Fabricación De Cavidades Uniformes A Nanoescala A Través De La Unión Directa De Obleas De Silicio

Resumen

Se describe un método para unir permanentemente dos obleas de silicio con el fin de realizar un recinto uniforme. Esto incluye la preparación de obleas, la limpieza, la unión RT y los procesos de recocido. Las obleas (células) enlazadas resultantes tienen uniformidad de recinto ~1%^1,2. La geometría resultante permite mediciones de líquidos y gases confinados.

Resumen

Las mediciones de la capacidad calorífica y la fracción superfluida de ^{confinados 4}se han realizado cerca de la transición lambda utilizando obleas de silicio litographically modeladas y unidas. A diferencia de los confinamientos en materiales porosos a menudo utilizados para este tipo de experimentos^3,las obleas unidas proporcionan espacios uniformes prediseñados para el confinamiento. La geometría de cada celda es bien conocida, lo que elimina una gran fuente de ambigüedad en la interpretación de los datos.

Excepcionalmente planas, de 5 cm de diámetro, 375 μm de espesor, las obleas de Si con aproximadamente 1 μm de variación sobre toda la oblea se pueden obtener comercialmente (de Semiconductor Processing Company, por ejemplo). El óxido térmico se cultiva en las obleas para definir la dimensión de confinamiento en la dirección z. A continuación, se graba un patrón en el óxido utilizando técnicas litográficas para crear un recinto deseado tras la unión. Se perfora un agujero en una de las obleas (la parte superior) para permitir la introducción del líquido a medir. Las obleas se limpian² en soluciones RCA y luego se ponen en una cámara microlimpie donde se enjuaguen con agua desionizada^4. Las obleas se unen en RT y luego se recocido a ~ 1,100 ° C. Esto forma un vínculo fuerte y permanente. Este proceso se puede utilizar para hacer recintos uniformes para medir las propiedades térmicas e hidrodinámicas de líquidos confinados desde el nanómetro hasta la escala de micrómetros.

Introducción

Cuando las obleas de silicio limpias entran en contacto íntimo en RT, se sienten atraídas entre sí a través de las fuerzas de van der Waals y forman enlaces locales débiles. Esta unión se puede hacer mucho más fuerte mediante el recocido a temperaturas más altas^5,6. La unión se puede hacer con éxito con superficies de SiO₂ a Si o SiO₂ a SiO_2. La unión de obleas de Si se utiliza más comúnmente para el silicio en dispositivos aislantes, sensores y actuadores basados en silicio y dispositivos ópticos⁷. El trabajo descrito aquí toma la unión directa de obleas en una dirección diferente al usarla para lograr recintos bien definidos y espaciados uniformemente en toda el área de la oblea^8,9. Tener una geometría bien definida donde se puede introducir el fluido permite realizar mediciones para determinar el efecto del confinamiento en las propiedades del fluido. Los flujos hidrodinámicos se pueden estudiar donde la pequeña dimensión se puede controlar desde decenas de nanómetros hasta varios micrómetros.

El SiO₂ se puede cultivar en obleas de Si utilizando un proceso de óxido térmico húmedo o seco en un horno. El SiO₂ puede ser modelado y grabado como se desee utilizando técnicas litográficas. Los patrones que se han utilizado en nuestro trabajo incluyen un patrón de postes de soporte ampliamente espaciados que resulta en la unión en una geometría plana o de película (ver Figura 1). También hemos modelado canales para características unidimensionales, y matrices de cajas, ya sea de (1 μm)³ o (2 μm)³ dimensión¹ (ver Figura 2). Al diseñar un confinamiento con cajas, típicamente 10-60 millones en una oblea, debe haber una manera de llenar todas las cajas individuales. Un patrón separado de la oblea superior con un diseño que se destaca de las dos obleas por 30 nm o más permite esto. O, equivalentemente, se pueden diseñar canales poco profundos en la oblea superior para que todas las cajas estén vinculadas. El espesor del óxido cultivado en la oblea superior es diferente del de la oblea inferior. Esto añade otro grado de flexibilidad y complejidad al diseño. Ser capaz de modelar ambas obleas permite realizar una mayor variedad de geometrías de confinamiento.

El tamaño de las características geométricas en estas obleas unidas, o celdas, puede variar. Las células con películas planas tan pequeñas como 30 nm se han hecho con éxito^10,11. En los espesores por debajo de esto, el sobrebonos puede tener lugar por el cual las obleas se doblan alrededor de los postes de soporte, lo que "sella" la célula. Recientemente, se han realizado una serie de mediciones sobre líquido ⁴con una matriz de (2 μm)³ cajas con distancia de separación variable entre ellas^10,12. Las características mucho más grandes en profundidad que 2 μm no son muy prácticas debido a la creciente cantidad de tiempo requerido para cultivar el óxido. Sin embargo, las mediciones se han realizado con un óxido tan grueso como 3,9 μm^9. Los límites de la menoridad de la dimensión lateral surgen de los límites de las capacidades litografía. El límite para la grandeza de la dimensión lateral está determinado por el tamaño de la oblea. Hemos creado con éxito células planas donde la dimensión lateral abarcaba casi todo el diámetro de la oblea, pero uno podría imaginar fácilmente modelar varias estructuras más pequeñas del orden de decenas de nanómetros de ancho. Sin embargo, tales estructuras requerirían litografía de haz electrónico. No lo hemos hecho en este momento.

En todo nuestro trabajo, las obleas unidas formaron un recinto hermético al vacío. Esto se logra reteniendo en el óxido modelado un anillo sólido de SiO₂ de 3-4 mm de ancho en el perímetro de la oblea, ver Figura 1. Esto, al unirse, forma un sello hermético. Este diseño podría modificarse fácilmente si uno estuviera interesado en estudios hidrodinámicos que requieren una entrada y una salida.

También se ha probado la presión de explosión de las células unidas. Encontramos que con obleas de 375 μm de espesor, se podía aplicar una presión de hasta aproximadamente nueve atmósferas. Sin embargo, no hemos estudiado cómo esto podría mejorarse mediante la unión sobre áreas de óxido más grandes o, tal vez, para obleas más gruesas.

El procedimiento para interconectar las células de silicio a una línea de llenado y las técnicas para medir las propiedades del helio confinado a baja temperatura se da en Mehta et al. ² y Gasparini et al. ¹³ Observamos que los cambios en la dimensión lineal para el silicio son sólo 0.02% al enfriar las células¹⁴. Esto es insignificante para los patrones formados en RT.

Protocolo

1. Antes de la unión, preparación de la oblea

Este paso, a excepción de 1.8, se realiza en la sala limpia de la Instalación a Nanoescala de Cornell.

1. Cultive los óxidos en un horno de oxidación térmica estándar utilizando un proceso de óxido húmedo para óxidos gruesos y, para lograr un mejor control del espesor, un proceso de óxido seco para óxidos muy delgados. Compruebe el grosor para la uniformidad sobre la oblea completa con elipsometría.
2. Cree una máscara para la geometría que desea grabar.
3. Gire fotorresistentes en las obleas que se están grabados.
4. Exponga, desarrolle y hornee una oblea de prueba y examine con un microscopio apropiado.
5. Si la oblea de prueba se expone como se desea, grabe la oblea de prueba. La relación entre el espesor del óxido y la dimensión de la característica lateral determinará si un grabado húmedo o seco es apropiado. Dado que los grabados húmedos son isótropos, no producirán paredes verticales en el óxido. En muchos casos esto no importa. Si se desean paredes verticales, se puede usar grabado de iones de reacción. Si el grabado es exitoso, proceda con las otras obleas. A menudo, las propiedades hidrofóbicas / hidrofílicas de Si y SiO₂ se pueden utilizar para ver si el proceso de grabado ha sido exitoso.
6. Retire el fotorresistentes de las obleas. Para la mayoría de los fotorresistas, esto se puede hacer inicialmente con alcohol isopropílico y acetona. Sin embargo, una pequeña cantidad de resistencia aún permanecerá en las obleas. Esta resistencia debe eliminarse por completo para lograr una buena unión.
7. Utilice un breve proceso de descumming de oxígeno de 20 minutos en un grabador de iones reactivo. Esto eliminará cualquier fotorresistentes que quede en las obleas. Sin embargo, esto también agregará algunas capas de óxido al silicio expuesto. Esto es típicamente 1-4 nm^15.
8. Perfore el agujero de llenado en la oblea superior. Esto se puede hacer con brocas con punta de diamante y lubricación de corte inteligente (consulte Materiales para obtener más detalles del fabricante). Enjuague el corte inteligente inmediatamente después de perforar con agua desionizada. La perforación también se puede hacer usando una pasta de diamante con arena de 3-9 μm para llenar agujeros de más de ~ 0.124 cm de diámetro. Smart-cut se puede utilizar de nuevo para la lubricación. Utilizamos una pequeña prensa de perforación de precisión a 1.000-2.000 rpm.

2. Preparación de la unión

1. Con el fin de unir obleas, la limpieza es primordial. Hay algunos pasos que se deben tomar para limpiar las obleas. Primero, limpie con baños RCA.
   1. Enjuague las obleas en agua desionizada (DI).
   2. Limpiar en baño ácido "RCA". El baño ácido RCA es H₂O:H₂O_2:HClcon las proporciones de 5:1:1. Coloque las obleas en ácido RCA a 80 °C durante 15 min con los lados estampados hacia arriba. Este paso eliminará cualquier contaminación metálica.
   3. Retire las obleas del ácido y enjuague en baño de agua DI durante 5 min.
   4. Limpie en la base "RCA" a continuación. La base RCA es H₂O:H₂O_2:NH4OH con las proporciones de 10:2:1. Coloque las obleas en base RCA de 80 °C durante 15 min con los lados estampados hacia arriba. Este paso eliminará cualquier contaminación orgánica.
   5. Enjuague las obleas en el baño de agua DI durante ~ 15 min.
2. Las obleas deben retirarse del baño de agua DI y permanecer limpias para que se produzca una unión adecuada. Esto se hace en dos pasos:
   1. En primer lugar, coloque las obleas con sus lados grabados estampados uno frente al otro en un mandril de teflón en una microcámara limpia, como se muestra en la Figura 3B. Están separados por pestañas de teflón de ~ 1 mm. Rocíe agua desionizada entre las obleas mientras giran lentamente (~ 10-60 rpm) durante ~ 2 min para eliminar cualquier contaminación por partículas. Una película de agua se dejará entre las obleas en este punto. Esto evita la contaminación por polvo antes del siguiente paso.
   2. Cubra las obleas con la tapa de acrílico transparente y haga girar las obleas en seco durante ~ 30 min a 3.000 rpm. Utilice una lámpara de calor infrarrojo de 250 W para ayudar al proceso de secado. El giro rápido atraerá cualquier contaminante de partículas con la eyección de la película de agua, como en la Figura 3C.
3. Antes de retirar la tapa sobre las obleas, retire las pestañas que separan las obleas girando la tapa. Esto hará que las obleas entren en contacto local con luz mientras aún están en la cámara de microlimpieza. Ahora las obleas se pueden quitar con seguridad de la cámara microlimpie en su portador. El espacio muy pequeño de aproximadamente 1 μm entre las obleas minimizará la contaminación por polvo durante este paso. Además, no recoja las obleas con pinzas en este punto, ya que esto iniciaría la unión asimétrica. En su lugar, transporte las obleas con el uso del soporte extraíble en la prensa del cenador.

3. Unión de oblea

1. Presione las dos obleas juntas usando una prensa de cenador y una bola bastante rígida y lisa (Nerf). La bola Nerf se utiliza para aplicar presión a las obleas desde el centro hacia afuera. La presión aplicada de esta manera permite que el aire atrapado sea empujado hacia fuera a medida que la onda de unión se extiende desde el centro hacia afuera. El inicio de la unión en el centro minimiza las tensiones que se acumulan a medida que las obleas se perfilan entre sí. Las obleas tienen una planitud de estado libre de aproximadamente 1 μm, mientras que las brechas logradas en la unión son uniformes dentro de unos pocos nm. Por lo tanto, las obleas deben distorsionarse de su estado libre para lograr esto.
   1. Compruebe la unión buscando franjas de interferencia utilizando una fuente de luz infrarroja y un detector con un filtro de paso de 1 μm de altura. Las imágenes de muestra se muestran en las figuras 4 y 5. Los flecos de interferencia (anillos de Newton) aparecerán si hay una unión deficiente. Si la vinculación es buena, se puede proceder al paso 3.3. Si la vinculación es pobre y hay nouniformidades, proceda de la siguiente manera.
   2. Coloque la celda en un plano óptico, cubra con papel de filtro para proteger y amortiguar la oblea superior, y presione las obleas junto con pinzas de oblea. Empuje las "burbujas" descongestionadas hacia el medio (donde está el agujero de llenado) o hacia los bordes. Tenga cuidado al aplicar la fuerza cerca de los bordes ya que las obleas pueden estar ligeramente desplazadas de centro a centro. Por lo tanto, la presión cerca de los bordes puede hacer que la oblea superior se agriete si sobresale de la oblea inferior.
   3. Si las irregularidades de unión persisten o una partícula de polvo es evidente, divida las obleas cuñando una cuchilla de afeitar entre ellas. Repita el proceso desde el principio (paso 2.1.1). Hasta este punto, la unión es reversible. Las obleas se pueden rebonded en RT muchas veces mientras que intenta conseguir la unión aceptable.
2. Después de obtener la unión rt aceptable, se procede a recocer las obleas. Es necesario alcanzar temperaturas superiores a 900 °C para estar seguros de un recocido adecuado^5,6.
   1. Estacione la celda en un mandril de vacío de cuarzo de tal manera que el orificio de llenado se centre sobre el orificio de bombeo en el mandril. El mandril está conectado a un tubo de bombeo de cuarzo que se utiliza para evacuar la celda antes y durante el proceso de recocido. Este tubo se extiende fuera del horno. La evacuación de la célula hace que se aplique una presión de una atmósfera a la célula. Esto ayudará con la unión. El bombeo también es necesario para evitar la acumulación de presión si la temperatura del horno aumenta demasiado rápido. El tiempo que se tarda en reducir significativamente la presión en la celda dependerá de la geometría dentro de la celda.
   2. Para evitar el crecimiento de óxido en el exterior de la célula, purgar la cámara del horno con un gas no reaccionante, típicamente ⁴He, para que no se cultive óxido.
   3. Para permitir que las cepas tengan tiempo para relajarse, es importante aumentar las temperaturas de 250-1,200 ° C en el transcurso de ~ 4 horas. Después de permanecer a 1.200 °C durante al menos 4 horas, apague el horno.
   4. Deje que el sistema se enfríe a RT.
3. Analice la célula una vez más utilizando la fuente de luz infrarroja y el detector como se muestra en la Figura 6. Si el recocido fue bien, la célula se verá tan bien, o a menudo mejor que, cuando se puso inicialmente en el horno. Si hay franjas inaceptables que indican una mala vinculación, todo el proceso debe repetirse desde el principio; sin embargo, esto debe hacerse con obleas nuevas. Una vez recocido, el enlace entre las obleas es permanente y no hay división posible.

Resultados

Las obleas debidamente unidas no tendrán regiones sin deshuesadas. Intentar dividir las obleas después del recocido hará que la célula se rompa en pedazos debido a la fuerza de la unión. Las imágenes infrarrojas de obleas correctamente unidas se muestran en las figuras 5 y 6. A menudo, el recocido mejora la uniformidad de la célula, especialmente si las regiones locales sin deshuesar se deben a la falta de planitud en las obleas. En la Figura 5 los puntos de luz y...

Discusión

El desarrollo de una litografía de silicio adecuada en combinación con la unión directa de obleas nos ha permitido hacer recintos herméticos al vacío con pequeñas dimensiones altamente uniformes en toda el área completa de una oblea de silicio de 5 cm de diámetro. Estos cerramientos nos han permitido estudiar el comportamiento del líquido ⁴he en la vecindad de sus transiciones de fase de un líquido normal a un superfluido. Estos estudios han verificado predicciones de escalado de tamaño finito, así...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
SmartCut	North American Tool	FL 130	Not much is needed per cell. Smaller sizes are available.
Silicon Wafers	Semiconductor Processing Co		There are many suppliers. Pay attention to thickness and thickness variation when ordering.
Deionized Water			General Availability
Peroxide			General Availability
Hydrochloric Acid			General Availability
Ammonium Hydroxide			General Availability
Nitrogen Gas			General Availability
Helium Gas			General Availability
Diamond Paste	Beuler Metadi II	e.g. 406533032
Diamond Drills	Starlite	e.g. 115010
Pyrex Dishes			General Availability
Filter Paper	Whatman	1001-110
Acetone			General Availability
Methanol			General Availability
Quartz tubes for flushing furnace			General Availability
Rubber vacuum hose			General Availability