Optical and scanning probe microscopy techniques for the characterization of micro and nano devices

My PhD evolved along different mainstreams, ranging from the application of optical techniques to microdevices to the use and realization of new instruments and techniques for the analysis of the world at nanoscale. The first part describes a non-destructive sensor for the measurement of the thickness and refractive index of polymeric layers deposited on glass substrate. The sensor is dedicated to the manufacture of polymers for O-PCB (Optical – Printed Board Circuit) interconnects. To this aim, the Michelson FOLCI configuration has been selected. Low-coherence interferometry has been also applied in order to analyze the dispersion behaviour and the optical attenuation of highly dense multimode polymeric waveguides realized for PCB interconnects. Additional information about the photolithographic process can be directly deduced from the interferometric patterns. The second part describes a new dual-channel scanning probe microscope performing simultaneously scanning tunneling microscopy (STM) and wide-band near field scanning microwave microscopy (wide-band SMM). The SMM system exploits the STM feedback to keep a suitable distance between probe and sample and is built around an apertureless microscope featuring nanometric resolution. In this new system concept, this SMM performs broadband measurements of the reflection coefficient across the STM probe by means of an external Vectod Network Analyzer (VNA) with no resonant circuit. The resolution or the STM probe is improved also by a method of tip etching. The consequent reduced sensitivity is compensated by a post-processing algorithm, correlating images recorded at different close frequencies and applying a first approach on the calibration of the system. The above techniques have been applied to a particular material for nanoelectronic: the Graphene. By mean of different techniques it is analyzed how the material behaves in presence of metals (doping vs Schottky effects) and how it reacts to the electromagnetic near field.

Il mio dottorato si è sviluppato lungo diversi filoni di ricerca, dall’applicazione di tecniche ottiche a dispositivi micrometrici all’uso e realizzazione di nuovi strumenti e tecniche per l’analisi del mondo nanometrico. La prima parte descrive un nuovo sensore non distruttivo per misurare lo spessore e l’indice di rifrazione di strati di polimero depositati su un una base di vetro. Il sensore è dedicato alla produzione di polimeri per le connessioni ottiche per le PCB (Circuiti stampati). A questo scopo, è stata selezionata una confutazione Michelson FOLCI. L’interferometria a bassa coerenza è stata applicata anche per analizzare il comportamento dispersivo e l’attenuazione ottica di guide polimeriche multimodali ad alta densità, realizzate per le interconnessioni delle PCB. Possono essere dedotte ulteriori informazioni riguardo il processo di fotolitografia direttamente dalla forma dell’interferogramma. La seconda parte descrive un nuovo Microscopio a scansione di sonda a due canali che esegue simultaneamente la microscopia a corrente di tunnel (STM) e la microscopia a scansione a microonde di campo vicino a banda larga (SMM a banda larga). Il sistema SMM utilizza il feedback dell’STM per mantenere una distanza adeguata tra la punta e il campione ed è costruito sulla base di un microscopio senza apertura che può avere risoluzione nanometrica. In questo nuovo concetto, questo SMM esegue misure a banda larga del coefficiente di riflessione attraverso la sonda STM sfruttando un analizzatore di reti esterno (VNA), senza circuiti risonanti. La risoluzione della sonda STM è migliorata anche attraverso un metodo di etching della punta. La conseguente risoluzione della sensibilità è compensata da un algoritmo di processo a posteriori, correlando immagini registrate a diverse frequenze vicine e applicando un primo esempio di calibrazione del sistema. La precedente tecnica è stata applicata ad un particolare materiale per la nano elettronica: il Grafene. Attraverso differenti tecniche è stato analizzato come il materiale si comporta in presenza di metalli (effetti di doping contro effetti Schottky) e come reagisce ai campi elettromagnetici vicini.