Summary
We beschrijven het gebruik van gepulste laser depositie (PLD), fotolithografie en wire-bonding technieken micrometer meervoudige oxiden apparaten. Het PLD wordt gebruikt om epitaxiale dunne films te laten groeien. Fotolithografie en wire-bonding technieken worden ingevoerd om praktische hulpmiddelen voor de meting doeleinden te creëren.
Abstract
Complexe materialen zoals hoge Tc supergeleiders, Multiferroics, en kolossale magnetoweerstanden hebben elektronische en magnetische eigenschappen die voortvloeien uit de inherente sterke correlaties die in hen wonen. Deze materialen kunnen ook beschikken over elektronische fasescheiding in welke regio van enorm verschillende resistieve en magnetische gedrag naast elkaar kunnen bestaan binnen een enkel kristal legering materiaal. Door het verminderen van de omvang van deze materialen om lengteschalen op en onder de inherente van het elektronische domeinen kunnen nieuwe gedrag worden blootgesteld. Vanwege dit en het feit dat de spin-charge-rooster-orbitale ordeparameters elk betrekken correlatielengten, ruimtelijk verminderen van deze materialen voor transport metingen is een cruciale stap in het begrijpen van de fundamentele fysica dat complex gedrag drijft. Deze materialen bieden ook een groot potentieel om de volgende generatie van elektronische apparaten 1-3 geworden. Zo is de productie van laag-dimensionale nano-ofmicro-structuren is het uiterst belangrijk om nieuwe functionaliteit te bereiken. Het gaat om meerdere beheersbare processen van hoge kwaliteit dunne film groei om nauwkeurige elektronische pand karakterisering. Hier presenteren wij fabricage protocollen van hoge kwaliteit microstructuren voor complexe oxide manganite apparaten. Gedetailleerde beschrijvingen en de benodigde spullen van dunne film groei, foto-lithografie, en wire-bonding worden gepresenteerd.
Introduction
De eerste en een van de belangrijkste stappen in de richting van hoge kwaliteit apparaten is de groei van epitaxiale oxide dunne films. Een eenkristal substraat wordt gebruikt als een "template" om de doelmaterialen deponeren. Tussen de verschillende depositiemethoden, gepulste laser depositie (PLD) is een van de beste manieren om een goede kwaliteit dunne films 4,5 verwerven. Groeiprocessen omvatten het verwarmen van het substraat tot ongeveer 800 ° C in een zuurstof omgeving en met laserpulsen het doelmateriaal raken en genereren een flux worden afgezet op het substraat. Het typische systeem wordt getoond in figuur 1.
Terwijl unpatterned films zijn getoond om exotische nieuwe fysica onthullen 6, verminderen film dimensie geeft meer mogelijkheden om nieuwe fenomenen en inrichting fabricage verkennen. Fotolithografie kunnen worden gebruikt om de in-vlak monster afmeting beneden krimpen tot de orde van 1 pm. De gedetailleerde protocol van het fotolithografieproces zalworden hieronder besproken. Deze techniek is compatibel met de meest gebruikte substraten die zorgt voor onderzoeken confinement effecten op epitaxiale films gehouden op andere stam toestanden.
Aangezien veel complexe oxiden interessante eigenschappen bij lage temperaturen en / of hoge magnetische velden, de elektronische verbinding tussen het apparaat en meetapparatuur is heel belangrijk. Hoogwaardige contacten worden gevormd door het verdampen Au contactvlakken in een 4-probe geometrie en het gebruik van een draad bonder om verbindingen tussen de elektroden en de meetinrichting. Wanneer correct gedaan, kunnen deze verbindingen gemakkelijk tegen extreme meting omgevingen binnen brede temperatuurbereik van 4 K tot 400 K en magnetisch veld bereik tot ± 9 T.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Monster Groei Fabrication
- Schoon een 5 mm x 5 mm x 0.5 mm monokristallijn substraat met een miscut hoek van <0,1 graad zoals SrTiO3 of LaAlO 3 met aceton en vervolgens met water in een ultrasoon reiniger voor elke 10 minuten. Een TiO2 beëindiging krijgen SrTiO3, etsen substraat in 10% waterstoffluoride gedurende 30 seconden en spoel in water gedurende 1 min, gevolgd door gloeien bij 1100 ° C gedurende 10 uur. Na het schoonmaken, monteer het substraat op een verwarming geschikt voor ultrahoog vacuüm omstandigheden.
- Monteer de verwarming in de PLD vacuümkamer en open de kamer zuurstof bron om de kamer te vullen met 2 x 10E-5 Torr zuurstof. Verhoog de temperatuur verwarming tot 800 ° C en laat het gloeien gedurende 20 minuten. Temperatuur kan worden gecontroleerd met behulp van een computer gestuurde pyrometer of een thermokoppel.
- De film depositie beginnen, start de gepulste excimer laser met een laser fluentie van 1-2 J / cm 2 en laser frequentie van 1of 2 Hz. De laserpulsen wordt het gekozen materiaal raakte en het genereren van een pluim flux. De flux wordt door de zuurstof milieu, en gooi op de ondergrond dringen.
- Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) kan worden gebruikt om celgroei unit bewaking en bevestiging oppervlaktekwaliteit 7. Deze techniek zorgt voor een zeer heldere dikte monitoring.
- Als de film is van de gewenste dikte, zet de laser en verlaag de temperatuur verwarmer bij 5 ° C / min. Als de kachel eenmaal afgekoeld tot kamertemperatuur, schakel de zuurstof-bron en verwijder het monster.
- Ex situ hybridisatie kan worden gebruikt oxide materialen zuurstofgebrek die aanwezig kunnen zijn na de groei of na lange periodes in vacuüm verwijderd. Plaats het monster in een buis oven onder 1 atm van stromende zuurstof. Verhoog de temperatuur van 20 ° C tot 700 ° C bij 5 ° C / min, 2 uur hechten, en verlaag temperatuur van 700 ° C tot 20 ° C bij 2 ° C / min. Een belangrijk geente is om nooit post-gloeien bij hogere temperaturen dan die gebruikt worden tijdens de film de groei bij het invullen zuurstofvacatures want dit kan negatieve invloed hebben op de kwaliteit oppervlak en kan een negatieve invloed kristal kwaliteit.
2. Fotolithografie Fabrication
- Het monster ultrasoon reinigen in aceton en vervolgens met water voor elke 10 minuten. Een optische microscoop kan worden gebruikt om te controleren dat het monster oppervlak schoon grote deeltjes. (Figuur 2a)
- Spin jas een laag van 1 micron dikke fotolak. Typische toerental en duur zijn ongeveer 6000 rpm en 80 sec al deze nummers zijn afhankelijk van specifieke fotolak gebruikt. Plaats het monster op een verwarmingsplaat bij 115 ° C gedurende 2 minuten om de fotoresist te genezen. Controleer de fotolak kwaliteit onder een optische microscoop. De coating moet verschijnen uniform zonder borrelen.
- Gebruik een masker aligner om het monster bloot onder een vooraf gedefinieerde lithografie masker met UV-licht voor 9 sec met een dosis blootstellingongeveer 90 mJ / cm 2. Ook deze nummers zijn specifiek voor de fotoresist gebruikt. Wanneer positieve fotolak wordt gebruikt, wordt het deel van de fotoresist die onder het masker zijn chemische eigenschap niet terwijl het deel van de PR is blootgelegd door het masker zijn eigendom veranderen en kunnen worden opgelost in de chemische ontwikkelaar. Verwarm de fotoresist en monster bij 110 ° C gedurende 80 seconden verder harden de blootgestelde fotoresist.
- In een ontwikkelaar oplossing voor 25-35 sec spoel de steekproef. Haal het monster onmiddellijk en spoel in water gedurende 30 sec. Wanneer positieve fotolak wordt gebruikt, wordt het gedeelte van fotoresist is blootgelegd door het masker worden weggespoeld terwijl het gedeelte dat bedekt blijft. Merk op dat de duur van de derde stap is cruciaal voor fotoresist afmetingen en kwaliteit (figuur 2b) nauwkeurig te regelen.
- Bereid een oplossing van kaliumjodide, zoutzuur en water van de verhouding 01:01:01. Gebruik plastic pincet te spoelen tHij monster in het zuur gedurende ongeveer 10 sec. Het onbeschermde deel van de dunne film weg zal worden geëtst. Spoel onmiddellijk het monster in zuiver water gedurende 60 sec. Controleer met een optische microscoop om te zien of de dunne film is volledig geëtst. Zo niet, voeg 2 tot 3 seconden van zure regen en onmiddellijk spoelen met zuiver water, controleer dan opnieuw met een optische microscoop. Herhaal deze procedure tot alle onbeschermde film weg is geëtst. Dit proces wordt geregeld door het etsmiddel sterkte en laagdikte. Typische etssnelheden voor veel manganieten zijn ongeveer 1-4 nm / seconde voor de 1:01:01 oplossing verhouding hierboven beschreven.
- Spoel het monster in aceton gedurende 20 seconden om de resterende fotolak verwijderen. Controleer de kwaliteit van het monster met een microscoop (figuur 2c en 2d).
3. Wire-bonding Connection
- Met behulp van een foto-masker, herhaalt u de stappen 2,1-2,3 boven het gebruik van een lithografie masker dat laat geopend regio op de draden geschikt voor contactpads. Verdampen 5 nm Ti en 100 nm Au op het monster en spoel in aceton. Dit zal de fotolak verwijderen en laat alleen de gewenste contactpersoon pad geometrie (figuur 3a).
- Gebruik GE vernis om het monster te monteren op het monster puck. Laat 15 min. te genezen.
- Bevestig het monster positie op draad bonder podium en gebruiken de draad bonder naar Al draden uit de steekproef puck naar Ti / Au contacten (figuur 3b). Vervolgens voeren elektrische metingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dit document richt zich meestal op de fotolithografie en wire-bonding aspecten van monstervoorbereiding. Meer details op film groei procedures kan worden gevonden in onze andere recente publicaties 8.
Fotolithografie is een belangrijke methode voor dimensionaliteit beheersen meervoudige oxiden voor de onderzoeken elektroncorrelaties lengtes en elektronische fasescheiding 9-13. Figuur 2 toont optische beelden van deelstappen tijdens het proces. Het moet worden opgemerkt, dat van alle stappen, de precieze controle van het ontwikkelen en etsen is de meest cruciale een apparaat met succes fabriceren. Bijvoorbeeld, een seconde van ontwikkeltijd kan veroorzaken belichte fotoresist wordt weggespoeld. Anderzijds, kan enkele seconden meer zuur etsen veroorzaken de oxiden film op meer dan geëtst en volledig verwijderd, zodat de gewenste structuur te beschadigen, zoals getoond in figuur 4. Figuur 3 toont een kant-en-proefstaal. Elektrische spanning en stroom kan worden toegepast op de prototypes voor een breed scala aan elektronische metingen over een groot temperatuurbereik en magnetische velden.
Figuur 1. Schematische voorstelling van de Pulsed Laser Deposition (PLD) systeem. De KrF excimer laser gebruikt om het doel pluim genereren. De verwarming wordt gebruikt om de monstertemperatuur te controleren. De O-3 bron wordt gebruikt om achtergrond zuurstofdruk leveren. Het RHEED pistool, camera en computer worden gebruikt om de groei dynamiek en oppervlaktestructuur volgen.
Figuur 2. Photolithography afbeeldingen. a) optisch beeld van een als-grown monster, lichte gebieden zijn gebieden die werden achtergelaten zonder film tijdens de groei als ze lag onder kachel klemmen en lichte inhomogeniteit van kleur wordt veroorzaakt door verkleuring op de rug van de ondergrond en niet een resultaat van de film niet-uniformiteit; b) typische beeld van ontwikkelde fotolak op de top van het monster; c) typisch beeld van het monster na het zuur etsen; d) volledige set van apparaten geëtst uit een enkele film kan voor het meten van confinement effecten op 6 draads breedtes.
Figuur 3 a) typische contacten voor 4-sonde vervoer;. B) enkel apparaataansluitingen draad bohebben gereageerd uit draad pads om weerstand puck. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
.. Figuur 4 Effecten van overetching 50 nm films geëtst voor een) 15 sec; b) 21 sec en c) 25 sec. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Unlike element halfgeleidermaterialen zoals Si, kan de fabricage van complexe materialen moeilijker te wijten aan het feit dat de complexe structuur en meervoudige elementen alle in aanmerking moeten worden genomen. Het gebruik van fotolithografie om complexe oxide apparaten fabriceren relatief goedkoop en snel prototype tegenstelling tot andere technieken opsluiting. Er zijn echter enkele belangrijke beperkingen te begrijpen. Fotolithografie een ruimtelijke beperking creëren structuren van ongeveer 1 micron is dus niet geschikt voor werkelijk nanoschaal apparaat fabricage. Ook belangrijk is dat edge ruwheid als gevolg van de chemische etsproces kan in de orde van 50 nm.
Andere technieken zoals elektronenbundel lithografie (EBL) en gefocusseerde ionenbundel (FIB) frezen kunnen worden gebruikt voor veel compactere dan mogelijk maken fotolithografie. Deze zijn algemeen beperkt tot> 50 nm en> 20 nm structuren respectief 14,15. Deze technieken hebben ook beperkingen. EBL kan uren tot dagen voordat een structuur te ontwikkelen, zodat is veel trager dan fotolithografie en kan nog steeds leiden tot rand ruwheid als gevolg van het etsen. FIB is veel trager dan fotolithografie en gaat riskeren structuur stoichiometrie verandert van geïmplanteerde ionen. Bovendien kan re-afzetting van geëtste materiaal bij het gebruik van FIB frezen negatief beïnvloeden van het apparaat. Een mogelijke richting voor het overwinnen van de problemen van chemische plasma-etsen of ionenbombardement is die stap in de verwerking volledig te verwijderen. Zelf-geassembleerde groei van nano-structuren biedt een veelbelovende manier om kwesties zoals ruwheid en ionen implantatie voorkomen. Het doel is om verschillende technieken te gebruiken om de groei beheersbaar te fabriceren stoichiometrische, kleine structuren, zoals nano-staven en nano-pilaren 16,17, en meten hun eigenschappen. Toch is dit nog een vrij jonge techniek in complexe oxiden en behoeften bontverder ontwikkelen voordat het haalbaar voor regelmatig gebruik in alle materialen wordt.
De elektrische verbinding tussen het monster en instrument kan ook worden bereikt op verschillende manieren. Behalve wire bonding, indium en zilver verf worden vaak gebruikt om elektrische verbindingen te maken. Zowel indium en zilver verf werkwijzen hebben problemen zoals grote contactoppervlakken (ongeveer 1 mm 2) en kan op hoge temperatuur uitharding (-100 ° C) of solderen (> 200 ° C) die zuurstoftekort induceren, oxide films. Vereisen Aldus wire bonding heeft het voordeel van een klein contactoppervlak (ongeveer 100 um 2) die stabiel onder grote temperatuurbereiken en herhaald gebruik.
De reeks van werkwijzen die hier kan de fabricage van kleine complex oxides structuren van dunne films. Deze methoden bieden voor het onderzoek van sterk gecorreleerde systemen zowel voor fundamenteel natuurkundig onderzoek en in de zoektocht naar nieuwe functionaliteit eennd toepassing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Deze inspanning werd volledig gesteund door de Amerikaanse DOE, Bureau van Basic Energy Sciences, Materials Sciences and 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).
