Fabrication and characterization of suspended graphene devices for CMOS integration

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-08-22

Department

Major/Subject

Materials Physics and Quantum Technology

Mcode

SCI3107

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

60

Series

Abstract

Graphene is a promising material for the next generation of portable microphones, with many of its qualities promising higher bandwidths and sensitivities for devices made out of graphene. However, at the current state of the art, the commercialization of these products is mostly limited by the adaptation of graphene fabrication to existing CMOS processes in a reliable and reproducible way. For these purposes, the graphene can either be grown directly on the target substrate or grown on a growth substrate and subsequently transferring it to the target substrate. The benefits of transferring graphene include the fact that the target substrate does not have to be exposed to the high temperature required for graphene growth, but its disadvantages include the more likely introduction of defects to the graphene during transfer. In this work, fabrication of suspended graphene devices was tested with a CMOS-compatible process. Graphene grown on a Cu growth substrate was transferred onto the target substrates using an electromechanical delamination process. Three different methods for achieving flat and smooth surfaces for reliable and defect-free graphene transfer were attempted. The release of the suspended components was done using a vapor hydrogen fluoride (VHF) etch of the sacrificial oxide layer beneath the graphene, for avoiding stiction of the membrane to the bottom of the cavity. Four different methods of electrical characterization was done on unsuspended test components both before and after the VHF etch, to monitor the effect of the HF vapor on the graphene. In addition, AFM measurements and Raman spectroscopy was performed on the samples, to determine thickness, roughness, and number of graphene layers as well as the presence of defects.

Grafen är ett lovande material för nästa generation av bärbara mikrofoner, eftersom många av dess egenskaper lovar högre bandbredd och känslighet för mikrofoner gjorda av grafen. I nuläget begränsas dock kommersialiseringen av dessa produkter mest av anpassningen av fabrikationsprocesserna till redan existerande CMOS-processer på ett tillförlitligt och reproducerbart sätt. För dessa ändamål kan grafenen antingen växas direkt på målsubstratet eller växas på ett tillväxtsubstrat och sedan överföras till målsubstratet. Fördelarna med att överföra grafen inkluderar bland annat att målsubstratet inte behöver utsättas för de höga temperaturer som krävs för grafentillväxt, medan dess nackdelar inkluderar det mer sannolika införandet av defekter till grafenet under överföringsprocessen. I detta arbete testades tillverkning av suspenderade grafenenheter med en CMOS-kompatibel process. Grafen växt på ett Cu tillväxtsubstrat överfördes till målsubstraten genom en elektromekanisk delamineringsprocess. Tre olika metoder prövades för att skapa plana och släta ytor för tillförlitlig överföring av defektfri grafen. Frigörandet av de suspenderade komponenterna gjordes med hjälp av en ångetsning med vätefluoridkemi (VHF-etsning) av offeroxidskiktet under grafenet, för att undvika att membranet fastnar i botten av kaviteten. Fyra olika metoder för elektrisk karakterisering utfördes på osuspenderade testkomponenter både före och efter VHF-etsningen för att övervaka effekten av HF-ångan på grafenet. Dessutom utfördes AFM-mätningar och Raman-spektroskopi på proverna, för att bestämma tjockhet, grovhet, och antal grafenlager, samt förekomsten av defekter.

Description

Supervisor

Liljeroth, Peter

Thesis advisor

Kainlauri, Markku

Keywords

graphene, microphone, CMOS, transfer, release, suspended

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202309035534

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI