מאמר שיטה

דפוסים באמצעות מעברי Saturable אופטיים - ייצור ואפיון

DOI:

10.3791/52449

⸱

11 בדצמבר 2014

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

במאמר זה

סיכום

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

אנו מדווחים כי ניתן להתגבר על מגבלת העקיפה של ליתוגרפיה אופטית קונבנציונלית על ידי ניצול המעברים של נגזרות פוטוכרומיות אורגניות הנגרמות על ידי הפוטואיזומריזציה שלהן בעוצמות אור נמוכות. 1-3 מאמר זה מתאר את טכניקת הייצור שלנו ושני מנגנוני נעילה, כלומר: פירוק של פוטואיזומר אחד וחמצון אלקטרוכימי.

תקציר

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

פרוטוקול זה מתאר את הייצור והאפיון של ננו-מבנים באמצעות טכניקה ננו-ליטוגרפית חדשה הנקראת דפוס באמצעות מעברים אופטיים רוויים (POST). בטכניקה זו מנוצלות התכונות הכימיות של מולקולות פוטוכרומיות אורגניות העוברות תגובות של פוטון בודד, מה שמאפשר ננו-דפוס מהיר מלמעלה למטה על פני שטחים גדולים בעוצמות אור נמוכות, ובכך מאפשר עקיפה של מחסום העקיפה של השדה הרחוק. 4 נחקרות חלופות פשוטות, חסכוניות, תפוקה ורזולוציה גבוהות לננו-דפוסים, כגון, פילמור דו-פוטוני5,6, ליתוגרפיה של עט קרן (BPL)7, ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים סורקת (SEBL) ודפוס קרן יונים ממוקדת (FIB). עם זאת, גישות מרובות פוטונים דורשות עוצמות אור גבוהות, המגבילות את הפוטנציאל שלהן לתפוקה גבוהה ומציעות ניגודיות תמונה נמוכה. למרות שתהליכים ליטוגרפיים של אלומת אלקטרונים ויונים מציעים רזולוציה מוגברת, האופי הסדרתי של התהליך מוגבל למהירויות כתיבה איטיות, מה שמונע גם דפוס של תכונות על פני שטחים גדולים. ליתוגרפיה של עט קרן היא גישה לקראת ליתוגרפיה אופטית מקבילה בשדה קרוב. עם זאת, יש לשלוט על הפער בין מקור האלומה למשטח הפוטו-רזיסט בצורה מדויקת ביותר עבור אחידות דפוס טובה וזה מאוד מאתגר להשגה עבור מערכי אלומות גדולים. דפוס באמצעות מעברים אופטיים רוויים (POST) היא טכניקת ננו-דפוס אופטית חלופית לדפוס תכונות תת-אורך גל1-3. מכיוון שטכניקה זו משתמשת בפוטונים בודדים במקום אלקטרונים, היא מהירה במיוחד ואינה דורשת עוצמות אור גבוהות1-3, מה שפותח את הדלת להקבלה מסיבית.

מבוא

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

ליתוגרפיה אופטית היא בעל חשיבות מרכזית בייצור של מבנים ננומטריים והתקנים. יש התקדמות מוגברת בטכניקות ליתוגרפיה רומן היכולת לאפשר דורות חדשים של מכשירי רומן. 8-11 במאמר זה, סקירה מוצגת בכיתה של טכניקות ליתוגרפי אופטיות כי להשיג רזולוציה תת-גל עמוק באמצעות מולקולות photoswitchable רומן. גישה זו נקראת דפוסים באמצעות אופטי-Saturable מעברים (POST). 1-3

POST הוא שיטה חדשנית nanofabrication שמשלבת באופן ייחודי את הרעיונות של להרוות מעברים אופטיים של מולקולות Photochromic, במיוחד (1,2-bis (5,5'-דימתיל-2,2'-bithiophen-י.ל.)) perfluorocyclopent-1-ENE. בפיהם, תרכובת זו נקראת BTE, איור 1, כגון אלו המשמשים במיקרוסקופ פליטה המאולץ-דלדול (STED) 12, עם יתוגרפיה הפרעות, שהופך אותו לכלי רב עוצמה לlargnanopatterning דואר האזור המקביל של תכונות subwavelength עמוקות על מגוון משטחים עם סיומת פוטנציאל 2 ו 3-ממדים.

שכבת Photochromic היא מדינת מקור בהומוגנית אחת. כאשר שכבה זו נחשפה לתאורה אחידה של λ 1, זה הופך למדינה השנייה isomeric (ג 1), איור 2. ואז המדגם חשוף לצומת ממוקדת בλ 2, אשר ממיר את המדגם לתוך מדינת isomeric הראשונה ( 1o) בכל מקום מלבד בסביבה הקרובה לצומת. על ידי שליטה על מינון החשיפה, גודל האזור לא מומר יכול להיעשות באופן שרירותי קטן. הצעד הבא של תיקון אחד של איזומרים ניתן להמרה באופן סלקטיבי ובלתי הפיך (נעול) למצב 3 rd (בשחור) כדי לנעול את התבנית. בשלב הבא, השכבה חשופה באופן אחיד לλ 1, אשר ממיר כל דבר פרט לאזור הנעול חזרה למצב המקורי.רצף של צעדים ניתן לחזור עם תזוזה של המדגם ביחס לאופטיקה, וכתוצאה מכך שני אזורים נעולים ריווחה קטן מגבול השתברות השדה הרחוק. לכן, כל גיאומטריה שרירותית ניתן בדוגמת באופנה "סיכות". 1-3

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

הערה: לבצע את כל השלבים תחת כיתת חדר נקי 100 תנאים טובים יותר או הבאים.

הכנת 1. לדוגמא

  1. נקה רקיק 2 קוטר "סיליקון עם נאגר תחמוצת Etch פתרון (BOE) (6 חלקים 40% 4 F NH וHF 49% חלק 1) למשך 2 דקות (זהירות: כימיקלים מסוכנים). בחר זמן לחרוט זה כדי להסיר כל חומרים אורגניים או מזהמים על פני השטח. לשטוף עם מים ללא יונים (DI) למשך כ 5 דקות. רקיק יבש עם N היבש 2.
    הערה: לעולם אל תעבוד לבד בעת שימוש HF. תמיד לובש משקפי מגן עם מגן פנים וציוד מגן אישי (PPE) במקרה של דליפות. הנחיות הודעה לשימוש וטיפול בפסולת HF במעבדה שבה התחריט מתבצע.
    הערה: שלבי 1.2-1.7 הן לנעילה אלקטרוכימיים בלבד. אם ביצוע נעילה באמצעות פירוק המשך לשלב 2.
  2. להניח את האלקטרודה העבודה, גמגום של פלטינה (Pt) 100 ננומטר על silic הקוטר הנקי 2 "על פרוסות סיליקון.
  3. לפני תחריט הסרט דק הפלטינה, לנקות את חדר RIE של כל זיהומים או photoresist שאריות מetches היבשה הקודמת.
  4. לשאוב את התא עד לחץ בסיס של 1 × 10 -5 Torr מושגת. ודא שהכח RF מוגדר 200 W והספיקות לחמצן והארגון מוגדרות 50 SCCM ו -10 SCCM בהתאמה. להצית את הפלזמה Ar / O 2 ולרוץ לשעה לפחות 1.
  5. כבה את הפלזמה Ar / O 2 ולאפשר חדר פורקן לכ -10 דקות.
  6. כדי לחרוט את פני השטח סרט דק פלטינה, לטעון את המדגם לתוך תא RIE ולשאוב את החדר עד ללחץ בסיס של 1 × 10 -5 Torr. הפעם להגדיר את קצב זרימת ארגון ל0 SCCM. להצית את הפלזמה O 2 ולתת תהליך זה לרוץ במשך 30 דקות.
  7. כבה את הפלזמה O 2 ולתת פורקן קאמרי עבור 10 דקות.

2. אידוי תרמי של Photochromic מולקולת שימוש מותאם אישית Lמאייד ow טמפרטורה (LTE)

  1. מלא סירת ALO 2 עם 30 מ"ג של BTE ולטעון למקור מנהג LTE (איור 6).
  2. פרוסות סיליקון טען למדגם הר.
  3. יציאות חותם תא ותא משאבה עד ללחץ בסיס של 1 x 10 -6 Torr.
  4. להתאדות BTE בטמפרטורת setpoint של 100 ° C, עם עובי סרט של 30 ננומטר.
  5. מייד לאחר אידוי, מבול להאיר את המדגם כדי 5 דקות של UV להפוך את חומר BTE לצורה הסגורה, 1c.
  6. על מנת להגדיר את גודל המדגם, לדבוק פיסה קטנה של פרוסות סיליקון באמצעות סופר יהלומים לגרד קו מהקצה של משטח סיליקון. תפוס את הרקיק משני צידי קו ההתחלה ולכופף את הרקיק כלפי מטה עד שהוא פורץ במישור הגביש.
  7. לבצע מדידות profilometer כדי לאמת BTE עובי סרט דק. כדי לעשות זאת, לשרוט את המדגם באמצעות פינצטה קצה קנס. מדוד את גובה הצעד הלוך ושובמ 'שריטה זה, המהווה את ההבדל בגובה בין הזכות ומיקום סמן השמאלי.
    הערה: אי דיוקים בעובי סרט יגרמו לאי התאמות במינון חשיפה.
  8. מדגם שנותר בחנות בN 2 תא כפפות מלאות.

3. חשיפות

הערה: בצע את כל החשיפות בתנאי אווירת אינרטי כדי למנוע השפלה של מדגם.

  1. קליב המדגם על ידי ביצוע ההליך אותו כפי שמתואר בשלב 2.6.
  2. טען מדגם בבעל מדגם אווירת אינרטי.
  3. הר בעל מדגם אינרטי על במה. מדגם טיהור עם N 2.
  4. לחשוף את המדגם לזמן חשיפה הרצויה באמצעות interferometer, כמו זה שמוצג באיור 8.

4. אלקטרוכימי חמצון באמצעות שלוש Cell אלקטרודה

הערה: בצע אלקטרוכימיה בתנאי אווירת אינרטי כדי למנוע השפלה של מדגם.

  1. הצמד בקבוקון זכוכית נקי על גבי הצלחת החמה. הנח בר ערבוב נקי בבקבוקון. הפעל את הבוחש.
  2. נקה קליפ נחושת חדש עם מתנול. נקה את האלקטרודה הנגדית פלטינה עם מתנול.
  3. שימוש בקליפ נחושת נקי, קליפ מדגם דרך אחד החורים במכסת בקבוקון הטפלון. הקפד קליפ על הפלטינה נחשפה רק.
  4. מניחים את כובע בקבוקון הטפלון על הבקבוקון. קליפ העופרת האדומה על האלקטרודה הנגדית פלטינה ולהוביל השחורים על גבי נחושת קליפ מחזיק המדגם.
  5. באמצעות מזרק נקי, למלא את הבקבוקון עם deionized מים המסונן (DI) דרך החור השני בכובע בקבוקון הטפלון. מלא גבוה בלי שהשקיע כל אחד מהפלטינה היחפה על המדגם.
  6. חנקן בועה במים במשך 3-5 דקות. כבה את החנקן.
  7. מניחים את האלקטרודה ההתייחסות לחור השני בכובע בקבוקון הטפלון. קליפ העופרת הלבנה על גבי האלקטרודה ההתייחסות. בדוק כדי לוודא שאף אחד o הפלטינה החשופהn המדגם הוא שקוע.
  8. באמצעות voltammograph, להגדיר את מתח החמצון לרמה של 0.5 V / sec.
  9. לאחר זמן חמצון הרצוי חלף, להפוך את הכח לvoltammograph את.
  10. הסר את קטעים האדומים, שחורים, לבנים ומן האלקטרודה הנגדית הפלטינה, קליפ נחושת, והאלקטרודה התייחסות.
  11. לחשוף את המדגם לUV למשך 5 דקות.

5. פיתוח לדוגמא - אלקטרוכימי נעילה

הערה: בצע פיתוח בתנאי אווירת אינרטי כדי למנוע השפלה של מדגם.

  1. לפתח את המדגם ב 5 (% wt) isopropanol המסוננת, 95 אתילן גליקול (% wt) לכמות הרצויה של זמן. שים לב: 50 בדרך כלל דגימות ננומטר שפותחו עבור 30-60 שניות תוך 80 דגימות ננומטר שפותחו עבור 60-180 שניות.
  2. מדגם יבש עם N היבש 2.
  3. מייד לחשוף מדגם 5 דקות של UV.

נעילת פירוק - פיתוח 6. לדוגמא

הערה: בצע פיתוח בתנאי אווירת אינרטי כדי למנוע השפלה של מדגם.

  1. שימוש של אתילן גליקול 100 מיליליטר בכוס זכוכית נקייה, לפתח את המדגם נחשף בפעם ההתפתחות הרצויה.
  2. מדגם יבש עם N היבש 2. מייד לחשוף מדגם 5 דקות של UV.

7. חשיפות מרובות

  1. אם ביצוע חוזר חשיפות מרובות על שלבים 3-6 עם תרגום של המדגם ביחס לאופטיקה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

דגימות מפוברקות:

פעמים חמצון שונות אופיינו כפי שמודגמים על ידי micrographs הכוח האטומי באיור 3 במתח חמצון של 0.85 V נקבע מvoltammetry המחזורית. סרטי 50 ננומטר בעובי נחשפו לגל עומד בλ = 647 nm של nm 400 תקופה של 60 שניות בצפיפות הספק של 0.95 mW / 2 סנטימטר. ככל שזמן החמצון מוגבר מ 10 דקות עד 25 דקות, ניתן לראות בבירור את אובדן הניגוד כחלק מהאזורים מורכבים מ1o

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

תוארו הייצור, ההתקנה הניסיונית והנהלים התפעוליים הקשורים של דפוס באמצעות מעברים אופטיים הניתנים לרוויה (POST). על ידי ניצול תכונות המיתוג הליניאריות של מולקולות פוטוכרומיות יציבות תרמית, POST מציע נקודות מבט חדשות על עקיפת מגבלת העקיפה של השדה הרחוק. 1-2,4

בעבר דרישת האחסון לטווח ארוך של הדגימות נפתרה על ידי אחסון הדגימות מתחת ל-N2, מיד לאחר האידוי הראשוני. 2 עם זאת, החספוס המשמעותי של קצה הקו הניכר בסורגים, איורים 3 ו-5, נובע...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

תודה למייקל נוטסון, פול המריק, גרג סקוט וכריס לנדס על דיונים מועילים וסיוע הקשורים למחזיק מדגם האווירה האינרטית המותאמת אישית וסיוע בחנות מכונות הסטודנטים של אוניברסיטת יוטה. P.C. מודה ל-NSF GRFP תחת מענק מס' 0750758. P.C. מכיר במלגת ההכשרה לננוטכנולוגיה של אוניברסיטת יוטה. R.M. מכיר בפרס NSF CAREER מס' 1054899 ובמימון מיוזמת USTAR.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
איזופרופנולפישר סיינטיפיקP/7500/15זהירות: דליק, השתמש באוורור טוב והימנע מכל מקורות ההצתה.
תחרוקת תחמוצת
מתנולRicca כימי48-293-2 זהירות: דליק, השתמש באוורור טוב והימנע מכל מקורות ההצתה.
אתילן גליקולסיגמא-אולדריץ'324558זהירות: מזיק אם נבלע
פרוסת
כוסות
זכוכית
פינצטהטד פלה5226
מערכת תחריט יונים תגובתיתפלזמה אוקספורד80 פלוס
אינרטית מחזיק מדגם אטמוספירהקנייני מעוצב
קוביית מפצל קרן מקטבThorlabsPBS052
HeNe לייזרMelles Griot25-LHP-171זהירות: הרכיבו משקפי בטיחות
צלחות חצי גלThorlabsWPH05M-633
מאייד תרמיקנייני מעוצב
בבית TMV מוצריואקוםסופר TMV סופר
וולטמוגרףמערכות ביואנליטיותCV-37
מנורת UV גל קצר 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25זהירות: הרכיבו משקפי בטיחות UV
חוצץסיליקון סופר מעבדת בבית

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  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).
  10. Carr, D., Sekaric, L., Craighead, H. Measurement of nanomechanical resonant structures in single-crystal silicon. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3821-3824 (1998).
  11. Wilhelmi, O., et al. Rapid prototyping of nanostructured materials with a focused ion beam. Japanese Journal of Applied Physics. 47 (6), 2010-5014 (2008).
  12. Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
  13. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 14, 4129(1996).
  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים