KFUPM ePrints

DEVELOPMENT OF ULTRATHIN POLYCRYSTALLINE SILICON GERMANIUM FILMS AS STRUCTURAL LAYERS FOR APPLICATIONS IN NANOELECTROMECHANICAL SYSTEMS

l DEVELOPMENT OF ULTRATHIN POLYCRYSTALLINE SILICON GERMANIUM FILMS AS STRUCTURAL LAYERS FOR APPLICATIONS IN NANOELECTROMECHANICAL SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF - Submitted Version
5Mb

Arabic Abstract

في السنوات الأخيرة، وجهت الكثير من الجهود البحثية نحو التصغير من الأجهزة والمكونات من أجل جعلها محمولة، مدمجة، أكثر كفاءة، وأكثر حساسية مما يجعلها تستهلك طاقة أقل. هذه الأسباب وغيرها، دفع الى الاهتمام المتزايد في بحوث نانو نظام الكهروميكانيكية (NEMS). ومن المتوقع أن تشمل جميع جوانب الحياة من أنظمة السيارات والاتصالات والطب والهندسة الحيوية. جزء من هذه الأطروحة يركز على التحسين من بعض الخصائص الافلام الرقيقة جدا بسماكة (~ 100 نانومتر) المكونة من كريستالات السليكون الجرمانيوم (بولي SiGe) والتي يمكن استخدامها كطبقات لبناء أجهزة (NEMS)، بما في ذلك أجهزة الاستشعار، ومفاتيح نانو، نانو مرنانات، الخ. تم اختيار البولي SiGe لامكانية ترسيبة في درجة حرارة أقل بالمقارنة مع العديد من المواد الأخرى (< 450°م) بواسطة تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائية. إضافة إلى ذلك، فإن الضغوط الجوهرية يمكن ضبطها بشكل إيجابي مع الجرمانيوم. تم استخدام منهج جراي تاجوشى لايجاد المزيج الأمثل من التوتر (43MPa)، المقاومة (1.39 mΩ سم) ومعدل الترسيب (0.34 نانومتر / ثانية) في مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات CMOS، وفي درجة حرارة متوافقة للترسيب (415°م)، و بستخدام معدلات تدفق سيلاني و جيرمن ( 8 (SCCM SCCM180))، على التوالي. بالإضافة إلى هذه الصفة الأمثل، تم اختيار أفضل وصفة تجريبية من صفيف تاجوشى لمزيد من التوصيف. من بين الخصائص المقاسة الأخرى تشمل المواد الكيميائية (تركيز البورون والجرمانيوم آسر) والكهربائية (تركيز الناقل، قاعة التنقل والمقاومية)، والميكانيكية (خشونة السطح، ومعامل مرونة وصلابة). باستخدام هذه الوصفات، تم عمل دراسات تجريبية مفصلة لتكون التوتر، المقاومة وخصائص السطح، لفهم كيفية تأثر التوتر المحلي في كافة أنحاء سماكة الفيلم. وتبين أنالاختلاف الكبير في الضغوط المحلية في كافة أنحاء سماكة الفيلم هو مؤشر على التغير في درجة التمدد في الهيكل القائم بذاته. استنادا إلى أفضل التجارب والوصفة الأمثل،تم تصنيع سلسلة نانو الكابولي(nano cantilever) بسماكة من ~ 100 نانومتر، و~ 60 نانومتر، باتباع الإجراءات االمعموا بهى في قطع الاسطح متناهي الصغر. تم قياس الانحنائات في اطراف نانو الكابولي بستخدام المجهر الإلكتروني والمجهر الذري القوة لعدد من الكابولي لأبعاد مختلفة من (0،3 حتي 10 ميكرون طولي و0،3-1 ميكرون عرضي). ثم تم أحتساب متوسط التدرجات في التمدد لتكون -0.083 ± 0.009 / ميكرون، -0.02 ± 0.004 / ميكرون و-0.20 ± 0.036 / ميكرون لالكابولي بسماكة 100 نانومتر تمت معالجتها بستخدام الوصفة الأمثل، و بسماكة 100 نانومتر و 60 نانومتر تمت معالجتها بستخدام الوصفة الأفضل تجريبيا ، على التوالي. يعتبر التدرج في التمدد -0.02 ± 0.004 / ميكرون، الذي يؤدي الى انحناءطرف الكابولي من الهبوط ~ 10 نانومتر ل1 ميكرومتر طولي، و 0.84 ميكرون عرضي وسماكة 0.1 ميكرومتر ، ليكون طبقة هيكلية جيدة لتطبيقات مفاتيح نانو nano-switches ،و نانو مرنانات nano-resonators،و أجهزة الاستشعار وغيرها. الأدلة من توزيع التوتر والمقاومة،لواحد من الأفلام، يدل على أن اختلاف طفيف في تدرجات التمدد يمكن أن يعزى إلى الاختلافات الملحوظ في الإجهاد و المقاومة. وأخيرا، استنادا إلى مفهوم الضغوط السطحية، تم اقتراح نموذجا جديدا الإجهاد الجوهرية. و تم اشتقاق المعادلات التي تصف تطور التوتر في مرحلة ما قبل التحام، والتحام بعد التحام لمراحل نمو الفيلم. كما تم اختبار النماذج ووجدت أنها تتوافق مع النتائج التجريبية بدقة إلى حد ما.

English Abstract

In recent years, lots of research efforts have been directed towards miniaturization of devices and components in order to make them portable, compact, more efficient, more sensitive and ultimately consume less power. These reasons, among others, propel the increased research interest in nanoelectromechanical system (NEMS). The impact of NEMS is projected to cut across all aspects of life from automotive systems and communication to medicine and bioengineering. A part of this dissertation focuses on the optimization of some characteristics of ultrathin (~100 nm) polycrystalline silicon germanium (poly-SiGe) films that are suitable for applications as structural layers for NEMS devices including biosensors, nanoswitches, nanoresonators, etc. Poly-SiGe is selected because it can be deposited at a lower temperature (< 450oC) by chemical vapour deposition technique compared to many other materials. In addition, the intrinsic stresses can be favourably tuned with germanium. For the optimization process, the grey-Taguchi approach was used to deliver an optimal combination of stress (43 MPa), resistivity (1.39 mΩ-cm) and deposition rate (0.34 nm/s) at CMOS (complementary metal oxide semiconductor) compatible deposition temperature of 415oC, silane and germane flow rates of 8 sccm and 180 sccm, respectively. In addition to the optimized recipe, an ‘experimental best’ recipe selected from the Taguchi orthogonal array was further characterized. Among the additional characteristics included those of chemical (boron concentration and germanium fraction), electrical (carrier concentration, Hall mobility and resistivity), and mechanical (surface roughness, elastic modulus and hardness). By using these recipes, detailed experimental studies of evolution of stress, resistivity and surface properties were conducted to understand how the trend of the local stresses across the film thickness is influenced. It is shown that a large variation in the local stresses is an indication of a strain gradient expected in a free-standing structure. Based on the ‘experimental best’ and the optimized recipes, series of ~100 nm and ~60 nm thick nanocantilevers were fabricated following the established procedure for surface micromachining. The deflections at the cantilever tips were measured from scanning electron microscopy and atomic force microscopy images for a number of cantilevers of various dimensions (0.3 – 10 µm long and 0.3 – 1 µm wide). The average strain gradients are then calculated to be -0.083 ± 0.009 /µm, -0.02 ± 0.004 /µm and -0.20 ± 0.036 /µm for the cantilevers processed with 100 nm thick optimized, 100 nm thick experimental best and 60 nm thick experimental best recipes, respectively. The strain gradient of -0.02 ± 0.004 /µm, which implies a downward tip deflection of ~10 nm for 1 µm long, 0.84 µm wide and 0.1 µm thick cantilever, is considered to be a good structural layer for applications in nanoswitches, nanoresonators, biosensors among others. Evidence from the stress and resistivity maps, for one of the films, shows that the slight variation in the strain gradients can be attributed to the observed stress and resistivity variations. Finally, based on the concept of surface stresses, a new intrinsic stress model is proposed. The equations that describe the stress evolution at the precoalescence, coalescence and postcoalescence stages of film growth are derived. The models are tested and are found to agree with the experimental results fairly accurately.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Said, SAM
Committee Co-Advisor:Tabet, Nour
Committee Members:Witvrouw, Ann and Loaui, Tahar and Al-Aqeeli, Naseer
ID Code:138948
Deposited By:ASAFA TESLEEM BABATUNDE (g200902430)
Deposited On:02 Jul 2013 09:42
Last Modified:02 Jul 2013 09:42

Repository Staff Only: item control page