Author: Alessandro di Bona

Questa procedura si esegue su campioni in acciaio 20MnCr5, in forma di dischi di diametro 50 mm, spessore 3 mm, forati al centro per l'uso nel tribometro CSM. La superficie di interesse viene precedentemente lappata (dettagli). Se si prevede di eseguire successivamente un attacco elettrochimico, è consigliabile verniciare la superficie inferiore e laterale con vernice resistente alla temperatura (es. vernice Black Matt High Temperature Paint PNM400 della Electrolube, vedi scheda di sicurezza, disponibile fino a esaurimento scorte alla RS-Components, con codice 250-6976 ), per ridurre la corrente elettrolitica totale. La vernice PNM va lasciata asciugare per 1 h a temperatura ambiente, poi scaldata in forno a 300 °C per 1 h.

1. trattamento HMDS: mettere un foglio di alluminio sotto i campioni per non sporcare il forno; procedura standard; raffreddamento su blocco di alluminio per qualche minuto.
2. coating con photoresist S1813: si monta il chuck quadrato da 50 mm; il buco centrale del campione viene tappato con un O-ring e una vite M3 x 10 mm con dado; versare abbondante fotoresist a campione fermo; spread a bassa velocità  per 3"; coating a 3000 RPM fino a quando le frange di interferenza non si fermano (circa 30"); rimuovere la vite e l'O-ring.
3. soft bake: 2' a 115 °C su hotplate; il chuck a vuoto non funziona a causa del buco, ma il campione è sufficientemente pesante.
4. esposizione: 270 mJ/cm2 su CI2 (15 mW/cm2), ottenuta esponendo per 18".
5. post-exposure baking (PEB): per stabilizzare il fotoresist e migliorare l'adesione: 4' a 140 °C su hotplate; raffreddamento su blocco di alluminio per qualche minuto.
6. sviluppo: 2' 15" in MF321 a temperatura ambiente.
7. risciacquare con H2O DI e asciugare con N2.

Note:

• Lo spessore del fotoresist misurato con il profilometro risulta essere di 1.3 µm.
• I tempi di esposizione e sviluppo sono maggiorati rispetto alla procedura standard a causa del PEB che riduce la sensibilità  del fotoresist.
• I tempi di softbake e PEB sono maggiorati di 1' rispetto ai valori nominali a causa dell'inerzia termica del campione, quest'ultima stimata misurando la temperatura effettiva del campione con una termocoppia.

prodotti chimici utilizzati:

• HF 40%;
• H2O2 30%
• acqua DI

preparazione della soluzione:
Preparare una soluzione 20:1:1 di H2O:HF:H2O2: in un beaker di polipropilene mettere 200 ml di acqua DI; aggiungere 10 ml di HF; aggiungere 10 ml di H2O2.

La soluzione corrode nominalmente Ti a 1100 nm/min, SiO2 a 12 nm/min, fotoresist a < 0.5 nm/min.

La soluzione corrode circa 50 nm in circa 3' di Nb 47% wt - Ti depositato per sputtering, senza evidenti danni al fotoresist (S1813, 1.5 µm, hardbake 3' a 115 °C).

Partiamo da un wafer (100) da 2", con 700 nm di ossido termico (Siltronix).

• pulizia con acetone 3' @ 50 ºC
• rinse DI
• singe 15' @ 170 ºC hotplate
• HMDS 3' in capsula Petri
• coat Shipley S1813 @ 4000 rpm (1.5 µm nominali)
• softbake 60" @ 115 ºC
• expose 10"
• develop MF321 1-2', a vista
• hardbake 3' @ 115 ºC (si può fare anche a 120 ºC)
• etch 4' BOE @ 40 ºC (Sigma-Aldrich 40207, 6.5% HF, 250 nm/min nom.)
• remover Shipley 1165 5' @ 50  ºC
• rinse DI
• AFM conferma apertura finestre da 700 nm di profondità
• prepariamo KOH etch: 60 g KOH in 140 cc DI, rate nom. 110 nm/min @ 40 ºC su Si(100), selettività  per SiO2 > 500
• tagliamo il wafer in 4 parti:
  • A: etch 2' KOH 30% weight @ 40 ºC
  • B: etch 4' KOH 30% weight @ 40 ºC
  • C: etch 4' KOH 30% weight @ 40 ºC + 4' BOE @ 40 ºC
  • D: non etched
• Misuriamo l'altezza dei gradini con AFM:
  • A: 845 nm (700 nm SiO2 + 2' scavo in Si) -> 145 nm/2' = 72 nm/min
  • B: 960 nm (700 nm SiO2 + 4' scavo in Si)-> 260 nm/4 ' = 65 nm/min
  • C: 340 nm (4' scavo in Si) -> 340 nm/4' = 85 nm/min
  • D: 700 nm (scavo in Sio2)

  La velocità  di erosione in KOH 30% weight @ 40 ºC risulta quindi essere di 74 nm/min ±10%.

Problemi incontrati:

• lungo tempo di raffreddamento hotplate
• manca una bilancia
• potrebbe servire un bagnomaria
• mancano gli stirrer

Al FIB stiamo lavorando per fare EBL con il nostro DualBeam. Erano già  stati fatti alcuni tentativi diversi mesi fa, con risultati discreti, tenuto conto che il tutto era fatto in maniera piuttosto grossolana. Ora abbiamo ripreso con un approccio più accurato.
Il resist utilizzato è il classico PMMA, 950K in soluzione al 3% in clorobenzene. Il PMMA è depositato per spinning a 2000 rpm e scaldato su piastra a 170 °C per 1 minuto. L'impressionamento viene fatto con un fascio elettronico a 30 kV, 250 µC/cm2 di dose, dopo di che si procede allo sviluppo, deposizione del metallo e lift off finale. I primi risultati ottenuti sono molto incoraggianti, come si può vedere dalle immagini SEM riportate di seguito.

Queste riportate, sono le immagini SEM di un substrato di Si con il PMMA impressionato e sviluppato; non è stato fatto il lift-off, ma solo una metallizzazione (8 nm di oro) per poter osservare meglio al SEM il risultato. La gap misurata tra le due punte è di 209 nm.

Il passo successivo è stato metallizzare i substrati con 5nm di cromo e 30nm d'oro e poi procedere al lift-off. Le immagini SEM qui riportate mostrano il risultato.

La gap tra le due punte è inferiore ai 100 nm. Quello che però si osserva dall'immagine a 150 kX è che sulla punta di destra è ben visibile un doppio layer. Non siamo ancora sicuri dell'origine di questo doppio strato, molto probabilmente è dovuto ad un effetto d'ombra durante l'evaporazione dei metalli. L'impressionamento delle strutture riportate nelle immagini è stato effettuato in tre steps: un primo pattern è stato impressionato ad un ingrandimento elevato (circa 15 kX) per avere la risoluzione necessaria ad ottenere delle strutture inferiori ai 100 nm; sono seguiti un step intermedio a 7 kX ed uno step finale, a circa 1 kX, per impressionare aree più vaste (i pads dell'immagine a 2.5 kX sono 25 × 50 µm2). Con delle strutture di queste dimensioni è poi possibile allinearsi con il mask aligner per fare fotolitografia ed ottenere i pads sufficientemente grandi e robusti per essere bondati.

Con il software del FIB è possibile importare pattern in formato bitmap, quindi, in linea di principio, è possibile disegnare qualunque geometria si desideri. Dopo aver importato il pattern, si deve calcolare l'ingrandimento a cui è necessario lavorare per avere le dimensioni desiderate e i tempi d'impressionamento per ottenere la dose necessaria. Durante la fase di disegno del pattern bisogna tenere in conto che il blanking del fascio elettronico è molto lento e questo può far sì che il fascio stazioni sul substrato un tempo sufficiente ad impressionare il resist, creando così strutture indesiderate. Nell'immagine SEM qui riportata si vede bene una struttura circolare tra le due punte, non presente nel patter originale, dovuta allo stazionamento del fascio elettronico in quella posizione.

I rings quadrati (campioni tipo C) hanno un lato di 2.1 µm, una larghezza del conduttore di 200 nm ed uno spessore di 25 nm. I contatti più vicini, cioè quelli sullo stesso lato, sono a distanza di 900 nm. Con una resistività  per il Py di 15 μΩ · cm, i contatti sul lato dovrebbero avere fra loro una resistenza di 27 Ω, mentre fra i contatti di iniezione della corrente dovrei avere al max 200 Ω.

La lunghezza delle piste di Au è mediamente 100 µm (da moltiplicare per due per andata e ritorno). La resistività  dell'Au è 2.2 μΩ · cm. Supponendo che spessore e larghezza di Au sia uguale a quello del Py (25 nm) ottengo che le piste di Au (2 x 100 μm di lunghezza) hanno una resistenza di 880 Ω.

Il primo run di misure di magnetoresistenza sui campioni bondati il 19 ottobre non ha dato buoni risultati: tutte le magnetostrutture presenti sui 4 chip (dischi, rings) risultano interrotte, nonostante le precauzioni anti-ESD che abbiamo adottato. L'unico dubbio è l'analisi SEM fatta subito dopo il bonding che, a causa del ciclo di smagnetizzazione delle lenti che viene automaticamente effettuato prima della misura, potrebbe aver causato qualche effetto sulle magnetostrutture. Decidiamo quindi di non fare le analisi SEM prima delle misure elettriche. Eseguo i collegamenti (bonding) su un chip di anelli quadrati (campioni tipo C). Un'analisi visuale al microscopio ottico non mostra danni ESD evidenti. Quest'analisi non è tuttavia risolutiva poichè il massimo ingrandimento del microscopio quando il chip è installato nella cavità  portachip è limitato a 20X, causa impedimento meccanico dovuto all'interferenza fra l'obbiettivo e il portachip. Misuro la resistenza fra i pin relativi a coppie di contatti che dovrebbero essere in connessione elettrica. Mi aspetto valori di resistenza dell'ordine del kΩ. Per la misura utilizzo il sourcemeter DC Keithley mod. 2400, iniettando una corrente di 1 µA con una V compliance di 10 mV. La misura viene eseguita su un tappetino anti-ESD da tavolo, collegato a massa. Tutti i contatti risultano avere una resistenza superiore ai 50 MΩ. Un'analisi SEM successiva conferma che le magnetostrutture non presentano evidenti danni da ESD, nè sulla parte magnetoresistiva, nè sulle piste di collegamento in Au. Per ora si conclude che i ring quadrati presentano un grave difetto di fabbricazione.