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

이 작품은 NSF 보조금 DMR-0605716 및 DMR-1101189에 의해 지원되었다. 또한 코넬 나노스케일 과학 기술 센터는 산화물을 재배하고 패턴화하는 데 사용되었습니다. 우리는 그들의 도움에 감사드립니다. 우리 중 한 명은 모티 랄 러스티 교수의 지원에 감사드립니다.

1. 본딩 전, 웨이퍼 준비
1.8을 제외한 이 단계는 코넬 나노스케일 시설 클린룸에서 수행됩니다.
<ol><li>두꺼운 산화물에 젖은 산화 공정을 사용하여 표준 열 산화 용광로에서 산화물을 재배하고, 더 나은 두께 제어를 달성하기 위해, 매우 얇은 산화물에 대한 건조 산화물 공정. 타원면으로 전체 웨이퍼에 균일성을 위해 두께를 확인합니다.</li>
	<li>에칭하려는 형상에 대한 마스크?...

<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>

직접 웨이퍼 본딩과 함께 적합한 실리콘 리소그래피를 개발함으로써 직경 5cm의 실리콘 웨이퍼의 전체 영역에 매우 균일한 작은 치수로 진공 밀착 인클로저를 만들 수 있었습니다. 이러한 인클로저는 우리가 액체의 행동을 연구 할 수 있었다 4그는 초유체로 정상적인 액체에서 위상 전환의 이웃. 이러한 연구는 유한 한 크기 스케일링의 예측을 확인 했습니다., 뿐만 아니라 탐구 남아 있는 ...

깨끗한 실리콘 웨이퍼가 RT에서 친밀한 접촉으로 옮겨질 때, 그들은 반 데르 발스 힘을 통해 서로에게 매력을 느끼고 약한 지역 채권을 형성합니다. 이 결합은 더 높은 온도에서 어닐링에 의해 훨씬 더 강하게 만들 수있습니다 5,6. 본딩은 SiO 2 ~ SiO 2 ~ SiO2 ~ SiO2의 표면으로 성공적으로 수행할 수있습니다. Si 웨이퍼의 본딩은 절연체 장치, 실리콘 기반 센서 및 액추에이터 및 광학 장치7의실리콘에 가장 일반적으로 사용됩니다. 여기에 설명된 작품은 웨이퍼 직접 접합을 사용하여 전체 웨이퍼 영역8,9에걸쳐 균일하게 간격이 있는 잘 간격된 인클로저를 달성함으로써 다른 방향으로 결합합니다. 유체가 도입될 수 있는 잘 정의된 형상을 갖는 것은 유체의 특성에 대한 감금의 효과를 결정하기 위해 측정을 수행할 수 있게 합니다. 유체 역학 적 흐름은 작은 치수가 수십 나노미터에서 여러 마이크로 미터로 제어 할 수있는 곳에서 연구 될 수있다.
SiO2는 용광로에서 습식 또는 건조한 열 산화물 공정을 사용하여 시 웨이퍼에서 재배할 수 있습니다. 그런 다음 SiO2는 리소그래피 기술을 사용하여 원하는 대로 패턴화하고 에칭할 수 있습니다. 우리의 작품에 사용 된 패턴은 평면 또는 필름 지오메트리에 결합시 결과 널리 간격 지원 게시물의 패턴을 포함한다 (그림 1참조). 또한 (1 μm)3 또는 (2 μm)3 차원1 (그림 2참조)중 하나 인 1 차원 특성 및 상자 배열을위한 패턴 채널을 가지고 있습니다. 일반적으로 웨이퍼에 10-6000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000상자로 감금을 설계할 때는 모든 개별 상자를 채울 수 있는 방법이 있어야 합니다. 30nm 이상 두 웨이퍼를 벗어난 디자인의 상단 웨이퍼의 별도의 패터닝이 가능합니다. 또는 이와 마찬가지로 얕은 채널을 상단 웨이퍼에 설계하여 모든 상자가 연결되도록 할 수 있습니다. 상단 웨이퍼에서 자란 산화물의 두께는 하단 웨이퍼의 두께와 다릅니다. 이렇게 하면 디자인에 또 다른 유연성과 복잡성이 추가됩니다. 두 웨이퍼를 패턴화할 수 있으므로 더 다양한 감금 형상을 실현할 수 있습니다.
본딩 웨이퍼 또는 셀에서 기하학적 피처의 크기는 다를 수 있습니다. 30nm의 작은 평면 필름을 가진 세포는 성공적으로10,11만들어졌다. 이 아래 두께에서 웨이퍼가 지지 포스트 주위를 구부려 셀을 "밀봉"하는 오버 본딩이 일어날 수 있습니다. 최근에는 액체 4에대한 일련의 측정을10,12개의분리 거리가 있는 배열(2 μm)3박스로 수행되었다. 2 μm보다 깊이가 훨씬 큰 특징은 산화물을 성장하는 데 필요한 시간이 증가하기 때문에 매우 실용적이지 않습니다. 그러나 산화물은 3.9 μm9만큼두꺼운 측정을 했습니다. 측면 차원의 작은 부분에 대한 제한은 리소그래피 기능의 한계에서 발생합니다. 측면 치수의 크기에 대한 제한은 웨이퍼의 크기에 의해 결정됩니다. 우리는 측면 치수가 거의 전체 웨이퍼 직경에 걸쳐 평면 세포를 성공적으로 만들었습니다, 그러나 하나는 쉽게 폭 수십 나노미터의 순서에 여러 개의 작은 구조를 패터닝 상상할 수 있습니다. 그러나 이러한 구조는 전자 빔 리소그래피를 필요로합니다. 우리는이 시간에이 작업을 수행하지 않았습니다.
우리의 모든 작업에서 접합 웨이퍼는 진공 꽉 인클로저를 형성했다. 이는 웨이퍼의 둘레에서 폭 3~4mm의 SiO2의 고체 고리를 패턴 산화물로 유지함으로써 달성되고, 도 1을참조하십시오. 이것은, 결합시, 꽉 씰을 형성한다. 입력과 출력이 필요한 유체 역학 연구에 관심이 있다면 이 설계를 쉽게 수정할 수 있습니다.
접합 세포의 파열 압력도 테스트되었습니다. 우리는 375 μm 두께의 웨이퍼로 최대 9 개의 대기가 적용될 수 있음을 발견했습니다. 그러나, 우리는 이것이 더 큰 산화물 지역에 결합해서 또는, 아마도, 두꺼운 웨이퍼를 위해 어떻게 향상될 수 있는지 공부하지 않았습니다.
실리콘 세포를 충진선으로 상호 대면하는 절차와 저온에서 제한된 헬륨의 특성을 측정하는 기술은 Mehta 외에서주어진다. 2 와 가스파리니 외. 13 우리는 실리콘에 대한 선형 차원의 변화는 셀(14)을냉각시 0.02 %에 불과하다는 점에 유의한다. 이것은 RT에서 형성된 패턴에 대해 무시할 수 있습니다.

<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

밀폐된 4의열 용량 및 초유체 분획의 측정은 소각 패턴 및 접합 실리콘 웨이퍼를 사용하여 람다 전이 근처에서 수행되었습니다. 이러한 유형의 실험3에자주 사용되는 다공성 물질의 감금과는 달리, 접합 웨이퍼는 감금을 위해 미리 설계된 균일 한 공간을 제공합니다. 각 셀의 형상은 잘 알려져 있으며, 이는 데이터 해석에서 큰 모호성 소스를 제거합니다.
매우 평평한, 5cm 직경, 375 μm 두께의 시 웨이퍼는 전체 웨이퍼에 약 1 μm 변이를 통해 상업적으로 얻을 수 있습니다(예를 들어, 반도체 가공 회사에서). 열 산화물은 z 방향으로 감금 치수를 정의하기 위해 웨이퍼에서 재배됩니다. 그런 다음 소각 기술을 사용하여 산화물에 패턴이 새겨져 결합 시 원하는 인클로저를 만듭니다. 구멍은 액체의 도입을 측정할 수 있도록 웨이퍼(상단) 중 하나에 드릴링됩니다. 웨이퍼는 RCA 솔루션에서2를 세척한 다음 미세 클린 챔버에 넣어 식수4로헹구는 미세 한 챔버에 넣습니다. 웨이퍼는 RT에서 결합된 다음 ~1,100°C에서 어닐링됩니다. 이것은 강력하고 영구적 인 유대를 형성한다. 이 공정은 나노미터에서 마이크로미터 스케일까지 제한된 액체의 열 및 유체 역학적 특성을 측정하기 위한 균일한 인클로저를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

제대로 결합 된 웨이퍼에는 결합되지 않은 영역이 없습니다. 어닐링 후 웨이퍼를 분할하려고 하면 결합의 강도로 인해 세포가 조각으로 부서집니다. 제대로 접합 웨이퍼의 적외선 이미지는 그림 5 및 6에표시됩니다. 종종 안과 는 특히 지역 미결합 영역이 웨이퍼의 평탄도 부족으로 인한 경우 세포의 균일성을 향상시킵니다. 그림 5에서 광반점과 테두리는 접...

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Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

균일한 인클로저를 실현하기 위해 두 개의 실리콘 웨이퍼를 영구적으로 접합하는 방법이 설명되어 있다. 여기에는 웨이퍼 준비, 세척, RT 본딩 및 어닐링 프로세스가 포함됩니다. 생성된 접합 웨이퍼(cells)는 인클로저 ~1%1,2의균일성을 갖는다. 그 결과 형상을 통해 제한된 액체와 가스를 측정할 수 있습니다.

실리콘 다이렉트 웨이퍼 본딩을 통한 균일한 나노스케일 캐비티 제조

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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