El passat 28 de Març del 2016 vaig defensar la meva tesi doctoral
titulada “Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano
electromechanical devices”, on s'aborda el repte de la fabricació de ressonadors nano-mètrics
des d’una nova òptica basada en la implantació iònica mitjançant un feix de ions
focalitzat (FIB). Aquest nou mètode permet fabricar nano-dispositius suspesos funcionals,
des del punt de vista elèctric i mecànic, sense necessitat d’utilitzar resina d’una
forma i) ràpida i simple, només son necessàries tres etapes de fabricació; ii)
flexible, permet definir dispositius amb gran llibertat geomètrica; iii) alta
resolució, es demostra la fabricació de dispositius suspesos de 4 μm de longitud per 10 nm de diàmetre; iv)
reproduïble i v) compatible amb la tecnologia CMOS.
La tesi es pot descarregar punxant en aquesta imatge que apunta directament a la web del grup NanoNEMS (IMB-CNM CSIC)
Partint d’un xip
de silici o SOI (silici - diòxid de silici - silici), el mètode de fabricació
comença amb un procés d’implantació FIB on es defineixen les estructures i les
connexions elèctriques del dispositiu. El segon pas consisteix en el gravat
humit del silici, on s’ataca el silici que no està protegit per la implantació
FIB, permetent la suspensió o alliberació dels dispositius. En aquest estadi, on
les estructures ja estan definides, el silici és amorf, conté gal·li i no és
elèctricament funcional (ρ ~1 Ω·m). El darrer pas consisteix en un tractament
tèrmic a alta temperatura fins a 1000ºC, en ambient de nitrogen i amb un
precursor sòlid de bor on es propicia la recristal·lització del silici formant
nano-cristalls, dopar el silici amb bor (tipus p) i eliminar el gal·li. Aquest
tractament a alta temperatura, on les estructures no son oxidades, permet
obtenir dispositius elèctricament funcionals (ρ ~10-4 Ω·m).
Els principals resultats obtinguts es poden
classificar en tres àmbits:
Investigació de l’efecte de la implantació amb
ions gal·li en el silici,
pel que fa tant a aspectes de processament com de propietats
nanoelectromecàniques del material.
En aquest treball
hem caracteritzat l’estructura del material en les diferents etapes de
fabricació i hem caracteritzat elèctrica i electromecànicament els dispositius
finals obtinguts pel mètode descrit.
Desenvolupament
i optimització del procés de fabricació,
especialment pel que respecte al control de dimensions i a la combinació amb
altres processos
Es mostra el
treball realitzat en la optimització dels diferents paràmetres de fabricació,
des de la posta a punt de la dosi d’ions fins a la selectivitat del gravat. A
través del disseny de les estructures es pot establir estratègies per controlar
i minimitzar els efectes d’”under-etching” en el silici, a través de la
definició d’estructures de compensació, i també evitar el col·lapse de les
estructures més llargues, degut a les tensions superficials que es produeixen
durant els processos de gravat humit, fabricant pilars per sostenir les
estructures.
Aquest mètode de
fabricació permet obtenir dispositius a mida convertint-lo en una eina versàtil
de prototipatge i de fabricació petites quantitats, que permet aconseguir
dispositius de dimensions nano-mètriques per a l’experimentació acadèmica i
científica.
Investigació
de les propietats electròniques, mecàniques i electromecàniques dels
dispositius, i concretament en el cas de nanofils
de silici suspesos que es poden aplicar com a ressonadors mecànics d’altra
freqüència o transistors d’un sol forat.
Hem pogut
fabricar ressonadors de diferents geometries que ens ha permès estudiar i
demostrar la relació que existeix entre la simetria/asimetria dels dispositius
i el senyal piezoresistiu mesurat durant la transducció electromecànica. Hem
investigat i fabricat transistors d’efecte camp ultra-fins (10 ~ 15 nm) i
transistors suspesos on les característiques elèctriques a baixa temperatura mostren
efectes de “Coulomb blockade” gracies als nano-cristalls que es formen, dins
dels nano-fils de silici suspesos, durant l’etapa de tractament tèrmic.
