通过硅直接晶圆键合技术制备均匀纳米级腔体

摘要

介绍了一种用于永久键合两个硅晶圆以实现均匀封装的方法。该方法包括晶圆制备、清洗、室温键合和退火过程。所得的键合晶圆（单元）封装均匀性约为1%^1,2。这种结构可用于对受限液体和气体进行测量。

摘要

利用光刻图案化并键合的硅晶圆，在接近λ相变的温度下对受限的⁴He的热容和超流体分数进行了测量。与以往此类实验中常用的多孔材料限制体系不同³，键合晶圆可提供预先设计的均匀限制空间。每个腔室的几何结构均十分明确，从而消除了数据分析中的一大类不确定性。

市面上可购得异常平整、直径为 5 cm、厚度为 375 µm、整个晶圆表面起伏约 1 µm 的硅片（例如，来自 Semiconductor Processing Company）。在晶圆上生长热氧化层，以确定 z 方向的限域尺寸。随后采用光刻技术在氧化层上刻蚀出特定图案，以便在键合后形成所需的封闭结构。在其中一个晶圆（上部晶圆）上钻一个孔，用于引入待测液体。晶圆在 RCA 溶液中清洗²，然后置于微清洁室中用去离子水冲洗⁴。晶圆在室温下键合，随后在约 1,100 °C 下退火。此过程形成牢固且永久的键合。该方法可用于制造均匀的封闭结构，以在纳米至微米尺度范围内测量受限液体的热学和流体动力学性质。

引言

当洁净的硅晶圆在室温下紧密接触时，它们会通过范德华力相互吸引，并形成较弱的局部键合。通过在较高温度下进行退火处理，这种键合可显著增强^5,6。该键合技术可成功用于SiO₂与Si表面之间，或SiO₂与SiO₂表面之间的结合。硅晶圆的键合最常用于绝缘体上硅器件、硅基传感器与执行器以及光学器件⁷。本文所述的工作将晶圆直接键合技术引向了一个新的方向，即利用该技术在整个晶圆范围内实现几何形状明确且均匀分布的封闭空间^8,9。通过构建具有明确几何结构的封闭空间以引入流体，可在此基础上开展测量，从而确定空间限域效应对流体性质的影响。此外，还可研究流体动力学流动行为，其中微小尺寸可在数十纳米至数微米范围内精确调控。

可以在炉子中通过湿法或干法热氧化工艺在硅晶圆上生长SiO₂。随后可使用光刻技术按所需对SiO₂进行图形化和刻蚀。我们在研究中使用的图形包括间距较宽的支撑柱阵列，键合后可形成平面或薄膜几何结构（见图1）。我们还制备了一维特性的通道结构，以及尺寸为(1 µm)³或(2 µm)³的方盒阵列¹（见图2）。在设计包含数百万个（通常为1000万至6000万个）方盒的限制结构时，需要考虑如何填....

方案

1. 键合前的晶圆准备

除步骤 1.8 外，其余步骤均在康奈尔大学纳米尺度实验设施洁净室中进行。

1. 使用标准的热氧化炉生长氧化层，对于厚氧化层采用湿氧氧化工艺，而对于极薄氧化层为获得更好的厚度控制，采用干氧氧化工艺。利用椭偏仪检测整个晶圆上氧化层厚度的均匀性。
2. 制备所需刻蚀图形的掩模。
3. 在待刻蚀的晶圆上旋涂光刻胶。
4. 对测试晶圆进行曝光、显影和烘烤，并使用合适的显微镜进行观察。
5. 如果测试晶圆的曝光结果符合预期，则对测试晶圆进行刻蚀。氧化层厚度与横向特征尺寸的比值将决定采用湿法刻蚀还是干法刻蚀更为合适。由于湿法刻蚀具有各向同性，因此无法在氧化层中形成垂直侧壁。在许多情况下，这一点并不重要。若需要垂直侧壁，可采用反应离子刻蚀。若刻蚀结果成功，则继续处理其余晶圆。通常可通过 Si 与 SiO₂ 的疏水/亲水特性来判断刻蚀过程是否成功。
6. 从晶圆上去除光刻胶。对于大多数光刻胶，可先用异丙醇和丙酮进行清洗。然而，晶圆表面仍可能残留少量光刻胶。为实现良好的键合效果，必须彻底清除这些残留物。
7. 在反应离子刻蚀机中进行短暂的 20 分钟 氧气去胶处理。该步骤可去除晶圆上残留的光刻胶，但同时会在暴露的硅表面生成少量氧化层，通常为 1–4 nm¹⁵。
8. 在上层晶圆上钻出填充孔。可使用金刚石涂层钻头....

结果

正确键合的晶圆应无任何未键合区域。退火后若尝试分离晶圆，会因键合强度过高而导致晶圆碎裂。正确键合晶圆的红外图像如图5和图6所示。退火过程通常可改善晶圆的均匀性，特别是当局部未键合区域由晶圆表面不平整引起时。图5中亮斑及边缘区域为已键合区域，中心亮斑为用于填充液体的注液孔。暗区对应的晶圆间距为0.321 µm。图5中唯一的未键合区域位于图像左上边缘附近。由于该区域处于氧化物边缘之外，无法填充液体，因此不会影响该器件的使用。

键合不良会表现出多种症状，但最常见的是晶圆之间夹有颗粒。这将导致局部无法键合，并在红外图像中呈现出干涉牛顿环，如图4A所示。该芯片外侧有一个宽的氧化环，在此区域内可见多个小环，表明存在未键合区域。此外，在中心附近（通道的方形图案区域，不可见）也出现了一组牛顿环图案。这些芯片不适合使用。在图4B中，我们尝试通过局部施加压力来闭合未键合区域。该方法部分有效，环的数量减.......

讨论

合适的硅光刻技术与直接晶圆键合技术的结合，使我们能够在直径为5 cm的硅晶圆整个表面上制备出尺寸高度均一且真空密封的微腔结构。这些微腔结构使我们得以研究液态⁴He在其从正常液体向超流体相变附近的行为特性。这些研究验证了有限尺寸标度理论的预测，同时也揭示了一些尚未被解释的偏差。该工作还首次确认了当两个液态区域被一层极薄（约30 nm）的薄膜分隔时，两者之间存在极强的耦合作用。目前，相关研究正通过采用科宾诺（Corbino）几何结构设计的微腔继续开展，如图8所示。该几何结构通过一个环形区域将两个部分相互隔离，仅由一层30 nm厚的薄膜连接。

由于炉内生长所需时间较长，我们的细胞构建方法存在局限性，难以实现远大于2 µm的SiO₂厚度。在另一种极限情况下，当分离距离小于约30 nm时，难以制备大面积平面结构，同时避免过度键合。过度键合是指两个晶圆在支撑柱上方弯曲并相互接触的现象。一种避免该问题的方法是使用更厚的晶圆和/或缩小支撑柱之间的间距。我们尚未全面探索所有这些变量。特别是更厚的晶圆可能防止过度键合，但也可.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
SmartCut	North American Tool	FL 130	每个细胞所需用量极少，也可提供更小规格。
硅片	半导体加工公司		供应商众多。订购时需注意厚度及其均匀性。
去离子水			常规可得
过氧化氢			常规可得
盐酸			常规可得
氢氧化铵			常规可得
氮气			常规可得
氦气			常规可得
金刚石研磨膏	Beuler Metadi II	e.g. 406533032
金刚石钻头	Starlite	e.g. 115010
派热克斯玻璃皿			常规可得
滤纸	Whatman	1001-110
丙酮			常规可得
甲醇			常规可得
用于通气炉的石英管			常规可得
橡胶真空管			常规可得