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

Detta arbete finansierades av NSF-bidrag DMR-0605716 och DMR-1101189. Cornell NanoScale Science and Technology Center användes också för att odla och mönstra oxiderna. Vi tackar dem för deras hjälp. En av oss FMG är tacksam för stödet från Moti Lal Rustgi-professuren.

1. Före bindning, Wafer Förberedelse
Detta steg förutom 1,8 görs i Cornell Nanoscale Facility rent rum.
<ol><li>Odla oxiderna i en vanlig termisk oxidationsugn med hjälp av en våtoxidprocess för tjocka oxider och, för att uppnå bättre tjocklekskontroll, en torr oxidprocess för mycket tunna oxider. Kontrollera tjockleken för enhetlighet över hela skivan med ellipsometry.</li>
	<li>Skapa en mask för den geometri du vill etsa.</li>
	<li>Snurra fotoresisten på wafers som etsas.</li>
...

<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>

Utvecklingen av lämplig kisellitografi i kombination med direkt waferbindning har gjort det möjligt för oss att göra vakuumtäta kapslingar med mycket enhetliga små dimensioner över hela området med en kiselskiva med diametern 5 cm. Dessa inneslutningar har gjort det möjligt för oss att studera beteendet hos flytande 4Han i närheten av dess fasövergångar från en normal vätska till en överflödig. Dessa studier har verifierat förutsägelser om finit storlek skalning, samt påpekat misslyckanden ...

När rena kiselplattor tas i intim kontakt på RT lockas de till varandra via van der Waals krafter och bildar svaga lokala band. Denna bindning kan göras mycket starkare genom glödgning vid högre temperaturer5,6. Bindning kan göras framgångsrikt med ytor på antingen SiO2 till Si eller SiO2 till SiO2. Bindning av Si-plattor används oftast för kisel på isolatorenheter, kiselbaserade sensorer och ställdon och optiska enheter7. Det arbete som beskrivs här tar wafer direktbindning i en annan riktning genom att använda den för att uppnå väldefinierade enhetligt förrymda kapslingar över hela waferområdet8,9. Att ha en väldefinierad geometri där vätska kan föras in gör det möjligt att utföra mätningar för att bestämma inneslutningens effekt på vätskans egenskaper. Hydrodynamiska flöden kan studeras där den lilla dimensionen kan styras från tiotals nanometer till flera mikrometer.
SiO2 kan odlas på Si-plattor med en våt eller torr termisk oxidprocess i en ugn. SiO2 kan sedan mönstras och etsas som önskat med hjälp av litografiska tekniker. Mönster som har använts i vårt arbete inkluderar ett mönster av brett förmörade stödposter som resulterar vid bindning i en plan- eller filmgeometri (se figur 1). Vi har också mönstrade kanaler för endimensionella egenskaper och matriser av lådor, antingen av (1 μm)3 eller (2 μm)3 dimension1 (se figur 2). När du utformar en inneslutning med lådor, vanligtvis 10-60 miljoner på en skiva, måste det finnas ett sätt att fylla alla enskilda lådor. En separat mönstring av toppskivan med en design som står av de två wafersna med 30 nm eller mer möjliggör detta. Eller, på motsvarande sätt, kan grunda kanaler utformas på den övre skivan så att alla lådor är länkade. Tjockleken på den oxid som odlas på den övre skivan skiljer sig från den på bottenskivan. Detta lägger till ytterligare en grad av flexibilitet och komplexitet till designen. Att kunna mönstra båda plattor gör det möjligt att realiserat en större variation av inneslutningsgeometrier.
Storleken på de geometriska egenskaperna i dessa bundna plattor, eller celler, kan variera. Celler med planarfilmer så små som 30 nm har framgångsrikt gjorts10,11. Vid tjocklekar under detta kan överbonding ske varigenom plattor böjer sig runt stödstolparna och därmed "förseglar" cellen. Nyligen en serie mätningar på vätska 4Han har utförts med en rad (2 μm)3 lådor med varierande separationsavstånd mellan dem10,12. Funktioner som är mycket större på djupet än 2 μm är inte särskilt praktiska på grund av den ökande tid som krävs för att odla oxiden. Mätningar har dock gjorts med en oxid så tjock som 3,9 μm9. Gränserna för den laterala dimensionens litenhet härrör från gränserna för litografikapaciteten. Gränsen för den laterala dimensionens storhet bestäms av skivans storlek. Vi har framgångsrikt skapat planceller där den laterala dimensionen sträckte sig över nästan hela waferdiametern, men man kan lika gärna föreställa sig att mönstra flera mindre strukturer i storleksordningen tiotals nanometer i bredd. Sådana strukturer skulle dock kräva e-balk litografi. Vi har inte gjort det just nu.
I allt vårt arbete bildade de bundna wafersna ett vakuum tätt hölje. Detta uppnås genom att i mönstrad oxid behålla en fast ring av SiO2 med en bredd av 3-4 mm vid waferns omkrets, se figur 1. Detta, vid bindning, bildar en tät tätning. Denna konstruktion skulle lätt kunna ändras om man var intresserad av hydrodynamiska studier som kräver en insats och en effekt.
Det spruckna trycket från de bundna cellerna har också testats. Vi fann att med 375 μm tjocka wafers kunde tryck upp till cirka nio atmosfärer appliceras. Vi har dock inte studerat hur detta skulle kunna förbättras genom att binda över större oxidområden eller kanske för tjockare plattor.
Förfarandet för att interfacing kiselcellerna till en fyllning linje och teknikerna för att mäta egenskaperna hos det begränsade helium vid låg temperatur ges i Mehta et al. 2 och Gasparini et al. 13 Vi noterar att förändringar i linjär dimension för kisel endast är 0,02% vid kylning av cellerna14. Detta är försumbart för de mönster som bildas 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

Mätningar av värmekapaciteten och överflödig fraktion av instängda 4Han har utförts nära lambdaövergången med litografiska mönstrade och bundna kiselplattor. Till skillnad från inneslutningar i porösa material som ofta används för dessa typer av experiment3,ger bundna plattor fördesignade enhetliga utrymmen för inneslutning. Geometrin för varje cell är välkänd, vilket tar bort en stor källa till tvetydighet i tolkningen av data.
Exceptionellt platt, 5 cm diameter, 375 μm tjocka Si-wafers med ca 1 μm variation över hela skivan kan erhållas kommersiellt (till exempel från Semiconductor Processing Company). Termisk oxid odlas på plattor för att definiera inneslutningsdimensionen i z-riktningen. Ett mönster etsas sedan in i oxiden med hjälp av litografiska tekniker för att skapa en önskad inneslutning vid bindning. Ett hål borras i en av plattor (toppen) för att möjliggöra införandet av vätskan att mätas. Plattor rengörs2 i RCA-lösningar och läggs sedan i en mikrokleankammare där de sköljs med avjoniserat vatten4. Wafers binds vid RT och glödgas sedan vid ~ 1,100 °C. Detta utgör ett starkt och permanent band. Denna process kan användas för att göra enhetliga inneslutningar för mätning av termiska och hydrodynamiska egenskaper hos begränsade vätskor från nanometern till mikrometerskalan.

Korrekt bundna wafers kommer inte att ha några obonded regioner. Försök att dela wafers efter glödgning kommer att orsaka cellen att bryta i bitar på grund av bindningens styrka. Infraröda bilder av korrekt bundna rån visas i figurerna 5 och 6. Ofta förbättrar glödgning cellens enhetlighet, särskilt om lokala obonded regioner beror på brist på platthet i plattor. I figur 5 är ljuspunkterna och gränsen bundna områden. Den ljusa mittpunkten är hålet för ...

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 metod för permanent bindning av två kiselplattor för att realisera ett enhetligt hölje beskrivs. Detta inkluderar wafer förberedelse, rengöring, RT-bindning och glödgningsprocesser. De resulterande bundna wafersna (celler) har enhetlighet i höljet ~ 1%1,2. Den resulterande geometrin möjliggör mätningar av begränsade vätskor och gaser.

Tillverkning av enhetliga håligheter i nanoskala 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

Framställning och karaktärisering av fotoniska kristaller Slow ljusvågledare och håligheter

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 Konduktivitet och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med 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

Mönstring via Optiska mätt Transitions - tillverkning och 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

Termiska mätteknik i Analytisk mikroflödessystem enheter

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

Skriven 3-D Direkt Skriva av Upphängda Micron / Sub-micron Skala fiberstrukturer via en Robotic dispenseringssystem

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

Lösningsmedelsbindning för framställning av PMMA och COP Mikrofluidikanordningar

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 metod för<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karaktärisering av nanoskalaprover

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

Tillverkning av magnetiska nanostrukturer på kisel nitriden membran för magnetiska Vortex studier med överföring mikroskopi tekniker

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