Silicon nanowires: Monolithic fabrication in thick silicon layers and nanomechanical testing
Silisyum nanotellerin kalin silisyum katmaninda yekpare üretimi ve nanomekaniksel testi
- Tez No: 387575
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Günümüzde elektronik cihazlarda kullanılan elemanların sürekli küçülmeye gitme eğiliminin sonucu olarak küçük boyutlardaki malzemelerin fiziksel özelikleri merak edilmeye başlanmıştır. Malzemelerin küçük ölçekteki özellikleri- özellikle nanometre boyutlarında- büyük ölçekteki özelliklerinden son derece farklı olduğu gözlemlenmiştir. Bu farklılık nano ölçekte kendini göstermeye başlayan quantum kısıtlama etkisi ve yüksek yüzey alanı- hacim oranı etkisinden kaynaklanmaktadır. Nanotellerin elektonik ve elektromekanik alanlarında kullanılan aletlere küçülme ve performans arttırımı getirmesi umut edilirken bu küçük fonksiyonel birimlerin güvenilirlik ve dayanıklılık testlerinin yapılması gerekmektedir. Özellikle mekanik alanındaki güvenilirlik çalışmaları karşılaşılan bazı zorluklar sebebiyle literatürde çok az yer almaktadır. Bu zorluklar tutarlı nanotel numune üretimi, numune manipulasyonu, numune-test düzeneği hizalaması ve nanotelin test düzeneğine tutturulması şeklinde özetlenebilir. Bu çalışmanın başlıca amacı tümden-gelim üretim yöntemi kullanılarak kalın bir silisyum tabakası ya da SOI alttaşının cihaz katmanı ile silisyum tel ile yekpare bir şekilde üretilmesidir. Bu yöntem ile nanotel boyut ve yönelim kontrolü, aynı zamanda da kalıcı olarak nanotelin yine silisyumdan yapılma tutanaklara yekpare olarak bağlanması sağlanmaktadır. Çalışmanın diğer bir amacı da önerilen üretim yöntemiyle üretilen nanotellerin yüksek çözünürlüklü test yöntemiyle mekanik bütünlük karakterizasyonu çalışmasını yapmaktır. Bu amaçla ilk olarak yüksek çözünürlüklü litografi, yönlü aşındırma, yanduvar etkisizleştirme ve derin- yönlü iyon aşındırma ile kontrollü dip oyuğu yöntemleri kullanılarak nanotel üretim teknolojisi geliştrildi. Üretimi tamamlanan nanotellerin ebatları genişlik olarak 20 nm ile 80 nm arasında, kalınlık ise 100 nm olarak ölçülmüştür. Üretilen nanoteller 10 mikrometre derinlik üzerinde havada salınmaktadır. Uzunluk olarak ise 200 nanometreden 12 mikrometreye kadar geniş bir aralık taranmıştır. Üretim yönteminin başarılı bir şekilde tamamlanmasını takiben, üretilen nanoteller üzerinde atomik- kuvvet mikroskobu kullanılarak üç-nokta-bükme deneyleri yapılmıştır. Ölçümler ortam şartlarında sayısal nano-mekanik özellik modülü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nanotellerin elastik ve kırılma davranışları incelenmiştir. Sonuçlar analitik ve nümerik araçlarla tahlil edilip sonuç olarak üretim sırasında nanoteller içerisine hapsedilen iç gerilim stresleri olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışma, silisyum nanotellerin boyutlarının, kristal yönelimlerinin, alttaş üzerindeki konumlarının sadece üretim serim tasarımı kullanılarak üretilmesi konusunda varolan bilgiye katkı sağlamaktadır. Aşındırma derinliğinin 10 mikrometre olarak gösterilmesinin yanısıra 50 mikrometre ve daha fazlası için gereken tasarım kriterleri de öngörülmüştür. Geliştirilen teknoloji eşsiz olup, gelecek nanotel- mikrosistem entegrasyonu uygulamaları açısından önemli bir yere sahiptir.
Özet (Çeviri)
Nanowires have gained prominence in the fields of nanoelectronics and nano electromechanical systems thanks to continuous miniaturization of components and their utilization in day-to-day applications. Unique properties are exhibited by nanoscale structures due to quantum size confinement and an extremely large surface-to-volume ratio compared to their bulk-counterparts. Hence, mechanical characterization of these novel nanostructures is crucial in order to fulfill reliability requirements of these devices. A significant work still lies ahead in the mechanical domain due to challenges encountered inconsistent nanowire fabrication, manipulation, alignment and attachment in a test setup. The primary aim of this study is to develop a top-down fabrication approach allowing monolithic fabrication of silicon nanowires in a thick silicon layer, either a silicon wafer or the device layer of an SOI substrate. This will ensure a good level of control on nanowire dimensions and orientation along with a permanent attachment to surrounding support structures. The second aim of this study is to characterize the mechanical integrity of resulting nanowires through a high-resolution testing approach. For these purposes a fabrication technology is developed based on high-resolution lithography, directional etching, sidewall passivation and controlled undercut through deep reactive ion etching. Resulting nanowires exhibit widths (in-plane dimensions) between 20-80 nm, where a thickness (out-of-plane dimension) of 100 nm is demonstrated over very deep (10 um) trenches etched in silicon. A wide range of aspect ratios with nanowire lengths ranging from 200 nm to 12 um is achieved. Following the successful demonstration of the fabrication approach, three-point bending experiments are conducted on silicon nanowires using atomic force microscopy. Tests are conducted under ambient conditions by using a PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping module. Both elastic and fracture behavior of nanowires are captured. Results interpreted through analytical and numerical tools indicate the existence of a tensile intrinsic stress within nanowires. This work provides a significant contribution to the monolithic fabrication of silicon nanowires where crystalline orientation, location and dimensions are solely determined by the layout design. Although an etch depth of 10 um is demonstrated, guidelines are as well provided to increase the depth to 50 um and beyond. The developed technology is unique and has important implications for future integration of nanowires with microsystems.
Benzer Tezler
- Silicon-based nanowires: Top-down fabrication and mechanical behavior
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Mechanical characterization of silicon nanowires
Silisyum nanotellerin mekanik nitelendirilmesi
EVREN FATİH ARKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- Scale dependence in mechanical behavior of silicon nanowires
Silikon nanotellerde mekanik davranışın ölçek bağımlılığı
SINA ZARE PAKZAD
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Integration of silicon nanowires with 3D devices: Fabrication and modeling
Başlık çevirisi yok
MOHAMMAD NASR ESFAHANI
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- A MEMS-based microtensile testing method for Si nanowires
Si nanoteller için MEMS temelli mikrogerme test yöntemi
BERKAY GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA