Membrane in silicio

Per ottenere la trasparenza al NIR del silicio, ho realizzato delle membrane di spessore opportuno mediante processi litografici e rimozione chimica. Le dimensioni laterali della membrana selezionano la superficie di interazione tra la sorgente ottica e il materiale assorbente, mentre lo spessore ne determina il taglio in lunghezza d’onda. Se in linea di principio (par. 3.2.1) la trasparenza al NIR si ottiene per spessori inferiori a 10 µm, per cui assottigliare equivale a spostare la soglia di lunghezza d’onda verso il NIR, tuttavia una riduzione eccessiva dello spessore comporta problemi di natura meccanica, in quanto lo strato sottile di silicio risente di sollecitazioni meccaniche e deformazioni indesiderate.

La realizzazione della membrana può avvenire prima o dopo la crescita di germanio su silicio. La scelta sta nel valutare quanto i processi chimici di etching del silicio possono danneggiare il germanio cresciuto, oppure quanto la presenza di una membrana sottile di silicio influenzi il processo di crescita. A tal scopo ho simulato la distribuzione di temperatura sulla faccia di crescita del substrato con

membrana già formata, essendo il processo di crescita fortemente dipendente dalla temperatura del substrato. I parametri di progetto utilizzati per la simulazione considerano un substrato di silicio cristallino, in cui è stata praticata una membrana di spessore di 10 µm, e sulla cui faccia laterale minore viene iniettata una corrente tale da portare il campione ad una temperatura di 500°C. La distribuzione di temperatura sulla superficie ha un gradiente inferiore al grado, per cui l’assenza di silicio sottostante la zona centrale in corrispondenza della membrana non influisce sul processo di crescita (Fig. 4.5). Al contrario, realizzare la membrana dopo il processo di crescita richiede la passivazione della superficie per proteggerla dall’attacco chimico, introducendo una serie di complessi e delicati passaggi tecnologici aggiuntivi.

Le dimensioni scelte per la realizzazione della membrana, dettate da richieste specifiche di progetto per l’utilizzo in setup dedicati, prevedono un’area di 30 µm x 1 mm e spessore 10 µm. Per ottenere un etching controllato di circa 370 µm in tempi relativamente brevi (< 7 ore), ho utilizzato una tecnica di wet etching anisotropo in KOH che rimuove il silicio selettivamente rispetto al Si3N4

lungo direzioni cristallografiche precise. In particolare il wafer di partenza è un Si(100) di 4” DSP (Double Side Polished) di spessore 380 µm su cui è stato cresciuto da ambo le parti 1 µm di Si3N4 LPCVD (Low Pressure CVD). Su di esso

viene steso un sottile strato di resist (elettronico o ottico in base al tipo di litografia) e mediante un processo litografico e di attacco viene trasferito il disegno per le aperture. Per far ciò è necessario calcolare esattamente la dimensione della geometria da trasferire considerando il piano di attacco, lo spessore da rimuovere, e lo spessore della membrana (Fig. 4.6).

4.2 Microfabbricazione tecnologica 100

Figura 4.5: simulazione della distribuzione di temperatura durante il processo di

Figura 4.6: schema per il calcolo del disegno per la litografia per il wet etching

anisotropo del silicio.

Imponendo d=10 µm, a=30 µm, b=1 mm, h=380 µm, il disegno da trasferire deve avere rettangoli di dimensioni L·W, con L e W ricavati dalle formule seguenti:

= + − ⋅ ° = + − ⋅ ° 2( ) cot(54.7 ) 2( ) cot(54.7 ) W a h d L b h d (4.1)

La selettività di attacco dei piani (100) rispetto ai piani (111) è maggiore di 400, per cui, durante l’attacco, si verifica un underetching di circa 1 µm al di sotto del Si3N4; nel calcolo della eq. 4.1 non ne viene tenuto conto perché tale valore

rientra nella tolleranza dell’attacco. Dopo aver sviluppato e rimosso il resist esposto, si rimuove il Si3N4 con l’attacco a ioni reattivi (RIE - Reactive Ion Etching), in

modo da avere sulla faccia superiore delle finestre rettangolari L·W in silicio. La ricetta utilizzata per la rimozione del Si3N4 (Tab. 4.2) viene applicata in cicli di 4’

intervallati da 1’ per evitare il surriscaldamento del substrato. Con un rate di attacco di 500 Å/min, dopo 25’ il Si3N4 è completamente rimosso. Per eliminare il

resist residuo, il wafer viene sciacquato in acetone ed espsosto per 10’ ad un plasma di O2. Viene quindi alloggiato su una forchetta di Teflon e immerso in una

4.2 Microfabbricazione tecnologica 102

Flusso CHF3 (sccm) Flusso O2 (sccm) Pressione (mTorr) Potenza (W) Etch rate (Å/min)

10 4 50 180 500

Tabella 4.2: ricetta per la rimozione del Si3N4 in RIE.

La rimozione del silicio avviene in tre passaggi a diverse temperature decrescenti: il primo passaggio ad una temperatura di 80°C con un rate di attacco di 54 µm/ora per rimuovere circa 300 µm di silicio; il secondo a 70°C con un rate di 35 µm/ora per rimuovere 50 µm; il terzo a 60°C con rate di 20 µm/ora per i restanti 20 µm. L’ultimo passaggio, condotto a temperatura più bassa, è necessario non solo per il controllo accurato dello spessore, ma anche per evitare un attacco violento che inciderebbe sulla rugosità della superficie della membrana; essendo questo il lato illuminato del dispositivo PEFE, è fondamentale ridurre al minimo la rugosità della superficie per limitare lo scattering della luce. In Fig. 4.7 vengono messe a confronto immagini SEM relative al processo in KOH in condizioni di attacco rapido e attacco lento. Lo spessore viene monitorato periodicamente durante l’attacco per verificare il rate e controllare la perfetta integrità del Si3N4 che opera

da maschera, avendo un rate di attacco in KOH praticamente trascurabile (rate Si/rate Si3N4 >1000).

Figura 4.7: immagini SEM della formazione della membrana in KOH. La rugosità

Al termine dell’attacco in KOH, il wafer viene trattato con RCA5 per la rimozione di contaminanti residui dagli attacchi precedenti e tenuto per più di 5 ore in HF (49%) diluito 1:10, per la rimozione totale del Si3N4. Viene infine tagliato in

campioni di 2x1 cm2 (Fig. 4.8).

Figura 4.8: schema della realizzazione della membrana (vista in sezione). a) wafer

di Si con Si3N4 LPCVD; b) stesura del resist; c) esposizione, sviluppo e RIE per la rimozione del Si3N4; d) wet etching in KOH; e) etching del Si3N4 in HF.

Ogni campione con membrana viene sottoposto ad una verifica indiretta di spessore, dato che la misurazione con profilometro non può essere eseguita a causa del dislivello elevato (>300 µm) fra il piano di superficie e quello della membrana. Illuminando con luce bianca dalla parte della membrana, sulla superficie di silicio appare la sagoma del risultato di filtraggio delle lunghezze d’onda della luce bianca. La sagoma rossa conferma che la membrana opera come filtro a stato solido, sia sul piano geometrico delimitando l’area di estinzione della luce, sia ottico selezionando lunghezze d’onda superiori a quelle assorbite dal substrato (Fig. 4.9).

5 _{RCA consiste in due passaggi per la pulizia dei substrati di silicio. Il primo prevede 15’ a 80° C in} una soluzione 1:1:5 di NH4OH:H2O2:H2O. Il secondo consiste in 30’ a 80° C in una soluzione 1:1:6 di HCl: H2O2:H2O.

4.2 Microfabbricazione tecnologica 104

Figura 4.9: confronto tra illuminazione frontale e dal retro della membrana con luce

bianca. La membrana opera un filtraggio spaziale e ottico se illuminata da dietro.

Il confronto delle trasmittanze tra un campione di silicio bulk, un campione di silicio con membrana e un campione di germanio cresciuto su silicio con membrana è stato eseguito con uno spettrofotometro con sfera integratrice con intervallo di radiazione compreso tra 600 nm e 2000 nm (Fig. 4.10). Il silicio bulk presenta una soglia in corrispondenza della banda proibita, oltrepassata la cui lunghezza d’onda, è completamente trasparente. Il valore di trasmittanza a cui tende non supera il 50% a causa dei fenomeni di riflessione nelle interfacce aria/silicio e silicio/aria: nel caso di superfici non lucidate, la percentuale di radiazione riflessa aumenta notevolmente, producendo valori di trasmittanza non superiori al 10%. Lo spettro della membrana, come previsto, sposta la soglia di trasparenza verso lunghezze d’onda inferiori, per cui per lunghezze d’onda maggiori di 800 nm il valore di trasmittanza inizia ad aumentare sensibilmente. Lo spettro riferito al germanio epitassiale su silicio con membrana mostra il massimo della trasmittanza oltre 1600 nm: nell’intervallo 800-1600 nm, considerata la percentuale persa per la riflessione, la radiazione viene assorbita dallo strato epitassiale di germanio.

Figura 4.10: spettro in trasmittanza di silicio bulk, silicio con membrana, e germanio

cresciuto su silicio con membrana.