シリコン上のエピタキシャルナノ構造α-クオーツフィルム:材料から新しいデバイスへ

圧電特性を有する酸化物ナノ材料は、MEMSセンサやマイクロエネルギーハーベスタ、ストレージ^1、2、3などのデバイスを設計する上で極めて重要です。CMOS技術の進歩に伴い、高品質エピタキシャル圧電フィルムとナノ構造体をシリコンにモノリシックに統合することが、新しい新規デバイス⁴を拡大する対象となる。また、高性能を実現するためには、これらの装置の小型化をより大きく^{制御することが求められる}。電子、生物学、医学における新しいセンサーアプリケーションは、マイクロおよびナノファブリケーション技術^7、8の進歩によって可能^{になります}。

特に、α石英は圧電材料として広く使用されており、優れた特性を示し、ユーザーは異なる用途に作製することができます。エネルギー収穫の適用面積を制限する低い電気機械結合係数を有するが、その化学的安定性および高い機械的品質因子は、周波数制御装置およびセンサ技術の有力な候補^となる9.しかし、これらのデバイスは、デバイス製造¹⁰に対して所望の特性を有するバルク単一水晶結晶からマイクロマシン加工された。水晶の厚さは、デバイスから最も高い共振周波数を得ることができるように構成されるべきであり、今日では、最も低い達成可能な厚さは^10μm11である。これまでに、ファラデーケージ斜めエッチング¹¹などのバルク結晶をマイクロパターン化する技術、レーザー干渉リソグラフィ^12、および集光イオンビーム(FIB)13が報告された。

近年、シリコン基板(100)へのエピタキシャル成長(100)α のエピタキシャル成長の直接的およびボトムアップ統合(100)は、化学溶液沈着^(CSD)14,15によって開発された。このアプローチは、前述の課題を克服し、将来のセンサーアプリケーションのための圧電ベースのデバイスを開発するための扉を開きました。シリコン基板上のα石英フィルムの構造を調整し、膜¹⁶の質感、密度、厚さを制御することができた。α-quartzフィルムの厚さは数百ナノメートルからミクロンの範囲に拡張され、バルク結晶上のトップダウン技術によって得られたものよりも10〜50倍薄くなっています。ディップコーティング堆積条件の最適化、湿度および温度は、トップダウンリソグラフィ技術¹⁷の組み合わせにより、連続的なナノ構造結晶石英膜と完全なナノインプリントパターンの両方を達成することを可能にした。具体的には、ソフトナノインプリントリソグラフィ(NIL)は、低コスト、大規模な製造およびベンチトップ機器ベースのプロセスです。トップダウンとボトムアップのアプローチを組み合わせたソフトNILの適用は、ピラー径、高さ、およびピラー間距離を正確に制御するシリコン上でエピタキシャル石英ナノピラーアレイを生成する鍵です。さらに、生体用途に用いたホウケイ酸ガラス上の制御された形状、直径、および周期性を有するシリカナノピラーの製造を、エピタキシャル石英薄膜¹⁸のソフトNILのカスタマイズを行った。

これまで、圧電ナノ構造α石英MEMSのオンチップ統合は不可能でした。ここでは、材料からデバイス製作までの詳細なエンジニアリングルートを描きます。我々は、SOI^基板上 に圧電石英カンチレバーを放出する材料合成、ソフトNIL、及び微細加工のための全てのステップを説明し、いくつかの特性評価結果を有する圧電材料としての応答を議論する。