Методическая статья

Создание массивов с помощью оптических насыщающихся переходов - Изготовление и характеристика

DOI:

10.3791/52449

⸱

11 декабря 2014 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Мы сообщаем, что дифракционный предел обычной оптической литографии может быть преодолен за счет использования переходов органических фотохромных производных, вызванных их фотоизомеризацией при низких интенсивностях света. 1-3 В данной статье описывается наша технология изготовления и два механизма блокировки, а именно: растворение одного фотоизомера и электрохимическое окисление.

Аннотация

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

Этот протокол описывает изготовление и характеризацию наноструктур с использованием новой нанолитографической техники под названием Patterning through Optical Saturable Transitions (POST). В этом методе используются химические свойства органических фотохромных молекул, которые претерпевают однофотонные реакции, что позволяет быстро создавать наноструктуры сверху вниз на больших площадях при низкой интенсивности света, тем самым позволяя обойти дифракционный барьер в дальней зоне. 4 В настоящее время изучаются простые, экономичные, высокопроизводительные и разрешающие альтернативы наноструктурированию, такие как двухфотонная полимеризация5,6, литография пучком (BPL)7, сканирующая электронно-лучевая литография (SEBL) и структурирование сфокусированным ионным пучком (FIB). Однако многофотонные подходы требуют высокой интенсивности света, что ограничивает их потенциал для высокой пропускной способности и обеспечивает низкую контрастность изображения. Несмотря на то, что процессы электронно-лучевой литографии обеспечивают повышенное разрешение, серийный характер процесса ограничен низкой скоростью записи, что также предотвращает структурирование объектов на больших площадях. Литография методом пучка-пера — это подход к параллельной ближнепольной оптической литографии. Тем не менее, зазор между источником луча и поверхностью фоторезиста должен контролироваться с высокой точностью для обеспечения хорошей однородности рисунка, а это очень сложно сделать для больших массивов пучков. Структурирование с помощью оптических насыщаемых переходов (POST) является альтернативным методом оптического наноструктурирования для структурирования субволновых признаков1-3. Поскольку в этом методе вместо электронов используются одиночные фотоны, он чрезвычайно быстр и не требует высокой интенсивности света1-3, что открывает дверь для массивного распараллеливания.

Введение

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

Оптической литографии имеет ключевое значение при изготовлении наноразмерных структур и устройств. Увеличение достижения в новых методов литографии имеет возможность включить новые поколения новых устройств. 8-11 В этой статье обзор современного класса оптических литографических методов, которые обеспечивают достижение глубокого разрешение суб-диапазона, использующих новые фотопереключаемых молекулы. Такой подход называется Создание массивов с помощью оптико-насыщающихся переходов (POST). 1-3

POST представляет собой новый метод, который однозначно нанофабрикации сочетает в себе идеи насыщения оптические переходы фотохромных молекул, в частности, (1,2-бис (5,5'-диметил-2,2'-bithiophen-ил)) perfluorocyclopent-1-ен. В разговорной речи, это соединение называется БТЭ, рис 1, такие как те, которые используются в вынужденное излучение истощения (STED) микроскопии 12, с помехами, литографии, что делает его мощным инструментом для крупе-зона параллельно nanopatterning глубоких особенностей субволновых на различных поверхностях с возможностью продления до 2-х и 3-размеров.

Фотохромные слой первоначально в одном однородное состояние. При этом слой подвергают воздействию равномерного освещения λ 1, то преобразование во вторую изомера (1c), рис 2. Затем образец подвергают воздействию сфокусированного на узле λ 2, который преобразует выборки в первом изомера ( 1 °) везде, кроме непосредственной близости от узла. Управляя дозу облучения, размер непрореагировавшего области может быть сделана сколь угодно малой. Последующая стадия фиксации одного из изомеров может быть избирательно и необратимо преобразуется (закрывается) в состояние 3-го (в черном), чтобы зафиксировать рисунок. Затем слой подвергается равномерно по λ 1, который преобразует все, за исключением заблокированной области обратно в исходное состояние.последовательность шагов может быть повторен с перемещением образца по отношению к оптике, в результате чего два заблокированных зон, в которых расстояние меньше предела дифракции в дальней зоне. Таким образом, любое произвольное геометрия может быть с рисунком в «матричный» моды. 1-3

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

ПРИМЕЧАНИЕ: выполнять все следующие шаги в соответствии чистых помещений класса 100 условия или лучше.

1. Подготовка образцов

  1. Очистить "диаметром 2 кремниевую пластину с буферизацией Оксид Etch раствора (BOE) (6 частей 40% NH 4 F и 1 часть 49% HF) в течение 2 мин (Внимание: Опасные химические вещества). Выберите этот раз травления удалять любые органические или загрязнений на поверхности. Промыть деионизированной (DI) воде в течение приблизительно 5 мин. Сухой пластины с сухим N2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Никогда не работайте в одиночку при использовании HF. Всегда носит защиту для глаз с защитной маской и средств индивидуальной защиты (СИЗ) в случае разлива. Подать руководящие принципы для использования и обработки ВЧ отходов в лаборатории, где проводится травление.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 1,2 до 1,7 предназначены только для электрохимической блокировки. При выполнении блокировки с помощью растворения перейдите к шагу 2.
  2. Лечь на рабочий электрод, распыления 100 нм платины (Pt) на чистую диаметром 2 "кремниевуюна полупроводниковой пластине.
  3. Перед травлением платины тонкой пленки, очистить RIE камеру любых примесей или остатки фоторезиста от предыдущих сухих травит.
  4. не откачки камеры до базовой давлении 1 × 10 -5 Торр достигается. Убедитесь, что РФ питания установлен в 200 Вт и скорости потока для кислорода и аргона установлены в 50 кубических сантиметров в минуту и ​​10 кубических сантиметров в минуту соответственно. Зажечь Ar / O 2 плазмы и работать по крайней мере 1 час.
  5. Выключите Ar / O 2 плазмы и позволяют камере отверстие для примерно 10 мин.
  6. Чтобы протравить поверхности платины тонкой пленки, загрузить образец в камеру RIE и накачать камеру до базового давления 1 × 10 -5 Торр. На этот раз установить скорость потока аргона до 0 SCCM. Зажечь O 2 плазмы, и пусть этот процесс запустить в течение 30 мин.
  7. Выключите O 2 плазмы, и пусть камера отверстие для 10 мин.

2. термического испарения фотохромных молекулы Использование пользовательского Lой температура испарителя (LTE)

  1. Заполните AlO 2 лодку с 30 мг БТЭ и загрузить в пользовательский источник LTE (рисунок 6).
  2. Добавить кремниевой пластины в образец установки.
  3. Камеры уплотнения порты и камера насоса вниз к базовой давлением 1 х 10 -6 Торр.
  4. Упаривают BTE при температуре уставки 100 ° С, при толщине пленки 30 нм.
  5. Сразу же после испарения, наводнения освещения образца 5 мин УФ преобразовать материал BTE в замкнутой форме, 1c.
  6. Для того, чтобы определить размер выборки, расщеплять небольшой кусочек пластины с помощью алмазного писца поцарапать линию от края поверхности кремния. Захват пластину на обеих сторонах линии царапинам и согнуть пластину вниз до его разрыва вдоль плоскости кристалла.
  7. Провести измерения профилометра для проверки БТЭ малую толщину пленки. Чтобы сделать это, поцарапать пробы с использованием тонкому краю пинцет. Измерьте высоту ступеньки сюдам это царапина, которая является разница в высоте между правой и левой позиции курсора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Неточности в толщине пленки приведет к расхождениям в экспозиционной дозы.
  8. Магазин остающиеся пробы в N 2, заполненной перчаток.

3. Воздействие

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните все снимки в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Сколите образец, следуя той же процедуре, как описано в стадии 2,6.
  2. Образец нагрузки в инертной держателя образца атмосфера.
  3. Установите инертного держатель образца на сцене. Очистка образца с N 2.
  4. Защиту образца до желаемого времени экспозиции с помощью интерферометра, например, как показано на фиг.8.

4. электрохимическое окисление с использованием трех электродов ячейки

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните электрохимии в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Зажим чистый стеклянный флакон сверху на горячей плите. Поместите чистую мешалки в пробирку. Включите мешалкой.
  2. Очистите новую медную клип с метанолом. Очистите платины противоположный электрод с метанолом.
  3. Использование чистой меди клип, клип образца через одно из отверстий в колпачке флакона тефлоновой. Убедитесь в том, чтобы закрепить на открытую только платина.
  4. Поместите флакон крышкой тефлона на флаконе. Клип красный провод на платину противоположного электрода, а черный щуп на медную клипа выдержки образца.
  5. Использование чистого шприца заполнить флакон с фильтрованной деионизованной (DI) воды через второе отверстие в флакон крышкой тефлона. Заполните выше без погружения любой из неизолированных платины на образце.
  6. Пузырь азота в воде в течение 3-5 мин. Выключите азота.
  7. Поместите электрод во второй отверстие в колпачке флакона тефлоновой. Клип белил на электроде сравнения. Проверьте, чтобы убедиться, что никто голой платины Oп образец погружают.
  8. Использование вольтамографе, установить напряжение окисления до 0,5 В / сек.
  9. После желаемое время окисления истечет, включите питание вольтамографе прочь.
  10. Удалить красный, черный и белый клипы из платины противоположного электрода, медь клип, и электрод сравнения.
  11. Защиту образец УФ в течение 5 мин.

5. Пример разработки - Электрохимический Блокировка

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните развития в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Разработка образца в отфильтрованной 5 (вес%) изопропанола, 95 (мас%) этиленгликоль для требуемого количества времени. Примечание: как правило, 50 образцов нм разработаны в течение 30-60 сек, а образцы 80 нм разработаны для 60-180 сек.
  2. Сухой образец с сухим N2.
  3. Сразу подвергать образец 5 мин УФ.

6. Пример разработки - Растворение Блокировка

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните развития в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Используя 100 мл этиленгликоля в чистом стеклянном стакане, развивать подвергается образец для требуемого времени разработки.
  2. Сухой образец с сухим N2. Сразу подвергать образец 5 мин УФ.

7. Мультиэкспозицию

  1. При выполнении нескольких экспозиций, повторите шаги 3-6 с переводом образца по отношению к оптике.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Готовые образцы:

Различные раз окисления были охарактеризованы как показано на атомно-силовом микрофотографии на рисунке 3 на окисление напряжением 0,85 В, определяемой из циклической вольтамперометрии. В 50 нм толщиной пленки под действием стоячей волны в λ = 647 нм периода 400 нм в течение 60 сек при плотности мощности 0,95 мВт / см 2. Как раз окисления увеличивается с 10 мин до 25 мин, можно ясно видеть, потерю контраста в некоторых регионах, с...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Были описаны изготовление, экспериментальная установка и связанные с ними операционные процедуры структурирования с помощью оптических насыщаемых переходов (POST). Используя линейные коммутационные свойства термически стабильных фотохромных молекул, POST предлагает новые перспективы для обхода дифракционного предела в дальней зоне. 1-2,4

Ранее потребность в длительном хранении образцов решалась путем хранения образцов подN2, непосредственно после первоначального испарения...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Спасибо Майклу Кнутсону, Полу Хэмрику, Грегу Скотту и Крису Лэндесу за полезные обсуждения и помощь, связанные с изготовлением на заказ держателя образца в инертной атмосфере и помощь в студенческом механическом цехе Университета штата Юта. P.C. признает NSF GRFP в рамках гранта No 0750758. P.C. признает стипендию Университета штата Юта по обучению нанотехнологиям. R.M. признает награду NSF CAREER Award No 1054899 и финансирование от инициативы USTAR.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ИзопропанолFisher ScientificP/7500/15ВНИМАНИЕ: легковоспламеняющийся, используйте хорошую вентиляцию и избегайте всех источников возгорания.
буферным оксидом травления
Ricca Chemical48-293-2 ВНИМАНИЕ: легковоспламеняющийся, используйте хорошую вентиляцию и избегайте всех источников возгорания.
ЭтиленгликольSigma-Aldrich324558ВНИМАНИЕ: Вредно при проглатывании
Силиконовая пластина
Diamond Scribe
Стеклянные стаканы
ПинцетTed Pella5226
Реактивная система ионного травленияOxfordPlasma Lab 80 Plus
Инертный Держатель образца атмосферыЗапатентованный
ThorlabsPBS052
HeNe лазерMelles Griot25-LHP-171ВНИМАНИЕ: Носите защитные очки
Полуволновые пластиныThorlabsWPH05M-633
Термический испарительЗапатентованный TMV собственной разработки
СуперТМ Вакуумные изделия ТМВСупер
ВольтаммографБиоаналитические системыCV-37
Коротковолновая УФ-лампа 365  nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25ВНИМАНИЕ: Носить защитные УФ-очки
Метанол метанол с Поляризационный куб светоделителя собственной разработки

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи