Name: fabrication of uniform nanoscale cavities via silicon direct wafer bonding
Uploaded: 2014-01-09T14:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding at JoVE.com

Dette arbejde blev finansieret af NSF tilskud DMR-0605716 og DMR-1101189. Cornell NanoScale Science and Technology Center blev også brugt til at vokse og mønstre oxiderne. Vi takker dem for deres hjælp. En af os FMG er taknemmelig for støtte fra Moti Lal Rustgi Professorship.

1. Før Limning, Wafer Forberedelse
Dette trin bortset fra 1,8 sker i Cornell Nanoscale Facility renrum.
<ol><li>Oxiderne dyrkes i en standard termisk oxidationsovn ved hjælp af en vådoxidproces for tykke oxider og, for at opnå bedre tykkelseskontrol, en tøroxidproces for meget tynde oxider. Kontroller tykkelsen for ensartethed over den fulde wafer med ellipsometry.</li>
	<li>Opret en maske til den geometri, du vil ætse.</li>
	<li>Spin fotoresist på wafers bliver ætset.</li>
	<li>Udsæt,...

<ol>
	<li>Gasparini, F. M., Kimball, M. O., Mooney, K. P., Diaz-Avila, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite-size+scaling+of+He-4+at+the+superfluid+transition.">Finite-size scaling of He-4 at the superfluid transition.</a> Rev. Mod. Phys. 80, 1009-1059 (2008).</li><li>Mehta, S., Kimball, M. O., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superfluid+transition+of+He-4+for+two-dimensional+crossover,+heat+capacity,+and+finite-size+scaling.">Superfluid transition of He-4 for two-dimensional crossover, heat capacity, and finite-size scaling.</a> J. Low Temp. Phys. 114, 467-521 (1999).</li><li>Reppy, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superfluid-Helium+in+Porous-Media.">Superfluid-Helium in Porous-Media.</a> J. Low Temp. Phys. 87, 205-245 (1992).</li><li>Mehta, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+wafers+at+sub-mu+m+separation+for+confined+He-4+experiments.">Silicon wafers at sub-mu m separation for confined He-4 experiments.</a> Czech. J. Phys. 46, 133-134 (1996).</li><li>Tong, Q. Y., Cha, G. H., Gafiteanu, R., Gosele, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low-Temperature Wafer Direct Bonding. J. Microelectromech. S. 3, 29-35 (1994).</li><li>Tong, Q. Y., Gosele, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+Wafer+Bonding+-+Recent+Developments.">Semiconductor Wafer Bonding - Recent Developments.</a> Mater. Chem. Phys. 37, 101-127 (1994).</li><li>Gosele, U., Tong, Q. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+wafer+bonding.">Semiconductor wafer bonding.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 28, 215-241 (1998).</li><li>Rhee, I., Petrou, A., Bishop, D. J., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonding+Si-Wafers+at+Uniform+Separation.">Bonding Si-Wafers at Uniform Separation.</a> Physica B. 165, 123-124 (1990).</li><li>Rhee, I., Gasparini, F. M., Petrou, A., Bishop, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Si+Wafers+Uniformly+Spaced+-+Bonding+and+Diagnostics.">Si Wafers Uniformly Spaced - Bonding and Diagnostics.</a> Rev. Sci. Instrum. 61, 1528-1536 (1990).</li><li>Perron, J. K., Kimball, M. O., Mooney, K. P., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+behavior+of+coupled+4He+regions+near+the+superfluid+transition.">Critical behavior of coupled 4He regions near the superfluid transition.</a> Phys. Rev. B. 87, (2013).</li><li>Perron, J., Gasparini, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specific+Heat+and+Superfluid+Density+of+4He+near+T+&#955;+of+a+33.6+nm+Film+Formed+Between+Si.">Specific Heat and Superfluid Density of 4He near T &#955; of a 33.6 nm Film Formed Between Si.</a> , 1-10 (2012).</li><li>Perron, J. K., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+Point+Coupling+and+Proximity+Effects+in+He-4+at+the+Superfluid+Transition.+.">Critical Point Coupling and Proximity Effects in He-4 at the Superfluid Transition. .</a> Phys. Rev. Lett.. 109, (2012).</li><li>Gasparini, F. M., Kimball, M. O., Mehta, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adiabatic+fountain+resonance+for+He-4+and+He-3-He-4+mixtures.">Adiabatic fountain resonance for He-4 and He-3-He-4 mixtures.</a> J. Low Temp. Phys. 125, 215-238 (2001).</li><li>Corruccini, R. J., Gniewek, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+expansion+of+technical+solids+at+low+temperatures;+a+compilation+from+the+literature.">Thermal expansion of technical solids at low temperatures; a compilation from the literature.</a> U.S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standards. , (1961).</li><li>Kahn, H., Deeb, C., Chasiotis, I., Heuer, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anodic+oxidation+during+MEMS+processing+of+silicon+and+polysilicon:+Native+oxides+can+be+thicker+than+you+think.">Anodic oxidation during MEMS processing of silicon and polysilicon: Native oxides can be thicker than you think.</a> J. Microelectromech. S. 14, 914-923 (2005).</li><li>Tong, Q. Y., Gosele, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thickness+Considerations+in+Direct+Silicon-Wafer+Bonding.">Thickness Considerations in Direct Silicon-Wafer Bonding.</a> J. Electrochem. Soc. 142, 3975-3979 (1995).</li><li>Corbino, O. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Azioni+Elettromagnetiche+Doyute+Agli+Ioni+dei+Metalli+Deviati+Dalla+Traiettoria+Normale+per+Effetto+di+un+Campo.">Azioni Elettromagnetiche Doyute Agli Ioni dei Metalli Deviati Dalla Traiettoria Normale per Effetto di un Campo.</a> Nuovo Cim. 1, 397-420 (1911).</li><li>Diaz-Avila, M., Kimball, M. O., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavior+of+He-4+near+T-lambda+in+films+of+infinite+and+finite+lateral+extent.">Behavior of He-4 near T-lambda in films of infinite and finite lateral extent.</a> J. Low Temp. Phys. 134, 613-618 (2004).</li><li>Dimov, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anodically+bonded+submicron+microfluidic+chambers.">Anodically bonded submicron microfluidic chambers.</a> Rev. Sci. Instrum. 81, (2010).</li><li>Duh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+and+Nanofluidic+Cavities+for+Quantum+Fluids+Experiments.">Microfluidic and Nanofluidic Cavities for Quantum Fluids Experiments.</a> J. Low Temp. Phys. 168, 31-39 (2012).</li></ol>

Udviklingen af egnet silicium litografi i kombination med direkte wafer limning har gjort det muligt for os at lave vakuum stramme kabinetter med meget ensartede små dimensioner over hele arealet af en 5 cm diameter silicium wafer. Disse indhegninger har gjort det muligt for os at studere adfærden af væske 4Han i nærheden af dens faseovergange fra en normal væske til en superfluid. Disse undersøgelser har verificeret forudsigelser af finite-size skalering, samt påpeget fejl, som endnu ikke er undersøgt...

Når rene silicium wafers bringes i intim kontakt på RT, er de tiltrukket af hinanden via van der Waals kræfter og danner svage lokale bånd. Denne binding kan gøres meget stærkere ved udglødning ved højere temperaturer5,6. Limning kan gøres med succes med overflader på enten SiO2 til Si eller SiO2 til SiO2. Limning af Si wafers er mest almindeligt anvendt til silicium på isolator enheder, silicium-baserede sensorer og aktuatorer, og optiske enheder7. Det arbejde, der er beskrevet her, tager wafer direkte limning i en anden retning ved at bruge det til at opnå veldefinerede ensartet fordelte kabinetter over hele waferområdet8,9. At have en veldefineret geometri, hvor væske kan indføres, gør det muligt at foretage målinger for at bestemme virkningen af indeslutslingen på væskens egenskaber. Hydrodynamiske strømme kan undersøges, hvor den lille dimension kan styres fra snesevis af nanometer til flere mikrometre.
SiO2 kan dyrkes på Si wafers ved hjælp af en våd eller tør termisk oxid proces i en ovn. SiO2 kan derefter mønstres og ætses efter ønske ved hjælp af litografiske teknikker. Mønstre, der er blevet anvendt i vores arbejde omfatter et mønster af bredt fordelt støtte stillinger, som resulterer ved limning i en planar eller film geometri (se figur 1). Vi har også mønstrede kanaler for endimensionale egenskaber og matrixer af kasser, enten af (1 μm)3 eller (2 μm)3 dimension1 (se figur 2). Når man designer en indespærring med kasser, typisk 10-60 millioner på en wafer, skal der være en måde at fylde alle de enkelte kasser. En separat mønstre af den øverste wafer med et design, der står ud for de to wafers med 30 nm eller mere giver mulighed for dette. Eller tilsvarende kan lavvandede kanaler designes på den øverste wafer, så alle kasserne er forbundet. Tykkelsen af oxid dyrket på toppen wafer er forskellig fra den på den nederste wafer. Dette tilføjer en anden grad af fleksibilitet og kompleksitet til designet. At være i stand til at mønster begge wafers giver mulighed for en større vifte af indeslutning geometrier, der skal realiseres.
Størrelsen af de geometriske træk i disse bundet wafers, eller celler, kan variere. Celler med planar film så små som 30 nm er blevet gjort med succes10,11. Ved tykkelser under dette kan overbonding finde sted, hvor wafere bøjer rundt om støttestolperne og dermed "forsegler" cellen. For nylig er en række målinger på væske 4Han er blevet udført med en række (2 μm)3 kasser med varierende adskillelsesafstand mellem dem10,12. Funktioner, der er meget større i dybden end 2 μm, er ikke særlig praktiske på grund af den stigende tid, der kræves for at dyrke oxid. Målingerne er dog foretaget med en oxid, der er så tyk som 3,9 μm9. Grænserne for den laterale dimensions ringehed skyldes grænserne for litografikapaciteten. Grænsen for den laterale dimensions storhed bestemmes af waferens størrelse. Vi har med succes skabt planarceller, hvor den laterale dimension strakte sig over næsten hele waferdiameteren, men man kunne lige så godt forestille sig at mønstre flere mindre strukturer i størrelsesordenen snesevis af nanometer i bredden. Sådanne strukturer ville imidlertid kræve e-beam litografi. Det har vi ikke gjort på nuværende tidspunkt.
I alt vores arbejde dannede de bundne wafere et vakuumtæt kabinet. Dette opnås ved i det mønstrede oxid at bevare en solid ring på SiO2 på 3-4 mm i bredden ved waferens omkreds, se figur 1. Dette, ved limning, danner en stram forsegling. Dette design kunne let ændres, hvis man var interesseret i hydrodynamiske undersøgelser, der kræver input og output.
Det bristede tryk på de bundne celler er også blevet testet. Vi konstaterede, at der med 375 μm tykke vafler kunne trykkes op til ca. ni atmosfærer. Vi har imidlertid ikke undersøgt, hvordan dette kan forbedres ved at binde sig over større oxidområder eller måske for tykkere vafler.
Proceduren for interfacing af siliciumcellerne til en påfyldningslinje og teknikkerne til måling af egenskaberne af det indelukkede helium ved lav temperatur er angivet i Mehta et al. 2 og Gasparini et al. 13 Vi bemærker, at ændringer i lineær dimension for silicium kun er 0,02% ved afkøling af cellerne14. Dette er ubetydeligt for de mønstre, der dannes på RT.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1111">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:215px;">SmartCut</td>
			<td style="width:192px;">North American Tool</td>
			<td style="width:104px;">FL 130</td>
			<td style="width:600px;">Not much is needed per cell. Smaller sizes are available.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Silicon Wafers</td>
			<td>Semiconductor Processing Co</td>
			<td></td>
			<td>There are many suppliers. Pay attention to thickness and thickness variation when ordering.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Deionized Water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Peroxide</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hydrochloric Acid</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Ammonium Hydroxide</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Nitrogen Gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Helium Gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Diamond Paste</td>
			<td>Beuler Metadi II</td>
			<td>e.g. 406533032</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Diamond Drills</td>
			<td>Starlite</td>
			<td>e.g. 115010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Pyrex Dishes</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Filter Paper</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>1001-110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Acetone</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Methanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Quartz tubes for flushing furnace</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Rubber vacuum hose</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>General Availability</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of uniform nanoscale cavities via silicon direct wafer bonding

Målinger af varmekapaciteten og overflødig fraktion af begrænset 4Han er blevet udført i nærheden af lambda overgangen ved hjælp af litografisk mønstrede og bundet silicium wafers. I modsætning til indeslutninger i porøse materialer, der ofte anvendes til disse typer forsøg3, giver bundne vafler foruddefinerede ensartede rum til indespærring. Geometrien i hver celle er velkendt, hvilket fjerner en stor kilde til tvetydighed i fortolkningen af data.
Usædvanligt flade, 5 cm diameter, 375 μm tykke Si wafers med ca. 1 μm variation over hele waferen kan fås kommercielt (f.eks. fra Halvlederbehandlingsfirmaet). Termisk oxid dyrkes på vaflerne for at definere indeslutningsdimensionen i z-retningen. Et mønster ætses derefter i oxidken ved hjælp af litografiske teknikker for at skabe et ønsket kabinet ved limning. Et hul bores i en af vaflerne (toppen) for at gøre det muligt at måle indslæbning af væsken. Vaflerne rengøres2 i RCA-opløsninger og sættes derefter i et mikrocleankammer, hvor de skylles med deioniseret vand4. Vaflerne er bundet på RT og derefter udglødet ved ~ 1.100 ° C. Dette udgør et stærkt og permanent bånd. Denne proces kan bruges til at lave ensartede kabinetter til måling af termiske og hydrodynamiske egenskaber af indelukkede væsker fra nanometeret til mikrometerskalaen.

Korrekt bundet wafers vil ikke have nogen unbonded regioner. Forsøg på at opdele wafers efter udglødning vil få cellen til at bryde i stykker på grund af styrken af obligationen. Infrarøde billeder af korrekt bundet wafer er vist i figur 5 og 6. Ofte forbedrer udglødning cellens ensartethed, især hvis lokale unbonded regioner skyldes manglende fladhed i wafers. I figur 5 er lyspunkterne og grænsen bundne områder. Det midterste lyspunkt er hullet til påfyldning...

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding at JoVE.com

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

En metode til permanent limning af to siliciumskiver for at realisere et ensartet kabinet er beskrevet. Dette omfatter wafer forberedelse, rengøring, RT limning, og udglødning processer. De resulterende bundne wafere (celler) har ensartethed af kabinettet ~ 1%1,2. Den resulterende geometri giver mulighed for målinger af indelukkede væsker og gasser.

Fremstilling af ensartede nanoskala hulrum via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Samtidig Kvantitativ Ledningsevne og mekaniske egenskaber Målinger af organiske solceller materialer ved hjælp af AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Mønster via optisk mættede Transitions - fremstilling og karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Termiske Måleteknikker i Analytical mikrofluidenheder

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Ordineret 3-D Direkte Skrivning af suspenderet Micron / sub-micron Scale Fiber Strukturer via en robot dispensersystem

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Opløsningsmiddel Bonding til Fabrikation af PMMA og COP mikrofluidenheder

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

En ny metode til<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering af nanoskalaeksempler

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabrikation af magnetiske nanostrukturer på Silicon Nitride membraner til magnetiske Vortex undersøgelser ved hjælp af Transmission mikroskopi-teknikker

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...