Summary
ويرد وصف طريقة للترابط بشكل دائم اثنين من رقائق السيليكون وذلك لتحقيق الضميمة موحدة. وهذا يشمل إعداد رقاقة، والتنظيف، والترابط RT، وعمليات التلوين. الرقاقات المستعبدين الناتجة (الخلايا) لديها توحيد الضميمة ~ 1٪1،2. تسمح الهندسة الناتجة عن ذلك بقياسات السوائل والغازات المحصورة.
Abstract
قياسات القدرة الحرارية وكسر فائقة من 4محصورة وقد أجريت بالقرب من الانتقال لامبدا باستخدام رقائق السيليكون منقوشة حجريا والمرابط. على عكس الحبس في المواد المسامية التي غالبا ما تستخدم لهذه الأنواع من التجارب3، توفر الرقائق المستعبدة مساحات موحدة مصممة مسبقا للحبس. هندسة كل خلية معروفة جيدا، مما يزيل مصدرا كبيرا من الغموض في تفسير البيانات.
شقة بشكل استثنائي، 5 سم القطر، 375 ميكرومتر سميكة سي رقائق مع اختلاف حوالي 1 ميكرومتر على رقاقة كامل يمكن الحصول عليها تجاريا (من شركة معالجة أشباه الموصلات، على سبيل المثال). ويزرع أكسيد الحرارية على رقائق لتحديد البعد الحبس في الاتجاه z. ثم يتم حفر نمط في أكسيد باستخدام التقنيات الحجرية وذلك لخلق الضميمة المطلوبة على الترابط. حفر حفرة في واحدة من رقائق (أعلى) للسماح لإدخال السائل ليتم قياسها. يتم تنظيف رقائق2 في حلول RCA ومن ثم وضعها في غرفة microclean حيث يتم شطفها بالماء deionized4. يتم المستعبدين رقائق في RT ومن ثم طلال في ~ 1100 درجة مئوية. وهذا يشكل رابطة قوية ودائمة. ويمكن استخدام هذه العملية لجعل حاويات موحدة لقياس الخصائص الحرارية والديناميكية المائية من السوائل المحصورة من نانومتر إلى مقياس ميكرومتر.
Introduction
عندما يتم جلب رقائق السيليكون النظيفة في اتصال حميم في RT ، تنجذب إلى بعضها البعض عبر قوات فان دير وال وتشكل روابط محلية ضعيفة. ويمكن جعل هذا الترابط أقوى بكثير عن طريق التلين في درجات حرارة أعلى5,6. الترابط يمكن أن يتم بنجاح مع السطوح إما SiO2 إلى Si أو SiO2 إلى SiO2. الترابط من رقائق سي هي الأكثر شيوعا للسيليكون على الأجهزة العازلة، وأجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون والمحركات، والأجهزة البصرية7. العمل الموصوف هنا يأخذ الرقاقة الترابط المباشر في اتجاه مختلف باستخدامه لتحقيق مرفقات محددة بشكل جيد متباعدة بشكل موحد على كامل منطقة رقاقة8،9. وجود هندسة محددة جيدا حيث يمكن إدخال السوائل يسمح بإجراء القياسات من أجل تحديد تأثير الحبس على خصائص السائل. ويمكن دراسة التدفقات الهيدروديناميكية حيث يمكن التحكم في البعد الصغير من عشرات النانومترات إلى عدة ميكرومترات.
يمكنزراعة SiO 2 على رقائق Si باستخدام عملية أكسيد حراري رطب أو جاف في الفرن. يمكن بعد ذلك نقش SiO2 وحفره على النحو المطلوب باستخدام التقنيات الحجرية. وتشمل الأنماط التي استخدمت في عملنا نمطا من وظائف الدعم متباعدة على نطاق واسع مما يؤدي إلى الترابط في هندسة مستو أو فيلم (انظر الشكل 1). لدينا أيضا قنوات منقوشة لخصائص أحادية الأبعاد، وصفائف من صناديق، إما من (1 ميكرومتر)3 أو (2 ميكرومتر)3 البعد1 (انظر الشكل 2). عند تصميم الحبس مع صناديق، وعادة 10-60 مليون على رقاقة، يجب أن يكون هناك طريقة لملء جميع الصناديق الفردية. نمط منفصل من رقاقة أعلى مع التصميم الذي يقف قبالة رقائق اثنين من قبل 30 نانومتر أو أكثر يسمح لهذا. أو، على نحو مماثل، يمكن تصميم القنوات الضحلة على رقاقة أعلى بحيث يتم ربط جميع المربعات. سمك أكسيد نمت على رقاقة أعلى يختلف عن ذلك على رقاقة أسفل. وهذا يضيف درجة أخرى من المرونة والتعقيد إلى التصميم. القدرة على نمط كل من رقائق يسمح لمجموعة أكبر من هندسات الحبس أن تتحقق.
يمكن أن يختلف حجم الميزات الهندسية في هذه الرقائق المستعبدة ، أو الخلايا. وقد بذلت خلايا مع الأفلام بلانار صغيرة مثل 30 نانومتر بنجاح10,11. في سمك تحت هذا، يمكن أن يحدث overbonding حيث رقائق ينحني حول وظائف الدعم وبالتالي "ختم" الخلية. مؤخرا، سلسلة من القياسات على السائل 4وقد تم تنفيذ مع مجموعة من (2 ميكرومتر)3 صناديق مع اختلاف مسافة الفصل بينهما10،12. ميزات أكبر بكثير في العمق من 2 ميكرومتر ليست عملية جدا نظرا لطول الوقت اللازم لزراعة أكسيد. ومع ذلك، تم إجراء قياسات مع أكسيد سميكة مثل 3.9 ميكرومتر9. وتنشأ الحدود على صغر البعد الجانبي من حدود قدرات الطباعة الحجرية. يتم تحديد الحد الأقصى لضخامة البعد الجانبي من خلال حجم الرقاقة. لقد أنشأنا بنجاح خلايا مستو حيث امتد البعد الجانبي تقريبا قطر رقاقة كامل، ولكن يمكن للمرء أن يتصور بسهولة نقش عدة هياكل أصغر على ترتيب عشرات نانومتر في العرض. غير أن هذه الهياكل تتطلب الطباعة الحجرية للشعاع الإلكتروني. لم نفعل ذلك في هذا الوقت.
في كل من عملنا شكلت رقائق المستعبدين فراغ الضميمة ضيق. ويتحقق ذلك عن طريق الاحتفاظ في أكسيد منقوشة حلقة صلبة من SiO2 من 3-4 مم في العرض في محيط رقاقة، انظر الشكل 1. هذا، على الترابط، يشكل ختم ضيق. ويمكن تعديل هذا التصميم بسهولة إذا كان المرء مهتما بدراسات الهيدروديناميكية التي تتطلب مدخلات ومخرجات.
كما تم اختبار الضغط المتفجر للخلايا المستعبدة. وجدنا أنه مع رقائق سميكة 375 ميكرومتر، يمكن تطبيق الضغط تصل إلى ما يقرب من تسعة أجواء. ومع ذلك، لم ندرس كيف يمكن تحسين ذلك من خلال الترابط على مناطق أكسيد أكبر أو، ربما، لألرقائق سمكا.
يتم إعطاء إجراء ربط خلايا السيليكون إلى خط تعبئة وتقنيات قياس خصائص الهيليوم المحصور في درجة حرارة منخفضة في ميهتا وآخرون. 2 وغاسباريني وآخرون. 13 نلاحظ أن التغيرات في البعد الخطي للسيليكون ليست سوى 0.02٪ عند تبريد الخلايا14. هذا لا يكاد يذكر بالنسبة للأنماط التي تشكلت في RT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. قبل الترابط، إعداد رقاقة
تتم هذه الخطوة باستثناء 1.8 في غرفة تنظيف مرفق كورنيل نانومتر.
- تنمو أكاسيد في فرن الأكسدة الحرارية القياسية باستخدام عملية أكسيد الرطب لأكاسيد سميكة، وتحقيق أفضل مراقبة سمك، عملية أكسيد جاف لأكاسيد رقيقة جدا. تحقق من سمك التوحيد على رقاقة كاملة مع القطع الناقص.
- إنشاء قناع للهندسة التي ترغب في حفر.
- تدور الضوئي على رقائق يجري محفورا.
- فضح وتطوير وخبز رقاقة اختبار وفحص مع المجهر المناسب.
- إذا تم الكشف عن رقاقة الاختبار على النحو المطلوب، حفر رقاقة الاختبار. ستحدد نسبة سمك أكسيد إلى البعد الجانبي ميزة ما إذا كان النقش الرطب أو الجاف هو المناسب. منذ الحشرات الرطب هي متساوية الخواص أنها لن تنتج الجدران الرأسية في أكسيد. في كثير من الحالات هذا لا يهم. إذا كانت الجدران العمودية المطلوبة يمكن للمرء استخدام رد فعل أيون النقش. إذا كان النقش ناجحا ، فانتقل إلى الرقائق الأخرى. في كثير من الأحيان ، يمكن استخدام خصائص hydrophobic / hydrophilic من Si و SiO2 لمعرفة ما إذا كانت عملية النقش ناجحة.
- إزالة مزيل ضوئي من رقائق. بالنسبة لمعظم التصوير الضوئي ، يمكن القيام بذلك في البداية مع الكحول الأيزوبروبيل والأسيتون. ومع ذلك ، فإن بعض كمية صغيرة من المقاومة لا تزال على رقائق. هذه المقاومة تحتاج إلى إزالتها تماما من أجل تحقيق الترابط الجيد.
- استخدام قصيرة 20 دقيقة عملية إزالة الأكسجين في إيون رد الفعل الحفر. هذا سوف يزيل أي مزيل ضوئي يبقى على رقائق. ومع ذلك ، فإن هذا سيضيف أيضا بعض طبقات أكسيد إلى السيليكون المكشوفة. هذا هو عادة 1-4 نانومتر15.
- حفر ثقب التعبئة في رقاقة أعلى. ويمكن القيام بذلك مع الماس يميل حفر بت والتشحيم الذكية قطع (انظر المواد للحصول على تفاصيل الشركة المصنعة). شطف قبالة الذكية قطع مباشرة بعد الحفر مع الماء deionized. ويمكن أيضا أن يتم الحفر باستخدام عجينة الماس مع حصى 3-9 ميكرومتر لملء ثقوب أكبر من ~ 0.124 سم في القطر. يمكن استخدام القطع الذكي مرة أخرى للتشحيم. نستخدم مثقابا دقيقا صغيرا على 1000-2000 دورة في الدقيقة.
2. إعداد الترابط
- من أجل رقائق السندات، والنظافة أمر بالغ الأهمية. هناك بعض الخطوات التي ينبغي اتخاذها لتنظيف رقائق. أولا، نظيفة مع حمامات RCA.
- شطف رقائق في الماء deionized (DI).
- نظيفة في حمام حمض "RCA". حمام حمض RCA هو H2O:H2O2:HClبنسب 5:1:1. وضع رقائق في حمض RCA 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة مع الجانبين منقوشة تواجه ما يصل. هذه الخطوة سوف تقضي على أي تلوث معدني.
- إزالة رقائق من حمض وشطف في حمام المياه DI لمدة 5 دقائق.
- تنظيف في قاعدة "RCA" المقبل. قاعدة RCA هي H2O:H2O2:NH4OH بنسب 10:2:1. وضع رقائق في قاعدة RCA 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة مع الجانبين منقوشة تواجه ما يصل. هذه الخطوة سوف تقضي على أي تلوث عضوي.
- شطف رقائق في حمام المياه DI ل ~ 15 دقيقة.
- يجب إزالة الرقائق من حمام مياه DI وتبقى نظيفة من أجل حدوث الترابط المناسب. ويتم ذلك في خطوتين:
- أولا، ضع الرقائق مع الجانبين محفورة منقوشة تواجه بعضها البعض على تشاك تفلون في غرفة نوم نظيفة كما هو مبين في الشكل 3B. يتم فصلها عن طريق ~ 1 ملم علامات تفلون. رش الماء deionized بين رقائق بينما تدور ببطء (~ 10-60 دورة في الدقيقة) ل ~ 2 دقيقة من أجل إزالة أي تلوث الجسيمات. سيتم ترك فيلم من الماء بين رقائق في هذه المرحلة. وهذا يمنع تلوث الغبار قبل الخطوة التالية.
- تغطية رقائق مع غطاء الاكريليك واضحة وتدور رقائق الجافة ل ~ 30 دقيقة في 3000 دورة في الدقيقة. استخدم مصباح حرارة 250 واط تحت الحمراء للمساعدة في عملية التجفيف. والغزل السريع entrain أي ملوثات الجسيمات مع طرد فيلم الماء ، كما هو الحال في الشكل 3C.
- قبل إزالة الغطاء فوق الرقائق، قم بإزالة علامات التبويب التي تفصل بين الرقائق عن طريق تدوير الغطاء. وهذا سوف يجلب رقائق في اتصال المحلية الخفيفة في حين لا يزال في غرفة microclean. الآن قد تتم إزالة رقائق بأمان من غرفة microclean على الناقل بهم. الفجوة الصغيرة جدا من حوالي 1 ميكرومتر بين رقائق سوف تقلل من تلوث الغبار خلال هذه الخطوة. أيضا، لا تلتقط رقائق مع ملاقط في هذه المرحلة لأن هذا من شأنه أن يبدأ الترابط غير المتماثلة. بدلا من ذلك، نقل رقائق مع استخدام الناقل القابلة للإزالة على الصحافة أربور.
3. وافير الترابط
- اضغط على اثنين من رقائق معا باستخدام الصحافة أربور وكرة جامدة وسلسة إلى حد ما (Nerf). يتم استخدام الكرة نيرف لتطبيق الضغط على رقائق من منتصف إلى الخارج. الضغط المطبق بهذه الطريقة يسمح للهواء المحاصرين أن يدفع بها كما ينتشر موجة الترابط من المركز. بدء الترابط في المركز يقلل من الضغوط التي يتم بناؤها كفاف رقائق لبعضها البعض. رقائق لديها تسطيح الدولة الحرة من حوالي 1 ميكرومتر، في حين أن الثغرات التي تحققت في الترابط موحدة داخل نانومتر قليلة. وهكذا، يجب أن تشوه الرقائق من حالتها الحرة من أجل تحقيق ذلك.
- تحقق من الترابط من خلال البحث عن هامش التداخل باستخدام مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء وكاشف مع مرشح تمرير عالية 1 ميكرومتر. تظهر صور العينة في الشكلين 4 و5. سوف تظهر هامش التدخل (حلقات نيوتن) إذا كان هناك ضعف الترابط. إذا كان الترابط جيدا ، فيمكن للمرء المضي قدما في الخطوة 3.3. إذا كان الترابط ضعيفا وكانت هناك حالات عدم الامتثال، فامضي على النحو التالي.
- ضع الخلية على شقة بصرية، وغطها بورق فلتر لحماية الرقاقة العلوية وخففتها، واضغط على الرقائق مع ملقط الرقاقة. دفع debonded "فقاعات" إما إلى الوسط (حيث يوجد ثقب ملء) أو إلى حواف. كن حذرا عند تطبيق القوة بالقرب من الحواف حيث قد تكون الرقائق مركز إزاحة قليلا إلى مركز. الضغط بالقرب من حواف وبالتالي قد يسبب رقاقة أعلى للقضاء إذا كان يتدلى رقاقة أسفل.
- إذا استمرت مخالفات الترابط أو كان جسيم الغبار واضحا ، فقسم الرقائق عن طريق شد شفرة حلاقة بينهما. كرر العملية من البداية (الخطوة 2.1.1). حتى هذه النقطة، الترابط قابل للعكس. يمكن إعادة ربط الرقائق في RT عدة مرات أثناء محاولة الحصول على ترابط مقبول.
- بعد الحصول على الترابط RT مقبولة، واحد يشرع في أنال رقائق. درجات الحرارة فوق 900 درجة مئوية تحتاج إلى الوصول إليها من أجل التأكد من التلين السليم5،6.
- المرحلة الخلية على تشاك فراغ الكوارتز بحيث يتمركز ثقب التعبئة على ثقب الضخ في تشاك. يتم توصيل تشاك إلى أنبوب ضخ الكوارتز الذي يستخدم لإخلاء الخلية قبل وأثناء عملية التلوين. يمتد هذا الأنبوب خارج الفرن. ويؤدي إخلاء الخلية إلى ضغط جو واحد لتطبيقه على الخلية. هذا سيساعد في الترابط. الضخ ضروري أيضا لمنع تراكم الضغط إذا تم تكثيف درجة حرارة الفرن بسرعة كبيرة جدا. الوقت الذي يستغرقه لخفض كبير في الضغط في الخلية سوف تعتمد على الهندسة داخل الخلية.
- لتجنب نمو أكسيد على السطح الخارجي للخلية، وتطهير غرفة الفرن مع غاز غير قابل للكسر، وعادة 4هو، بحيث لا يزرع أكسيد.
- للسماح للسلالات أن يكون الوقت للاسترخاء، من المهم أن تتصاعد درجات الحرارة من 250-1200 درجة مئوية على مدى ~ 4 ساعة. بعد البقاء عند 1200 درجة مئوية لمدة 4 ساعات على الأقل، قم بإيقاف تشغيل الفرن.
- السماح للنظام لتبرد إلى RT.
- تحليل الخلية مرة أخرى باستخدام مصدر الأشعة تحت الحمراء كاشف وكما هو مبين في الشكل 6. إذا كان التلهين سارت على ما يرام، فإن الخلية تبدو جيدة مثل، أو في كثير من الأحيان أفضل من، عندما وضعت في البداية في الفرن. وإذا كانت هناك ثغرات غير مقبولة تشير إلى ضعف الترابط، فيجب تكرار العملية برمتها منذ البداية؛ ومع ذلك، يجب أن يتم ذلك مع رقائق جديدة. مرة واحدة معل، والرابطة بين رقائق دائمة وليس هناك تقسيم ممكن.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
لن يكون للرقاقات المستعبدة بشكل صحيح أي مناطق غير مبوندة. محاولة تقسيم رقائق بعد التلين سوف يسبب الخلية لاقتحام القطع بسبب قوة السندات. تظهر صور الأشعة تحت الحمراء من رقاقة المستعبدين بشكل صحيح في الشكلين 5 و 6. في كثير من الأحيان يحسن التلين توحيد الخلية ، خاصة إذا كانت المناطق المحلية غير المبونة بسبب عدم التسطيح في الرقائق. في الشكل 5 البقع الخفيفة والحدود هي مناطق المستعبدين. النقطة الوسطى المضيئة هي ثقب لملء الخلية. في المناطق المظلمة رقاقة في فصل 0.321 ميكرومتر. المنطقة الوحيدة غير المبونة في الشكل 5 بالقرب من الحدود في الجانب الأيسر العلوي من الصورة. وبما أنه يقع خارج حافة حدود أكسيد، وبالتالي لا يمكن ملء السائل، وهذا لن يؤثر على استخدام هذه الخلية.
هناك أعراض متعددة من ضعف الترابط التي يمكن أن تظهر، ولكن الأكثر شيوعا هو وجود الجسيمات المحاصرين بين رقائق. وهذا سوف يسبب عدم وجود الترابط المترجمة تحدث ومرئية من خلال ظهور تداخل نيوتن الحلقات في صورة الأشعة تحت الحمراء، كما هو الحال في الشكل 4A. هذه الخلية لديها حلقة أكسيد واسعة في الخارج وداخل هذه المنطقة يمكننا أن نرى العديد من الحلقات الصغيرة التي تشير إلى المناطق غير المبونة. أيضا ، بالقرب من المركز ، حيث يتم تشكيل نمط مربع من القنوات (غير مرئية) ، هناك نمط من عدة حلقات نيوتن. هذه الخلايا لن تكون مناسبة للاستخدام. وفي الشكل 4 باء حاولنا إغلاق المنطقة غير المحصل عليها عن طريق ممارسة الضغط محليا. هذا فعال جزئيا ، وهناك عدد أقل من الحلقات ، ولكن لا يزال هناك أوجه جمود صغيرة. ثم تم تقسيم هذه الرقائق وإعادة تشغيل عملية الترابط.
وهناك سيناريو آخر محتمل لضعف الترابط وهو الإفراط في السندات. يحدث هذا عندما لا تكون هناك وظائف دعم كافية بين الرقائق للحفاظ على فصل موحد ، أو المشاركات ليست كبيرة بما يكفي ، مما يؤدي إلى انهيار الخلية ،أي 16ربط السيليكون مباشرة بالسيليكون. الانحناء من رقائق يحدث بين الوظائف لدرجة أنه لم يعد هناك أي فجوة بين رقائق. لا يمكن ملاحظة ذلك بسهولة عبر التصوير بالأشعة تحت الحمراء ويتم اكتشافه بشكل عام فقط عندما تكون الخلية غير قادرة على الملء. الإفراط في السندات هو مصدر قلق كبير أساسا عند التعامل مع الثغرات الصغيرة جدا (عشرات نانومتر) حيث قوات فان دير وال هي أكبر.
والمشكلة المحتملة الثالثة مع رقائق الترابط هي أنه في بعض الأحيان رقائق، مهما كانت نظيفة، ببساطة ليست مسطحة بما فيه الكفاية للسندات. على الرغم من ندرتها ، بسبب الرقائق المسطحة بشكل استثنائي المستخدمة ، فإن الترابط الضعيف في بعض الأحيان بين الرقائق سيستمر. وتنطوي عملية الترابط على رقاقتين تتغلبان على تسطيحهما في حالة حرة وكفاف لبعضهما البعض عند فصل موحد. وهذا يتطلب ضغطا كبيرا على كل من رقائق ويمكن أن يؤدي إلى عدم وجود الترابط بسبب الإجهاد الزائد. سمكا رقاقة، والترابط أكثر صعوبة منذ رقائق تفقد المرونة6. عندما يحدث نقص مستمر في الترابط ، يجب على المرء استخدام رقاقة جديدة ومحاولة الترابط مرة أخرى. إذا كان الترابط مرة أخرى ضعيفا في نفس المواقع العامة للرقاقة ، فإن الرقاقة المعاد استخدامها ليست مسطحة بما يكفي للترابط ويجب استبدالها.
لتحقيق هياكل الخلية موحدة تتم دراسة رقائق في RT قبل وبعد الترابط. قبل الترابط ، يتم قياس سمك أكسيد نمت على السيليكون قبل النقش باستخدام القطع الناقص. بعد النقش ، يمكن استخدام مجهر القوة الذرية لتأكيد الأبعاد. تتطلب الأنماط الأكثر تعقيدا أو الأصغر استخدام المجهر الإلكتروني لتحليل النمط. بعد ربط الرقائق عند الفصل المطلوب ، يمكن استخدام قياس التداخل Fabry-Perot لتحديد الفصل المحلي للهيكل المستعبد. مع قياسات متعددة على طول وجه الرقاقات المستعبدين ، يمكن تعيين الفصل بينهما كما هو موضح في الشكل 7. تستخدم طريقة فابري بيرو تداخل الضوء المرسل حيث تتكاثر تنعكس في الأسطح المتوازية في الخلية. ومع ذلك، لا يمكن استخدام هذا إلا إذا كان التباعد أكبر من نصف الطول الموجي لامتصاص قطع لسي. وبالتالي، فإن الحد الأدنى للتحقق من الترابط مع قياس التداخل فابري بيرو حوالي 0.57 ميكرومتر9. هذه الأساليب، جنبا إلى جنب مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء للخلية، تؤكد توحيد هيكل الخلية.
الشكل 1 - الأرقام 1- الأرقام 1 رسم تخطيطي من اثنين من رقائق جاهزة لتكون المستعبدين معا (العليا). الأزرق يمثل Si بينما الأحمر يمثل SiO2. وقد تم نقش الرقاقة اليسرى باللون الحجري مع وظائف الدعم. لم يتم نقش الرقاقة الصحيحة في هذا المثال ، على الرغم من أنها غالبا ما تكون منقوشة. الجمع بين رقاقتين على النحو المشار إليه يخلق هندسة مستو من فصل موحد توقف من قبل وظائف الدعم. يتم ربط الرقائق معا في RT (أقل). هذه الرابطة ضعيفة، وسوف تحتاج الرقائق إلى أن تكون صلبة لتعزيز الرابطة. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 2 - الأرقام 2- الأرقام التي تم رسم مقطعي عرضي لاثنين من الرقائق المنقوشة المستعبدين معا. تحتوي الرقاقة السفلية على مربعات تم حفرها في أكسيد باستخدام الطباعة الحجرية لشعاع الأيونات (هذه هي المربعات الأرجوانية الداكنة). رقاقة أعلى لديه وظائف الدعم، التي تظهرها المربعات الحمراء، والتي تبقي أعلى تردد 33 نانومتر فوق رقاقة أسفل. هذه الميزات ليست لتوسيع نطاق في هذا الرسم. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 3 - الأرقام 3- الأرقام التي يمكن أن رسم تخطيطي لعملية الشطف والتجفيف RT في غرفة التنظيف الدقيق. أ) يظهر رقاقتين. ب)وقد وضعت رقائق على الدوار ويتم فصل مسافة 1 ملم تقريبا من قبل ثلاث علامات التبويب المسافة. يتم رش طائرة من الماء deionized بين رقائق لأنها تدور ببطء. ج)وقد غطت رقائق ونسج في 3000 دورة في الدقيقة لتجفيفها تحت مصباح الحرارة تحت الحمراء. بعد هذه العملية، يتم نقل علامات التبويب فصل للخروج من الطريق عن طريق تدوير الغطاء قبل التعرض للبيئة المختبرية. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 4 - الأرقام 4- الأرقام التي تم ال أ) صور الأشعة تحت الحمراء لخلية بعد الترابط RT الأولية. هناك بعض المناطق غير المبونة بوضوح (حلقات الضوء) في الحدود التي ليست كبيرة بما يكفي للخطر استخدام الخلية. ومع ذلك ، بالقرب من المركز تشير الحلقات المتعددة إلى أن هناك منطقة غير مبونة حيث يكون الفصل ~ 3 ميكرومتر ب)بعد محاولة فرض الترابط في هذه المنطقة عن طريق تطبيق ضغط محليا ، فمن الواضح أن هناك جسيما محاصرا بين الرقائق بالقرب من المركز مما تسبب في عدم الترابط. يجب تقسيم هذه الرقائق وإعادة تشغيل العملية. لاحظ أنه في جميع أنحاء الصور هناك التموج خافت ينظر بوضوح على طول الحدود العريضة المظلمة المستعبدين. ويرجع ذلك إلى الاختلافات في سمك رقائق السيليكون نفسها وليس فصلها. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 5 - الأرقام 5- الأرقام التي تم صورة عن قرب بالأشعة تحت الحمراء لقسم من الخلية. بسبب سمك أكسيد نمت لهذه الخلية، 0.321 ميكرومتر، يمكن أن ينظر بوضوح وظائف الدعم في هذه الصورة والبقع الخفيفة العادية في جميع أنحاء الخلية. النقطة المضيئة في المركز هي ثقب التعبئة. ويمكن رؤية نقص طفيف في الترابط على حواف الصورة على الجانب الأيسر. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 6 - الأرقام 6- الأرقام 10 صورة الأشعة تحت الحمراء لخلية مباشرة قبل (أ) وبعد (ب) التلين. هناك مكانان حيث يوجد نقص في الترابط ، كما يتضح من حلقات الضوء. تسبب التلكز في تغيير موقع وحجم المناطق غير المبونة. باتر "squarish" تغطي معظم رقاقة هي المنطقة النشطة للاستخدام التجريبي. هذا موحد تماما المنطقة المظلمة حول ثقب المركز الساطع من المرجح أن تكون تفاعلا كيميائيا بسبب التيار الخلفي من المضخة الميكانيكية. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 7 - الأرقام 7- الأرقام التي تم التوحيد النموذجي للمباعدة بين الرقائق المستعبدين بشكل جيد. تم الحصول على هذه المؤامرة باستخدام قياس التداخل فابري بيرو في سلسلة من القياسات على مساحة ~ 20 ملم × 20 ملم على رقائق المستعبدين. تم تصميم الخلية لفصل 0.989 ميكرومتر. وكما تم قياسه، فإن الرقاقة المستعبدة تتفق بشكل جيد مع هذا على أفضل من واحد في المائة. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 8 - الأرقام 8- الأرقام التي تم رسم مقطعي عرضي من رقائق منقوشة بهندسة حلقة كوربينو17. يتم عزل منطقتين عن بعضها البعض من قبل حلقة. سيتم تشكيل فيلم رقيقة من 30 نانومتر على رأس هذا الحلبة من قبل نمط على رقاقة أعلى. الهندسة الناتجة سيكون لها غرفتين كبيرتين نسبيا مفصولتين بفيلم نانو فيلم. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وقد سمح لنا تطوير الطباعة الحجرية السيليكون مناسبة في تركيبة مع الترابط رقاقة مباشرة لجعل فراغ حاويات ضيقة مع أبعاد صغيرة موحدة للغاية على جميع المساحة الكاملة من رقاقة السيليكون قطرها 5 سم. وقد سمحت لنا هذه المرفقات لدراسة سلوك السائل 4انه في حي من مرحلة التحولات من السائل العادي إلى superfluid. وقد تحققت هذه الدراسات من تنبؤات بتوسع محدود الحجم، كما أشارت إلى حالات فشل لا يزال يتعين استكشافها. وقد حدد العمل أيضا، للمرة الأولى، اقتران قوي جدا موجود بين منطقتين من السائل عندما يفصل بينهما فيلم رقيقة جدا، ~ 30 نانومتر. الدراسات على هذا المنوال مستمرة مع الخلايا المصممة في هندسة كوربينو، كما هو مبين في الشكل 8. هذه الهندسة لديها منطقتين معزولة عن بعضها البعض من قبل حلقة ومتصلة فقط من قبل فيلم 30 نانومتر سميكة.
لدينا طريقة لبناء الخلايا محدودة لأن SiO2 سمك أكبر بكثير من 2 ميكرومتر من الصعب تحقيقه. هذا بسبب وقت نمو الفرن الطويل. في الحد الآخر ، يصعب تحقيق هياكل مخطط كبيرة مع فصل أصغر من ~ 30 نانومتر مع تجنب الإفراط في السندات. Overbonding يحدث عندما رقائق اثنين ينحني على وظائف الدعم واللمس. إحدى الطرق لتجنب ذلك هي استخدام رقائق أكثر سمكا و / أو مساحة وظائف الدعم أقرب معا. ولم نستكشف جميع هذه المتغيرات بشكل كامل. رقاقة سمكا على وجه الخصوص قد تمنع الإفراط في السندات، ومع ذلك قد يكون أيضا قاسية جدا وليس السندات لإعطاء فصل موحد. لقد حققنا فصل صغيرة مثل 10 نانومتر في هيكل حيث أجريت دراسات في قناة من العروض تتراوح بين 2-20 ميكرومتر18. في هذا الحد واحد يجب أن تقلق بشأن الاختلافات على المدى القصير في سطح السيليكون التي يمكن رسمها مع المجهر القوة الذرية18.
هناك طرق الترابط الأخرى التي يمكن النظر فيها. الترابط الكهربائي يمكن استخدامها لارتباط الزجاج إلى السيليكون. هذه العملية هي أكثر ملاءمة للترابط على مساحة صغيرة منذ واحد يبدأ الترابط مع قطب كهربائي في الجهد العالي وموجة الترابط يبدأ أينما كانت الأسطح الأقرب معا. وبالتالي فإن موجة الترابط ليست متماثلة على سطح الرقائق. تقنية ترابط أخرى جربنا بها كانت لديها مشكلة مماثلة. في إجراءات الترابط لدينا في وقت سابق بدأنا الترابط باستخدام ملاقط لالتقاط رقائق من غرفة microclean. ولم يكن ذلك مرضيا. وهكذا، كما هو موضح، ذهبنا إلى استخدام حامل وبدء الترابط باستخدام الصحافة الكرة. ويمكن أيضا تحسين هذه الخطوة لأننا لم تستكشف المعلمات لتصلب الكرة الأمثل وترتيب الصحافة.
يجب أن يبدأ الترابط الناجح بشكل عام للسيليكون برقاقات مسطحة بشكل استثنائي. يتم تحديد لنا أن تكون مسطحة مع 1 ميكرومتر على كامل حجم 5 سم. منذ أن متباعدة لدينا اثنين من رقائق أقرب إلى 30 نانومتر، يمكن للمرء أن يرى أنه يجب أن يكون هناك تشوه كبير من رقائق لأنها ينحني لتحقيق هذا الانفصال. وهذا يشير إلى أن رقائق لا يمكن أن تكون سميكة جدا. لم نستكشف الاختلافات في سمك الرقاقة منذ أن نجحنا مع 375 ميكرومتر.
ويمكن أيضا أن يتحقق تجاويف صغيرة باستخدام عملية الترابط أنودي، وذلك باستخدام إما الزجاج على الزجاج19 أو الزجاج علىالسيليكون 20. وقد أسفرت هذه التقنيات تجاويف مستو في نطاق 30 نانومتر إلى 11 ميكرومتر. هذه الهياكل لديها مقطع عرضي أصغر من الخلايا التي نصنعها بأكثر من ترتيب من الحجم، 0.2-0.7 سم2 مقابل 12 سم2 لخلايانا. ويمكن أيضا أن تكون مصنوعة من دون دعم الوظائف لأنه يتم استخدام الزجاج أكثر سمكا والسيليكون. وهكذا ، في حين أن تقنياتها تمثل طريقة أخرى قابلة للتطبيق لتحقيق غرف صغيرة إلى نانوفلويدية ، يبدو لنا أن الترابط المباشر مع إمكانية نقش كلا الرقائق هو تقنية أكثر متغيرة سمحت بتشكيل هياكل ثنائية الأبعاد ، أحادية الأبعاد ، وصفر الأبعاد. الخلايا من ديموف وآخرون. 19 ودوه وآخرون. 20 لن تكون مناسبة لقياساتنا الخاصة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدينا ما نكشفه
Acknowledgments
تم تمويل هذا العمل من قبل NSF منح DMR-0605716 و DMR-1101189. كما تم استخدام مركز كورنيل للعلوم والتكنولوجيا النانوية لزراعة ونقش الأكاسيد. ونشكرهم على مساعدتهم. واحد منا FMG ممتن لدعم أستاذ موتي لال روستجي.
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).
