Experimentari pentru compatibilizarea proceselor tehnologice in realizarea senzorilor integrati cu ghiduri optice

EXPERIMENTARI pentru compatibilizarea proceselor tehnologice in realizarea senzorilor integrati cu ghiduri optice

Pentru aplicatii in micro-pozitionare structurile de fotodetectoare sunt integrate cu un ghid de unda optic, de tip canal (rib), realizat din polimerul SU8 si configurat fotolitografic la suprafata stratului de oxid. In figura 7 este reprezentata o imagine realizata la microscopul optic a fotodetectorului de tip matrice liniara, integrat cu un ghidul optic, o imagine de ansamblu si una in detaliu.

Pentru miezul ghidului de unda optic a fost folosit polimerul SU-8. Alegerea s-a bazat pe calitatile acestui material (indice de refractie relativ mare, transparent pentru lungimi de unda de interes, rezistenta chimica excelenta la majoritatea materialelor folosite la corodarea chimica, adeziune foarte buna la substrat, biocompatibilitate,  etc), care-l recomanda ca ghid optic.Acest material nu este foarte ieftin, dar este utilizat in ultimii ani in realizarea tuturor tipurilor de senzori si microsisteme tridimenisonale si in obtinerea sistemelor micro-optice.

Caracteristici  tehnice ale straturilor polimerice SU-8

SU-8 este un fotorezist bazat pe rasini epoxidice, utilizat pentru procesele de micromasinare si pentru alte aplicatii microelectronice care necesita un pattern gros, cu o stabilitate chimica si termica ridicata. Suprafetele expuse si polimerizate ale straturilor de SU-8 devin insolubile la actiunea substantelor de developare. SU-8 are o transparenta optica foarte mare in regiunea 360 nm. Aceasta proprietate permite ca fotorezistul sa poata fi utilizat pentru obtinerea unor pereti verticali in straturi groase.

Fotoezistul negativ SU-8 este un lichid compus dintr-o rasina epoxi, un solvent (ciclopentanona) si un material fotosensibil (amestec de saruri triaril sulfoniu/ hexafluoroantimonat); dupa expunerea la radiatie UV, materialul fotosensibil genereaza un acid puternic (HSbF₆) care produce o polimerizare cationica a rasinii epoxi cind este atinsa o temperatura critica post-expunere. Astfel, materialul neexpus poate fi indepartat cu un solvent in procesul de developare.

Exista mai multe tipuri de rezist SU-8 ,care difera prin vascozitate si in consecinta prin grosimea stratului ce poate fi etalat si deci configurat ca miez pentru ghidul de unda optic.

Pentru realizarea ghidului optic integrat cu fotodetectorul se va folosi SU-8 2002, care are o vascozitate in valoare de 45 cSt, si poate fii obtinut cu grosimi de 1,5μm, 2 μm ,5 μm, in functie de viteza de rotatie a spinner-ului.

Procesarea SU-8

Fotorezistul SU-8 este procesat prin expunere la radiatia UV (350-400 nm) sau patternul poate fi obtinut prin utilizarea de fascicule de electroni, raxe X, sau radiatie cu lungimea de unda de 365nm. Dupa expunere, procesul de polimerizare are loc in doi trepte :

formarea unui acid puternic in timpul procesului de expunere,

polimerizarea rasinii initiata de acidul format la treapta initiala in prezenta unui tratament termic in timpul procesului post- expunere.

Realizarea ghidului optic din SU-8

Procesul tehnologic optimizat pentru realizarea ghidului optic pe baza de polimeri, integrat cu fotodetectorul, consta din:

a) curatire depunere SU8 2002 in H2SO4,rece/tratament la 150 C.

b) etalare SU8 cu 3000rpm/tratament post etalare la 65 C timp de 1 min., si la 95 C timp de 1 min./expunere prin masca M4/tratament post expunere la 65 C timp de 1 min., si la 95 C timp de 1 min /developare/ tratament « hard-bake »

Procesele elaborate la aceasta faza au fost utilizate la realizarea fotodetectorului multielement cu 4 elemente active integrat cu un ghid optic din SU8 prezentat in fig. 7.

Este recomandat ca tratamentul termic sa fie perfect controlat pentru ca polimerizarea sa fie realizata corespunzator pentru partile din rezist care raman sa faca parte din dispozitiv.

a) b)

Fig. 7 Imagine la microscopul optic a fotodetectorului multielement integrat cu

ghidul de unda optic: a) ansamblu; b) detaliu

In figura 8 sunt prezentate imagini SEM (Scanning Electron Microscope) ale fotodetectorului multielement cu 4 elemente active integrat cu un ghid optic din SU8. In detaliul prezentat in figura 8b), se observa o trecere "lina" a ghidului de unda , o consecinta a faptului ca s-a realizat o corodare in panta a oxidului din fereastra de difuzie.

  

a) b)

Figura 8 Imagine SEM a fotodetectorului multielement integrat cu

ghidul de unda optic: a) ansamblu; b) detaliu