Artykuł metodologiczny

Modelowanie za pomocą przejść nasycalnych optycznych - produkcja i charakterystyka

DOI:

10.3791/52449

⸱

11 grudnia 2014

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Informujemy, że limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej może zostać pokonany poprzez wykorzystanie przejść organicznych pochodnych fotochromowych wywołanych przez ich fotoizomeryzację przy niskim natężeniu światła. 1-3 W tym artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwa mechanizmy blokujące, a mianowicie: rozpuszczenie jednego fotoizomeru i utlenianie elektrochemiczne.

Streszczenie

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

Ten protokół opisuje wytwarzanie i charakteryzację nanostruktur przy użyciu nowatorskiej techniki nanolitograficznej zwanej Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). W tej technice wykorzystuje się właściwości chemiczne organicznych cząsteczek fotochromowych, które ulegają reakcjom pojedynczych fotonów, umożliwiając szybkie nanowzorce z góry na dużych obszarach przy niskim natężeniu światła, co pozwala na obejście bariery dyfrakcyjnej dalekiego pola. 4 Badane są proste, opłacalne, wysokowydajne i rozdzielczościowe alternatywy dla nanowzorców, takie jak polimeryzacja dwufotonowa5,6, litografia piórkiem wiązkowym (BPL)7, litografia ze skaningową wiązką elektronów (SEBL) i wzorcowanie skupionej wiązki jonów (FIB). Jednak podejścia wielofotonowe wymagają dużego natężenia światła, co ogranicza ich potencjał do uzyskania wysokiej przepustowości i zapewnia niski kontrast obrazu. Chociaż procesy litograficzne wykorzystujące wiązkę elektronów i jonów oferują zwiększoną rozdzielczość, szeregowy charakter procesu jest ograniczony do niskich prędkości zapisu, co również zapobiega tworzeniu wzorów cech na dużych obszarach. Litografia piórem wiązkowym to podejście do równoległej litografii optycznej bliskiego pola. Jednak szczelina między źródłem wiązki a powierzchnią fotorezystu musi być kontrolowana niezwykle precyzyjnie, aby uzyskać dobrą jednorodność wzoru, co jest bardzo trudne do osiągnięcia w przypadku dużych układów wiązek. Patterning through Optical Saturable Transitions (POST) jest alternatywną techniką nanowzorcowania optycznego do modelowania cech o długości faliponiżej 1-3. Ponieważ technika ta wykorzystuje pojedyncze fotony zamiast elektronów, jest niezwykle szybka i nie wymaga dużych natężeń światła1-3, co otwiera drzwi do masowego zrównoleglania.

Wprowadzenie

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

Litografia optyczna ma kluczowe znaczenie w produkcji nanoskalowych struktur i urządzeń. Postęp w nowatorskich technikach litografii może umożliwić tworzenie nowych generacji nowatorskich urządzeń. 8-11 W artykule przedstawiono przegląd klasy optycznych technik litograficznych, które osiągają głęboką rozdzielczość poniżej długości fali przy użyciu nowatorskich fotoprzełączalnych cząsteczek. To podejście nazywa się wzorcowaniem poprzez przejścia optyczno-nasycone (POST). 1-3

POST to nowatorska technika nanowytwarzania, która w unikalny sposób łączy idee nasycania przejść optycznych molekuł fotochromowych, w szczególności (1,2-bis(5,5'-dimetylo-2,2'-bitiofen-yl))perfluorocyklopent-1-en. Potocznie związek ten jest określany jako BTE, rysunek 1, taki jak te stosowane w mikroskopii wymuszonej emisji i zubożenia (STED)12, z litografią interferencyjną, co czyni go potężnym narzędziem do wielkopowierzchniowego równoległego nanowzorca głębokich cech podfalowych na różnych powierzchniach z potencjalnym rozszerzeniem do 2 i 3 wymiarów.

Warstwa fotochromowa jest pierwotnie w jednym jednorodnym stanie. Gdy warstwa ta jest wystawiona na równomierne oświetlenie λ1, przechodzi w drugi stan izomeryczny (1c), rysunek 2. Następnie próbkę wystawia się na działanie zogniskowanego węzła w λ2, który przekształca próbkę w pierwszy stan izomeryczny (1o) wszędzie z wyjątkiem bliskiego sąsiedztwa węzła. Kontrolując dawkę ekspozycji, rozmiar nieprzekształconego obszaru może być dowolnie mały. Kolejny etap utrwalania jednego z izomerów może być selektywnie i nieodwracalnie przekształcony (zablokowany) do3 stanu (w kolorze czarnym) w celu zablokowania wzorca. Następnie warstwa jest naświetlana równomiernie na λ1, która konwertuje wszystko oprócz zablokowanego obszaru z powrotem do pierwotnego stanu. Sekwencja kroków może być powtarzana z przemieszczeniem próbki względem układu optycznego, w wyniku czego powstają dwa zablokowane obszary, których odstępy są mniejsze niż granica dyfrakcji pola dalekiego. W związku z tym dowolna geometria może być wzorowana w sposób "matrycy punktowej". 1-3

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

UWAGA: wykonaj wszystkie poniższe czynności w warunkach pomieszczenia czystego klasy 100 lub wyższej.

1. Przygotowanie próbki

  1. Wyczyść płytkę krzemową o średnicy 2 cali roztworem buforowanego wytrawiania tlenkiem (BOE) (6 części 40% NH4F i 1 część 49% HF) przez 2 minuty (Uwaga: niebezpieczne chemikalia). Wybierz ten czas wytrawiania, aby usunąć wszelkie substancje organiczne lub zanieczyszczenia z powierzchni. Płukać wodą dejonizowaną (DI) przez około 5 minut. Suchy wafel z suchym N2,
    UWAGA: Nigdy nie pracuj samodzielnie podczas korzystania z HF. Zawsze noś okulary ochronne z osłoną twarzy i środkami ochrony osobistej (PPE) na wypadek rozlania. Opublikuj wytyczne dotyczące stosowania i postępowania z odpadami HF w laboratorium, w którym przeprowadza się trawienie.
    UWAGA: Kroki od 1.2 do 1.7 służą wyłącznie do blokowania elektrochemicznego. W przypadku blokowania przez rozpuszczenie przejdź do kroku 2.
  2. Aby położyć elektrodę roboczą, napyl 100 nm platyny (Pt) na czystą płytkę krzemową o średnicy 2 cali.
  3. Przed wytrawieniem cienkiej warstwy platynowej należy oczyścić komorę RIE z wszelkich zanieczyszczeń lub resztek fotorezystu z poprzednich suchych wytrawiań.
  4. Pompuj w dół komory, aż zostanie osiągnięte ciśnienie podstawowe 1 × 10-5 Torr. Upewnij się, że moc RF jest ustawiona na 200 W, a natężenia przepływu tlenu i argonu są ustawione odpowiednio na 50 sccm i 10 sccm. Zapal plazmę Ar/O2 i pracuj przez co najmniej 1 godzinę.
  5. Wyłącz plazmę Ar/O2 i pozwól komorze odpowietrzyć się przez około 10 minut.
  6. Aby wytrawić powierzchnię cienkiej warstwy platyny, załaduj próbkę do komory RIE i przepompuj komorę do ciśnienia podstawowego 1 × 10-5 Torr. Tym razem ustaw natężenie przepływu argonu na 0 sccm. Zapal plazmęO2 i pozwól temu procesowi działać przez 30 minut.
  7. Wyłącz plazmęO2 i pozwól komorze odpocząć przez 10 minut.

2. Termiczne odparowanie cząsteczki fotochromu za pomocą niestandardowego parownika niskotemperaturowego (LTE)

  1. Napełnij łódź AlO2 30 mg zausznego źródła LTE i załaduj do niestandardowego źródła LTE (rysunek 6).
  2. Załaduj wafel krzemowy do uchwytu próbki.
  3. Uszczelnij porty komory i komorę pompy do ciśnienia podstawowego 1 x 10-6 Torr.
  4. Odparować aparat zauszny w temperaturze zadanej 100 °C, przy grubości filmu 30 nm.
  5. Natychmiast po odparowaniu należy naświetlić próbkę do 5 minut promieniowania UV, aby przekształcić materiał zauszny do formy zamkniętej, 1c.
  6. Aby określić wielkość próbki, należy rozciąć mały kawałek płytki za pomocą rysika diamentowego, aby zarysować linię od krawędzi powierzchni krzemu. Chwyć wafel po obu stronach linii zarysowania i zegnij wafel w dół, aż pęknie wzdłuż płaszczyzny kryształu.
  7. Wykonaj pomiary profilometryczne w celu sprawdzenia grubości cienkiej warstwy aparatu zausznego. Aby to zrobić, podrap próbkę za pomocą pęsety o cienkich krawędziach. Zmierz wysokość stopnia od tej rysy, która jest różnicą wysokości między prawą i lewą pozycją kursora.
    UWAGA: Niedokładności w grubości filmu spowodują rozbieżności w dawce ekspozycji.
  8. Pozostałą próbkę należy przechowywać w komorze rękawicowym wypełnionymN2.

3. Ekspozycje

UWAGA: Wykonaj wszystkie ekspozycje w warunkach obojętnej atmosfery, aby zapobiec degradacji próbki.

  1. Rozszczepić próbkę, postępując zgodnie z tą samą procedurą, która została opisana w kroku 2.6.
  2. Załadować próbkę do uchwytu na próbkę w atmosferze obojętnej.
  3. Zamontuj obojętny uchwyt na próbkę na stoliku. Przedmuchnąć próbkę za pomocą N2.
  4. Wystawić próbkę na działanie żądanego czasu ekspozycji za pomocą interferometru, takiego jak ten pokazany na rysunku 8.

4. Utlenianie elektrochemiczne przy użyciu ogniwa trzyelektrodowego

UWAGA: Przeprowadź badania elektrochemiczne w warunkach obojętnej atmosfery, aby zapobiec degradacji próbki.

  1. Zacisnąć czystą szklaną fiolkę na górze płyty grzejnej. Umieścić czyste mieszadło w fiolce. Włącz mieszadło.
  2. Wyczyść nowy miedziany klips metanolem. Wyczyść przeciwelektrodę platynową metanolem.
  3. Za pomocą czystego miedzianego klipsa przetrzyj próbkę przez jeden z otworów w teflonowej nasadce fiolki. Upewnij się, że przypinasz tylko do odsłoniętej platyny.
  4. Umieścić teflonową nasadkę fiolki na fiolce. Przypnij czerwony przewód do platynowej przeciwelektrody, a przewód do miedzianego klipsa przytrzymującego próbkę.
  5. Za pomocą czystej strzykawki napełnić fiolkę przefiltrowaną wodą dejonizowaną (DI) przez drugi otwór w teflonowej nasadce fiolki. Napełnij tak wysoko, nie zanurzając żadnej odsłoniętej platyny na próbce.
  6. Pęcherzyk azotu przez wodę przez 3-5 minut. Wyłącz azot.
  7. Umieścić elektrodę odniesienia w drugim otworze w teflonowej nasadce fiolki. Przypnij biały przewód do elektrody referencyjnej. Sprawdź, czy żadna z gołych platyny na próbce nie jest zanurzona.
  8. Za pomocą woltamografu ustaw napięcie utleniania na 0,5 V/s.
  9. Po upływie żądanego czasu utleniania wyłącz zasilanie woltamografu.
  10. Usuń czerwone, czarne i białe zaciski z platynowej przeciwelektrody, miedzianego zacisku i elektrody odniesienia.
  11. Wystaw próbkę na działanie promieniowania UV przez 5 minut.

5. Opracowanie próbki — Blokowanie elektrochemiczne

UWAGA: Przeprowadzaj prace rozwojowe w warunkach obojętnej atmosfery, aby zapobiec degradacji próbki.

  1. Wywołać próbkę w przefiltrowanym 5 (wag.) izopropanolu i 95 (wag.) glikolu etylenowym przez żądany okres czasu. Uwaga: Zazwyczaj próbki o długości fali 50 nm są opracowywane przez 30-60 sekund, a próbki o długości fali 80 nm są opracowywane przez 60-180 sekund.
  2. Sucha próbka z suchymN2.
  3. Natychmiast wystawić próbkę na działanie 5 minut promieniowania UV.

6. Opracowanie próbki — Blokada rozpuszczania

UWAGA: Przeprowadzaj prace rozwojowe w warunkach obojętnej atmosfery, aby zapobiec degradacji próbki.

  1. Używając 100 ml glikolu etylenowego w czystej szklanej zlewce, wywołać odsłoniętą próbkę przez pożądany czas rozwoju.
  2. Sucha próbka z suchymN2. Natychmiast wystawić próbkę na działanie 5 minut promieniowania UV.

7. Wielokrotne ekspozycje

  1. W przypadku wielokrotnych ekspozycji powtórz kroki 3-6 z translacją próbki względem optyki.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Sfabrykowane próbki:

Różne czasy utleniania zostały scharakteryzowane, co ilustrują mikrofotografie sił atomowych na rysunku 3 przy napięciu utleniania 0,85 V wyznaczonym na podstawie cyklicznej woltamperometrii. Folie o grubości 50 nm wystawiono na działanie fali stojącej przy λ = 647 nm w okresie 400 nm przez 60 sekund przy gęstości mocy 0,95 mW/cm2. Ponieważ czas utleniania wydłuża się z 10 minut do 25 minut, można wyraźnie zauważyć utratę kontra...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Opisano wytwarzanie, konfigurację eksperymentalną i związane z tym procedury operacyjne Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). Wykorzystując liniowe właściwości przełączania stabilnych termicznie cząsteczek fotochromowych, projekt POST oferuje nowe perspektywy obchodzenia limitu dyfrakcji w polu dalekim. 1-2,4

Poprzednio wymóg długotrwałego przechowywania próbek został rozwiązany poprzez przechowywanie próbek w temperaturzeN2, bezpośrednio po początkowym odp...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Podziękowania dla Michaela Knutsona, Paula Hamrica, Grega Scotta i Chrisa Landesa za pomocne dyskusje i pomoc związaną z niestandardowym uchwytem na próbki w atmosferze obojętnej oraz pomoc w warsztacie mechanicznym dla studentów Uniwersytetu Utah. P.C. uznaje NSF GRFP w ramach grantu nr 0750758. P.C. dziękuje za stypendium University of Utah Nanotechnology Training Fellowship. R.M. dziękuje za nagrodę NSF CAREER Award nr 1054899 i dofinansowanie z Inicjatywy USTAR.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
IsopropanolFisher ScientificP/7500/15UWAGA: łatwopalny, należy stosować dobrą wentylację i unikać wszelkich źródeł zapłonu.
Buforowany tlenek trawiący
metanolRicca Chemical48-293-2 UWAGA: łatwopalne, należy stosować dobrą wentylację i unikać wszelkich źródeł zapłonu.
Glikol etylenowySigma-Aldrich324558UWAGA: Szkodliwy w przypadku połknięcia
Wafel
Zlewki
ze szkła diamentowego
PęsetaTed Pella5226
Reaktywny system trawienia jonowegoPlasma Lab 80 Plus
Obojętny Uchwyt na próbki atmosferyOpatentowana, zaprojektowana
polaryzacyjna kostka rozdzielacza wiązkiThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171UWAGA: Nosić okulary ochronne
Płyty półfaloweParownik termiczny ThorlabsWPH05M-633
Opatentowany przez siebie
TMV Produkty próżniowe SuperTMVSuper
VoltammographSystemy bioanalityczneCV-37
Krótkofalowa lampa UV 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25UWAGA: Nosić okulary ochronne UV
krzemowy Oxford przez nas zaprojektowany

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Osadzanie cz steczek fotochromowychna wietlanie wiat em ultrafioletowymo wietlanie fal stoj cwywo ywanie w rozpuszczalniku polarnympomiar grubo ci profilometremskaningowa mikroskopia elektronowananostruktury poni ej d ugo ci falilitografia jednofotonowawytwarzanie w pomieszczeniu czystym

Powiązane artykuły