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3.3 Fabbricazione

3.3.2 Fotolitografia ottica

Per poter depositare selettivamente del metallo sulla regione attiva, si usano tecniche di fotolitografia ottica. Tali tecniche sfruttano la capacit `a di specifiche sostanze chimiche di variare la propria solubilit `a se esposte a luce ultraviolet- ta; queste sostanze sono chiamate photoresist.

Ogni fase litografica `e preceduta dalla realizzazione di un opportuna masche- ra che riproduce le forme che si vogliono litografare sul campione. Una volta depositato sul campione uno strato di photoresist la maschera viene disposta a contatto con esso dopo una preliminare fase di allineamento e il tutto illu- minato con luce ultravioletta: la maschera coprir `a le zone che non si voglio- no impressionare mentre tutte le altre verranno esposte. Successivamente, si potr `a rimuovere chimicamente il photoresist impressionato e utilizzare quello rimasto per proteggere il campione durante gli step successivi, quali processi di attacco chimico o di deposizione di metalli. In figura 3.18 `e illustrato lo sche- ma della fotolitografia finalizzata alla realizzazione di un attacco chimico delle strutture laser.

Ogni fase di litografia ottica `e realizzata mediante mask aligner. La com-

Figura 3.18: Riassunto dei passaggi di una fotolitografia ottica con successivo attacco chimico

ponente essenziale di un mask aligner `e una lampada a mercurio capace di generare luce ultravioletta che, tramite specchi, viene convogliata su un cam-

Figura 3.19: Il mask aligner

pione disposto su un opportuno portacampione. In figura 3.19 `e riportata la fotografia del mask aligner utilizzato.

La maschera viene innanzitutto fissata su un apposito sostegno in condizioni di vuoto; una volta depositato il photoresist in maniera uniforme sul campio- ne tramite deposizione a rotazione (spin coating) e posizionato quest’ultimo sull’apposito alloggiamento, si usano movimentazioni micrometriche (x-y) per allineare il campione con la maschera, e movimentazioni verticali (z), anch’esse di passo micrometrico, atte a far avvicinare il campione fino ad avere appena il

contatto. Infatti, per la buona riuscita di una litografia, `e necessario esporre il campione quando si trova a contatto con la maschera.

Qui di seguito si riassumono schematicamente tutti i passaggi della litografia soffermandomi sui parametri variabili della ricetta.

1. Deposizione del photoresist sul campione con possibilit `a di variare la dura- ta e la velocit `a di rotazione dello spin coat. Al termine di ci`o, tipicamente, ai bordi del campione il resist `e pi `u spesso rispetto al centro e pu`o essere utile rimuovere queste parti meccanicamente per consentire una perfetta adesione del campione alla maschera.

2. Cottura del resist (soft-bake), processo di cui `e possibile variare la dura- ta e la temperatura. Una cottura insufficiente non consente una buona adesione del resist sul campione mentre una sovrabbondante pu`o variar- ne le propriet `a ottiche e far perdere al resist sensibilita alla radiazione ultravioletta.

3. Immersione del campione non ancora esposto nella soluzione di svilup- po (presviluppo), con possibilit `a di variare il tempo in cui esso rimane immerso.

4. Esposizione alla radiazione ultravioletta con possibilit `a di variare la du- rata e l’intensit `a luminosa dell’esposizione. L’effetto pericoloso di questa fase `e il cosiddetto ”undercut”, cio`e l’esposizione alla radiazione anche delle parti coperte dalla maschera per via della diffrazione sui bordi scuri della maschera stessa, ed `e ci`o che rende molto importante la scelta dei para- metri di esposizione. Un’esposizione insufficiente produce poco ”undercut” ma non impressiona tutto il resist esposto, mentre nel caso di una esposi- zione prolungata l”’undercut” rischia di rendere malriuscita l’esposizione per via degli effetti di penetrazione della luce sotto le zone coperte.

5. Cottura finale del resist (hard-bake), processo per il quale `e possibile varia- re durata e temperatura. Anche in questa fase `e necessario prestare molta attenzione perch´e una cottura prolungata pu`o danneggiare l’esposizione appena fatta.

6. Immersione del campione nella soluzione di sviluppo, variandone il tem- po. In base alla durata e tipologia del processo litografico i tempi di svi-

luppo vengono calibrati per evitare di rimuovere eventuali ”pattern” di dimensioni critiche per un prolungato processo.

7. Pulizia di eventuali residui di resist mediante plasma di ossigeno. Una ricetta tipica per il tipo di resist usato comprende plasma eccitato da 20W di potenza e 100 secondi di tempo di esposizione.

Nel dettaglio il resist tipicamente usato per queste litografie ottiche `e l’S1818. Una ricetta standard per questi processi comprende: 1 minuto di spin-coat a 4000 rpm (spessore del resist ≈ 18µm), 1 minuto di soft-bake a 90◦, 20 ÷ 30

secondi di presviluppo, 8 secondi a 20 mW/mm2, 20 secondi di hard-bake a 120

e≈ 25 secondi di sviluppo finale.

Litografia del grating

La litografia del grating prevede di lasciare depositati sul campione, dopo lo sviluppo, una serie di parallelepipedi di resist di dimension 150µmx18µmx2µm. La larghezza di 2 µm `e prossima ai limiti di risoluzione intrinseci della litogra- fia ottica; `e quindi necessario calibrare una ricetta specifica per questo step di processo atta a ridurre il pi `u possibile gli ”undercut”.

La ricetta ottimizzata per questo processo `e: 1 minuto di spin-coat a 5000 rpm (spessore del resist ≈ 16µn), rimozione meccanica degli angoli con resist pi `u spesso tramite pinzetta, 1 minuto di soft-bake a 90◦, 15 secondi di preesposi-

zione dei soli bordi per impressionare le parti pi `u spesse del resist depositato, 20 secondi di presviluppo che contemporaneamente rimuovono i bordi preim- pressionati, 4 secondi di esposizione a 20mW/mm2, 15 secondi di hard-bake a

110◦ e 17 secondi di sviluppo finale.

I parametri trovati sono molto stringenti, una correzione del 5% dei tempi di sviluppo o la mancata rimozione dei bordi genera sufficiente ”undercut” da cancellare completamente le slits litografate precedentemente.

Maschera

Le fotomaschere sono in genere realizzate su supporti aventi un lato di vetro e uno di cromo e si compongono di cosiddetti campi, cio`e zone contenenti diversi disegni, ognuno dedicato ad uno step litografico individuale e tali da coprire praticamente qualsiasi dimensione di campione stiamo processando. Una fo- tomaschera `e generalmente disegnata con opportuni marker di allineamento, che vengono litografati insieme ai disegni corrispondenti alle fasi di processo, per facilitare l’allineamento con le litografie successive; in tal modo, se anche i campi successivi contengono gli stessi marker, `e sufficiente allinearsi con loro per allineare l’intero campo al campione.

Di seguito riporto le periodicit `a scelte per ogni struttura sulla base dei risultati delle simulazioni sull’efficienza radiativa:

• AR10: d/Λ = 0.60 Λ = 27.40µm d/Λ = 0.65 Λ = 28.00µm • AR7: d/Λ = 0.60 Λ = 32.80µm d/Λ = 0.65 Λ = 34.20µm • AR5: d/Λ = 0.55 Λ = 27.10µm d/Λ = 0.60 Λ = 28.05µm • AR2: d/Λ = 0.50 Λ = 22.35µm d/Λ = 0.55 Λ = 23.45µm d/Λ = 0.60 Λ = 26.00µm d/Λ = 0.65 Λ = 29.45µm

In figura 3.20 sono riportati una fotografia e uno schema della maschera pro- gettata. Osserviamo nella fotografia che la maschera `e divisa in campi e che a circondare ogni campo ci sono i marker.

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