Developing a fabrication process for gallium MEMS

Abstract

Des ordinateurs plus petits et plus rapides améliorent divers aspects de la vie tels que les transports, les soins de santé, l'éducation et la production d'énergie. Trouver des techniques prometteuses pour améliorer cette avancée est un projet passionnant; par conséquent, les techniques alternatives de traitement des données telles que la fabrication de dispositifs informatiques neuromorphiques font l'objet de recherches scientifiques. Dans ce contexte, nous développons un processus de fabrication pour de tels dispositifs. Dans ce travail, des gouttelettes de gallium MEMS ont été choisies. Elles sont petites, elles ont donc une faible masse et une dynamique rapide. Nous présentons ici les travaux expérimentaux sur le développement d'un procédé de fabrication de gouttelettes de gallium simples et couplées de différents diamètres. Nous avons effectué à la fois la gravure et le décollage pendant le processus de fabrication en utilisant une photorésine négative et positive. De plus, nous avons utilisé différents substrats, composés d’oxyde de silicium, de quartz et de saphir, pour améliorer le processus de fabrication. Le tungstène a été déposé sur le substrat en tant que couche d'accroche, car le tungstène et le gallium ne réagissent pas. Puis à l'aide de techniques de photolithographie, des structures ont été définies sur des substrats. Nous avons déposé des gouttelettes de gallium par une méthode de galvanoplastie. Le gallium réagit avec l'oxygène et forme de l'oxyde de gallium. Cette couche d'oxyde a affecté le mouvement des gouttelettes. Afin d'avoir des gouttelettes de gallium liquides, nous avons étudié plusieurs méthodes pour éliminer la couche d'oxyde. Cependant, nous n'avons pas pu désoxyder le gallium sans avoir des défauts sur nos dispositifs. Les produits chimiques que nous avons utilisés dans le processus d'élimination de l'oxyde ont généré un sous-produit qui est resté à la surface du dispositif et a causé un problème de court-circuit électrique; par conséquent, pour une utilisation pratique, une étude plus approfondie de l'étape de désoxydation est nécessaire.

Abstract : Smaller and faster computers improve various aspects of life like transportation, health care, education, and energy production. Finding promising technologies to improve this advancement is an exciting project; therefore, alternative data processing technologies such as fabricating neuromorphic computing devices are the subject of research by scientists. In this context, we developed a manufacturing process flow for such devices. In this work, MEMS gallium droplets were chosen. They are small, so they have a low mass and have fast dynamics. We present here the experimentals on developing a fabrication process for both single and coupled gallium droplets with different diameters. We performed both etching and lift-off during the fabrication process by using a negative and positive photo-resist. Additionally, we utilized three different substrates (silicon oxide, quartz, and sapphire), to improve the fabrication process. Tungsten was deposited on the substrate as a seed layer, as tungsten and gallium do not react. Then with the help of photo-lithography techniques, structures were defined on substrates. We deposited gallium droplets by an electroplating method. Gallium reacts with the oxygen and forms gallium oxide. This oxide layer affected the droplet movement. In order to have liquid gallium droplets, we studied several methods to remove the oxide layer. However, we were not able to deoxidize gallium without having defects on our devices. The chemicals we used in the process of oxide removal generated a byproduct that stayed on the surface of the device and caused an electrical short-circuit problem; therefore, for practical use, further investigation on the de-oxidation step is required.