ייצור חללים ננומטריים אחידים באמצעות מליטה וופל ישיר סיליקון

Summary

שיטה לחיבור קבוע של שני ופלים מסיליקון כדי לממש מארז אחיד מתוארת. זה כולל הכנת רקיקים, ניקוי, מליטה RT, ותהליכי חישול. ופלים מלוכדים וכתוצאה מכך (תאים) יש אחידות של המתחם ~ 1%^1,2. הגיאומטריה המתקבלת מאפשרת מדידות של נוזלים וגזים מוגבלים.

Abstract

מדידות של קיבולת החום וחלק superfluid של מוגבל ⁴הוא בוצעו ליד המעבר lambda באמצעות ופלים סיליקון בדוגמת ליתוגרפית מלוכדות. שלא כמו כליאה בחומרים נקבוביים המשמשים לעתים קרובות עבור סוגים אלה של ניסויים³, ופלים מלוכדים לספק חללים אחידים מעוצבים מראש לכליאה. הגיאומטריה של כל תא ידועה היטב, אשר מסיר מקור גדול של עמימות בפרשנות של נתונים.

שטוח במיוחד, קוטר 5 ס"מ, 375 מיקרומטר עבה סי וופלים עם וריאציה של כ 1 מיקרומטר על כל הוופל ניתן להשיג מסחרית (מחברת עיבוד מוליכים למחצה, למשל). תחמוצת תרמית גדלה על הוופלים כדי להגדיר את מימד הכליאה בכיוון z. תבנית נחרטת בתחמוצת באמצעות טכניקות ליתוגרפיות כדי ליצור מארז רצוי בעת מליטה. חור נקדח באחד הוופלים (החלק העליון) כדי לאפשר את הכנסת הנוזל למדוד. הוופלים מנוקים² בפתרונות RCA ולאחר מכן לשים בתא microclean שבו הם שטפו עם מים deionized⁴. הוופלים מחוברים ב RT ולאחר מכן annealed ב ~ 1,100 מעלות צלזיוס. זה יוצר קשר חזק וקבוע. תהליך זה יכול לשמש לייצור מארזים אחידים למדידת תכונות תרמיות והידרודינמיות של נוזלים מוגבלים מהננומטר לסולם המיקרומטר.

Introduction

כאשר ופלים סיליקון נקיים מובאים במגע אינטימי ב RT, הם נמשכים זה לזה באמצעות כוחות ואן דר ואלס ויוצרים קשרים מקומיים חלשים. מליטה זו יכולה להיות הרבה יותר חזקה על ידי חישול בטמפרטורות גבוהות יותר^5,6. מליטה יכולה להיעשות בהצלחה עם משטחים של SiO₂ כדי Si או SiO₂ כדי SiO₂. מליטה של ופלים Si משמשים בדרך כלל עבור סיליקון על מכשירי מבודד, חיישנים מבוססי סיליקון מפעילים, והתקנים אופטיים⁷. העבודה המתוארת כאן לוקחת וופל מליטה ישירה בכיוון אחר על ידי שימוש בו כדי להשיג מארזים מוגדרים היטב במרווחים אחידים על פני כל שטח הוופל^8,9. לאחר גיאומטריה מוגדרת היטב שבו נוזל יכול להיות הציג מאפשר מדידות להתבצע על מנת לקבוע את ההשפעה של הכליאה על המאפיינים של הנוזל. ניתן ללמוד זרימות הידרודינמיות שבהן ניתן לשלוט בממד הקטן מעשרות ננומטר למספר מיקרומטרים.

SiO₂ ניתן לגדל על ופלים Si באמצעות תהליך תחמוצת תרמית רטובה או יבשה בתנור. לאחר מכן ניתן לתבנית ולחרוט את ה- SiO₂ לפי הצורך באמצעות טכניקות ליתוגרפיות. דפוסים שהיו בשימוש בעבודתנו כוללים תבנית של פוסטי תמיכה במרווחים נרחבים שתוצאתם חיבור בגיאומטריה של מישור או סרט (ראו איור 1). יש לנו גם ערוצים בדוגמאות למאפיינים חד-ממדיים ומעצי תיבות, של (1 מיקרומטר)³ או (2 מיקרומטר)³ ממד¹ (ראה איור 2). בעת עיצוב כליאה עם קופסאות, בדרך כלל 10-60 מיליון על רקיק, צריכה להיות דרך למלא את כל הקופסאות הבודדות. דפוס נפרד של הוופל העליון עם עיצוב שעומד משני הוופלים על ידי 30 ננומטר או יותר מאפשר זאת. לחלופין, באופן שווה, ניתן לעצב ערוצים רדודים על הוופל העליון כך שכל התיבות מקושרות. עובי תחמוצת גדל על הוופל העליון שונה מזה על הוופל התחתון. זה מוסיף מידה נוספת של גמישות ומורכבות לעיצוב. היכולת לדפוס את שני הוופלים מאפשרת לממש מגוון גדול יותר של גיאומטריות כליאה.

גודל התכונות הגיאומטריות בופלים או בתאים מלוכדים אלה עשוי להשתנות. תאים עם סרטים מישוריים קטנים כמו 30 ננומטר נעשו בהצלחה^10,11. בעוביים שמתחת לזה, overbonding יכול להתרחש לפיה הוופלים להתכופף סביב עמדות התמיכה ובכך "איטום" התא. לאחרונה, סדרה של מדידות על נוזל ⁴הוא בוצע עם מערך של (2 מיקרומטר)^{3 תיבות} עם מרחק הפרדה משתנה ביניהם^10,12. תכונות הרבה יותר גדול לעומק מאשר 2 מיקרומטר אינם מעשיים מאוד בשל משך הזמן הגובר הנדרש כדי לגדל את תחמוצת. עם זאת, מדידות נעשו עם תחמוצת עבה כמו 3.9 מיקרומטר⁹. המגבלות על הקטנות של הממד לרוחב נובעות מגבולות יכולות הליטוגרפיה. המגבלה לגדולת הממד לרוחב נקבעת לפי גודל הוופל. יצרנו בהצלחה תאים מישוריים שבהם הממד לרוחב השתרע כמעט על קוטר הוופל כולו, אך באותה קלות ניתן היה לדמיין דפוס של כמה מבנים קטנים יותר בסדר גודל של עשרות ננומטרים ברוחב. עם זאת מבנים כאלה ידרשו ליטוגרפיה של קרן אלקטרונית. לא עשינו את זה כרגע.

בכל העבודה שלנו הוופלים מלוכדים יצרו מארז ואקום הדוק. זה מושג על ידי שמירה על תחמוצת בדוגמת טבעת מוצקה של SiO₂ של 3-4 מ"מ רוחב בהיקף של הוופל, ראה איור 1. זה, עם מליטה, יוצר חותם הדוק. עיצוב זה יכול להיות שונה בקלות אם אחד היו מעוניינים במחקרים הידרודינמיים הדורשים קלט ותפוקה.

הלחץ המתפרץ של התאים המודבקים נבדק גם הוא. מצאנו כי עם 375 μm עבה ופלים, לחץ עד כתשע אטמוספרות ניתן ליישם. עם זאת, לא למדנו כיצד ניתן לשפר זאת על ידי מליטה על פני אזורי תחמוצת גדולים יותר או, אולי, עבור ופלים עבים יותר.

ההליך ל interfacing תאי הסיליקון לקו מילוי ואת הטכניקות למדידת המאפיינים של הליום מוגבל בטמפרטורה נמוכה ניתנת מהטה ואח '. ² וגספריני ואח '. ¹³ נציין כי שינויים בממד הליניארי לסיליקון הם רק 0.02% עם קירור התאים¹⁴. זה זניח עבור הדפוסים שנוצרו ב- RT.

Protocol

1. לפני מליטה, הכנת וופל

שלב זה למעט 1.8 נעשה בחדר הנקי של מתקן ננומטרי קורנל.

1. הגדל את תחמוצות בתנור חמצון תרמי סטנדרטי באמצעות תהליך תחמוצת רטובה עבור תחמוצות עבות, כדי להשיג בקרת עובי טובה יותר, תהליך תחמוצת יבשה עבור תחמוצות דקות מאוד. בדוק את עובי אחידות על הוופל המלא עם שלוש נקודות.
2. צור מסכה עבור הגיאומטריה שברצונך לחרוט.
3. ספין פוטורסיסט על הוופלים החרוטים.
4. לחשוף, לפתח ולאפות רקיק בדיקה ולבחון עם מיקרוסקופ מתאים.
5. אם וופל הבדיקה נחשף לפי הצורך, חרוט את רקיק הבדיקה. היחס בין עובי תחמוצת לממד תכונה לרוחב יקבע אם תחריט רטוב או יבש מתאים. מאז etches רטוב הם isotropic הם לא ייצרו קירות אנכיים בתחמוצת. במקרים רבים זה לא משנה. אם קירות אנכיים רצויים אפשר להשתמש תחריט יון תגובה. אם התחריטים מצליחים, המשיכו עם הוופלים האחרים. לעתים קרובות, תכונות הידרופובי / הידרופילי של Si ו SiO 2 ניתן להשתמש כדי לראות אם_תהליך התחריטים הצליח.
6. הסר את הפוטורסיסט מהוופלים. עבור רוב photoresists, זה יכול להיעשות בתחילה עם אלכוהול איזופרופיל ואצטון. עם זאת, כמות קטנה של התנגדות עדיין תישאר על הוופלים. התנגדות זו צריכה להיות מוסרת לחלוטין על מנת להשיג מליטה טובה.
7. השתמש בתהליך קצר של 20 דקות של הפחתת חמצן ביון תגובתי וכו '. זה יסיר את כל מה שהפוטורסיסט יישאר על הוופלים. עם זאת, זה גם יוסיף כמה שכבות תחמוצת לסיליקון חשוף. זה בדרך כלל 1-4 ננומטר¹⁵.
8. לקדוח את חור המילוי בוופל העליון. ניתן לעשות זאת עם פיסות מקדחה מצופות יהלומים וסיכה חכמה (ראה חומרים לפרטי היצרן). יש לשטוף את החתך החכם מיד לאחר הקידוח במים שעברו דה-יון. קידוח יכול להיעשות גם באמצעות משחת יהלום עם חצץ 3-9 מיקרומטר למילוי חורים גדולים מ ~ 0.124 ס"מ קוטר. ניתן להשתמש שוב בחיתוך חכם לשימון. אנחנו משתמשים במכבש מקדחות קטן בדיוק ב-1,000-2,000 סל"ד.

2. הכנת מליטה

1. על מנת לקשר ופלים, הניקיון הוא בעל חשיבות עליונה. ישנם כמה צעדים שיש לנקוט כדי לנקות את הוופלים. ראשית, נקי עם אמבטיות RCA.
   1. יש לשטוף ופלים במים שעברו דה-יון (DI).
   2. נקי באמבט חומצה "RCA". אמבטיית חומצת RCA היא H₂O:H₂O₂:HCl עם היחסים של 5:1:1. מניחים ופלים בחומצת RCA 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כאשר הצדדים בדוגמת פונים כלפי מעלה. שלב זה יבטל כל זיהום מתכתי.
   3. מוציאים ופלים מהחומצה ושוטפים באמבט מים DI במשך 5 דקות.
   4. נקי בבסיס "RCA" הבא. בסיס RCA הוא H₂O:H₂O₂:NH₄OH עם היחסים של 10:2:1. מניחים ופלים בבסיס RCA 80 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות עם הצדדים בדוגמת פונה כלפי מעלה. צעד זה יבטל כל זיהום אורגני.
   5. לשטוף ופלים באמבט מים DI במשך ~ 15 דקות.
2. יש להסיר את הוופלים מאמבט המים DI ולהישאר נקיים על מנת שהקשר הנכון יתרחש. פעולה זו מתבצעת בשני שלבים:
   1. ראשית, הניחו את הוופלים עם הצדדים החרוטים בדוגמתם זה מול זה על צ'אק טפלון במיקרו-שמבר נקי כפי שמוצג באיור 3B. הם מופרדים באמצעות כרטיסיות טפלון ~ 1 מ"מ. לרסס מים deionized בין הוופלים בזמן שהם מסתובבים לאט (~ 10-60 סל"ד) במשך ~ 2 דקות על מנת להסיר כל זיהום חלקיקים. בשלב זה יושאר סרט מים בין הוופלים. זה מונע זיהום אבק לפני השלב הבא.
   2. מכסים את הוופלים במכסה האקרילי הצלולים ומסובבים את הוופלים יבשים במשך כ-30 דקות ב-3,000 סל"ד. השתמש במנורת חום אינפרא אדום 250 W כדי לסייע בתהליך הייבוש. הסיבוב המהיר ימלא את כל מזהמי החלקיקים עם פליטת סרט המים, כמו באיור 3C.
3. לפני הסרת המכסה מעל הוופלים, הסר את הכרטיסיות המפרידות בין הוופלים על-ידי סיבוב המכסה. זה יביא את הוופלים למגע מקומי קל בעודם בתא המיקרוקלין. עכשיו הוופלים עשויים להיות מוסרים בבטחה מתא המיקרוקליאן על המוביל שלהם. הפער הקטן מאוד של כ 1 מיקרומטר בין הוופלים ימזער את זיהום האבק במהלך שלב זה. כמו כן, לא להרים את הוופלים עם פינצטה בשלב זה מאז זה היה ליזום מליטה אסימטרית. במקום זאת, להעביר את הוופלים עם השימוש של המוביל נשלף על העיתונות ארבור.

3. וופל מליטה

1. לחץ על שני הוופלים יחד באמצעות מכבש ארבור וכדור נוקשה וחלק למדי (נרף). כדור נרף משמש להפעלת לחץ על הוופלים מהאמצע החוצה. לחץ המופעל בדרך זו מאפשר לאוויר לכוד להידחף החוצה כמו גל מליטה מתפשט מהמרכז החוצה. התחלת הקשר במרכז ממזערת את הלחצים הבנויים כקווי המתאר של הוופלים זה לזה. הוופלים הם בעלי שטוחות של מדינה חופשית של כ 1 מיקרומטר, בעוד הפערים שהושגו מליטה הם אחידים בתוך ננומטר כמה. לכן, הוופלים חייבים לעוות ממצבם החופשי כדי להשיג זאת.
   1. בדוק את ההתחברות על ידי חיפוש שולי הפרעה באמצעות מקור אור אינפרא אדום וגלאי עם מסנן מעבר גבוה 1 מיקרומטר. תמונות לדוגמה מוצגות באיורים 4 ו- 5. שולי הפרעה (טבעות ניוטון) יופיעו אם יש מליטה לקויה. אם מליטה היא טובה, אפשר להמשיך לשלב 3.3. אם מליטה היא ירודה ויש אי-אחידות, המשך כדלקמן.
   2. מניחים את התא על שטוח אופטי, מכסים בנייר סינון כדי להגן על הוופל העליון ומרפדים אותו, וללחוץ על הוופלים יחד עם מלקחיים. לדחוף "בועות" debonded לאמצע (שם יש את חור המילוי) או לקצוות. היזהר בעת הפעלת כוח ליד הקצוות מאז הוופלים עשויים להיות היסט מעט למרכז. לחץ ליד הקצוות ולכן עלול לגרום לוופל העליון להיסדק אם הוא מעל הוופל התחתון.
   3. אם אי סדרי מליטה נמשכים או חלקיק אבק ניכר, לפצל את הוופלים על ידי תיוג סכין גילוח ביניהם. חזור על התהליך מההתחלה (שלב 2.1.1). עד לנקודה זו, הקשר הוא הפיך. הוופלים ניתן rebonded ב RT פעמים רבות בעת שניסה לקבל מליטה מקובלת.
2. לאחר קבלת מליטה RT מקובל, אחד ממשיך anneal הוופלים. טמפרטורות מעל 900 מעלות צלזיוס צריך להגיע על מנת להיות בטוח של חישול נאות^5,6.
   1. מביים את התא על שואב אבק של קוורץ כך שחור המילוי מרוכז מעל חור השאיבה בצ'אק. הצ'אק מחובר לצינור שאיבת קוורץ המשמש לפינוי התא לפני ובמהלך תהליך חישול. צינור זה משתרע מחוץ לכבשן. פינוי התא גורם ללחץ של אטמוספרה אחת להיות מיושם על התא. זה יעזור עם ההתחברות. שאיבה נחוצה גם כדי למנוע הצטברות לחץ אם טמפרטורת התנור משתוללת מהר מדי. הזמן שלוקח להוריד באופן משמעותי את הלחץ בתא יהיה תלוי בגיאומטריה בתוך התא.
   2. כדי למנוע את הצמיחה של תחמוצת בצד החיצוני של התא, לטהר את תא התנור עם גז nonreacting, בדרך כלל 4 הוא, ^כךשאין תחמוצת גדל.
   3. כדי לאפשר זנים יש זמן להירגע, חשוב להגביר את הטמפרטורות מ 250-1,200 מעלות צלזיוס במהלך ~ 4 שעות. לאחר שהייה של 1,200 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות לפחות, כבה את התנור.
   4. אפשר למערכת להתקרר ל-RT.
3. נתח שוב את התא באמצעות מקור אור האינפרא-אדום וגלאי כפי שמוצג באיור 6. אם חישול הלך טוב, התא ייראה טוב כמו, או לעתים קרובות טוב יותר, כאשר בתחילה לשים את התנור. אם יש שוליים לא מקובלים המצביעים על מליטה לקויה, יש לחזור על התהליך כולו מההתחלה; עם זאת, יש לעשות זאת עם ופלים חדשים. לאחר ההסתעפות, הקשר בין הוופלים הוא קבוע ואין פיצול אפשרי.

תוצאות

ופלים מלוכדים כראוי לא יהיו אזורים unbonded. ניסיון לפצל את הוופלים לאחר חישול יגרום לתא להתפרק לחתיכות בשל עוצמת הקשר. תמונות אינפרא אדום של וופל מלוכדות מוצגות באיורים 5 ו- 6. לעתים קרובות חישול משפר את האחידות של התא, במיוחד אם אזורים מקומיים unbonded הם בשל חוסר שטוחות בופלים. ...

Discussion

הפיתוח של ליתוגרפיית סיליקון מתאימה בשילוב עם מליטה ישירה של רקיקים אפשרה לנו להכין מארזי ואקום הדוקים עם ממדים קטנים ואחידים ביותר על פני כל השטח המלא של רקיק סיליקון בקוטר 5 ס"מ. מארזים אלה אפשרו לנו ללמוד את ההתנהגות של נוזל ⁴הוא בשכונה של מעברי הפאזה שלה מנוזל רגיל לתנור על. מחקרים...

Materials

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