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

Diese Arbeit wurde durch die NSF-Stipendien DMR-0605716 und DMR-1101189 finanziert. Auch das Cornell NanoScale Science and Technology Center wurde verwendet, um die Oxide zu wachsen und zu strukturieren. Wir danken ihnen für ihre Unterstützung. Einer von uns FMG ist dankbar für die Unterstützung der Moti Lal Rustgi Professur.

1. Vor dem Verkleben, Wafer-Vorbereitung
Dieser Schritt mit Ausnahme von 1.8 wird im Reinraum der Cornell Nanoscale Facility durchgeführt.
<ol><li>Wachsen Sie die Oxide in einem Standard-Thermooxidationsofen mit einem Nassoxid-Verfahren für dicke Oxide und, um eine bessere Dickenkontrolle zu erreichen, einem Trockenoxid-Verfahren für sehr dünne Oxide. Überprüfen Sie die Dicke auf Gleichmäßigkeit über den vollen Wafer mit Ellipsometry.</li>
	<li>Erstellen Sie eine Maske für die Geometr...

<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>

Die Entwicklung einer geeigneten Silizium-Lithographie in Kombination mit direkter Wafer-Bindung hat es uns ermöglicht, vakuumdichte Gehäuse mit sehr gleichmäßigen kleinen Abmessungen über die gesamte Fläche eines Siliziumwafers mit 5 cm Durchmesser herzustellen. Diese Gehäuse haben es uns ermöglicht, das Verhalten von Flüssigkeit 4Er in der Nachbarschaft seiner Phase Übergänge von einer normalen Flüssigkeit zu einem Superfluid zu studieren. Diese Studien haben Vorhersagen der finite-size-Skalierun...

Wenn saubere Siliziumwafer bei RT in intimen Kontakt gebracht werden, werden sie über van der Waals Kräfte zueinander angezogen und bilden schwache lokale Bindungen. Diese Verklebung kann durch Glühen bei höheren Temperaturen5,6viel stärker werden. Das Verkleben kann erfolgreich mit Oberflächen von SiO2 bis Si oder SiO2 zu SiO2erfolgen. Die Verklebung von Si-Wafern wird am häufigsten für Silizium auf Isolatoren, Silizium-basierten Sensoren und Aktoren sowie optischen Geräten7 verwendet. Die hier beschriebene Arbeit nimmt waferdirekte Verklebung in eine andere Richtung, indem sie verwendet wird, um klar definierte gleichmäßig verteilte Gehäuse über die gesamte Waferfläche8,9zu erreichen. Mit einer genau definierten Geometrie, in der Flüssigkeit eingeführt werden kann, können Messungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen der Einschließung auf die Eigenschaften der Flüssigkeit zu bestimmen. Hydrodynamische Strömungen können untersucht werden, wo die kleine Dimension von Dutzenden Von Nanometern bis zu mehreren Mikrometern gesteuert werden kann.
SiO2 kann auf Si-Wafern mit einem nassen oder trockenen thermischen Oxidverfahren in einem Ofen angebaut werden. Der SiO2 kann dann mit lithographischen Techniken nach Belieben gemustert und geätzt werden. Muster, die in unserer Arbeit verwendet wurden, umfassen ein Muster von weit räumchenden Stützpfosten, das sich aus der Bindung in einer planaren oder Filmgeometrie ergibt (siehe Abbildung 1). Wir haben auch gemusterte Kanäle für eindimensionale Eigenschaften und Arrays von Boxen, entweder von (1 m)3 oder (2 m)3 Dimension1 (siehe Abbildung 2). Beim Entwerfen einer Einschließung mit Boxen, in der Regel 10-60 Millionen auf einem Wafer, muss es eine Möglichkeit geben, alle einzelnen Boxen zu füllen. Eine separate Musterung des oberen Wafers mit einem Design, das die beiden Wafer um 30 nm oder mehr abhebt, erlaubt dies. Oder, entsprechend, flache Kanäle können auf dem oberen Wafer so gestaltet werden, dass alle Boxen miteinander verbunden sind. Die Dicke des auf dem oberen Wafer angebauten Oxids unterscheidet sich von der des unteren Wafers. Dies verleiht dem Design ein weiteres Maß an Flexibilität und Komplexität. Die Möglichkeit, beide Wafer zu mustern, ermöglicht die Realisierung einer größeren Vielfalt von Eingrenzungsgeometrien.
Die Größe der geometrischen Merkmale in diesen gebundenen Wafern oder Zellen kann variieren. Zellen mit planaren Folien bis 30 nm wurden erfolgreich10,11hergestellt. Bei dicken darunter kann eine Überkleben stattfinden, wobei sich die Wafer um die Stützpfosten biegen und so die Zelle "versiegeln". Kürzlich, eine Reihe von Messungen auf Flüssigkeit 4Er wurden mit einem Array von (2 m)3 Boxen mit unterschiedlichem Trennungsabstand zwischen ihnen10,12durchgeführt. Features, die viel größer sind als 2 m, sind aufgrund der zunehmenden Zeit, die für den Anbau des Oxids benötigt wird, nicht sehr praktisch. Es wurden jedoch Messungen mit einem Oxid von bis zu 3,9 m9durchgeführt. Die Grenzen der Kleinheit der lateralen Dimension ergeben sich aus den Grenzen der Lithographie-Fähigkeiten. Der Grenzwert für die Größe der lateralen Dimension wird durch die Größe des Wafers bestimmt. Wir haben erfolgreich planare Zellen geschaffen, in denen die laterale Dimension fast den gesamten Waferdurchmesser überspannte, aber man könnte sich genauso gut vorstellen, mehrere kleinere Strukturen in der Größenordnung von zig Nanometern breite zu modellieren. Solche Strukturen würden jedoch eine E-Strahl-Lithographie erfordern. Das haben wir zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht getan.
Bei all unserer Arbeit bildeten die gebundenen Wafer ein vakuumdichtes Gehäuse. Dies wird erreicht, indem im gemusterten Oxid ein fester Ring von SiO2 von 3-4 mm Breite am Umfang des Wafers beibehalten wird, siehe Abbildung 1. Dies bildet beim Verkleben eine enge Abdichtung. Dieses Design könnte leicht geändert werden, wenn man an hydrodynamischen Studien interessiert wäre, die einen Input und einen Ausgang erfordern.
Auch der Berstdruck der gebundenen Zellen wurde getestet. Wir fanden heraus, dass mit 375 m dicken Wafern Druck bis zu etwa neun Atmosphären aufgebracht werden konnten. Wir haben jedoch nicht untersucht, wie dies durch die Bindung über größere Oxidflächen oder vielleicht auch durch dickere Wafer verbessert werden könnte.
Das Verfahren zur Anbindung der Siliziumzellen an eine Abfülllinie und die Verfahren zur Messung der Eigenschaften des geschlossenen Heliums bei niedriger Temperatur sind in Mehta et al.angegeben. 2 und Gasparini et al. 13 Wir stellen fest, dass Änderungen der linearen Dimension für Silizium nur 0,02% nach Kühlung der Zellen14betragen. Dies ist für die bei RT gebildeten Muster vernachlässigbar.

<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

Messungen der Wärmekapazität und des Superfluidanteils von eingeschlossenen 4Er wurden in der Nähe des Lambda-Übergangs mit lithographisch gemusterten und gebundenen Siliziumwafern durchgeführt. Im Gegensatz zu eingeschlossenen Stoffen in porösen Materialien, die häufig für diese Art von Experimenten verwendet werden3,bieten gebundene Wafer vorgefertigte einheitliche Räume für die Einschließung. Die Geometrie jeder Zelle ist bekannt, was eine große Quelle von Mehrdeutigkeit bei der Interpretation von Daten entfernt.
Außergewöhnlich flache, 5 cm große, 375 m dicke Si-Wafer mit ca. 1 m Streuung über den gesamten Wafer können kommerziell bezogen werden (z.B. von Semiconductor Processing Company). Thermisches Oxid wird auf den Wafern angebaut, um die Einschließungsdimension in Z-Richtung zu definieren. Ein Muster wird dann mit lithographischen Techniken in das Oxid geätzt, um beim Kleben ein gewünschtes Gehäuse zu erzeugen. In einem der Wafer (oben) wird ein Loch gebohrt, um die Einschleppung der Flüssigkeit zu ermöglichen. Die Wafer werden2 in RCA-Lösungen gereinigt und dann in eine mikrosaubere Kammer gelegt, wo sie mit entionisiertemWasser4 abspült werden. Die Wafer werden bei RT gebunden und dann bei 1.100 °C geglüht. Dies bildet eine starke und dauerhafte Bindung. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um einheitliche Gehäuse zur Messung der thermischen und hydrodynamischen Eigenschaften von begrenzten Flüssigkeiten vom Nanometer bis zur Mikrometerskala herzustellen.

Richtig gebundene Wafer haben keine nicht gebundenen Regionen. Der Versuch, die Wafer nach dem Glühen zu spalten, führt dazu, dass die Zelle aufgrund der Stärke der Bindung in Stücke zerbricht. Infrarotbilder von richtig gebundenen Wafern sind in den Abbildungen 5 und 6dargestellt. Oft verbessert das Glühen die Gleichmäßigkeit der Zelle, vor allem, wenn lokale nicht gebundene Regionen auf mangelnde Ebenheit in den Wafern zurückzuführen sind. In Abbildung 5 sind ...

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Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Beschrieben wird ein Verfahren zum dauerhaften Verkleben von zwei Siliziumwafern, um ein einheitliches Gehäuse zu realisieren. Dazu gehören Wafervorbereitung, Reinigung, RT-Bindung und Glühprozesse. Die resultierenden gebundenen Wafer (Zellen) haben eine Gleichmäßigkeit des Gehäuses von 1%1,2. Die resultierende Geometrie ermöglicht Messungen von geschlossenen Flüssigkeiten und Gasen.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über 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 ...

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