光可飽和遷移を経由してパターニング - 作製と特性評価

サマリー

従来の光リソグラフィーの回折限界は、低光強度での光異性化によって誘起される有機フォトクロミック誘導体の遷移を利用することで克服できることを報告します。^1-3 本稿では、1つの光異性体の溶解と電気化学的酸化という2つのロッキングメカニズムと、その作製技術について概説する。

要約

このプロトコルは、Patterning via Optical Saturable Transitions（POST）と呼ばれる新しいナノリソグラフィー技術を使用して、ナノ構造体の作製と特性評価を説明しています。この手法では、単一光子反応を起こす有機フォトクロミック分子の化学的性質を利用し、低光強度で広い領域に迅速なトップダウンナノパターニングを可能にし、それにより遠方場回折障壁の回避を可能にします。⁴ 2光子重合^5,6、ビームペンリソグラフィー(BPL)⁷、走査型電子ビームリソグラフィー(SEBL)、集束イオンビーム(FIB)パターニングなど、ナノパターニングに代わるシンプルで費用対効果の高い高スループットおよび高分解能の代替手段が検討されています。ただし、多光子アプローチでは高い光強度が必要なため、高スループットの可能性が制限され、画像のコントラストが低くなります。電子ビームおよびイオンビームリソグラフィープロセスでは解像度が向上しますが、プロセスのシリアル特性は描画速度が遅いことに限定されるため、広い領域での特徴のパターン化も防止されます。ビームペンリソグラフィーは、並列近接場光リソグラフィーに向けたアプローチです。しかし、ビームの光源とフォトレジストの表面との間のギャップは、良好なパターン均一性のために非常に正確に制御する必要があり、これは大規模なビームアレイで達成するのが非常に困難です。Optical Saturable Transitions(POST)によるパターニングは、サブ波長の特徴^1-3をパターニングするための代替の光ナノパターニング技術です。この手法は電子の代わりに単一光子を使用するため、非常に高速で、高い光強度^1〜3を必要とせず、大規模な並列化への扉を開きます。

概要

光リソグラフィは、ナノスケール構造およびデバイスの製造において極めて重要である。増加した小説リソグラフィ技術の進歩は、新規のデバイスの新世代を可能にする機能を備えています。この記事では^8-11、レビューは小説photoswitchable分子を用いたディープサブ波長分解能を達成光学リソグラフィ技術のクラスで提示されている。このアプローチは、光学-可飽和トランジションズ（POST）を介してパターニングと呼ばれている^。1-3

POST一意フォトクロミック分子の光学遷移を飽和のアイデアを組み合わせた新規なナノ加工技術、特に（1,2-ビス（5,5'-ジメチル-2,2'-ビチオフェンイル））perfluorocyclopent -1-エンである。口語的に、この化合物は、それラーグのための強力なツールとなる干渉リソグラフィを用いて、そのような誘導放出枯渇（STED）顕微鏡¹²で使用されるようなBTE、 図1と呼ばれ2位と3次元への潜在的な拡張子を持つ多様な表面の上に深いサブ波長機能の電子面積並列ナノパターニング。

フォトクロミック層はもともと1均一な状態である。この層は_、λ1の一様な照明に曝されると、第2の異性体の状態（1c）は 、 図2に変換する。次いで、サンプルは、最初の異性体の状態にサンプルを（変換_λ2、に集中ノードにさらされている1O）どこでもノードの近く付近で除く。露光量を制御することにより、未変換領域の大きさは任意に小さくすることができる。異性体の1つのその後の定着工程は、選択的かつ不可逆的にパターンをロックする（黒で）3 ^番目の状態（ロック状態）に変換することができる。次に、層は、元の状態に戻しロックされた領域以外のすべてを変換する_λ1、一様にさらされている。ザ·ステップの順序は、その間隔が遠視野回折限界以下の2つのロックされた領域で、その結果、光学系に対する試料の変位を繰り返してもよい。したがって、任意の幾何学的形状は、「ドットマトリックス」方式でパターニングしてもよい^。1-3

プロトコル

注：クリーンルームクラス100条件またはより良い下のすべての次の手順を実行します。

1.サンプルの調製

1. （：有害な化学物質注意 ）2分間の緩衝酸化物エッチング（BOE）溶液（6部40％のNH ₄ Fと1部の49％HF）との2「直径のシリコンウエハーを清掃してください。表面上の任意の有機物や汚染物質を除去する。このエッチング時間を選択してください。約5分間、脱イオン（DI）水で洗い流してください。乾燥N ₂とドライウェハ。
   注：HFを使用しているとき人で作業しないでください。常に流出の場合のフェイスシールドと個人用保護具（P​​PE）と目の保護を身に着けている。エッチングを行う実験室での使用とHF廃棄物の処理のためのポストのガイドライン。
   注：1.2〜1.7にのみ電気化学ロッキングためのものであるが、手順。解散を経由してロックを実行した場合は、ステップ2に進みます。
2. 作用電極を置くクリーン直径2 "のケイに白金（Pt）を100nmスパッタするためにウェハ上。
3. 白金薄膜をエッチングする前に、以前のドライ·エッチングから任意の不純物や余ったフォトレジストのRIE室を清掃してください。
4. トルが達成される1×10 ^-5のベース圧力までチャンバをポンプダウン。 RF電力が200 Wに設定され、酸素とアルゴンのための流量がそれぞれ50 SCCMと10 SCCMに設定されていることを確認してください。 AR / O ₂プラズマを点火し、少なくとも1時間のために実行。
5. AR / O ₂プラズマをオフにして、チャンバーは約10分間のベントが可能。
6. 白金薄膜の表面をエッチングするために、RIEチャンバ内にサンプルをロードし、1×10 ^-5 Torrのベース圧力までチャンバをポンピングする。この時間は、0sccmのアルゴン流量を設定する。 O ₂プラズマを点火し、このプロセスは、30分間実行してみましょう。
7. O ₂プラズマをオフにして、チャンバーを10分間通気しましょう。

カスタムLを使用して、フォトクロミック分子の2。熱蒸発OW温度蒸発器（LTE）

1. BTEの30 mgののAlO ₂ボートを記入し、カスタムのLTE源（ 図6）にロードする。
2. サンプルにロードシリコンウエハをマウントします。
3. シール室ポートとポンプ室1×10 ^-6 Torrのベース圧力まで。
4. 30nmの膜厚で、100℃の設定温度でBTEを蒸発させる。
5. すぐに蒸発した後に、洪水が閉じた形、1cにBTE材料を変換するために、UVの5分にサンプルを照らす。
6. サンプルサイズを定義するために、シリコン表面の縁からラインに傷を付け、ダイヤモンドスクライブを用いてウエハの小片を切断する。スクラッチ線の両側上のウエハをつかみ、それが結晶面に沿って破断するまで下方向にウェハを曲げる。
7. BTEの薄膜の厚さを検証するためにプロフィル測定を行う。これを行うには、細かいエッジピンセットを使用してサンプルを傷つける。あちこちにステップ高を測定します左右のカーソルの位置との間の高さの差であり、この傷を、メートル。
   NOTE：膜厚の不正確さは、露光量の矛盾をもたらすであろう。
8. N ₂満たされたグローブボックス内に保管して残りのサンプル。

3.エクスポージャー

注：サンプルの分解を防ぐために不活性雰囲気条件の下ですべてのエクスポージャーを実行します。

1. ステップ2.6において概説されているのと同じ手順に従って、サンプルを切断する。
2. 不活性雰囲気のサンプルホルダーにサンプルをロード。
3. ステージ上の不活性試料ホルダーをマウントします。 N ₂でパージサンプル。
4. このような、図8に示すように、干渉計を用いて所望の露光時間にサンプルをさらす。

三電極セルを使用して、4。電気化学的酸化

注：サンプルの劣化を防ぐために、不活性雰囲気条件下で電気化学を実行する。

1. ホットプレートの上にきれいなガラスバイアルをクランプ。バイアル中のきれいな撹拌棒を置きます。攪拌機の電源をオンにします。
2. メタノールを使用して新しい銅クリップを清掃してください。メタノールの白金対極を清掃してください。
3. 清浄な銅クリップを使用して、テフロンバイアルキャップの穴のいずれかを使用してサンプルをクリップする。唯一の暴露プラチナ上にクリップすることを確認してください。
4. バイアルにテフロンバイアルキャップを置きます。試料を保持する銅クリップ上に白金対電極と黒のリード線上に赤のリードをクリップ。
5. クリーンなシリンジを用いて、テフロンバイアルキャップにおける第2の穴に通して濾過し、脱イオン（DI）水を有するバイアルを充填する。サンプルの塗装されていないプラチナのいずれかを浸漬せずに高い記入してください。
6. 3-5分間水を通してバブル窒素。窒素をオフにします。
7. テフロンバイアルキャップで第2の穴に参照電極を配置します。基準電極上に白のリードをクリップ。裸のプラチナoのがないことを確認しを確認n個のサンプルは浸漬される。
8. voltammographを使用して、0.5 V /秒に酸化電圧を設定します。
9. 所望の酸化時間が経過した後、voltammographオフに電源を入れてください。
10. 白金対電極、銅クリップ、および基準電極から、赤、黒、白のクリップを削除する。
11. 5分間UVにサンプルを公開します。

5.サンプル開発-電気ロック

注：サンプルの劣化を防ぐために、不活性雰囲気条件下で開発を行います。

1. ろ過5（重量％）のイソプロパノール中のサンプルを開発、所望の時間のための95（重量％）のエチレングリコール。注：80nmの試料を、60〜180秒のために開発されている間に一般的に50nmの試料を、30〜60秒のために開発されている。
2. 乾燥N ₂で乾燥サンプル。
3. すぐにUVの5分にサンプルを公開します。

6.サンプル開発-解散のロック

注：サンプルの劣化を防ぐために、不活性雰囲気条件下で開発を行います。

1. きれいなガラスビーカー中のエチレングリコールを100mlを使用して、所望の現像時間で露光されたサンプルを開発する。
2. 乾燥N ₂で乾燥サンプル。すぐにUVの5分にサンプルを公開します。

7.多重露光

1. 多重露光を行う場合には光学系に対する試料の翻訳を手順3-6を繰り返します。

結果

作製した試料：

サイクリックボルタンメトリーから求め0.85 Vの酸化電圧で図3の原子間力顕微鏡写真で示すように異なる酸化時間を特徴付けた。厚さ50nmのフィルムは0.95ミリワット/ cm ²の電力密度で60秒周期400nmのλ= 647 nmでの定在波に曝した。酸化時間は、25分まで10分から増加するにつれて1oとから成る領域のいくつかは同様に酸化し始めるように、1つは明らかにコントラストの損失を見ることができる。現像液（5（重量％）のイソプロパノール：95（重量％）エチレングリコール）は、すべての酸化された部分を溶解する。大きな酸化時間が不均一線と、現像後の増大した表面の不均一性をもたらす。したがって、酸化条件の注意深い選択は、高品質のナノ構造をパターニングするために重要である^。2

閉じた形の高い双極子モーメント分子、1cは 、開いているフォ...

ディスカッション

光飽和遷移(POST)によるパターニングの製造、実験セットアップ、および関連する操作手順について説明しました。POSTは、熱的に安定したフォトクロミック分子の線形スイッチング特性を利用することで、遠方界回折限界を回避するための新しい視点を提供します。^1-2,4

以前のサンプルの長期保存要件は、最初の蒸発直後にサンプルをN₂下に保存することで解決されました。² ただし、 図3 および 5の回折格子で明らかな有意な線端粗さは、空気の存在下で 1c の酸化生成物が形成されたことが原因である可能性があります。² パターンの均一性を向上させるには、露光および現像プロセスを不活性雰囲気下で実施する必要があります。周囲条件で行われる曝露に対処するために、カスタムの不活性雰囲気サンプルホルダーが設計および製造されました。サンプルホルダーは、空気に敏感なBTEを密閉型( 1c )...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
イソプロパノール	フィッシャーサイエンティフィック	P / 7500 / 15	注意:可燃性で、換気を良くし、すべての発火源を避けてください。
緩衝酸化物エッチング
メタノール	リッカケミカル	48-293-2	注意:可燃性で、換気を良くし、すべての発火源を避けてください。
エチレングリコール	Sigma-Aldrich	324558	注意:飲み込むと有害
シリコンウェーハ
ダイヤモンドスクライブ
ガラスビーカー
ピンセット	テッドペラ	5226
反応性イオンエッチングシステム	オックスフォード	プラズマラボ 80 プラス
不活性雰囲気サンプルホルダー	独自の自社設計
偏光ビームスプリッターキューブ	Thorlabs	PBS052
HeNe Laser	Melles Griot	25-LHP-171	注意: 安全メガネを着用してください
半波長板	Thorlabs	WPH05M-633
熱蒸発器	独自の社内設計
TMVスーパーTM	真空製品	TMVスーパー
ボルタモグラフ	バイオアナリシスシステム	CV-37
短波UVランプ365 nm	UVP Analytik Jena Company	UVGL-25	注意: UV安全メガネを着用してください