REFERAT

asupra tezei de doctorat

Micro-nanostructuri: tehnici de fabricație optimizate

elaborată de ing. Cătălin Corneliu PÂRVULESCU

Conducator de doctorat Prof.Dr. Ing. PAUL ŞCHIOPU

Subsemnatul, Profesor Doctor Inginer Paul Şchiopu, de la Univesritatea

Politehnica Bucureşti, în calitate de Conducător de Doctorat pentru teza de doctorat

cu titlul “Micro – nanostructuri: tehnici de fabricaţie optimizate”, numit prin

Ordinul Rectorului Universităţii POLITEHNICA din Bucureşti, Nr. din data......, ,

prezint constătările privind analiza conţinutului tezei, evaluarea rezultatelor obţinute

de ing. Cătălin Corneliu PÂRVULESCU, aprecierile şi concluziile finale.

Lucrarea elaborată de doctorandul ing. Cătălin Corneliu PÂRVULESCU, cu titlul " “Micro – nanostructuri: tehnici de fabricaţie optimizate”, răspunde provocărilor ştiinţifice şi tehnologice de actualitate în domeniul micro – nanotehnologiei prin dezvoltarea şi/sau optimizarea unor procese pentru fabricația de micro și nanostructuri bazate pe utilizarea siliciului ca substrat şi integrarea a noi materiale, compatibile cu tehnologia siliciului.

Motivația alegerii temei este strâns legată de de oportunitatea de a optimiza sau dezvolta noi procese şi dispozitive prin utilizarea de echipamente, noi materiale compatibile în microfabricație și de a stabili noi tehnici nestandard. Înțelegerea celor mai importante aspecte teoretice, coroborată cu abordarea integrata şi unitară a triadei: material, procese tehnologice, aplicaţie este foarte importantă pentru realizarea unor dispozitive funcționale. Din această perspectivă, doctorandul a acordat o atenție deosebită nu doar procesului de fotolitografie care este pe domeniul propriu de expertiză cât și optimizarii fluxurilor tehnologice de fabricație pentru diferite dispozitive, prin utilizarea a noi materiale. De aceea, activitatea experimentală desfăşurată pentru realizarea acestei teze, evidenţiată şi prin contribuţiile personale la dezvoltarea tematicii abordate, s-a materializat prin realizarea unor structuri de celule solare, biosenzori, dispozitive fluidice și chiar microconcentratoare.

Teza prezintă rezultate experimentale ample, deosebit de interesante mai ales sub aspect aplicativ constând din procese tehnologice noi şi/sau optimizate pentru: îngroşare electrochimică, preparare selectivă de TiO2 obţinut prin anodizarea electrochimică a Ti metalic şi integrarea acestuia în aplicaţii la dezvoltarea de celule solare, senzori şi realizarea microcanalelor pentru microfluidică, lipire anodică sticlă – sliciu, fotolitografie prin dublă aliniere, fotolitografie pentru realizarea structurilor cu geometrii fine şi mai multe nivele de mascare, microprelucrarea de suprafață în vederea realizării de canale microfluidice obținute pe substratul de siliciu, obţinerea

matricii de micro lentile cu un singur proces fotolitografic și două etape de gravură în soluţie apoasă de KOH. Ca urmare a cercetărilor efectuate, au fost dezvoltate metode de fabricație și prototipuri ce pot fi ușor adaptate la utilizare industrială.

Teza de doctorat elaborata de doctorandul ing. Pârvulescu Cătălin Corneliu este redactată pe un număr de 156 pagini şi este structurată în șase capitole, din care un capitol introductiv, patru capitole principale în care sunt prezentate in extenso rezultatele experimentale care au stat la baza fundamentării lucrării şi un capitol care include concluziile autorului, prezentate individual pentru fiecare capitol, contribuţiile proprii ale doctorandului şi perspectivele de valorificare ulterioară a rezultatelor obţinute pe perioada studiilor doctorale.

Capitolul introductiv începe cu o scurtă prezentare a domeniului temei alese, continuă cu prezentarea scopului tezei de doctorat şi se încheie cu prezentarea succintă a structurii lucrării pe capitole. Este subliniată importanţa tehnicilor de microfabricaţie care permit fabricarea în același timp a unui număr mare de dispozitive cu comportament funcțional identic care pot fi interconectate între ele pentru crearea de sisteme complexe. Optimizarea proceselor de fabricaţie reprezintă un pas important în evoluția sistemelor micro-nano-electromecanice (MEMS/NEMS), dispozitivelor fotonice și optoelectronice și sistemelor solare.

Capitolul al doilea “Procese tehnologice și îmbunătățirea acestora”, începe cu o prezentare din punct de vedere teoretic a proceselor standard utilizate în fabricația dispozitivelor: oxidarea termică, difuzia, depuneri PVD și CVD, corodările umede și cele uscate - RIE și DRIE.

În continuare se prezintă procesul tehnologic inovativ optimizat de îngroșare electrochimică prin mască de fotorezist, exemplificat prin realizarea unui microradiator. Doctorandul a optimizat procesul fotolitografic pentru microprelucrarea de suprafață în vederea realizării de canale microfluidice obținute în substratul de siliciu. Acest proces inovativ a stat la baza obţinerii brevetului de invenție cu titlul “Micro radiator microprocesat pe suprafață”, autori: Antonie Coraci, Eremia Iancu, Elena Manea, Cătălin Pârvulescu, Ioana Magdalena Stanca, BI: TCI -Nr.10TPS/ 2010.

În finalul acestui capitol sunt prezentate procesele noi implementate de autor pentru care s-au realizat studii experimentale sistematice care au condus la stabilirea parametrilor optimi de proces pentru procesul litografic NIL (Nano Imprint Litography), procesul fotolitografic și procesul de lipire substrate prin lipire anodică. Lipirea anodică este una dintre cele mai folosite metode pentru a lipi două substrate diferite, siliciu şi sticlă pentru încapsularea dispozitivelor MEMS și microfluidice. Metoda este utilizată deoarece dispozitivele pe siliciu sunt lipite cu un capac de sticlă care are o transparenţă optică foarte bună, fiind preferată pentru testarea și caracterizarea dispozitivului în timpul operării. Prin lipirea anodică a substraturilor folosind procesul de aliniere dublă față, în cadrul tezei au fost realizaţi microsenzori încapsulați prin lipire anodică.

Capitolul al treilea „Procese optimizate de microprelucrare a suprafeţei frontale şi de metalizare aplicate la celule solare de eficienţă sporită” cuprinde rezultatele cercetărilor dedicate optimizării proceselor de microprelucrare a

suprafeţei frontale şi proceselor de metalizare dedicate obţinerii unor celule solare cu eficienţă crescută.

Dezvoltarea domeniului microtehnologiilor, deschide posibilitatea obținerii a noi tipuri de structuri cu performanțe deosebite în privința eficienței de conversie, prin posibiltatea texturarării suprafeței frontale a celulei. Acest procedeu implică formarea prin corodare anizotropă sau izotropă la suprafața plachetei de siliciu a unor șanțuri, piramide inversate, alveole sau hexagoane aranjate în rețea cu împachetare maximă care să permită o mai eficientă captare a luminii în interiorul celulei.

În prima parte a acestui capitol, doctorandul prezintă proiectarea şi realizarea măştilor de lucru pentru fabricaţia de celule solare cu suprafaţă texturată, cu aria structurilor de 2x2 cm2 şi 1x1 cm2. Unul dintre criteriile de proiectare a celulelor solare se referă la optimizarea contactului metalic pe aria activă cu rolul de colectare a purtătorilor fotogenerați. Numărul electrozilor, lățimea și spațiul dintre ei sunt parametrii care sunt luați în calcul în vederea optimizării răspunsului.

În continuare este descris fluxul de fabricaţie a celulelor solare cu suprafaţă texturată în piramide inverse folosit la realizarea de celule solare (CS), pe plachete de siliciu CZ, de diametru de 3 și 4inch, tip p, orientare <100>, sunt descrise procesele de fabricaţie a structurilor de CS şi sunt discutate procesele tehnologice optimizate.

În partea finală a acestui capitol sunt discutate reflexiile suprafețelor texturate pe geometriile realizate cu și fără strat antireflectiv (strat de dioxid de siliciu 120nm) şi sunt prezentate caracteristicile spectrale și caracteristicile I-V ale celulelor solare fabricate din care sunt determinați parametrii celulei (curentul de scurt-circuit-ISC; tensiunea de circuit deschis-VOC; factorul de umplere-FF; eficiența de conversie-)

pentru domeniul spectral =350 -1100nm. Pentru optimizarea structurii în privinţa pierderilor prin reflexie au fost proiectate

două geometri rectangulare cu aria pătratului de 3x3 µm2 şi distanţa dintre pătrate de 1µm şi cu latura de 10µm şi distanţa dintre pătrate de 3µm.

Modelele de celulele solare realizate au fost optimizate în privința eficienței de conversie prin aplicarea unor procedee care minimizează pierderile de lumină la suprafața de incidență a celulei solare, conducând la captarea luminii care cade pe celulă și transmiterea ei în straturile de absorbție în care este convertită în sarcini electrice care determină mărimea fotocurentului în circuitul exterior. Aceste procedee constau în texturarea suprafeței optic activă și utilizarea straturilor antireflectante. Pentru a determina influența proceselor menționate s-a măsurat reflectanța pe structuri de celule solare cu arii de 2x2 cm2 și 1x1 cm2, cu și fără straturi antireflectante și cu suprafața texturată prin corodare anizotropă cu măști cu două geometrii și pentru comparație, pe celule cu suprafața netexturată.

Capitolul patru „Procese optimizate de integrare TiO2 obținut prin anodizare aplicate la senzori” se referă la otimizarea proceselor de anodizare a straturilor subțiri de titan depus prin sputtering pe substrat de Si și SiO2, și integrarea stratului de TiO2 nanostructurat în aplicații la senzori.

După prezentarea unor aspecte teoretice privind obținerea stratului de TiO2 prin metoda electrochimică, doctorandul trece la evaluarea sintezei și caracterizării procesului de anodizare electrochimică prin variația diverșilor parametri: compoziția electrolitului, pH-ul, temperatura, timpul de anodizare, potențialul și intensitatea curentului de anodizare. Optimizarea procesului electrochimic este discutată prin prisma caracterizării straturilor nanoporoase de TiO2 obținute pe substraturi de Si și SiO2 prin metoda: SEM, Raman, X-ray, caracterizare optică.

Cercetarea este focalizată spre aplicații în domeniul senzorilor. Autorul tezei de doctorat prezintă în detaliu contribuţia proprie la prepararea selectivă de material nanostructurat de TiO2 pe substrat de siliciu și integrarea acestuia în trei tipuri de aplicaţii: ca și strat antireflectiv la celulele solare, realizarea electrodului de poartă pentru micro senzorii chimici cu canal performant (BioFET) și în microfluidică pentru realizarea microcanalelor în vederea optimizării curgerii fluidelor prin acestea. Au fost obținute și caracterizate straturi subțiri nanoporoase de dioxid de titan (TiO2), utilizând procese de anodizare ale straturilor subțiri de titan depus prin sputtering pe plachete de siliciu şi au fost realizate experimente pentru stabilirea temperaturii optime la care trebuie făcut tratamentul post anodizare pentru obţinerea formei anatase. Straturile subțiri nanoporoase de TiO2 ( 90-120nm) formă anatase au fost integrate în dispozitive. Apoi au fost optimizate procesele de implementare a straturilor subțiri de TiO2 în fluxul de fabricație a acestor senzori.

Procesul de fabricație pentru fiecare din cele trei tipuri de senzori incluzând procesele originale de integrare a stratului de TiO2 nanostructurat forma anatase este prezentat în detaliu. Rezultatele obţinute sunt foarte bine fundamentate din punct de vedere experimental.

În capitolul 5, “Procese noi de fabricaţie a matricii de micro lentile” sunt prezentate două tipuri de arii de micromatrici de lentile, obținute prin microstructurarea sticlei borosilicate și a siliciului. Aplicând procese inovate, doctorandul a realizat arii de micromatrici de lentile cu ciclu scurt de fabricație prin texturizarea siliciului folosit ca matriță în scopul formării lentilelor în polimer. Autorul tezei de doctorat a conceput o metodă rapidă de fabricaţie a matricii de micro lentile cu un singur proces fotolitografic și două etape de gravură în soluţie apoasă de KOH. În aceste două etape de corodare umedă anizotropă s-a urmărit în primă etapă formarea de piramide inverse în substratul de siliciu, iar în a două etapă evoluţia acestui profil în cavităţi sferice prin coradarea pe diferite plane cristalografice. Suprafața texturată obţinută prin corodare umedă a siliciului servește ca matriţă prin turnarea unui material elastomeric pentru replicarea concentratorului solar. Această metodă poate fi folosită pentru producția de masă de structuri reflective (matriţă) și refractive (polimer) de suprafață asferică.

În capitolul 6, sunt prezentate concluziile autorului, prezentate individual pentru fiecare capitol, contribuțiile originale, însoțite de lista de lucrări ce au fost diseminate în baza cercetărilor prezentate şi perspectivele de valorificare ulterioară a rezultatelor obţinute pe perioada studiilor doctorale.

Contribuţiile personale si elementele de noutate prezente in teza sunt

prezentate grupate pe activitatile de cercetare abordate si anume:

1. A dezvoltat pentru prima dată în Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Microtehnologie – IMT București:

1.1 procesul fotolitografic cu dublă aliniere şi

1.2. procesul de lipire anodică între sticlă și siliciu.

Rezultate obţinute au fost publicate în referinţa [23] din Lista de lucrări ale

autorului.

2. A optimizat procesul de microprelucrarea de suprafață în vederea realizării de canale microfluidice obținute pe substratul de siliciu.

Rezultate obţinute au fost publicate în referinţele[5,14] din Lista de lucrări ale

autorului.

3. A proiectat și introdus pe măștile de lucru noi proiectate, semne de

control dimensional pentru aliniere pentru optimizarea procesului fotolitografic de

realizare structuri cu geometrii fine și mai multe nivele de mascare. Semnele

constau din geometrii de tip ‘piepteni”care la suprapunerea a două măști se

poziționează dinte la dinte. Dezalinierea măștilor este citită dimensional după

distanța de deplasare a dinților față de masca anterioară.

4. A urmărit fluxul tehnologic de realizare dispozitiv pentru realizarea structurilor de celule solare cu suprafață texturată contribuind în mod deosebit la realizarea etapelor de fotolitografie prin optimizarea a doua procese standard

4.1 Procesul standard pentru deschidere ferestre, de arii mici, în oxidul gros (Fotogravură M1) prin umectarea suprafeței plachetei în baia cu apă și ultrasunete t=5min, urmată de corodarea oxidului în soluția BHF.

4.2. Procesul standard pentru configurare metal ( Fotogravură M4) prin folosirea procesului de lift-off.

Rezultate obţinute au fost publicate în referinţele [15,16,18] din Lista de lucrări

ale autorului.

5. A dezvoltat un proces fotolitografic pentru preparare selectivă de TiO2 obținut prin anodizarea electrochimică a Ti metalic depus pe placheta cu structuri și a integrat materialul astfel obţinut în diferite aplicații:

5.1. Integrarea TiO2 preparat selectiv ca strat antireflectant (AR) la celulele solare (CS). [7]

5.2. Definirea electrodului de poartă din TiO2 obținut prin anodizare pentru micro senzorii chimici cu canal preformat (BioFET) - Fotogravură definire grilă de TiO2.

Pentru realizarea TiO2 prin anodizorea Ti depus doar pe zona porții pentru aplicații la microsenzorii chimici cu canal performant (BioFET) a folosit un procedeu de fotolitografie dublă. Această metodă nouă va fi brevetată.

5.3. Integrarea TiO2 preparat selectiv în microcanal pentru optimizarea curgerii fluidelor prin microcanal,

Rezultate obţinute au fost publicate în referinţele [2, 7, 8, 9,11,19, 26 - 28] din

Lista de lucrări ale autorului.

6.. A conceput o metodă rapidă de fabricaţie a matricii de microlentile cu un singur proces fotolitografic și două etape de gravură în soluţie apoasă de KOH.

Rezultate obţinute au fost publicate în referinţa [4] din Lista de lucrări ale

autorului.

Teza reprezintă o lucrare ştiinţifică bine fundamentată, amplă, cu rezultate

originale, interesante atât sub aspect teoretic, dar mai ales aplicativ, privind tehnici

de fabricaţie optimizate pentru obţinerea de micro şi nanostructuri. incluzând

procese tehnologice de microprelucrare a substratelor, metode de obţinere a

materialelor, caracterizări morfo – structurale corelate cu parametrii procesului,

procese fotolitografice, optimizări de procese, caracterizări funcţionale cu

evidenţierea potențialului aplicativ al materialelor studiate pentru dezvoltarea de

aplicaţii în domeniul dispozitivelor fotovoltaice, senzorilor în microfluidică.

Astfel, prin acurateţea şi multitudinea datelor experimentale prezentate, prin

atenţia pe care a acordat-o şi celor mai mici detalii şi prin seriozitatea de care a dat

dovadă pe parcursul studiilor doctorale, ing. Pârvulescu Cătălin Corneliu a

demonstrat că are vocaţie pentru o carieră în cercetare. Este un cercetător complet,

având capabilitatea de a aborda de o manieră integratoare problemele ştiinţifice şi

tehnologice pe care trebuie să le soluţioneze. Rezultatele prezentate în cadrul tezei

dau increderea că bogata experienţă teoretică şi practică acumulată va fi benefică

pentru abordarea a noi subiecte de cercetare şi implicarea în noi proiecte de

cercetare.

Doctorandul Pârvulescu Cătălin Corneliu are rezultate publicate în reviste

cotate ISI (9 articole ), în reviste cotate BDI (2 articole), în proceedings-uri indexate

ISI (7 lucrari) ale unor conferinţe internaţionale prestigioase, comunicări prezentate

la conferinţe ştiinţifice internaţionale prestigioase (18 comunicari) ca prim autor sau

co-autor şi un brevet de invenţie. O parte din rezultatele originale recente cuprinse

în teză sunt în curs de publicare. De asemenea, teza cuprinde un volum mare de

date ştiinţifice care pot fi valorificate în lucrări ştiinţifice viitoare.

Avand in vedere rezultatele ştiinţfice obţinute şi contribuţiile personale

prezente, recomand sustinerea publică a tezei de doctorat cu titlul “Micro –

nanostructuri: tehnici de fabricaţie optimizate” şi susţin acordarea titlului de

doctor inginer în specialitatea de XXXXXXXXXX, domnului PÂRVULESCU Cătălin

Corneliu.

Bucuresti, septembrie 2015 Prof. Dr. Ing. Paul Şchipu