד כה, כמה טכניקות micropattern גבישים בתפזורת כגון כלוב פאראדיי זווית תחריט¹¹, ליתוגרפיה הפרעה לייזר¹², וקרן יון ממוקדת (FIB)¹³ דווחו.

לאחרונה, אינטגרציה ישירה מלמטה למעלה של צמיחה אפיטקסיאלית של (100) סרט α-קוורץ לתוך מצע הסיליקון (100) פותחה על ידי תצהיר פתרון כימי (CSD)^14,15. גישה זו פתחה דלת להתגבר על האתגרים הנ”ל וגם לפתח התקנים מבוססי פיזואלקטריה ליישומי חיישנים עתידיים. התאמת המבנה של סרט α-קוורץ על מצע הסיליקון הושגה והיא אפשרה לשלוט במרקם, בצפיפות ובעובי של הסרט¹⁶. עובי הסרט α-קוורץ הורחב מכמה מאות ננומטרים לטווח המיקרון, דק פי 10 עד 50 מאלה שהושגו על ידי טכנולוגיות מלמעלה למטה על גבישים בתפזורת. אופטימיזציה של תנאי תצהיר ציפוי טבילה, לחות וטמפרטורה התאפשרה להשיג הן סרט קוורץ גבישי nanostructured מתמשך דפוס nanoimprinted מושלמת על ידי שילוב של קבוצה של טכניקות ליתוגרפיה מלמעלה למטה¹⁷. באופן ספציפי, ליתוגרפיה ננו-הדפסת רכה (NIL) היא תהליך מבוסס ציוד בקנה מידה גדול בעלות נמוכה. יישום של NIL רך, המשלב גישות מלמעלה למטה ומטה למעלה, הוא מפתח לייצור מערכי nanopillar קוורץ epitaxial על סיליקון עם שליטה מדויקת של קטרים עמוד, גובה, ואת המרחקים interpillar. יתר על כן, ייצור של nanopillar סיליקה עם צורה מבוקרת, קוטר, ומחזוריות על זכוכית borosilicate עבור יישום ביולוגי בוצעה התאמה אישית של NIL רך של סרט דק קוורץ epitaxial¹⁸.

עד כה, זה לא היה אפשרי עבור שילוב על שבב של ננו פיזואלקטרי מובנה α-קוורץ MEMS. כאן, אנו מציירים את המסלול ההנדסי המפורט החל מחומר לייצור מכשיר. אנו מסבירים את כל השלבים לסינתזה חומרית, NIL רך, ואת microfabrication של המכשיר כדי לשחרר cantilever קוורץ piezoelectric על מצע SOI¹⁹ ולדון בתגובתה כחומר פיזואלקטרי עם כמה תוצאות אפיון.