Fotolitografia

Questo è il passo più critico per la buona riuscita di tutto il post- processing. E’necessario, infatti, definire le geometrie che verranno in- teressate dagli attacchi che si faranno successivamente, in particolare in acido fluoridico (BHF) e in idrossido di tetrametilammonio(TMAH). La figura 3.14 schematizza i passi principali che riguarderanno il post- processing del chip per ottenere delle strutture sospese. In linea genera- le si dovrà rimuovere l’ossido e il silicio presente sotto le strutture sensi-

bili preservando la loro integrità. Questo richiede un’elevata precisione durante la definizione delle geometrie.

Figura 3.14: Rappresentazione dei principali passi di microlavorazione eseguiti durante il post-processing.

La fotolitografia consiste nel trasferire una geometria voluta, definita su una maschera, su uno strato di fotoresist deposto sul substrato. Essa viene eseguita in un particolare ambiente, clean room, ed avviene seguendo tre distinti step:

1. Stesura del fotoresist;

2. Esposizione alla luce UV tramite maschera di quarzo; 3. Sviluppo, ovvero rimozione selettiva del resist esposto.

La stesura del fotoresist: come accennato in precedenza è un passo abbastanza critico in quanto comprende una serie di operazioni diffi- cili da ottimizzare. La non perfetta esecuzione di questo passo com- porterebbe una stesura non ideale del resist e quindi zone non protette potenzialmente attaccabili durante l’etching.

La stesura del resist è stata effettuata con uno spinner, costituito da un piatto girevole su cui si appoggia il campione tenuto in posizione

tramite una pompa a vuoto. E’ possibile programmare non solo la velocità di rotazione, ma anche l’accelerazione e decelerazione e dando quindi la possibilità di personalizzare la stesura in base all’applicazione rischiesta.

Il fotoresist utilizzato è il Microposit S 1818, un resist positivo la cui sigla indica che ad una velocità di 4000 rpm si forma uno spessore di 1.8 µm. Nella tabella B.1 presente in appendice sono riportate le caratteristiche dei programmi di stesura utilizzati in questo lavoro di tesi sia per i flussimetri termici che per i sensori acustici.

La caratteristica riguardante l’andamento dello spessore in funzione della velocità di rotazione è mostrata in figura 3.15. Prima del fotore- sist si è reso necessario deporre un sottile strato di Microposit Primer. L’utilizzo di questo materiale è necessario per garantire una maggiore aderenza del resist deposto successivamente.

Figura 3.15: Curva che mostra l’andamento dello spessore del resist S 1818 in funzione della velocità di rotazione.

profondità pari a circa 2 micron e si è deciso quindi di deporre il resist utilizzando il programma G, le cui carattersitiche sono riportate nella tabella in appendice. Questo programma prevede una velocità di de- posizione pari a 4000 rpm tale da garantire uno spessore ottimale per la copertura delle strutture.

Abbastanza critico, per un’ottima stesura del resist, è il passo relati- vo al prebacking. Questo step consiste nella cottura del resist prima dell’esposizione. Secondo quanto noto in letteratura [20], per i nostri scopi si è scelto di effettuare la cottura per mezzo di un hot plate ad una temperatura di 115◦C.

Osservando il campione al microscopio ottico dopo il completamento di questo passo, figura 3.16, si è osservato che il resist è deposto uni- formemente per la maggior parte del chip ma presenta dei difetti in zone vicine ai pad e all’elettronica integrata.

Anche se queste imperfezioni interessano solo zone piccole del chip, sono abbastanza critiche in vista degli attacchi che subirà il campio- ne. E’ chiaro, infatti, che nelle zone non coperte dal resist il BHF troverà un percorso favorevole, come mostrato in figura 3.17, coin- volgendo zone del chip che dovrebbero essere assolutamente protette (l’elettronica integrata in particolare).

Sono state fatte numerose ipotesi riguardo alla stesura non uniforme del resist. I gradi di libertà che si hanno riguardano la velocità di rotazione dello spinner, e quindi lo spessore del resist, e il passo di pre-backing. Ipotizzando che fosse un problema di spessore, visto che le imperfezioni riguardavano spesso parti del chip con spessori irregolari (pad o metal 3), si è deciso di aumentare lo spessore del resist diminuendo quindi la velocità di rotazione utilizzato il programma di deposizione H, descritto in appendice.

La deposizione ottenuta, non è stata ottimale in quanto il resist non ha aderito bene nei punti in cui si hanno variazioni brusche di spessore,

Figura 3.16: Fotografia al microscopio ottico del chip dove sono mostrati difetti del resist vicino alla zona dove è presente l’elettronica integrata (giallo)

e vicino ai pad(rosso).

Figura 3.17: Immagine al microscopio ottico che mostra le piste di metal distrutte dal BHF penetrato nel resist.

favorendo quindi un’elevata penetrazione de BHF durante gli attacchi successivi. Inoltre compaiono ancora i difetti precedentemente descritti. Supponendo che queste imperfezioni fossero dovute ad una cottura troppo brusca del resist, che causa una sorta di esplosione degli ac- cumuli di materiale sul chip, si è deciso di modificare la fase di pre- backing.

Si è deciso quindi di fare una cottura graduale del resist : dopo la stesura, si posiziona il chip sull’ hot plate posto ad una temperatura di 50◦C. Dopodichè la temperatura viene impostata a 115◦C ottenendo un aumento graduale della temperatura che non comporta stress termici al resist. Raggiunti i 115◦C il chip è lasciato immobile per 1 minuto e 15 secondi.

Effettuato il pre-backing, è necessario rimuovere eventuali accumuli di fotoresist sul retro del campione. Questi potrebbero creare degli spessori che impedirebbero un posizionamento perfettamente planare nell’allineatore di maschere.

L’esposizione è stata effettuata utilizzando l’allineatore di maschere Karl S¨uss MJB 34 UV 400, le cui caratteristiche sono descritte in det- taglio nell’appendice ad esso relativa.

Per definire la struttura in questione è stata utilizzata la maschera 1 relativa ai flussimetri termici. Per i dettagli geometrici della maschera rimandiamo all’appendice relativa alla progettazione delle maschere. In base alle caratteristiche della lampada utilizzata ed ai dati ricavati dal datasheet del resist S1818 relativi allo spessore deposto, la durata dell’esposizione è stata fissata a 10 secondi. In figura 3.18 è mostra- to un particolare del sensore dopo aver effettuato la litografia. Si può osservare che lungo la direzione x l’allineamento è avvenuto perfetta- mente, il resist infatti garantisce un margine di protezione di circa 3 micron; mentre lungo la direzione y (freccia gialla) la protezione delle

strutture è particolarmente ridotta a causa di un cattivo allineamento.

Figura 3.18: Fotografia al microscopio ottico di un particolare della strut- tura dopo aver effettuato la litografia. E’ stato messo in evidenza che lun- go la direzione x l’allineamento è avvenuto perfettamente; mentre lungo la direzione y (freccia gialla) la protezione delle strutture non supera i 2 micron

Sviluppo e post-backing. Per completare la fase di litografia sono necessari i passi relativi allo sviluppo e al post-backing. Lo sviluppo consiste in un bagno in una soluzione composta da H2O:351, in un

rapporto 3 : 1. La durata dello sviluppo dipende dallo spessore del resist deposto. Per questi sensori la durata è stata di 70 secondi. Per completare il passo litografico si è effettuato il post-backing. Il campione viene cotto per 30 minuti a 130◦C in un forno a convezione.