Name: Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-09T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Poznaj metodę bezpośredniego łączenia płytek krzemowych w celu tworzenia jednolitych wnęk nanoskalowych do pomiaru właściwości cieczi. Technika obejmuje czyszczenie chemiczne, wiązanie i wyżarzanie, zapewniając jednolitość ~1%.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została sfinansowana z grantów NSF DMR-0605716 i DMR-1101189. Również Centrum Nauki i Technologii Cornell NanoScale zostało wykorzystane do wyhodowania i modelowania tlenków. Dziękujemy im za pomoc. Jeden z nas, FMG, jest wdzięczny za wsparcie profesury Moti Lal Rustgi.

1. Przed klejeniem, przygotowanie wafla
Ten krok, z wyjątkiem wersji 1.8, jest wykonywany w pomieszczeniu czystym w obiekcie Cornell Nanoscale.
<ol>
	<li>Tlenki należy hodować w standardowym piecu do utleniania termicznego, stosując proces mokrego tlenkowania dla grubych tlenków oraz, w celu uzyskania lepszej kontroli grubości, proces suchego tlenkowania dla bardzo cienkich tlenków. Sprawdź grubość pod kątem jednorodności na całej płytce za pomocą elipsometrii.</li>
	<li>Utwórz maskę dla geometrii, którą chcesz wytrawić.</li>
	<li>Zakręć fotorezystem na wytrawianych płytkach.</li>
	<li>Wystaw, wywołaj i upiecz płytkę testową i zbadaj pod odpowiednim mikroskopem.</li>
	<li>Jeśli płytka testowa jest naświetlona zgodnie z potrzebami, wytrawić płytkę testową. Stosunek grubości tlenku do bocznego wymiaru elementu określi, czy odpowiednie jest wytrawianie na mokro czy na sucho. Ponieważ mokre wytrawienia są izotropowe, nie wytwarzają pionowych ścian w tlenku. W wielu przypadkach nie ma to znaczenia. Jeśli pożądane są pionowe ściany, można zastosować reakcyjne wytrawianie jonowe. Jeśli trawienie się powiedzie, przejdź do pozostałych wafli. Często właściwości hydrofobowe/hydrofilowe Si i SiO2 można wykorzystać, aby sprawdzić, czy proces trawienia zakończył się sukcesem.</li>
	<li>Usuń fotorezystor z wafli. W przypadku większości fotorezystorów można to początkowo zrobić za pomocą alkoholu izopropylowego i acetonu. Jednak na waflach nadal pozostanie pewna niewielka ilość oporu. Ten opór musi zostać całkowicie usunięty, aby uzyskać dobre wiązanie.</li>
	<li>Użyj krótkiego, 20-minutowego procesu demakijażu tlenu w reaktywnym wytrawiaczu jonowym. Spowoduje to usunięcie fotorezystu, który pozostał na płytkach. Spowoduje to jednak również dodanie kilku warstw tlenku do odsłoniętego krzemu. Zazwyczaj jest to 1-4 nm15.</li>
	<li>Wywierć otwór do napełniania w górnej płytce. Można to zrobić za pomocą wierteł z końcówkami diamentowymi i smarowania inteligentnego cięcia (szczegóły producenta, patrz Materiały). Smart-cut należy spłukać natychmiast po wierceniu wodą dejonizowaną. Wiercenie można również wykonać za pomocą pasty diamentowej o ziarnistości 3-9 μm do wypełniania otworów o średnicy większej niż ~0,124 cm. Smart-cut może być ponownie wykorzystany do smarowania. Używamy małej wiertarki precyzyjnej o prędkości 1.000-2.000 obr./min.</li>
</ol>
2. Przygotowanie do wiązania
<ol>
	<li>Aby skleić wafle, czystość jest najważniejsza. Jest kilka kroków, które należy wykonać, aby wyczyścić wafle. Najpierw wyczyść za pomocą wanien RCA.
	<ol>
		<li>Opłucz wafle w wodzie dejonizowanej (DI).</li>
		<li>Czyścić w kąpieli kwasowej "RCA". Kąpiel kwasowa RCA toH2O:H2O2O2:HCl o proporcjach 5:1:1. Umieść wafle w kwasie RCA o temperaturze 80 °C na 15 minut wzorzystymi bokami do góry. Ten krok wyeliminuje wszelkie zanieczyszczenia metaliczne.</li>
		<li>Usuń wafle z kwasu i płucz w łaźni wodnej DI przez 5 minut.</li>
		<li>Następnie wyczyść w podstawie "RCA". Podstawą RCA jestH2O:H2O2:NH4OH o proporcjach 10:2:1. Umieść wafle w podstawie RCA o temperaturze 80 °C na 15 minut wzorzystymi bokami do góry. Ten krok wyeliminuje wszelkie zanieczyszczenia organiczne.</li>
		<li>Wafle płukać w kąpieli wodnej DI przez ~15 min.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wafle należy usunąć z łaźni wodnej DI i pozostać czyste, aby nastąpiło prawidłowe wiązanie. Odbywa się to w dwóch krokach:
	<ol>
		<li>Najpierw umieść wafle wzorzystymi wytrawionymi bokami skierowanymi do siebie na teflonowym uchwycie w czystej mikrokomorze, jak pokazano na rysunku 3B. Są one oddzielone teflonowymi wypustkami o średnicy ~1 mm. Rozpyl dejonizowaną wodę między wafelkami, podczas gdy obracają się powoli (~10-60 obr./min) przez ~2 minuty, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia cząstkami. W tym momencie między waflami pozostanie warstwa wody. Zapobiega to zapyleniu przed kolejnym krokiem.</li>
		<li>Przykryj wafle przezroczystą akrylową pokrywką i wiruj wafle do sucha przez ~30 min z prędkością 3,000 obr./min. Użyj lampy grzewczej na podczerwień o mocy 250 W, aby wspomóc proces suszenia. Szybkie wirowanie porwie wszelkie zanieczyszczenia cząstkami wraz z wyrzuceniem filmu wodnego, jak na rysunku 3C.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przed zdjęciem pokrywki z wafli usuń wypustki oddzielające wafle, obracając pokrywkę. Spowoduje to, że wafle wejdą w lekki kontakt miejscowy, gdy nadal znajdują się w komorze microclean. Teraz wafle można bezpiecznie wyjąć z komory microclean na ich nośniku. Bardzo mała szczelina wynosząca około 1 μm między płytkami zminimalizuje zanieczyszczenie pyłem na tym etapie. Nie podnoś również wafli pęsetą w tym momencie, ponieważ zainicjowałoby to asymetryczne wiązanie. Zamiast tego należy przetransportować wafle za pomocą wyjmowanego nośnika na prasę trzpieniową.</li>
</ol>
3. Łączenie wafli
<ol>
	<li>Ściśnij dwie wafle razem za pomocą prasy trzpieniowej i dość sztywnej i gładkiej (Nerf) kulki. Kulka Nerf służy do wywierania nacisku na wafle od środka na zewnątrz. Ciśnienie zastosowane w ten sposób pozwala na wypchnięcie uwięzionego powietrza, gdy fala wiążąca rozprzestrzenia się od środka na zewnątrz. Rozpoczęcie wiązania w środku minimalizuje naprężenia, które narastają, gdy płytki konturują się względem siebie. Wafle mają płaskość w stanie swobodnym wynoszącą około 1 μm, a przerwy uzyskane w wiązaniu są jednolite w granicach kilku nm. Tak więc, aby to osiągnąć, opłatki muszą zniekształcić się ze swojego stanu wolnego.
	<ol>
		<li>Sprawdź połączenie, szukając prążków interferencyjnych za pomocą źródła światła podczerwonego i detektora z filtrem górnoprzepustowym 1 μm. Przykładowe obrazy pokazano na rysunkach 4 i 5. Pręgi interferencyjne (pierścienie Newtona) pojawią się, jeśli połączenie jest słabe. Jeśli wiązanie jest dobre, można przejść do kroku 3.3. Jeśli wiązanie jest słabe i występują niejednorodności, postępuj w następujący sposób.</li>
		<li>Umieść ogniwo na płaskim nośniku optycznym, przykryj bibułą filtracyjną, aby chronić i amortyzować górną płytkę, a następnie dociśnij płytki szczypcami do wafli. Wypchnij rozklejone "bąbelki" do środka (gdzie znajduje się otwór do napełniania) lub do krawędzi. Zachowaj ostrożność podczas przykładania siły w pobliżu krawędzi, ponieważ płytki mogą być lekko przesunięte od środka do środka. Nacisk w pobliżu krawędzi może zatem spowodować pęknięcie górnego wafla, jeśli wystaje on poza dolną płytkę.</li>
		<li>Jeśli nierówności wiązania utrzymują się lub widoczna jest cząsteczka kurzu, podziel wafle, wsuwając między nie żyletkę. Powtórz proces od początku (krok 2.1.1). Do tego momentu wiązanie jest odwracalne. Wafle mogą być wielokrotnie ponownie łączone w RT, próbując uzyskać akceptowalne wiązanie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po uzyskaniu akceptowalnego wiązania RT przystępuje się do wyżarzania płytek. Temperatury powyżej 900 °C muszą być osiągnięte, aby mieć pewność prawidłowego wyżarzania5,6.
	<ol>
		<li>Umieść ogniwo na kwarcowym uchwycie próżniowym tak, aby otwór do napełniania był wyśrodkowany nad otworem pompującym w uchwycie. Uchwyt jest podłączony do kwarcowej rurki pompującej, która służy do opróżniania ogniwa przed i w trakcie procesu wyżarzania. Rura ta wystaje na zewnątrz pieca. Ewakuacja ogniwa powoduje przyłożenie do ogniwa ciśnienia jednej atmosfery. Pomoże to w wiązaniu. Pompowanie jest również konieczne, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia, jeśli temperatura pieca wzrasta zbyt szybko. Czas potrzebny do znacznego obniżenia ciśnienia w ogniwie będzie zależał od geometrii ogniwa.</li>
		<li>Aby uniknąć wzrostu tlenku na zewnątrz ogniwa, należy przepłukać komorę pieca niereagującym gazem, zwykle 4He, aby nie wyrósł tlenek.</li>
		<li>Aby szczepy miały czas na rozluźnienie, ważne jest, aby podnieść temperaturę z 250-1,200 °C w ciągu ~4 godzin. Po pozostaniu w temperaturze 1 200 °C przez co najmniej 4 godziny wyłącz piec.</li>
		<li>Poczekaj, aż system ostygnie do temperatury rynkowej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeanalizuj ogniwo jeszcze raz za pomocą źródła światła podczerwonego i detektora, jak pokazano na rysunku 6. Jeśli wyżarzanie poszło dobrze, ogniwo będzie wyglądało tak samo dobrze, a często nawet lepiej niż po pierwszym włożeniu do pieca. Jeśli występują niedopuszczalne prążki wskazujące na słabe wiązanie, cały proces należy powtórzyć od początku; Należy to jednak zrobić z nowymi waflami. Po wyżarzaniu wiązanie między płytkami jest trwałe i nie ma możliwości rozszczepienia.</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>
<li>Tong, Q. Y., Cha, G. H., Gafiteanu, R., Gosele, U. 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/pubmed?term=((Semiconductor+Wafer+Bonding+-+Recent+Developments%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Semiconductor+wafer+bonding%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Bonding+Si-Wafers+at+Uniform+Separation%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Si+Wafers+Uniformly+Spaced+-+Bonding+and+Diagnostics%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Critical+behavior+of+coupled+4He+regions+near+the+superfluid+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Specific+Heat+and+Superfluid+Density+of+4He+near+T+%CE%BB+of+a+33.6+nm+Film+Formed+Between+Si%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Specific Heat and Superfluid Density of 4He near T λ 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/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>
<li>Corruccini, R. J., Gniewek, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+expansion+of+technical+solids+at+low+temperatures%3B+a+compilation+from+the+literature%5BTitle%5D)+AND+%22U.S.+Dept.+of+Commerce%2C+National+Bureau+of+Standards%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Anodic+oxidation+during+MEMS+processing+of+silicon+and+polysilicon%3A+Native+oxides+can+be+thicker+than+you+think%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Microelectromech.+S%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thickness+Considerations+in+Direct+Silicon-Wafer+Bonding%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Azioni+Elettromagnetiche+Doyute+Agli+Ioni+dei+Metalli+Deviati+Dalla+Traiettoria+Normale+per+Effetto+di+un+Campo%5BTitle%5D)+AND+%22Nuovo+Cim%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Behavior+of+He-4+near+T-lambda+in+films+of+infinite+and+finite+lateral+extent%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Low+Temp.+Phys%22%5BJournal%5D)">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/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>

Nie mamy nic do ujawnienia.

Opracowanie odpowiedniej litografii krzemowej w połączeniu z bezpośrednim łączeniem płytek pozwoliło nam na wykonanie obudów szczelnych próżniowo o bardzo jednolitych małych wymiarach na całej powierzchni płytki krzemowej o średnicy 5 cm. Obudowy te pozwoliły nam na zbadanie zachowania cieczy 4He w sąsiedztwie jej przemian fazowych z normalnej cieczy w ciecz nadciekłą. Badania te zweryfikowały przewidywania dotyczące skalowania o skończonych rozmiarach, a także wskazały błędy, które pozostają do zbadania. Nauk...

Gdy czyste płytki krzemowe stykają się ze sobą w RT, są przyciągane do siebie przez siły van der Waalsa i tworzą słabe lokalne wiązania. To wiązanie można znacznie wzmocnić przez wyżarzanie w wyższych temperaturach5,6. Klejenie można z powodzeniem wykonać zarówno z powierzchniami SiO2 do Si, jak i SiO2 do SiO2. Klejenie płytek krzemowych jest najczęściej stosowane w przypadku krzemu na urządzeniach izolacyjnych, czujnikach i siłownikach na bazie krzemu oraz urządzeniach optycznych7. Opisana tutaj praca polega na bezpośrednim łączeniu płytek w innym kierunku, wykorzystując je do uzyskania dobrze zdefiniowanych, równomiernie rozmieszczonych obudów na całej powierzchni płytki8,9. Posiadanie dobrze zdefiniowanej geometrii, do której można wprowadzić płyn, pozwala na wykonanie pomiarów w celu określenia wpływu uwięzienia na właściwości płynu. Przepływy hydrodynamiczne można badać tam, gdzie mały wymiar może być kontrolowany od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikrometrów.
SiO2 może być uprawiany na płytkach Si przy użyciu mokrego lub suchego procesu termicznego tlenkowania w piecu. SiO2 można następnie modelować i trawić według uznania przy użyciu technik litograficznych. Wzory, które zostały wykorzystane w naszej pracy, to m.in. wzór szeroko rozstawionych słupków wsporczych, który powstaje po połączeniu w geometrii płaskiej lub foliowej (patrz rysunek 1). Mamy również wzorzyste kanały dla charakterystyk jednowymiarowych oraz tablice pól, albo o wymiarze (1 μm)3, albo (2 μm)3 wymiar1 (patrz rysunek 2). Projektując zamknięcie z pudełkami, zwykle 10-60 milionów na płytce, musi istnieć sposób na wypełnienie wszystkich pojedynczych pudełek. Pozwala na to oddzielny wzór górnej płytki z konstrukcją odstającą od dwóch płytek o 30 nm lub więcej. Lub, równoważnie, płytkie kanały można zaprojektować na górnej płytce tak, aby wszystkie pudełka były połączone. Grubość tlenku wyhodowanego na górnej płytce różni się od grubości dolnej płytki. Dodaje to projektowi kolejny stopień elastyczności i złożoności. Możliwość modelowania obu płytek pozwala na realizację większej różnorodności geometrii uwięzienia.
Rozmiar cech geometrycznych w tych połączonych płytkach lub komórkach może się różnić. Ogniwa z płaskimi warstwami o wielkości zaledwie 30 nm zostały z powodzeniem wykonane10,11. Przy grubościach poniżej tej wartości może dojść do nadmiernego klejenia, w wyniku którego płytki wyginają się wokół słupków wsporczych, "uszczelniając" w ten sposób ogniwo. Ostatnio przeprowadzono serię pomiarów na cieczy 4He z układem pudełek (2 μm)3 o różnej odległości separacji między nimi10,12. Cechy znacznie większe niż 2 μm nie są zbyt praktyczne ze względu na wydłużający się czas potrzebny do wyhodowania tlenku. Jednak pomiary zostały wykonane z tlenkiem o grubości nawet 3,9μm9. Ograniczenia małości wymiaru bocznego wynikają z ograniczeń możliwości litografii. Granica wielkości wymiaru bocznego zależy od wielkości płytki. Udało nam się stworzyć płaskie komórki, w których wymiar boczny obejmował prawie całą średnicę płytki, ale równie dobrze można sobie wyobrazić modelowanie kilku mniejszych struktur o szerokości rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Jednak takie konstrukcje wymagałyby litografii wiązką elektronów. Do tej pory tego nie zrobiliśmy.
We wszystkich naszych pracach połączone płytki tworzyły szczelną obudowę. Osiąga się to poprzez utrzymanie w wzorzystym tlenku stałego pierścienia SiO2 o szerokości 3-4 mm na obwodzie płytki, patrz rysunek 1. To, po sklejeniu, tworzy szczelne uszczelnienie. Projekt ten można by łatwo zmodyfikować, gdyby ktoś był zainteresowany badaniami hydrodynamicznymi, które wymagają danych wejściowych i wyjściowych.
Ciśnienie rozrywające połączonych komórek również zostało przetestowane. Odkryliśmy, że w przypadku płytek o grubości 375 μm można zastosować ciśnienie do około dziewięciu atmosfer. Nie badaliśmy jednak, w jaki sposób można to poprawić, wiążąc na większych obszarach tlenkowych lub, być może, w przypadku grubszych płytek.
Procedura łączenia ogniw krzemowych z linią napełniania oraz techniki pomiaru właściwości uwięzionego helu w niskiej temperaturze są podane w Mehta et al. 2 oraz Gasparini i wsp.13 Zauważamy, że zmiany wymiaru liniowego krzemu wynoszą tylko 0,02% po schłodzeniu ogniw14. Jest to nieistotne dla wzorców powstałych w RT.

<table><tbody><tr><td>SmartCut</td><td>North American Tool</td><td>FL 130</td><td>Na komórkę nie potrzeba wiele. Dostępne są mniejsze rozmiary.</td></tr><tr><td>Wafle krzemowe</td><td>Semiconductor Processing Co</td><td></td><td>Jest wielu dostawców. Przy składaniu zamówienia zwróć uwagę na grubość i zmianę grubości.</td></tr><tr>Woda <td></td><td></td><td>dejonizowana</td><td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Nadtlenek</td><td></td><td></td><td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Kwas</td><td></td><td></td><td></td>solny</tr><tr><td>Ogólna dostępność Wodorotlenek</td><td></td><td></td> amonu <td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Ogólna dostępność Azot</td><td></td><td></td><td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Hel gazowy</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pasta diamentowa</td><td>Beuler Metadi II</td><<td>em>e.g. 406533032</td><td></td></tr><tr><td>Wiertła diamentowe</td><td>Starlite</td><td>e.g. 115010</td><td></td></tr><tr><td>Naczynia</td><td></td><td></td> Pyrex <td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Bibuła filtracyjna</td><td>Whatman</td><td>1001-110</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Metanol</td><td></td><td></td><td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Rurki kwarcowe do pieca</td><td></td><td></td> do płukania <td>Ogólna dostępność</td></tr><tr><td>Gumowy wąż</td><td></td><td></td> próżniowy <td>Ogólna dostępność</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Pomiary pojemności cieplnej i frakcji nadciekłej zamkniętego 4Przeprowadzono go w pobliżu przejścia lambda przy użyciu litograficznie wzorzystych i połączonych płytek krzemowych. W przeciwieństwie do uwięzień w porowatych materiałach, często używanych w tego typu eksperymentach3, płytki klejone zapewniają wstępnie zaprojektowane, jednolite przestrzenie do zamknięcia. Geometria każdej komórki jest dobrze znana, co usuwa duże źródło niejasności w interpretacji danych.
Wyjątkowo płaskie, 5 cm średnicy, 375 μm grubości płytki Si z około 1 μm różnicą w stosunku do całej płytki można uzyskać komercyjnie (na przykład od Semiconductor Processing Company). Tlenek termiczny jest hodowany na płytkach w celu zdefiniowania wymiaru uwięzienia w kierunku z. Wzór jest następnie wytrawiany w tlenku za pomocą technik litograficznych, aby po sklejeniu stworzyć pożądaną obudowę. W jednej z płytek (góra) wierci się otwór, który umożliwia wprowadzenie mierzonej cieczy. Wafle są czyszczone2 w roztworach RCA, a następnie umieszczane w komorze microclean, gdzie są płukane wodą dejonizowaną4. Wafle są łączone w temperaturze pokojowej, a następnie wyżarzane w temperaturze ~1 100 °C. Tworzy to silną i trwałą więź. Proces ten może być stosowany do tworzenia jednolitych obudów do pomiaru właściwości termicznych i hydrodynamicznych zamkniętych cieczy w skali od nanometra do mikrometra.

Prawidłowo zbondowane wafle nie będą posiadać obszarów niezbondowanych. Próba rozdzielenia wafli po wyżarzaniu spowoduje rozpad komórki na kawałki ze względu na wytrzymałość połączenia. Obrazy w podczerwieni prawidłowo zbondowanego wafla przedstawiono na Rysunku 5 oraz 6. Często wyżarzanie poprawia jednorodność komórki, zwłaszcza jeśli lokalne obszary niezbondowane wynikają z braku płaskości wafli. Na Rysunku 5 jasne plamy i obrzeże to obszary zbondowane. Jasny punkt w c...

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Ogólnym celem tej procedury jest stworzenie nanometrowych komór do pomiaru właściwości cieczy. Osiąga się to poprzez dokładne płukanie chemicznie oczyszczonych, wzorowanych wafli wodą dejonizowaną w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń cząsteczkowych, które mogłyby utrudnić prawidłowe wiązanie. Podczas procesu płukania wafle są powoli obracane.W drugim kroku nad wafle nakłada się pokrywę, a następnie cały zestaw jest wirowany w celu usunięcia pozostałości kurzu. Proces ten odbywa się pod lampą podczerwieni, aby osuszyć wodę, ponieważ wiązanie nie może zajść w przypadku obecności uwięzionej wody. Po usunięciu dystansów między wafle, są one zdejmowane z wirówki wraz z uchwytem i umieszczane w prasie arbor, w której proces wiązania jest inicjowany symetrycznie od środka.Następnie zbondowane plastry są umieszczane na kwarcowym stole próżniowym, a powietrze uwięzione w mikrostrukturze powstałej między zbondowanymi plastrami jest odsysane przed wygrzaniem plastrów w piecu w celu utrwalenia połączenia. W rezultacie uzyskuje się precyzyjnie zdefiniowane kawity między dwoma plastrami krzemu. Kawity te mogą być następnie wykorzystane do ograniczania przepływu cieczy w eksperymentach.Ta metoda wykorzystująca złączone wafle o ściśle określonym odstępie i geometrii pozwala nam badać zachowanie cieczy ograniczonych, które w związku z tym nie znajdują się w granicy termodynamicznej. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności, ponieważ proces łączenia jest bardzo wrażliwy na zanieczyszczenia, takie jak pozostałości rezystu lub kurz podczas procesu przygotowania. Pomysł zastosowania złączonych wafli pojawił się podczas mojego urlopu naukowego w Bell Laboratories w 1987 roku i od tego czasu nasze prace są wspierane przez National Science Foundation.Aby rozpocząć, należy przygotować podłoże krzemowe w pomieszczeniu czystym, zgodnie z opisem w protokole tekstowym dotyczącym bondowania podłoży. Kluczowe jest zachowanie najwyższej czystości i należy podjąć odpowiednie kroki w celu oczyszczenia podłoży. Najpierw opłucz podłoża wodą dejonizowaną, a następnie przygotuj kąpiel kwasową składającą się z wody, nadtlenku wodoru i kwasu solnego.Umieść wafle w kąpieli kwasowej o temperaturze 80 °C na 15 minut, stroną z wzorem skierowaną do góry. Ten etap pozwoli usunąć wszelkie zanieczyszczenia metaliczne.Wyjmij plastry z kwasu i płucz w kąpieli z wody dejonizowanej przez pięć minut. Następnie przygotuj kąpiel zasadową z wody, nadtlenku wodoru i wodorotlenku amonu. Umieść plastry w kąpieli zasadowej o temperaturze 80 °C na 15 minut.Z stronami z wzorem skierowanymi do góry. Ten krok usunie wszelkie zanieczyszczenia organiczne. Następnie wypłucz wafla w kąpieli z wody dejonizowanej przez około 15 minut.Po wyjęciu wafli z kąpieli w wodzie dejonizowanej muszą one pozostać czyste, aby zapewnić prawidłowe wiązanie. W tym celu należy umieścić wafle na uchwycie teflonowym w czystej mikrokomorze w taki sposób, aby strony z wytrawionym wzorem były zwrócone ku sobie; wafle powinny być oddzielone od siebie teflonowymi wypustkami o szerokości około jednego milimetra. Należy rozpylać wodę dejonizowaną pomiędzy wafle podczas ich powolnego wirowania przez około dwie minuty.Aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia cząsteczkowe, na tym etapie między wafle zostanie pozostawiona warstwa wody, co zapobiega zanieczyszczeniu kurzem przed kolejnym krokiem. Przykryć wafle przezroczystą pokrywą akrylową i wirować je do wyschnięcia przez około 30 minut. Przy prędkości 3000 RPM należy użyć podczerwonej lampy grzewczej o mocy 250 wat, aby wspomóc proces suszenia.Szybkie wirowanie spowoduje wciągnięcie wszelkich zanieczyszczeń cząsteczkowych wraz z wyrzucanym filmem wodnym. Przed zdjęciem pokrywy z wafli, usuń zakładki, rozdzielając wafle poprzez obrót pokrywy. Spowoduje to lekki lokalny kontakt wafli, gdy wciąż znajdują się one w mikrokomorze czyszczącej.Teraz plastry można bezpiecznie wyjąć z mikrokomory nieczystej wraz z ich nośnikiem. Na tym etapie nie należy podnosić plastrów pęsetą, ponieważ mogłoby to spowodować asymetryczne wiązanie. Zamiast tego należy przenieść plastry za pomocą wyjmowanego nośnika na prasę arbor.Dociśnij dwa wafle do siebie za pomocą prasy ręcznej, używając do tego dość sztywnej i gładkiej piłeczki Nerf. Piłeczka Nerf służy do wywierania nacisku na wafle od środka. W ten sposób przyłożony nacisk skierowany na zewnątrz pozwala na wypchnięcie uwięzionego powietrza w miarę rozprzestrzeniania się fali wiązania od centrum na zewnątrz.Rozpoczęcie procesu łączenia od środka minimalizuje naprężenia powstające podczas dopasowywania konturów wafli do siebie. Sprawdź jakość połączenia, szukając prążków interferencyjnych przy użyciu źródła światła podczerwonego i detektora z filtrem interferencyjnym górnoprzepustowym o wartości 1 µm. W przypadku słabego połączenia pojawią się prążki, tak jak pokazano tutaj.Jeśli wiązanie jest słabe i występują niejednorodności, należy umieścić ogniwo na płaskim przykryciu optycznym z papierem filtracyjnym w celu ochrony i amortyzacji górnego wafla, a następnie docisnąć wafle do siebie za pomocą szczypiec do wafli, wypychając pęcherzyki powietrza w miejscu rozwarstwienia w stronę otworu wypełniającego w środku lub w stronę krawędzi. Należy zachować ostrożność podczas przyłożenia siły w pobliżu krawędzi, aby uniknąć pęknięcia górnego wafla. Jeśli nieprawidłowości w wiązaniu utrzymują się lub widoczna jest cząsteczka kurzu, należy rozdzielić wafle, wsuwając między nie ostrze żyletki i powtórzyć cały proces od początku.Do tego momentu wiązanie jest odwracalne. Wafery można wielokrotnie ponownie łączyć w temperaturze pokojowej, aby uzyskać akceptowalne wiązanie. Ponieważ jeden z waferów uległ pęknięciu, proces należało powtórzyć z nowymi waferami.Po uzyskaniu satysfakcjonującego wiązania w temperaturze pokojowej należy przejść do etapu mocowania ogniwa na kwarcowym uchwycie próżniowym w taki sposób, aby otwór napełniający znajdował się centralnie nad otworem pompowym w uchwycie. Uchwyt jest połączony z kwarcową rurką pompową, która wystaje poza piec w celu ewakuacji powietrza z ogniwa przed rozpoczęciem i w trakcie procesu wyżarzania.Pułapka azotowa jest wykorzystywana do eliminacji wstecznego przepływu oleju do komory. Ewakuacja komory powoduje przyłożenie do niej ciśnienia jednej atmosfery, co wspomaga wiązanie, pompowanie oraz zapobiega wzrostowi ciśnienia. Jeśli temperatura pieca wzrośnie zbyt szybko, czas potrzebny na znaczne obniżenie ciśnienia w komorze będzie zależał od geometrii wewnątrz komory.Należy zapobiegać wzrostowi tlenków na zewnętrznej powierzchni ogniwa poprzez przepłukiwanie komory pieca gazem obojętnym, zazwyczaj helem, aby uniknąć powstawania tlenków i umożliwić relaksację naprężeń. Ważne jest, aby zwiększać temperaturę od 250 °C do 1 200 °C w ciągu około czterech godzin. Po utrzymaniu temperatury 1 200 °C przez co najmniej cztery godziny należy wyłączyć piec.Pozostawić układ do ochłodzenia do temperatury pokojowej, a następnie ponownie przeanalizować próbkę za pomocą detektora i źródła światła podczerwonego. Jeśli proces wyżarzania przebiegł pomyślnie, próbka powinna wyglądać tak samo dobrze, a często nawet lepiej niż w momencie wprowadzenia do pieca. W przypadku wystąpienia nieakceptowalnych prążków wskazujących na słabe wiązanie, cały proces należy powtórzyć od początku.Po procesie dociskania (kneeling) wiązanie jest trwałe i nie można już poprawnie rozdzielić wafli. Związane wafle nie będą posiadać obszarów niezwiązanych, co pokazano tutaj na obrazach w podczerwieni; próba rozdzielenia wafli po dociskaniu spowoduje rozbicie ogniwa na kawałki ze względu na wytrzymałość wiązania. Często proces dociskania poprawia jednolitość ogniwa, zwłaszcza jeśli lokalne obszary niezwiązane wynikają z braku płaskości.W przypadku tych wafli jasne plamy i krawędź stanowią obszary zlutowane. Środkowy jasny punkt to otwór służący do wypełniania tej celi. Jedynym obszarem niezlutowanym jest region w pobliżu krawędzi w górnej lewej części obrazu.Ponieważ znajduje się ono poza krawędzią granicy tlenku i w związku z tym nie mogło zostać wypełnione cieczą, nie wpłynęłoby to na użytkowanie tej ogniwa. Może wystąpić wiele objawów słabego wiązania, jednak najczęstszym z nich jest obecność uwięzionej cząsteczki między waflami. Powoduje to lokalny brak wiązania, który jest widoczny w postaci prążków interferencyjnych.Pierścienie Newtona na obrazie w podczerwieni w pobliżu centrum tej komórki, w której utworzono kwadratowy wzór kanałów. Widoczny jest układ kilku pierścieni Newtona. Takie komórki nie nadawałyby się do użytku.W celu zamknięcia obszaru niezespolonego zastosowano lokalny nacisk. Działanie to okazało się częściowo skuteczne i liczba pierścieni uległa zmniejszeniu, jednak nadal występniały niewielkie niejednorodności. W konsekwencji wafle te zostały rozdzielone, a proces zespalania rozpoczęto ponownie po ponownym zespoleniu wafli.Interferometria Fabry-Perota jest wykorzystywana do wyznaczania lokalnego odstępu w strukturze wiązanej poprzez analizę interferencji światła przechodzącego, które ulega wielokrotnemu odbiciu od równoległych powierzchni w tej celi. Metody te, w połączeniu z obrazowaniem w podczerwieni, potwierdzają jednorodność struktury celi. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że płaskość i czystość wafli są niezbędne dla prawidłowego procesu wiązania. Rozwój tej techniki otworzył badaczom z dziedziny zjawisk krytycznych i hydrodynamiki drogę do zbadania roli wymiarowości i ograniczenia w zachowaniu tych układów.

fabrication-uniform-nanoscale-cavities-via-silicon-direct-wafer

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Produkcja jednorodnych nanoskalowtych wnęk poprzez bezpośrednie łączenie warstwy krzemu

Przedstawiamy metody wytwarzania wzorowanych mikrostruktur z pionowo wyrównanych nanorurek węglowych (CNTs) oraz ich zastosowanie jako form macierzystych do produkcji polimerowych mikrostruktur z uporządkowaną nanostrukturą powierzchni. Las nanorurek CNT jest zagęszczany poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu, co znacznie zwiększa ich gęstość upakowania i umożliwia samokierowane tworzenie kształtów 3D.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Opisano wytwarzanie elektrycznie adresowalnych, o wysokim współczynniku proporcji (&gt; 1000:1) metalowych nanodrutów oddzielonych przerwami pojedynczych nanometrów przy użyciu albo warstw protektorowych aluminium i srebra, albo samoorganizujących się monowarstw jako szablonów. Te struktury nanoszczelinowe są wytwarzane bez pomieszczenia czystego lub jakichkolwiek procesów litograficznych wykorzystujących wiązkę foto- lub elektronów za pomocą litografii krawędziowej znanej jako nanoskiving.

Wytwarzanie nanoluk za pomocą Nanoskiving

Przedstawiono procedurę tworzenia i obrazowania mostków kapilarnych w geometrii szczelinowo-porowej. Tworzenie mostków kapilarnych polega na tworzeniu filarów w celu zapewnienia kierunkowej niejednorodności fizycznej i chemicznej w celu przypięcia płynu.  Mostki kapilarne są formowane i manipulowane za pomocą mikroetapów i wizualizowane za pomocą kamery CCD.

Wykonanie i wizualizacja mostków kapilarnych w geometrii porów szczelinowych

Proponujemy prostą technikę samoorganizacji koloidalnych nanocząstek krzemionki w celu stworzenia nanofluidycznego połączenia między dwoma mikrokanałami w polidimetylosiloksanie (PDMS). Korzystając z tej techniki, nanoporowatą membranę perełkową o wielkości porów do ~45 nm wbudowano w mikrokanał i zastosowano do elektrokinetycznego wstępnego zagęszczenia próbek DNA.

Tworzenie połączeń nanofluidycznych poniżej 50 nm w chipie mikroprzepływowym PDMS poprzez proces samoorganizacji cząstek koloidalnych

Ten manuskrypt przedstawia metodę formowania wtryskowego do inżynierii mikronaczyń, które podsumowują fizjologiczne właściwości śródbłonka. Proces oparty na mikroprzepływach tworzy opatentowane sieci naczyniowe 3D z dostosowanymi warunkami, takimi jak przepływ, skład komórkowy, geometria i gradienty biochemiczne. Opisano proces wytwarzania i przykłady potencjalnych zastosowań.

Mikrowzorowanie i montaż trójwymiarowych mikonaczyń

Ten raport opisuje prostą, łatwą do wykonania technikę, wykorzystującą próżnię niskociśnieniową, do wypełniania kanałów mikroprzepływowych komórkami i substratami do badań biologicznych.

Wszechstronna metoda modelowania białek i komórek

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

Ta praca przedstawia protokoły mikrofabrykacji do uzyskiwania wnęk i filarów o profilach reentrantowych i podwójnie reentrantowych na płytkach SiO2/Si za pomocą fotolitografii i suchego trawienia. Powstałe w ten sposób mikroteksturowane powierzchnie wykazują niezwykłą odporność na ciecze, charakteryzującą się solidnym, długotrwałym zatrzymywaniem powietrza pod zwilżającymi cieczami, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki.

Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne

Pokazujemy wytwarzanie kanałów o nanowysokości z integracją urządzeń do aktywacji powierzchniowej fali akustycznej na niobianie litu dla nanofluidyki akustycznej za pomocą fotolitografii liftoff, nano-głębokiego reaktywnego trawienia jonowego i plazmowego aktywowanego powierzchniowo wielowarstwowego wiązania monokryształowego niobianu litu w temperaturze pokojowej, procesu podobnie użytecznego do wiązania niobianu litu z tlenkami.

Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej

Przedstawiono protokół chemicznego imprintingu 3D mikroskalowych elementów 3D z dokładnością poniżej 20 nm do stałych i porowatych płytek krzemowych.

Elektrochemiczne nanoimprinting wspomagany metalem porowatych i litych płytek krzemowych

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Poznaj metodę bezpośredniego łączenia płytek krzemowych w celu tworzenia jednolitych wnęk nanoskalowych do pomiaru właściwości cieczi. Technika obejmuje czyszczenie chemiczne, wiązanie i wyżarzanie, zapewniając jednolitość ~1%.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Przeglądaj więcej filmów