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

Ces travaux ont été financés par les subventions DMR-0605716 et DMR-1101189 de la NSF. En outre, le Cornell NanoScale Science and Technology Center a été utilisé pour cultiver et modeler les oxydes. Nous les remercions de leur aide. L’un d’entre nous FMG est reconnaissant pour le soutien de la chaire Moti Lal Rustgi.

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.
<ol><li>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 ...

<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>

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...

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 élevées5,6. Le collage peut être effectué avec succès avec des surfaces deSiO2 à Si ou deSiO2 àSiO2. 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 optiques7. 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 plaquette8,9. 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 succès10,11. 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 eux10,12. 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 deSiO2 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 cellules14. Ceci est négligeable pour les motifs formés à TA.

<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

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’expériences3,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 désionisée4. 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.

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...

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Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

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.

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

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

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