Laser fabrication of in-chip multi-layer micro-channels
Lazer ile yonga-içi çok katmanlı mikro-kanal üretimi
- Tez No: 752723
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. ONUR TOKEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Yarım yüzyıldan fazla bir süredir devam eden elektroniklerin boyutunun küçültülmesine dair yönelim, elektronik cihazlarda ve bilişimde büyük ilerlemelerle sonuçlanmıştır. Ancak bu ilerlemeler“ısı-duvarı”probleminin ortaya çıkışıyla kesintiye uğramıştır. Isı duvarı terimi, sistemden ısının uzaklaştırılması kapasitesindeki kısıtlamayı ifade etmektedir. Isı duvarı nedeniyle elektronik cihazların saat hızlarındaki artış oranı azalmış ve daha hızlı hesaplama seviyelerine ulaşım güçleşmiştir. Soğutma problemi, günümüzde, teknolojinin Moore Yasası'nda öngörüldüğü gibi ilerleyememesinde kritik bir rol oynamaktadır. Isı-duvarı problemine olası bir çözüm, yongaların içindeki gerekli yerlere, kontrollü miktarlarda, soğutucu akışkan dağıtımı sağlayan mikro-akışkan kanalların kullanımıdır. Bu yenilikçi yaklaşım, entegre mikro-akışkanlar kullanımıyla yakın zamanda gösterilmiştir. Ancak bu tür yaklaşımlar, pahalı ve karmaşık üretim yöntemleri içeren geleneksel litografi teknikleriyle üretilmiş yüzey mikro-kanalları içermektedir. Ayrıca bu yöntemler, mikro-akışkan kanalların erişiminin zor olacağı yongadaki tüm sıcak bölgelerin soğutulmasına etki etmeyebilir. Bu çalışmada, silisyumun içerisinde, istenilen derinlikte, çok katmanlı mikro kanallar oluşturulması için lazer tabanlı bir mikro üretim yaklaşımı öneriyoruz. Ayrıca bu yöntem, yonga üstü elemanların entegrasyonu için yonga üst yüzeyinin optik kalitesinin korunmasını da sağlamaktadır. Silisyum yongalarının lazerle üç boyutlu şekillendirme konseptinin kanıtı daha önce gösterilmiştir. Burada bu yaklaşımdan yararlanıyoruz ve silisyumun derinliklerinde doğrusal olmayan lazer yazımını ve yazılmış bölgelerin seçici kimyasal aşındırılmasını içeren iki aşamalı bir yöntem kullanmaktayız. Şu ana kadar ilk kez üretilmiş, yongaya tamamen gömülü ve çok katmanlı mikro-kanal serilerini, kavisli geometrileri ve gelişmiş mimari kontrolünü sunmaktayız. Yonga-içi mikro-kanalları 25'e varan yüksek bir en-boy oranı ile üretmekteyiz. Yapıların ölçeklendirilebilirliğini, üretilen yapıların boyutlarını ve kullanılan lazer yazım modalitesindeki değişebilirliği inceliyoruz; seçici aşındırma oranlarını karakterize ediyoruz ve foto-dirençli kaplamalardan yararlanarak yonga yüzeyinin korumasını sağlıyoruz. Desenlendirilmiş ışık demetleri kullanarak düşük duvar pürüzlülüğü (0.23 µm) hakkındaki ilk sonuçlarımızı sunuyoruz ve dikey mikro kanallar, yani“silisyum boyu kanallar”üretimini gösteriyoruz. Yonga yüzeyi hasar görmemiş olarak üretilen bu çok katmanlı kanal mimarisi, entegre sistemlerin ısı yönetimi için kullanımı açısından önemli bir potansiyele sahiptir.
Özet (Çeviri)
For over half a century, the trend towards miniaturization resulted in great advances in electronic devices and computation. However, this is recently challenged by the emerging“heat-wall”, a term indicating the limitation in heat extraction capability precludes further increasing the clock rates of electronics and thus delays faster computation. The challenge of heat extraction is a critical contributor to the recent stalling of Moore's Law. A potential solution for the heat-wall problem is to exploit microfluidic channels, in order to deliver controlled amounts of cooling fluid into relevant parts of the chip. Such an innovative approach is shown recently using integrated microfluidics. However, such approaches constitute surface microchannels fabricated with conventional lithography techniques, involving expensive and complicated fabrication steps. Further, these strategies may not treat all hot spots over a chip, where microfluidic channels are challenged to have access to desired locations. Here, we propose a laser-based micro-fabrication approach for creating multi-layered microchannels at any depth in the bulk of silicon. Further, the method ensures that the optical quality of top wafer surface remains preserved for potential integration of on-chip elements. Previously, proof-of-concept 3D laser-sculpting of silicon wafers have been demonstrated. Here, we leverage this approach, and exploit a two-step method which involves nonlinear laser-writing deep inside Si, followed by selective chemical etching of modified areas. We demonstrate the first fully buried multi-layered arrays, curved geometries and advanced architecture control. We create in-chip microchannels with a high aspect ratio of 25. We investigate the scaling and feature size of structures and the flexibility in laser-writing modality; characterize selective etching rates; and achieve wafer surface protection exploiting photo-resist coatings. We further present early results for low channel-wall roughness (0.23 μm) using modulated beams, and fabricate vertical micro-channels, i.e.,“through silicon vias”. The created multi-layer channel architectures with unscathed wafer surfaces have significant potential for use in heat-engineering of integrated systems.
Benzer Tezler
- Development of novel aflatoxin B1 biosensors by carbon nanotube integrated microfluidic systems
Karbon nanotüp entegre edilmiş mikroakışkan sistemlerin kullanımıyla yeni aflatoksin B1 biyosensörlerinin geliştirilmesi
NAGİHAN OKUTAN ARSLAN
Doktora
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Intrinsic stress-induced self-assembly of multilayer thin films for fabrication of three-dimensional micro devices
Üç boyutlu mikro aygıtların üretimi için çok katmanlı ince filmlerin iç gerilme kaynaklı kendiliğinden montajı
RAYAN BAJWA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. MURAT KAYA YAPICI
- Colloidal quantum well light emitting diodes
Koloidal kuantum kuyuları tabanlı ışık yayan dalga kılavuzları
AHMET TARIK IŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Güneş hücresi ve lazer uygulamaları için büyütülen SB tabanlı III-V grubu yarıiletken yapıların incelenmesi
Investigation of grown SB-based III-V group semiconductor structures for solar cell and laser applications
SABAHATTİN ERİNÇ ERENOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU ARPAPAY
- Silicon germanium multi quantum wells for high efficiency optoelectronic devices
Silisyum germanyum çoklu kuantum kuyuları içeren yüksek verimli optoelektronik aygıtlar
ALPER YEŞİLYURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY