Fabricage van uniforme nanoschaalholtes via Silicon Direct Wafer Bonding

Wanneer schone siliciumwafels bij RT in nauw contact worden gebracht, voelen ze zich via van der Waals krachten tot elkaar aangetrokken en vormen ze zwakke lokale banden. Deze hechting kan veel sterker worden gemaakt door te gloeien bij hogere temperaturen^5,6. Verlijming kan met succes worden gedaan met oppervlakken van SiO₂ tot Si of SiO₂ tot SiO₂. Verlijming van Si wafers wordt het meest gebruikt voor silicium op isolatorapparaten, op silicium gebaseerde sensoren en actuatoren en optische apparaten⁷. Het hier beschreven werk neemt wafer directe binding in een andere richting door het te gebruiken om goed gedefinieerde gelijkmatig verdeelde behuizingen over het gehele wafergebied te bereiken^8,9. Met een goed gedefinieerde geometrie waar vloeistof kan worden geïntroduceerd, kunnen metingen worden uitgevoerd om het effect van de opsluiting op de eigenschappen van de vloeistof te bepalen. Hydrodynamische stromen kunnen worden bestudeerd waarbij de kleine dimensie kan worden geregeld van tientallen nanometers tot enkele micrometers.

SiO₂ kan op Si wafers worden gekweekt met behulp van een nat of droog thermisch oxideproces in een oven. De SiO₂ kan vervolgens met behulp van lithografische technieken naar wens worden gemodeleerd en geëttheerd. Patronen die in ons werk zijn gebruikt, omvatten een patroon van wijd gespreide steunpalen die resulteren in binding in een planaire of filmgeometrie (zie figuur 1). We hebben ook kanalen met patronen voor eendimensionale kenmerken en arrays van dozen, hetzij van (1 μm)³ of (2 μm)³ dimensie¹ (zie figuur 2). Bij het ontwerpen van een opsluiting met dozen, meestal 10-60 miljoen op een wafel, moet er een manier zijn om alle afzonderlijke dozen te vullen. Een aparte patroon van de bovenste wafer met een ontwerp dat 30 nm of meer van de twee wafers afstaat, maakt dit mogelijk. Of, op dezelfde wijze, kunnen ondiepe kanalen op de bovenste wafer worden ontworpen, zodat alle dozen met elkaar zijn verbonden. De dikte van het oxide dat op de bovenste wafer wordt gekweekt, verschilt van die op de onderste wafer. Dit voegt nog een zekere mate van flexibiliteit en complexiteit toe aan het ontwerp. Door beide wafers te kunnen patroonen, kan een grotere verscheidenheid aan opsluitingsgeometrieën worden gerealiseerd.

De grootte van de geometrische kenmerken in deze gebonden wafers, of cellen, kan variëren. Cellen met planaire films zo klein als 30 nm zijn met succes^{gemaakt 10,11}. Bij diktes daaronder kan overbonding plaatsvinden waarbij de wafers rond de steunpalen buigen waardoor de cel wordt “afdicht”. Onlangs is een reeks metingen op vloeistof ⁴Hij is uitgevoerd met een array van (2 μm)³ dozen met verschillende scheidingsafstanden ertussen^10,12. Kenmerken die veel groter zijn dan 2 μm zijn niet erg praktisch vanwege de toenemende tijd die nodig is om het oxide te laten groeien. Er zijn echter metingen verricht met een oxide zo dik als 3,9 μm⁹. De grenzen aan de kleinheid van de laterale dimensie komen voort uit de grenzen van de lithografiemogelijkheden. De limiet voor de grootheid van de laterale dimensie wordt bepaald door de grootte van de wafer. We hebben met succes planaire cellen gemaakt waarbij de laterale dimensie bijna de hele waferdiameter overspande, maar je zou je net zo goed kunnen voorstellen dat verschillende kleinere structuren in de orde van tientallen nanometers breed zijn. Dergelijke structuren zouden echter e-beam lithografie vereisen. We hebben dit op dit moment niet gedaan.

In al ons werk vormden de verlijmde wafers een vacuümdichte behuizing. Dit wordt bereikt door in het patroonoxide een vaste ring van SiO₂ van 3-4 mm breed aan de omtrek van de wafer vast te houden, zie figuur 1. Dit vormt bij het verlijmen een strakke afdichting. Dit ontwerp kan gemakkelijk worden gewijzigd als men geïnteresseerd is in hydrodynamische studies die een input en een output vereisen.

Ook de barstdruk van de gebonden cellen is getest. We ontdekten dat met 375 μm dikke wafers druk tot ongeveer negen atmosferen kon worden toegepast. We hebben echter niet onderzocht hoe dit kan worden verbeterd door zich te binden over grotere oxidegebieden of, misschien, voor dikkere wafers.

De procedure voor het koppelen van de siliciumcellen aan een vullijn en de technieken voor het meten van de eigenschappen van het beperkte helium bij lage temperatuur wordt gegeven in Mehta et al. ² en Gasparini et al. ¹³ Wij merken op dat de veranderingen in lineaire afmeting voor silicium slechts 0.02% bij het koelen van de cellen¹⁴zijn. Dit is verwaarloosbaar voor de patronen gevormd bij RT.