Procedure Sperimentali per la Formazione del Silicio Macroporoso

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Caratterizzazione del Silicio Macroporoso come

Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 41

Procedure Sperimentali

per la Formazione del

Silicio Macroporoso

In questo capitolo verrà descritto il processo sperimentale utilizzato per realizzare il Silicio Macroporoso.

Questi esperimenti sono stati condotti interamente nei laboratori del DIMES ( Delft Institute of Microelectonics and Submicron Technology ) presso l’Università della Tecnica TUDelft - Delft – Paesi Bassi, nell’ambito del programma SOCRATES.

3.1 Il Campione

Negli esperimenti vengono utilizzati dei campioni di dimensioni 10 mm x 10 mm ricavati tagliando un wafer di Silicio e questi vengono detti campioni. Si utilizza un wafer drogato tipo N con una resistività di circa 3-5Ω⋅cm, un’orientazione cristallina di <100> e un diametro di 4 pollici su cui precedentemente è stato eseguito un passo litografico.

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 42 Questa litografia serve a selezionare alcune zone dove con, mediante un bagno in soluzione alcalina, vengono realizzati degli scavi a forma piramidale, detti start points, che sono i punti di partenza per la crescita dei macropori (vedi figura 3.3). Più precisamente viene deposto uno strato di 0.5µ di m

Nitruro (LPCVD) e vengono aperte delle finestre nelle aree attive con una maschera (figura 2.1 e 3.2). Le punte iniziali sono quindi formate con un attacco di 25 wt % TMAH ad 85°C e considerando che la velocità di dissoluzione del Silicio è di circa 30-35 µ /ora bastano pochi minuti per m

ottenerle.

Si esegue poi un impiantazione di As+ sul retro del campione con una dose di ₅_×₁₀15 _cm−2_{e con un energia di 100 keV. Successivamente si effettua} un annealing a 1000 °C per 30 minuti in modo da attivare il drogante. Questi passi hanno lo scopo di creare un contatto ohmico tra il campione ed il terminale di conduzione su cui il campione verrà incollaton nel modo descritto nel paragrafo 3.2.

Questi passaggi non sono stati oggetto di analisi in questa tesi.

I wafers vengono poi tagliati lungo precisi assi (figura 3.1) per realizzare i campioni che verranno utilizzati singolarmente per la crescita dei macropori. Al centro del campione è presente una regione detta, area attiva, di 6mm x 6mm dove sono presenti gli start points con una distribuzione tipo matrice dove le dimensioni e le distanze variano a seconda del chip utilizzato. La struttura tipica è una matrice di strart points quadrati con dimensione di alcuni

m

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Fig 3.1 Il taglio del wafer

1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 6 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 Wafers Sezione taglio Area attiva (tipo)

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 44 Fig 3.2 Il campione e gli start points

Tipo1(5x5) Tipo 2(4x4) Tipo 3 (3x4)

Tipo 4(3x3) Tipo 5(2x3) Tipo 6(2x2)

Fig 3.3 I tipi di aree attive

2 2 3 2 3 3 4 3 4 4 5 5 6 mm 10 mm Area Attiva Start Points

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 45 I chips sono di 6 differenti categorie, vengono realizzati da un unico wafer e ve ne sono 6 per ciascuna categoria (vedi figura 3.3).

Fig 3.4 Start point Fig 3.5 Start points

Nelle figure 3.4 e 3.5 si mostrano le immagini degli start points visti da un microscopio elettronico a scansione (SEM)

3.2 Il SET-UP

Il processo di set-up presenta complicazioni dovute principalmente al fatto che bisogna mantenere una faccia del campione in una soluzione che attacca fortemente i metalli mentre l’altra faccia deve rimanere esposta ad una lampada per garantire la generazione di coppie elettrone lacuna. Il campione viene incollato su una striscia di rame deformabile in corrispondenza di un foro quadrato ricavato da quest’ultima di 8mm x 8mm in modo che la zona attiva rimanga in corrispondenza della zona scoperta e che sia quindi possibile illuminare il retro (vedi figura 3.6).

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 46 Fig 3.6 Il montaggio del campione

Per il fissaggio è utilizzata una colla argento in modo da ottenere un contatto ohmico tra il campione e la striscia di rame, questa colla viene posta su una piccola superficie perimetrale del foro della linguetta e successivamente il campione viene appoggiato e premuto. Questo passo è molto delicato e di fondamentale importanza per garantire una distribuzione uniforme della corrente durante l’etching .

La forma della striscia di rame viene successivamente modellata ed appoggiata sull’ esterno di un box di PTFE ( materiale che non viene attaccato dall`HF ), il quale presenta un foro in corrispondenza dell’area attiva su una superficie inclinata di circa 60 gradi(vedi figura 3.6) per facilitare le procedure manuali di montaggio. La striscia di rame si fissa all’estremità del box tramite una vite che funge anche da terminale su cui verrà applicata la tensione.

Sezione 2 3 1 4 3 1 2 4

Vista dall`alto 1 campione _{2 strip di rame} 3 Box in PTFE 4 vite

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 47 L’altro terminale del bagno elettrochimico viene fissato ad una griglia di Platino che verrà immersa nella soluzione chimica. Questo terminale è realizzato in Platino poiché quest’ultimo è un metallo nobile non viene attaccato dalla soluzione acida.

Prima di immergere la box con il campione dentro un contenitore (sempre di PTFE) contenente la soluzione, tutta la strip di rame e anche parte del campione viene ricoperta da una cera nera in modo da evitare la dissoluzione anodica del rame in soluzione (figura 3.7), stando, ovviamente, attenti a non ricoprire la zona attiva.

Per generare lacune viene utilizzata una lampada alogena al tungsteno da 100W piazzata ad una distanza di circa 10 cm.

fig 3.7 Il campione fissato sulla

box e ricoperto dalla cera nera

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 48 Fig 3.9 La box in soluzione

La figura 3.7 mostra il campione incollato sulla strip di rame fissata alla box e ricoperta dalla cera nera per evitare che la soluzione acida attacchi il rame. In figura 3.9 viene mostrato come viene piazzata la box in soluzione e in figura 3.8 viene mostrato il bagno elettrochimico in una fase di etching.

3.3 Il Circuito

Si possono utilizzare 2 tipi di circuiti per la realizzazione del Macroporoso. In quello più semplice si usa un generatore di corrente per avere una corrente costante e quindi pori di diametro costante (si veda il modello al paragrafo 2.5). L’altro circuito invece, risulta essere più complesso e ricerche precedenti [43] hanno mostrato che la forma del poro è migliore e per questo motivo viene utilizzato anche in questi esperimenti. In questo caso si mantiene sul campione una tensione costante. Al procedere dell’attacco, la dissoluzione del Silicio porta un decremento della resistenza del campione e con una tensione costante un aumento graduale della corrente. Si usa per tale ragione un sistema di controllo (vedi figura 3.10) dove un amperometro misura la

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 49 corrente sul campione e manda il dato ad un elaboratore, il quale, con un semplice programma che è in grado di monitorare il variare della corrente, comanda il generatore della lampada in modo che se la corrente si alza si attenua l’intensità della luce e viceversa. Una luce inferiore produce meno lacune che arrivano sul campione così la corrente si abbassa ed è chiuso l’anello. Questo consente di mantenere la corrente entro un certo range che può essere impostato dal programma ad altri dati.

Fig 3.10 Il circuito Sorgente per lampada Multimetro Soluzione Campione Strp di rame Cera nera Luce PC Sorgente di Tensione Elettrodo di Platino

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 50 Gli strumenti utilizzati per il controllo sono :

• Multimetro digitale HP/Agilent 3478; • Generatore di Tensione HP/Agilent E3610 ;

• Generatore di potenza per la lampada HP/Agilent 6654 A ( Massima uscita 60 V , 9 A);

mostrati in figura 3.11.

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 51 Il programma è molto semplice ed ha un’interfaccia grafica come in figura 3.12 che consente di impostare i seguenti parametri:

Fig 3.12 Interfaccia grafica del programma

• Starting Current

corrente iniziale che scorre nella lampada

• Tolerance

tolleranza della corrente della cella elettrochimica.

• Current Value

valore fissato della corrente da mantenere costane per avere un diametro costante (vedi la 2.2).

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 52 • Refresh time

intervallo di tempo tra un controllo e l’altro

• Total Time

tempo di durata dell’attacco dopo il quale viene spenta l’illuminazione e l’attacco si blocca.

Il tasto Configuration apre una finestra con la quale può variare la corrente sulla lampada, mostrando istantaneamente la corrente sul campione. Questo è utile all’inizio dell’attacco per capire quale sia l’entità della Starting Current per avere il valore di corrente sul desiderato campione.

Il tasto Start, infine, inizia il processo.

Quando è pronto il bagno elettrochimico e la strumentazione è impostata collegando i terminali al campione si può iniziare la fase di impostazione della corrente. Cliccando su Configuration viene aperta la finestra per configurare la corrente di lampada, la luce si accende ed inizia a scorrere corrente nel bagno elettrochimico. Per ottenere la corrente voluta sul campione si regola l’intensità della corrente della lampada o la sua altezza. Questo a impostare deve essere fatto più velocemente possibile perché nell’instante in cui si accende la lampada parte anche la dissoluzione del Silicio.

Appena si trova il valore di corrente della lampada che determina il la corrente desiderata nel bagno elettrochimico si chiude la finestra configuration si impostano i dati del relativo etching sulla finestra principale (figura 3.12). Cliccando su Start parte l`attacco, l`andamento della corrente viene monitorata

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 53 nella finestra principale per tutto il tempo di durata dell`etching. Terminato questo tempo il campione viene posto qualche secondo in acqua deionizzata corrente per rimuovere i residui di acido da tutta la box immersa; successivamente viene il campione separato dalla box.

3.4 La Caratterizzazione

I campioni vengono sezionati utilizzando una penna con la punta diamantata e un righello. Si incidere il retro del campione lungo una direzione cristallografica ben precisa e successivamente si pone il campione su un particolare piano di plexiglas dove fissata una parte di superficie e premendo leggermente sull’altra si determina la rottura del campione lungo la parte già incisa.

Fig 3.13 Strumenti per tagliare il campione

Tagliare il chip non è semplice come tagliare un wafer in quanto il campione ha una superficie molto più piccola e non si riesce a controllare bene

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 54 la pressione su di esso. Tutto dipende dall’abilità di chi lo taglia. Successivamente viene il campione analizzato.

Una prima analisi viene eseguita con un microscopio ottico Secolux (figura 3.14).

Fig 3.14 Microscopio ottico

Questo passo è molto importante perché anche se non permette una visione molto accurata della sezione consente comunque a capire come siano cresciuti i pori in maniera rapida e nello stesso luogo dove viene fatto l’attacco elettrochimico. Basandosi su quest’analisi, si può decidere quali parametri modificare nel campione successivo.

Un’analisi più accurata viene fatta successivamente con un microscopio elettronico a scansione ( SEM) Philips XL30 SFEG (figura 3.15).

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 55 Fig 3.15 Il SEM

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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 56 Fig 3.16 Interno del SEM _{Fig 3.16 b Base d’appoggio per i}

campioni

Nelle figure 3.16 viene evidenziato come vengono posizionati i campioni all`interno del SEM. I campioni sezionati vengono appoggiati sul piano di fig 3.16b che ha un inclinazione di 30° e questo appoggio circolare può essere spostato nelle 3 direzioni e ruotato fino a 70° lungo l’asse di apertura del SEM quindi con una rotazione di 60° sfruttando i 30 ° del piano si riesce ad avere un visione perfettamente in sezione del campione.

3.5 La Soluzione

In questi esperimenti sono stati utilizzati 2 tipi di soluzioni che presentano concentrazione di HF differente per comprendere la sua influenza nella crescita del Silicio Poroso. La soluzione viene utilizzata per circa 8-10 campioni, successivamente viene cambiata perché l’Etanolo è una sostanza che evapora velocemente.

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Soluzione A

Questa soluzione è già stata utilizzata in [43] ed è composta da:

• 327 ml di acqua • 128 ml Etanolo • 55 ml HF (al 40%)

Soluzione B

La composizione in questo caso è: • 420 ml H₂O

• 50 ml Etanolo • 30 ml HF al 40 %

rispetto alla precedente soluzione questa presenta una concentrazione più bassa di HF.