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

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^5,6. Le nuove applicazioni dei sensori in elettronica, biologia e medicina sono abilitate dai progressi nelle tecnologie di micro e nanofabbricazione^7,8.

In particolare, α-quarzo è ampiamente utilizzato come materiale piezoelettrico e mostra caratteristiche eccezionali, che consentono agli utenti di fabbricare per diverse applicazioni. Sebbene abbia un basso fattore di accoppiamento elettromeccanico, che limita la sua area di applicazione per la raccolta dell’energia, la sua stabilità chimica e l’alto fattore di qualità meccanica lo rendono un buon candidato per i dispositivi di controllo della frequenza e le tecnologie dei^{sensori 9}. Tuttavia, questi dispositivi sono stati micromacchiati da singoli cristalli di quarzo sfusi che hanno le caratteristiche desiderate per la fabbricazione del^{dispositivo 10}. Lo spessore del cristallo di quarzo dovrebbe essere configurato in modo tale che la massima frequenza di risonanza possa essere ottenuta dal dispositivo, al giorno d’oggi, lo spessore più basso raggiungibile è di 10 μm¹¹. Finora sono state riportate alcune tecniche per micropattern i cristalli sfusi come faraday cage angled-intching¹¹, laser interference lithography¹²e focused ion beam (FIB)^13.

Recentemente, l’integrazione diretta e dal basso verso l’alto della crescita epitassiale di (100) pellicola α quarzo nel substrato di silicio (100) è stata sviluppata mediante deposizione di soluzioni chimiche (CSD)^14,15. Questo approccio ha aperto una porta per superare le sfide di cui sopra e anche per sviluppare dispositivi a base piezoelettrica per future applicazioni di sensori. È stata ottenuta la sartoria della struttura α-quarzo su substrato di silicio e ha permesso di controllare la consistenza, la densità e lo spessore del film^16. Lo spessore della pellicola α-quarzo è stato esteso da poche centinaia di nanometri alla gamma di micron, che sono da 10 a 50 volte più sottili di quelli ottenuti dalle tecnologie top-down su cristallo sfuso. L’ottimizzazione delle condizioni di deposizione, dell’umidità e della temperatura del dip-coating è stata in grado di ottenere sia una pellicola di quarzo cristallino nanostrutturata continua che un modello nanoimstampato perfetto da una combinazione di una serie di tecniche litografiche top-down^17. In particolare, la litografia soft nanoimprint (NIL) è un processo a basso costo, di fabbricazione su larga scala e basato su attrezzature da banco. L’applicazione di NIL morbido, che combina approcci top-down e bottom-up, è una chiave per produrre array di nanopillari al quarzo epitassiali sul silicio con un controllo preciso dei diametri del pilastro, dell’altezza e delle distanze interpillari. Inoltre, è stata eseguita la fabbricazione di nanopillari di silice con forma controllata, diametro e periodicità su vetro borosilicato per un’applicazione biologica per la personalizzazione del NIL morbido di film sottile di quarzo epitassiale¹⁸.

Finora non è stato possibile l’integrazione su chip di MEMS piezoelettrico nanostrutturato α al quarzo. Qui, disegniamo il percorso ingegneristico dettagliato a partire dalla fabbricazione del materiale al dispositivo. Spieghiamo tutti i passaggi per la sintesi del materiale, la NIL morbida e la microfabbricazione del dispositivo per rilasciare un cantilever al quarzo piezoelettrico sul substrato SOI¹⁹ e discutere la sua risposta come materiale piezoelettrico con alcuni risultati di caratterizzazione.