Summary
Опишем использованием импульсного лазерного осаждения (PLD), фотолитографии и провода связи методы, чтобы создать микрометров сложных устройств оксидов. PLD используется для эпитаксиального роста тонких пленок. Фотолитографии и провода связи методы вводятся для создания практических устройств для измерения целей.
Abstract
Комплекс материалов, таких как ВТСП, мультиферроиками, и колоссальные магниторезисторы имеют электронные и магнитные свойства, которые вытекают из присущего сильных электронных корреляций, которые находятся в них. Эти материалы могут также обладать электронного разделения фаз, в котором регионах сильно отличаются резистивные и магнитные свойства могут сосуществовать в одной сплава кристалла. Уменьшая масштаб этих материалов для весов в длину и ниже присущие размер электронных доменов, новые формы поведения могут быть подвержены. В связи с этим и то, что спин-заряд-решетки-орбитальных параметров порядка принимать участие либо корреляционные длины, пространственно снижения этих материалов для транспортных измерений является важным шагом в понимании фундаментальной физики, который управляет сложным поведением. Эти материалы также обладают большим потенциалом, чтобы стать следующим поколением электронных устройств 1-3. Таким образом, изготовление маломерных нано-илимикро-структур чрезвычайно важно для достижения новых функциональных возможностей. Это включает в себя несколько управляемых процессов из высококачественного роста тонких пленок к точным электронным характеристика собственности. Здесь мы представляем изготовление протоколов высокого качества микроструктуры для сложных устройств манганитом оксида. Подробные описания и необходимое оборудование роста тонких пленок, фото-литографии, и провода связи представлены.
Introduction
Первый и один из наиболее важных шагов устройств с высоким качеством роста эпитаксиальных тонких пленок оксида. Монокристаллической подложки используется как "шаблон" для нанесения материалов мишени. Среди различных методов осаждения, импульсное лазерное осаждение (PLD) является одним из лучших способов получения хорошего качества тонких пленок 4,5. Ростовые процессы включают нагревание подложки до около 800 ° C в атмосфере кислорода и использования лазерных импульсов попасть в цель материала и генерировать поток на хранение на подложку. Типичная система показана на рисунке 1.
В то время как без узоров фильмы были показаны выявить экзотических новая физика 6, сокращение фильма измерение предоставляет более широкие возможности для изучения новых явлений и изготовление устройства. Фотолитографии может быть использован для сжатия в плоскости размера образца до порядка 1 мкм. Подробный протокол процесса фотолитографии будетрассмотрены ниже. Этот метод совместим с наиболее широко используемых субстратов, который позволяет для исследования воздействия на заключение эпитаксиальных пленок состоялось в различных состояниях напряжения.
Поскольку многие сложные оксиды имеют интересные характеристики при низких температурах и / или сильных магнитных полей, электронные соединение между устройством и измерительное оборудование является очень важным. Высокое качество связи может быть сформирован путем выпаривания колодки Au контакта в 4-зонд геометрии и с использованием провода полуторный сделать связи между прокладками и измерительного устройства. Если все сделано правильно, эти связи могут легко выдерживают экстремальные условия измерения в широких пределах температуре 4 К до 400 К и магнитных полей диапазонов до ± 9 Т.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Изготовление образца роста
- Очистите 5 мм х 5 мм х 0,5 мм монокристаллической подложки имеющих miscut угол <0,1 градуса, таких как SrTiO 3 или 3 LaAlO ацетоном, а затем водой в ультразвуковой очистки в течение 10 минут каждый. Чтобы получить TiO 2 на прекращение SrTiO 3, травление подложки 10% фтористого водорода в течение 30 сек и промыть в воде в течение 1 мин, а затем отжиг при 1100 ° С в течение 10 час. После очистки устанавливать подложку на нагревателе подходит для условиях сверхвысокого вакуума.
- Установите нагреватель в вакуумной камере PLD и открыть исходный кислородной камере, чтобы заполнить камеру с 2 х 10E-5 Торр кислорода. Поднимите температуру нагревателя до 800 ° C и дайте ему отжига в течение 20 мин. Температура может контролироваться с компьютерным управлением пирометра или термопары.
- Для начала осаждения пленок, запустите эксимерного импульсный лазер на лазерной энергии от 1 до 2 Дж / см 2 и лазерной частоте 1или 2 Гц. Лазерных импульсов попадет в цель материала и генерировать поток шлейф. Поток будет проникать через среду кислорода и депозит на подложку.
- Отражение Высокая электронографического энергии (RHEED) может быть использован для мониторинга роста ячейки и подтвердить качество поверхности 7. Этот метод позволяет очень четко контроля толщины.
- Когда пленку нужной толщины, выключите лазера и уменьшить температуру нагревателя при 5 ° С / мин. Как только нагреватель охлаждают до комнатной температуры, выключите источник кислорода и удаления образца.
- Экс месте отжига может быть использован на оксидных материалов для удаления кислорода недостатки, которые могут присутствовать после роста или после длительных периодов в вакууме. Поместите образец в трубчатой печи при давлении 1 атм в потоке кислорода. Повышение температуры от 20 ° С до 700 ° С со скоростью 5 ° С / мин, отжиг в течение 2 ч, а затем снижение температуры от 700 ° С до 20 ° С при 2 ° С / мин. Важным НетТе никогда не пост-отжига при более высоких температурах, чем те, которые используются в процессе роста пленки при заполнении вакансий кислорода, так как это может отрицательно повлиять на качество поверхности и могут негативно повлиять на качество кристалла.
2. Изготовление Фотолитографии
- Ультразвуком очистить образца в ацетоне, а затем водой в течение 10 мин каждый. Оптического микроскопа может быть использован для проверки поверхности образца чист больших частиц. (Рис. 2а)
- Спин пальто слоем толщиной 1 микрон фоторезиста. Типичные скорости отжима и продолжительность около 6000 оборотов в минуту и 80 секунд, хотя эти цифры зависят от конкретного фоторезиста использовать. Поместите образец на пластинчатый теплообменник при 115 ° С в течение 2 мин, чтобы вылечить фоторезиста. Проверьте фоторезиста качества под оптическим микроскопом. Покрытие должно появиться равномерным, без пузырьков.
- Использование маски выравниватель подвергать образец под предопределенным маска литографии с ультрафиолетовым светом в течение 9 сек с выдержкой дозаоколо 90 мДж / см 2. Опять же эти цифры будут специфичны для фоторезиста использовать. Когда позитивного фоторезиста используется, часть фоторезиста которое покрыто маской не изменит свою химическое свойство в то время как часть PR который не закрыт маской изменит свое свойство и может быть растворен в химической разработчика. Нагреть фоторезиста и образца при 110 ° C в течение 80 сек дальнейшее отверждение подвергается фоторезиста.
- Промыть образца в проявляющий раствор для 25-35 сек. Выньте образец немедленно и промыть в воде в течение 30 сек. Если позитивного фоторезиста используется, часть фоторезиста который не закрыт маской будут смыты в то время как часть, которая покрыта останется. Следует отметить, что продолжительность разработки шаг является важным точно контролировать размеры фоторезиста и качество (рис. 2б).
- Готовят раствор йодида калия, соляную кислоту и воду 1:1:1. Используйте пластмассовый пинцет для полоскания тОн образца в кислоте в течение примерно 10 сек. Незащищенной части тонкой пленки будет вытравливают. Немедленно промыть образца в чистой воде в течение 60 секунд. Проверьте с помощью оптического микроскопа, чтобы увидеть, если тонкопленочный был полностью травлению. Если нет, добавьте 2 до 3 еще секунд кислотному травлению и немедленно промыть их чистой водой, а затем еще раз проверить с помощью оптического микроскопа. Повторите эту процедуру, пока все незащищенные фильм не вытравливается. Этот процесс регулируется сила травителя и толщины пленки. Типичные скорости травления для многих манганитам около 1-4 нм / с для решения соотношении 1:01:01 описано выше.
- Промыть образец в ацетоне в течение 20 секунд для удаления оставшегося фоторезиста. Проверьте качество образца с микроскопом (рис. 2c и 2d).
3. Wire-связанного соединения
- Использование фото-маски, повторите шаги 2.1-2.3 выше, с использованием литографии маски, которые оставят в открытых районах на провода подходят для контактаколодки. Выпаривают 5 нм Ti и 100 нм Au на образец и промыть в ацетоне. Это позволит удалить фоторезиста и оставить только нужную геометрию контактных площадок (рис. 3а).
- Используйте GE лак для установки образца на образец шайбы. Разрешить 15 минут, чтобы вылечить.
- Зафиксировать образец позиции на проводе этапе полуторный и использовать провод для подключения полуторный Al провода от образца шайбу Ti / Au контактами (рис. 3б). Затем выполните электрических измерений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Данная статья посвящена в основном на фотолитографии и провода связи аспекты подготовки образца. Подробнее о процедурах роста пленки можно найти в других наших последних публикациях 8.
Фотолитографии является важным методом для управления размерность в сложных оксидов с целью исследования электрон длины корреляции и электронное разделение фаз 9-13. 2 показаны оптические изображения частичный шага в ходе процесса. Надо отметить, что среди всех этих шагов, точное управление разработкой и время травления наиболее решающее значение для успешного изготовления устройства. Например, одно второе развития времени может привести к фоторезиста неэкспонированные быть смыты. С другой стороны, несколько секунд кислотное травление может привести оксиды фильм, чтобы быть более травления и полностью удалена, таким образом, повреждение желаемую структуру, как показано на рисунке 4. На рисунке 3 показана готовая к меру образца. Электрические напряжения и тока могут быть применены к прототипу устройства для широкого спектра электронных измерений в широком диапазоне температур и магнитных полей.
Рисунок 1. Схема импульсного лазерного напыления (PLD) системы. KrF эксимерный лазер используется для генерации целевого шлейфа. Нагреватель используется для контроля температуры образца. O 3 источника используется для подачи давления фоне кислорода. RHEED пистолет, фотоаппарат и компьютер используется для контроля динамики роста и структуры поверхности.
Рисунок 2. Фотolithography изображений.) оптическое изображение как взрослый образец, светлые области являются областями, которые остались без пленки во время роста, как они лежали под нагревателем зажимов, и небольшие неоднородности цвета обусловлено изменение цвета на обратной стороне подложки и не Результатом фильма неравномерности, б) типичный образ разработал фоторезиста поверх образца, в) типичный образ образца после травления кислотой, г) полный набор устройств травления из одного фильма позволят измерять воздействие на заключение 6 ширины проволоки.
Рисунок 3) типичные контакты для 4-зонд транспорта;. Б) одного соединения устройств провода Боnded из проволоки колодки для сопротивления шайбы. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
.. Рисунок 4 Воздействие overetching 50 фильмов нм для травления) 15 сек; б) 21 сек и в) 25 сек. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В отличие от одного элемента полупроводниковых материалах, таких как Si, изготовление сложных материалов может быть более сложной из-за того, что сложную структуру и множество элементов должны быть приняты во внимание. Использование фотолитографии для изготовления сложных устройств оксида относительно низкой стоимости и быстро создавать прототипы в отличие от других методов заключения. Существуют, однако, некоторые важные ограничения, чтобы понять. Фотолитографии имеет пространственное ограничение к созданию структуры около 1 микрона поэтому не подходит для действительно наноразмерных изготовление устройства. Также важным является тот факт, что шероховатость кромки, возникающих в процессе химического травления может быть порядка 50 нм.
Другие методы, такие как электронно-лучевой литографии (EBL) и сфокусированный пучок ионов (FIB) измельчение может быть использован для создания гораздо более мелкие структуры, чем те, возможно с фотолитографии. Как правило, они ограничиваются> 50 нм и> 20 нм соответственно структурectively 14,15. Эти методы имеют свои ограничения. ЭВН может занять несколько часов до нескольких дней разработать структуру, так намного медленнее, чем фотолитографии и все еще может привести к краю шероховатости, связанные с процессом травления. FIB фрезерные также гораздо медленнее, чем фотолитографии и предписывает рисковать изменения структуры стехиометрии от имплантированных ионов. Кроме того, повторное осаждение травления материала при использовании FIB измельчение может отрицательно влиять на устройстве. Возможные направления для преодоления проблем химического и плазменного травления или ионной бомбардировкой, чтобы полностью удалить этот этап обработки. Самоорганизующихся роста наноструктур предлагает перспективный способ избежать таких вопросов, как шероховатости и ионной имплантации. Цель состоит в том, чтобы использовать различные методы для управляемого роста изготовить стехиометрического, небольшие структуры, такие как нано-стержней и нано-столбы 16,17, и измерять их свойства. Однако это все еще довольно молодой технику в сложных оксидов и нуждается в механейшее развитие, прежде чем станет жизнеспособным для регулярного использования во всех материалах.
Электрическое соединение между образцом и инструмент также может быть достигнуто разными способами. Кроме проводного соединения, индия и серебряная краска часто используется для создания электрических соединений. Однако оба индия и серебра методы краски имеют такие вопросы, как большие площади контакта (около 1 мм 2) и может требовать высокой температуры отверждения (~ 100 ° С) или пайки (> 200 ° C), которые могут вызывать дефицита кислорода в оксидных пленок. Таким образом, провод связи имеет преимущество небольшую площадь контакта (около 100 мкм 2), которая является стабильной в большом диапазоне температур и повторного использования.
Ряд методов, представленные здесь включить изготовление небольших сложных структур оксидов из тонких пленок. Эти методы позволяют для исследования сильно коррелированных систем как для фундаментальных исследований физики и в поисках новой функциональностиго приложения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Эта работа была полностью поддерживается Министерством энергетики США, Управление основной энергии наук, наук о материалах и инжиниринга.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagent/Material | |||
| SrTiO3(001) & LaAlO3(100) substrates | CrysTec GmbH | ||
| Microposit S1813 Photoresist | Shipley | ||
| CD-26 Developer | Shipley | 38490 | |
| GE varnish | Lakeshore | VGE-7031 | |
| Equipment | |||
| Reflected High Energy Electron Diffraction (RHEED) | Staib Instruments | 35kV TorrRHEED | |
| Mask Aligner | ABM | Model 85-3 (350W) Lightsource | |
| Resistivity Puck | Quantum Design | P102 | |
| Wire Bonder | Kulicke Soffa | 04524-0XDA-000-00 | |
References
- Ahn, C. H., Triscone, J. -M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
- Basov, D. N., Averitt, R. D., Van der Marel, D., Dressel, M., Haule, K. Electrodynamics of correlated electron materials. Reviews of Modern Physics. 83, 471-541 (2011).
- Waser, R., Aono, M. Nanoionics-based resistive switching memories. Nat. Mater. 6, 833-840 (2007).
- Willmott, P. R., Huber, J. R. Pulsed laser vaporization and deposition. Rev. Mod. Phys. 72, 315-328 (2000).
- Eres, H. M. C., G, Recent advances in pulsed-laser deposition of complex oxides. Journal of Physics: Condensed Matter. 20, 264005 (2008).
- Ding, J. F., Jin, K. X., Zhang, Z., Wu, T. Dependence of negative differential resistance on electronic phase separation in unpatterned manganite films. Applied Physics Letters. 100, 62402-62404 (2012).
- Ichimiya, A., I, P. C. Reflection High Energy Electron Diffraction. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2004).
- Guo, H., Sun, D., et al. Growth diagram of La0.7Sr0.3MnO3 thin films using pulsed laser deposition. arXiv. , 1210.5989 (2012).
- Ward, T. Z., Gai, Z., Guo, H. W., Yin, L. F., Shen, J. Dynamics of a first-order electronic phase transition in manganites. Physical Review B. 83, 125125 (2011).
- Ward, T. Z., Liang, S., et al. Reemergent Metal-Insulator Transitions in Manganites Exposed with Spatial Confinement. Physical Review Letters. 100, 247204 (2008).
- Ward, T. Z., Zhang, X. G., et al. Time-Resolved Electronic Phase Transitions in Manganites. Physical Review Letters. 102, 87201 (2009).
- Zhai, H. -Y., Ma, J. X., et al. Giant Discrete Steps in Metal-Insulator Transition in Perovskite Manganite Wires. Physical Review Letters. 97, 167201 (2006).
- Wu, T., Mitchell, J. F. Creation and annihilation of conducting filaments in mesoscopic manganite structures. Physical Review B. 74, 214423 (2006).
- Altissimo, M. E-beam lithography for micro-/nanofabrication. Biomicrofluidics. 4, 26503-26506 (2010).
- Watt, F., Bettiol, A. A., Van Kan, J. A., Teo, E. J., Breese, M. B. H. Ion Beam Lithography and Nanofabrication: A Review. International Journal of Nanoscience. 4, 269-286 (2005).
- Urban, J. J., Yun, W. S., Gu, Q., Park, H. Synthesis of single-crystalline perovskite nanorods composed of barium titanate and strontium titanate. J. Am. Chem. Soc. 124, 1186-1187 (2002).
- Wang, Y., Fan, H. J. The origin of different magnetic properties in nanosized Ca0.82La0.18MnO3: Wires versus particles. Applied Physics Letters. 98, 142502 (2011).
