Fabrication de cavités uniformes à l’échelle nanométrique via la liaison directe de plaquettes de silicium

Résumé

Un procédé de collage permanent de deux plaquettes de silicium de manière à réaliser une enceinte uniforme est décrit. Cela comprend la préparation des plaquettes, le nettoyage, le collage RT et les processus de recuit. Les plaquettes collées résultantes (cellules) ont une uniformité d’enceinte ~1%^1,2. La géométrie résultante permet de mesurer des liquides et des gaz confinés.

Résumé

Des mesures de la capacité thermique et de la fraction superfluide de confiné ⁴Il ont été effectuées près de la transition lambda à l’aide de plaquettes de silicium à motifs lithographiques et collés. Contrairement aux confinements en matériaux poreux souvent utilisés pour ces types d’expériences^3,les plaquettes collées fournissent des espaces uniformes redessinés pour le confinement. La géométrie de chaque cellule est bien connue, ce qui supprime une grande source d’ambiguïté dans l’interprétation des données.

Exceptionnellement plates, de 5 cm de diamètre, des plaquettes de Si de 375 μm d’épaisseur avec une variation d’environ 1 μm sur l’ensemble de la plaquette peuvent être obtenues commercialement (auprès de Semiconductor Processing Company, par exemple). L’oxyde thermique est cultivé sur les plaquettes pour définir la dimension de confinement dans la direction z. Un motif est ensuite gravé dans l’oxyde à l’aide de techniques lithographiques afin de créer une enceinte souhaitée lors du collage. Un trou est percé dans l’une des plaquettes (le dessus) pour permettre l’introduction du liquide à mesurer. Les plaquettes sont nettoyées² dans des solutions RCA puis mises dans une chambre micropropre où elles sont rincées à l’eau désionisée^4. Les plaquettes sont collées à RT puis recuites à ~1 100 °C. Cela forme un lien fort et permanent. Ce procédé peut être utilisé pour fabriquer des enceintes uniformes pour mesurer les propriétés thermiques et hydrodynamiques des liquides confinés du nanomètre à l’échelle micrométrique.

Introduction

Lorsque des plaquettes de silicium propres sont mises en contact intime à RT, elles sont attirées les unes vers les autres via les forces de van der Waals et forment de faibles liaisons locales. Ce collage peut être rendu beaucoup plus fort par recuit à des températures plus élevées^5,6. Le collage peut être effectué avec succès avec des surfaces de_SiO2 à Si ou de_SiO2 à_SiO2. Le collage de plaquettes de Si est le plus couramment utilisé pour le silicium sur les dispositifs isolants, les capteurs et actionneurs à base de silicium et les dispositifs optiques^7. Le travail décrit ici prend la liaison directe de plaquette dans une direction différente en l’utilisant pour réaliser des boîtiers uniformément espacés bien définis sur toute la zone de la plaquette^8,9. Avoir une géométrie bien définie où le fluide peut être introduit permet d’effectuer des mesures afin de déterminer l’effet du confinement sur les propriétés du fluide. Les écoulements hydrodynamiques peuvent être étudiés où la petite dimension peut être contrôlée de dizaines de nanomètres à plusieurs micromètres.

Le SiO₂ peut être cultivé sur des plaquettes de Si en utilisant un procédé d’oxyde thermique humide ou sec dans un four. Le SiO₂ peut ensuite être modelé et gravé comme vous le souhaitez à l’aide de techniques lithographiques. Les motifs qui ont été utilisés dans notre travail comprennent un modèle de poteaux de support largement espacés qui se traduit par collage dans une géométrie plane ou de film (voir Figure 1). Nous avons également modelé des canaux pour les caractéristiques unidimensionnelles, et des réseaux de boîtes, soit de (1 μm)³ ou (2 μm)³ dimension¹ (voir Figure 2). Lors de la conception d’un confinement avec des boîtes, généralement 10-60 millions sur une plaquette, il doit y avoir un moyen de remplir toutes les boîtes individuelles. Un motif séparé de la plaquette supérieure avec un design qui se démarque des deux plaquettes de 30 nm ou plus le permet. Ou, de manière équivalente, des canaux peu profonds peuvent être conçus sur la plaquette supérieure afin que toutes les boîtes soient liées. L’épaisseur de l’oxyde cultivé sur la plaquette supérieure est différente de celle de la plaquette inférieure. Cela ajoute un autre degré de flexibilité et de complexité à la conception. Le fait de pouvoir modeler les deux plaquettes permet de réaliser une plus grande variété de géométries de confinement.

La taille des entités géométriques dans ces plaquettes liées, ou cellules, peut varier. Les cellules avec des films planaires aussi petits que 30 nm ont été fabriquées avec succès^10,11. À des épaisseurs inférieures à cela, un surcollage peut avoir lieu par lequel les plaquettes se plient autour des poteaux de support, « scellant » ainsi la cellule. Récemment, une série de mesures sur liquide ⁴Il ont été effectuées avec un réseau de (2 μm)³ boîtes avec une distance de séparation variable entre eux^10,12. Les caractéristiques d’une profondeur beaucoup plus grande que 2 μm ne sont pas très pratiques en raison du temps croissant nécessaire à la croissance de l’oxyde. Cependant, des mesures ont été effectuées avec un oxyde d’une épaisseur aussi épaisse que 3,9 μm⁹. Les limites de la petitesse de la dimension latérale découlent des limites des capacités de lithographie. La limite de la taille de la dimension latérale est déterminée par la taille de la plaquette. Nous avons réussi à créer des cellules planes où la dimension latérale s’étendait sur presque tout le diamètre de la plaquette, mais on pourrait tout aussi bien imaginer modeler plusieurs structures plus petites de l’ordre de dizaines de nanomètres de largeur. Cependant, de telles structures nécessiteraient une lithographie par faisceau électronique. Nous ne l’avons pas fait pour le moment.

Dans tout notre travail, les plaquettes collées formaient une enceinte étanche sous vide. Ceci est réalisé en retenant dans l’oxyde à motifs un cycle solide de_SiO2 de 3-4 mm de largeur au périmètre de la plaquette, voir figure 1. Ceci, lors du collage, forme un joint étanche. Cette conception pourrait être facilement modifiée si l’on s’intéressait aux études hydrodynamiques qui nécessitent une entrée et une sortie.

La pression d’éclatement des cellules liées a également été testée. Nous avons constaté qu’avec des plaquettes de 375 μm d’épaisseur, une pression allant jusqu’à environ neuf atmosphères pouvait être appliquée. Cependant, nous n’avons pas étudié comment cela pourrait être amélioré en liant sur des zones d’oxyde plus grandes ou, peut-être, pour des plaquettes plus épaisses.

La procédure d’interfaçage des cellules de silicium à une ligne de remplissage et les techniques de mesure des propriétés de l’hélium confiné à basse température sont données dans Mehta et al. ² et Gasparini et al. ¹³ Nous notons que les changements de dimension linéaire pour le silicium ne sont que de 0,02% lors du refroidissement des cellules^14. Ceci est négligeable pour les motifs formés à TA.

Protocole

1. Avant le collage, préparation de la plaquette

Cette étape, à l’exception de la version 1.8, est effectuée dans la salle blanche de Cornell Nanoscale Facility.

1. Cultiver les oxydes dans un four d’oxydation thermique standard en utilisant un procédé d’oxyde humide pour les oxydes épais et, pour obtenir un meilleur contrôle de l’épaisseur, un procédé d’oxyde sec pour les oxydes très minces. Vérifiez l’uniformité de l’épaisseur sur la plaquette complète avec ellipsométrie.
2. Créez un masque pour la géométrie que vous souhaitez graver.
3. Faites tourner la photorésine sur les plaquettes gravées.
4. Exposer, développer et cuire une plaquette d’essai et l’examiner avec un microscope approprié.
5. Si la plaquette de test est exposée comme vous le souhaitez, gravez la plaquette de test. Le rapport entre l’épaisseur de l’oxyde et la dimension latérale de la caractéristique déterminera si une gravure humide ou sèche est appropriée. Comme les gravures humides sont isotropes, elles ne promemeront pas de parois verticales dans l’oxyde. Dans de nombreux cas, cela n’a pas d’importance. Si des parois verticales sont souhaitées, on peut utiliser la gravure ionique de réaction. Si la gravure est réussie, passez aux autres plaquettes. Souvent, les propriétés hydrophobes/hydrophiles du Si et du SiO₂ peuvent être utilisées pour voir si le processus de gravure a réussi.
6. Retirez la photorésine des plaquettes. Pour la plupart des photorésistes, cela peut être fait initialement avec de l’alcool isopropylique et de l’acétone. Cependant, une petite quantité de résistance restera encore sur les plaquettes. Cette résistance doit être complètement supprimée afin d’obtenir un bon collage.
7. Utilisez un bref processus de décumage de l’oxygène de 20 min dans un graveur d’ions réactif. Cela supprimera tout ce qui reste de photorésine sur les plaquettes. Cependant, cela ajoutera également des couches d’oxyde au silicium exposé. Il s’agit généralement de 1-4 nm¹⁵.
8. Percez le trou de remplissage dans la plaquette supérieure. Cela peut être fait avec des forets à pointe diamantée et une lubrification smart-cut (voir Matériaux pour plus de détails sur le fabricant). Rincez la coupe intelligente immédiatement après le forage avec de l’eau désionisée. Le forage peut également être effectué à l’aide d’une pâte de diamant avec un grain de 3 à 9 μm pour remplir des trous de plus de 0,124 cm de diamètre. Smart-cut peut à nouveau être utilisé pour la lubrification. Nous utilisons une petite perceuse de précision à 1 000-2 000 tr / min.

2. Préparation du collage

1. Afin de lier les plaquettes, la propreté est primordiale. Il y a quelques étapes à prendre pour nettoyer les plaquettes. Tout d’abord, nettoyez avec des bains RCA.
   1. Rincer les plaquettes à l’eau désionisée (DI).
   2. Nettoyer dans un bain d’acide « RCA ». Le bain d’acide RCA est_H2O:H2O2:HClavec les rapports de 5:1:1. Placer les plaquettes dans de l’acide RCA à 80 °C pendant 15 min avec les côtés à motifs vers le haut. Cette étape éliminera toute contamination métallique.
   3. Retirer les plaquettes de l’acide et rincer au bain-marie DI pendant 5 min.
   4. Nettoyez ensuite dans la base « RCA ». La base RCA est_H2O:H2O2:NH4 OH avec les rapports de 10:2:1. Placez les plaquettes dans une base RCA à 80 °C pendant 15 min avec les côtés à motifs tournés vers le haut. Cette étape éliminera toute contamination organique.
   5. Rincer les plaquettes au bain-marie DI pendant environ 15 min.
2. Les plaquettes doivent être retirées du bain d’eau DI et rester propres pour qu’un collage approprié se produise. Cela se fait en deux étapes :
   1. Tout d’abord, placez les plaquettes dont les côtés gravés à motifs se font face sur un mandrin en téflon dans une microchambère propre, comme le montre la figure 3B. Ils sont séparés par des languettes en téflon d’environ 1 mm. Vaporiser de l’eau désionisée entre les plaquettes pendant qu’elles tournent lentement (~ 10-60 tr / min) pendant ~ 2 min afin d’éliminer toute contamination par les particules. Un film d’eau sera laissé entre les plaquettes à ce stade. Cela empêche la contamination par la poussière avant l’étape suivante.
   2. Couvrez les plaquettes avec le couvercle en acrylique transparent et faites sécher les plaquettes pendant environ 30 min à 3 000 tr / min. Utilisez une lampe thermique infrarouge de 250 W pour faciliter le processus de séchage. La rotation rapide entraînera tous les contaminants de particules avec l’éjection du film d’eau, comme dans la figure 3C.
3. Avant de retirer le couvercle sur les plaquettes, retirez les languettes séparant les plaquettes en faisant pivoter le couvercle. Cela amènera les plaquettes en contact local léger tout en restant dans la chambre microclean. Maintenant, les plaquettes peuvent être retirées en toute sécurité de la chambre micro propre sur leur support. Le très petit écart d’environ 1 μm entre les plaquettes minimisera la contamination par la poussière au cours de cette étape. En outre, ne ramassez pas les plaquettes avec une pince à épiler à ce stade, car cela déclencherait une liaison asymétrique. Au lieu de cela, transportez les plaquettes à l’utilisation du support amovible sur la presse à tonnelle.

3. Collage de plaquettes

1. Appuyez sur les deux plaquettes ensemble à l’aide d’une presse à tonnelle et d’une boule (Nerf) assez rigide et lisse. La boule Nerf est utilisée pour appliquer une pression sur les plaquettes du milieu vers l’extérieur. La pression appliquée de cette façon permet à l’air piégé d’être poussé vers l’extérieur lorsque l’onde de liaison se propage du centre vers l’extérieur. Le démarrage de la liaison au centre minimise les contraintes qui s’accumulées au fur et à mesure que les plaquettes se contournent les unes aux autres. Les plaquettes ont une planéité à l’état libre d’environ 1 μm, tandis que les écarts obtenus dans la liaison sont uniformes en quelques nm. Ainsi, les plaquettes doivent déformer de leur état libre afin d’y parvenir.
   1. Vérifiez la liaison en recherchant des franges d’interférence à l’aide d’une source de lumière infrarouge et d’un détecteur avec un filtre passe-haut de 1 μm. Des exemples d’images sont illustrés aux figures 4 et 5. Les franges d’interférence (anneaux de Newton) apparaîtront s’il y a une mauvaise liaison. Si le collage est bon, on peut passer à l’étape 3.3. Si le lien est faible et qu’il y a des non-uniformes, procédez comme suit.
   2. Placez la cellule sur un plat optique, couvrez-la de papier filtre pour protéger et amortir la plaquette supérieure, et appuyez sur les plaquettes avec des pinces de plaquette. Poussez les « bulles » décollées au milieu (où se trouve le trou de remplissage) ou sur les bords. Soyez prudent lorsque vous appliquez une force près des bords, car les plaquettes peuvent être légèrement décalées du centre au centre. La pression près des bords peut donc provoquer la fissuration de la plaquette supérieure si elle surplombe la plaquette inférieure.
   3. Si les irrégularités de liaison persistent ou si une particule de poussière est évidente, divisez les plaquettes en calant une lame de rasoir entre elles. Répétez le processus dès le début (étape 2.1.1). Jusqu’à présent, la liaison est réversible. Les plaquettes peuvent être rebondies à RT plusieurs fois tout en essayant d’obtenir un collage acceptable.
2. Après avoir obtenu un collage RT acceptable, on procède au recuit des plaquettes. Des températures supérieures à 900 °C doivent être atteintes afin d’être certain d’un recuit approprié^5,6.
   1. Étachant la cellule sur un mandrin à vide en quartz de sorte que le trou de remplissage soit centré sur le trou de pompage dans le mandrin. Le mandrin est relié à un tube de pompage en quartz qui est utilisé pour évacuer la cellule avant et pendant le processus de recuit. Ce tube s’étend à l’extérieur du four. L’évacuation de la cellule provoque l’application d’une pression d’une atmosphère sur la cellule. Cela aidera à la liaison. Le pompage est également nécessaire pour empêcher l’accumulation de pression si la température du four est montée en puissance trop rapidement. Le temps nécessaire pour réduire considérablement la pression dans la cellule dépendra de la géométrie de la cellule.
   2. Pour éviter la croissance d’oxyde à l’extérieur de la cellule, purgez la chambre du four avec un gaz sans réaction, typiquement ⁴He, de sorte qu’aucun oxyde ne soit cultivé.
   3. Pour permettre aux souches d’avoir le temps de se détendre, il est important d’augmenter les températures de 250 à 1 200 °C au cours d’environ 4 heures. Après être resté à 1 200 °C pendant au moins 4 heures, éteignez le four.
   4. Laissez le système refroidir à RT.
3. Analyser à nouveau la cellule à l’aide de la source de lumière infrarouge et du détecteur, comme le montre la figure 6. Si le recuit s’est bien passé, la cellule aura l’air aussi bonne, ou souvent meilleure, que, lorsqu’elle sera initialement mise dans le four. S’il y a des franges inacceptables indiquant un mauvais lien, l’ensemble du processus doit être répété dès le début; cependant, cela doit être fait avec de nouvelles plaquettes. Une fois recuit, le lien entre les plaquettes est permanent et il n’y a pas de scission possible.

Résultats

Les plaquettes correctement collées n’auront pas de régions non liées. Tenter de diviser les plaquettes après le recuit entraînera la rupture de la cellule en morceaux en raison de la force de la liaison. Des images infrarouges de plaquettes correctement collées sont représentées sur les figures 5 et 6. Souvent, le recuit améliore l’uniformité de la cellule, surtout si les régions locales non collées sont dues à un manque de planéité dans les plaquettes. Dans l...

Discussion

Le développement d’une lithographie au silicium appropriée en combinaison avec la liaison directe des plaquettes nous a permis de fabriquer des boîtiers étanches sous vide avec de petites dimensions très uniformes sur toute la surface d’une plaquette de silicium de 5 cm de diamètre. Ces enceintes nous ont permis d’étudier le comportement du liquide ⁴He au voisinage de ses transitions de phase d’un liquide normal à un superfluide. Ces études ont vérifié les prédictions de la mise à l’éch...

matériels

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