تصنيع تجاويف نانوية موحدة عبر الترابط رقاقة السيليكون المباشر
Summary
ويرد وصف طريقة للترابط بشكل دائم اثنين من رقائق السيليكون وذلك لتحقيق الضميمة موحدة. وهذا يشمل إعداد رقاقة، والتنظيف، والترابط RT، وعمليات التلوين. الرقاقات المستعبدين الناتجة (الخلايا) لديها توحيد الضميمة ~ 1٪1،2. تسمح الهندسة الناتجة عن ذلك بقياسات السوائل والغازات المحصورة.
Abstract
قياسات القدرة الحرارية وكسر فائقة من 4محصورة وقد أجريت بالقرب من الانتقال لامبدا باستخدام رقائق السيليكون منقوشة حجريا والمرابط. على عكس الحبس في المواد المسامية التي غالبا ما تستخدم لهذه الأنواع من التجارب3، توفر الرقائق المستعبدة مساحات موحدة مصممة مسبقا للحبس. هندسة كل خلية معروفة جيدا، مما يزيل مصدرا كبيرا من الغموض في تفسير البيانات.
شقة بشكل استثنائي، 5 سم القطر، 375 ميكرومتر سميكة سي رقائق مع اختلاف حوالي 1 ميكرومتر على رقاقة كامل يمكن الحصول عليها تجاريا (من شركة معالجة أشباه الموصلات، على سبيل المثال). ويزرع أكسيد الحرارية على رقائق لتحديد البعد الحبس في الاتجاه z. ثم يتم حفر نمط في أكسيد باستخدام التقنيات الحجرية وذلك لخلق الضميمة المطلوبة على الترابط. حفر حفرة في واحدة من رقائق (أعلى) للسماح لإدخال السائل ليتم قياسها. يتم تنظيف رقائق2 في حلول RCA ومن ثم وضعها في غرفة microclean حيث يتم شطفها بالماء deionized4. يتم المستعبدين رقائق في RT ومن ثم طلال في ~ 1100 درجة مئوية. وهذا يشكل رابطة قوية ودائمة. ويمكن استخدام هذه العملية لجعل حاويات موحدة لقياس الخصائص الحرارية والديناميكية المائية من السوائل المحصورة من نانومتر إلى مقياس ميكرومتر.
Introduction
عندما يتم جلب رقائق السيليكون النظيفة في اتصال حميم في RT ، تنجذب إلى بعضها البعض عبر قوات فان دير وال وتشكل روابط محلية ضعيفة. ويمكن جعل هذا الترابط أقوى بكثير عن طريق التلين في درجات حرارة أعلى5,6. الترابط يمكن أن يتم بنجاح مع السطوح إما SiO2 إلى Si أو SiO2 إلى SiO2. الترابط من رقائق سي هي الأكثر شيوعا للسيليكون على الأجهزة العازلة، وأجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون والمحركات، والأجهزة البصرية7. العمل الموصوف هنا يأخذ الرقاقة الترابط المباشر في اتجاه مختلف باستخدامه لتحقيق مرفقات محددة بشكل جيد متباعدة بشكل موحد على كامل منطقة رقاقة8،9. وجود هندسة محددة جيدا حيث يمكن إدخال السوائل يسمح بإجراء القياسات من أجل تحديد تأثير الحبس على خصائص السائل. ويمكن دراسة التدفقات الهيدروديناميكية حيث يمكن التحكم في البعد الصغير من عشرات النانومترات إلى عدة ميكرومترات.
يمكنزراعة SiO 2 على رقائق Si باستخدام عملية أكسيد حراري رطب أو جاف في الفرن. يمكن بعد ذلك نقش SiO2 وحفره على النحو المطلوب باستخدام التقنيات الحجرية. وتشمل الأنماط التي استخدمت في عملنا نمطا من وظائف الدعم متباعدة على نطاق واسع مما يؤدي إلى الترابط في هندسة مستو أو فيلم (انظر الشكل 1). لدينا أيضا قنوات منقوشة لخصائص أحادية الأبعاد، وصفائف من صناديق، إما من (1 ميكرومتر)3 أو (2 ميكرومتر)3 البعد1 (انظر الشكل 2). عند تصميم الحبس مع صناديق، وعادة 10-60 مليون على رقاقة، يجب أن يكون هناك طريقة لملء جميع الصناديق الفردية. نمط منفصل من رقاقة أعلى مع التصميم الذي يقف قبالة رقائق اثنين من قبل 30 نانومتر أو أكثر يسمح لهذا. أو، على نحو مماثل، يمكن تصميم القنوات الضحلة على رقاقة أعلى بحيث يتم ربط جميع المربعات. سمك أكسيد نمت على رقاقة أعلى يختلف عن ذلك على رقاقة أسفل. وهذا يضيف درجة أخرى من المرونة والتعقيد إلى التصميم. القدرة على نمط كل من رقائق يسمح لمجموعة أكبر من هندسات الحبس أن تتحقق.
يمكن أن يختلف حجم الميزات الهندسية في هذه الرقائق المستعبدة ، أو الخلايا. وقد بذلت خلايا مع الأفلام بلانار صغيرة مثل 30 نانومتر بنجاح10,11. في سمك تحت هذا، يمكن أن يحدث overbonding حيث رقائق ينحني حول وظائف الدعم وبالتالي “ختم” الخلية. مؤخرا، سلسلة من القياسات على السائل 4وقد تم تنفيذ مع مجموعة من (2 ميكرومتر)3 صناديق مع اختلاف مسافة الفصل بينهما10،12. ميزات أكبر بكثير في العمق من 2 ميكرومتر ليست عملية جدا نظرا لطول الوقت اللازم لزراعة أكسيد. ومع ذلك، تم إجراء قياسات مع أكسيد سميكة مثل 3.9 ميكرومتر9. وتنشأ الحدود على صغر البعد الجانبي من حدود قدرات الطباعة الحجرية. يتم تحديد الحد الأقصى لضخامة البعد الجانبي من خلال حجم الرقاقة. لقد أنشأنا بنجاح خلايا مستو حيث امتد البعد الجانبي تقريبا قطر رقاقة كامل، ولكن يمكن للمرء أن يتصور بسهولة نقش عدة هياكل أصغر على ترتيب عشرات نانومتر في العرض. غير أن هذه الهياكل تتطلب الطباعة الحجرية للشعاع الإلكتروني. لم نفعل ذلك في هذا الوقت.
في كل من عملنا شكلت رقائق المستعبدين فراغ الضميمة ضيق. ويتحقق ذلك عن طريق الاحتفاظ في أكسيد منقوشة حلقة صلبة من SiO2 من 3-4 مم في العرض في محيط رقاقة، انظر الشكل 1. هذا، على الترابط، يشكل ختم ضيق. ويمكن تعديل هذا التصميم بسهولة إذا كان المرء مهتما بدراسات الهيدروديناميكية التي تتطلب مدخلات ومخرجات.
كما تم اختبار الضغط المتفجر للخلايا المستعبدة. وجدنا أنه مع رقائق سميكة 375 ميكرومتر، يمكن تطبيق الضغط تصل إلى ما يقرب من تسعة أجواء. ومع ذلك، لم ندرس كيف يمكن تحسين ذلك من خلال الترابط على مناطق أكسيد أكبر أو، ربما، لألرقائق سمكا.
يتم إعطاء إجراء ربط خلايا السيليكون إلى خط تعبئة وتقنيات قياس خصائص الهيليوم المحصور في درجة حرارة منخفضة في ميهتا وآخرون. 2 وغاسباريني وآخرون. 13 نلاحظ أن التغيرات في البعد الخطي للسيليكون ليست سوى 0.02٪ عند تبريد الخلايا14. هذا لا يكاد يذكر بالنسبة للأنماط التي تشكلت في RT.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد سمح لنا تطوير الطباعة الحجرية السيليكون مناسبة في تركيبة مع الترابط رقاقة مباشرة لجعل فراغ حاويات ضيقة مع أبعاد صغيرة موحدة للغاية على جميع المساحة الكاملة من رقاقة السيليكون قطرها 5 سم. وقد سمحت لنا هذه المرفقات لدراسة سلوك السائل 4انه في حي من مرحلة التحولات من السائل العادي إل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من قبل NSF منح DMR-0605716 و DMR-1101189. كما تم استخدام مركز كورنيل للعلوم والتكنولوجيا النانوية لزراعة ونقش الأكاسيد. ونشكرهم على مساعدتهم. واحد منا FMG ممتن لدعم أستاذ موتي لال روستجي.
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 |
References
- 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).
