Category: Procedures

Matrice di esposizione dose × tempo di sviluppo per resist CSAR 62 spinned at 6000 rpm (rampa 2000 rpm/s per 60 s totali) e softbaked a 150 °C per 3 min su substrato SiO2 (6000 Å)/Si. La dose-to-clear, dipendente dal tempo di sviluppo, risulta essere la seguente:

Development time [s]	Dose-to-clear [μC/cm²]
45	80
60	70 - 80
90	60

Non si osservano particolari differenze sulla qualità delle strutture sviluppate a diversi tempi si sviluppo. Qui sotto le immagini del resist sviluppato (+ 7 nm di Au) a diversi tempi si sviluppo.

(Click sull'immagine per massima risoluzione)

Per le prossime esposizioni useremo 80 μC/cm² ed un tempo di sviluppo di 60 s.

Verifica dei risultati sperimentali riportati da Nam et al. su wet etch di AZO con diversi reagenti, in particolare HCl diluito. Si deposita il campione AZO#18 (ZnO RF 120W, Al DC 140 W, 273 V 0.51 A spessore nominale 4000 Å). Si depositano 4 contatti ohmici in Al per evaporazione termica (shadow mask 4 dots, 400 μm diam, 1400 μm pitch). Un test preliminare eseguito su un film di Al 2000 Å/SiO2 mostra che i contatti di Al non vengono apprezzabilmente erosi da HCl 0.05 M: dopo 10 min di etch la sheet resistance del film di Al passa da 204.2 mΩ/□ a 228 mΩ/□, anche se dopo qualche minuto si osserva esfoliazione in piccole aree del film. Sul film di AZO#18 si misura la sheet resistance in funzione del tempo di etching in HCl 0.05 M (4.16 ml di HCl 37% in 1000 ml di soluzione):

Etch time [s]	Sheet resistance [Ω/□]
0	31.99
10	82.76
20	1057
30	∞

La rimozione completa del film di AZO#18 avviene per tempi di etching compresi fra i 20 e i 30 s. La velocità di etching (assumendo uno spessore nominale di 372 nm, vedi più sotto) è di circa 900 nm/min.

Spin coating di 200 nm di CSAR 62 (6000 rpm, rampa 2000 rpm/s, tempo 60 s) su campione AZO#17 (ZnO RF 120W, Al DC 160 W 279 V 0.57 A, spessore nominale 4000 Å). Esposizione di 8 aree 30 μm × 100 μm con dose 100 μC/cm². Sviluppo 45 s in developer. Stop in DI. Blow N2. Misura profilometro spessore resist 130 ± 7 nm. Etching di due campioni di AZO#17 in HCl 0.05 M rispettivamente per 30 s e per 60 s. Rimozione resist in NMP per 30 s. Misura profilometro spessore film AZO 372 ± 3 nm. Qui sotto le foto al microscopio ottico dei due campioni in diverse fasi del processo.

Si osserva che l'undercut è di circa 2 μm e 4 μm rispettivamente dopo 30 s e 60 s di etching, ossia la velocità di etching laterale è di 4 μm/min. La differenza fra le velocità di etching potrebbe essere dovuta ad una "saturazione" della soluzione etchante causata dalla bassa concentrazione di HCl.

Materiale del substrato: Si(100) n/PH, 2300-4000 Ohm · cm, spessore 300 µm, ossidato con 6785 Å HTO.

Prepariamo n. 2 substrati (A e B) 10 × 10 mm ed applichiamo resist CSAR62 (SX AR-P 6200/2) a 4000 rpm (accelerazione 1000 rpm/s, durata 42 s).

Softbake a 150 °C per 3 min su hotplate.

Ogni substrato viene impressionato con EBL a 70 µC/cm², 20 kV, corrente 1.17 nA, step size 0.4 µm con la seguente geometria:

Sviluppo a temperatura ambiente (22 °C) con X AR-600-54/6 per 60 s, stop con AR-600-60 per 30 s, blow dry con N2.

Spessore resist sviluppato misurato con profilometro: 197 nm.

Campione A metallizzato in metallizzatore termico con 9.2 mg di Al (~ 230 A). Spessore evaporato misurato con profilometro: 64.2 nm.

Campione B metallizzato in metallizzatore termico con 26 mg di Al (~ 230 A). Spessore evaporato misurato con profilometro: 221.5 nm.

Il liftoff del resist avviene in due fasi:

1. soak in remover AR 300-72 (NEP) a 80 °C per 5 min. Dopo questa fase il film di Al è ancora integro ed aderente al substrato, ma appare corrugato.
2. bagno in ultrasuoni per 3 min (potenza 99%, temperatura 80 °C). In questa fase il film di Al viene effettivamente rimosso.

Resistenza superficiale misurata con probe station e Keithley 2400, probe tips in W, 10 mA. Campione A: 0.826 Ohm per square; campione B: 0.142 Ohm per square.

Trascurando l'ossidazione del film di Al evaporato, cioè assumendo che lo spessore misurato del film coincida con quello dello strato metallico, possiamo calcolare la resistività del materiale. Campione A: 5.34 µOhm · cm; campione B: 3.15 µOhm · cm. La discrepanza fra questi due valori indica che l'ipotesi non è corretta.

Assumendo invece che:

1. un certo spessore del film evaporato si sia trasformato in ossido di Al, cioè che lo spessore misurato sia la somma di uno spessore di ossido (con resistività infinita) più uno spessore metallico (con resistività finita);
2. lo spessore di ossido sia uguale per i campioni A e B;
3. la finita resistività della parte metallica sia uguale per i campioni A e B.

Queste tre assunzioni sono compatibili con uno spessore di ossido di Al pari a 31.5 nm, quindi con spessori del film metallico pari a 32.7 nm e 190 nm, rispettivamente per i campioni A e B. Con questi spessori, la resistività del film risulta essere pari a 2.70 µOhm · cm, da confrontarsi con il valore di letteratura pari a 2.65 µOhm · cm.

Procedura per ion milling di Si(100) con cannone DC25s della Oxford Applied Research recentemente installato presso il laboratorio Materiali Avanzati. Il cannone è una sorgente Kaufman DC a due griglie, a catodo caldo, diametro nominale 25 mm, energia 0-200 eV. Il campione di test è Si(100) tipo n (Phosphorous), resistività 0.7 Ω·cm, mascherato con gocce di photoresist Shipley S1813 (no soft bake). La durata del processo di etching è 30 min, incidenza normale.
Test 1: target grounded
Condizioni di etching: flusso Ar #250 (5 sccm), pressione 7.6e-4 - 8.0e-4 mbar, beam energy 200 eV, extractor -500 V, beam current 4.0 mA (da tenere costante operando sulla cathode current), cathode current 1.87 A - 1.50 A (deve essere progressivamente calata per mantenere costante la beam current), discharge current ≈ 0.26 A, extractor current 0 mA, target current 0.9 - 1.0 mA. Dopo la rimozione del photoresist, la misura al profilometro P6 indica una rimozione di 387 Å, corrispondente ad una velocità di erosione pari a 1.3 nm/min.
Test 2: target polarizzato -400 V
Condizioni di etching: flusso Ar #250 (5 sccm), pressione 7.9e-4 mbar, beam energy 200 eV, extractor -500 V, beam current 4.0 mA (da tenere costante operando sulla cathode current), cathode current 1.35 A - 0.83 A (deve essere progressivamente calata per mantenere costante la beam current), discharge current 0.22 - 0.25 A, extractor current 0 mA, target current 2.5 - 1.8 mA. Dopo la rimozione del photoresist, che risulta più difficoltosa probabilmente a causa del maggiore riscaldamento del campione, la misura al profilometro P6 indica una rimozione di 924 Å, corrispondente ad una velocità di erosione pari a 3.1 nm/min.

Lo scopo di questa procedura è la realizzazione di reeds di silicio, ossia lamelle di dimensione 26 x 4 mm e spessore 50-70 µm, che vengono usati come oscillatori meccanici. Per il montaggio e la manipolazione, i reeds devono avere una porzione di circa 10 mm della loro lunghezza avente lo spessore nominale del wafer, ossia 275 µm. Per questa fabbricazione sarà  utilizzata la tecnica di etching anisotropo del Si per mezzo di una soluzione di KOH al 30% wt/wt a 80 °C.

breve descrizione della procedura
Il materiale di partenza è un wafer di Si(100) intrinseco, fornito dalla Siltronix, diametro 2", spessore nominale 275 µm. I wafer sono lappati ed ossidati su ambo i lati con ossido termico per uno spessore di 1.5 µm. Il wafer viene tagliato con lo scriber in rettangoli aventi le dimensioni laterali nominali dei reeds: 26 x 4 mm. Si mascherano ambo i lati dei reeds per proteggere 10 mm di lunghezza, utilizzando il nastro blu (blue dicing tape, medium tack). Si dissolve l'ossido termico sulle zone scoperte utilizzando una soluzione BOE (40207 della Sigma Aldrich). Si elimina la mascheratura e si procede con il deep etching in KOH 30% wt/wt a 80 °C. Si controlla l'andamento del processo di etching misurando periodicamente lo spessore residuo per mezzo del tastatore elettronico del CIGS. Si interrompe il processo di etching al raggiungimento dello spessore desiderato.

descrizione dettagliata

1 - Si determina preliminarmente la velocità  di erosione della soluzione BOE sull'ossido termico, che sarà  utilizzata alla temperatura ambiente di 22 ± 1 °C. Ciò permetterà  di erodere gli 1.5 µm di ossido termico senza eccessivo overetch che potrebbe danneggiare la superficie del Si sottostante. L'esperimento consiste del misurare lo spessore di ossido termico residuo prima e dopo un bagno in BOE della durata di 3 min. Il materiale di partenza è un frammento dello stesso wafer che sarà  utilizzato per fabbricare il reeds. Lo spessore di ossido sarà  determinato attraverso la misura della riflettività  a incidenza quasi normale nel campo di lunghezze d'onda 400 ÷ 1100 nm e confronto con i risultati di una simulazione che tiene conto dell'interferenza dei film sottili (software TFCalc). Il campione, lavato in acetone subito dopo il taglio del wafer nuovo, viene fissato ad un supporto in polistirolo (navicella per pesata modificata) e successivamente lavato in acqua UPW.
Campione e supporto vengono immersi per il tempo desiderato (3 min) nella soluzione BOE contenuta in un becker in PTFE ed agitazione magnetica a 150 rpm.
La riflettività del materiale misurata prima e dopo l'etching è mostrata nella seguente figura. Le simulazioni mostrano che in 3 minuti di etching a temperatura ambiente (22 ± 1 °C) lo spessore di ossido termico passa da 1546 ± 2 nm a 1240 ± 2 nm quindi in queste condizioni la velocità di erosione è di 102 ± 1 nm/min. Per la simulazione sono stati usati i files SIO2.MAT e SIPOLY.MAT del database Sopra SA. Per eliminare completamente l'ossido (spessore nominale 1500 nm ± 10%), tenendo conto di un margine di overetch del 20% si ottiene un tempo di etching di 20 min.

2 - Si mascherano i reeds per definire geometricamente la parte per il montaggio e la manipolazione. Per il mascheramento si utilizza lo standard dicing tape, blue, medium tack, seguendo le operazioni illustrate qui sotto.

3 - etching dell'ossido termico con soluzione BOE. Si immergono per 20 min i reeds mascherati in soluzione BOE a temperatura ambiente e agitazione magnetica, 150 rpm, becker in PTFE. Per la manipolazione dei reeds in soluzione si utilizza uno speciale supporto in polistirolo, come quello mostrato qui sotto.

Completata la procedura di etching i reeds, ancora montati sul supporto, vengono lavati in acqua ultrapura. Successivamente si rimuove la maschera ed i campioni vengono nuovamente lavati in acetone e rimontati sul supporto per l'etching successivo.

4 - Deep etching del Si in soluzione KOH. In un becker di PTFE si prepara una soluzione di KOH 30% wt/wt sciogliendo 60 g di KOH in 140 g di H2O. Si annota anche il peso complessivo della soluzione+becker+stirrer che servirà  come valore di riferimento per le successive, periodiche aggiunte di acqua per compensare le perdite per evaporazione. Si immerge il becker in un bagnomaria a 80 °C, che si ottiene per un setpoint della temperatura della piastra di 240 °C. Il becker è tenuto sollevato dal fondo del bagnomaria da un supporto che consente la collocazione di uno stirrer per l'acqua. Un altro stirrer è collocato nel becker contenente la soluzione. Un'altra hotplate si servizio è utilizzata per mantenere a 80 °C un becker contenente 1000 ml di acqua ultrapura, utilizzata per compensare le perdite per evaporazione sia del bagnomaria che della soluzione KOH. La frequenza delle operazioni di manutenzione della soluzione è di circa 45 - 60 minuti. Un'immagine del setup utilizzato è mostrata qui sotto.

La velocità  di erosione è di circa 50 µm/h su ogni lato (la diminuzione di spessore complessivo del reed è quindi di circa 100 µm/h). Si esegue una sessione di etching della durata di un'ora, poi si procede a misurare la profondità  di etching con il profilometro e/o con il tastatore del CIGS.

Si esegue la manutenzione della soluzione, aggiungendo la quantità  di H2O che ne ripristini il peso iniziale. Si esegue una seconda sessione di etching della durata di 45 minuti e si misura la differenza di spessore del reed rispetto al valore di target (50 ÷ 70 µm). Si esegue la manutenzione della soluzione e di esegue l'ultimo etching per una durata calcolata sulla base della differenza di spessore residua e sulla velocità  di erosione calcolata sulle precedenti sessioni.

I reeds così fabbricati sono pronti per l'uso, il confezionamento o lo stoccaggio.

Dopo aver testato il funzionamento del Cu come layer a perdere, riprendiamo la realizzazione della superlente.

Realizzazione di 4 campioni di Cu/Cr/MgO(001)  (01/03/10)
Crescita di multilayer Cu(50 nm)/Cr(35 nm)/MgO(001). Cu e Cr sono stati depositati via sputtering utilizzando le recenti calibrazioni. Sono stati preparati 4 campioni su 4 lastrine di MgO contemporaneamente. Le lastrine sono poi state divise in 4 parti ciascuna, ottenendo un numero maggiore di campioni.

Lavorazione multilayer 1
(FIB:03/03/10; MgO dep:15/03/10; etching e AFM:17/03/10)
È stato realizzato il pattern FIB sul campione 1 della serie preparata il 01/03/10. Quindi è stato depositato il film di MgO via MBE reattivo dopo sputtering del substrato per riempire il pattern. Per un errore nel calcolo del tempo di deposizione, lo spessore del film è di 50 nm invece che di 35 nm.  Il multistrato è stato quindi immerso in persolfato d'ammonio 20% wt/wt per i tempi indicati in figura.

Sono stati necessari 24" per rimuovere tutto il Cu dalla superficie del multilayer. Dopo 16" di etching sono state fatte immagini SEM e AFM dei pattern, che mostrano come ci siano ancora parti di film non rimosso nel pattern più piccolo (largh. 90 nm). I profili delle immagini AFM confermano lo spessore di MgO depositato (circa 10-15 nm in più del necessario per riempire i pattern) e la non totale rimozione del Cu. L'AFM indica che la rimozione del materiale all'interno del pattern da 90 nm è aumentata e il pattern risulta più pulito. Ci sono ancora resti però di materiale (Cu o sporco?).

Lavorazione multilayer 2
(FIB: 24/03/10; MgO dep:25/03/10; etching:13/04/10)

Patternato al FIB il campione 2 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto). Etching in persolfato di ammonio 20% wt/wt per 24" + 8" per rimuovere tutto il Cu visibile all'ottico intorno al pattern. L'AFM indica che l'etching ha funzionato, anche se c'è ancora materiale (in forma di cluster) non rimosso nei pattern. Il rimepimento degli scavi risulta di nuovo troppo elevato (gli scavi sono circa 5-7 nm più alti delle parti non scavate).

Lavorazione multilayer 3
(FIB: 24/03/10; MgO dep:03/05/10; etching:03/06/10)

Patternato al FIB il campione 3 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto) per 50' 51", in considerazione del troppo alto spessore di MgO del campione precedente (camp 2).
Etching in persolfato di ammonio 20% wt/wt per 8" con soluzione a 37 °C (set temperatura vasca a 45 °C) in ultrasuoni. In un primo momento il campione è stato introdotto sul fondo di una retina di acciaio. Siccome però il campione rimane a galla, è stata tolta la retina e il campione è stato immerso sostenuto da pinzette come in passato. All'ottico il campione è pulito. Al SEM il campione non mostra tracce residue del film di MgO/Cu, ma risulta corroso anche il MgO depositato all'interno deglli scavi, mentre nei casi precedenti di attacco non se ne osservava la rimozione. Un ulteriore attacco di 8" (stavolta col campione   sostenuto solo da pinzette) hanno rimosso completamente l'MgO all'interno degli scavi.

Prove di etching in persolfato di ammonio a 37 °C
La soluzione di (NH4)2S2O8 20% w/w ha pH 2.44 a 18 °C appena preparata. Scaldando la soluzione a 40 °C, il pH scende a 2.38. Etching di un campione Cu(35 nm)/Cr(35 nm)/MgO(001): in 4 s viene rimosso tutto il Cu (check all'ottico). Dopo 3 h il pH della soluzione mantenuta a caldo è sceso a 1.78. Etching di lastrina di MgO(001): Deposizione di una goccia di photoresist S1813; etching in (NH4)2S2O8 20% wt/wt per 10 min.; rimozione photoresist con remover 1165; misura con profilometro attraverso il bordo della goccia. L'erosione del MgO risulta essere di 1.2 um in 10 min (2 nm/s).

Lavorazione multilayer 5
(FIB: 06/06/10; MgO dep:10/06/10; etching:10/06/10)

Patternato al FIB il campione 5 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto) per 51', in considerazione del troppo alto spessore di MgO del campione precedente (camp 2).

TEST ETCHING al SEM:
Per attacco chimico: T(ambiente)= 22 °C , T(acqua)=23 °C (misura con termometro grande macchiato)
T(soluzione)=15 °C appena preparata ((NH4)2S2O8 20% w/w), lascio termalizzare a temperatura ambiente.
Dopo 1h la soluzione è a 24 °C. Attacco 8" e controllo all'ottico. E' rimasto Cu intorno alle zone scavate al FIB.
Attacco ancora 8" e ricontrollo all'ottico. Il Cu è stato rimosso cosi come parte del film di Cr. Al centro è rimasta solo la zona patternata. Al SEM il pattern mostra ancora resti di film tra gli scavi (servirebbe tempo di attacco più lungo). Data la bassa adesione del Cr, decidiamo di non attaccare ulteriormente, ma di guardare con l'AFM il riempimento dei pattern.
La ragione del distaccamento del film di Cr potrebbe essere l'invecchiamento del campione.

Campioni 4 e 6 patternati, sul fondo del fast entry. Campione 4 ha problemi al SEM.

Problemi e possibili soluzioni:

1. Ripetere l'etching a temperatura ambiente, monitorando la temperatura della soluzione e usando campioni possibilmente recenti.
2. Controllare il riempimento degli scavi con una cross section FIB-SEM (oltre che con l'AFM).
3. Studiare la possibilità  di crescere tutti i film (Cr, MgO) dopo aver scaldato i substrati per migliorare l'adesione e la morfologia.
4. Deposizione della lente di Ag: morfologia e rugosità  del film ottenuto sul multilayer.
5. Ottenere un photoresist di spessore 100 nm. Da comprare il solvente per diluire photoresist.
6. Lampada per impressionamento del photoresist: filtri, altro? per ottenere luce monocromatica o variabile.

Deposizione provini Cr/SiO2 (06/04/2009)
Per calibrare la lettura della bilancia (determinazione del tooling factor), sono stati depositati due provini, entrambi di spessore nominale 440 Å. Lo spessore effettivo viene poi misurato con il profilometro, usando la tecnica del lift-off a pennarello o l'ombra di un foglio di alluminio, rispettivamente per il campione cresciuto a RT e per quello cresciuto a caldo. Qui di seguito le condizioni di deposizione.

crescita a RT: 440 Å nom; DC; sorgente SX; 5 mTorr Ar; P = 53%; 311 V; 1.08 A; 7.8 Å/s; film #3; process #3; flux #250; 30 rpm; misura profilometro: 320 ± 5 Å (tooling factor 73%).

crescita a 500 °C nom; 440 Å nom.; DC; sorgente SX; 5 mTorr; P = 53%; 351 V; 1.08 A; 7.9 Å/s; film #3; process #3; flux #250; 30 rpm; misura profilometro 280 ± 20 Å/s (tooling factor 64%).

Deposizione Cr/MgO (12/06/2009)
montaggio n. 4 campioni sotto cappa antipolvere con mollette e viti in zona centrale del piattello portacampioni; trasporto presso macchina di deposizione in capsula Petri.

deposizione di 350 Å di Cr @ RT: P base = 1.8e-6 torr; P Ar = 5 mTorr; flux #250; film #3; process #3; Power = 53%; nom. thickness = 477 Å (477 Å × 0.73 = 350 Å);

Deposizione PMMA (20/06/2009)
photoresist AR-P 679.01 (Allresist GmbH) PMMA 1% in ethyl lactate; substrati: Cr/MgO del 12/06/2009; spin @ 2000 rpm (manopola @ 2200 rpm) fino a stabilizzazione frange; pre-spin @ 1500 rpm per 5 sec; baking @ 165 °C per 2 min su hotplate. Una misura FIB in cross section dice che lo spessore complessivo Cr + PMMA è di 68 nm.

Pre-trattamento MgO per deposizione MgO (30/09/09)
Si è constatato che non è possibile depositare MgO mediante MBE reattivo se il substrato non viene opportunamente pre-trattato. Sono state provate diverse procedure. La più efficace sembra essere: sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA.

Angoli per avere incidenza di sputtering normale
Data la direzionalità  del trattamento pre-deposizione, si pone il problema di eseguirlo ad incidenza normale. Qui di seguito la procedura.

1) Montare il campione su un cuneo a 45°, come indicato nella figura qui sotto;
2) partire dal portacampioni Omicron "a faccia in su" e phi 0°;
3) ruotare phi in senso antiorario (visto dall'alto) di 44°;
4) ruotare theta verso il CMA di 52°.

Deposizione MgO su provino (30/09/09)
Pre-trattamento del substrato di MgO per sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA; deposizione Mg @ 345 °C @ RT P O2 = 5e-7 torr. La rate misurata dalla bilancia è di 4.32 Å/min di Mg; tempo di deposizione 260 min; misura spessore effettivo con profilometro 1320 ± 60 Å di MgO, corrispondenti ad una rate di 5.1 ± 0.2 Å/min di MgO. Angolo di incidenza Mg: 45°.

Deposizione MgO su provino ad incidenza normale (02/10/09)
pre-trattamento del substrato di MgO per sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA a incidenza normale (vedi punto precedente). Deposizione Mg @ 345 °C @ RT P O2 = 5e-7 torr a incidenza normale (campione su cuneo 45°); rate misurata dalla bilancia è di 4.32 Å/min di Mg; tempo di deposizione 260 min; misura spessore con profilometro: 1550 ± 30 Å di MgO, corrispondenti ad una rate di 5.9 ± 0.1 Å/min di MgO.

Deposizione MgO su PMMA/Cr/MgO (12/10/2009)
substrato a RT, preparato come riportato sopra; deposizione Mg @ 345 °C; P O2 = 5e-7 torr a incidenza normale (campione su cuneo 45°); rate bilancia 4.5 Å/min; tempo deposizione = 59 min 19 sec, corrispondente a 35 nm nominali di MgO.

Rimozione PMMA con remover a base di NMP (Shipley 1165) (15/10/2009)
Bagno e ultrasuoni a 80 °C per diversi tempi (vedi figura); risciacquo in DI; N2 blow; la procedura non riesce a rimuovere il PMMA in prossimità  delle zone lavorate al FIB.

Il PMMA viene invece rimosso quasi dappertutto, escluse le zone lavorate al FIB e due zone ellittiche allungate, simili in dimensione ed orientazione (vedi figura).

Protezione del PMMA con uno strato di Cr (27/10/2009)
Si lavora sull'ipotesi che la non completa rimozione del PMMA intorno alle zone irraggiate con il FIB sia dovuta ad un effetto di irraggiamento da parte delle "code" del fascio FIB. Si decide quindi di proteggere il PMMA con uno strato di Cr in grado di fermare una buona parte degli ioni Ga+. Una simulazione SRIM (vedi figura) mostra che qualche decina di nm di Cr sono sufficienti a bloccare gran parte degli ioni. L'utilizzo di Pt anzichè Cr consentirebbe di ridurre lo spessore dello strato di un fattore 4.5, a parità  di potere protettivo.

Utilizzando le procedure descritte qui sopra, fabbrichiamo n. 2 campioni così costituiti:

• campione A: 35 nm Cr (strato protettivo) / 35 nm PMMA / 35 nm Cr / MgO(001). La trasmittanza dello strato protettivo di Cr è 2e-4 per ioni Ga a 30 keV.
• campione B: 15 nm Cr (strato protettivo) / 35 nm PMMA / 35 nm Cr / MgO(001). La trasmittanza dello strato protettivo di Cr è 0.28 per ioni Ga a 30 keV.

I due campioni sarano successivamente lavorati al FIB per ricavare le fenditure nei tre strati depositati.

Rimozione PMMA protetto con Cr (29/10/2009)

Remover a base di NMP (Shipley 1165) in bagno e ultrasuoni a 80 °C per i tempi indicati in figura; risciacquo in DI; N2 blow. I pattern FIB sono stati realizzati nelle stesse condizioni di quelli sui campioni precedenti. Qui però i tre pattern di sinistra sono stati ottenuti con una corrente ionica di 26 pA, i due della fila di destra con una corrente di 9 pA (questi ultimi come i precedenti campioni). La dose ionica per pattern rimane la stessa.

Di nuovo la procedura non riesce a rimuovere tutto il PMMA nelle zone intorno ai pattern FIB. L'aumento di spessore di Cr diminuisce la zona danneggiata ma non la elimina. La variazione di corrente (a parità  di dose ionica) non modifica l'estensione del danno.

Possibili alternative al PMMA (2/11/2009)
Un materiale alternativo al PMMA in questa applicazione deve avere le seguenti caratteristiche:

• deve essere facilmente rimosso per wet-etching (per avere il lift-off dello strato di MgO) da un opportuno agente chimico;
• l'agente chimico non deve attaccare nè il Cr, nè l'MgO.

Con riferimento a J. MEMS, 12(2003)761, due possibili alternative sono:

• materiale: Al; etcher: diluted aqua regia (3HCl : 1 HNO3 : 2 H2O); etching rate 600 nm/min;
• materiale: Al; etcher: diluted KOH (30%, 80 °C); etching rate 12.9 um/min;
• materiale Cu; etcher: APS 100 from Transene (15-20% ammonium persulfate, i.e. (NH4)2S2O8 in H2O); etching rate 2500 nm/min.

Entrambe le soluzioni hanno etching rate molto elevata per il metallo target (bastano pochi secondi per rimuovere 35 nm di metallo), ma nulla per il Cr. Non si hanno informazioni sull'etching rate del MgO.

Piano per la verifica della etching rate su MgO (09/11/2009)
Scartiamo la soluzione a base di aqua regia, perchè sembra che sia attiva anche su MgO (vedi K. Sangwal el al. J. Mat. Sci. 13(1978)1977; Kristall und Technik 13(1978)1407; M.F. Suárez el al. J. Chem. Phys. B 102(1998)7156). Per la verifica della soluzione a base di KOH occorre preparare una hard mask. Si potrebbe procedere come segue.

1. maschera a pennarello su substrato MgO
2. deposizione di 5 nm di Cr su MgO (promozione dell'adesione)
3. deposizione di 30 nm di Pt su MgO (hardmask per soluzioneKOH)
4. lift-off del Pt e misura dello spessore del film
5. etching in KOH 30% per qualche decina di minuti
6. misura della profondità  dello scavo, AFM

Per la soluzione di ammonium persulfate, non c'è bisogno di hard mask. Si può mascherare il substrato di MgO con gocce di fotoresist, eseguire l'etching, rimuovere il fotoresist e misurare l'eventuale etching rate.

Questa procedura permette di determinare il profilo laterale di una linea a partire da un'immagine acquisita al microscopio ottico. La procedura verrà  illustrata utilizzando la seguente immagine, ottenuta su acciaio 20MnCr5 dopo un etching elettrochimico attraverso una maschera di fotoresist positivo, dopo la rimozione della maschera (ingrandimento 5X):

(immagine a piena risoluzione).

Innanzitutto dobbiamo contrastare l'immagine il più possibile. Essendo un'immagine a colori RGB opereremo sui singoli canali. Apriamo l'immagine con Photoshop ed esaminiamo gli istogrammi dell'intensità  nei tre canali di colore attivando il pannello hystogram nella "palette" in alto a sinistra. Scegliamo la vista "All channel view" e dovremmo ottenere una finestra simile a questa:

Il primo grafico in alto rappresenta l'istogramma dell'intensità  totale, quelli sotto sono gli istogrammi dei tre canali di colore separati. Osserviamo che gli istogrammi dei canali di colore hanno forme simili: essi sono sostanzialmente formati da due picchi, uno dei toni "neri" o ombre, l'altro dei toni "bianchi" o luci, situati in posizioni diverse per i tre canali. Per prima cosa occorre allineare i picchi delle luci e delle ombre per i tre canali: facciamo Image > Adjustments > Levels... Sul dialogo che compare sceglieremo Channel R per agire sul canale del rosso:

Spostiamo il cursore a forma di triangolo nero in corrispondenza del picco dei toni neri, quello a forma di triangolo bianco in corrispondenza del picco dei toni bianchi come mostrato qui sotto. In questo modo imponiamo che, per il canale del rosso, il livello zero ed il livello massimo corrispondano rispettivamente a quelli della maggior parte delle ombre e delle luci presenti nell'immagine.

Ripetiamo la stessa procedura per i canali verde e blu ed otterremo la seguente immagine:

È opportuno ora correggere la rotazione dell'immagine per avere le righe il più possibile allineate con la direzione verticale. Scegliamo lo strumento Measure Tool dalla Toolbox sulla sinistra:

Tracciamo una linea lungo quella che dovrebbe diventare la direzione verticale. Per ridurre l'errore di valutazione soggettiva è opportuno tracciare la riga lungo tutta l'altezza dell'immagine. Tracciata la riga facciamo Image > Rotate Canvas > Arbitrary... Nella finestra di dialogo che appare lasciamo le impostazioni che ci propone e premiamo il tasto OK. L'immagine verrà  ruotata. Ora possiamo trasformare l'immagine a colori in una in toni di grigio, facendo Image > Mode > Grayscale. L'intensità  in ogni singolo pixel sarà  ora un numero compreso fra zero (nero) e 255 (bianco). Osserviamo ora un ingrandimento dell'immagine dopo la conversione in scala di grigi:

Applichiamo ora una soglia al 50% (cioè al livello 128) per mettere in evidenza il confine fra bianco e nero, facendo Image > Adjustments > Threshold e scrivendo 128 nella casella Threshold Level. Otteniamo la seguente immagine:

Il risultato non è molto soddisfacente perchè la presenza di graffi e difetti vari introduce "bordi" (cioè confini fra bianco e nero) anche dove essi non sono realmente presenti (es: righe nere oblique rispetto alle linee verticali e "macchie" bianche isolate entro le zone che dovrebbero essere nere). Un risultato migliore si ottiene applicando all'immagine originale un filtro "antigraffio", facendo Filter > Noise > Dust & Scratches... con parametri Radius = 2 e Threshold = 30 levels. Dopo il filtraggio, l'immagine appare così:

Se ora applichiamo la soglia al 50% si ottiene il seguente risultato:

Il risultato ora è accettabile. I rari difetti saranno corretti a mano successivamente. Le zone di bordo sono ora ben evidenziate come zone di confine fra bianco e nero. Ora applichiamo un filtro che evidenzia i bordi: facciamo Filter > Stylize > Find Edges. Si otterrà  la seguente immagine:

Gli ultimi difetti isolati dovranno essere eliminati manualmente con lo strumento "Pencil" dalla Toolbox con colore bianco o nero:

Come ultima cosa, scegliamo una zona di interesse rettangolare, sufficientemente rappresentativa della tipologia delle righe che intendiamo analizzare. Utilizzeremo lo strumento Crop dalla Toolbox:

Trasciniamo un rettangolo attorno alla zona di interesse e facciamo doppio click all'interno per eseguire l'operazione:

Salviamo l'immagine ottenuta in formato TIFF facendo File > Save As... e scegliendo TIFF come formato e NONE come compressione. Passiamo ora ad analizzare l'immagine con Igor Pro.

Questa procedura serve per la promozione dell'adesione del fotoresist attraverso la disidratazione sottovuoto della superficie e la successiva protezione dall'assorbimento di umidità  attraverso l'applicazione di uno strato passivante di HMDS (Hexamethyldisilazane, CAS# 999-97-3, vedi scheda di sicurezza) in fase di vapore. La procedura si esegue interamente entro il forno a vuoto.

Preparazione:

1. aprire il rubinetto dell'aria compressa sulla parete fuori da box;
2. aprire valvola della bombola e rubinetto "azoto Suss" sulla parete fuori dal box;
3. aprire i rubinetti aria e azoto per il forno a vuoto (di fianco al filtro aria HEPA);
4. assicurarsi che le valvole "vacuum", "gas" e "vent" sulla parte alta del pannello frontale del forno siano chiuse;
5. accendere l'interruttore generale del forno (interruttore sul forno);
6. accendere la pompa da vuoto (interruttore sulla parte bassa del forno);
7. chiudere la valvola di pompaggio (interruttore sulla parte bassa del forno);
8. portare il forno a 150 °C (tempo di riscaldamento circa 1 ora).

Procedura:

1. inserire il wafer nel forno;
2. accendere il riscaldatore del contenitore di HMDS (interruttore rosso sul fianco destro del forno);
3. accendere il baratron (unità  di controllo sopra il forno);
4. aprire la valvola di pompaggio e pompare fino a 10 torr;
5. chiudere la valvola da vuoto;
6. aprire la valvola "vent" e immettere N2 fino a 600 torr (manometro analogico sul forno indica 6" Hg);
7. chiudere la valvola "vent";
8. ripetere per tre volte dal punto 4;
9. aprire la valvola di pompaggio e pompare fino a 1 torr;
10. chiudere la valvola da vuoto;
11. aprire la valvola "gas" e immettere HMDS fino a 6 torr;
12. chiudere la valvola "gas";
13. attendere 5";
14. aprire la valvola di pompaggio e pompare fino a 1 torr;
15. aprire la valvola "vent" e immettere N2 fino a 600 torr (manometro analogico sul forno indica 6" Hg);
16. chiudere la valvola "vent";
17. aprire la valvola di pompaggio e pompare fino a 10 torr;
18. chiudere la valvola da vuoto;
19. ripetere per due volte dal punto 15;
20. aprire la valvola "vent" e immettere N2 fino alla pressione atmosferica;
21. chiudere la valvola "vent";
22. spegnere il riscaldatore del contenitore di HMDS (interruttore rosso sul fianco destro del forno);
23. estrarre il wafer;

Spegnimento:

1. spegnere la pompa da vuoto (interruttore sul forno);
2. portare il termostato a 0 °C;
3. spegnere l'interruttore generale del forno (interruttore sul forno);
4. spegnere il baratron (unità  di controllo sopra il forno);
5. assicurarsi che le valvole "gas" e "vent" sul pannello frontale del forno siano chiuse;
6. chiudere i rubinetti aria e azoto per il forno a vuoto (di fianco al filtro aria HEPA);