Fabricación De Cavidades Uniformes A Nanoescala A Través De La Unión Directa De Obleas De Silicio

Cuando las obleas de silicio limpias entran en contacto íntimo en RT, se sienten atraídas entre sí a través de las fuerzas de van der Waals y forman enlaces locales débiles. Esta unión se puede hacer mucho más fuerte mediante el recocido a temperaturas más altas^5,6. La unión se puede hacer con éxito con superficies de SiO₂ a Si o SiO₂ a SiO_2. La unión de obleas de Si se utiliza más comúnmente para el silicio en dispositivos aislantes, sensores y actuadores basados en silicio y dispositivos ópticos⁷. El trabajo descrito aquí toma la unión directa de obleas en una dirección diferente al usarla para lograr recintos bien definidos y espaciados uniformemente en toda el área de la oblea^8,9. Tener una geometría bien definida donde se puede introducir el fluido permite realizar mediciones para determinar el efecto del confinamiento en las propiedades del fluido. Los flujos hidrodinámicos se pueden estudiar donde la pequeña dimensión se puede controlar desde decenas de nanómetros hasta varios micrómetros.

El SiO₂ se puede cultivar en obleas de Si utilizando un proceso de óxido térmico húmedo o seco en un horno. El SiO₂ puede ser modelado y grabado como se desee utilizando técnicas litográficas. Los patrones que se han utilizado en nuestro trabajo incluyen un patrón de postes de soporte ampliamente espaciados que resulta en la unión en una geometría plana o de película (ver Figura 1). También hemos modelado canales para características unidimensionales, y matrices de cajas, ya sea de (1 μm)³ o (2 μm)³ dimensión¹ (ver Figura 2). Al diseñar un confinamiento con cajas, típicamente 10-60 millones en una oblea, debe haber una manera de llenar todas las cajas individuales. Un patrón separado de la oblea superior con un diseño que se destaca de las dos obleas por 30 nm o más permite esto. O, equivalentemente, se pueden diseñar canales poco profundos en la oblea superior para que todas las cajas estén vinculadas. El espesor del óxido cultivado en la oblea superior es diferente del de la oblea inferior. Esto añade otro grado de flexibilidad y complejidad al diseño. Ser capaz de modelar ambas obleas permite realizar una mayor variedad de geometrías de confinamiento.

El tamaño de las características geométricas en estas obleas unidas, o celdas, puede variar. Las células con películas planas tan pequeñas como 30 nm se han hecho con éxito^10,11. En los espesores por debajo de esto, el sobrebonos puede tener lugar por el cual las obleas se doblan alrededor de los postes de soporte, lo que “sella” la célula. Recientemente, se han realizado una serie de mediciones sobre líquido ⁴con una matriz de (2 μm)³ cajas con distancia de separación variable entre ellas^10,12. Las características mucho más grandes en profundidad que 2 μm no son muy prácticas debido a la creciente cantidad de tiempo requerido para cultivar el óxido. Sin embargo, las mediciones se han realizado con un óxido tan grueso como 3,9 μm^9. Los límites de la menoridad de la dimensión lateral surgen de los límites de las capacidades litografía. El límite para la grandeza de la dimensión lateral está determinado por el tamaño de la oblea. Hemos creado con éxito células planas donde la dimensión lateral abarcaba casi todo el diámetro de la oblea, pero uno podría imaginar fácilmente modelar varias estructuras más pequeñas del orden de decenas de nanómetros de ancho. Sin embargo, tales estructuras requerirían litografía de haz electrónico. No lo hemos hecho en este momento.

En todo nuestro trabajo, las obleas unidas formaron un recinto hermético al vacío. Esto se logra reteniendo en el óxido modelado un anillo sólido de SiO₂ de 3-4 mm de ancho en el perímetro de la oblea, ver Figura 1. Esto, al unirse, forma un sello hermético. Este diseño podría modificarse fácilmente si uno estuviera interesado en estudios hidrodinámicos que requieren una entrada y una salida.

También se ha probado la presión de explosión de las células unidas. Encontramos que con obleas de 375 μm de espesor, se podía aplicar una presión de hasta aproximadamente nueve atmósferas. Sin embargo, no hemos estudiado cómo esto podría mejorarse mediante la unión sobre áreas de óxido más grandes o, tal vez, para obleas más gruesas.

El procedimiento para interconectar las células de silicio a una línea de llenado y las técnicas para medir las propiedades del helio confinado a baja temperatura se da en Mehta et al. ² y Gasparini et al. ¹³ Observamos que los cambios en la dimensión lineal para el silicio son sólo 0.02% al enfriar las células¹⁴. Esto es insignificante para los patrones formados en RT.