Summary
Vi beskriver brugen af pulserende laser deposition (PLD), fotolitografi og wire-bonding teknikker til at skabe mikrometer skala komplekse oxider enheder. PLD er udnyttet til at vokse epitaksiale tynde film. Fotolitografi og wire-bonding teknikker er indført for at skabe praktiske udstyr til måling formål.
Abstract
Komplekse materialer såsom høj Tc superledere, multiferroics og kolossale magnetoresistive har elektroniske og magnetiske egenskaber, der opstår fra de iboende stærke elektron korrelationer, der bor i dem. Disse materialer kan også have elektronisk faseadskillelse i hvilke områder af meget forskellige resistive og magnetiske adfærd kan eksistere side om side inden for en enkelt krystal legering materiale. Ved at reducere omfanget af disse materialer til længdeskalaer på og under den iboende størrelse af de elektroniske domæner, kan nye adfærd blive udsat for. På grund af dette og det faktum, at spin-charge-gitter-orbitale ordens parametrene hver involverer korrelation længder, rumligt reducere disse materialer til transport målinger er et afgørende skridt i forståelsen af grundlæggende fysik, der driver kompleks adfærd. Disse materialer tilbyder også et stort potentiale til at blive den næste generation af elektroniske enheder 1-3. Således fremstilling af lavdimensionalt nano-ellermikrostrukturer er yderst vigtigt at opnå ny funktionalitet. Dette indebærer flere kontrollerbare processer af høj kvalitet tyndfilm vækst nøjagtig elektronisk ejendom karakterisering. Her præsenterer vi fabrikation protokoller høj kvalitet mikrostrukturer for komplekse oxid manganit enheder. Detaljerede beskrivelser og krævede udstyr for tyndfilm vækst, foto-litografi og wire-bonding præsenteres.
Introduction
Den første og en af de vigtigste skridt i retning af høj kvalitet udstyr er væksten af epitaksiale oxid tynde film. En enkelt krystal substrat bruges som en "skabelon" for at deponere målmaterialer. Blandt forskellige deposition metoder er pulserende laser deposition (PLD) en af de bedste måder at erhverve god kvalitet tyndfilm 4,5. Væksten processer involverer opvarmning af substratet til omkring 800 ° C i et ilt miljø og bruge laserpulser at ramme målet materiale og generere en flux, der skal deponeres på substratet. Det typisk system er vist i figur 1..
Mens umønstret film har vist sig at afsløre eksotiske nye fysik 6, reducere film dimension giver flere muligheder for at udforske nye fænomener og enhed fabrikation. Fotolitografi kan bruges til at skrumpe i plan prøve dimension ned til i størrelsesordenen 1 um. Den detaljerede protokol til fotolitografi proces bliverblive diskuteret nedenfor. Denne teknik er kompatibel med de fleste udbredte substrater, som giver mulighed for undersøgelser af indeslutning virkninger på epitaksiale film afholdt på forskellige stamme stater.
Da mange komplekse oxider har interessante egenskaber ved lave temperaturer og / eller høje magnetfelter, den elektroniske forbindelse mellem enheden og måleudstyr er meget vigtigt. Høj kvalitet kontakter kan dannes ved afdampning Au kontaktpuder i en 4-sonde geometri og med anvendelse af en tråd bonder at skabe forbindelser mellem trædepuderne og måleanordningen. Når det gøres korrekt, kan disse forbindelser nemt tåle ekstreme måling miljøer inden for brede temperaturområder på 4 K til 400 K og magnetiske felt intervaller på op til ± 9 T.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Sample Vækst Fabrication
- Rens et 5 mm x 5 mm x 0,5 mm enkelt krystal substrat med en miscut vinkel <0,1 grader såsom SrTiO 3 eller LaAlO 3 med acetone og derefter vand i en ultralydsrenser i 10 min hver. At få en TiO2 terminering på SrTiO 3 etch substratet i 10% hydrogenfluorid i 30 sek og skylles i vand i 1 min, efterfulgt af en udglødning ved 1.100 ° C i 10 timer. Efter rengøring monteres underlaget på et varmeapparat egnet til ultrahøj vakuum.
- Monter varmelegemet i PLD vakuumkammer og åbn kammeret ilt kilde til at fylde kammeret med 2 x 10E-5 Torr ilt. Hæv varmeren temperaturen til 800 ° C, og tillade det at anneale i 20 min. Temperaturen kan overvåges ved hjælp af et computerstyret pyrometer eller et termoelement.
- Til at begynde film deposition, starte excimer pulseret laser med en laser fluens på 1 til 2 J / cm 2 og laser frekvens på 1eller 2 Hz. Laserimpulserne vil ramme målmaterialet og generere en røgfane flux. Fluxen vil trænge gennem ilt miljø og deponering på substratet.
- Refleksion High Energy Electron Diffraction (RHEED) kan anvendes til at overvåge enheden cellevækst og bekræft overflade kvalitet 7.. Denne teknik giver mulighed for meget klart tykkelse overvågning.
- Når filmen er af den ønskede tykkelse, slukke laseren og mindske varmelegeme temperaturen ved 5 ° C / min. Når ovnen afkøles til stuetemperatur, slukke for ilt kilde og fjern prøven.
- Ex situ annealing kan anvendes på oxidmaterialer at fjerne iltmangel, der kan være til stede efter vækst eller efter lange perioder i vakuum. Prøven anbringes i en rørovn under 1 atm af strømmende ilt. Hæve temperaturen fra 20 ° C til 700 ° C ved 5 ° C / min, anneale i 2 timer, og derefter sænke temperaturen fra 700 ° C til 20 ° C ved 2 ° C / min. En vigtig nejte er aldrig post-udglødning ved højere temperaturer end dem, der anvendes under filmvækst ved påfyldning oxygenvakancer da dette kan forringe kvaliteten af overfladen og kan have en negativ indflydelse krystal kvalitet.
2.. Fotolitografi Fabrication
- Ultralyd rense prøven i acetone og derefter vand i 10 min hver. Et optisk mikroskop kan bruges til at kontrollere, at prøven er ren store partikler. (Figur 2a)
- Spin pels et lag af 1 mikron tyk fotoresist. Typisk centrifugeringshastighed og varighed er omkring 6.000 rpm og 80 sek om disse numre er afhængige af specifikke anvendte photoresist. Anbring prøven på en varmeplade ved 115 ° C i 2 minutter for at hærde fotoresist. Kontroller photoresist kvalitet under et optisk mikroskop. Overtrækket skal vises ensartet uden bobler.
- Brug en maske aligner at udsætte prøven under en foruddefineret litografi maske med UV-lys for 9 sek med en eksponering dosisomkring 90 mJ / cm 2. Igen disse tal vil være specifikke for den anvendte fotoresist. Når positiv fotoresist anvendes, vil den del af fotoresist der er dækket af masken ikke ændre dets kemiske egenskab, mens den del af PR, som er afdækket af masken vil ændre sin ejendom og kan opløses i den kemiske udvikler. Opvarm fotoresist og prøve ved 110 ° C i 80 sek til yderligere hærde eksponerede fotoresist.
- Skyl prøven i en udvikler løsning til 25-35 sek. Tag prøven straks og skylles i vand i 30 sek. Hvis positiv fotoresist anvendes, vil den del af fotoresist der er afdækket af masken blive skyllet væk, mens den del, der er dækket forbliver. Bemærk, at varigheden af udviklingen trin er afgørende for en præcis styring fotoresist dimension og kvalitet (figur 2b).
- Der fremstilles en opløsning af kaliumiodid, saltsyre og vand i forholdet 01:01:01. Brug plastik pincet til at skylle than prøve i syren til ca 10 sek. Den ubeskyttede del af den tynde film vil blive ætset bort. Skyl straks prøven i rent vand i 60 sek. Check med et optisk mikroskop for at se, om den tynde film er blevet totalt ætset. Hvis ikke, tilsættes 2 til 3 sekunder mere af syre etch og straks skylles med rent vand, så tjek igen med et optisk mikroskop. Gentag denne fremgangsmåde, indtil al den ubeskyttede film ætses bort. Denne proces styres af etchant styrke og filmtykkelse. Typiske etch satser for mange Manganiter er omkring 1-4 nm / sekund for 01:01:01 opløsning forhold beskrevet ovenfor.
- Skyl prøven i acetone i 20 sekunder for at fjerne den resterende fotoresist. Kontrollere kvaliteten af prøven med mikroskop (fig. 2c og 2d).
3.. Wire-bonding Connection
- Ved hjælp af en foto-maske, skal du gentage trinene 2.1-2.3 ovenfor bruge en litografi maske, der vil efterlade åbne områder på ledningerne er egnet til kontaktpuder. Fordampe 5 nm Ti og 100 nm Au ned på prøven og skyl i acetone. Dette vil fjerne den fotoresisten og lade kun den ønskede kontakt pad geometri (figur 3a).
- Brug GE lak for at montere prøven ned på prøven pucken. Tillad 15 minutter at hærde.
- Fastgør prøven position på tråd bonder scenen og bruge tråd bonder at forbinde Al ledninger fra prøven pucken til Ti / Au kontakter (figur 3b). Derefter udføre elektriske målinger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dette papir fokuserer mest på fotolitografiske og wire-bonding aspekter af prøveforberedelse. Flere detaljer om filmvækst procedurer kan findes i vores andre nylige publikationer 8..
Fotolitografi er en vigtig metode til at styre dimensionalitet i komplekse oxider til formål at undersøge elektronkorrelation længder og elektroniske fase separation 9-13. Figur 2 viser optiske billeder af partielle trin i processen. Det er nødvendigt at påpege, at blandt alle disse trin, den præcise styring af udvikling og ætsning tiden er det mest afgørende for en vellykket fabrikere en enhed. For eksempel kunne et sekund mere at udvikle tid forårsage eksponerede fotoresist at blive vasket væk. På den anden side, kan endnu flere sekunder af syreætsning forårsage oxider filmen til at være over-ætset og helt fjernet, hvilket skader den ønskede struktur, som vist i fig. 4. Figur 3 viser en klar-til-mål prøve. Elektrisk spænding og strøm kan anvendes til prototype anordninger til en bred vifte af elektroniske målinger på tværs af en bred vifte af temperaturer og magnetfelter.
Figur 1. Skematisk af Pulsed Laser Deposition (PLD) systemet. Den KrF excimer laser bruges til at generere målet røgfanen. Varmen benyttes til at styre prøvetemperaturen. The O 3 kilde bruges til at levere baggrunden ilt pres. Den RHEED pistol, kamera og computer bruges til at overvåge vækstdynamik og overflade struktur.
Figur 2. Photolithography billeder. a) optisk billede af en as-grown prøve lyse områder er områder, der blev efterladt uden film under væksten, som de lå under varmelegeme klemmer og let inhomogenitet farve skyldes misfarvning på bagsiden af underlaget og ikke en resultat af film uensartethed b) typiske billede af udviklede fotoresist ovenpå prøve c) typiske billede af prøven efter syreætsning d) komplet sæt af udstyr ætset fra en enkelt film muliggøre måling indeslutning effekter på 6 wire bredder.
Figur 3 a) typiske kontakter til 4-sonde transport. B) enkelt enhedsforbindelser wire boerdraget fra wire pads til modstand pucken. Klik her for at se større figur .
.. Figur 4 Effekter af overetching 50 nm film ætset for a) 15 sek b) 21 sek og c) 25 sek. Klik her for at se større figur .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I modsætning enkelt element halvledende materialer såsom Si, kan fremstillingen af komplekse materialer være mere vanskelig på grund af det faktum, at den komplekse struktur og flere elementer alle skal tages i betragtning. Anvendelsen af fotolitografi at fremstille komplekse oxid-enheder er relativt lave omkostninger og hurtige til prototype i modsætning til andre indeslutningskoncepter teknikker. Der er dog nogle vigtige begrænsninger at forstå. Fotolitografi har en rumlig begrænsning at skabe strukturer omkring 1 mikron så er ikke egnet til rigtig nanoskala enhed fabrikation. Også vigtigt er det, at kanten ruhed som følge af kemisk ætsning processen kan være i størrelsesordenen 50 nm.
Andre teknikker, såsom elektronstråle litografi (EBL) og fokuseret ionstråle (FIB) formaling kan anvendes til at skabe meget mindre strukturer end dem muligt med fotolitografi. Disse er generelt begrænset til> 50 nm og> 20 nm strukturer hhvectively 14,15. Disse teknikker har også begrænsninger. EBL kan tage timer til dage at udvikle en struktur, så er meget langsommere end fotolitografi og kan stadig resultere i kant ruhed som følge af ætsning proces. FIB fræsning er også meget langsommere end fotolitografi og involverer risikere struktur støkiometri skifter fra implanterede ioner. Desuden kan re-aflejring af ætset materiale ved anvendelse af FIB fræsning negativ indflydelse på apparatet. En mulig retning for at overvinde problemerne med kemisk og plasmaætsning eller ionbombardement er helt at fjerne dette skridt i behandlingen. Self-samlet vækst i nanostrukturer tilbyder en lovende måde at undgå problemer såsom ruhed og ion implantation. Målet er at bruge forskellige vækst teknikker til at controllably fabrikere støkiometriske, små strukturer såsom nano-stænger og nano-søjler 16,17, og måle deres egenskaber. Men det er stadig en forholdsvis ung teknik i komplekse oxider og behov pelsTher udvikling før det bliver rentabelt for regelmæssig brug på tværs af alle materialer.
Den elektriske forbindelse mellem prøven og instrumentet kan også opnås på forskellige måder. Andre end wire bonding, indium og sølv maling ofte bruges til at skabe elektriske forbindelser. Men både indium og sølv maling metoder har problemer såsom store kontakt områder (omkring 1 mm 2) og kan kræve høj temperatur hærdning (~ 100 ° C) eller lodning (> 200 ° C), som kan fremkalde iltmangel i oxid film. Således wire bonding har fordelen af en lille kontaktflade (omkring 100 um 2), der er stabil under store temperaturområder og gentagen brug.
Rækken af metoder, der præsenteres her muliggøre fremstilling af små komplekse oxider strukturer fra tynde film. Disse metoder giver mulighed for undersøgelse af stærkt korrelerede systemer både for grundlæggende fysik forskning og i jagten på nye funktionalitet and ansøgning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Denne indsats blev helt støttet af den amerikanske DOE, Office of Basic Energy Sciences, materialevidenskab og Engineering Division.
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).
