Fabrication and characterization of silicon nanowire resonators

Abstract

Nano ölçekteki çesitli yapılar arasında nano teller, sahip oldukları ve genis çapta tercih edilme sebepleri olan benzersiz elektriksel ve mekanik özelliklerden ötürü özellikle dikkate değerdir. Nano tel üretim yöntemlerinin iki sınıfa ayrıldığı bilinmekte: Kendiliğinden birleşme ve yukarıdan aşağı yöntemler. Kendiliğinden birlesme yöntemlerinin nano tellerin yönelim ve ebatları üzerinde zayıf bir kontrol sunduğu, istenen yapı elde edilebilse dahi, bu kez de bütünleşme çabası esnasında büyük zorluklar çıkardığı bilinmekte. Yukarıdan aşağı yöntemler, öte yandan, nano tellerin yeri ve boyutlarına dair güçlü bir kontrol önermesine karşın, bu yöntemler genellikle kitle üretimine müsaade etmemektedir.İşbu tez çalısmasının bir amacı, Si nano tel demetlerinin çevrelerindeki mikro yapılarla kendiliğinden hizalandığı bir üretim yöntemi tanıtmaktır. Dahası, numune yüzeyine dikey doğrultuda bir demet üretimini sağlayan bu teknikte, demet içindeki nano tel sayısı da üretim sırasında belirlenebilmekte. Bir durum incelemesi olarak Si nano tel demetini çevreleyecek bir çift metal elektrot meselesi üzerine de eğilinmiştir. Böylesi bir bütünleşmenin geleneksel fotolitografi çerçevesi dahilinde gerçekleştirilmesi asıl amaç olarakbelirlenmiştir. `Elma ısırığı` etkisinden ve takiben ısıl oksitlemeden faydalanılarak Si nano tel üretimi gösterilmiştir. <100> ve <110> kristal yönelim ailelerine mensup Si nano teller üretilmiştir. Nihai nano teller 50?m uzunluk ve 200-350nm çaplara sahip, yani 143 ila 250 arasında değişen en/boy oranlarına haizler. Nano tellerle eş zamanlı olarak bir çift metal elektrot üretilmiştir. Geleneksel fotolitografi, ICP-DRIE (inductively coupled plasma ? deep reactive ion etching), ısıl oksitleme, metal püskürtme, CMP (chemical-mechanical polishing) üretimin temelini oluşturmaktadır.Tez çalışmasının bir diğer amacıysa nano tel karakteristiğinin, daha özelinde tellerin çınlanım davranışının araştırılmasıdır. Nano tellerin tahriği babında manyetomotor ve elektrostatik kuvvet senaryoları incelenmiş olup, çınlanım davranışının saptanması adına sığal okuma yapılması planlanmıştır. Üretilen nano tellerin karakterize edilmesi kapsamında elektriksek olarak akım/voltaj, `pull-in` ve doğru akım-alternatif akım deneyleri yapılmış, çift taraflı tutturulmuş nano tellerin orta noktalarında yarım mikron civarı büküldüğügözlemlenmiştir. Mekaniksel bağlamda, bir mikro manipülatör vasıtasıyla gerçekleştirilen sondalama deneyleri nano tellerin yüksek mertebede esnek olduğunu göstermiştir: Çift taraflı tutturulmuş haldeki teller yaklaşık 6 mikron hareket ederken, kiriş halindekilerin açıkta kalan ucunun 16 mikronluk bir uzunluğa dek kırılmadan eriştiği görülmüştür. Si nano tellerin kırılım noktaları göstermiştir ki üretilen cihazlar kuramsal değere yakın bir kırılım gücüne sahiptir.

Amongst various nanoscale building blocks, nanowires are of particular interest due to their unique electrical and mechanical properties, which render them widely preferred structures. Nanowire fabrication methods are known to fall into two categories: self-assembly and top-down techniques. Self-assembly techniques are known to suffer from feeble control on the nanowire directionality and size; even desired structure to have been attained, integration challenges are to be confronted. Top-down fabrication techniques on the other hand possess a very good control on the location and dimensions of nanostructures, but these are not commonly compatible with batch production.One objective of this thesis work is to introduce a fabrication technique, where Si NW arrays are aligned with surrounding microstructures. Furthermore, the technique allows vertical array to substrate surface in where the number of nanowires is controlled by fabrication. As a case study, the problem of a pair of metallic electrodes surrounding an array of Si NWs is considered. Realization of such an integration within the boundaries of conventional photolithography is the major aim. Fabrication of Si NWs utilizing scallopingeffect and thermal wet oxidation is demonstrated. NWs in <100> and <110> crystal orientation families are produced. Resultant NWs had 50 ?m length and 200-350 nm diameters indicating aspect ratios varying from 143 to 250. Simultaneous to NWs, a pair of metal electrodes are fabricated. Conventional photolithography, inductively coupled plasma ? deep reactive ion etching (ICP-DRIE), thermal oxidation, metal sputtering, chemical mechanical polishing (CMP) form the basis of fabrication.Another objective is the investigation of NWs' characteristics, more specifically their resonance behavior. For actuation mechanism of the nanowires, scenarios relying upon magnetomotive force and electrostatic forces are investigated. On NW resonance behavior detection grounds, capacitive readout is planned. To characterize the produced nanowires, electrically, current versus voltage, pull-in and ac/dc experiments are carried out. Doubly clamped nanowires are observed to bend around half micron at their very midpoints. Mechanically, probing experiments via a micromanipulator revealed that nanowires areamply flexible: in doubly clamped form, they displaced approximately 6 microns while in cantilevered form, free end swept a distance of 16 microns. Fracture point of the Si nanowires assured that fabricated devices have fracture strength close to theoretical value.