Mechanical characterization of silicon nanowires

Abstract

İşbu araştırmada silisyum nanotellerin mekanik nitelendirme sorunu germe ve çınlanım temelli testler için çeşitli cihazlar ve üretim yöntemleri geliştirilerek ele alınmaktadır. Silisyum nanotellerinin esneklik modülü ve kırılma mukavemetinin tayini için yeni bir mikrogerme cihazı tasarlanmıştır. Söz konusu cihazın elektromekanik benzetimi gerçekleştirilmiş ve bir üretim akışı önerilmiştir. Tasarlanan cihazda silisyum nanoteller elektrostatik tarak tahrik mekanizması ile tek eksenli deformasyona uğrar ve doğan deplasman ve yük üçlü plakalı diferansiyel sığa sensörü ile ölçülür. Silisyum nanotel tahrik mekanizması ve yük sensörü arasına konumlandırılır. Nanotelin konumlandırılma ve mesnetlenme sorunları silisyum nanotellerin Bosch sürecinin kendine özgü oyma yöntemini kullanarak yekpare üretimi ile üstesinden gelinir. Kararlılık ve doğrusallık incelemeleri için gereken analitik çözümlemeler, tahrik sinyalinin oluşturacağı elektrostatik kuvvetin ölçüm elektrotlarına etkisi de göz önüne alınarak, durağan uygulamalar için tartışılmış ve türetilmiştir. Cihazın eniyilenmiş geometrisini elde etmek için bir MATLAB kodu türetilmiştir. Cihazın bütünlenmiş başarım incelemesi için sonlu eleman analizi kullanılmıştır. Analitik sonuçlarla yapılan karşılaştırma sonucu %1'den az bir sapma gözlenmiştir.Devingen nitelendirme için, benzer bir üretim yaklaşımı benimsenerek Bosch süreci temelli nanotel üretimi ve kimyasal-mekanik-cilalama temelli metal elektrot tesisinden yararlanılmış ve bir SOI pulu üzerinde silisyum çınlaç üretilmiştir. 50 ? m uzunluğa ve 200 nm çapa sahip nanoteller, 900 nm'lik nanotel-elektrot arası boşluklar korunarak elde edilmiştir. Kullanılan yöntemin ölçeklenebilirliği, standart SOI pulu üzerinde desenlendirme yöntemi olarak yalnızca optik litografi kullanılarak gösterilmiştir. Çift mesnetlenmiş nanotellerin yapısal bütünlüğü üç-nokta-bükme testi vasıtasıyla denetlenmiştir ve yüksek bağlama kalitesi yanı sıra 14 GPa kırılma mukavemeti gözlenmiştir.Benzersiz imalat yönteminin bir sonucu olarak cihaz, CMOS uyumlu elektromekanik cihazlar arasında bulunan çınlaç ve şalter uygulamaları için mükemmel bir geometri sergilemektedir. Söz konusu uygulamalardan elektrik tahrik ve okuma kullanarak yararlanılmış ve cihazlar nitelendirilmiştir. Sonuç olarak çınlanım frekansı 1.97 MHz ve kalite faktörü 75 olarak ölçülmüştür. Ölçülen çınlanım frekansı süreklilik modeli ile anlaşmakta olup, 2.8 MPa kadar bir içsel gerilmeye işaret etmektedir. Şalter nitelendirmesi elektrot ve silisyum nanotel arasında tanıtılan gerilim farkının süpürülmesi ile yürütülmüştür. Belli bir gerilim farkına ulaşıldığında ?pull-in? kararsızlığı meydana gelmekte ve bu görüngü bahsi geçen elektrot ve nanotel arasında ani bir akım artışı olarak kendini sergiler. Cihazda 30-40 V arası tekrarlanabilir ve isterik çekme ve bırakma davranışı gözlenmiştir. Cihaz deney çevresinin ışık yoğunluğuna bağlı olmak üzere 10 ve 1000 arası açık/kapalı oranı teşhir etmiştir. Cihazın ?pull-in? kararsızlık gerilimi silisyum nanotel çapının düşürülmesi veyahut silisyum nanotel ve elektrot arası boşluğun daraltılması ile mümkündür.Gözlemlenen bazı başarım parametreleri arasında, çınlanım frekansı, kalite faktörü ve ?pull-in? gerilimi gibi potansiyel uygulamalara elverişsiz görünen değerler elde edilmiş parametreler olsa da, bu değerler oldukça değişkendir. Cihaz geometrisinde silisyum nanotel çapı, uzunluğu ve nanotel-elektrot arası boşluk gibi çeşitli parametrelerde yapılacak küçük değişikliklerle geniş bir yelpazede başarım parametreleri elde edilebilir. Buna ilaveten üretim süreci pul yüzeyine dik silisyum nanotel dizinleri imal edecek şekilde ayarlanıp çoklu silisyum nanotel cihazları üretilebilir.

The challenge of mechanical characterization of silicon nanowires is addressed in this study by developing different devices and fabrication approaches for tensile and resonance-based testing. A novel microtensile device for the determination of elastic modulus and fracture strength of silicon nanowires is designed. An electromechanical simulation is carried out and a proposed fabrication flow is presented. Uniaxial deformation of the silicon nanowire is induced by an electrostatic comb actuator and the resulting displacements and load are measured by a triplate differential capacitive sensor. The silicon nanowire is positioned between the electrostatic comb drive and the triplate capacitive sensors. The issue of positioning and clamping is overcome by monolithic fabrication of silicon nanowires using the scalloping effect associated with the Bosch process. Analytical expressions for studying stability and linearity, including the effect of the electrostatic force generated by the excitation signal on the sensing electrodes, are derived and discussed for quasi-static applications. A MATLAB code is contrived for optimization of the device geometry. The overall performance of the device is examined via finite element analysis. A comparison with analytical results yields less than 1% deviation.The same fabrication approach is utilized for dynamic mechanical characterization, where a combination of Bosch-process-based nanowire fabrication with surface micromachining and chemical-mechanical-polishing-based metal electrode/contact formation is employed to contrive a silicon nanowire resonator on an SOI wafer. Nanowires up to a length of 50 µm with a diameter of 200 nm are achieved while retaining submicron nanowire-to-electrode gaps specifically of 900 nm. The scalability of the technique is demonstrated through using no patterning method other than optical lithography on conventional SOI substrates. Structural integrity of double-clamped nanowires is evaluated through three-point bending test, where good clamping quality and fracture strengths of 14 GPa are observed.As a result of the unique fabrication method the device exhibits perfect geometry for resonator and switch applications which are two areas of interest for CMOS-compatible electromechanical solutions. Resulting devices are characterized with all-electrical actuation and readout schemes. Resonance frequency of 1.97 MHz with a quality factor 75 is measured. The resonance frequency is in close agreement with continuum modeling and indicates a tensile intrinsic stress of 2.8 MPa in silicon. Switch characterization is conducted by sweeping a voltage difference which is introduced between an electrode and the silicon nanowire. At a certain voltage difference pull-in occurs and the phenomenon exhibits itself as an abrupt increase in the current between the aforementioned electrode and silicon nanowire. Repeatable and hysteretic pull-in and pull-out behavior is found in a range of 30-40 V. The device exhibits an on/off current gain between 10 and 1000 depending on the light intensity of the experiment environment. The pull-in voltage can be further decreased by decreasing silicon nanowire-electrode gap or silicon nanowire radius.Although exhibited performance parameters such as resonance frequency, quality factor and pull-in voltage are impractical for prospective appliance, they are highly malleable. By small alterations of the geometry of the device, such as nanowire diameter, length and nanowire-to-electrode gap, a diverse range of these parameters is producible. The fabrication process is also adjustable to fabricate silicon nanowire arrays perpendicular to the plane of substrate, enabling multiple nanowire devices along with single nanowire devices. Hence, a large spectrum of performance is addressable.