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Engineering

실리콘 다이렉트 웨이퍼 본딩을 통한 균일한 나노스케일 캐비티 제조

Published: January 9, 2014 doi: 10.3791/51179
Automatic Translation
1, 2,3, 4, 5, 1
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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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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Protocol

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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Representative Results

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 일반적인 웨이퍼 사이 갇혀 입자를 갖는 것입니다. 이로 인해 코딩의 지역화 된 부족이 발생하고 도 4A에서와같이 적외선 이미지에서 간섭 뉴턴 링의 모양을 통해 볼 수 있습니다. 이 셀은 외부에 광범위한 산화물 고리를 가지고 있으며이 영역 내에서 우리는 결합되지 않은 영역을 나타내는 몇 가지 작은 고리를 볼 수 있습니다. 또한, 채널의 사각형 패턴이 형성되는 센터 근처 (보이지 않음), 여러 뉴턴 링의 패턴이있다. 이 세포는 사용하기에 적합하지 않을 것입니다. 그림 4B에서 우리는 로컬로 압력을 적용하여 본드되지 않은 영역을 닫으려고 시도했습니다. 이것은 부분적으로 효과적이며, 적은 반지가 있습니다, 그러나 아직도 작은 불균일성이 남아 있습니다. 이러한 웨이퍼는 분할되었고 본딩 프로세스가 다시 시작되었습니다.

또 다른 가능한 가난한 결합 시나리오는 과연입니다. 이는 웨이퍼 사이에 충분한 지지 포스트가 없거나 기둥이 충분히 크지 않아 셀이 붕괴되는 원인이 되는 경우,16일 실리콘에 직접 실리콘을 결합하는 경우에 발생합니다. 웨이퍼의 절링은 더 이상 웨이퍼 사이에 간격이 없는 지점까지 포스트 사이에 발생합니다. 이것은 적외선 화상 진찰을 통해 쉽게 관찰되지 않으며 세포가 채워질 수 없을 때만 일반적으로 발견됩니다. 과연은 주로 반 데르 발스 세력이 가장 큰 매우 작은 간격 (나노 미터)을 다룰 때 중요한 관심사입니다.

결합 웨이퍼의 세 번째 잠재적 인 문제는 때로는 웨이퍼가 아무리 깨끗하더라도 단순히 결합 할 만큼 평평하지 않다는 것입니다. 드물지만, 매우 평평한 웨이퍼로 인해 웨이퍼 사이의 결합이 지속되는 경우도 있습니다. 본딩 프로세스는 두 웨이퍼가 자유 상태 평탄도를 극복하고 균일한 분리에서 서로 윤곽을 그리는 것을 포함합니다. 이것은 웨이퍼 모두에 상당한 스트레스를 필요로하고 과도한 스트레스로 인해 결합의 부족으로 이어질 수 있습니다. 웨이퍼가 두꺼워진 웨이퍼는 웨이퍼가 유연성6을잃기 때문에 더 어려운 결합입니다. 지속적인 결합 부족이 발생하면 새 웨이퍼를 사용하고 다시 결합을 시도해야 합니다. 웨이퍼의 동일한 일반 위치에서 다시 결합이 불량한 경우 재사용 된 웨이퍼는 결합을 위해 충분히 평평하지 않으며 교체해야합니다.

균일 한 세포 구조를 달성하기 위해 웨이퍼는 결합 전후 RT에서 연구됩니다. 접합 전에, 패턴화 하기 전에 실리콘에 성장 하는 산화물의 두께 타원형을 사용 하 여 측정. 패터닝 후, 원자력 현미경은 치수를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 더 복잡하거나 작은 패턴은 패턴을 분석하기 위해 전자 현미경을 사용하여 필요합니다. 웨이퍼를 원하는 분리로 접합한 후, Fabry-Perot 간섭요법을 사용하여 접합 구조의 국소 분리를 결정할 수 있다. 접합 웨이퍼의 면을 따라 여러 측정을 통해 그림 7에표시된 대로 둘 사이의 분리를 매핑할 수 있습니다. Fabry-Perot 방법은 셀의 병렬 표면에 의해 곱하기 때문에 전송된 빛의 간섭을 사용합니다. 그러나, 이것은 간격이 Si에 대한 컷오프 흡수 파장의 절반 이상이면 사용될 수 있다. 따라서, Fabry-Perot 간섭요법과의 결합을 확인하기 위한 하한은 약 0.57 μm9이다. 이러한 방법은 세포의 적외선 이미징과 결합되어 세포 구조의 균일성을 확인합니다.

Figure 1
그림 1. 두 웨이퍼의 회로도 도면은 함께 결합 할 준비가 (상단). 파란색은 Si를 나타내고 빨간색은 SiO2를나타냅니다. 왼쪽 웨이퍼는 지원 게시물과 함께 리터그래피로 패턴화되었습니다. 오른쪽 웨이퍼는 이 예제에서 패턴화되지 는 않았지만 패턴화되는 경우가 많습니다. 표시된 대로 두 웨이퍼를 결합하면 지지대 게시물에 의해 중단된 균일한 분리의 평면 형상이 생성됩니다. 웨이퍼는 RT(아래쪽)에서 함께 결합됩니다. 이 유대는 약하며, 웨이퍼는 유대를 강화하기 위해 어퍼를 만들어야 합니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오. 

Figure 2
그림 2. 두 패턴 웨이퍼의 단면 드로잉이 함께 결합되어 있습니다. 하단 웨이퍼에는 이온 빔 리소그래피를 사용하여 산화물에 새겨진 상자가 있습니다 (이들은 어두운 보라색 사각형입니다). 상단 웨이퍼에는 빨간색 사각형으로 표시된 지지 포스트가 있으며, 상단 웨이퍼는 아래쪽 웨이퍼 위에 33 nm를 유지합니다. 이러한 피쳐는 이 도면에서 확장할 수 없습니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3. 미세 청정 챔버에서 RT 헹구기 및 건조 공정의 회로도. A)는두 웨이퍼를 나타낸다. B)웨이퍼는 스피너에 배치되어 3개의 스페이서 탭으로 약 1mm의 거리를 분리하였다. 웨이퍼 사이에 는 서서히 회전할 때 탈이온화된 물의 제트가 분사됩니다. C)웨이퍼가 덮여 있고 적외선 열램프 에서 건조하기 위해 3,000 rpm에서 분사됩니다. 이 과정 후, 분리 탭은 실험실 환경에 노출되기 전에 덮개를 회전하여 방해가 됩니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4. A) 초기 RT 본딩 후 셀의 적외선 이미지. 테두리에는 셀 사용을 손상시킬 만큼 크지 않은 몇 가지 명확하게 결합되지 않은 영역(라이트 링)이 있습니다. 그러나, 센터 근처에서 다중 고리는 분리가 ~3 μmB인 본드 영역이 있음을 나타내며, 이 부위에서 접합을 강제로 시도한 후, 위부근의 웨이퍼 사이에 입자가 갇혀 있어 결합의 부족을 야기하는 것이 분명하다. 이러한 웨이퍼는 분할되어야 하며 프로세스를 다시 시작해야 합니다. 이미지 전체에 는 결합 된 어두운 넓은 테두리를 따라 가장 명확하게 볼 희미한 물결모양이 있습니다. 이것은 실리콘 웨이퍼 자체의 두께의 변화가 아니라 분리때문입니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5. 셀 의 단면의 적외선 이미지를 클로즈업합니다. 이 셀에 대해 자란 산화물의 두께 때문에 0.321 μm, 지지 기둥은 이 이미지에서 셀 전체의 일반 광 반점으로 명확하게 볼 수 있다. 중앙의 밝은 점은 충전 구멍입니다. 왼쪽 이미지 의 가장자리에서 약간의 접합 부족을 볼 수 있습니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6. (A) 직전과 (B) 후 세포의 적외선 이미지. 빛 고리에 의해 입증 된 바와 같이, 결합의 부족이 두 장소가있다. Annealing은 본드되지 않은 영역의 위치와 크기가 변경되었습니다. 웨이퍼의 대부분을 커버하는 "squarish"패터는 실험용 활성 영역입니다. 이것은 완전히 균일합니다. 밝은 중앙 구멍 주변의 어두운 영역은 기계 펌프에서 백스트림으로 인한 화학 반응일 가능성이 높습니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7. 잘 결합 웨이퍼에 대한 간격의 전형적인 균일성. 이 플롯은 파브리 페로 간섭을 사용하여 접합 웨이퍼에서 ~20mm x 20mm의 면적을 측정하여 수득하였다. 셀은 0.989 μm의 분리를 위해 설계되었습니다. 측정된 바와 같이, 결합된 웨이퍼는 1% 이상 더 나은 이것에 동의합니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8. 코르비노17 링 형상패턴웨이퍼의 단면 도면. 두 영역은 링에 의해 서로 격리됩니다. 30nm의 박막이 상단 웨이퍼의 패턴으로 이 링 위에 형성됩니다. 결과 형상은 나노 필름으로 분리된 두 개의 비교적 큰 챔버를 갖게 됩니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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 제한됩니다. 이것은 긴 용광로 성장 시간 때문입니다. 다른 한계에서는 ~ 30nm보다 작은 분리를 가진 대형 평면 구조물은 과결합을 피하면서 달성하기 어렵다. 오버본링은 두 웨이퍼가 지지 대지 위로 구부러지고 터치할 때 발생합니다. 이를 방지하는 한 가지 방법은 두꺼운 웨이퍼및/또는 지지층이 더 가깝게 게시되는 공간을 사용하는 것입니다. 이러한 변수를 모두 완전히 탐색하지는 못했습니다. 특히 두꺼운 웨이퍼는 과결합을 방지 할 수 있지만, 또한 너무 뻣뻣하고 균일 한 분리를 제공하기 위해 결합하지 않을 수 있습니다. 2-20 μm18에이르는 폭의 채널에서 연구가 이루어진 구조에서 10nm의 작은 분리를 달성했습니다. 이 한계에서 하나는 원자력 현미경(18)으로매핑 할 수있는 실리콘의 표면의 짧은 범위 변화에 대해 걱정해야한다.

고려할 수 있는 다른 결합 방법이 있습니다. 정전기 접합은 실리콘에 유리 접착에 사용할 수 있습니다. 이 공정은 고전압에서 전극으로 접합을 시작하고 표면이 가장 가까운 곳이면 어디든지 접합 파가 시작되기 때문에 작은 영역에 접합하는 데 더 적합합니다. 따라서 접합 파는 웨이퍼의 표면에 대칭이 아닙니다. 우리가 실험한 또 다른 결합 기술은 비슷한 문제가 있었습니다. 우리의 이전 결합 절차에서 우리는 핀셋을 사용하여 미세 클린 챔버에서 웨이퍼를 집어 서 결합을 시작했습니다. 이것은 만족스럽지 않았습니다. 따라서, 설명한 바와 같이, 우리는 볼 프레스를 사용하여 홀더의 사용과 결합의 개시에 갔다. 이 단계는 최적의 볼 강성과 프레스 배열에 대한 매개 변수를 탐구하지 않았기 때문에 개선 될 수 있습니다.

실리콘의 전반적인 성공적인 결합은 매우 평평한 웨이퍼로 시작해야합니다. 전체 5cm 크기에 걸쳐 1 μm로 평평하게 지정됩니다. 우리는 30 nm에 가까운 두 웨이퍼를 간격을 두 있기 때문에, 하나는 그들이이 분리를 달성하기 위해 구부릴 때 웨이퍼의 실질적인 변형이 있어야한다는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 웨이퍼가 너무 두껍을 수 없다는 것을 시사합니다. 우리는 375 μm로 성공한 이후 웨이퍼 두께의 변화를 탐구하지 않았습니다.

작은 충치는 또한 유리 에 유리(19) 또는 실리콘(20)에유리를 사용하여, 무심 한 결합의 과정을 사용하여 달성 될 수있다. 이러한 기술은 30 nm에서 11 μm 범위에서 평면 도를 산출했습니다. 이러한 구조는 우리가 우리 세포의 크기, 0.2-0.7 cm2 대 12cm2의 순서 이상으로 우리가 만드는 세포보다 더 작은 단면을 갖는다. 훨씬 두꺼운 유리와 실리콘이 사용되기 때문에 지원 게시물없이 만들 수 있습니다. 따라서, 그들의 기술은 마이크로-나노유체 챔버를 달성하는 또 다른 실행 가능한 방법을 나타내지만, 두 웨이퍼를 패터닝할 가능성과 직접 웨이퍼 결합이 2차원, 1차원 및 제로 치수 구조의 형성을 허용한 보다 가변적인 기술인 것으로 보인다. 디모프 외에서 세포. 19 및 Duh 외. 20은 우리 자신의 측정에 적합하지 않을 것입니다.

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Disclosures

우리는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

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.

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

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References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Reppy, J. D. Superfluid-Helium in Porous-Media. J. Low Temp. Phys. 87, 205-245 (1992).
  4. Mehta, S., et al. Silicon wafers at sub-mu m separation for confined He-4 experiments. Czech. J. Phys. 46, 133-134 (1996).
  5. Tong, Q. Y., Cha, G. H., Gafiteanu, R., Gosele, U. Low-Temperature Wafer Direct Bonding. J. Microelectromech. S. 3, 29-35 (1994).
  6. Tong, Q. Y., Gosele, U. Semiconductor Wafer Bonding - Recent Developments. Mater. Chem. Phys. 37, 101-127 (1994).
  7. Gosele, U., Tong, Q. Y. Semiconductor wafer bonding. Annu. Rev. Mater. Sci. 28, 215-241 (1998).
  8. Rhee, I., Petrou, A., Bishop, D. J., Gasparini, F. M. Bonding Si-Wafers at Uniform Separation. Physica B. 165, 123-124 (1990).
  9. Rhee, I., Gasparini, F. M., Petrou, A., Bishop, D. J. Si Wafers Uniformly Spaced - Bonding and Diagnostics. Rev. Sci. Instrum. 61, 1528-1536 (1990).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Perron, J. K., Gasparini, F. M. Critical Point Coupling and Proximity Effects in He-4 at the Superfluid Transition. Phys. Rev. Lett.. 109, (2012).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Tong, Q. Y., Gosele, U. Thickness Considerations in Direct Silicon-Wafer Bonding. J. Electrochem. Soc. 142, 3975-3979 (1995).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Dimov, S., et al. Anodically bonded submicron microfluidic chambers. Rev. Sci. Instrum. 81, (2010).
  20. Duh, A., et al. Microfluidic and Nanofluidic Cavities for Quantum Fluids Experiments. J. Low Temp. Phys. 168, 31-39 (2012).

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물리학 문제 83 실리콘 직접 웨이퍼 본딩 나노 스케일 접합 웨이퍼 실리콘 웨이퍼 제한된 액체 소각 기술
실리콘 다이렉트 웨이퍼 본딩을 통한 균일한 나노스케일 캐비티 제조
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Thomson, S. R. D., Perron, J. K., Kimball, M. O., Mehta, S., Gasparini, F. M. Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding. J. Vis. Exp. (83), e51179, doi:10.3791/51179 (2014).

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