Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Wenn saubere Siliziumwafer bei RT in intimen Kontakt gebracht werden, werden sie über van der Waals Kräfte zueinander angezogen und bilden schwache lokale Bindungen. Diese Verklebung kann durch Glühen bei höheren Temperaturen^5,6viel stärker werden. Das Verkleben kann erfolgreich mit Oberflächen von SiO₂ bis Si oder SiO₂ zu SiO₂erfolgen. Die Verklebung von Si-Wafern wird am häufigsten für Silizium auf Isolatoren, Silizium-basierten Sensoren und Aktoren sowie optischen Geräten^{7 verwendet.} Die hier beschriebene Arbeit nimmt waferdirekte Verklebung in eine andere Richtung, indem sie verwendet wird, um klar definierte gleichmäßig verteilte Gehäuse über die gesamte Waferfläche^8,9zu erreichen. Mit einer genau definierten Geometrie, in der Flüssigkeit eingeführt werden kann, können Messungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen der Einschließung auf die Eigenschaften der Flüssigkeit zu bestimmen. Hydrodynamische Strömungen können untersucht werden, wo die kleine Dimension von Dutzenden Von Nanometern bis zu mehreren Mikrometern gesteuert werden kann.

SiO₂ kann auf Si-Wafern mit einem nassen oder trockenen thermischen Oxidverfahren in einem Ofen angebaut werden. Der SiO₂ kann dann mit lithographischen Techniken nach Belieben gemustert und geätzt werden. Muster, die in unserer Arbeit verwendet wurden, umfassen ein Muster von weit räumchenden Stützpfosten, das sich aus der Bindung in einer planaren oder Filmgeometrie ergibt (siehe Abbildung 1). Wir haben auch gemusterte Kanäle für eindimensionale Eigenschaften und Arrays von Boxen, entweder von (1 m)³ oder (2 m)³ Dimension¹ (siehe Abbildung 2). Beim Entwerfen einer Einschließung mit Boxen, in der Regel 10-60 Millionen auf einem Wafer, muss es eine Möglichkeit geben, alle einzelnen Boxen zu füllen. Eine separate Musterung des oberen Wafers mit einem Design, das die beiden Wafer um 30 nm oder mehr abhebt, erlaubt dies. Oder, entsprechend, flache Kanäle können auf dem oberen Wafer so gestaltet werden, dass alle Boxen miteinander verbunden sind. Die Dicke des auf dem oberen Wafer angebauten Oxids unterscheidet sich von der des unteren Wafers. Dies verleiht dem Design ein weiteres Maß an Flexibilität und Komplexität. Die Möglichkeit, beide Wafer zu mustern, ermöglicht die Realisierung einer größeren Vielfalt von Eingrenzungsgeometrien.

Die Größe der geometrischen Merkmale in diesen gebundenen Wafern oder Zellen kann variieren. Zellen mit planaren Folien bis 30 nm wurden erfolgreich^10,11hergestellt. Bei dicken darunter kann eine Überkleben stattfinden, wobei sich die Wafer um die Stützpfosten biegen und so die Zelle “versiegeln”. Kürzlich, eine Reihe von Messungen auf Flüssigkeit ⁴Er wurden mit einem Array von (2 m)³ Boxen mit unterschiedlichem Trennungsabstand zwischen ihnen^10,12durchgeführt. Features, die viel größer sind als 2 m, sind aufgrund der zunehmenden Zeit, die für den Anbau des Oxids benötigt wird, nicht sehr praktisch. Es wurden jedoch Messungen mit einem Oxid von bis zu 3,9 m⁹durchgeführt. Die Grenzen der Kleinheit der lateralen Dimension ergeben sich aus den Grenzen der Lithographie-Fähigkeiten. Der Grenzwert für die Größe der lateralen Dimension wird durch die Größe des Wafers bestimmt. Wir haben erfolgreich planare Zellen geschaffen, in denen die laterale Dimension fast den gesamten Waferdurchmesser überspannte, aber man könnte sich genauso gut vorstellen, mehrere kleinere Strukturen in der Größenordnung von zig Nanometern breite zu modellieren. Solche Strukturen würden jedoch eine E-Strahl-Lithographie erfordern. Das haben wir zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht getan.

Bei all unserer Arbeit bildeten die gebundenen Wafer ein vakuumdichtes Gehäuse. Dies wird erreicht, indem im gemusterten Oxid ein fester Ring von SiO₂ von 3-4 mm Breite am Umfang des Wafers beibehalten wird, siehe Abbildung 1. Dies bildet beim Verkleben eine enge Abdichtung. Dieses Design könnte leicht geändert werden, wenn man an hydrodynamischen Studien interessiert wäre, die einen Input und einen Ausgang erfordern.

Auch der Berstdruck der gebundenen Zellen wurde getestet. Wir fanden heraus, dass mit 375 m dicken Wafern Druck bis zu etwa neun Atmosphären aufgebracht werden konnten. Wir haben jedoch nicht untersucht, wie dies durch die Bindung über größere Oxidflächen oder vielleicht auch durch dickere Wafer verbessert werden könnte.

Das Verfahren zur Anbindung der Siliziumzellen an eine Abfülllinie und die Verfahren zur Messung der Eigenschaften des geschlossenen Heliums bei niedriger Temperatur sind in Mehta et al.angegeben. ² und Gasparini et al. ¹³ Wir stellen fest, dass Änderungen der linearen Dimension für Silizium nur 0,02% nach Kühlung der Zellen¹⁴betragen. Dies ist für die bei RT gebildeten Muster vernachlässigbar.