Summary
Descreve-se a utilização de deposição de laser pulsado (PLD), e as técnicas de fotolitografia fio de ligação para criar dispositivos de óxidos complexos escala micrométrica. A PLD é utilizado para crescer finas películas epitaxiais. Técnicas de fotolitografia e fios de ligação são introduzidos para criar dispositivos práticos para fins de medição.
Abstract
Materiais complexos, como os supercondutores de alta Tc, multiferróicos e magneto colossais têm propriedades eletrônicas e magnéticas que surgem a partir das inerentes fortes correlações de elétrons que residem dentro deles. Estes materiais também podem possuir a separação de fases electrónica na qual as regiões do comportamento magnético resistiva e vastamente diferentes podem coexistir num único cristal de material de liga. Ao reduzir a dimensão destes materiais para escalas de comprimento no e abaixo do tamanho inerente dos domínios electrónicos, novos comportamentos podem ser expostos. Devido a isso e ao fato de que os parâmetros de ordem spin-charge-treliça-orbital cada envolver comprimentos de correlação, espacialmente reduzir esses materiais para medidas de transporte é um passo fundamental para a compreensão da física fundamental que impulsiona comportamentos complexos. Estes materiais também oferecem um grande potencial para se tornar a próxima geração de dispositivos eletrônicos 1-3. Assim, a fabricação de grandes quantidades de nano-ou tridimensionalmicro-estruturas é extremamente importante para conseguir uma nova funcionalidade. Trata-se de vários processos controláveis de qualidade de crescimento de filmes finos a exata caracterização propriedade eletrônico. Aqui, apresentamos os protocolos de fabricação de microestruturas de alta qualidade para dispositivos manganitas óxido complexos. Descrições detalhadas e equipamentos necessários de crescimento de filmes finos, foto-litografia, e fio-ligação são apresentados.
Introduction
O primeiro e um dos passos mais importantes para dispositivos de alta qualidade é o crescimento de filmes finos de óxido epitaxiais. Um único substrato de cristal é usado como um "template" para depositar os materiais-alvo. Entre os diferentes métodos de deposição, deposição por laser pulsado (PLD) é uma das melhores maneiras de adquirir boa qualidade filmes finos 4,5. Os processos de crescimento envolvem o aquecimento do substrato a cerca de 800 ° C num ambiente de oxigénio e usando pulsos de laser para atingir o material do alvo e gerar um fluxo a ser depositado sobre o substrato. O sistema típico é mostrado na Figura 1.
Enquanto filmes unpatterned foram mostrados para revelar exóticas nova física 6, reduzindo dimensão filme oferece mais oportunidades para explorar novos fenômenos e fabricação do dispositivo. Fotolitografia pode ser usado para diminuir a dimensão da amostra no plano para baixo da ordem de 1 mM. O protocolo detalhado do processo de fotolitografia vontadeser discutido abaixo. Esta técnica é compatível com substratos mais utilizados que permite a investigação de efeitos de confinamento em filmes epitaxiais realizadas em diferentes estados de tensão.
Uma vez que muitos óxidos complexos possuem características interessantes a baixas temperaturas e / ou de campos magnéticos elevados, a ligação electrónica entre o dispositivo e equipamento de medição é muito importante. Contatos de alta qualidade podem ser formadas por evaporação almofadas contato Au em uma geometria sonda 4 e com o uso de um fio Bonder para fazer conexões entre as almofadas e dispositivos de medição. Quando feito corretamente, essas conexões pode facilmente resistir a ambientes extremos de medição dentro de amplas faixas de temperatura de 4 K para 400 K e varia de campos magnéticos de até ± 9 T.
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Protocol
1. Amostra Crescimento Fabrication
- Limpeza de 5 mm x 5 mm x 0,5 mm de substrato de cristal único com um ângulo miscut <0,1 graus, como SrTiO 3 ou LaAlO 3 com acetona e em seguida com água num aparelho de limpeza de ultra-sons durante 10 minutos cada. Para obter uma terminação de TiO 2 em SrTiO 3, etch do substrato em 10% de fluoreto de hidrogénio durante 30 seg e enxaguamento em água durante 1 min, seguido de um recozimento a 1100 ° C durante 10 horas. Após a limpeza, montar o substrato sobre um aquecedor apropriado para as condições de ultra-alto vácuo.
- Montar o aquecedor para dentro da câmara de vácuo PLD e abrir a câmara de fonte de oxigénio para encher a câmara com 2 x 10E-5 Torr oxigénio. Aumentar a temperatura do aquecedor para 800 ° C e deixar de recozimento durante 20 min. A temperatura pode ser controlada por meio de um pirómetro controlado por computador ou de um termopar.
- Para começar a deposição do filme, iniciar a excimer laser utilizando pulsadas uma fluência do laser de 1 a 2 J / cm 2, e de um laser de frequênciaou 2 Hz. Os pulsos de laser vai bater o material do alvo e gerar um fluxo de pluma. O fluxo vai penetrar através do ambiente de oxigénio e de depósito sobre o substrato.
- Reflexo alta Difracção Electron energia (RHEED) pode ser utilizado para monitorizar o crescimento da célula unitária e confirmar a qualidade da superfície 7. Esta técnica permite o monitoramento espessura muito claro.
- Quando o filme é com a espessura desejada, desliga o laser e diminuir a temperatura do aquecedor, a 5 ° C / min. Quando o aquecedor é arrefecida até à temperatura ambiente, desligar a fonte de oxigénio e remover a amostra.
- Ex situ de recozimento pode ser utilizado em materiais de óxido para remover irregularidades de oxigénio que podem estar presentes após o crescimento ou depois de longos períodos de tempo em condições de vácuo. Coloque a amostra em um forno tubular sob 1 atm de fluxo de oxigênio. Elevar a temperatura de 20 ° C a 700 ° C a 5 ° C / min, o recozimento durante 2 horas e, em seguida, diminuir a temperatura de 700 ° C a 20 ° C a 2 ° C / min. Um importante nãote é nunca pós-recozimento em temperaturas mais altas do que as usadas durante o crescimento filme, quando o preenchimento de vagas de oxigênio, pois isso pode afetar negativamente a qualidade da superfície e pode influenciar negativamente a qualidade do cristal.
2. Fabricação de fotolitografia
- Ultrassonicamente limpar a amostra em acetona e em seguida com água durante 10 minutos cada. Um microscópio óptico pode ser usada para verificar que a superfície da amostra é limpo de partículas grandes. (Figura 2a)
- Gire casaco uma camada de 1 mícron fotorresiste de espessura. Velocidade de centrifugação e duração típica são cerca de 6000 rpm e 80 seg embora estes números são dependentes fotosensitivo específico utilizado. Colocar a amostra numa placa de calor a 115 ° C durante 2 minutos para curar o material fotosensitivo. Verifique a qualidade photoresist sob um microscópio óptico. O revestimento deve aparecer uniforme sem borbulhar.
- Usar um alinhador de máscara para expor a amostra sob uma máscara de litografia predefinida com luz UV durante 9 seg, com uma dose de exposiçãocerca de 90 mJ / cm 2. Novamente estes números vão ser específico para o foto-resistente utilizado. Quando fotossensível positivo é utilizado, a peça de material fotosensitivo que é coberta pela máscara não vai alterar a sua propriedade química, enquanto a parte do PR, que é revelado pela máscara vai alterar a sua propriedade e pode ser dissolvido no revelador químico. Aquece-se a foto-resistente e de amostra a 110 ° C durante 80 segundos para curar ainda mais a fotossensível exposta.
- Lavar a amostra em uma solução de desenvolvimento para 25-35 seg. Retire a amostra imediatamente e lave em água por 30 segundos. Se fotossensível positivo é utilizado, a peça de material fotosensitivo que é revelado pela máscara será lavada, enquanto a parte que é coberta permanecerá. Note-se que a duração da etapa de desenvolvimento é crucial para controlar com precisão a dimensão e qualidade de resina fotossensível (Figura 2b).
- Prepara-se uma solução de iodeto de potássio, ácido clorídrico e água de relação 1:1:1. Use uma pinça de plástico para enxaguar tele amostra no ácido durante cerca de 10 seg. A parte desprotegido da película fina será gravado fora. Lave imediatamente a amostra em água pura por 60 seg. Verificar com um microscópio óptico para ver se a película fina foi totalmente gravado. Se não, adicione mais 2 a 3 segundos de ataque ácido e lave imediatamente com água pura, em seguida, verificar novamente com um microscópio óptico. Repita este procedimento até que todo o filme é gravado desprotegido distância. Este processo é regulado pela força produto corrosivo e espessura da película. Taxas de corrosão típicas para muitos manganitas são cerca de 1-4 nm / segundo para a relação 1:01:01 solução descrita acima.
- Lavar a amostra em acetona durante 20 segundos para remover o material fotosensitivo restante. Verifique a qualidade da amostra com microscópio (Figura 2C e 2D).
3. Conexão Wire-bonding
- Usando uma foto-máscara, repita os passos acima 2,1-2,3 usando uma máscara de litografia que vai deixar regiões abertas nos fios adequados para contatopads. Evapora-se de 5 nm e 100 nm Ti Au sobre a amostra e enxaguar em acetona. Isto irá remover o material fotosensitivo e deixar apenas a geometria desejada almofada de contacto (Figura 3a).
- Use GE verniz para montar a amostra sobre o disco amostra. Deixar 15 minutos para curar.
- Corrigir a posição da amostra em fase fio Bonder e usar o fio Bonder para conectar os fios Al do disco de amostra de Ti / Au contactos (Figura 3b). Em seguida, realizar medições elétricas.
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Representative Results
Este trabalho concentra-se principalmente nos aspectos de fotolitografia e fio de ligação de preparação da amostra. Mais detalhes sobre os procedimentos de crescimento do filme pode ser encontrado em outras publicações recentes 8.
Fotolitografia é um importante método para controlar a dimensionalidade em óxidos complexos com a finalidade de investigar comprimentos de correlação eletrônica e separação de fase eletrônico 9-13. Figura 2 mostra imagens ópticas de etapas parciais durante o processo. É necessário salientar que, entre todos estes passos, o controlo exacto do desenvolvimento e tempo de ataque é o mais importante para o fabrico de um dispositivo com êxito. Por exemplo, mais um segundo tempo de desenvolvimento pode causar a fotorresistência não exposta a ser lavada. Por outro lado, vários segundos de condicionamento ácido pode provocar a película de óxidos de ser sobre-gravado e completamente removido, danificando, assim, a estrutura desejada, como mostrado na Figura 4. A Figura 3 mostra um exemplo de pronto-a-medida. A tensão ea corrente pode ser aplicada aos dispositivos protótipos para uma ampla gama de medições electrónicas através de uma ampla gama de temperaturas e de campos magnéticos.
Figura 1. Esquemático do sistema de deposição laser pulsada (PLD). O laser excimer KrF é usado para gerar a pluma alvo. O aquecedor é utilizado para controlar a temperatura da amostra. A fonte S 3 é utilizada para fornecer a pressão de fundo de oxigénio. A arma RHEED, câmera e computador são usados para monitorar a dinâmica de crescimento e estrutura de superfície.
Figura 2. Photimagens. olithography a) imagem óptica de uma amostra, tal como adulto, as áreas claras são as regiões que foram deixadas sem a película durante o crescimento, enquanto estavam deitados sob grampos aquecedor e ligeira não homogeneidade da cor é causada por descoloração nas costas do substrato, e não um resultado de película não-uniformidade, b) imagem típica de material fotosensitivo desenvolvido no topo da amostra, c) imagem típica da amostra depois do condicionamento ácido, d) conjunto de dispositivos gravadas a partir de uma única película de permitir medir os efeitos de confinamento em seis larguras de arame.
Figura 3 a) contatos típicos para o transporte de 4 sonda;. B) fio conexões de dispositivos individuais bonded de almofadas de fios de resistividade disco. Clique aqui para ver a figura maior .
.. Figura 4 Efeitos da overetching 50 filmes nm gravado para a) 15 segundos; b) 21 seg e c) 25 seg. Clique aqui para ver a figura maior .
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Discussion
Ao contrário do elemento de materiais semicondutores individuais, tais como átomos de Si, o fabrico de materiais complexos pode ser mais difícil devido ao facto de a estrutura complexa, com vários elementos devem ser tidos em consideração. O uso de fotolitografia para fabricar dispositivos de óxido complexos é de custo relativamente baixo e rápido ao protótipo em oposição a outras técnicas de confinamento. No entanto, existem algumas limitações importantes para entender. Fotolitografia tem uma limitação espacial para criar as estruturas de cerca de 1 micron de modo não é adequado para a fabricação do dispositivo verdadeiramente nanoescala. Também importante é o facto de que a rugosidade aresta resultante do processo de ataque químico pode ser da ordem de 50 nm.
Outras técnicas tais como a litografia por feixe de electrões (EBL) e focada do feixe de iões (FIB) moagem pode ser utilizada para criar estruturas muito menores do que os possíveis com fotolitografia. Estes são geralmente limitados a> 50 nm e> 20 estruturas nm respectively 14,15. Estas técnicas também têm limitações. EBL pode levar horas ou dias para desenvolver uma estrutura assim é muito mais lento do que fotolitografia e ainda pode resultar na aspereza da borda decorrentes do processo de corrosão. FIB moagem é muito mais lenta do que fotolitografia e envolve o risco de alterações da estrutura de estequiometria iões implantados. Além disso, a re-deposição de material gravado quando usando FIB moagem pode influenciar negativamente o dispositivo. A direção possível para superar os problemas de química e plasma erosão ou bombardeamento de íons é remover completamente essa etapa no processamento. Crescimento auto-montados de nano-estruturas oferece um caminho promissor para evitar problemas como a rugosidade e implantação de íons. O objetivo é utilizar diferentes técnicas de crescimento para fabricar controllably estequiométrico, pequenas estruturas como nano-hastes e nano-pilares 16,17, e medir suas propriedades. No entanto, esta ainda é uma técnica bastante jovem em óxidos complexos e precisa de peledesenvolvimento de terap antes que se torne viável para uso regular entre todos os materiais.
A ligação eléctrica entre a amostra eo instrumento também pode ser obtida de diversas maneiras. Além de soldagem de fios, índio e pintura prata são frequentemente utilizados para criar conexões elétricas. No entanto, ambos os métodos de índio e de tinta de prata têm problemas tais como superfícies de contacto grandes (cerca de 1 mm 2) e podem necessitar de cura a alta temperatura (~ 100 ° C) ou fraca (> 200 ° C), que podem induzir a deficiência de oxigénio em filmes de óxidos. Assim, a ligação de fio tem a vantagem de uma área de contacto pequena (cerca de 100 mM 2), que é estável em grandes intervalos de temperatura e o uso repetido.
A série de métodos aqui apresentados permitem a fabricação de estruturas pequenas de óxidos complexos a partir de películas finas. Estes métodos permitem a investigação de sistemas fortemente correlacionados, tanto para a pesquisa básica física e na busca de uma nova funcionalidadeaplicação nd.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Este esforço foi totalmente apoiada por os EUA DOE, Instituto de ciências básicas da energia, Ciências dos Materiais e Divisão de Engenharia.
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).
