Fabrication de cavités uniformes à l’échelle nanométrique via la liaison directe de plaquettes de silicium

Résumé

Un procédé de collage permanent de deux plaquettes de silicium de manière à réaliser une enceinte uniforme est décrit. Cela comprend la préparation des plaquettes, le nettoyage, le collage RT et les processus de recuit. Les plaquettes collées résultantes (cellules) ont une uniformité d’enceinte ~1%^1,2. La géométrie résultante permet de mesurer des liquides et des gaz confinés.

Résumé

Des mesures de la capacité thermique et de la fraction superfluide de confiné ⁴Il ont été effectuées près de la transition lambda à l’aide de plaquettes de silicium à motifs lithographiques et collés. Contrairement aux confinements en matériaux poreux souvent utilisés pour ces types d’expériences^3,les plaquettes collées fournissent des espaces uniformes redessinés pour le confinement. La géométrie de chaque cellule est bien connue, ce qui supprime une grande source d’ambiguïté dans l’interprétation des données.

Exceptionnellement plates, de 5 cm de diamètre, des plaquettes de Si de 375 μm d’épaisseur avec une variation d’environ 1 μm sur l’ensemble de la plaquette peuvent être obtenues commercialement (auprès de Semiconductor Processing Company, par exemple). L’oxyde thermique est cultivé sur les plaquettes pour définir la dimension de confinement dans la direction z. Un motif est ensuite gravé dans l’oxyde à l’aide de techniques lithographiques afin de créer une enceinte souhaitée lors du collage. Un trou est percé dans l’une des plaquettes (le dessus) pour permettre l’introduction du liquide à mesurer. Les plaquettes sont nettoyées² dans des solutions RCA puis mises dans une chambre micropropre où elles sont rincées à l’eau désionisée^4. Les plaquettes sont collées à RT puis recuites à ~1 100 °C. Cela forme un lien fort et permanent. Ce procédé peut être utilisé pour fabriquer des enceintes uniformes pour mesurer les propriétés thermiques et hydrodynamiques des liquides confinés du nanomètre à l’échelle micrométrique.

Introduction

Lorsque des plaquettes de silicium propres sont mises en contact intime à RT, elles sont attirées les unes vers les autres via les forces de van der Waals et forment de faibles liaisons locales. Ce collage peut être rendu beaucoup plus fort par recuit à des températures plus élevées^5,6. Le collage peut être effectué avec succès avec des surfaces de_SiO2 à Si ou de_SiO2 à_SiO2. Le collage de plaquettes de Si est le plus couramment utilisé pour le silicium sur les dispositifs isolants, les capteurs et actionneurs à base de silicium et les dispositifs optiques^7. Le travail décrit ici prend la liaison directe de plaquett....

Protocole

1. Avant le collage, préparation de la plaquette

Cette étape, à l’exception de la version 1.8, est effectuée dans la salle blanche de Cornell Nanoscale Facility.

1. Cultiver les oxydes dans un four d’oxydation thermique standard en utilisant un procédé d’oxyde humide pour les oxydes épais et, pour obtenir un meilleur contrôle de l’épaisseur, un procédé d’oxyde sec pour les oxydes très minces. Vérifiez l’uniformité de l’épaisseur sur la plaquette complète avec ellipsométrie.
2. Créez un masque pour la géométrie que vous souhaitez graver.
3. Faites tourner la photorésine sur les plaquettes gravées.
4. Exposer, dévelop....

Résultats

Les plaquettes correctement collées n’auront pas de régions non liées. Tenter de diviser les plaquettes après le recuit entraînera la rupture de la cellule en morceaux en raison de la force de la liaison. Des images infrarouges de plaquettes correctement collées sont représentées sur les figures 5 et 6. Souvent, le recuit améliore l’uniformité de la cellule, surtout si les régions locales non collées sont dues à un manque de planéité dans les plaquettes. Dans la figure 5,

Discussion

Le développement d’une lithographie au silicium appropriée en combinaison avec la liaison directe des plaquettes nous a permis de fabriquer des boîtiers étanches sous vide avec de petites dimensions très uniformes sur toute la surface d’une plaquette de silicium de 5 cm de diamètre. Ces enceintes nous ont permis d’étudier le comportement du liquide ⁴He au voisinage de ses transitions de phase d’un liquide normal à un superfluide. Ces études ont vérifié les prédictions de la mise à l’échelle de taille finie, ai.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
SmartCut	North American Tool	FL 130	Il n’est pas nécessaire d’avoir besoin de grand-chose par cellule. Des tailles plus petites sont disponibles.
Silicon Wafers	Semiconductor Processing Co		Il existe de nombreux fournisseurs. Faites attention à l’épaisseur et aux variations d’épaisseur lors de la commande.
		désionisée	Disponibilité générale
Peroxyde			Disponibilité générale Acide
		chlorhydrique	Disponibilité générale Hydroxyde
d’ammonium			Disponibilité générale
Azote gazeux			Disponibilité générale
Hélium gazeux			Disponibilité générale
Pâte diamantée	Beuler Metadi II	em> ex. 406533032
Forets diamantés	Starlite	ex. 115010
Plats			Disponibilité générale
Papier filtre	Whatman	1001-110
Acétone			Disponibilité générale
Méthanol			Disponibilité générale Tubes
en quartz pour four			Disponibilité générale
Tuyau d’aspiration			Disponibilité générale

Eau < en pyrex de rinçage en caoutchouc