Fabbricazione di cavità uniformi su nanoscala tramite silicon direct wafer bonding

Quando i wafer di silicio puliti vengono portati in contatto intimo a RT, sono attratti l’uno dall’altro attraverso le forze di van der Waals e formano deboli legami locali. Questo legame può essere reso molto più forte ricottura a temperature più elevate^5,6. L’incollaggio può essere eseguito con successo con superfici da SiO₂ a Si o Da SiO₂ a SiO₂. L’incollaggio dei wafer Si è più comunemente usato per il silicio su dispositivi isolanti, sensori e attuatori a base di silicio e dispositivi ottici⁷. Il lavoro qui descritto prende il legame diretto del wafer in una direzione diversa utilizzandolo per ottenere custodie ben definite e uniformemente distanziate sull’intera area del wafer^8,9. Avere una geometria ben definita in cui è possibile introdurre il fluido consente di eseguire misurazioni al fine di determinare l’effetto del confinamento sulle proprietà del fluido. I flussi idrodinamici possono essere studiati dove la piccola dimensione può essere controllata da decine di nanometri a diversi micrometri.

SiO_{2 può} essere coltivato su wafer Si utilizzando un processo di ossido termico umido o secco in un forno. Il SiO₂ può quindi essere modellato e inciso come desiderato utilizzando tecniche litografiche. I modelli utilizzati nel nostro lavoro comprendono un modello di pali di supporto ampiamente distanziati che si traduce in un legame in una geometria planare o film (vedi figura 1). Abbiamo anche canali modellati per caratteristiche unidimensionali e array di scatole, di (1 μm)³ o (2 μm)³ dimensione¹ (vedi figura 2). Quando si progetta un confinamento con scatole, in genere 10-60 milioni su un wafer, ci deve essere un modo per riempire tutte le singole scatole. Una serie separata del wafer superiore con un design che si distingue dai due wafer di 30 nm o più lo consente. Oppure, in modo equivalente, i canali poco profondi possono essere progettati sul wafer superiore in modo che tutte le scatole siano collegate. Lo spessore dell’ossido coltivato sul wafer superiore è diverso da quello sul wafer inferiore. Ciò aggiunge un altro grado di flessibilità e complessità al design. Essere in grado di modellare entrambi i wafer consente di realizzare una maggiore varietà di geometrie di confinamento.

La dimensione delle caratteristiche geometriche in questi wafer legati, o celle, può variare. Le celle con pellicole planari di appena 30 nm sono state realizzate con^{successo 10,11}. A spessori inferiori a questo, può avvenire un sovrabbbondamento in cui i wafer si piegano attorno ai pali di supporto “sigillando” così la cella. Recentemente, una serie di misurazioni sul liquido ⁴È stato eseguito con una serie di (2 μm)³ scatole con distanza di separazione variabile^{tra loro 10,12}. Caratteristiche molto più grandi di profondità di 2 μm non sono molto pratiche a causa del crescente tempo necessario per far crescere l’ossido. Tuttavia, sono state effettuate misurazioni con un ossido spesso fino a 3,9 μm⁹. I limiti della piccolezza della dimensione laterale derivano dai limiti delle capacità litografiche. Il limite per la grandezza della dimensione laterale è determinato dalla dimensione del wafer. Abbiamo creato con successo cellule planari in cui la dimensione laterale si estendeva su quasi tutto il diametro del wafer, ma si potrebbe facilmente immaginare di modellare diverse strutture più piccole dell’ordine di decine di nanometri di larghezza. Tuttavia tali strutture richiederebbero litografia a fascio e-beam. Al momento non lo abbiamo fatto.

In tutto il nostro lavoro i wafer legati formavano un involucro a tenuta di vuoto. Ciò si ottiene mantenendo nell’ossido modellato un anello solido di SiO₂ di 3-4 mm di larghezza sul perimetro del wafer, vedere figura 1. Questo, al momento dell’incollaggio, forma un sigillo stretto. Questo progetto potrebbe essere facilmente modificato se si fosse interessati a studi idrodinamici che richiedono un input e un output.

È stata anche testata la pressione di scoppio delle cellule incollate. Abbiamo scoperto che con wafer spessi 375 μm, è stato possibile applicare una pressione fino a circa nove atmosfere. Tuttavia, non abbiamo studiato come ciò potrebbe essere migliorato legandosi su aree di ossido più grandi o, forse, per wafer più spessi.

La procedura per interfacciare le celle di silicio ad una linea di riempimento e le tecniche per misurare le proprietà dell’elio confinato a bassa temperatura sono fornite in Mehta et al. ² e Gasparini et al. ^{13 Notiamo} che i cambiamenti nella dimensione lineare per il silicio sono solo dello 0,02% al raffreddamento delle^{celle 14}. Questo è trascurabile per i modelli formati a RT.