Metallic micro-cantilever resonators: Fabrication and mechanical property measurements

Abstract

Bu çalışmanın amacı bir konsol kiriş yapılı mikro çınlacın üretim şemasını tadil ederek ve çınlacın yapısal bileşenlerinin mekanik özelliklerini ölçerek performansını yükseltmektir. Çınlaçlar biyolojik algılama uygulamalarında kullanılacağından ikinci husus biyolojik ölçümlerin miktarının belirlenmesi açısından önemlidir. Biyolojik algılayıcı yongası için önerilen üretim metodunun en kritik basamaklarından biri olan elektro-kaplama, çalışıldı. Değişen akım yoğunluğunun ve kaplama zamanının kaplanan nikel kalınlığına ve yüzey pürüzlüğüne olan etkisi araştırıldı. 1000 nm nikel kalınlığı için 10-20 nm'lik yüzey pürüzlüğü elde edildi. Yeni bir fotolitografi serim tasarımı kullanılarak aynı üretim yolu hem silisyum hem de yalıtkan katman üstündeki silisyum (SOI) tabakalarda uygulandı ve bu tabakalarda elde edilen sonuçlar karşılaştırıldı. Silisyum alttaştan SOI alttaşa geçildiğinde mikro konsol kirişin altındaki oyulmuş yüzeyin pürüzlülüğü 15?30 nm'den, 0.5?5 nm'ye düştü. Bu sayede SOI numuneler ile optik çınlanım frekans ölçüm düzeneği açısından daha uygun ve güzel yüzey özellikleri elde edildi.Çalışmanın devamında, çınlanım tekniği kullanılarak konsol kiriş yapılı mikro çınlaçların üretiminde kullanılan malzemelerin elastisite modülleri belirlendi. Teorik formüller ve çınlanım tekniği için kullanılan optik ölçüm düzenekleri gösterildi. En sonunda, elektro-kaplanmış nikelin (800 nm kalınlığında) elastisite modülü için 10.5 GPa standart sapma ile 165.5 GPa, RF-saçtırılmış altının (100 nm kalınlığında) elastisite modülü için 39.37 GPa standart sapma ile 53.75 GPa, RF-saçtırılmış kromun (20 nm kalınlığında) elastisite modülü için 16 GPa standart sapma ile 67 GPa bulundu. Nikel, altın ve krom katmanları için elde edilen modül değerlerinin daha önceki çalışmalarda bulunan değerler ile uyum içerisinde olduğu görüldü. Son olarak, çift katmalı ve iki yerden tutturulmuş mikro konsol kiriş yapıların çınlanım frekanslarındaki değişim ve bu yapıların güvenilirliği 10 ay boyunca çalışıldı. Güvenilirlik testi bu cihazların çınlanım frekansına etki edecek faktörler hakkında bir sonuca varmamıza izin vermedi.

The objective of this work is to improve the performance of a micro-cantilever resonator by modifying its fabrication flow and by measuring actual mechanical properties of its structural constituents. The latter is important for the quantification of biological measurements as resonators are intended to be used in biological sensing applications. Electro-plating, one of the critical steps in the proposed fabrication method of the biosensor chip is studied. The effect of changing current density and time to deposited nickel thickness and surface roughness is illustrated. For 1000 nm nickel thickness, a surface roughness range between 10-20 nm is obtained. By using a new photolithography layout, same fabrication procedure is carried out both on silicon and silicon-on-insulator (SOI) wafers, and obtained results on these substrates are compared. The surface roughness for the etched gap underneath the micro-cantilevers is decreased from 15-30 nm to 0.5-5 nm when switched from silicon wafer to SOI wafer. It is seen that better surface properties are obtained with SOI samples which is also more suitable for the optical resonance frequency measurement setup.In continuation of this thesis, modulus of elasticity values for materials used in the fabrication of micro-cantilever resonators are determined by using resonance technique. Theoretical formulations and optical measurement setups used in this method are demonstrated. At the end, 165.5 GPa is obtained for the modulus of elasticity of electro-plated nickel (800 nm-thick) with a standard deviation of 10.5 GPa; 53.75 GPa is obtained for the modulus of elasticity of RF sputtered gold (100 nm-thick) with a standard deviation of 39.37 GPa; 67 GPa is obtained for the modulus of elasticity of RF sputtered chromium (20 nm-thick) with a standard deviation of 16 GPa. Obtained modulus values for thin nickel, gold and chromium films are in good agreement with what was found in the literature before. Finally, the change in the resonance frequency and the reliability of double-layered double-clamped micro cantilevers are studied over a 10-month period. The reliability study did not allow us to reach a conclusion about the factors affecting the resonance frequency of these devices.