シリコン直接ウェハー接合による均一ナノスケールキャビティの作製

この手順の全体的な目標は、流体の特性を測定するためのナノスケールの筐体を構築することです。これは、まず、化学的に洗浄されたパターン化されたウェーハを脱イオン水で完全にすすぎ、適切な接着を妨げる粒子汚染物質を除去することによって達成されます。このすすぎプロセス中、ウェーハはゆっくりと回転します。

2番目のステップでは、ウェーハにカバーをかぶせ、アセンブリを回転させて残留ダストを取り除きます。これは、閉じ込められた水があると結合が起こらないため、赤外線ランプの下で水が乾燥するために行われます。ウェーハ間のスペーサーを取り外した後、ウェーハはキャリア内のスピナーから取り出され、アーバープレスに配置され、中心から対称的にボンディングが開始されます。

次に、ボンディングされたウェーハを石英真空チャックにセットし、ボンディングされたウェーハ間に形成された微細構造に閉じ込められた空気を排出してから、ウェーハを炉にひざまずかせてボンディングを恒久化します。最終的に、2つのシリコンウェーハ間に明確に定義されたキャビティが得られます。これらの空洞は、実験で流体を閉じ込めるために使用できます。

明確に定義された分離と形状を持つボンデッドウェーハを使用するこの方法により、閉じ込められているため熱力学的限界にない振る舞い液体を研究することができます。一般に、このプロセスに不慣れな個人は、接着プロセスがステージングプロセスでの残留レジストやほこりなどの汚染物質に非常に敏感であるため、苦労します。このボンデッドウェーハのアイデアは、1987年にベル研究所でサバティカル休暇を過ごしたときに思いつき、それ以来、私たちの研究は全米科学財団の支援を受けています。

まず、ウェーハをボンディングするためのテキストプロトコルで説明されているように、クリーンルームでウェーハを準備します。清潔さは最も重要であり、ウェーハを洗浄するための措置を講じる必要があります。まず、ウェーハを脱イオン水ですすぎ、次に水、過酸化水素、塩酸の酸性浴を準備します。

ウェーハを摂氏80度の酸浴に15分間置きます。パターンの側面を上に向けています。このステップにより、金属汚染が排除されます。

酸からウェーハを取り出し、脱イオン水浴で5分間すすぎます。次に、水、過酸化水素、水酸化アンモニウムのベースバスを準備します。ウェーハを摂氏80度のベースバスに15分間置きます。

パターンの側面を上に向けています。このステップにより、有機汚染が排除されます。次に、ウェーハを脱イオン水浴で約15分間すすぎます。

脱イオン水浴からウェーハを取り外すと、適切なボンディングが行われるためには、ウェーハが清潔なままでなければなりません。これにより、エッチングされた側面にパターンが付けられたウェーハを、きれいなマイクロチャンバー内のテフロンチャック上で互いに向き合うように配置するために、約1ミリメートルのテフロンタブで区切られています。ウェーハ間に脱イオン水を噴霧し、ウェーハが約2分間ゆっくりと回転します。

粒子の汚染を除去するために、この時点でウェーハ間に水の膜が残り、次のステップの前にほこりの汚染を防ぎます。透明なアクリル蓋でウェーハを覆い、ウェーハを回転させて乾燥させます約30分間。3000 RPMで、250ワットの赤外線ヒートランプを使用して乾燥プロセスを支援します。

急速な回転により、水膜の排出により、粒子の汚染物質が巻き込まれます。ウェーハの上の蓋を取り外す前に、タブを取り外し、蓋を回転させてウェーハを分離します。これにより、ウェーハはマイクロクリーンチャンバー内にいながら、局所的に光を接触させます。

これで、ウェーハはキャリア上のマイクロアンクリーンチャンバーから安全に取り外すことができます。この時点でピンセットでウェーハを拾うと、非対称ボンディングが開始されるため、持ち上げないでください。代わりに、取り外し可能なキャリアを使用してウェーハをアーバープレスに輸送します。

アーバープレスを使用して、2つのウェーハをかなり硬くて滑らかなNerfボールで一緒に押します。ナーフボールは、ウェハに中央から圧力をかけるために使用されます。この方法で外向きの圧力が加えられると、ボンディングウェーブが中心から外側に広がるため、閉じ込められた空気を押し出すことができます。

中央でボンディングを開始すると、ウェーハが互いに輪郭を描くときに蓄積される応力が最小限に抑えられます。1μmのハイパスフィルター干渉を持つ赤外線光源と検出器を用いて干渉縞を探し、ボンディングを確認します。ここに示すように、接着が不十分な場合、フリンジが表示されます。

ボンディングが悪く、不均一性がある場合は、セルを濾紙で光学フラットカバーに置き、上部ウェーハを保護およびクッションし、ウェーハトングでウェーハを押し付け、剥離した気泡を充填穴がある中央または端に押し込みます。トップウェーハに亀裂が入らないように、エッジ付近に力を加えるときは注意してください。ボンディングの凹凸が続く場合や、ダストの粒子が明らかな場合は、ウェーハの間にカミソリの刃を挟んでウェーハを分割し、最初からこのプロセスを繰り返します。

この時点まで、ボンディングは可逆的です。ウェーハは、許容可能なボンディングを得るために、室温で何度もリバウンドすることができます。ウェーハの1つに亀裂が入っているため、新しいウェーハでこのプロセスを繰り返す必要がありました。

許容可能な室温ボンディングが得られたら、セルを石英真空チャックにひざまずかせてステージ化し、充填穴がチャックのポンピング穴の中央に配置されるように進めます。チャックは、セルを排気するために炉の外側に伸びる石英ポンプ管に接続されています。アニーリングプロセスの前と最中。

窒素トラップは、セルに逆流するオイルを排除するために使用されます。細胞を排気すると、細胞に1気圧の圧力が加えられ、結合、ポンピング、圧力の蓄積を防ぎます。炉の温度が急激に上昇しすぎると、セル内の圧力を大幅に下げるのにかかる時間は、セル内の形状によって異なります。

炉室を非反応性ガス(通常はヘリウム4)でパージし、酸化物を成長させないようにして、菌株がリラックスする時間を確保することにより、セルの外側での酸化物の成長を防ぎます。約4時間かけて、温度を摂氏250度から摂氏1、200度に上げることが重要です。摂氏1, 200度に少なくとも4時間滞在した後、炉の電源を切ります。

システムを室温まで冷却し、赤外線光源と検出器を使用してセルをもう一度分析します。ひざまずくことがうまくいった場合、セルは最初に炉に入れたときと同じくらい、または多くの場合、より良く見えます。接着不良を示す許容できないフリンジがある場合は、プロセス全体を最初から繰り返す必要があります。

ひざまずいた後、ボンディングは永続的であり、権利放棄を適切に分割することはできなくなります。接着されたウェーハには、ここの赤外線画像に示されているように、接着されていない領域はありません。ひざまずくと、接着の強度によりセルがバラバラになります。多くの場合、ひざまずくと細胞の均一性が向上しますが、特に局所的な非結合領域が平坦性の欠如によるものである場合です。

ここのウェーハでは、光点と境界が結合領域です。中央の輝点は、このセルを埋めるための穴です。ボンディングされていない領域は、画像の左上の境界線付近のみです。

酸化物の境界の端を越えて位置しているため、液体で満たすことができなかったため、このセルの使用には影響しません。ボンディング不良には複数の症状があり、それが現れることがありますが、最も一般的なのは、ウェーハ間に粒子が閉じ込められていることです。これにより、局所的なボンディングの不足が発生し、干渉の出現を通じて明らかになります。

ニュートンは、このセルの中心付近の赤外線画像でリングを形成し、正方形のチャネルパターンが形成されます。いくつかのニュートンリングのパターンがあります。これらの細胞は使用に適していません。

非結合領域を閉じるために、局所的に圧力が加えられました。これは部分的に効果的であり、リングの数は少なくなりますが、均質性はまだ小さいままです。その結果、これらのウェーハは分割され、ウェーハを接合した後、接合プロセスが再開されました。

ファブリー・ペロー干渉法は、このセル内の平行な表面によって複反射される透過光の干渉を利用して、結合構造の局所的な分離を決定するために使用されます。これらの方法は、赤外線イメージングと組み合わせることで、セル構造の均一性を確認します この手順を試みる際には、ウェーハの平坦性と清浄度が適切なボンディングに不可欠であることを覚えておくことが重要です。この技術の開発は、臨界現象と流体力学の分野の研究者が、これらのシステムの振る舞いにおける次元性と閉じ込めの役割を探求する道を開きました。