방법 논문

광학 가포 전환을 통해 패터닝 - 제조 및 특성

DOI:

10.3791/52449

⸱

2014년 12월 11일

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

이 논문에서

요약

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우리는 기존 광학 리소그래피의 회절 한계가 낮은 광 강도에서 광이성질체화에 의해 유도된 유기 광변색 유도체의 전이를 활용하여 극복할 수 있다고 보고합니다. 1-3 이 논문은 우리의 제조 기술과 두 가지 잠금 메커니즘, 즉 하나의 광이성질체의 용해와 전기화학적 산화에 대해 간략하게 설명합니다.

초록

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이 프로토콜은 POST(Optical Saturable Transitions)를 통한 패터닝이라는 새로운 나노 리소그래피 기술을 사용하여 나노 구조의 제조 및 특성화를 설명합니다. 이 기술에서는 단광자 반응을 겪는 유기 광변색 분자의 화학적 특성을 활용하여 낮은 광 강도에서 넓은 영역에 걸쳐 신속한 하향식 나노 패터닝을 가능하게 하여 원거리 회절 장벽을 우회할 수 있습니다. 4 이광자 중합5,6, 빔 펜 리소그래피(BPL)7, 주사 전자빔 리소그래피(SEBL) 및 집속 이온 빔(FIB) 패터닝과 같은 나노패터닝에 대한 간단하고 비용 효율적이며 높은 처리량 및 해상도 대안이 탐구되고 있습니다. 그러나 다광자 접근 방식은 높은 광 강도를 필요로 하며, 이는 높은 처리량에 대한 잠재력을 제한하고 낮은 이미지 대비를 제공합니다. 전자 및 이온 빔 리소그래피 공정은 향상된 해상도를 제공하지만 프로세스의 직렬 특성은 느린 쓰기 속도로 제한되며, 이는 또한 넓은 영역에 걸쳐 피쳐의 패터닝을 방지합니다. 빔 펜 리소그래피는 병렬 근거리 광학 리소그래피에 대한 접근 방식입니다. 그러나, 빔의 소스와 포토레지스트의 표면 사이의 갭은 우수한 패턴 균일성을 위해 매우 정밀하게 제어되어야 하며, 이는 빔의 큰 어레이에 대해 달성하기가 매우 어렵습니다. POST(Optical Saturable Transitions)를 통한 패터닝은 하위 파장 특징1-3을 패터닝하기 위한 대체 광학 나노패터닝 기술입니다. 이 기술은 전자 대신 단일 광자를 사용하기 때문에 매우 빠르며 높은 광도1-3이 필요하지 않아 대규모 병렬화의 문을 엽니다.

서론

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광학 리소그래피는 나노 구조 및 장치의 제조에 대단히 중요하다. 새로운 리소그래피 기술의 향상 발전은 새로운 장치의 새로운 세대를 가능하게하는 기능이있다. 8 ~ 11이 글에서 검토가 새로운 환성 분자를 사용하여 깊은 파장 이하의 해상도를 달성 광 리소그래피 기술의 클래스 표시됩니다. 이 방법은 광학 - 가포 전환 (POST)를 통해 패턴 화라고합니다. 1-3

POST 고유 즉, (1,2- 비스 (5,5'- 디메틸 -2,2'- bithiophen 일))의 광 변색 성 분자 천이 포화의 사상을 겸비한 신규 한 나노 기술 perfluorocyclopent -1- 엔이다. 놓고,이 화합물을 그 larg의 강력한 도구하게 간섭 리소그래피와 같은 유도 방출 핍층 (STED) 현미경 (12)에 사용되는 것과 같은 BTE,도 1이라2 및 3 차원의 잠재적 인 확장과 다양한 표면 위에 깊은 서브 파장 기능의 전자 영역 병렬 나노 패터닝.

광 변색 층은 원래 하나의 균질 한 상태입니다. 이 층은 λ (1)의 균일 한 조명에 노출되는 경우, 제 2 이성체 상태 (도 1c),도 2로 변환한다. 그 후 샘플은 제 이성체 상태로 샘플 (변환 λ (2)에 포커싱 된 노드에 노출 1O) 사방 노드의 근처 부근에서 제외. 노광량을 제어함으로써, 전환되지 않은 영역의 크기는 임의로 작게 만들어 질 수있다. 이성체 중 하나의 후속 정착 단계는 선택적으로 패턴을 비가 역적으로 잠글 (블랙) 3 차 상태 (잠금) 변환 될 수있다. 이어서, 층을 다시 원래의 상태로 락 영역을 제외한 모든 변환 한 λ, 균일 노출된다.단계들의 시퀀스는 그 간격 원방 회절 한계보다 작은 두 잠긴 영역 결과적으로 광학 샘플의 상대 변위로 반복 될 수있다. 따라서, 임의의 형상은 "도트 매트릭스"방식으로 패턴 화 될 수있다. 1-3

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프로토콜

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참고 : 클린 룸 클래스 100 조건 또는 더 나은 아래의 모든 다음 단계를 수행하십시오.

1. 샘플 준비

  1. (: 유해 화학 물질주의) 2 분 동안 버퍼 산화물 에칭 (BOE) 솔루션 (6 부품 40 % NH 4 F 1 부 49 %의 HF)와 2 "직경의 실리콘 웨이퍼를 청소합니다. 표면에있는 유기물이나 오염 물질을 제거하려면이 에칭 시간을 선택합니다. 약 5 분 동안 탈 이온수 (DI) 물에 씻어. 건조 N 2와 건조 웨이퍼.
    참고 : HF를 사용하는 경우 혼자 작업하지 마십시오. 항상 흩날 린 경우 얼굴 방패와 개인 보호 장비 (PPE)와 눈 보호를 착용합니다. 에칭이 수행 된 실험실에서 사용 및 HF 폐기물의 처리를위한 포스트 지침.
    참고 : 전기 잠금만을위한 1.2-1.7 단계를 반복합니다. 용해를 통해 잠금을 수행하는 경우 2 단계로 진행합니다.
  2. , 작동 전극을 버리는 깨끗한 2 "직경 silic에 백금 (PT)의 100 nm의 스퍼터웨이퍼에.
  3. 백금 박막을 에칭하기 전에, 이전의 건조 식각에서 불순물 또는 남은 포토 레지스트의 RIE 챔버를 청소합니다.
  4. 토르 달성 1 × 10-5의 기본 압력까지 챔버를 펌프 다운. RF 전력은 200 W로 설정하고, 산소 및 아르곤의 유속은 각각 50 SCCM과 10 SCCM으로 설정되어 있는지 확인. 아르곤 / O 2 플라즈마 점화 적어도 1 시간 동안 실행합니다.
  5. 아르곤 / O 2 플라즈마를 끄고 챔버는 약 10 분 동안 배출 할 수 있습니다.
  6. 백금 박막 표면을 에칭하기 위하여, RIE 챔버로 샘플을 로딩하고 1 × 10-5 토르의 기본 압력까지 펌프 챔버. 이 시간에 0 SCCM 아르곤 유속을 설정. O 2 플라즈마를 점화하고이 과정이 30 분 동안 실행하자.
  7. O 2 플라즈마를 끄고 챔버가 10 분 동안 배출 할 수 있습니다.

사용자 정의 L을 사용하여 광 변색 분자의 2 열 증발오우 온도 증발기 (LTE)

  1. BTE 30 밀리그램 무조건 2 배를 채우고 사용자 정의 LTE 소스 (그림 6)에로드.
  2. 샘플에 넣 실리콘 웨이퍼를 탑재합니다.
  3. 일실 포트와 펌프실 1 × 10-6 토르의 기본 압력으로 내려.
  4. 30 nm의 막 두께, 100 ° C의 온도 설정치 BTE를 증발시켰다.
  5. 즉시 증발 후, 홍수, 닫힌 형태로 1C을 BTE 재료를 변환하는 UV의 5 분에 샘플을 조명.
  6. 샘플 크기를 정의하기 위해, 실리콘 표면의 가장자리에서 선 스크래치 다이아몬드 스크라이브를 사용하여 웨이퍼의 작은 조각을 절단. 스크래치 라인의 양측을 잡아 웨이퍼는 결정면을 따라 중단 될 때까지 아래쪽으로 구부러 웨이퍼.
  7. BTE에게 얇은 막 두께를 확인하는 프로파일로 측정을 수행. 이렇게하려면 미세 에지 핀셋을 사용하여 샘​​플에 상처. 이리저리 스텝 높이를 측정m 좌우 커서 위치 사이의 높이 차이이 스크래치.
    주 : 막 두께의 부정확성 노광량에 차이가 발생할 것이다.
  8. N이 가득 글러브 박스에 보관 나머지 샘플.

3. 노출

주 : 시료의 열화를 방지하기 위해 불활성 분위기 조건에서 모든 노출을 수행한다.

  1. 단계 2.6에서 설명한 것과 동일한 절차에 따라 샘플을 쪼개짐.
  2. 불활성 분위기 샘플 홀더로드 샘플.
  3. 무대에 불활성 샘플 홀더를 탑재합니다. N 2 퍼지 샘플.
  4. 예컨대도 8에 도시 한 바와 같이, 간섭계를 사용하여 소망의 노출 시간에 샘플을 노출.

세 개의 전극 셀을 사용 4. 전기 화학적 산화

주 : 시료의 열화를 방지하기 위해 불활성 분위기 조건에서 전기 화학을 수행한다.

  1. 핫 플레이트 위에 깨끗한 유리 병을 클램프. 유리 병에 깨끗한 교반 막대를 놓습니다. 교반기를 켭니다.
  2. 메탄올 새로운 구리 클립을 청소합니다. 메탄올 백금 상대 전극을 청소합니다.
  3. 깨끗한 구리 클립을 이용하여 테플론 병 뚜껑의 구멍 중 하나를 통해 샘플 클립. 만 노출 된 백금에 클립해야합니다.
  4. 유리 병 위에 테프론 유리 병 뚜껑을 놓습니다. 백금 카운터 전극과 샘플을 들고 구리 클립 위에 흑연에 적색 리드를 클립.
  5. 깨끗한 주사기를 사용하여 테프론 유리 병 캡에서 두 번째 구멍을 통해 여과 탈 (DI) 물을 유리 병을 채 웁니다. 샘플에 노출 된 백금의 몰입하지 않고 높은 입력합니다.
  6. 3-5 분 동안 물을 통해 거품 질소. 질소를 끕니다.
  7. 테프론 유리 병 캡에서 두 번째 구멍에 기준 전극을 배치합니다. 기준 전극에 흰색 리드를 클립. 베어 백금 O를 확인 아무것도하지 않습니다 확인n은 샘플을 담근다.
  8. voltammograph를 사용하여, 0.5 V / 초의 산화 전압을 설정한다.
  9. 원하는 산화 시간이 경과 한 후, voltammograph 오프에 전원을 켭니다.
  10. 백금 상대 전극, 구리 클립 및 기준 전극에서, 빨강, 검정, 흰색 클립을 제거합니다.
  11. 5 분 동안 UV하기 위해 샘플을 노출.

5. 샘플 개발 - 전기 잠금

주 : 시료의 열화를 방지하기 위해 비활성 분위기 조건으로 발전을 수행한다.

  1. 여과 5 (중량 %) 이소프로판올 샘플을 개발 시간의 원하는 양 95 (중량 %) 에틸렌 글리콜. 참고 : 80 nm의 샘플은 60-180 초 동안 개발하는 동안 일반적으로 50 나노 샘플이 30 ~ 60 초 동안 개발된다.
  2. 건조 N 2와 건조 샘플.
  3. 즉시 UV의 5 분에 샘플을 노출.

6. 샘플 개발 - 해산 잠금

주 : 시료의 열화를 방지하기 위해 비활성 분위기 조건으로 발전을 수행한다.

  1. 깨끗한 유리 비이커에 에틸렌 글리콜 100 ㎖를 사용하여, 원하는 현상 시간 샘플에 대한 노출을 개발한다.
  2. 건조 N 2와 건조 샘플. 즉시 UV의 5 분에 샘플을 노출.

7. 다중 노출

  1. 다중 노출의 반복을 수행하면 광학에 샘플 상대의 번역 3-6 단계를 반복합니다.

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결과

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제작 된 샘플 :

순환 전압 전류 측정에서 0.85 V의 산화 전압을도 3에서의 원자 힘 현미경 사진에 의해 도시 된 바와 같이, 상이한 산화 시간은 특성화 하였다. 50 nm 두께의 필름은 0.95 mW의 / ㎠의 전력 밀도에서 60 초 동안 400 nm 인 λ = 647 nm에서 정재파 노출시켰다. 산화 시간을 25 분에서 10 분으로 증가함에 1O 이루어지는 영역의 일부뿐만 아니라 산화되는 때, 분명히 하나의 콘트라스트 손실을 볼 수있다. 현상 제 (5 (중량 %) 이소프로판올 : 9​​5 (중량 %) 에틸렌 글리콜)은 모든 산화 된 영역을 용해. 큰 산화 시간은 라인 얼룩 현상 후의 증가 된 표면 불균일성을 초래한다. 따라서, 산화 조건의 신중한 선택은 패터닝 고품질의 나노 구조에 중요하다. (2)

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토론

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POST(Optical Saturable Transitions)를 통한 패터닝의 제작, 실험 설정 및 관련 운영 절차가 설명되었습니다. 열적으로 안정적인 광변색 분자의 선형 스위칭 특성을 활용함으로써 POST는 원거리 회절 한계를 우회하는 새로운 관점을 제공합니다. 1-2,4

이전에는 샘플의 장기 보관 요구 사항이 초기 증발 직후 샘플을 N2 아래에 저장함으로써 해결되었습니다. 2 그러나 그림 3 과 5의 격자에서 명백한 상당한 선-가장자리 거칠기는 공기가 있는 상태에서 1c 의 산화 생성물이 형성되었기 때문일 수 있습니다. 2 패턴의 균일성을 개선하려면 노출 및 현상 공정이 불활성 분위기에서 수행되어야 합니다. 주변 조건에서 수행되는 노출을 해결하기 위해 맞춤형 불활성 대기 샘플 홀더가 설계 및 제작되었습니다....

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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맞춤형 불활성 분위기 샘플 홀더와 관련된 유용한 토론과 지원을 제공하고 유타 대학교 학생 기계 공장의 도움을 준 Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott 및 Chris Landes에게 감사드립니다. P.C.는 보조금 번호 0750758에 따른 NSF GRFP를 인정합니다. P.C.는 유타 대학교 나노기술 교육 펠로우십을 인정합니다. R.M.은 NSF CAREER Award No. 1054899와 USTAR Initiative의 자금 지원을 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
이소프로판올Fisher ScientificP/7500/15주의: 가연성이므로 환기가 잘 되고 모든 발화원을 피하십시오.
버퍼드 옥사이드 에치
메탄올Ricca 화학48-293-2 주의 : 가연성, 통풍이 잘 되고 모든 발화원을 피하십시오.
에틸렌 글리콜시그마-알드리치324558주의: 삼키면 유해함
실리콘 웨이퍼
다이아몬드 스크라이브
유리 비커
핀셋Ted Pella5226
반응성 이온 에칭 시스템OxfordPlasma Lab 80 Plus
비활성 대기 샘플 홀더독점 사내 설계
편광 빔 스플리터 큐브ThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171주의: 보안경
착용 반파 플레이트ThorlabsWPH05M-633
열 증발기독점 사내 설계
TMV 슈퍼TM 진공 제품TMV 슈퍼
볼탐모그래프바이오분석 시스템CV-37
단파 UV 램프 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25주의: 자외선 보안경을 착용하십시오
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참고문헌

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  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).
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  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).

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