Summary
En metode til permanent limning af to siliciumskiver for at realisere et ensartet kabinet er beskrevet. Dette omfatter wafer forberedelse, rengøring, RT limning, og udglødning processer. De resulterende bundne wafere (celler) har ensartethed af kabinettet ~ 1%1,2. Den resulterende geometri giver mulighed for målinger af indelukkede væsker og gasser.
Abstract
Målinger af varmekapaciteten og overflødig fraktion af begrænset 4Han er blevet udført i nærheden af lambda overgangen ved hjælp af litografisk mønstrede og bundet silicium wafers. I modsætning til indeslutninger i porøse materialer, der ofte anvendes til disse typer forsøg3, giver bundne vafler foruddefinerede ensartede rum til indespærring. Geometrien i hver celle er velkendt, hvilket fjerner en stor kilde til tvetydighed i fortolkningen af data.
Usædvanligt flade, 5 cm diameter, 375 μm tykke Si wafers med ca. 1 μm variation over hele waferen kan fås kommercielt (f.eks. fra Halvlederbehandlingsfirmaet). Termisk oxid dyrkes på vaflerne for at definere indeslutningsdimensionen i z-retningen. Et mønster ætses derefter i oxidken ved hjælp af litografiske teknikker for at skabe et ønsket kabinet ved limning. Et hul bores i en af vaflerne (toppen) for at gøre det muligt at måle indslæbning af væsken. Vaflerne rengøres2 i RCA-opløsninger og sættes derefter i et mikrocleankammer, hvor de skylles med deioniseret vand4. Vaflerne er bundet på RT og derefter udglødet ved ~ 1.100 ° C. Dette udgør et stærkt og permanent bånd. Denne proces kan bruges til at lave ensartede kabinetter til måling af termiske og hydrodynamiske egenskaber af indelukkede væsker fra nanometeret til mikrometerskalaen.
Introduction
Når rene silicium wafers bringes i intim kontakt på RT, er de tiltrukket af hinanden via van der Waals kræfter og danner svage lokale bånd. Denne binding kan gøres meget stærkere ved udglødning ved højere temperaturer5,6. Limning kan gøres med succes med overflader på enten SiO2 til Si eller SiO2 til SiO2. Limning af Si wafers er mest almindeligt anvendt til silicium på isolator enheder, silicium-baserede sensorer og aktuatorer, og optiske enheder7. Det arbejde, der er beskrevet her, tager wafer direkte limning i en anden retning ved at bruge det til at opnå veldefinerede ensartet fordelte kabinetter over hele waferområdet8,9. At have en veldefineret geometri, hvor væske kan indføres, gør det muligt at foretage målinger for at bestemme virkningen af indeslutslingen på væskens egenskaber. Hydrodynamiske strømme kan undersøges, hvor den lille dimension kan styres fra snesevis af nanometer til flere mikrometre.
SiO2 kan dyrkes på Si wafers ved hjælp af en våd eller tør termisk oxid proces i en ovn. SiO2 kan derefter mønstres og ætses efter ønske ved hjælp af litografiske teknikker. Mønstre, der er blevet anvendt i vores arbejde omfatter et mønster af bredt fordelt støtte stillinger, som resulterer ved limning i en planar eller film geometri (se figur 1). Vi har også mønstrede kanaler for endimensionale egenskaber og matrixer af kasser, enten af (1 μm)3 eller (2 μm)3 dimension1 (se figur 2). Når man designer en indespærring med kasser, typisk 10-60 millioner på en wafer, skal der være en måde at fylde alle de enkelte kasser. En separat mønstre af den øverste wafer med et design, der står ud for de to wafers med 30 nm eller mere giver mulighed for dette. Eller tilsvarende kan lavvandede kanaler designes på den øverste wafer, så alle kasserne er forbundet. Tykkelsen af oxid dyrket på toppen wafer er forskellig fra den på den nederste wafer. Dette tilføjer en anden grad af fleksibilitet og kompleksitet til designet. At være i stand til at mønster begge wafers giver mulighed for en større vifte af indeslutning geometrier, der skal realiseres.
Størrelsen af de geometriske træk i disse bundet wafers, eller celler, kan variere. Celler med planar film så små som 30 nm er blevet gjort med succes10,11. Ved tykkelser under dette kan overbonding finde sted, hvor wafere bøjer rundt om støttestolperne og dermed "forsegler" cellen. For nylig er en række målinger på væske 4Han er blevet udført med en række (2 μm)3 kasser med varierende adskillelsesafstand mellem dem10,12. Funktioner, der er meget større i dybden end 2 μm, er ikke særlig praktiske på grund af den stigende tid, der kræves for at dyrke oxid. Målingerne er dog foretaget med en oxid, der er så tyk som 3,9 μm9. Grænserne for den laterale dimensions ringehed skyldes grænserne for litografikapaciteten. Grænsen for den laterale dimensions storhed bestemmes af waferens størrelse. Vi har med succes skabt planarceller, hvor den laterale dimension strakte sig over næsten hele waferdiameteren, men man kunne lige så godt forestille sig at mønstre flere mindre strukturer i størrelsesordenen snesevis af nanometer i bredden. Sådanne strukturer ville imidlertid kræve e-beam litografi. Det har vi ikke gjort på nuværende tidspunkt.
I alt vores arbejde dannede de bundne wafere et vakuumtæt kabinet. Dette opnås ved i det mønstrede oxid at bevare en solid ring på SiO2 på 3-4 mm i bredden ved waferens omkreds, se figur 1. Dette, ved limning, danner en stram forsegling. Dette design kunne let ændres, hvis man var interesseret i hydrodynamiske undersøgelser, der kræver input og output.
Det bristede tryk på de bundne celler er også blevet testet. Vi konstaterede, at der med 375 μm tykke vafler kunne trykkes op til ca. ni atmosfærer. Vi har imidlertid ikke undersøgt, hvordan dette kan forbedres ved at binde sig over større oxidområder eller måske for tykkere vafler.
Proceduren for interfacing af siliciumcellerne til en påfyldningslinje og teknikkerne til måling af egenskaberne af det indelukkede helium ved lav temperatur er angivet i Mehta et al. 2 og Gasparini et al. 13 Vi bemærker, at ændringer i lineær dimension for silicium kun er 0,02% ved afkøling af cellerne14. Dette er ubetydeligt for de mønstre, der dannes på RT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Før Limning, Wafer Forberedelse
Dette trin bortset fra 1,8 sker i Cornell Nanoscale Facility renrum.
- Oxiderne dyrkes i en standard termisk oxidationsovn ved hjælp af en vådoxidproces for tykke oxider og, for at opnå bedre tykkelseskontrol, en tøroxidproces for meget tynde oxider. Kontroller tykkelsen for ensartethed over den fulde wafer med ellipsometry.
- Opret en maske til den geometri, du vil ætse.
- Spin fotoresist på wafers bliver ætset.
- Udsæt, udvikle og bage en test wafer og undersøge med et passende mikroskop.
- Hvis prøveskiveret eksponeres efter behov, ætses prøveskiveret. Forholdet mellem oxidtykkelse og sideværts funktionsdimension vil afgøre, om en våd eller tør ætsning er passende. Da de våde etches er isotropiske, vil de ikke producere lodrette vægge i oxid. I mange tilfælde betyder det ikke noget. Hvis lodrette vægge ønskes, kan man bruge reaktionsion ætsning. Hvis ætsningen lykkes, skal du fortsætte med de andre wafere. Ofte kan de hydrofobe/ hydrofile egenskaber ved Si og SiO2 bruges til at se, om ætsningsprocessen har været vellykket.
- Fjern fotoresisten fra vaflerne. For de fleste fotoresister kan dette i første omgang gøres med isopropylalkohol og acetone. Men nogle små mængde af resist vil stadig være på vafler. Denne modstand skal fjernes fuldstændigt for at opnå god binding.
- Brug en kort 20 min ilt descumming proces i en reaktiv ion etcher. Dette vil fjerne, hvad fotoresist forbliver på wafers. Dette vil dog også tilføje nogle oxidlag til det eksponerede silicium. Dette er typisk 1-4 nm15.
- Bor påfyldningshullet i den øverste wafer. Dette kan gøres med diamantspidsede borekroner og smart-cut smøring (se Materialer for producentens detaljer). Skyl smart-cut umiddelbart efter boring med deioniseret vand. Boring kan også ske ved hjælp af en diamantpasta med 3-9 μm grus til påfyldning af huller større end ~ 0,124 cm i diameter. Smart-cut kan igen bruges til smøring. Vi bruger en lille præcision borepresse på 1.000-2.000 omdrejninger i minuttet.
2. Forberedelse af limning
- For at binde wafere er renlighed altafgørende. Der er et par skridt, der bør tages for at rense wafers. Først ren med RCA bade.
- Skyl vafler i deioniseret (DI) vand.
- Rengør i "RCA" syrebad. RCA syre bad er H2O:H2O2:HClmed forholdet 5:1:1. Der anbringes vafler i 80 °C RCA-syre i 15 minutter med de mønstrede sider vendt mod hinanden. Dette trin vil eliminere enhver metallisk forurening.
- Fjern vafler fra syren og skyl i DI vandbad i 5 min.
- Rengør i "RCA" basen næste. RCA base er H2O:H2O2:NH4OH med forholdet 10:2:1. Der anbringes vafler i 80 °C RCA-base i 15 minutter med de mønstrede sider vendt mod hinanden. Dette trin vil fjerne enhver organisk forurening.
- Skyl vafler i DI vandbad i ~ 15 min.
- Vaflerne skal fjernes fra DI-vandbadet og forblive rene, for at der kan forekomme korrekt limning. Dette gøres i to trin:
- Først skal du placere wafers med deres mønstrede ætsede sider mod hinanden på en Teflon chuck i en ren mikrochamber som vist i figur 3B. De er adskilt af ~ 1 mm Teflon faner. Spray deioniseret vand mellem wafers, mens de spin langsomt (~ 10-60 omdrejninger) i ~ 2 min for at fjerne enhver partikelforurening. En film af vand vil blive efterladt mellem wafers på dette punkt. Dette forhindrer støvforurening før næste trin.
- Dæk vaflerne med det klare akryllåg og drej wafers tør i ~ 30 minutter ved 3.000 omdrejninger i minuttet. Brug en infrarød 250 W varmelampe til at hjælpe tørringsprocessen. Den hurtige spinding vil omskole eventuelle partikelforurenende stoffer med udslyngning af vandfilmen, som i figur 3C.
- Før du fjerner låget over wafers, skal du fjerne fanerne, der adskiller wafers ved at dreje låget. Dette vil bringe vaflerne i lys lokal kontakt, mens du stadig er i mikrokleankammeret. Nu wafers kan sikkert fjernes fra mikroklean kammer på deres luftfartsselskab. Det meget lille mellemrum på ca. 1 μm mellem wafere vil minimere støvforureningen under dette trin. Også, ikke afhente wafers med pincet på dette punkt, da dette ville indlede asymmetrisk limning. Transporter i stedet vaflerne med brug af den aftagelige transportør på arborpressen.
3. Wafer Bonding
- Tryk de to vafler sammen ved hjælp af en arbor presse og en temmelig stiv og glat (Nerf) bold. Nerf kuglen bruges til at lægge pres på vaflerne fra midten og udad. Tryk, der påføres på denne måde, gør det muligt at skubbe fanget luft ud, når limningsbølgen spredes fra midten og ud. Start limning i midten minimerer de belastninger, der er bygget op som wafers kontur til hinanden. Wafers har en fri tilstand fladhed på omkring 1 μm, mens de huller, der opnås i limning er ensartede inden for et par nm. Wafers skal således fordreje deres frie tilstand for at opnå dette.
- Kontroller limningen ved at lede efter interferenskanter ved hjælp af en infrarød lyskilde og detektor med et 1 μm højt pasfilter. Eksempelbillederne er vist i figur 4 og 5. Interferens frynser (Newton ringe) vises, hvis der er dårlig limning. Hvis limning er god, kan man gå videre til trin 3.3. Hvis bindingen er dårlig, og der er ikke-ensartetheder, skal du fortsætte som følger.
- Placer cellen på en optisk flad, dække med filterpapir for at beskytte og afbøde den øverste wafer, og tryk wafers sammen med wafer tang. Skub debonded "bobler" til enten midten (hvor der er påfyldning hul) eller til kanterne. Vær forsigtig, når du anvender kraft nær kanterne, da wafers kan være lidt forskudt centrum til centrum. Tryk nær kanterne kan derfor få den øverste wafer til at knække, hvis den udhæng den nederste wafer.
- Hvis der fortsat er bindingsuregelmæssigheder, eller der er tydelige støvpartikler, skal waferene deles ved at besudle et barberblad mellem dem. Gentag processen fra begyndelsen (trin 2.1.1). I frem til dette punkt er bindingen reversibel. Wafers kan rebonded på RT mange gange, mens du forsøger at få acceptabel limning.
- Efter at have opnået acceptabel RT limning, fortsætter man med at anneal wafers. Temperaturer over 900 °C skal nås for at være sikker på korrekt udglødning5,6.
- Scene cellen på en kvarts vakuum chuck sådan, at fyldet hullet er centreret over pumpehullet i chuck. Spændepatronen er forbundet til et kvarts pumperør, som bruges til at evakuere cellen før og under udglødningsprocessen. Dette rør strækker sig uden for ovnen. Evakuering af cellen forårsager et tryk på en atmosfære, der skal anvendes på cellen. Dette vil hjælpe med limning. Pumpning er også nødvendig for at forhindre trykopbygning, hvis ovntemperaturen øges for hurtigt. Den tid, det tager at sænke trykket i cellen betydeligt, afhænger af geometrien i cellen.
- For at undgå vækst af oxid på ydersiden af cellen, rense ovnen kammer med en ikke-reacting gas, typisk 4Han, så ingen oxid dyrkes.
- For at give stammerne tid til at slappe af er det vigtigt at øge temperaturerne fra 250-1.200 °C i løbet af ~4 timer. Efter at have opholdt sig ved 1.200 °C i mindst 4 timer, skal du slukke for ovnen.
- Lad systemet køle af til RT.
- Analysere cellen igen ved hjælp af den infrarøde lyskilde og detektor som vist i figur 6. Hvis udglødning gik godt, vil cellen se så godt ud som, eller ofte bedre end, når den oprindeligt sættes i ovnen. Hvis der er uacceptable frynser, der indikerer dårlig binding, skal hele processen gentages fra begyndelsen; Dette skal dog gøres med nye wafers. Når udglødet, obligationen mellem wafers er permanent, og der er ingen opdeling muligt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Korrekt bundet wafers vil ikke have nogen unbonded regioner. Forsøg på at opdele wafers efter udglødning vil få cellen til at bryde i stykker på grund af styrken af obligationen. Infrarøde billeder af korrekt bundet wafer er vist i figur 5 og 6. Ofte forbedrer udglødning cellens ensartethed, især hvis lokale unbonded regioner skyldes manglende fladhed i wafers. I figur 5 er lyspunkterne og grænsen bundne områder. Det midterste lyspunkt er hullet til påfyldning af cellen. I de mørke områder er waferen ved en 0,321 μm adskillelse. Det eneste ikke-bevarede område i figur 5 er nær grænsen øverst til venstre på billedet. Da det er placeret ud over kanten af oxidgrænsen og derfor ikke kunne fyldes med væske, ville dette ikke påvirke brugen af denne celle.
Der er flere symptomer på dårlig binding, som kan manifestere, men det mest almindelige er at have en fanget partikel mellem wafers. Dette vil medføre lokaliseret mangel på limning at forekomme og er synlig via udseendet af interferens Newton ringe i det infrarøde billede, som i figur 4A. Denne celle har en bred oxidring på ydersiden, og inden for denne region kan vi se flere små ringe, der angiver unbonded regioner. Også i nærheden af centrum, hvor et firkantet mønster af kanaler dannes (ikke synligt), er der et mønster af flere Newton ringe. Disse celler ville ikke være egnet til brug. I figur 4B har vi forsøgt at lukke den ikke-bevarede region ved at lægge pres lokalt. Dette er delvist effektivt, og der er færre ringe, men der er stadig små inhomogeneities. Disse wafere blev derefter delt, og bindingsprocessen blev genstartet.
Et andet muligt scenario med dårlig binding er overbonding. Dette sker, når der ikke er nok støtte stillinger mellem wafers at opretholde ensartet adskillelse, eller stillingerne er ikke store nok, hvilket får cellen til at kollapse,16dvs limning direkte silicium til silicium. Bøjer af wafers opstår mellem stillinger til det punkt, hvor der ikke længere er nogen kløft mellem wafers. Dette er ikke let observeres via den infrarøde billeddannelse og er generelt kun opdaget, når cellen ikke er i stand til at blive fyldt. Overbonding er et betydeligt problem, især når det drejer sig om meget små huller (snesevis af nanometer), hvor van der Waals-styrkerne er størst.
Et tredje potentielt problem med limning wafers er, at nogle gange wafers, uanset hvor rene, simpelthen ikke er flade nok til at obligation. Selv om sjældne, på grund af den usædvanligt flade wafers anvendes, undertiden dårlig limning mellem wafers vil fortsætte. Bindingsprocessen involverer to wafere, der overvinder deres fristats fladhed og konturering til hinanden ved en ensartet adskillelse. Dette kræver en betydelig stress på begge wafers og kan føre til manglende binding på grund af overskydende stress. Jo tykkere wafer, jo vanskeligere limning er siden wafers mister fleksibilitet6. Når vedvarende mangel på limning opstår, bør man bruge en ny wafer og forsøge limning igen. Hvis limningen igen er dårlig på de samme generelle steder af wafer, den genbrugte wafer er ikke flad nok til limning og skal udskiftes.
For at opnå ensartede cellestrukturer undersøges wafere på RT både før og efter limning. Før limning måles tykkelsen af den oxid, der dyrkes på silicium før mønsterning, ved hjælp af ellipse. Efter mønster kan et atomkraftmikroskop bruges til at bekræfte dimensioner. Mere komplicerede eller mindre mønstre kræver brug af et elektronmikroskop til at analysere mønsteret. Efter limning af wafere ved en ønsket adskillelse kan Fabry-Perot interferometri bruges til at bestemme den lokale adskillelse af den bundne struktur. Med flere målinger langs de bundne vaflers ansigt kan adskillelsen mellem dem kortlægges som vist i figur 7. Fabry-Perot-metoden bruger interferensen af transmitteret lys, da den multipliceres reflekteret af de parallelle overflader i cellen. Dette kan dog kun bruges, hvis afstanden er større end halvdelen af cutoff absorption bølgelængde for Si. Den nedre grænse for kontrol af binding med Fabry-Perot-interferometri er således ca. 0,57 μm9. Disse metoder, kombineret med den infrarøde billeddannelse af cellen, bekræfter ensartetheden af cellestrukturen.
Figur 1. Skematisk tegning af to vafler klar til at blive bundet sammen (øvre). Den blå repræsenterer Si, mens rød repræsenterer SiO2. Den venstre wafer er blevet mønstret litografisk med støtte stillinger. Den rigtige wafer er ikke blevet mønstret i dette eksempel, selv om det ofte vil blive mønstret. Ved at kombinere de to wafere som angivet skaber en planar geometri af ensartet adskillelse afbrudt af støtte stillinger. Vaflerne er bundet sammen på RT (lavere). Dette bånd er svagt, og wafers skal udgløde for at styrke båndet. Klik her for at se større billede.
Figur 2. En tværsnitstegning af to mønstrede vafler bundet sammen. Den nederste wafer har kasser, der er ætset i oxid ved hjælp af ionstråle litografi (disse er de mørke lilla firkanter). Den øverste wafer har støtte stillinger, vist ved de røde firkanter, som holder den øverste waver 33 nm over bunden wafer. Disse funktioner skaleres ikke i denne tegning. Klik her for at se større billede.
Figur 3. Skematisk diagram over RT skylnings- og tørringsprocessen i det mikrorensende kammer. A) viser de to vafler. B) vaflerne er placeret på spinneren og er adskilt en afstand på ca. 1 mm med tre afstandsfaner. En stråle af deioniseret vand sprøjtes mellem vaflerne, når de drejer langsomt. C) vaflerne er dækket og er spundet ved 3.000 omdrejninger i minuttet for at tørre dem under en infrarød varmelampe. Efter denne proces flyttes adskillelsesfanerne af vejen ved at dreje dækslet, før de udsættes for laboratoriemiljøet. Klik her for at se større billede.
Figur 4. A) Infrarøde billeder af en celle efter den første RT limning. Der er nogle klart unbonded områder (lys ringe) i grænsen, som ikke er store nok til at kompromittere brugen af cellen. Men i nærheden af midten de mange ringe viser, at der er en unbonded område, hvor adskillelsen er ~ 3 μm. B)Efter at have forsøgt at tvinge limning i denne region ved at anvende et tryk lokalt, er det klart, at der er en partikel fanget mellem wafers nær centrum forårsager manglen på limning. Disse wafers bliver nødt til at blive delt, og processen genstartes. Bemærk, at der på alle billederne er en svag waviness set tydeligst langs den båndede mørke brede kant. Dette skyldes variationerne i tykkelsen af siliciumskiver selv og ikke deres adskillelse. Klik her for at se større billede.
Figur 5. Et nærbillede af et infrarødt billede af en sektion i en celle. På grund af tykkelsen af den oxid, der dyrkes til denne celle, 0,321 μm, kan støttestolperne tydeligt ses i dette billede som de almindelige lyspletter i hele cellen. Det lyse sted i midten er påfyldningshullet. En lille mangel på limning kan ses i kanterne af billedet på venstre side. Klik her for at se større billede.
Figur 6. Infrarødt billede af en celle umiddelbart før (A) og efter (B) udglødning. Der er to steder, hvor der er mangel på limning, som det fremgår af lysringene. Annealing fik placeringen og størrelsen af de ikke-bevarede områder til at ændre sig. Den "squarish" patter, der dækker det meste af waferen, er det aktive område til eksperimentel brug. Det er helt ensartet. Det mørke område omkring det lyse midterhul er sandsynligvis en kemisk reaktion på grund af backstreaming fra den mekaniske pumpe. Klik her for at se større billede.
Figur 7. Typisk ensartethed af afstand for godt bundet wafers. Dette plot blev opnået ved hjælp af Fabry-Perot interferometri i en række målinger over et område ~ 20 mm x 20 mm på de bundne wafere. Cellen er designet til en adskillelse på 0,989 μm. Målt, den obligationer wafer er enig godt med dette til bedre end én procent. Klik her for at se større billede.
Figur 8. En tværsnitstegning af vafler mønstret med en Corbino17 ringgeometri. To regioner er isoleret fra hinanden af en ring. En tynd film på 30 nm vil blive dannet på toppen af denne ring ved mønsteret på toppen wafer. Den resulterende geometri vil have to relativt store kamre adskilt af en nanofilm. Klik her for at se større billede.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Udviklingen af egnet silicium litografi i kombination med direkte wafer limning har gjort det muligt for os at lave vakuum stramme kabinetter med meget ensartede små dimensioner over hele arealet af en 5 cm diameter silicium wafer. Disse indhegninger har gjort det muligt for os at studere adfærden af væske 4Han i nærheden af dens faseovergange fra en normal væske til en superfluid. Disse undersøgelser har verificeret forudsigelser af finite-size skalering, samt påpeget fejl, som endnu ikke er undersøgt. Arbejdet har også for første gang identificeret en meget stærk kobling, der eksisterer mellem to områder af væske, når adskilt af en meget tynd, ~ 30 nm film. Undersøgelser i denne retning fortsætter med celler, der er udformet i Corbino-geometrien, som vist i figur 8. Denne geometri har to regioner isoleret fra hinanden af en ring og kun forbundet med en film 30 nm tyk.
Vores metode til cellekonstruktion er begrænset, fordi SiO2 tykkelse meget større end 2 μm er vanskelig at opnå. Dette er på grund af den lange ovn væksttid. I den anden grænse er store planarstrukturer med adskillelse mindre end ~ 30 nm vanskelige at opnå, samtidig med at man undgår overbonding. Overbonding sker, når de to wafers bøje over støtte stillinger og touch. En måde at undgå dette på er at bruge tykkere vafler og / eller plads støtte stillinger tættere sammen. Vi har ikke udforsket alle disse variabler fuldt ud. En tykkere wafer i særdeleshed kan forhindre overbonding, men det kan også være for stiv og ikke obligation til at give en ensartet adskillelse. Vi har opnået adskillelse så lille som 10 nm i en struktur, hvor undersøgelser blev foretaget i kanal af bredder fra 2-20 μm18. I denne grænse må man bekymre sig om de kortdistancevariationer i siliciumoverfladen, som kan kortlægges med et Atomic Force Microscope18.
Der er andre limningsmetoder, der kan overvejes. Elektrostatisk limning kan bruges til glasbinding til silicium. Denne proces er mere velegnet til limning over et lille område, da man indleder limning med en elektrode ved høj spænding og limning bølge starter, hvor overfladerne er tættest sammen. Således er bindingsbølgen ikke symmetrisk over overfladen af wafers. En anden limning teknik, som vi eksperimenterede havde et lignende problem. I vores tidligere limning procedurer, vi indledte limning ved hjælp af pincet til at afhente wafers fra mikroklean kammer. Det var ikke tilfredsstillende. Således, som beskrevet, gik vi til brug af en holder og indledningen af limning ved hjælp af en bold tryk. Dette skridt kunne også forbedres, da vi ikke har undersøgt parametrene for optimal boldstivhed og pressearrangement.
Samlet vellykket limning af silicium skal starte med usædvanligt flade wafers. Vores er specificeret til at være flad med 1 μm over den fulde 5 cm størrelse. Da vi har fordelt to wafers så tæt som 30 nm, kan man se, at der skal være betydelig deformation af wafers, som de bøjer for at opnå denne adskillelse. Dette tyder på, at wafers ikke kan være for tyk. Vi har ikke undersøgt variationer i wafertykkelse, da vi har haft succes med 375 μm.
Små hulrum kan også opnås ved hjælp af en proces med anodisk limning ved hjælp af enten glas på glas19 eller glas på silicium20. Disse teknikker har givet planarhulrum i området 30 nm til 11 μm. Disse strukturer har et mindre tværsnit end de celler, vi laver med mere end en størrelsesorden, 0,2-0,7 cm2 vs 12 cm2 for vores celler. De kan også laves uden støtte stillinger, fordi meget tykkere glas og silicium anvendes. Således, mens deres teknikker repræsenterer en anden levedygtig måde at opnå mikro-til nanofluidic kamre, forekommer det os, at direkte wafer limning med mulighed for at mønstre begge wafers er en mere variabel teknik, som har gjort det muligt dannelsen af todimensionelle, endimensionale, og nul dimensionelle strukturer. Cellerne fra Dimov et al. 19 og Duh et al. 20 ville ikke være egnet til vores egne målinger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansieret af NSF tilskud DMR-0605716 og DMR-1101189. Cornell NanoScale Science and Technology Center blev også brugt til at vokse og mønstre oxiderne. Vi takker dem for deres hjælp. En af os FMG er taknemmelig for støtte fra Moti Lal Rustgi Professorship.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SmartCut | North American Tool | FL 130 | Not much is needed per cell. Smaller sizes are available. |
| Silicon Wafers | Semiconductor Processing Co | There are many suppliers. Pay attention to thickness and thickness variation when ordering. | |
| Deionized Water | General Availability | ||
| Peroxide | General Availability | ||
| Hydrochloric Acid | General Availability | ||
| Ammonium Hydroxide | General Availability | ||
| Nitrogen Gas | General Availability | ||
| Helium Gas | General Availability | ||
| Diamond Paste | Beuler Metadi II | e.g. 406533032 | |
| Diamond Drills | Starlite | e.g. 115010 | |
| Pyrex Dishes | General Availability | ||
| Filter Paper | Whatman | 1001-110 | |
| Acetone | General Availability | ||
| Methanol | General Availability | ||
| Quartz tubes for flushing furnace | General Availability | ||
| Rubber vacuum hose | General Availability |
References
- Gasparini, F. M., Kimball, M. O., Mooney, K. P., Diaz-Avila, M. Finite-size scaling of He-4 at the superfluid transition. Rev. Mod. Phys. 80, 1009-1059 (2008).
- Mehta, S., Kimball, M. O., Gasparini, F. M. Superfluid transition of He-4 for two-dimensional crossover, heat capacity, and finite-size scaling. J. Low Temp. Phys. 114, 467-521 (1999).
- Reppy, J. D.
- Mehta, S., et al. Silicon wafers at sub-mu m separation for confined He-4 experiments. Czech. J. Phys. 46, 133-134 (1996).
- Tong, Q. Y., Cha, G. H., Gafiteanu, R., Gosele, U. Low-Temperature Wafer Direct Bonding. J. Microelectromech. S. 3, 29-35 (1994).
- Tong, Q. Y., Gosele, U. Semiconductor Wafer Bonding - Recent Developments. Mater. Chem. Phys. 37, 101-127 (1994).
- Gosele, U., Tong, Q. Y.
- Rhee, I., Petrou, A., Bishop, D. J., Gasparini, F. M. Bonding Si-Wafers at Uniform Separation. Physica B. 165, 123-124 (1990).
- Rhee, I., Gasparini, F. M., Petrou, A., Bishop, D. J. Si Wafers Uniformly Spaced - Bonding and Diagnostics. Rev. Sci. Instrum. 61, 1528-1536 (1990).
- Perron, J. K., Kimball, M. O., Mooney, K. P., Gasparini, F. M. Critical behavior of coupled 4He regions near the superfluid transition. Phys. Rev. B. 87, (2013).
- Perron, J., Gasparini, F. Specific Heat and Superfluid Density of 4He near T λ of a 33.6 nm Film Formed Between Si. , 1-10 (2012).
- Perron, J. K., Gasparini, F. M. Critical Point Coupling and Proximity Effects in He-4 at the Superfluid Transition. Phys. Rev. Lett.. 109, (2012).
- Gasparini, F. M., Kimball, M. O., Mehta, S. Adiabatic fountain resonance for He-4 and He-3-He-4 mixtures. J. Low Temp. Phys. 125, 215-238 (2001).
- Corruccini, R. J., Gniewek, J. J. Thermal expansion of technical solids at low temperatures; a compilation from the literature. U.S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standards. , (1961).
- Kahn, H., Deeb, C., Chasiotis, I., Heuer, A. H. Anodic oxidation during MEMS processing of silicon and polysilicon: Native oxides can be thicker than you think. J. Microelectromech. S. 14, 914-923 (2005).
- Tong, Q. Y., Gosele, U. Thickness Considerations in Direct Silicon-Wafer Bonding. J. Electrochem. Soc. 142, 3975-3979 (1995).
- Corbino, O. M. Azioni Elettromagnetiche Doyute Agli Ioni dei Metalli Deviati Dalla Traiettoria Normale per Effetto di un Campo. Nuovo Cim. 1, 397-420 (1911).
- Diaz-Avila, M., Kimball, M. O., Gasparini, F. M. Behavior of He-4 near T-lambda in films of infinite and finite lateral extent. J. Low Temp. Phys. 134, 613-618 (2004).
- Dimov, S., et al. Anodically bonded submicron microfluidic chambers. Rev. Sci. Instrum. 81, (2010).
- Duh, A., et al. Microfluidic and Nanofluidic Cavities for Quantum Fluids Experiments. J. Low Temp. Phys. 168, 31-39 (2012).
