Artículo de método

Patrones través ópticos saturable Transiciones - Fabricación y Caracterización

DOI:

10.3791/52449

⸱

11 de diciembre de 2014

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

En este artículo

Resumen

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Informamos que el límite de difracción de la litografía óptica convencional puede superarse explotando las transiciones de derivados fotocromáticos orgánicos inducidos por su fotoisomerización a bajas intensidades de luz. 1-3 Este artículo describe nuestra técnica de fabricación y dos mecanismos de bloqueo, a saber: disolución de un fotoisómero y oxidación electroquímica.

Resumen

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

Este protocolo describe la fabricación y caracterización de nanoestructuras utilizando una novedosa técnica nanolitográfica llamada Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). En esta técnica, se explotan las propiedades químicas de las moléculas fotocromáticas orgánicas que se someten a reacciones de un solo fotón, lo que permite un rápido nanopatrón de arriba hacia abajo en grandes áreas a bajas intensidades de luz, lo que permite eludir la barrera de difracción de campo lejano. 4 Se están explorando alternativas sencillas, rentables, de alto rendimiento y resolución a los nanopatrones, como la polimerización de dos fotones5,6, la litografía con pluma de haz (BPL)7, la litografía con haz de electrones de barrido (SEBL) y el patrón de haz de iones focalizados (FIB). Sin embargo, los enfoques multifotónicos requieren altas intensidades de luz, lo que limita su potencial de alto rendimiento y ofrece un bajo contraste de imagen. Aunque los procesos litográficos de haz de electrones e iones ofrecen una mayor resolución, la naturaleza en serie del proceso se limita a velocidades de escritura lentas, lo que también evita el modelado de características en áreas grandes. La litografía de haz es un enfoque hacia la litografía óptica paralela de campo cercano. Sin embargo, el espacio entre la fuente del haz y la superficie del fotorresistente debe controlarse con extrema precisión para obtener una buena uniformidad del patrón y esto es muy difícil de lograr para grandes conjuntos de haces. El modelado a través de transiciones ópticas saturables (POST) es una técnica alternativa de nanopatrones ópticos para modelar características de sublongitudde onda 1-3. Dado que esta técnica utiliza fotones individuales en lugar de electrones, es extremadamente rápida y no requiere altas intensidadesde luz 1-3, lo que abre la puerta a la paralelización masiva.

Introducción

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Litografía óptica es de importancia clave en la fabricación de estructuras a nanoescala y dispositivos. El aumento de los avances en las técnicas de litografía novela tiene la posibilidad de habilitar nuevas generaciones de dispositivos novedosos. 8-11 En este artículo, se presenta una revisión de una clase de técnicas litográficas ópticos que logran profundo resolución sub-banda de frecuencia con nuevas moléculas photoswitchable. Este enfoque se denomina Patterning vía óptica saturable Transitions (POST). 1-3

POST es una técnica novedosa nanofabricación que combina de forma única las ideas de la saturación de las transiciones ópticas de moléculas fotocrómicas, específicamente (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-bithiophen-il)) perfluorocyclopent-1-eno. Coloquialmente, este compuesto se conoce como BTE, la Figura 1, tales como los utilizados en la emisión-agotamiento (STED) microscopía estimulada 12, con litografía de interferencia, que hace que sea una herramienta poderosa para large-área nanoestampación paralelo de características de sublongitud de onda profundos sobre una variedad de superficies con extensión potencial de 2 y 3 dimensiones.

La capa fotocrómico es originalmente en un estado homogéneo. Cuando esta capa se expone a una iluminación uniforme de λ 1, se convierte en el segundo estado isomérico (1c), la Figura 2. A continuación, la muestra se expone a un nodo centrado en λ 2, que convierte la muestra en el primer estado isomérico ( 1o) en todas partes excepto en las inmediaciones del nodo. Mediante el control de la dosis de exposición, el tamaño de la región no convertida se puede hacer arbitrariamente pequeña. Una etapa de fijación posterior de uno de los isómeros se puede convertir selectiva e irreversible (bloqueado) en un estado 3 rd (en negro) para bloquear el patrón. A continuación, la capa se expone de manera uniforme a λ 1, que convierte todo excepto la región bloqueada de nuevo a su estado original. Lasecuencia de pasos se puede repetir con un desplazamiento de la muestra relativa a la óptica, resultando en dos regiones bloqueadas cuya distancia es menor que el límite de difracción de campo lejano. Por lo tanto, cualquier geometría arbitraria puede ser modelada de una manera "de matriz de puntos". 1-3

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Protocolo

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NOTA: realizar todos los pasos siguientes en virtud clase de sala limpia 100 condiciones o mejor.

1. Preparación de muestras

  1. Limpie una oblea de silicio de 2 "de diámetro con Buffered Óxido Etch solución (BOE) (6 piezas de 40% de NH 4 F y 1 parte de 49% IC) durante 2 minutos (Precaución: Los productos químicos peligrosos). Elija esta vez grabado para eliminar cualquier orgánicos o contaminantes en la superficie. Enjuague con agua desionizada (DI) durante aproximadamente 5 minutos. Oblea seco con N2 seco.
    NOTA: Nunca trabaje solo cuando se utiliza HF. Siempre usa protección para los ojos con una careta y equipo de protección personal (EPP) en caso de derrames. Pon directrices para el uso y manejo de los residuos de alta frecuencia en el laboratorio donde se realiza el grabado.
    NOTA: Los pasos 1.2 a 1.7 son de un solo bloqueo electroquímica. Si se realiza a través de la disolución de bloqueo continúe con el Paso 2.
  2. Para fijar el electrodo de trabajo, pulverización catódica 100 nm de platino (Pt) sobre el limpio 2 "silícico diámetroen la oblea.
  3. Antes de grabar la película delgada de platino, limpiar la cámara RIE de cualquier impureza o fotoprotector sobrante de Etches secas anteriores.
  4. Evacuar la cámara hasta una presión base de 1 × 10 -5 Torr se logra. Asegúrese de que la potencia de RF está ajustado a 200 W y los caudales para el oxígeno y argón se establece en 50 sccm y 10 sccm respectivamente. Encender el plasma de Ar / O2 y una duración de al menos 1 hora.
  5. Apagar el plasma de Ar / O 2 y permita que la cámara de ventilación de aproximadamente 10 min.
  6. Para grabar la superficie de la película delgada de platino, cargar la muestra en la cámara de RIE y bombear la cámara hasta una presión base de 1 × 10 -5 Torr. Esta vez ajustado el caudal de argón a 0 sccm. Encender el plasma de O 2 y dejar que este proceso funcione durante 30 min.
  7. Apague el plasma de O 2 y dejar que la cámara de ventilación durante 10 minutos.

2. La evaporación térmica de Photochromic Molécula Usando encargo LEvaporador Temperatura ujo (LTE)

  1. Rellene AlO barco 2 con 30 mg de BTE y cargar en fuente LTE personalizado (Figura 6).
  2. Cargar oblea de silicio en la muestra de montaje.
  3. Orificios de la cámara de sello y cámara de la bomba hacia abajo a una presión base de 1 x 10 -6 Torr.
  4. Evaporar el BTE a una temperatura de consigna de 100 ° C, con un espesor de película de 30 nm.
  5. Inmediatamente después de la evaporación, inundación iluminar la muestra a 5 min de la UV para transformar el material BTE a la forma cerrada, 1c.
  6. Con el fin de definir el tamaño de la muestra, escindir un pequeño trozo de la oblea utilizando un escriba diamante rayar una línea desde el borde de la superficie de silicio. Coge la oblea en ambos lados de la línea cero y doblar la oblea hacia abajo hasta que se rompe a lo largo del plano cristalino.
  7. Realizar mediciones perfilómetro para validar BTE espesor de película delgada. Para ello, rasque la muestra usando una multa pinzas de punta. Mida la altura del escalón from este cero, que es la diferencia de altura entre la derecha y la posición del cursor izquierda.
    NOTA: Las imprecisiones en espesor de la película dará lugar a discrepancias en dosis de exposición.
  8. Tienda muestra restante en N 2 guantera llena.

3. Las exposiciones

NOTA: Realice todas las exposiciones en condiciones de atmósfera inerte para evitar la degradación de la muestra.

  1. Escindir la muestra siguiendo el mismo procedimiento que el descrito en el paso 2.6.
  2. Cargue la muestra en el soporte de la atmósfera muestra inerte.
  3. Montar soporte de muestra inerte en el escenario. Muestra de purga con N2.
  4. Exponer la muestra al tiempo de exposición deseado usando un interferómetro, como la que se muestra en la Figura 8.

4. Oxidación electroquímica utilizando tres Cell Electrodo

NOTA: Realice la electroquímica en condiciones de atmósfera inerte para evitar la degradación de la muestra.

  1. Abrazadera de un vial de vidrio limpio en la parte superior de la placa caliente. Coloque una barra agitadora limpia en el vial. Encienda el agitador.
  2. Limpiar un nuevo clip de cobre con metanol. Limpiar el contraelectrodo de platino con metanol.
  3. El uso de un clip de cobre limpio, clip de la muestra a través de uno de los agujeros en el tapón del vial de teflón. Asegúrese de engancharse a sólo el platino expuesto.
  4. Coloque la tapa del frasco de teflón sobre el vial. Sujete el cable rojo en el contra-electrodo de platino y el cable negro en el clip de cobre que contiene la muestra.
  5. Usando una jeringa limpia, llenar el vial con agua desionizada filtrada (DI) agua a través del segundo agujero en el tapón del vial de teflón. Rellene tan alto sin sumergir cualquier parte del platino desnudo en la muestra.
  6. Burbujear nitrógeno a través del agua durante 3-5 min. Apague el nitrógeno.
  7. Coloque el electrodo de referencia en el segundo agujero en el tapón del vial de teflón. Sujete el cable blanco sobre el electrodo de referencia. Asegúrese de que ninguno de los platino desnudo on la muestra se sumerge.
  8. El uso de un voltammograph, ajustar la tensión de oxidación a 0,5 V / seg.
  9. Una vez transcurrido el tiempo de oxidación deseada, desconecte la alimentación a la voltammograph apagado.
  10. Retire los clips rojo, negro, y blanco del mostrador electrodo de platino, un clip de cobre, y el electrodo de referencia.
  11. Exponer la muestra a los rayos UV durante 5 min.

5. Desarrollo de la muestra - Electroquímica de bloqueo

NOTA: Realice el desarrollo en condiciones de atmósfera inerte para evitar la degradación de la muestra.

  1. Desarrollar la muestra filtrada en 5 (% en peso) de isopropanol, 95 (% en peso) de etilenglicol para la cantidad de tiempo deseado. Nota: Típicamente 50 muestras nm se desarrollan durante 30-60 segundos mientras se desarrollan 80 muestras nm para 60 a 180 seg.
  2. Muestra seca con N2 seco.
  3. Inmediatamente exponer la muestra a 5 min de la UV.

6. Muestra el Desarrollo - Disolución de bloqueo

NOTA: Realice el desarrollo en condiciones de atmósfera inerte para evitar la degradación de la muestra.

  1. Usando 100 ml de etilenglicol en un vaso de precipitados de vidrio limpio, desarrollar la muestra expuesta durante el tiempo de desarrollo deseado.
  2. Muestra seca con N2 seco. Inmediatamente exponer la muestra a 5 min de la UV.

7. Múltiples exposiciones

  1. Si la realización de exposiciones múltiples repita los pasos 3-6 con una traducción de la muestra en relación con la óptica.

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Resultados

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Muestras fabricadas:

Diferentes tiempos de oxidación se caracterizaron como se ilustra mediante las micrografías de fuerza atómica en la Figura 3 a una tensión de oxidación de 0,85 V determinado a partir de voltametría cíclica. Las películas de 50 nm de espesor fueron expuestas a una onda estacionaria en λ = 647 nm del período de 400 nm durante 60 segundos a una densidad de potencia de 0,95 mW / cm2. A medida que el tiempo de oxidación se incremen...

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Discusión

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Se han descrito la fabricación, la configuración experimental y los procedimientos operativos relacionados con el patrón a través de transiciones ópticas saturables (POST). Al explotar las propiedades de conmutación lineal de moléculas fotocromáticas térmicamente estables, POST ofrece nuevas perspectivas para eludir el límite de difracción de campo lejano. 1-2,4

Anteriormente, el requisito de almacenamiento a largo plazo de las muestras se resolvía almacenando las muestras bajo N

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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

Gracias a Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott y Chris Landes por las útiles discusiones y asistencia relacionada con el portamuestras de atmósfera inerte personalizado y la asistencia en el taller de máquinas de los estudiantes de la Universidad de Utah. P.C. reconoce el NSF GRFP bajo la Subvención No. 0750758. P.C. reconoce la Beca de Capacitación en Nanotecnología de la Universidad de Utah. R.M. reconoce un Premio NSF CAREER No. 1054899 y fondos de la Iniciativa USTAR.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
IsopropanolFisher ScientificP/7500/15PRECAUCIÓN: inflamable, use buena ventilación y evite todas las fuentes de ignición.
de óxido tamponado
MetanolRicca Chemical48-293-2 PRECAUCIÓN: inflamable, use buena ventilación y evite todas las fuentes de ignición.
EtilenglicolSigma-Aldrich324558 ATENCIÓN: Nocivo si se ingiere
Oblea
Diamond Scribe
Vasos de precipitados
PinzasTed Pella5226
Sistema de grabado de iones reactivosOxfordPlasma Lab 80 Plus
Inert Atmósfera PortamuestrasDiseñado internamente
Cubo divisor de haz polarizadoThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171PRECAUCIÓN: Use gafas de seguridad
Placas de media ondaThorlabsWPH05M-633
Evaporador térmicopatentado diseñado
Super TM Productos de vacíoTMV Super
VoltammographBioanalytical SystemsCV-37
Lámpara UV de onda corta 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25PRECAUCIÓN: Use gafas de seguridad UV
Grabado de siliconade vidrio TMV internamente

Referencias

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