Name: Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-09T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Nanoschuppen-Cavities durch Silicon Direct Wafer Bonding. Diese Methode ermöglicht präzise Messungen eingeschlossener Fluide mit einer Uniformität von etwa 1%.

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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 Geometrie, die Sie ätzen möchten.</li>
	<li>Spin photoresist auf den Wafern geätzt.</li>
	<li>Einen Testwafer aussetzen, entwickeln und backen und mit einem geeigneten Mikroskop untersuchen.</li>
	<li>Wenn der Testwafer wie gewünscht exponiert ist, ätzen Sie den Testwafer. Das Verhältnis von Oxiddicke zu seitlicher Merkmalsabmessung bestimmt, ob ein nasser oder trockener Ätz geeignet ist. Da die nassen Ätze isotrope sind, werden sie keine vertikalen Wände im Oxid produzieren. In vielen Fällen spielt dies keine Rolle. Wenn vertikale Wände gewünscht werden, kann man Reaktionsionenätzen verwenden. Wenn die Radierung erfolgreich ist, fahren Sie mit den anderen Wafern fort. Oft können die hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften von Si und SiO2 verwendet werden, um zu sehen, ob der Ätzprozess erfolgreich war.</li>
	<li>Entfernen Sie den Photoresist von den Wafern. Bei den meisten Photoresists kann dies zunächst mit Isopropylalkohol und Aceton erfolgen. Allerdings bleibt noch ein wenig Widerstand auf den Wafern. Dieser Widerstand muss vollständig entfernt werden, um eine gute Bindung zu erreichen.</li>
	<li>Verwenden Sie einen kurzen 20 min Sauerstoff-Descumming-Prozess in einem reaktiven Ionen etcher. Dadurch wird das entfernen, was photoresist auf den Wafern bleibt. Dies wird jedoch auch einige Oxidschichten zum exponierten Silizium hinzufügen. Dies ist in der Regel 1-4 nm15.</li>
	<li>Bohren Sie das Füllloch in den oberen Wafer. Dies kann mit diamantgekippten Bohrern und smart-cut Schmierung erfolgen (siehe Materialien für Herstellerdetails). Spülen Sie den Smart-Cut sofort nach dem Bohren mit entionisiertem Wasser ab. Das Bohren kann auch mit einer Diamantpaste mit 3-9 m Körnung zum Füllen von Löchern mit einem Durchmesser von mehr als 0,124 cm durchgeführt werden. Smart-Cut kann wieder für die Schmierung verwendet werden. Wir verwenden eine kleine Präzisionsbohrmaschine bei 1.000-2.000 Umdrehungen pro Minute.</li>
</ol>2. Bonding-Vorbereitung
<ol><li>Um Wafer zu binden, steht die Sauberkeit an erster Stelle. Es gibt ein paar Schritte, die unternommen werden sollten, um die Wafer zu reinigen. Zuerst mit RCA-Badewannen reinigen.<ol>
<li>Spülen Sie Wafer in deionisiertem (DI) Wasser.</li>
		<li>Reinigen Sie im "RCA" Säurebad. RCA Säurebad ist H2O:H2O2:HCl mit den Verhältnissen von 5:1:1. Legen Sie Wafer in 80 °C C Cinchsäure für 15 min mit den gemusterten Seiten nach oben. Dieser Schritt wird jede metallische Kontamination beseitigen.</li>
		<li>Wafer aus der Säure entfernen und im DI-Wasserbad 5 min abspülen.</li>
		<li>Reinigen Sie als nächstes die "RCA"-Basis. RCA Basis ist H2O:H2O2:NH4OH mit den Verhältnissen von 10:2:1. Legen Sie Wafer in 80 °C C Cinch-Basis für 15 min mit den gemusterten Seiten nach oben. Durch diesen Schritt wird jegliche organische Kontamination beseitigt.</li>
		<li>Spülen Sie Wafer im DI-Wasserbad für ca. 15 min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Die Wafer müssen aus dem DI-Wasserbad entfernt werden und sauber bleiben, damit eine ordnungsgemäße Verklebung erfolgt. Dies geschieht in zwei Schritten:<ol>
<li>Legen Sie zunächst die Wafer mit ihren gemusterten geätzten Seiten, die einander gegenüberstehen, auf einem Teflonfutter in einer sauberen Mikrokammer, wie in Abbildung 3Bdargestellt. Sie sind durch Teflonlaschen mit einem Abstand von 1 mm getrennt. Sprühen Sie deionisiertes Wasser zwischen die Wafer, während sie sich langsam drehen (ca. 10-60 U/min) für 2 min, um jegliche Partikelkontamination zu entfernen. An dieser Stelle wird ein Wasserfilm zwischen den Wafern zurückbleiben. Dies verhindert eine Staubkontamination vor dem nächsten Schritt.</li>
		<li>Die Wafer mit dem klaren Acryldeckel bedecken und die Wafer bei 3.000 U/min trocken drehen. Verwenden Sie eine 250 W Infrarot-Wärmelampe, um den Trocknungsprozess zu unterstützen. Das schnelle Spinnen wird alle Partikelverunreinigungen mit dem Auswurf des Wasserfilms verzahnen, wie in Abbildung 3Cdargestellt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bevor Sie den Deckel über den Wafern entfernen, entfernen Sie die Laschen, die die Wafer trennen, indem Sie den Deckel drehen. Dadurch werden die Wafer in leichten lokalen Kontakt gebracht, während noch in der Mikroreinigungskammer. Nun können die Wafer sicher aus der Mikroreinigungskammer ihres Trägers entfernt werden. Der sehr kleine Abstand von ca. 1 m zwischen den Wafern minimiert in diesem Schritt die Staubbelastung. Nehmen Sie auch die Wafer an dieser Stelle nicht mit einer Pinzette auf, da dies eine asymmetrische Bindung initiieren würde. Transportieren Sie stattdessen die Wafer mit dem abnehmbaren Träger auf die Laubenpresse.</li>
</ol>3. Wafer Bonding
<ol><li>Drücken Sie die beiden Wafer mit einer Laubenpresse und einem ziemlich steifen und glatten (Nerf) Ball zusammen. Der Nerf-Ball wird verwendet, um Druck auf die Wafer von der Mitte nach außen auszuüben. Der auf diese Weise ausgeübte Druck ermöglicht es, die eingeschlossene Luft herauszuschieben, wenn sich die Klebewelle von der Mitte aus ausbreitet. Das Starten der Verklebung in der Mitte minimiert die Spannungen, die aufgebaut werden, wenn die Wafer sich gegenseitig konturieren. Die Wafer haben eine Freizustands-Flachheit von ca. 1 m, während die bei der Verklebung erreichten Lücken innerhalb weniger nm einheitlich sind. Um dies zu erreichen, müssen die Wafer also von ihrem Freistaat abverzerren.<ol>
<li>Überprüfen Sie die Verklebung, indem Sie mit einer Infrarotlichtquelle und einem Detektor mit einem 1 m hohen Passfilter nach Interferenzrändern suchen. Beispielbilder sind in den Abbildungen 4 und 5dargestellt. Interferenzfranen (Newton-Ringe) erscheinen, wenn es eine schlechte Bindung gibt. Wenn die Bindung gut ist, kann man mit Schritt 3.3 fortfahren. Wenn die Bindung schlecht ist und es Ungleichmäßigkeiten gibt, gehen Sie wie folgt vor.</li>
		<li>Legen Sie die Zelle auf eine optische Wohnung, Decken mit Filterpapier, um den oberen Wafer zu schützen und abzufedern, und drücken Sie die Wafer zusammen mit Waferzange. Drücken Sie debondierte "Blasen" entweder in die Mitte (wo sich das Füllloch befindet) oder an die Ränder. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie Kraft in der Nähe der Kanten anwenden, da die Wafer leicht versetzt in der Mitte zur Mitte sein können. Druck in der Nähe der Kanten kann daher dazu führen, dass der obere Wafer zu knacken, wenn es den unteren Wafer überhängt.</li>
		<li>Wenn die Bindungsunregelmäßigkeiten anhalten oder ein Staubpartikel offensichtlich ist, teilen Sie die Wafer auf, indem Sie eine Rasierklinge zwischen ihnen verwunden. Wiederholen Sie den Vorgang von Anfang an (Schritt 2.1.1). Bis zu diesem Zeitpunkt ist die Bindung reversibel. Die Wafer können bei RT mehrmals wieder gebunden werden, während sie versuchen, eine akzeptable Bindung zu erhalten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Nach Erhalt akzeptabler RT-Bindung fährt man fort, die Wafer anzunealen. Temperaturen über 900 °C müssen erreicht werden, um sicher zu sein, dass5,6richtig glüht.<ol>
<li>Inszenieren Sie die Zelle auf ein Quarzvakuumfutter, so dass das Füllloch über dem Pumploch im Futter zentriert ist. Das Futter ist mit einem Quarz-Pumprohr verbunden, mit dem die Zelle vor und während des Glühens evakuiert wird. Dieses Rohr erstreckt sich außerhalb des Ofens. Die Evakuierung der Zelle bewirkt, dass ein Druck einer Atmosphäre auf die Zelle ausgeübt wird. Dies wird bei der Bindung helfen. Pumpen ist auch notwendig, um Druckbildung zu verhindern, wenn die Ofentemperatur zu schnell hochgefahren wird. Die Zeit, die benötigt wird, um den Druck in der Zelle deutlich zu senken, hängt von der Geometrie innerhalb der Zelle ab.</li>
		<li>Um das Wachstum von Oxid an der Außenseite der Zelle zu vermeiden, spülen Sie die Ofenkammer mit einem nicht reagierenden Gas, typischerweise 4He, so dass kein Oxid angebaut wird.</li>
		<li>Damit die Belastungen Zeit zum Entspannen haben, ist es wichtig, die Temperaturen von 250-1.200 °C im Laufe von 4 Stunden zu erhöhen. Nach einem Aufenthalt bei 1.200 °C für mindestens 4 Stunden den Ofen ausschalten.</li>
		<li>Lassen Sie das System auf RT abkühlen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Analysieren Sie die Zelle erneut mit der Infrarotlichtquelle und dem Detektor, wie in Abbildung 6dargestellt. Wenn das Glühen gut ging, wird die Zelle so gut aussehen, wie, oder oft besser als, wenn zunächst in den Ofen gestellt. Wenn es inakzeptable Randgruppen gibt, die auf eine schlechte Bindung hinweisen, muss der gesamte Prozess von Anfang an wiederholt werden; dies muss jedoch mit neuen Wafern geschehen. Einmal geglüht, ist die Bindung zwischen den Wafern dauerhaft und es ist kein Splitting möglich.</li>
</ol>

<ol><li>Gasparini, F. M., Kimball, M. O., Mooney, K. P., Diaz-Avila, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finite-size+scaling+of+He-4+at+the+superfluid+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Superfluid+transition+of+He-4+for+two-dimensional+crossover%2C+heat+capacity%2C+and+finite-size+scaling%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Superfluid-Helium+in+Porous-Media%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Silicon+wafers+at+sub-mu+m+separation+for+confined+He-4+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Czech.+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Silicon wafers at sub-mu m separation for confined He-4 experiments.</a> Czech. J. Phys. 46, 133-134 (1996).</li>
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<li>Perron, J. K., Gasparini, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+Point+Coupling+and+Proximity+Effects+in+He-4+at+the+Superfluid+Transition.+%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett.%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Adiabatic+fountain+resonance+for+He-4+and+He-3-He-4+mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">Adiabatic fountain resonance for He-4 and He-3-He-4 mixtures.</a> J. Low Temp. Phys. 125, 215-238 (2001).</li>
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<li>Dimov, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anodically+bonded+submicron+microfluidic+chambers%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Microfluidic+and+Nanofluidic+Cavities+for+Quantum+Fluids+Experiments%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">Microfluidic and Nanofluidic Cavities for Quantum Fluids Experiments.</a> J. Low Temp. Phys. 168, 31-39 (2012).</li>
</ol>

Wir haben nichts zu verraten.

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-Skalierung überprüft ...

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><tbody><tr><td>SmartCut</td><td>North American Tool</td><td>FL 130</td><td>Pro Zelle wird nicht viel benötigt. Kleinere Größen sind erhältlich.</td></tr><tr><td>Silicon Wafers</td><td>Semiconductor Processing Co</td><td></td><td>Es gibt viele Anbieter. Achten Sie bei der Bestellung auf Dicke und Dickenabweichungen.</td></tr><tr><td>Deionisiertes Wasser</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Peroxid</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Salzsäure</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Ammoniumhydroxid</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Stickstoffgas</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Heliumgas</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Diamantpaste</td><td>Beuler Metadi II</td><<td>em>z.B. 406533032</td><td></td></tr><tr><td>Diamantbohrer</td><td>Starlite</td><td>z.B. 115010</td><td></td></tr><tr><td>Pyrexschalen</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Filterpapier</td><td>Whatman</td><td>1001-110</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Methanol</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Quarzrohre für Spülofen</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr><tr><td>Gummi-Vakuumschlauch</td><td></td><td></td><td>Allgemeine Verfügbarkeit</td></tr></tbody></table>

herstellung von uniformen nanoschuppen-cavities über silicon direct wafer bonding

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 die Licht...

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 ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, nanoskalige Einschlüsse zur Messung der Eigenschaften von Flüssigkeiten herzustellen. Dazu werden zunächst chemisch gereinigte, strukturierte Wafer gründlich mit entionisiertem Wasser gespült, um Partikelkontaminationen zu entfernen, die eine ordnungsgemäße Bindung behindern würden. Während dieses Spülvorgangs werden die Wafer langsam rotiert. Im zweiten Schritt wird eine Abdeckung über die Wafer gelegt und die Anordnung rotiert, um jeglichen verbleibenden Staub zu entfernen. Dies erfolgt unter einer Infrarotlampe, um das Wasser zu trocknen, da eine Bindung nicht stattfinden kann, wenn eingeschlossenes Wasser vorhanden ist. Nachdem die Abstandshalter zwischen den Wafern entfernt wurden, werden die Wafer in ihrem Träger von der Zentrifuge genommen und in eine Arborpresse gebracht, wo die Bindung symmetrisch von der Mitte ausgehend initiiert wird.Die verbundenen Wafer werden anschließend auf einer Quarz-Vakuumschuck platziert, und die in der Mikrostruktur zwischen den verbundenen Wafern eingeschlossene Luft wird abgepumpt, bevor die Wafer in einem Ofen geglüht werden, um die Verbindung dauerhaft zu machen. Letztendlich erhält man gut definierte Hohlräume zwischen zwei Siliziumwafern. Diese Hohlräume können dann zur Einsperrung von Fluiden in Experimenten verwendet werden.Diese Methode, bei der verbundene Wafer mit genau definierter Trennung und Geometrie verwendet werden, ermöglicht es uns, das Verhalten von Flüssigkeiten zu untersuchen, die eingeschlossen sind und daher nicht im thermodynamischen Grenzfall vorliegen. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in diesem Verfahren sind, Schwierigkeiten, da der Bonding-Prozess sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen ist, wie beispielsweise Resten von Resist oder Staub im Verlauf des Verfahrens. Ich hatte diese Idee für verbundene Wafer, als ich 1987 einen Sabbaturlaub an den Bell Laboratories verbrachte, und seitdem wurde unsere Arbeit von der National Science Foundation unterstützt.Zur Vorbereitung bereiten Sie die Wafer im Reinraum wie im Textprotokoll für das Bonden von Wafern beschrieben vor. Sauberkeit ist von größter Bedeutung, und es sollten Maßnahmen zur Reinigung der Wafer ergriffen werden. Spülen Sie die Wafer zunächst mit deionisiertem Wasser ab, und bereiten Sie anschließend ein Säurebad aus Wasser, Wasserstoffperoxid und Salzsäure vor.Legen Sie die Wafer für 15 Minuten in das 80 Grad Celsius heiße Säurebad. Dabei sollten die strukturierten Seiten nach oben zeigen. Dieser Schritt beseitigt jegliche metallische Kontamination.Entfernen Sie die Wafer aus der Säure und spülen Sie sie fünf Minuten lang in einem deionisierten Wasserbad ab. Bereiten Sie anschließend ein basisches Bad aus Wasser, Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid vor. Legen Sie die Wafer 15 Minuten lang in ein basisches Bad bei 80 Grad Celsius.Bei nach oben weisenden Musterseiten. Dieser Schritt beseitigt jegliche organische Kontamination. Anschließend spülen Sie die Wafer etwa 15 Minuten lang in einem Bad mit entionisiertem Wasser ab.Nach dem Entfernen der Wafer aus dem deionisierten Wasserbad müssen diese sauber bleiben, damit eine ordnungsgemäße Bindung erfolgen kann. Um dies sicherzustellen, platzieren Sie die Wafer mit ihren strukturierten, geätzten Seiten gegenüberliegend auf einer Teflonhalterung in einer sauberen Mikrokammer, wobei sie durch etwa einen Millimeter breite Teflonabstandshalter getrennt sind. Sprühen Sie während des langsamen Drehens etwa zwei Minuten lang deionisiertes Wasser zwischen die Wafer.Um jegliche Partikelkontamination zu entfernen, wird an dieser Stelle ein Wasserfilm zwischen den Wafern belassen; dies verhindert Staubkontamination vor dem nächsten Schritt. Decken Sie die Wafer mit dem klaren Acryldeckel ab und zentrifugieren Sie die Wafer etwa 30 Minuten lang trocken. Verwenden Sie bei 3000 U/min eine 250-Watt-Infrarot-Heizlampe, um den Trocknungsprozess zu unterstützen.Die schnelle Rotation zieht alle Partikelverunreinigungen mit dem Austritt des Wasserfilms nach außen. Bevor der Deckel über den Wafern entfernt wird, lösen Sie die Laschen und trennen die Wafer durch Drehen des Deckels. Dadurch kommen die Wafer leicht lokal in Kontakt, während sie sich noch in der mikrosauberen Kammer befinden.Die Wafer können nun sicher zusammen mit ihrem Träger aus der mikrounsauberen Kammer entfernt werden. Greifen Sie die Wafer an dieser Stelle nicht mit einer Pinzette auf, da dies eine asymmetrische Bindung einleiten würde. Stattdessen transportieren Sie die Wafer mithilfe des abnehmbaren Trägers auf die Arborpresse.Drücken Sie die beiden Wafer mit einer Abformpresse in einen ziemlich starren und glatten Nerf-Ball zusammen. Der Nerf-Ball dient dazu, Druck von der Mitte auf die Wafer auszuüben. Auf diese Weise angewendeter radial nach außen gerichteter Druck ermöglicht es, eingeschlossene Luft herauszudrücken, während sich die Verbindungswelle von der Mitte nach außen ausbreitet.Das Beginnen der Verbindung in der Mitte minimiert die Spannungen, die entstehen, wenn sich die Wafer aneinander anpassen. Überprüfen Sie die Verbindung, indem Sie mit einer Infrarotlichtquelle und einem Detektor mit einem Eins-Mikrometer-Hochpass-Interferenzfilter nach Interferenzstreifen suchen. Streifen erscheinen, wenn eine schlechte Verbindung vorliegt, wie hier gezeigt. Falls die Verbindung schlecht ist und Unebenheiten vorliegen, stellen Sie die Zelle auf eine optische Flachabdeckung mit Filterpapier, um die obere Wafer-Scheibe zu schützen und zu polstern, und drücken Sie die Wafer mit Wafer-Zangen zusammen. Drücken Sie nicht verbundene Blasen entweder in die Mitte, wo sich das Füllloch befindet, oder an die Ränder. Achten Sie darauf, beim Ausüben von Druck in Randnähe vorsichtig vorzugehen, um Risse in der oberen Wafer-Scheibe zu vermeiden. Wenn die Verbindungsunregelmäßigkeiten weiterbestehen oder ein Staubpartikel sichtbar ist, trennen Sie die Wafer, indem Sie eine Rasierklinge zwischen sie schieben, und wiederholen Sie den Vorgang von Anfang an.Bis zu diesem Punkt ist die Verbindung reversibel. Die Wafer können bei Raumtemperatur mehrmals erneut verbunden werden, um eine akzeptable Bindung zu erzielen. Da einer der Wafer gebrochen ist, musste der Prozess mit neuen Wafern wiederholt werden.Nachdem eine akzeptable Verbindung bei Raumtemperatur erreicht wurde, stellen Sie die Zelle in einem Kniestadium auf eine Quarz-Vakuumschuck, sodass das Füllloch über dem Pumploch im Chuck zentriert ist. Der Chuck ist mit einem Quarz-Pumprohr verbunden, das außerhalb des Ofens verläuft, um die Zelle zu evakuieren. Vor und während des Glühprozesses.Ein Stickstofffallen wird verwendet, um das Zurückströmen von Öl in die Zelle zu verhindern. Das Evakuieren der Zelle erzeugt einen Druck von einem Atmosphären, der auf die Zelle wirkt und so beim Verbinden und Pumpen hilft sowie Druckaufbau verhindert. Wenn die Ofentemperatur zu schnell erhöht wird, hängt die Zeit, die benötigt wird, um den Druck in der Zelle signifikant zu senken, von der Geometrie innerhalb der Zelle ab.Vermeiden Sie das Wachstum einer Oxidschicht auf der Außenseite der Zelle, indem Sie die Ofenkammer mit einem inerten Gas, typischerweise Helium-4, spülen, sodass kein Oxid entsteht und die Spannungen Zeit haben, sich abzubauen. Es ist wichtig, die Temperatur innerhalb von etwa vier Stunden schrittweise von 250 Grad Celsius auf 1.200 Grad Celsius zu erhöhen. Nachdem die Temperatur von 1.200 Grad Celsius mindestens vier Stunden gehalten wurde, schalten Sie den Ofen aus. Lassen Sie das System auf Raumtemperatur abkühlen und analysieren Sie die Zelle erneut mithilfe der Infrarotlichtquelle und des Detektors. Wenn das Glühen erfolgreich war, sieht die Zelle genauso gut aus oder ist oft besser als beim ersten Einbringen in den Ofen. Wenn unannehmbare Interferenzmuster auf eine schlechte Verbindung hinweisen, muss der gesamte Prozess von vorn wiederholt werden.Nach dem Anknüpfen ist die Verbindung dauerhaft, und die Wafer können nicht mehr ordnungsgemäß getrennt werden. Verbundene Wafer weisen keine unverbundenen Bereiche auf, wie hier in Infrarotbildern gezeigt. Der Versuch, die Wafer nach einem Anknüpfen zu trennen, führt aufgrund der Festigkeit der Bindung dazu, dass die Zelle in Stücke bricht. Oft verbessert ein Anknüpfen die Gleichförmigkeit der Zelle, insbesondere wenn lokale unverbundene Bereiche auf mangelnde Flachheit zurückzuführen sind.Bei den hier gezeigten Wafern handelt es sich bei den hellen Stellen und der Begrenzung um verbundene Bereiche. Der helle Fleck in der Mitte ist das Loch zum Befüllen dieser Zelle. Der einzige nicht verbundene Bereich befindet sich nahe der Grenze in der oberen linken Seite des Bildes.Da es jenseits der Kante der Oxidgrenze liegt und somit nicht mit Flüssigkeit gefüllt werden könnte, hätte dies keine Auswirkung auf die Verwendung dieser Zelle. Es gibt mehrere Anzeichen für eine schlechte Bindung, die sich jedoch unterschiedlich manifestieren können; am häufigsten ist jedoch ein eingeschlossenes Partikel zwischen den Wafern. Dies führt zu einem lokal begrenzten Ausbleiben der Bindung und ist durch das Auftreten von Interferenzen sichtbar.Newton-Ringe im Infrarotbild nahe dem Zentrum dieser Zelle, wo ein quadratisches Muster von Kanälen ausgebildet ist. Es ist ein Muster aus mehreren Newton-Ringen zu erkennen. Diese Zellen wären nicht für den Gebrauch geeignet.Es wurde lokal Druck ausgeübt, um den nicht verbundenen Bereich zu schließen. Dies ist teilweise wirksam, und es treten weniger Ringe auf, jedoch verbleiben weiterhin kleine Inhomogenitäten. Infolgedessen wurden diese Wafer geteilt, und der Bondprozess wurde nach erneutem Bonden der Wafer erneut gestartet.Die Fabry-Perot-Interferometrie wird verwendet, um den lokalen Abstand der verbundenen Struktur zu bestimmen, indem die Interferenz des transmittierten Lichts genutzt wird, das mehrfach an den parallelen Flächen dieser Zelle reflektiert wird. In Kombination mit der Infrarot-Bildgebung bestätigen diese Methoden die Gleichförmigkeit der Zellstruktur. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, dass die Planlaufgenauigkeit und Sauberkeit der Wafer für eine ordnungsgemäße Bindung entscheidend sind. Die Entwicklung dieser Technik hat Forschern auf dem Gebiet der kritischen Phänomene und der Hydrodynamik den Weg geebnet, die Rolle der Dimensionalität und Einschränkung im Verhalten dieser Systeme zu untersuchen.

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Research

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Engineering

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