Articolo metodologico

Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

DOI:

10.3791/52449

⸱

11 dicembre 2014

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

In questo articolo

Sommario

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

Segnaliamo che il limite di diffrazione della litografia ottica convenzionale può essere superato sfruttando le transizioni di derivati fotocromatici organici indotte dalla loro fotoisomerizzazione a basse intensità luminose. 1-3 Questo articolo delinea la nostra tecnica di fabbricazione e due meccanismi di bloccaggio, vale a dire: la dissoluzione di un fotoisomero e l'ossidazione elettrochimica.

Abstract

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

Questo protocollo descrive la fabbricazione e la caratterizzazione di nanostrutture utilizzando una nuova tecnica nanolitografica chiamata Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In questa tecnica vengono sfruttate le proprietà chimiche di molecole fotocromatiche organiche che subiscono reazioni a singolo fotone, consentendo un rapido nanopatterning top-down su vaste aree a basse intensità luminose, consentendo così l'elusione della barriera di diffrazione del campo lontano. 4 Sono in fase di esplorazione alternative semplici, economiche, ad alta produttività e risoluzione alla nanopatterning, come la polimerizzazione a due fotoni5,6, la litografia a fascio di penna (BPL)7, la litografia a fascio di elettroni a scansione (SEBL) e la modellazione a fascio ionico focalizzato (FIB). Tuttavia, gli approcci multifotone richiedono un'elevata intensità luminosa, che limita il loro potenziale di elevata produttività e offre un basso contrasto dell'immagine. Sebbene i processi litografici a fascio di elettroni e ioni offrano una maggiore risoluzione, la natura seriale del processo è limitata a basse velocità di scrittura, che impediscono anche la modellazione delle caratteristiche su grandi aree. La litografia beam-pen è un approccio alla litografia ottica parallela in campo vicino. Tuttavia, lo spazio tra la sorgente del raggio e la superficie del fotoresist deve essere controllato in modo estremamente preciso per una buona uniformità del modello e questo è molto difficile da realizzare per grandi array di raccordi. Il patterning tramite transizioni ottiche saturabili (POST) è una tecnica di nanopatterning ottico alternativa per il patterning di caratteristiche di lunghezza d'onda inferiore1-3. Poiché questa tecnica utilizza singoli fotoni invece di elettroni, è estremamente veloce e non richiede elevate intensità luminose1-3, aprendo la porta a una parallelizzazione massiccia.

Introduzione

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Litografia ottica è di fondamentale importanza nella fabbricazione di strutture in nanoscala e dei dispositivi. Aumento progressi nelle tecniche di litografia romanzo ha la possibilità di abilitare le nuove generazioni di nuovi dispositivi. 8-11 In questo articolo, una revisione è presentato di una classe di tecniche litografiche ottici che raggiungono profondità risoluzione sub-banda di frequenza con nuove molecole photoswitchable. Questo approccio è chiamato Patterning tramite Optical saturabile Transitions (POST). 1-3

POST è una nuova tecnica di nanofabbricazione, che combina in modo unico le idee di saturare transizioni ottiche di molecole fotocromatiche, in particolare (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-il-bithiophen)) perfluorocyclopent-1-ene. Colloquialmente, questo composto è indicato come BTE, Figura 1, come quelli utilizzati in stimolata emissioni deplezione (STED) microscopia a 12, con interferenza litografia, che lo rende un potente strumento per large-zona nanopatterning parallela di funzioni subwavelength profonde su una varietà di superfici con potenziale estensione a 2 e 3 dimensioni.

Lo strato fotocromatica è originariamente in uno stato omogeneo. Quando questo strato è esposto ad una illuminazione uniforme di λ 1, converte nel secondo stato isomerica (1c), Figura 2. Poi il campione è esposto a un nodo mirato a λ 2, che converte il campione nel primo stato isomerica ( 1o) ovunque tranne nelle immediate vicinanze del nodo. Controllando la dose di esposizione, la dimensione della regione non convertito può essere arbitrariamente piccola. Una successiva fase di fissaggio di uno degli isomeri può essere selettivamente e irreversibilmente convertito (bloccato) in uno stato di 3 ° (in nero) per bloccare il pattern. Successivamente, lo strato è esposto uniformemente a λ 1, che converte tutto tranne la regione bloccata ritorna allo stato originale. Ilsequenza di fasi può essere ripetuta con uno spostamento del campione rispetto alle ottiche, con conseguente due aree bloccate cui spaziatura è inferiore al limite di diffrazione campo lontano. Pertanto, qualsiasi geometria arbitraria può essere modellato in modo "aghi". 1-3

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Protocollo

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NOTA: effettuare tutte le seguenti operazioni sotto classe di camera bianca 100 condizioni o meglio.

Preparazione 1. Campione

  1. Pulire un wafer di silicio 2 "di diametro con la soluzione Buffered Oxide Etch (BOE) (6 pezzi 40% NH 4 F e 1 parte di 49% HF) per 2 min (Attenzione: i prodotti chimici pericolosi). Scegliere questo tempo di attacco per rimuovere eventuali sostanze organiche o contaminanti sulla superficie. Risciacquare con acqua deionizzata (DI) di acqua per circa 5 minuti. Wafer a secco con N a secco 2.
    NOTA: Non lavorare mai da soli quando si usa HF. Indossa sempre occhiali di protezione con visiera e dispositivi di protezione individuale (DPI) in caso di sversamenti. Le linee guida relative all'uso e il trattamento dei rifiuti HF in laboratorio dove viene eseguita l'incisione.
    NOTA: i passaggi 1,2-1,7 sono solo blocco elettrochimica. Se l'esecuzione di blocco tramite dissoluzione passare al punto 2.
  2. Per stabilire l'elettrodo di lavoro, sputter 100 nm di Platino (Pt) sul pulito 2 "di diametro Silicsu wafer.
  3. Prima incisione il film sottile di platino, pulire la camera RIE di eventuali impurità o di resina fotosensibile rimasto dalle precedenti Incide secco.
  4. Pompare giù la camera fino ad una pressione di base di 1 × 10 -5 Torr è raggiunto. Assicurarsi che la potenza RF è impostato a 200 W e le portate per l'ossigeno e argon sono impostati rispettivamente a 50 e 10 SCCM SCCM. Accendere l'Ar O 2 / plasma e correre per almeno 1 ora.
  5. Spegnere l'Ar O 2 / plasma e lasciare la camera di sfogo per circa 10 min.
  6. Per etch la superficie della pellicola sottile di platino, caricare il campione nella camera di RIE e pompare la camera fino ad una pressione di base di 1 × 10 -5 Torr. Questa volta impostata la portata argon a 0 sccm. Accendere la O 2 plasma e lasciate correre questo processo per 30 min.
  7. Spegnere la O 2 plasma e lasciare che la camera di sfogo per 10 min.

2. evaporazione termica di Photochromic Molecule Uso personalizzata Low evaporatore temperatura (LTE)

  1. Riempire AlO 2 barca con 30 mg di BTE e caricare in fonte LTE personalizzato (figura 6).
  2. Carica wafer di silicio in campioni di montaggio.
  3. Porti camera di tenuta e camera della pompa fino ad una pressione di base di 1 x 10 -6 Torr.
  4. Si evapora il BTE ad una temperatura nominale di 100 ° C, con uno spessore di 30 nm.
  5. Subito dopo l'evaporazione, alluvione illuminare il campione di 5 min di UV per trasformare il materiale BTE per la forma chiusa, 1c.
  6. Per definire la dimensione del campione, fendere un piccolo pezzo di wafer con un scrivano diamante graffiare una linea dal bordo della superficie di silicio. Afferrare il wafer su entrambi i lati della linea di zero e piegare il wafer verso il basso finché si rompe lungo il piano di cristallo.
  7. Eseguire misurazioni profilometro per convalidare BTE spessore del film sottile. Per fare questo, graffiare il campione con una multa pinzetta bordo. Misurare l'altezza del gradino from questo zero, che è la differenza di altezza tra la posizione del cursore destra e sinistra.
    NOTA: Le imprecisioni di spessore del film si tradurrà in discrepanze nelle dose di esposizione.
  8. Conservare restante campione in N 2 cassetto portaoggetti riempita.

3. Esposizioni

NOTA: Eseguire tutte le esposizioni, in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

  1. Cleave campione seguendo la stessa procedura descritta al punto 2.6.
  2. Carico campione portacampioni atmosfera inerte.
  3. Montare supporto del campione inerte sul palco. Campione Purge con N 2.
  4. Esporre il campione al tempo di esposizione desiderata utilizzando un interferometro, come quello mostrato in Figura 8.

4. elettrochimica di ossidazione utilizzando tre elettrodi cellulare

NOTA: Eseguire elettrochimica in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

  1. Bloccare una fiala di vetro pulito sulla parte superiore della piastra calda. Mettere una barra di agitazione pulita nel flacone. Accendere l'agitatore.
  2. Pulire una nuova clip di rame con metanolo. Pulire l'elettrodo contatore platino con metanolo.
  3. Utilizzando una clip di rame pulita, agganciare il campione attraverso uno dei fori del tappo flacone Teflon. Assicurarsi di agganciare solo il platino esposta.
  4. Posizionare il tappo flacone Teflon sul flacone. Agganciare il cavo rosso sul bancone di platino elettrodo e il cavo nero sulla clip di rame che tiene il campione.
  5. Usando una siringa pulita, riempire il flacone con acqua deionizzata filtrata (DI) di acqua attraverso il secondo foro nel tappo flacone Teflon. Riempire come alto senza immergendo qualsiasi platino nuda sul campione.
  6. Bubble azoto attraverso l'acqua per 3-5 min. Spegnere l'azoto.
  7. Inserire l'elettrodo di riferimento nel secondo foro nel tappo flacone Teflon. Agganciare la biacca sulla elettrodo di riferimento. Verificare che nessuno di platino o nudon il campione è immerso.
  8. Utilizzando un voltammograph, impostare la tensione di ossidazione a 0,5 V / sec.
  9. Trascorso il tempo di ossidazione desiderato, disattivare l'alimentazione alla voltammograph off.
  10. Rimuovere i clips rosso, nero, bianco e dal bancone elettrodo di platino, clip di rame, ed elettrodo di riferimento.
  11. Esporre il campione UV per 5 min.

5. Campione Sviluppo - Electrochemical Locking

NOTA: Eseguire lo sviluppo in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

  1. Sviluppare il campione filtrato 5 (wt%) isopropanolo, 95 (wt%) etilene glicole per la quantità di tempo desiderato. Nota: Tipicamente 50 campioni nm sono sviluppati per 30-60 secondi, mentre 80 campioni nm sono sviluppati per 60-180 sec.
  2. Campione secco con N a secco 2.
  3. Esporre immediatamente campione 5 min di UV.

6. campione di sviluppo - Scioglimento Locking

NOTA: Eseguire lo sviluppo in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

  1. Utilizzando 100 ml di glicole etilenico in un bicchiere di vetro pulito, sviluppare il campione esposto per il tempo di sviluppo desiderato.
  2. Campione secco con N a secco 2. Esporre immediatamente campione 5 min di UV.

7. Alle esposizioni multiple

  1. Se l'esecuzione di esposizioni multiple ripetere i passaggi 3-6 con una traduzione del campione rispetto alle ottiche.

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Risultati

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Campioni fabbricati:

Differenti tempi di ossidazione sono stati caratterizzati come illustrato dalle micrografie a forza atomica in figura 3 con una tensione di ossidazione di 0,85 V determinata dalla voltammetria ciclica. I film di 50 nm di spessore sono stati esposti a un'onda stazionaria a λ = 647 nm del periodo di 400 nm per 60 secondi ad una densità di potenza di 0.95 mW / cm 2. Poiché il tempo di ossidazione viene aumentata da 10 min a 25 mi...

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Discussione

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Sono state descritte la fabbricazione, l'impostazione sperimentale e le relative procedure operative del Patterning tramite Transizioni Ottiche Saturabili (POST). Sfruttando le proprietà di commutazione lineare di molecole fotocromatiche termicamente stabili, POST offre nuove prospettive per aggirare il limite di diffrazione del campo lontano. 1-2,4

In precedenza, i requisiti di conservazione a lungo termine dei campioni venivano risolti conservando i campioni sotto N2, s...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Grazie a Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott e Chris Landes per le utili discussioni e l'assistenza relativa al portacampioni personalizzato in atmosfera inerte e l'assistenza nell'officina meccanica degli studenti dell'Università dello Utah. P.C. riconosce il NSF GRFP sotto la sovvenzione n. 0750758. P.C. riconosce la borsa di studio per la formazione in nanotecnologia dell'Università dello Utah. R.M. riconosce un NSF CAREER Award n. 1054899 e il finanziamento dall'iniziativa USTAR.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
IsopropanoloFisher ScientificP/7500/15ATTENZIONE: infiammabile, utilizzare una buona ventilazione ed evitare tutte le fonti di accensione.
Etch
metanoloRicca Chemical48-293-2 ATTENZIONE: infiammabile, utilizzare una buona ventilazione ed evitare tutte le fonti di accensione.
Glicole etilenicoSigma-Aldrich324558ATTENZIONE: Dannoso se ingerito
Wafer
Diamond Scribe
Glass Becherers
PinzetteTed Pella5226
Sistema di incisione ionica reattivaOxfordPlasma Lab 80 Plus
Inert Portacampione dell'atmosferaCubo di
ThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171ATTENZIONE: Indossare occhiali di sicurezza
Piastre a semiondaEvaporatore termico ThorlabsWPH05M-633
TMV progettato
Super TM Vacuum ProductsTMV Super
VoltammografoSistemi BioanaliticiCV-37
Lampada UV a onde corte 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25ATTENZIONE: Indossare occhiali di sicurezza UV
di ossido tamponatodi silicio beamsplitter polarizzatore progettato internamenteinternamente

Riferimenti

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