CMOS compatible Anti-Reflective Coating (ARC) and Anti-Reflective Microstructures (ARM) for optical component for MIR and LWIR

The infrared portion of the electromagnetic spectrum, particularly the mid-infrared (MIR) and long-wave infrared (LWIR) regions, holds fundamental technological importance for various applications, ranging from environmental sensing to thermal imaging and spectroscopy, as well as free-space communications. For this reason, one of the major research interests in recent years has focused on developing optoelectronic devices operating in the MIR and LWIR ranges, which can be integrated on silicon substrates and are compatible with CMOS technology. The main challenges in achieving this goal stem from the available technology, both in terms of the limited availability of materials suitable for this wavelength range and the stringent thermal budget constraints imposed by CMOS technology. The research project conducted during these years fits into the context described above, as it concentrated on the development, design, fabrication, and integration of optical components such as anti-reflective layers, microlenses, and metalenses. These components utilize CMOS-compatible materials and processes and are intended to be combined within the architecture of a presence sensor developed by STMicroelectronics to optimize certain sensor properties, enabling its use as a temperature sensor. In the first part of this work, the optimization of the deposition and lift-off process for the anti-reflective layer used to enhance the sensor’s sensitivity are described. Optimization of these processes is necessary to ensure a process yield comparable to industrial standards, as after anti-reflective layer deposition, the product must re-enter STMicroelectronics’ production lines to complete its fabrication. Subsequently, several solutions developed at the optical component level for integration into the MEMS architecture are presented, aimed at reducing the sensor’s field of view (FOV). The first solution presented is the design of a silicon microlens array, which can be fabricated directly on the sensor’s outer cap. This solution was simulated and led to the fabrication of several prototypes of the finished product, which were characterized and confirmed the expected performance improvements in terms of FOV and sensitivity. Given the achieved results, these prototypes currently represent the basis for a sensor that the company is considering producing. Finally, the design and fabrication process of a metalens as an alternative to the microlens is described, to optimize the amount of radiation on the sensitive area while simultaneously reducing the FOV and reflections.

La porzione di spettro elettromagnetico dell’infrarosso, in particolare del medio (MIR: mid-infrared) e lungo infrarosso (LWIR: long-wave infrared), è di fondamentale importanza tecnologica per diverse applicazioni dal thermal imaging, alla spettroscopia, fino alle comunicazioni in spazio libero. Per questa ragione, uno dei maggiori sforzi della ricerca negli ultimi anni è stato quello di produrre dispositivi optoelettronici operanti nel MIR and LWIR, integrabili su substrati di silicio e compatibili con la tecnologia CMOS. Le difficoltà principali nel raggiungere questo scopo dipendono dalla tecnologia disponibile, sia in termini di disponibilità limitata di materiali impiegabili in questo range di lunghezze d’onda, sia per i vincoli molto stringenti in termini di budget termici imposti dall’impiego della tecnologia CMOS. Il progetto di ricerca svolto in questi anni si inserisce nel contesto appena presentato, in quanto si è concentrato sullo sviluppo, il design, la fabbricazione e l’integrazione di componenti ottici quali strati antiriflesso, microlenti e metalenti, che prevedono l’utilizzo di materiali e processi CMOS compatible, da combinare nell’architettura di un sensore di presenza sviluppato da STMicroelectronics, per ottimizzare alcune proprietà del sensore per poterlo applicare come sensore di temperatura. Nella prima parte di questo elaborato verrà descritta l’ottimizzazione del processo di deposizione e lift-off dello strato antiriflesso impiegato per aumentare le performance del sensore in oggetto in termini di sensitivity. L’ottimizzazione di tali processi è necessaria per garantire una resa di processo paragonabile a quella industriale, poiché a seguito della deposizione dello strato antiriflesso, il prodotto deve poi rientrare nelle linee di produzione STMicroelectronics, per concludere la sua fabbricazione. Successivamente, verranno presentate diverse soluzioni sviluppate a livello di componenti ottici da integrare sempre nell’architettura MEMS, per la riduzione del Field of View (FOV) del sensore. La prima soluzione esposta è il design di un array di microlenti in silicio, che può essere fabbricato direttamente sul cappuccio esterno del sensore. Questa soluzione è stata simulata e ha portato poi alla realizzazione di alcuni prototipi del prodotto finito che sono stati caratterizzati, confermando il miglioramento atteso nelle prestazioni del sensore. Visti i risultati raggiunti in termini di FOV e sensitivity, ad oggi questi prototipi rappresentano la base per un sensore che l’azienda sta pensando di real- izzare. Infine, vengono descritti il design e il processo di fabbricazione di una metalente come alternativa alla microlente, per ottimizzare la quantità di radiazione sull’area sensibile e che allo stesso tempo riduca il FOV e le riflessioni.