Article de méthode

Patterning par Transitions Optical saturable - Fabrication et caractérisation

DOI :

10.3791/52449

⸱

11 décembre 2014

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

Dans cet article

Résumé

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

Nous rapportons que la limite de diffraction de la lithographie optique conventionnelle peut être surmontée en exploitant les transitions de dérivés photochromiques organiques induites par leur photoisomérisation à de faibles intensités lumineuses. 1-3 Cet article décrit notre technique de fabrication et deux mécanismes de verrouillage, à savoir : la dissolution d’un photoisomère et l’oxydation électrochimique.

Résumé

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

Ce protocole décrit la fabrication et la caractérisation de nanostructures à l’aide d’une nouvelle technique nanolithographique appelée Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). Dans cette technique, les propriétés chimiques des molécules photochromiques organiques qui subissent des réactions de photons uniques sont exploitées, ce qui permet une nanostructuration descendante rapide sur de grandes zones à de faibles intensités lumineuses, permettant ainsi de contourner la barrière de diffraction du champ lointain. 4 Des alternatives simples, rentables, à haut débit et à haute résolution à la nanostructuration sont à l’étude, telles que la polymérisation à deux photons5,6, la lithographie par faisceau (BPL)7, la lithographie par faisceau d’électrons à balayage (SEBL) et la structuration par faisceau d’ions focalisés (FIB). Cependant, les approches multiphotoniques nécessitent des intensités lumineuses élevées, ce qui limite leur potentiel de débit élevé et offre un faible contraste d’image. Bien que les procédés de lithographie par faisceau d’électrons et d’ions offrent une résolution accrue, la nature sérielle du processus est limitée à des vitesses d’écriture lentes, ce qui empêche également la structuration des caractéristiques sur de grandes surfaces. La lithographie à faisceau est une approche de la lithographie optique parallèle en champ proche. Cependant, l’écart entre la source du faisceau et la surface de la résine photosensible doit être contrôlé avec une extrême précision pour une bonne uniformité du motif, ce qui est très difficile à réaliser pour de grands réseaux de faisceaux. Le modelage via des transitions optiques saturées (POST) est une technique alternative de nanostructuration optique pour structurer les caractéristiques sous-longueurs d’onde1 à 3. Comme cette technique utilise des photons uniques au lieu d’électrons, elle est extrêmement rapide et ne nécessite pas d’intensités lumineuses élevéesde 1 à 3, ce qui ouvre la porte à une parallélisation massive.

Introduction

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Lithographie optique est d'une importance clé dans la fabrication de structures et dispositifs à l'échelle nanométrique. Progrès accrus dans de nouvelles techniques de lithographie a la capacité de permettre à de nouvelles générations de nouveaux dispositifs. 8-11 Dans cet article, un examen est présentée d'une classe de techniques lithographiques optiques qui permettent d'atteindre une résolution sub-longueur d'onde profonde en utilisant de nouvelles molécules photoswitchable. Cette approche est appelée Modélisation via optique saturable Transitions (POST) 1-3.

POST est une nouvelle technique de nanofabrication qui combine de façon unique les idées de saturer transitions optiques de molécules photochromiques, spécifiquement (1,2-bis (5,5'-diméthyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-ène. Familièrement, ce composé est appelé BTE, Figure 1, tels que ceux utilisés dans l'émission stimulée appauvrissement (STED) microscopie 12, avec une interférence lithographie, ce qui en fait un outil puissant pour large-zone nanostructuration parallèle de fonctions de Subwavelength profondes sur une variété de surfaces avec extension potentielle à 2 et 3 dimensions.

La couche photochromique est à l'origine dans un état homogène. Lorsque cette couche est exposée à un éclairage uniforme de λ 1, on convertit en le second état ​​d'isomères (1c), la figure 2. Ensuite, l'échantillon est exposé à un noeud ciblé à λ 2, qui convertit l'échantillon dans le premier état ​​d'isomères ( 1o) partout, sauf dans le proche voisinage du noeud. En commandant la dose d'exposition, la taille de la région ne ayant pas réagi peut être rendue arbitrairement faible. Une étape de fixation ultérieure de l'un des isomères peut être sélectivement et irréversiblement transformée (verrouillé) dans un 3 ème Etat (en noir) pour verrouiller le motif. Ensuite, la couche est exposée uniformément à λ 1, qui convertit tout sauf la région verrouillée à l'état d'origine. Leséquence d'étapes peut être répétée avec un déplacement de l'échantillon par rapport à l'optique, résultant en deux régions verrouillées dont l'écartement est inférieur à la limite de diffraction en champ lointain. Par conséquent, ne importe quelle géométrie arbitraire peut être modelée de façon "matricielle". 1-3

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Protocole

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REMARQUE: effectuer toutes les étapes suivantes en vertu de salle blanche de classe 100 de conditions ou mieux.

Préparation de l'échantillon 1.

  1. Nettoyer une plaquette de silicium de 2 "de diamètre avec Buffered Oxide Etch (BOE) solution (6 pièces 40% de NH 4 F et une partie 49% HF) pendant 2 min (Attention: produits chimiques dangereux). Choisissez cette fois de gravure pour enlever les contaminants organiques ou à la surface. Rincer à l'eau désionisée (DI) de l'eau pendant environ 5 min. Plaquette sec avec N2 sec.
    NOTE: Ne jamais travailler seul lors de l'utilisation HF. Porte toujours des lunettes de protection avec écran facial et des équipements de protection individuelle (EPI) en cas de déversements. directives de mission pour l'utilisation et la manipulation des déchets de HF dans le laboratoire où la gravure est effectuée.
    REMARQUE: les étapes 1.2 à 1.7 sont pour le verrouillage électrochimique seulement. Si vous effectuez de verrouillage via la dissolution passez à l'étape 2.
  2. Pour fixer l'électrode de travail, pulvérisation 100 nm de platine (Pt) sur le nettoyage 2 "de diamètre Silicsur la plaquette.
  3. Avant de graver le film mince de platine, nettoyer la chambre RIE de toute impureté ou résine photosensible restes de gravures sèches précédentes.
  4. Pomper la chambre jusqu'à une pression de base de 1 × 10 -5 Torr est obtenue. Assurez-vous que la puissance RF est réglé à 200 W et les débits pour l'oxygène et de l'argon sont fixés à 50 sccm et 10 sccm respectivement. Allumer le Ar / O 2 plasma et fonctionner pendant au moins 1 h.
  5. Éteignez l'Ar / O 2 plasma et permettent la chambre de ventilation pendant environ 10 min.
  6. Pour graver la surface du film mince de platine, charger l'échantillon dans la chambre RIE et pomper la chambre jusqu'à une pression de base de 1 × 10 -5 Torr. Cette fois réglé le débit d'argon à 0 sccm. Allumer le plasma O 2 et laisser ce processus de fonctionner pendant 30 min.
  7. Éteignez le plasma O 2 et laissez la chambre de ventilation pendant 10 min.

2. évaporation thermique des photochromique molécule en utilisant personnalisée Low évaporateur Température (LTE)

  1. Remplissez AlO2 bateau avec 30 mg de BTE et charger dans la source d'LTE personnalisé (figure 6).
  2. Charge plaquette de silicium dans l'échantillon de montage.
  3. orifices de la chambre d'étanchéité de la pompe et la chambre jusqu'à une pression de base de 1 x 10 -6 Torr.
  4. Evaporer le contour à une température de consigne de 100 ° C, avec une épaisseur de film de 30 nm.
  5. Immédiatement après l'évaporation, inondation illuminer l'échantillon à 5 min de UV pour transformer la matière BTE à la forme fermée, 1c.
  6. Afin de définir la taille de l'échantillon, cliver un petit morceau de la galette à l'aide d'une pointe en diamant pour rayer une ligne à partir du bord de la surface de silicium. Saisir la tranche des deux côtés de la ligne de rayure et plier la plaquette vers le bas jusqu'à ce qu'il casse le long du plan de cristal.
  7. Effectuer des mesures de profilomètre pour valider BTE épaisseur de film mince. Pour ce faire, rayer l'échantillon en utilisant une amende pinces de bord. Mesurer la hauteur de la marche vientm ce scratch, qui est la différence de hauteur entre le droit et la position du curseur gauche.
    REMARQUE: inexactitudes dans l'épaisseur du film seront entraîner des écarts de la dose d'exposition.
  8. Magasin échantillon restant en N 2 boîte à gants remplie.

3. Les expositions

REMARQUE: Effectuer toutes les expositions dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

  1. Cliver l'échantillon en suivant la même procédure que décrite dans l'étape 2.6.
  2. échantillon de charge inerte en porte-échantillon de l'atmosphère.
  3. Montez porte-échantillon inerte sur scène. échantillon de purge avec du N2.
  4. Exposer l'échantillon à la durée d'exposition désirée à l'aide d'un interféromètre, tel que celui représenté sur la figure 8.

4. oxydation électrochimique en utilisant trois électrodes cellulaire

REMARQUE: Effectuer l'électrochimie dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

  1. Fixer un flacon de verre propre sur le dessus de la plaque chauffante. Placez une barre d'agitation propre dans le flacon. Tournez sur l'agitateur.
  2. Nettoyer un nouveau clip de cuivre avec du méthanol. Nettoyez le contre-électrode de platine avec du méthanol.
  3. En utilisant un clip de cuivre propre, couper l'échantillon à travers un des trous dans le bouchon du flacon de Téflon. Assurez-vous de couper sur la platine exposée seulement.
  4. Placer le flacon bouchon Téflon sur le flacon. Connectez le fil rouge sur le comptoir de platine électrode et le fil noir sur le clip de cuivre contenant l'échantillon.
  5. En utilisant une seringue propre, remplir le flacon avec déminéralisée filtrée (DI) de l'eau à travers le deuxième trou dans le bouchon du flacon de Téflon. Remplissez aussi élevé sans immersion du platine toute nue sur l'échantillon.
  6. Bubble azote dans l'eau pendant 3-5 min. Éteignez l'azote.
  7. Placer l'électrode de référence dans le deuxième trou dans le bouchon du flacon de Téflon. Connectez le fil blanc sur l'électrode de référence. Assurez-vous qu'aucun de platine o nuen l'échantillon est immergé.
  8. L'utilisation d'un voltammograph, régler la tension d'oxydation à 0,5 V / s.
  9. Après le temps d'oxydation désiré se est écoulé, coupez l'alimentation à l'voltammograph off.
  10. Retirez les clips rouge, noir, et blanc de la contre-électrode en platine, un clip de cuivre, et l'électrode de référence.
  11. Exposer l'échantillon aux UV pendant 5 min.

5. Exemple de développement - électrochimique Verrouillage

REMARQUE: Effectuez développement dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

  1. Développer l'échantillon filtré en 5 (% en poids) d'isopropanol, 95 (% en poids) d'éthylène glycol pour la durée désirée. Remarque: En général 50 échantillons nm sont développés pour 30-60 sec tout en 80 nm échantillons sont élaborés pour les 60 à 180 secondes.
  2. Échantillon sec avec N2 sec.
  3. Immédiatement exposer échantillon à 5 min de UV.

6. Exemple de développement - Dissolution de verrouillage

REMARQUE: Effectuez développement dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

  1. En utilisant 100 ml d'éthylène glycol dans un bécher de verre propre, de développer l'échantillon exposée pour le temps de développement souhaité.
  2. Échantillon sec avec N2 sec. Immédiatement exposer échantillon à 5 min de UV.

7. Les expositions multiples

  1. Si vous effectuez la répétition des expositions multiples étapes 3-6 avec une traduction de l'échantillon par rapport à l'optique.

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Résultats

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Échantillons travaillées:

Les différents temps d'oxydation ont été caractérisés comme illustré par les micrographies de force atomique sur la figure 3 à une tension d'oxydation de 0,85 V déterminé à partir de voltamétrie cyclique. Les films 50 nm d'épaisseur ont été exposés à une onde stationnaire à λ = 647 nm de la période 400 nm pendant 60 secondes à une densité de puissance de 0,95 mW / cm 2. Comme le temps d'oxydation est passée de 10 min à 25...

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Discussion

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La fabrication, le montage expérimental et les procédures opérationnelles associées de la structuration via des transitions optiques saturables (POST) ont été décrits. En exploitant les propriétés de commutation linéaire de molécules photochromiques thermiquement stables, l’auto-test de démarrage (POST) offre de nouvelles perspectives sur le contournement de la limite de diffraction en champ lointain. 1-2,4

Les besoins de stockage à long terme des échantillons, qui étaient auparavan...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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

Merci à Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott et Chris Landes pour leurs discussions utiles et leur aide concernant le porte-échantillon à atmosphère inerte personnalisé et l’aide apportée à l’atelier d’usinage des étudiants de l’Université de l’Utah. P.C. reconnaît le GRFP de la NSF sous la subvention n° 0750758. P.C. reconnaît la bourse de formation en nanotechnologie de l’Université de l’Utah. R.M. reconnaît la bourse de carrière n° 1054899 de la NSF et le financement de l’initiative USTAR.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
IsopropanolFisher ScientificP/7500/15ATTENTION : inflammable, utilisez une bonne ventilation et évitez toute source d’inflammation.
Oxyde tamponné Etch
MethanolRicca Chemical48-293-2  ;ATTENTION : inflammable, utilisez une bonne ventilation et évitez toutes les sources d’inflammation.
Éthylène glycolSigma-Aldrich324558ATTENTION : Nocif en cas d’ingestion
Plaquette
Diamond Scribe
Béchers en
Pince à épiler TedPella5226
Système de gravure ionique réactiveOxfordPlasma Lab 80 Plus
Inerte Porte-échantillond’atmosphère Cube séparateur
ThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171ATTENTION : Porter des lunettes
de sécurité Plaques demi-ondeThorlabsWPH05M-633
Évaporateur thermiqueExclusif TMV conçu en interne
Super TM Vacuum ProductsTMV Super
VoltammographBioanalytical SystemsCV-37
Lampe UV à ondes courtes 365  ; nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25ATTENTION : Porter des lunettes de sécurité UV
de siliciumverre de faisceau polarisant exclusif conçu en interne

Références

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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).
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  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).
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  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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Mots-clés

D p t de mol cules photochromesirradiation par lumi re ultravioletteillumination par ondes stationnairesd veloppement au solvant polairemesure d paisseur au profilom tremicroscopie lectronique balayagenanostructures sous longueur d ondelithographie photon uniquefabrication en salle blanche

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