Methodenartikel

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

DOI:

10.3791/52449

⸱

11. Dezember 2014

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1Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Utah, 2Department of Chemistry, The University of Wisconsin-Madison

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir berichten, dass die Beugungsgrenze der konventionellen optischen Lithographie überwunden werden kann, indem die Übergänge organischer photochromer Derivate ausgenutzt werden, die durch ihre Photoisomerisierung bei niedrigen Lichtintensitäten induziert werden. 1-3 Dieser Artikel beschreibt unsere Herstellungstechnik und zwei Verriegelungsmechanismen, nämlich: Auflösung eines Photoisomers und elektrochemische Oxidation.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Charakterisierung von Nanostrukturen unter Verwendung einer neuartigen nanolithographischen Technik namens Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). Bei dieser Technik werden die chemischen Eigenschaften organischer photochromer Moleküle, die Einzelphotonenreaktionen durchlaufen, ausgenutzt, was eine schnelle Top-Down-Nanostrukturierung über große Flächen bei geringer Lichtintensität ermöglicht und dadurch die Umgehung der Fernfeldbeugungsbarriere ermöglicht. 4 Einfache, kostengünstige, hochauflösende und hochauflösende Alternativen zur Nanostrukturierung werden untersucht, wie z. B. die Zwei-Photonen-Polymerisation5,6, die Strahl-Pen-Lithographie (BPL)7, die Rasterelektronenstrahl-Lithographie (SEBL) und die Strukturierung des fokussierten Ionenstrahls (FIB). Multiphotonen-Ansätze erfordern jedoch hohe Lichtintensitäten, die ihr Potenzial für einen hohen Durchsatz einschränken und einen geringen Bildkontrast bieten. Obwohl Elektronen- und Ionenstrahl-Lithographieverfahren eine höhere Auflösung bieten, ist der serielle Charakter des Prozesses auf langsame Schreibgeschwindigkeiten beschränkt, was auch die Strukturierung von Merkmalen über große Flächen verhindert. Die Beam-Pen-Lithographie ist ein Ansatz zur parallelen optischen Nahfeldlithographie. Der Abstand zwischen der Quelle des Strahls und der Oberfläche des Fotolacks muss jedoch extrem genau kontrolliert werden, um eine gute Gleichmäßigkeit des Musters zu erzielen, und dies ist bei großen Strahlarrays sehr schwierig zu erreichen. Die Strukturierung über optische sättige Übergänge (POST) ist eine alternative optische Nanostrukturierungstechnik zur Strukturierung der Subwellenlängenmerkmale1-3. Da diese Technik einzelne Photonen anstelle von Elektronen verwendet, ist sie extrem schnell und benötigt keine hohen Lichtintensitäten1-3, was die Tür zu einer massiven Parallelisierung öffnet.

Einleitung

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Optische Lithographie ist von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von Nanostrukturen und Geräte. Erhöhte Fortschritte in neue Lithographietechniken hat die Fähigkeit, neue Generationen von neuartigen Geräten zu ermöglichen. 8-11 In diesem Artikel wird eine Überprüfung einer Klasse von optischen Lithographietechniken, die tiefen Unterwellenlängenauflösung mit Hilfe neuartiger photo Moleküle zu erreichen präsentiert. Dieser Ansatz wird als Strukturierung über Optical-Saturable Transitions (POST). 1-3

POST ist ein neuartiges Nanotechnik, die auf einzigartige Weise die Ideen der Sättigung optische Übergänge von photochromen Moleküle, insbesondere (1,2-Bis (5,5'-Dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-en. Umgangssprachlich wird diese Verbindung als BTE, Bild 1, wie sie in der stimulierten Emission-Depletion (STED) Mikroskopie 12 verwendet, bezeichnet, mit Interferenzlithographie, die es ein leistungsfähiges Werkzeug für larg machtE-Fläche parallel Nano tiefer Subwellenlängen Merkmalen auf einer Vielzahl von Oberflächen mit möglichen Erweiterung zu 2- und 3-Dimensionen.

Die photochrome Schicht ist ursprünglich in einem homogenen Zustand. Wenn diese Schicht auf eine gleichmäßige Ausleuchtung des λ 1 ausgesetzt wird, wandelt es sich in die zweite isomere Zustand (1c), Figur 2 ist. Dann wird die Probe mit einem fokussierten Knoten λ 2, der die Probe in der ersten isomeren Zustand (wandelt exponierten 1o) überall außer in der näheren Umgebung des Knotens. Durch Steuern der Belichtungsdosis, kann die Größe des nicht umgesetzten Region beliebig klein gemacht werden. Eine nachfolgende Fixierschritt von einem der Isomere kann selektiv und irreversibel konvertiert werden (verriegelt) in eine 3. Zustand (schwarz), um das Muster zu verriegeln. Als nächstes wird die Schicht gleichmßig auf λ 1, die alles außer dem gesperrten Bereich wandelt wieder auf den ursprünglichen Zustand ausgesetzt. DieSchrittfolge kann mit einer Verschiebung der Probe relativ zu der Optik wiederholt werden, was zu zwei gesperrten Bereichen, deren Abstand kleiner ist als die Fernfeld-Beugungsgrenze. Daher kann jede beliebige Geometrie in einem "Dot-Matrix" Mode strukturiert werden. 1-3

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Protokoll

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HINWEIS: führen Sie alle folgenden Schritte unter Reinraumbedingungen der Klasse 100 oder besser.

1. Probenvorbereitung

  1. Reinigen Sie einen 2 "Durchmesser Silizium-Wafer mit Buffered Oxide Etch (BOE) Lösung (6 Teile 40% NH 4 F und 1 Teil 49% HF) für 2 min (Achtung: Gefährliche Chemikalien). Wählen diese Ätzzeit um alle organischen Verbindungen oder Verunreinigungen auf der Oberfläche zu entfernen. Spülen mit VE-Wasser (DI) für ca. 5 min. Dry-Wafer mit trockenem N 2.
    HINWEIS: Arbeiten Sie niemals allein bei der Verwendung von HF. Trägt immer eine Schutzbrille mit Gesichtsschutz und persönliche Schutzausrüstung (PSA) im Falle von Leckagen. Beitrag Richtlinien für die Verwendung und Handhabung von HF Abfall im Labor, wo das Ätzen durchgeführt wird.
    Hinweis: Die Schritte 1.2 bis 1.7 sind nur für den elektrochemischen Verriegelung. Bei Durchführung Verriegelung über Auflösung fahren Sie mit Schritt 2.
  2. Die Festlegung der Arbeitselektrode, Sputter 100 nm von Platin (Pt) auf die saubere "Durchmesser silic 2auf dem Wafer.
  3. Vor dem Ätzen der Platin-Dünnfilm, reinigen Sie die RIE-Kammer von Verunreinigungen oder übriggebliebene Photoresist von früheren Trockenätzungen.
  4. Abpumpen der Kammer, bis ein Basisdruck von 1 × 10 -5 Torr erreicht. Stellen Sie sicher, dass die HF-Leistung auf 200 W eingestellt ist und die Flussraten für den Sauerstoff und Argon auf 50 sccm und 10 sccm eingestellt. Starten Sie den Ar / O2-Plasma und führen Sie für mindestens 1 Std.
  5. Schalten Sie den Ar / O 2 -Plasma und lassen Sie das Entlüftungskammer für ca. 10 min.
  6. Um die Platin-Dünnfilmoberfläche zu ätzen, laden Sie die Probe in die RIE-Kammer und der Pumpe in die Kammer bis auf einen Basisdruck von 1 × 10 -5 Torr. Dieses Mal stellen Sie die Argondurchfluss auf 0 sccm. Starten Sie den O 2 -Plasma und lassen Sie diesen Vorgang für 30 Minuten laufen.
  7. Schalten Sie den O2-Plasma und ließ die Kammer zu entlüften 10 min.

2. Thermal Evaporation von Photochrome Molecule mit benutzerdefinierten Low Temperatur Verdampfer (LTE)

  1. Füllen AlO2 Boot mit 30 mg BTE und laden in eigene LTE Quelle (Abbildung 6).
  2. Last Silizium-Wafer in die Probenhalterung.
  3. Dichtungskammeröffnungen und Pumpenkammer auf einen Basisdruck von 1 x 10 -6 Torr.
  4. Dampfe das BTE bei einer Solltemperatur von 100 ° C, mit einer Filmdicke von 30 nm.
  5. Unmittelbar nach der Verdampfung, Überschwemmung beleuchten die Probe 5 min UV, um die BTE Material in die geschlossene Form zu überführen, 1c.
  6. Um die Stichprobengröße zu definieren, zu spalten, ein kleines Stück des Wafers mit einer Diamantschreiber, um eine Linie von der Kante der Siliziumoberfläche verkratzen. Besorgen Sie sich die Wafer auf beiden Seiten der Ritzlinie und biegen Sie die Wafer nach unten, bis es an der Kristallebene bricht.
  7. Führen Profilometermessungen zu validieren BTE Dünnschichtdicke. Um dies zu tun, kratzen die Probe mit einem feinen Rand Pinzette. Messen Sie die Schritthöhe herm Diese Kratzer, die die Differenz in der Höhe zwischen der linken und rechten Cursorposition.
    HINWEIS: Ungenauigkeiten in der Filmdicke wird in Abweichungen in Belichtungsdosis führen.
  8. Shop verbleibende Probe in N 2 gefüllten Handschuhfach.

3. Den Forderungen

HINWEIS: Führen Sie alle Aufnahmen unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

  1. Spalten die Probe, indem der gleichen Vorgehensweise wie in Schritt 2.6 beschrieben.
  2. Lastprobe in einer inerten Atmosphäre Probenhalter.
  3. Montieren inerten Probenhalter auf der Bühne. Purge Probe mit N 2.
  4. Expose der Probe auf die gewünschte Belichtungszeit mit einem Interferometer, wie das in Figur 8 gezeigt.

4. Elektrochemische Oxidation mit Hilfe von drei Elektroden-Zelle

HINWEIS: Führen Sie die Elektrochemie unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

  1. Klemmen Sie ein sauberes Glasfläschchen auf der heißen Platte. Einen sauberen Rührstab in dem Fläschchen. Schalten Sie den Rührer.
  2. Reinigen Sie eine neue Kupfer-Clip mit Methanol. Reinigen Sie die Platin-Gegenelektrode mit Methanol.
  3. Mit einem sauberen Kupfer Clip, Clip die Probe durch eines der Löcher in der Teflon-Verschlusskappe. Achten Sie darauf, nur auf der exponierten Platin Clip.
  4. Legen Sie die Teflon Verschlusskappe auf das Fläschchen. Befestigen Sie das rote Kabel an der Platin-Gegenelektrode und das schwarze Kabel auf die Kupferklammer Halten der Probe.
  5. Mit einem sauberen Spritze, füllen Sie das Fläschchen mit gefiltertem deionisiertem (DI) Wasser durch das zweite Loch in der Teflon-Verschlusskappe. Füllen Sie so hoch, ohne das Eintauchen einer der blanken Platin auf die Probe.
  6. Blasen von Stickstoff durch das Wasser für 3-5 min. Schalten Sie den Stickstoff.
  7. Legen Sie die Referenzelektrode in der zweiten Bohrung in der Teflon-Verschlusskappe. Befestigen Sie das weiße Kabel auf die Referenzelektrode. Überprüfen Sie, um sicherzustellen, dass keiner der blanke Platin o machenn die Probe eingetaucht.
  8. Mit einem voltammograph, stellen Sie die Oxidationsspannung auf 0,5 V / sec.
  9. Nachdem die gewünschte Oxidationszeit abgelaufen ist, schalten Sie das Gerät auf die voltammograph aus.
  10. Entfernen Sie die rot, schwarz, weiß und Clips aus dem Platin-Gegenelektrode, Kupfer-Clip, und Bezugselektrode.
  11. Expose der Probe für 5 min UV-Licht.

5. Beispiel Entwicklung - Elektrochemische Locking

HINWEIS: Führen Sie die Entwicklung unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

  1. Entwickeln der Probe in filtriert 5 (wt%) Isopropanol, 95 (Gewichts-%) Ethylenglykol für die gewünschte Zeitdauer. Hinweis: In der Regel 50 nm Proben werden für 30 bis 60 s entwickelt, während 80 nm Proben werden für 60 bis 180 Sekunden entwickelt.
  2. Trockenen Probe mit trockenem N 2.
  3. Unmittelbar Probe aussetzen 5 min von UV.

6. Proben Entwicklung - Auflösung Locking

HINWEIS: Führen Sie die Entwicklung unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

  1. Unter Verwendung von 100 ml Ethylenglykol in einer sauberen Glasbecher, zu entwickeln der belichteten Probe für die gewünschte Entwicklungszeit.
  2. Trockenen Probe mit trockenem N 2. Unmittelbar Probe aussetzen 5 min von UV.

7. Mehrfachbelichtung

  1. Beim Arbeiten mit Mehrfachbelichtung wiederholen Sie die Schritte 3-6 mit einer Übersetzung der Probe in Bezug auf die Optik.

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Ergebnisse

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Proben hergestellt:

Verschiedene Oxidationszeiten wurden durch die Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen in Abbildung 3 zu einem Oxidationsspannung von 0,85 V von Cyclovoltammetrie bestimmt dargestellt aus. Die 50 nm dicken Filme wurden in eine stehende Welle bei λ = 647 nm der Periode von 400 nm für 60 Sekunden bei einer Leistungsdichte von 0.95 mW / cm 2 belichtet. Da die Oxidationszeit von 10 min bis 25 min erhöht wird, kann man deutlich sehen, e...

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Diskussion

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Die Herstellung, der Versuchsaufbau und die damit verbundenen Betriebsabläufe der Strukturierung über optische Sättigungsübergänge (POST) wurden beschrieben. Durch die Ausnutzung der linearen Schalteigenschaften thermisch stabiler photochromer Moleküle bietet POST neue Perspektiven zur Umgehung der Fernfeldbeugungsgrenze. 1-2,4

Die bisherige Langzeitlagerung der Proben wurde durch die Lagerung der Proben unter N2, direkt nach der ersten Verdampfung, gelöst. 2 D...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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Vielen Dank an Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott und Chris Landes für hilfreiche Diskussionen und Unterstützung im Zusammenhang mit dem kundenspezifischen Probenhalter für inerte Atmosphäre und Unterstützung in der Maschinenwerkstatt für Studenten der University of Utah. P.C. erkennt das NSF GRFP unter Grant No. 0750758. P.C. erkennt das Nanotechnology Training Fellowship der University of Utah an. R.M. dankt einen NSF CAREER Award Nr. 1054899 und die Finanzierung durch die USTAR Initiative.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
IsopropanolFisher ScientificP/7500/15ACHTUNG: entzündlich, gute Belüftung verwenden und alle Zündquellen vermeiden.
Gepuffertes Oxidätzen
MethanolRicca Chemical48-293-2 ACHTUNG: brennbar, gute Belüftung verwenden und alle Zündquellen vermeiden.
EthylenglykolSigma-Aldrich324558ACHTUNG: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken
Siliziumwafer
Diamond Scribe
Glasbecher
PinzetteTed Pella5226
Reaktives IonenätzsystemOxfordPlasma Lab 80 Plus
Inert Atmosphären-ProbenhalterEigenentwickelter
Polarisationsstrahlteiler-WürfelThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171ACHTUNG: Tragen Sie eine Schutzbrille
HalbwellenplattenThorlabsWPH05M-633
Thermischer VerdampferProprietärer hauseigens entwickelter
TMV SuperTM Vacuum ProductsTMV Super
VoltammographBioanalytical SystemsCV-37
Kurzwellen-UV-Lampe 365  nmUVP Analytik Jena UnternehmenUVGL-25ACHTUNG: Tragen Sie eine UV-Schutzbrille

Referenzen

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  1. Brimhall, N., Andrew, T. L., Manthena, R. V., Menon, R. Breaking the far-field diffraction limit in optical nanopatterning via repeated photochemical and electrochemical transitions in photochromic molecules. Physical Review Letters. 107 (20), 205501(2011).
  2. Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning of photochromic diaryethene films. Applied Physics Letters. 100 (18), 183103(2012).
  3. Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Nanopatterning of diarylethene films via selective dissolution of one photoisomer. Applied Physics Letters. 103 (17), 173112(2013).
  4. Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
  5. Li, L., et al. Achieving λ/20 resolution by one-color initiation and deactivation of polymerization. Science. 324 (5929), 910-913 (2009).
  6. Fischer, J., von Freymann, G., Wegener, M. The materials challenge in diffraction-unlimited direct-laser-writing optical lithography. Advanced Materials. 22 (32), 3578-3582 (2010).
  7. Mirkin, C. A., et al. Beam pen lithography. Nature Nanotechnology. 5, 637-640 (2010).
  8. Xie, X., et al. Manipulating spatial light fields for micro- and nano-photonics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 44, 1109-1126 (2012).
  9. Leroy, J., et al. High-speed metal-insulator transition in vanadium dioxide films induced by an electrical pulsed voltage over nano-gap electrodes. Applied Physics Letters. 100 (21), 213507(2012).
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  12. Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
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  14. Guillemette, M. D., et al. Surface topography induces 3D self-orientation of cells and extracellular matrix resulting in improved tissue function. Integrative Biology. 1 (2), 196-204 (2009).

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