Innovative patternable materials for micro- and nano- fabrication

The research activity of this thesis is focused on the development and optimization of new directly patternable organically modified TiO2, Al2O3 and ZrO2 based sol-gel materials whose peculiar characteristics and performances were optimized and exploited for the final specific application. In particular, the main strategy that lies at the basis of all the thesis work is the combination of top down and- bottom up approach for the final device realization. In fact, special attention has been set to materials design and synthesis (bottom up) and subsequently to the micro- and nano- fabrication of patterns on the corresponding film surface with different lithographic techniques (top down) in order to achieve the required properties, according to the final application. As it concerns the bottom up approach, the sol-gel has been assumed as the main synthetic method since, by mixing different organic-inorganic precursors, new materials with unique properties and microstructures can be created. In fact, by using organically modified precursors (such as trimethoxyphenylsilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate) or organic monomers it was possible to produce hybrid materials with the organic and inorganic components intimately mixed at a molecular scale, with the twofold effect of obtaining new properties and conferring them the patternability. Moreover, the addition of tetrafunctional precursors (Titanium isopropoxide, Zirconium butoxide, Aluminum-tri-sec-butoxide) allowed to increase the reticulation degree, taking part to the inorganic network formation, to improve the material mechanical properties (such as scratch, abrasion, plasma etching resistance) and to confer particular characteristics to the final materials, i.e. to modulate the refractive index. On the other hand, as it regards the top down approach, different lithographic techniques (photolithography, X-ray lithography, electron beam lithography and nanoimprint lithography) have been exploited in the realization of high refractive index patterns, high selective etching masks features, adaptive-optics devices and stamps for microinjection moulding directly with the synthesized materials. The structural and chemical changes induced inside the material by the interactions with the source used in the lithographic process have been deeply investigated in order to optimize both the synthesis of the best sol-gel systems and the final lithographic procedures. In conclusion the development of all the above mentioned advanced materials and innovative processing was pushed by the main target of improving, simplifying and decreasing costs and time of the overall micro- and nano- fabrication process in order to obtain better final features quality, with respect to traditional lithographic procedures.

L’attività di ricerca del presente lavoro di tesi è stata finalizzata allo sviluppo e all’ottimizzazione di nuovi materiali sol-gel a base di ossidi di TiO2, Al2O3 e ZrO2, organicamente modificati, per diverse applicazioni, sfruttando alcune delle loro caratteristiche peculiari e ottimizzandone le prestazioni. Nella fase iniziale del lavoro particolare attenzione è stata rivolta alla sintesi e all’ingegnerizzazione dei materiali stessi (approccio bottom up). Nella fase successiva i materiali sviluppati sono stati micro- e nano- strutturati mediante tecniche litografiche differenti (approccio top down) al fine di valorizzarne proprietà specifiche a seconda della particolare applicazione finale. La combinazione tra l’approccio top down e quello bottom up è stata dunque la principale strategia adottata al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati. Per quanto riguarda l’approccio bottom up, la strategia di sintesi adottata è stata il metodo sol-gel. Infatti, l’utilizzo di precursori organico-inorganici permette di sintetizzare nuovi materiali con proprietà e microstrutture uniche. Utilizzando precursori organicamente modificati, come ad esempio trimetossifenilsilano, glicidossipropiltrimetossisilano, metacrilossipropiltrimtossisilano, è stato possibile infatti ottenere materiali ibridi avanzati le cui componenti, organica e inorganica, sono intimemente mescolate a livello molecolare. Inoltre, in fase di sintesi, possono essere aggiunti precursori tetra funzionali, tra cui Titanio isopropossido, Zirconio butossido, Alluminio-tri-sec-butossido, per: aumentare il grado di reticolazione, poiché partecipano alla formazione del network inorganico, con relativo incremento delle proprietà meccaniche del materiale (resistenza al graffio, all’abrasione, all’attacco con plasma), e conferire particolari caratteristiche al materiale finale, come ad esempio la modulazione dell’indice di rifrazione. I materiali così sintetizzati sono stati quindi direttamente micro- e nano- strutturati mediante tecniche litografiche differenti (fotolitografia, litografia a raggi X e a elettroni, litografia nanoimprint), approccio top down, al fine di ottenere pattern ad elevato indice di rifrazione, maschere per il silicio altamente selettive, dispositivi per ottica adattiva e stampi per micro-iniezione. Uno studio approfondito dell’interazione del materiale con le sorgenti utilizzate nei vari processi litografici ha permesso inoltre di ottimizzare sia la sintesi dei sistemi sol-gel stessi sia i parametri di processo litografico. Quindi, lo sviluppo e l’ottimizzazione contemporanei dei materiali avanzati e dei processi litografici innovativi appena citati hanno permesso di ridurre in termini di costi e tempo l’intero processo di micro- e nano- fabbricazione dei dispositivi finali realizzati, rispetto al processo litografico tradizionale, ottenendo strutture qualitativamente superiori.