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방법 논문

실리콘 다이렉트 웨이퍼 본딩을 통한 균일한 나노스케일 캐비티 제조

9.4K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/51179

⸱

2014년 1월 9일

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, The State University of New York at Buffalo, 2Joint Quantum Institute, University of Maryland, 3The National Institute of Standards and Technology, 4Cryogenics and Fluids Branch, NASA Goddard Space Flight Center, 5HRL Laboratories

이 논문에서

요약

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.

초록

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.

서론

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.

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프로토콜

1. 본딩 전, 웨이퍼 준비

1.8을 제외한 이 단계는 코넬 나노스케일 시설 클린룸에서 수행됩니다.

  1. 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.
  2. 에칭하려는 형상에 대한 마스크를 만듭니다.
  3. 에칭되는 웨이퍼에 사진 저항을 회전.
  4. 테스트 웨이퍼를 노출, 개발 및 굽고 적절한 현미경으로 검사합니다.
  5. 테스트 웨이퍼가 원하는 대로 노출되면 테스트 웨이퍼에 식히게 합니다. 산화물 두께와 측면 피쳐 치수의 비율은 습식 또는 건식 에치가 적절한지 결정합니다. 젖은 등산은 등위위도 있기 때문에 산화물에서 수직 벽을 생성하지 않습니다. 대부분의 경우 이 문제는 중요하지 않습니다. 수직 벽이 원하는 경우 반응 이온 에칭을 사용할 수 있습니다. 에칭이 성공하면 다른 웨이퍼를 진행합니다. 종종, Si 및 SiO2의 소수성/친성 특성을 사용하여 에칭 공정이 성공적이었는지 확인할 수 있습니다.
  6. 웨이퍼에서 포토레지스트를 제거합니다. 대부분의 포토 레지스트에 대 한, 이 것 들은 처음에 이소 프로필 알코올및 아세톤으로 수행할 수 있습니다. 그러나, 저항의 일부 소량은 여전히 웨이퍼에 남아있을 것입니다. 이 저항은 좋은 결합을 달성하기 위해 완전히 제거될 필요가 있습니다.
  7. 반응성 이온 에테르에서 간단한 20 분 산소 descumming 과정을 사용합니다. 이것은 웨이퍼에 남아있는 모든 포토 레지스트를 제거합니다. 그러나, 이것은 또한 노출된 실리콘에 몇몇 산화물 층을 추가합니다. 이것은 일반적으로 1-4 nm15입니다.
  8. 상단 웨이퍼의 충전 구멍을 드릴. 다이아몬드 팁 드릴 비트와 스마트 컷 윤활으로 수행할 수 있습니다(제조업체 세부 사항에 대한 재료 참조). 탈이온화된 물로 드릴링한 직후 스마트 컷을 헹구는 다. 드릴링은 또한 직경이 0.124cm보다 큰 구멍을 채우기 위해 3-9 μm 그릿이 있는 다이아몬드 페이스트를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 스마트 컷은 윤활에 다시 사용할 수 있습니다. 우리는 1,000-2,000 rpm에서 작은 정밀 드릴 프레스를 사용합니다.

2. 본딩 준비

  1. 웨이퍼를 결합하기 위해서는 청결이 가장 중요합니다. 웨이퍼를 청소하기 위해 취해야 할 몇 가지 단계가 있습니다. 첫째, RCA 욕조로 청소하십시오.
    1. 산화 (DI) 물에 웨이퍼를 헹구는.
    2. "RCA" 산성 목욕에 깨끗. RCA 산성 목욕은 H2O:H2O2:HCl 의 비율로 5:1:1. 웨이퍼를 80°C RCA 산에 15분 동안 놓고 패턴면이 위로 향합니다. 이 단계는 금속 오염을 제거합니다.
    3. 산에서 웨이퍼를 제거하고 DI 수조에서 5 분 동안 헹구습니다.
    4. 다음에 "RCA"베이스에 청소. RCA 베이스는 H2O:H2O2:NH4OH 이며 10:2:1의 비율. 패턴면이 위로 향하여 80°C RCA 베이스에 웨이퍼를 15분 동안 놓습니다. 이 단계는 유기 오염을 제거합니다.
    5. 디 수조에서 웨이퍼를 헹구고 ~ 15분 동안 헹구습니다.
  2. 웨이퍼는 DI 수조에서 제거하고 적절한 결합이 발생하기 위해 깨끗하게 유지해야합니다. 이 작업은 두 단계로 수행됩니다.
    1. 먼저, 그림 3B에표시된 깨끗한 마이크로 챔버에 테플론 척에 서로 마주보고 패턴 에칭 면과 웨이퍼를 배치합니다. ~1mm 테플론 탭으로 구분됩니다. 웨이퍼 사이에 탈이온된 물을 분무하면서 입자 오염을 제거하기 위해 ~2분 동안 천천히 회전합니다(~10-60rpm). 이 시점에서 웨이퍼 사이에 는 물 필름이 남게됩니다. 이렇게 하면 다음 단계 이전에 먼지 오염이 방지됩니다.
    2. 웨이퍼를 투명한 아크릴 뚜껑으로 덮고 웨이퍼를 3,000rpm에서 ~30분 동안 건조시로 돌립니다. 250W 적외선 열램프를 사용하여 건조 과정을 돕습니다. 급속한 회전은 도 3C에서와같이 물 필름의 배출과 함께 입자 오염 물질을 자극합니다.
  3. 웨이퍼 위로 뚜껑을 제거하기 전에 뚜껑을 회전하여 웨이퍼를 분리하는 탭을 제거합니다. 이것은 미세 클린 챔버에있는 동안 가벼운 로컬 접촉으로 웨이퍼를 가져올 것이다. 이제 웨이퍼는 캐리어의 미세 클린 챔버에서 안전하게 제거 될 수 있습니다. 웨이퍼 사이의 약 1 μm의 매우 작은 간격은이 단계 동안 먼지 오염을 최소화할 것입니다. 또한 비대칭 결합을 시작하기 때문에이 시점에서 핀셋으로 웨이퍼를 선택하지 마십시오. 대신, 탈착식 캐리어를 사용하여 웨이퍼를 아버 프레스로 운반합니다.

3. 웨이퍼 본딩

  1. 두 웨이퍼를 아버 프레스와 상당히 단단하고 매끄러운 (Nerf) 공을 사용하여 함께 누릅니다. Nerf 공은 중간에서 바깥쪽으로 웨이퍼에 압력을 가하는 데 사용됩니다. 이 방법으로 적용된 압력은 접합 파가 중심에서 퍼지면서 갇힌 공기를 밀어낼 수 있게 합니다. 센터에서 접합을 시작하면 웨이퍼가 서로 윤곽을 잡을 때 쌓이는 응력을 최소화할 수 있습니다. 웨이퍼는 약 1 μm의 자유 상태 평탄도를 가지며 결합에서 달성 된 간격은 몇 nm 내에서 균일합니다. 따라서 웨이퍼는 이를 달성하기 위해 자유 상태에서 왜곡되어야 합니다.
    1. 1 μm 하이 패스 필터가 있는 적외선 광원 및 검출기를 사용하여 간섭 프린지를 찾아 본딩을 확인하십시오. 샘플 이미지는 그림 4및 5에표시됩니다. 간섭 프린지(뉴턴 링)가 결합이 불량한 경우 나타납니다. 본딩이 좋으면 3.3단계로 진행할 수 있습니다. 결합이 가난하고 부균일하지 않은 경우 다음과 같이 진행하십시오.
    2. 셀을 광학 플랫에 놓고 필터 페이퍼로 덮어 상단 웨이퍼를 보호하고 쿠션한 다음 웨이퍼 집게와 함께 웨이퍼를 누릅니다. 구속된 "거품"을 중간(충전 구멍이 있는 곳) 또는 가장자리로 밀어 넣습니다. 웨이퍼가 중앙에 약간 오프셋 된 수 있기 때문에 가장자리 근처에 힘을 적용할 때주의하십시오. 따라서 가장자리 근처의 압력으로 인해 맨 아래 웨이퍼가 오버행하면 상단 웨이퍼가 균열될 수 있습니다.
    3. 접합 요철이 지속되고 먼지 입자가 분명하면 면도날을 면도날로 연결하여 웨이퍼를 분할합니다. 프로세스를 처음부터 반복합니다(2.1.1 단계). 이 시점까지, 결합은 되돌릴 수 있습니다. 웨이퍼는 허용 가능한 결합을 얻기 위해 노력하는 동안 RT에서 여러 번 재결합 할 수 있습니다.
  2. 허용 가능한 RT 본딩을 얻은 후 웨이퍼를 음침하게 합니다. 900 °C 이상의 온도는 적절한 어닐링5,6의특정하기 위해 도달해야합니다.
    1. 충전 구멍이 척의 펌핑 구멍 위에 중심이 되는 것과 같이 셀을 석영 진공 척으로 스테이지합니다. 척은 아닐링 공정 전과 도중 세포를 대피시키는 데 사용되는 석영 펌핑 튜브에 연결됩니다. 이 튜브는 용광로 외부로 확장됩니다. 세포를 대피하면 세포에 적용되는 하나의 대기의 압력이 발생합니다. 이것은 결합에 도움이 될 것입니다. 용광로 온도가 너무 빨리 상승하면 압력이 축적되는 것을 방지하기 위해 펌핑이 필요합니다. 셀의 압력을 크게 낮추는 데 걸리는 시간은 셀 내의 형상에 따라 달라집니다.
    2. 세포 의 외부에 산화물의 성장을 방지하기 위해, 비 반응 가스로 용광로 챔버를 제거, 일반적으로 4그는, 어떤 산화물이 재배되지 않도록.
    3. 균주가 휴식을 취할 수있는 시간을 허용하려면 ~ 4 시간 동안 250-1,200 ° C의 온도를 램프하는 것이 중요합니다. 1,200°C에 적어도 4시간 동안 투숙한 후, 용광로를 끕니다.
    4. 시스템이 RT로 냉각되도록 허용합니다.
  3. 도 6에도시된 바와 같이 적외선 광원 및 검출기를 사용하여 셀을 다시 한 번 분석한다. 어닐링이 잘 진행되면, 세포는 처음에 용광로에 넣을 때보다 좋거나 종종 더 좋아 보일 것입니다. 가난한 결합을 나타내는 용납 할 수없는 프린지가있는 경우, 전체 과정은 처음부터 반복되어야한다; 그러나 이것은 새로운 웨이퍼로 수행해야합니다. 일단 어닐링되면 웨이퍼 사이의 결합은 영구적이며 분할이 불가능합니다.

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결과

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 접합 영역입니다. 중앙 밝은 반점은 셀을 채우기위한 구멍입니다. 어두운 지역에서 웨이퍼는 0.321 μm 분리에 있습니다. 그림 5의 유일한 결합되지 않은 영역은 이미지 왼쪽 상단의 테두리 근처에 있습니다. 그것은 산화물 국경의 가장자리 를 넘어 위치 하기 때문에, 따라서 액체로 채워질 수 없습니다., 이 세포의 사용에 영향을 주지 않을 것 이다.

나타낼 수 있는 가난한 결합의 여러 증상이 있습니다, 그러나 가장 일반적...

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토론

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 실패를 지적. 이 작품은 또한 매우 얇은 ~ 30 nm 필름으로 분리 될 때 액체의 두 영역 사이에 존재하는 매우 강한 커플링을 처음으로 확인했습니다. 이 선을 따라 연구는 그림 8에도시된 바와 같이, Corbino 형상에서 디자인된 세포로 계속되고 있습니다. 이 지오메트리는 링으로 서로 격리되고 필름 30 nm 두께로만 연결된 두 영역을 가지고 있습니다.

SiO2 두께가 2 μm보다 훨씬 큰 세포 시공 방법은 달성하기 어렵기 때문에 제...

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공개 사항

우리는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

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.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
SmartCutNorth American ToolFL 130셀당 많은 것이 필요하지 않습니다. 더 작은 크기를 사용할 수 있습니다.
실리콘 웨이퍼반도체 처리 공동많은 공급 업체가 있습니다. 주문할 때 두께와 두께 변화에 주의하십시오.
탈 이온수일반 가용성
과산화물일반 가용성
염산일반 가용성
산화 암모늄일반 가용성
질소 가스일반 가용성
헬륨 가스일반 가용성
다이아몬드 페이스트Beuler Metadi IIe.g. 406533032
다이아몬드 드릴Starlitee.g. 115010
Pyrex DishesGeneral Availability
Filter PaperWhatman1001-110
AcetoneGeneral Availability
Methanol일반 가용성
플러싱로일반 가용성
고무 진공 호스일반 공급
수 용 석영 튜브

참고문헌

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