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

Questo lavoro è stato finanziato da sovvenzioni NSF DMR-0605716 e DMR-1101189. Inoltre, il Cornell NanoScale Science and Technology Center è stato utilizzato per coltivare e modellare gli ossidi. Li ringraziamo per l'assistenza. Uno di noi FMG è grato per il sostegno della Cattedra Moti Lal Rustgi.

1. Prima dell'incollaggio, preparazione del wafer
Questo passaggio tranne 1.8 è fatto nella camera bianca Cornell Nanoscale Facility.
<ol><li>Far crescere gli ossidi in un forno di ossidazione termica standard utilizzando un processo di ossido umido per ossidi spessi e, per ottenere un migliore controllo dello spessore, un processo di ossido secco per ossidi molto sottili. Controllare lo spessore per l'uniformità sul wafer completo con ellissetria.</li>
	<li>Create una maschera per la 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>

Lo sviluppo di un'adeguata litografia in silicio in combinazione con l'incollaggio diretto dei wafer ci ha permesso di realizzare custodie a tenuta sottovuoto con dimensioni ridotte altamente uniformi su tutta l'area di un wafer di silicio di 5 cm di diametro. Questi recinti ci hanno permesso di studiare il comportamento del liquido 4Egli nel vicinato delle sue transizioni di fase da un liquido normale a un superfluido. Questi studi hanno verificato le previsioni del ridimensionamento a dimensioni finite, cos?...

Quando i wafer di silicio puliti vengono portati in contatto intimo a RT, sono attratti l'uno dall'altro attraverso le forze di van der Waals e formano deboli legami locali. Questo legame può essere reso molto più forte ricottura a temperature più elevate5,6. L'incollaggio può essere eseguito con successo con superfici da SiO2 a Si o Da SiO2 a SiO2. L'incollaggio dei wafer Si è più comunemente usato per il silicio su dispositivi isolanti, sensori e attuatori a base di silicio e dispositivi ottici7. Il lavoro qui descritto prende il legame diretto del wafer in una direzione diversa utilizzandolo per ottenere custodie ben definite e uniformemente distanziate sull'intera area del wafer8,9. Avere una geometria ben definita in cui è possibile introdurre il fluido consente di eseguire misurazioni al fine di determinare l'effetto del confinamento sulle proprietà del fluido. I flussi idrodinamici possono essere studiati dove la piccola dimensione può essere controllata da decine di nanometri a diversi micrometri.
SiO2 può essere coltivato su wafer Si utilizzando un processo di ossido termico umido o secco in un forno. Il SiO2 può quindi essere modellato e inciso come desiderato utilizzando tecniche litografiche. I modelli utilizzati nel nostro lavoro comprendono un modello di pali di supporto ampiamente distanziati che si traduce in un legame in una geometria planare o film (vedi figura 1). Abbiamo anche canali modellati per caratteristiche unidimensionali e array di scatole, di (1 μm)3 o (2 μm)3 dimensione1 (vedi figura 2). Quando si progetta un confinamento con scatole, in genere 10-60 milioni su un wafer, ci deve essere un modo per riempire tutte le singole scatole. Una serie separata del wafer superiore con un design che si distingue dai due wafer di 30 nm o più lo consente. Oppure, in modo equivalente, i canali poco profondi possono essere progettati sul wafer superiore in modo che tutte le scatole siano collegate. Lo spessore dell'ossido coltivato sul wafer superiore è diverso da quello sul wafer inferiore. Ciò aggiunge un altro grado di flessibilità e complessità al design. Essere in grado di modellare entrambi i wafer consente di realizzare una maggiore varietà di geometrie di confinamento.
La dimensione delle caratteristiche geometriche in questi wafer legati, o celle, può variare. Le celle con pellicole planari di appena 30 nm sono state realizzate consuccesso 10,11. A spessori inferiori a questo, può avvenire un sovrabbbondamento in cui i wafer si piegano attorno ai pali di supporto "sigillando" così la cella. Recentemente, una serie di misurazioni sul liquido 4È stato eseguito con una serie di (2 μm)3 scatole con distanza di separazione variabiletra loro 10,12. Caratteristiche molto più grandi di profondità di 2 μm non sono molto pratiche a causa del crescente tempo necessario per far crescere l'ossido. Tuttavia, sono state effettuate misurazioni con un ossido spesso fino a 3,9 μm9. I limiti della piccolezza della dimensione laterale derivano dai limiti delle capacità litografiche. Il limite per la grandezza della dimensione laterale è determinato dalla dimensione del wafer. Abbiamo creato con successo cellule planari in cui la dimensione laterale si estendeva su quasi tutto il diametro del wafer, ma si potrebbe facilmente immaginare di modellare diverse strutture più piccole dell'ordine di decine di nanometri di larghezza. Tuttavia tali strutture richiederebbero litografia a fascio e-beam. Al momento non lo abbiamo fatto.
In tutto il nostro lavoro i wafer legati formavano un involucro a tenuta di vuoto. Ciò si ottiene mantenendo nell'ossido modellato un anello solido di SiO2 di 3-4 mm di larghezza sul perimetro del wafer, vedere figura 1. Questo, al momento dell'incollaggio, forma un sigillo stretto. Questo progetto potrebbe essere facilmente modificato se si fosse interessati a studi idrodinamici che richiedono un input e un output.
È stata anche testata la pressione di scoppio delle cellule incollate. Abbiamo scoperto che con wafer spessi 375 μm, è stato possibile applicare una pressione fino a circa nove atmosfere. Tuttavia, non abbiamo studiato come ciò potrebbe essere migliorato legandosi su aree di ossido più grandi o, forse, per wafer più spessi.
La procedura per interfacciare le celle di silicio ad una linea di riempimento e le tecniche per misurare le proprietà dell'elio confinato a bassa temperatura sono fornite in Mehta et al. 2 e Gasparini et al. 13 Notiamo che i cambiamenti nella dimensione lineare per il silicio sono solo dello 0,02% al raffreddamento dellecelle 14. Questo è trascurabile per i modelli formati a 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

Misurazioni della capacità termica e della frazione superfluida del confinato 4È stato eseguito vicino alla transizione lambda usando wafer di silicio modellati e incollati litograficamente. A differenza dei confinamenti in materiali porosi spesso utilizzati per questi tipidi esperimenti 3, i wafer incollati forniscono spazi uniformi predesignati per il confinamento. La geometria di ogni cella è ben nota, il che rimuove una grande fonte di ambiguità nell'interpretazione dei dati.
Wafer Si eccezionalmente piatti, di 5 cm di diametro, spessi 375 μm con circa 1 μm di variazione sull'intero wafer possono essere ottenuti commercialmente (ad esempio da Semiconductor Processing Company). L'ossido termico viene coltivato sui wafer per definire la dimensione di confinamento nella direzione z. Un modello viene quindi inciso nell'ossido usando tecniche litografiche in modo da creare un involucro desiderato al momento del legame. Un foro viene praticato in uno dei wafer (la parte superiore) per consentire l'introduzione del liquido da misurare. I wafer vengono puliti2 in soluzioni RCA e quindi messi in una camera micropulizia dove vengono risciacquati con acqua deionizzata4. I wafer sono incollati a RT e poi ricotti a ~1.100 °C. Questo forma un legame forte e permanente. Questo processo può essere utilizzato per creare involucri uniformi per misurare le proprietà termiche e idrodinamiche dei liquidi confinati dal nanometro alla scala del micrometro.

I wafer correttamente legati non avranno regioni non disossate. Il tentativo di dividere i wafer dopo la ricottura farà sì che la cellula si rompa in pezzi a causa della forza del legame. Le immagini a infrarossi di wafer correttamente incollati sono mostrate nelle figure 5 e 6. Spesso la ricottura migliora l'uniformità della cellula, specialmente se le regioni locali non disossate sono dovute alla mancanza di planarità nei wafer. Nella figura 5 i punti luce e il bo...

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Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Viene descritto un metodo per legare permanentemente due wafer di silicio in modo da realizzare un involucro uniforme. Ciò include i processi di preparazione, pulizia, incollaggio RT e ricottura del wafer. I wafer legati risultanti (cellule) hanno uniformità di involucro ~1%1,2. La geometria risultante consente di misurazioni di liquidi e gas confinati.

Fabbricazione di cavità uniformi su nanoscala tramite 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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