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

L’objectif global de cette procédure est de construire des enceintes à l’échelle nanométrique pour mesurer les propriétés des fluides. Pour ce faire, il suffit de rincer abondamment les plaquettes nettoyées chimiquement et à motifs avec de l’eau déminéralisée afin d’éliminer tous les contaminants particulaires qui entraveront une bonne liaison. Les gaufrettes sont essorées lentement pendant ce processus de rinçage.

Dans un deuxième temps, un couvercle est placé sur les plaquettes et l’ensemble est filé pour éliminer toute poussière résiduelle. Ceci est effectué sous une lampe infrarouge pour sécher l’eau car le collage ne peut pas se produire s’il y a de l’eau piégée. Une fois que les entretoises entre les plaquettes ont été retirées, les plaquettes sont retirées de la toupie dans leur support et placées dans une presse à arbre où le collage est initié symétriquement à partir du centre.

Les plaquettes collées sont ensuite placées sur un mandrin à vide en quartz, et l’air emprisonné dans la microstructure formée entre les plaquettes collées est évacué avant que les plaquettes ne soient agenouillées dans un four pour rendre le collage permanent. En fin de compte, des cavités bien définies entre deux plaquettes de silicium sont obtenues. Ces cavités peuvent ensuite être utilisées pour confiner des fluides dans des expériences.

Cette méthode d’utilisation de plaquettes collées avec une séparation et une géométrie bien définies nous permet d’étudier les liquides comportementaux qui sont confinés et ne sont donc pas dans une limite thermodynamique. En général, les personnes qui débutent dans ce processus auront du mal car le processus de collage est très sensible aux contaminants, tels que la réserve résiduelle ou la poussière dans le processus de stadification. J’ai eu cette idée pour les plaquettes collées lorsque j’ai passé un congé sabbatique aux Laboratoires Bell en 1987, et depuis lors, notre travail a été soutenu par la National Science Foundation.

Pour commencer, préparez la plaquette en salle blanche comme décrit dans le protocole textuel de collage des plaquettes. La propreté est primordiale et des mesures doivent être prises pour nettoyer les gaufrettes. Tout d’abord, rincez les plaquettes dans de l’eau déminéralisée, puis préparez un bain acide d’eau, de peroxyde d’hydrogène et d’acide chlorhydrique.

Placez les gaufrettes dans le bain d’acide à 80 degrés Celsius pendant 15 minutes. Avec les côtés du motif vers le haut. Cette étape permettra d’éliminer toute contamination métallique

Retirez les gaufrettes de l’acide et rincez-les au bain-marie déminéralisé pendant cinq minutes. Ensuite, préparez un bain de base d’eau, de peroxyde d’hydrogène et d’hydroxyde d’ammonium. Placez les gaufrettes dans un bain à base de 80 degrés Celsius pendant 15 minutes.

Avec les côtés du motif vers le haut. Cette étape permettra d’éliminer toute contamination organique. Rincez ensuite les hosties au bain-marie déminéralisé pendant environ 15 minutes.

Lors du retrait des plaquettes du bain-marie désionisé, elles doivent rester propres pour qu’une bonne adhérence se produise. Pour s’assurer que les plaquettes avec leur motif sur les côtés gravés se font face sur un mandrin en téflon dans une micro-chambre propre, elles sont séparées par des languettes en téflon d’environ un millimètre. Vaporisez de l’eau déminéralisée entre les plaquettes pendant qu’elles tournent lentement pendant environ deux minutes.

Afin d’éliminer toute contamination par des particules, un film d’eau sera laissé entre les plaquettes à ce stade, ce qui empêche la contamination par la poussière avant l’étape suivante. Couvrez les gaufrettes avec le couvercle en acrylique transparent et essorez-les pendant environ 30 minutes. À 3000 tr/min, utilisez une lampe chauffante infrarouge de 250 watts pour faciliter le processus de séchage.

La rotation rapide entraînera tous les contaminants particulaires avec l’éjection du film d’eau. Avant de retirer le couvercle sur les gaufrettes, retirez les languettes en séparant les gaufrettes en tournant le couvercle. Cela mettra les plaquettes en contact local léger tout en restant dans la chambre micro-propre.

Maintenant, les plaquettes peuvent être retirées en toute sécurité de la chambre micro-sale sur leur support. Ne ramassez pas les plaquettes avec une pince à épiler à ce stade, car cela déclencherait une liaison asymétrique. Au lieu de cela, transportez les wafers à l’aide du support amovible sur la presse à arbre.

Pressez les deux gaufrettes ensemble à l’aide d’une presse à arbre dans une boule Nerf assez rigide et lisse. La bille Nerf est utilisée pour appliquer une pression sur les gaufrettes à partir du milieu. La pression vers l’extérieur appliquée de cette manière permet à l’air emprisonné d’être expulsé lorsque l’onde de liaison se propage du centre vers l’extérieur.

Le fait de commencer le collage au centre minimise les contraintes qui s’accumulent lorsque les plaquettes se contournent les unes aux autres. Vérifiez la liaison en recherchant les franges d’interférence à l’aide d’une source de lumière infrarouge et d’un détecteur avec un filtre passe-haut d’un micromètre. Des franges apparaîtront s’il y a une mauvaise liaison, comme indiqué ici.

Si la liaison est mauvaise et qu’il n’y a pas d’uniformité, placez la cellule sur un couvercle plat optique avec du papier filtre pour protéger et amortir la plaquette supérieure et pressez les plaquettes ensemble avec des pinces à plaquettes, poussez les bulles décollées vers le milieu où se trouve le trou de remplissage ou vers les bords. Soyez prudent lorsque vous appliquez une force près des bords pour éviter de fissurer la plaquette supérieure. Si les irrégularités de liaison persistent ou si une particule de poussière est évidente, fendez les plaquettes en coinçant une lame de rasoir entre elles et répétez le processus depuis le début.

Jusqu’à ce point, le collage est réversible. Les plaquettes peuvent être rebondies à température ambiante plusieurs fois pour obtenir une liaison acceptable. Étant donné que l’une des plaquettes est fissurée, le processus a dû être répété avec de nouvelles plaquettes.

Après avoir obtenu un collage acceptable à température ambiante, procédez en agenouillant la cellule sur un mandrin à vide en quartz, de sorte que le trou de remplissage soit centré sur le trou de pompage dans le mandrin. Le mandrin est relié à un tube de pompage en quartz qui se prolonge à l’extérieur du four pour évacuer la cellule. Avant et pendant le processus de recuit.

Un piège à azote est utilisé pour éliminer le retour de pétrole dans la cellule. L’évacuation de la cellule entraîne l’application d’une pression d’une atmosphère à la cellule, ce qui aide à la liaison, au pompage, empêche l’accumulation de pression. Si la température du four augmente trop rapidement, le temps nécessaire pour abaisser considérablement la pression dans la cellule dépendra de la géométrie à l’intérieur de la cellule.

Évitez la croissance d’oxyde à l’extérieur de la cellule en purgeant la chambre du four avec un gaz qui ne réagit pas, généralement de l’hélium quatre, afin qu’aucun oxyde ne soit cultivé pour permettre aux souches d’avoir le temps de se détendre. Il est important d’augmenter les températures de 250 degrés Celsius à 1 200 degrés Celsius sur une période d’environ quatre heures. Après être resté à 1 200 degrés Celsius pendant au moins quatre heures, éteignez la fournaise.

Laissez le système refroidir à température ambiante, analysez à nouveau la cellule à l’aide de la source de lumière infrarouge et du détecteur. Si l’agenouillement s’est bien passé, la cellule sera aussi belle ou souvent meilleure qu’elle ne l’a été lors de sa mise initiale dans le four. S’il y a des franges inacceptables indiquant une mauvaise liaison, l’ensemble du processus doit être répété depuis le début.

Après s’être agenouillé, le lien est permanent et vous ne pouvez plus diviser correctement les renonciations. Les plaquettes collées n’auront pas de régions non liées, comme le montrent les images infrarouges, tenter de diviser les plaquettes après un agenouillement provoquera la rupture de la cellule en morceaux en raison de la force de la liaison. Souvent, un agenouillement améliore l’uniformité de la cellule, surtout si les régions locales non liées sont dues à un manque de planéité.

Dans les hosties ici, les points lumineux et la bordure sont des zones collées. Le point lumineux central est le trou pour remplir cette cellule. La seule région non liée se trouve près de la bordure en haut à gauche de l’image.

Comme il est situé au-delà du bord de la bordure d’oxyde et qu’il ne peut donc pas être rempli de liquide, cela n’affecterait pas l’utilisation de cette pile. Il existe de multiples symptômes d’une mauvaise liaison, qui peuvent se manifester, cependant, le plus courant est la présence d’une particule piégée entre les plaquettes. Cela provoquera un manque localisé de liaison et est visible par l’apparition d’interférences.

Newton sonne dans l’image infrarouge près du centre de cette cellule où un motif carré de canaux se forme. Il y a un motif de plusieurs anneaux de Newton. Ces cellules ne seraient pas adaptées à l’utilisation.

Des pressions ont été exercées localement pour tenter de fermer la région non liée. C’est en partie efficace et il y a moins d’anneaux, mais il reste encore peu d’homogénéité. En conséquence, ces plaquettes ont été fendues et le processus de collage a été redémarré après le collage des plaquettes.

L’interférométrie de Fabry Perot est utilisée pour déterminer la séparation locale de la structure liée en utilisant l’interférence de la lumière transmise lorsqu’elle est réfléchie par les surfaces parallèles de cette cellule. Combinées à l’imagerie infrarouge, ces méthodes confirment l’uniformité de la structure cellulaire Lors de cette procédure, il est important de se rappeler que la planéité et la propreté des plaquettes sont essentielles pour un bon collage. Le développement de cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des phénomènes critiques et de l’hydrodynamique pour explorer le rôle de la dimensionnalité et de l’enfermement dans le comportement de ces systèmes.