La tecnica di metallizzazione è generalmente finalizzata (ma non limitata) alla fabbricazione di contatti elettrici di prototipi e dispositivi per l'estrazione dei segnali da loro prodotti. Di solito i metalli vengono depositati con uno spessore che varia da pochi strati atomici a pochi micrometri, in funzione dell'applicazione specifica. ISM propone tre tecniche per la metallizzazione: sputtering con magnetron, evaporazione con fascio elettronico e deposizione laser pulsata, tutte situate nel laboratorio DiaTHEMA della sezione Montelibretti.
Nello sputtering con magnetron, le particelle ionizzate dovute all'attivazione di un plasma di un gas inerte (ad es. Ar) sono costrette a urtare un bersaglio (il materiale da depositare) causando l'espulsione di atomi e/o cluster molecolari, che successivamente si condensano sulla superficie del substrato per la formazione del rivestimento metallico. Questa configurazione viene generalmente utilizzata nella deposizione di film con spessore> 20 nm. Derivato da un'unità commerciale (Leybold LH Z400), il sistema disponibile è dedicato alla deposizione di materiali di dimensioni fino a 4 pollici.
L'evaporazione da fascio elettronico è una deposizione fisica di vapore in cui gli elettroni ad alta energia incidono sul materiale da depositare, tipicamente sotto forma di barre o pellet, inducendone la sublimazione e la successiva deposizione su un substrato. All'interno della camera a vuoto, il metallo viene inserito in un crogiolo dove viene irraggiato da un fascio di elettroni. Il sistema impiega un sistema multi-crogiolo che consente il deposito di multistrati. Per migliorare l'omogeneità della deposizione, i substrati sono montati su un supporto rotante, la cui velocità può essere controllata dall'operatore.
La deposizione laser pulsata si basa sulla vaporizzazione da un material bersaglio causata dell'interazione con un raggio laser ad alta potenza. Il materiale evaporato forma una densa nuvola di specie ionizzate, di diversa natura, nota come plume. La plume, formata da atomi, ioni, particelle e piccoli aggregati atomici (vale a dire ammassi), si condensa sulla superficie del substrato di deposizione. La sorgente laser disponibile è un Lambda COMPex 102, in grado di produrre un raggio pulsato (con una durata di impulso singolo pari a 30 ns) che opera in modalità Q-switching e con una lunghezza d'onda di 193 nm.

Leybold LH Z400 IONVAC EVPK 500EBK ns-PLD (@193 nm)

La tecnica di ionizzazione elettrospray (ESI), consente di portare grandi molecole in fase gassosa, grazie alla sua capacità di generare spray di particelle cariche monodisperse che possono essere anche depositate, producendo così pellicole di rivestimento sottili e uniformi. La tecnica ESI si basa sull'uso di una soluzione a bassa concentrazione della molecola di interesse che scorre all’interno di un piccolo capillare tenuto ad alta tensione (tipicamente alcuni kV) rispetto a un controelettrodo collegato a massa posto a alcuni mm di distanza.  
Sulla punta del capillare, la tensione superficiale del liquido compete con l'effetto del campo elettrico e forma il cosiddetto "cono di Taylor", all'interno del quale l'esplosione Coulombiana crea uno spray di goccioline cariche. La dimensione delle goccioline, che possono essere piccole fino a pochi nanometri, continua a diminuire man mano che il solvente evapora e, alla fine, si forma un gas di ioni molecolari. Questo approccio fornisce un'efficace rimozione del solvente e ha il vantaggio che la deposizione può essere effettuata a pressione ambiente o in atmosfera controllata, con una significativa riduzione dei costi e dei tempi del processo rispetto alle deposizioni in vuoto. Quindi potrebbe essere facilmente automatizzato e applicato su larga scala. Il sistema è disponibile presso il laboratorio DepEST della Sezione di Montelibretti.

DEPEST LAB

Il micro e il nanomachining di materiali e dispositivi viene eseguito con tecniche che modificano fisicamente la loro superficie e/o il loro volume, come ad esempio il Reactive Ion Etching (RIE) e il Patterning con fs-Laser, che differiscono per i meccanismi fisici e per la logica di processamento.
Il RIE è usato per modellare i materiali sotto vuoto in presenza di ioni reattivi. Lo scopo della macchina RIE è di solito incidere selettivamente la superficie di un materiale utilizzando un gas chimicamente reattivo nello stato di plasma. Il plasma viene generato da un campo elettromagnetico e diretto verso un substrato precedentemente processato con tecnica fotolitografica. Gli ioni ad alta energia dal plasma possono attaccare fisicamente e/o chimicamente il materiale in trattamento o reagire con la sua superficie per rimuovere gli atomi del materiale bersaglio con elevata anisotropia. Con il sistema disponibile presso il laboratorio DiaTHEMA della sezione Montelibretti possono essere ottenute profondità di rimozione fino a decine di micrometri, con risoluzione spaziale legata alla tecnica fotolitografica usata.
Il patterning con fascio laser è una tecnica basata sulla scrittura diretta dei materiali alla micro e nanoscala. Le modifiche apportate dall'interazione con il fascio laser a impulsi ultracorti possono essere utilizzate per controllare le proprietà della superficie e possono essere impiegate per fabbricare canali 3D complessi nella maggior parte dei materiali solidi. Le risoluzioni raggiungibili sono sub-micrometriche e le applicazioni possono variare da ottica, fotonica, microfluidica, elettronica. Il sistema comprende un laser al femtosecondo Ti:zaffiro (durata dell’impulso di circa 100 fs) e la workstation con risoluzione nanometrica Newport MicroFab, operante nella Sezione di Tito Scalo e gestito dal FemtoLAB e dal DiaTHEMA Lab.

RIE uFAB - Micro & Nano lavorazioni

Due tecniche di litografia ottica sono disponibili: 1) litografia a ultravioletti, anche nota come fotolitografia, che è la tecnica selettiva più utilizzata nella microtecnologia, 2) litografia a 2 fotoni, che è un processo di strutturazione 2D e 3D ad alta risoluzione di un materiale fotosensibile indotto da un laser a impulsi ultracorti con intensità di radiazione sufficientemente superiore a una definita soglia.
Nel caso della fotolitografia, il fotoresist (un materiale fotosensibile) viene rivestito con tecniche di spin su un substrato e, successivamente, esposto con luce UV attraverso una fotomaschera contenente la geometria da trasferire. Dopo lo sviluppo del campione esposto, la geometria della fotomaschera viene trasferita sul fotoresist. Il DiaTHEMA Lab di ISM, situato nella sezione Montelibretti, dispone di un Sistema fotolitografico composto da un allineatore per maschere MA6 Karl Süss, in grado di raggiungere una risoluzione di circa 1 μm, e uno spin-coater SUSS MicroTec LabSpin, con velocità massima di 5000 giri/min. L'installazione è montata in una camera bianca per migliorare la pulizia del processo di litografia. È possibile utilizzare fotoresist sia positivo che negativo, con spessore fino a 30 μm.
In caso di litografia a 2 fotoni, è possibile ottenere forme geometriche 2D o 3D senza maschera scrivendo direttamente con il fascio laser ultraveloce, che può essere focalizzato fino alla risoluzione sub-micrometrica. Le caratteristiche di alcune centinaia di nanometri sono ottenibili grazie all'esistenza della soglia di intensità, che consente di spingere la risoluzione sulla dimensione del punto laser. Il sistema comprende un laser al femtosecondo Ti:zaffiro (durata dell’impulso di circa 100 fs) e la workstation con risoluzione nanometrica Newport MicroFab, operante nella Sezione di Tito Scalo e gestito dal FemtoLAB e dal DiaTHEMA Lab.

Fotolitografia 1µm Litografia a 2 fotoni