Filmes nanoestruturados nanoestruturados de α-quartzo sobre silício: do material aos novos dispositivos

Os nanomateriais de óxido com propriedades piezoelétricas são fundamentais para projetar dispositivos como sensores MEMS ou micro coletores de energia ou armazenamento^1,2,3. À medida que os avanços da tecnologia CMOS aumentam, a integração monolítica de filmes piezoelétricos e nanoestruturas epitaxais de alta qualidade e nanoestruturas em silício torna-se objeto de interesse para expandir novos novos dispositivos⁴. Além disso, é necessário maior controle da miniaturização desses dispositivos para alcançar altos desempenhos^5,6. Novas aplicações de sensores em eletrônica, biologia e medicina são habilitadas pelos avanços nas tecnologias de micro e nanofabização^7,8.

Em particular, α-quartzo é amplamente utilizado como material piezoelétrico e mostra características marcantes, que permitem aos usuários fazer fabricação para diferentes aplicações. Embora tenha baixo fator de acoplamento eletromecânico, o que limita sua área de aplicação para a colheita de energia, sua estabilidade química e fator de alta qualidade mecânica fazem dele um bom candidato para dispositivos de controle de frequência e tecnologias de sensores⁹. No entanto, esses dispositivos foram micromaquinados a partir de cristais de quartzo único a granel que têm as características desejadas para a fabricação do dispositivo¹⁰. A espessura do cristal de quartzo deve ser configurada de tal forma que a maior frequência de ressonância possa ser obtida a partir do dispositivo, atualmente, a menor espessura alcançável é de 10 μm¹¹. Até agora, foram relatadas algumas técnicas para micropatterar os cristais a granel, como a gaiola faraday, a gravação em ângulo^11,a litografia de interferência a laser¹²e o feixe de íons focal (FIB)^13.

Recentemente, a integração direta e inferior do crescimento epitaxial de (100) filme de α quartzo em substrato de silício (100) foi desenvolvida por deposição de solução química (CSD)^14,15. Essa abordagem abriu uma porta para superar os desafios acima mencionados e também para desenvolver dispositivos baseados em piezoelétricos para futuras aplicações de sensores. A alfaiataria da estrutura do filme de α quartzo no substrato de silício foi alcançada e permitiu controlar a textura, a densidade e a espessura do filme¹⁶. A espessura do filme de α quartzo foi estendida de algumas centenas de nanômetros para a faixa de míccro, que são 10 a 50 vezes mais finas do que as obtidas por tecnologias de cima para baixo em cristal a granel. A otimização das condições de deposição de revestimento de mergulho, a umidade e a temperatura foram habilitadas a alcançar tanto o filme de quartzo cristalino nanoestruturado contínuo quanto um padrão nanoimimp impresso perfeito por uma combinação de um conjunto de técnicas de litografia de cima para baixo¹⁷. Especificamente, a litografia de nanoimprint macia (NIL) é um processo baseado em equipamentos de fabricação de baixo custo, em larga escala e benchtop. A aplicação do NIL macio, que combina abordagens de cima para baixo e de baixo para cima, é uma chave para produzir matrizes nanopilar de quartzo epitaxial no silício com um controle preciso dos diâmetros dos pilares, altura e distâncias interpilares. Além disso, foi realizada a fabricação de nanopillar de sílica com forma controlada, diâmetro e periodicidade no vidro borossilicato para uma aplicação biológica, personalizando NIL macio da película fina de quartzo epitaxial¹⁸.

Até agora, não foi possível a integração on-chip de mems nanoestruturados piezoelétricos α quartzo. Aqui, desenhamos a rota detalhada de engenharia a partir do material para a fabricação do dispositivo. Explicamos todos os passos para a síntese material, NIL macio e a microfabricação do dispositivo para liberar uma cantilever de quartzo piezoelétrico no substrato SOI¹⁹ e discutir sua resposta como um material piezoelétrico com alguns resultados de caracterização.