Изготовление однородных наномасштабных полостей с помощью кремниевой прямой вафельной связи
Summary
Описан метод постоянного склеивания двух кремниевых пластин, чтобы реализовать единый корпус. Это включает в себя подготовку пластины, очистка, RT связи, и annealing процессов. Полученные кабальные (клетки) имеют однородность корпуса 1%1,2. Полученная геометрия позволяет измерять ограниченные жидкости и газы.
Abstract
Измерения теплоемкости и сверхтекучей фракции ограниченного 4Он был выполнен вблизи перехода ламбды с использованием литографически узорчатых и кабально соединенных кремниевых пластин. В отличие от заточений в пористых материалах, частоиспользуемых для этих типов экспериментов 3,кабенные обеспечивают заранее разработанные единые пространства для заключения. Геометрия каждой ячейки хорошо известна, что устраняет большой источник двусмысленности в интерпретации данных.
Исключительно плоские, диаметром 5 см, толщиной 375 мкм вафель Si с вариацией около 1 мкм по всей пластине можно получить на коммерческой основе (например, от компании по переработке полупроводников). Тепловой оксид выращивается на вафлях для определения измерения затякония в z-направлении. Шаблон затем травления в оксиде с использованием литографических методов, с тем чтобы создать желаемый корпус при склеивании. Отверстие просверлено в одной из пластин (вверху), чтобы обеспечить введение жидкости для измерений. очищаются2 в растворах RCA, а затем положить в микрочистую камеру, где они промыть деионизированной водой4. связаны на RT, а затем annealed на 1100 фунтов стерлингов. Это формирует сильную и постоянную связь. Этот процесс может быть использован для создания однородных корпусов для измерения тепловых и гидродинамических свойств ограниченных жидкостей от нанометров до микрометровой шкалы.
Introduction
Когда чистые кремниевые пластины втягиваются в интимный контакт на RT, они притягиваются друг к другу с помощью сил ван дер Ваальса и образуют слабые местные связи. Эта связь может быть сделано гораздо сильнее, annealing при более высокихтемпературах 5,6. Связь может быть сделано успешно с поверхностями либо SiO2 к Si или SiO2 к SiO2. Склеивание пластин Si чаще всего используется для кремния на изоляторных устройствах, кремниевых датчиках и приводах, а также оптических устройствах7. Работа, описанная здесь принимает прямой связи в другом направлении, используя его для достижения четко определенных равномерно-пространствены корпуса по всейобласти 8,9. Наличие четко определенной геометрии, в которой может быть введена жидкость, позволяет проводить измерения для определения влияния заключения на свойства жидкости. Гидродинамические потоки можно изучать там, где небольшое измерение можно контролировать от десятков нанометров до нескольких микрометров.
SiO2 можно выращивать на вафельах Si с помощью влажного или сухого теплового процесса оксида в печи. SiO2 может быть узорчатый и травления по желанию с помощью литографических методов. Шаблоны, которые были использованы в нашей работе включают в себя шаблон широко разменьшел поддержки должностей, которые приводит к склеиванию в планаре или геометрии пленки (см. рисунок 1). У нас также есть узорчатые каналы для одномерных характеристик и массивы коробок, либо из (1мкм) 3 или (2 мкм)3 измерения 1 (см. Рисунок 2). При проектировании заключения с коробками, как правило, 10-60 миллионов на пластине, должен быть способ заполнить все отдельные коробки. Отдельная узор верхней пластины с дизайном, который стоит от двух пластин на 30 нм или более позволяет это. Или, соответственно, неглубокие каналы могут быть разработаны на верхней пластины так, что все коробки связаны между собой. Толщина оксида, выращенного на верхней пластине, отличается от толщины на нижней пластине. Это добавляет еще одну степень гибкости и сложности в дизайн. Возможность узора обеих пластин позволяет реализовать более широкий спектр геометрий затячения.
Размер геометрических объектов в этих кабальные, или клетки, может варьироваться. Клетки с планарных пленок всего 30 нм были успешно сделаны10,11. При толщинах ниже этого, overbonding может иметь место в соответствии с вафлями согнуть вокруг опоры должностей таким образом “запечатывание” ячейки. Недавно, серия измерений на жидкости 4Он был выполнен с массивом (2мкм) 3 коробки с различным расстоянием разделениямежду ними 10,12. Особенности гораздо больше в глубину, чем 2 мкм не очень практично из-за увеличения времени, необходимого для выращивания оксида. Тем не менее, измерения были сделаны с оксидом толщиной до 3,9мкм 9. Ограничения на малость бокового измерения возникают из пределов возможностей литографии. Предельность большости бокового измерения определяется размером пластины. Мы успешно создали планарные клетки, где боковое измерение охватывало почти весь диаметр пластины, но так же легко можно было представить себе узор нескольких меньших структур на порядка десятков нанометров в ширину. Однако такие структуры потребуют электронной лучевой литографии. На данный момент мы этого не сделали.
Во всей нашей работе кабеные образовали вакуумный плотный корпус. Это достигается за счет удержания в узорчатом оксиде твердого кольца SiO2 шириной 3-4 мм по периметру пластины, см. Рисунок 1. Это, при склеивании, образует плотную печать. Эту конструкцию можно было бы легко модифицировать, если бы ее интересовали гидродинамические исследования, требующие ввода и вывода.
Также было протестировано лопнухае давление кабенных клеток. Мы обнаружили, что при 375 мкм толщиной, давление примерно до девяти атмосфер может быть применено. Тем не менее, мы не изучали, как это может быть улучшено путем связи над более крупными областями оксида или, возможно, для более толстых пластин.
Процедура интерфекции кремниевых клеток в линию заполнения и методы измерения свойств ограниченного гелия при низкой температуре дается в Мехта и др. 2 и Гаспарини и др. 13 Мы отмечаем, что изменения в линейном измерении кремния только 0,02% при охлаждении клеток14. Это незначительно для моделей, сформированных на RT.
Protocol
Representative Results
Discussion
Разработка подходящей кремниевой литографии в сочетании с прямой вафельной связью позволила нам сделать вакуумные плотные корпуса с очень однородными небольшими размерами на всей площади кремниевой пластины диаметром 5 см. Эти корпуса позволили нам изучить поведение жидкости 4…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась за счет грантов ФНС ПМР-0605716 и ПМР-1101189. Кроме того, Корнелл NanoScale научно-технический центр был использован для выращивания и структуры оксидов. Мы благодарим их за помощь. Один из нас FMG благодарен за поддержку Moti Лал Rustgi профессорства.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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. Superfluid-Helium in Porous-Media. J. Low Temp. Phys. 87, 205-245 (1992).
- 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. Semiconductor wafer bonding. Annu. Rev. Mater. Sci. 28, 215-241 (1998).
- 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).
