Solid State Dewetting as a bottom-up fabrication process for semiconductor nanostructures

Solid-state dewetting (SSD) is a surface-energy-minimization-driven self-organized process in which a thin solid film spontaneously breaks into isolated 3D structures upon thermal annealing. This phenomenon has gained significant interest as a bottom-up process for the fabrication of crystalline nanostructures with controlled morphologies. This thesis investigates silicon-on-insulator (SOI) and amorphous germanium (a-Ge) thin films' SSD behaviour, focusing on optimal cleaning and annealing conditions identification to obtain ordered nanostructures and on developing an effective method for transferring dewetted Ge islands onto flexible substrates. All experiments were carried out in a temperature and pressure controlled environment in a custom-made annealing machine. Results on flat SOI films highlight that proper surface preparation is a key parameter to achieve complete de-oxidation and uniform dewetting. This was found to be ensured by a cleaning sequence procedure consisting of 20-minute plasma treatment, 2% DHF bath, and a second 20-minute plasma exposure, followed by annealing at 820°C for two hours. However, for patterned SOI samples, the oxide removal plays a crucial role in defining the final morphology. In particular, excessive under-etching can inhibit dewetting in nano-squared patterned Si films, while incomplete de-oxidation can limit dewetting in Si nanowires, acting as a capping layer. In the case of a-Ge systems, the annealing conditions to achieve ordered island array configurations were found at 770°C for 2h. The subsequent Ge islands transfer process onto flexible substrates was implemented using a polydimethylsiloxane (PDMS) bilayer (hard + soft) configuration. Overall, the results demonstrate that controlled SSD can be exploited as a reliable bottom-up process to fabricate ordered semiconductor nanostructures and flexible devices with potential applications in nanoelectronics, photonics, and resonant devices.

Il Solid-State Dewetting (SSD) è un fenomeno di auto-organizzazione, guidato dalla minimizzazione dell’energia superficiale, in cui un film sottile solido, sottoposto a un trattamento termico, si frammenta spontaneamente formando strutture 3D isolate. Questo fenomeno è sfruttato come processo bottom-up per la fabbricazione di nanostrutture cristalline con morfologia controllata. Questa tesi ha avuto come obiettivi principali l'individuazione delle condizioni ottimali di pulizia e annealing per ottenere nanostrutture ordinate su film di silicio e germanio, e lo sviluppo di un metodo efficiente per il trasferimento delle strutture 3D di germanio su substrati flessibili. Gli esperimenti sono stati condotti in condizioni di pressione e temperatura controllate utilizzando una macchina di annealing custom-made. I risultati ottenuti su campioni di SOI senza pattern evidenziano l’importanza di un’appropriata preparazione del campione per ottenere un dewetting completo e uniforme. La sequenza di pulizia con 20 minuti di plasma, immersione in DHF e un secondo trattamento al plasma di 20 minuti, seguita da un annealing di 2 ore a 820°C, consente una deossidazione completa e la formazione di isole ben definite. Nei campioni con pattern, la rimozione dell’ossido è più critica: un eccessivo under-etching compromette l'uniformità del dewetting nei nano-quadrati, mentre una deossidazione incompleta porta, nel caso dei nanowires, alla loro frammentazione in isole, dovuta alla presenza di uno strato di copertura. Nel caso dell’amorfo germanio (a-Ge), le condizioni ottimali per la formazione di isole ordinate sono state individuate in un annealing a 770°C per 2 ore. Il trasferimento delle isole su substrati flessibili è stato poi realizzato con un doppio strato di polidimetilsilossano (PDMS) (hard + soft). I risultati dimostrano come l’SSD possa essere sfruttato come processo bottom-up per la fabbricazione di nanostrutture di semiconduttori e la loro integrazione su dispositivi flessibili, con potenziali applicazioni in nano-elettronica, fotonica e per lo sviluppo di dispositivi a risonanza.