A MEMS-based microtensile testing method for Si nanowires

Abstract

Çeşitli endüstri kollarının önemli bir yapı taşı olmasından ötürü silisyum, her geçen gün daha büyük önem kazanmaktadır. Buna ek olarak, günün teknolojisinin daha küçük tasarımları hedef almasından dolayı, son zamanlarda silisyum ince filmler ve ya silisyum nanoteller (Si NT) gibi nano-ölçekli silisyum nesneler daha büyük ilgi çekmektedirler. Güvenilir Si temelli uygulamalar için malzeme özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Literatürde silisyumun mekanik özelliklerini belirlemeye yönelik bir çok deney bulunmasına karşın, bunlar tümüyle öncelikle üretilip daha sonar uçlarından tutturulan, nano ölçekte müdahale edilmiş numuneler üzerinde yapılmıştır. Tutturmaya ek olarak, nN mertebesinde kuvveterin oluşturulması ve nm mertebesinde yer değiştirmelerin saptanması konularında da zorluklarla karşılaşılmaktadır. Bu kritik hususlar mikro-ölçek mekanik testler için değişik cihazların kullanılacağı farklı yöntemler gerektirmektedir. Mikro elektromekanik sistem temelli cihazlar mikro-nano (test platformu-numune ) birleşimi, için uygun bir seçenek oluşturmaktadırlar.İşbu çalışma MEMS tasarımı ve üretimi ile birlikte Si NT üretiminden oluşmaktadır. Uygulanan strateji, MEMS tasarımının sonradan NT ile birleşimi için üretimi ve karakterize edilmesi ile Si NT üretiminin optimize edilmesini içermektedir. İlk amaç olarak, Si NT'ler için özelleştirilmiş, benzersiz bir MEMS temelli germe cihazının tasarımı tamamlanmıştır. Bu cihazın benzersizliği, Si NT'ler üzerinde tutturmaya gerek duymaksızın germe testi yapabilecek olmasından kaynaklanmaktadır. Bunun sebebi Si NT'in cihaz ile aynı anda, yekpare bir yukarıdan aşağıya yöntemle üretilecek olmasıdır. Bu yöntem ile cihaz ve tel arasında oluşacak arayüzlerin etkileri yok edilmiş olacaktır. Cihaz, Si NT üzerine tek eksenli kuvvet uygulayacak bir elektrostatik tarak tahrik mekanizması ve Si NT üzerine uygulanan kuvveti ve telin uzamasını ölçecek bir üçlü plakalı diferansiyel sığa sensöründen oluşmaktadır. Cihazların sonlu eleman analizleri COMSOL Multipyhsics kullanılarak yapılmıştır. Analitik sonuçlar ile benzetim sonuçlarının karşılaştırılmasından sonra, bazı tasarımlar için ilk yığın MEMS kısımlarının mikroüretim çalışmaları çeşitli SOI mikroişleme yöntemleri vasıtasıyla İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü (EPFL) Mikro ve Nanoteknoloji Merkezi'nde (CMi), 2 µm kritik boyut ile gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemler cihazların belirlenmesini ve karakterizasyon sürecine hazırlanmasını içermektedir. Cihazların elektriksel karakterizasyonu yarıiletken parametre çözümleyici kullanılarak yürütülmüştür. 5 V'a kadar uygulanan potansiyel fark altında, cihazların sığa belirginlikleri saptanmıştır. Toplam sığa değişim değerleri femtofarad mertebesindedir. Bu sonuçlar ayrıca sonlu eleman benzetimleri ile de karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, ölçüm ortamının cihazların toplam sığası üzerindeki küçük etkisini göstermiştir. Bu etkinin haricinde deneysel sonuçlar benzetimler ile umut verici bir tutarlılık göstermektedir. Bu, MEMS tasarımının doğrulamasını sonuçlandırmaktadır.İşbu tez çalışmasının ikinci amacı olarak, Si NT'lerin üretimi için bir süreç hattı önerilmiş ve bir kaç deneme yapılmıştır. Bu hat NT'lerin e-ışın litografi ile belirlenmesini içermektedir. NT'in oluşması, arka arkaya uygulanan ve farklı elma ısırığı ölçülerine sahip Bosch yöntemlerini içeren iki adımlı bir aşındırma süreciyle gerçekletirilecektir. İlk adım Si NT'in oluşmasunı sağlarken ikinci adım NT'in altından 1 µm Si katman aşındıracaktır. NT'in zarf benzeri yapı ile korunmasının ardından Si cihaz katmanı, oksit katmanına kadar aşındırılacaktır. Bu akışın önemi NT'in oluşturulduktan sonra zarf benzeri bir yapı ile sonraki mikroüretim adımlarında korunmasıdır. Bu zarf benzeri yapı alumina olup atomsal katman bırakım yöntemi ile oluşturulacaktır. Si NT, aşındırma adımları sonrası başarıyla oluşturulmuştur. Alumina zarfın oluşturulması gelecek çalışma konusu olarak kalmıştır. Bu tez çalışmasında tek bir Si NT üretiminde kullanılabilecek bir üretim akışı önerilmiştir.

As an important building block of various industries, silicon have been gaining more importance day by day. Moreover, as the today?s technology is going forward for smaller designs, nano-scale silicon objects such as silicon thin films and silicon nanowires (Si NWs) are of such interest nowadays. Hence for reliable Si-based applications, knowing the materials? behavior is crucial. Although there have been a bunch of experiments in literature on determination of the mechanical properties of Si NWs, they are all based on nanomanipulated samples, which are first fabricated, then gripped on their ends before tensile loading. In addition to gripping, there are also challenges in creation of nN forces and detection of nm displacements for accurate mechanical tests. These critical issues require different methodologies using devices designed for micro-scale mechanical tests. The micro electromechanical systems (MEMS)-based devices are suitable for micro-nano integration, i.e. testing platform-sample.This work consists of two parts: MEMS design alongwith fabrication and Si NW fabrication. The strategy involves the fabrication and characterization of MEMS design for later NW integration and the optimization of Si NW fabrication. As the first objective, the design of a unique MEMS-based tensile testing method, which is specialized for Si NWs, was completed. The uniqueness of the designed device is stemming from its ability to test Si NWs without any grips. This is because the NW is fabricated at the same time with the device through an monolithic top-down method. This method enables the elimination of the interface effects between the nanowire and the device. The device is composed of a comb-drive actuator to apply uniaxial force on Si NW and a triplate differential capacitive force/displacement sensor to detect the force applied and the elongation of Si NW. The finite element analyses of the devices were carried out using COMSOL Multiphysics. After the comparison of the analytical and simulation results for certain designs, the first batch microfabrication of the MEMS part was realized through various SOI micromachining processes in CMi at EPFL with a CD of 2 µm. These processes includes defining the structrues and, preparing the devices for characterization. The electrical characterization of the fabricated devices were conducted using semiconductor parameter analyzer. The capacitance characteristics of the devices under an applied voltage of 5 V were determined. The values for the changes in the total capacitances were in the order of femtofarads(fF). The results were also compared with finite element simulations. The comparison shows the small effect of measurement environment on the change in total capacitance of the devices. Other than this effect, the experimental results show promising consistency with the simulations. These concludes the verification of the MEMS design.As the second objective of this thesis, a process route was proposed and a few trials have been carried out for the fabrication of Si NWs. The route includes the definition of NW with e-beam lithography. The formation of the NW is realized with a two-step etching process which includes two subsequent Bosch processes with different scallop dimensions. The first step forms the Si NW and the second step etches around 1 µm Si layer under the NW. After the NW is protected with envelope-like structure, Si device layer is etched through buried oxide (BOX) layer. The moment of this flow is to protect NW after formation within an envelope-like structure for the latter steps of microfabrication. This envelope-like structure will be alumina and formed using atomic layer deposition technique. The Si NW was well-formed after etching steps. The formation of alumina envelope remains as a matter of future work. A fabrication process flow is proposed in this thesis which can be used for the formation of single Si NW.