Summary
אנו מתארים את השימוש בטכניקות תיל מליטה כדי ליצור התקני תחמוצות מורכבים בקנה מידה מיקרומטר פעם תצהיר לייזר (PLD), photolithography ו. PLD מנוצל לגדול סרטים דקים epitaxial. טכניקות photolithography וחוט מליטה הם הציגו כדי ליצור התקנים מעשיים למטרות מדידה.
Abstract
חומרים מורכבים כגון מוליכים גבוהים TC, multiferroics, וmagnetoresistors ענקי יש תכונות אלקטרוניות והמגנטיות שעולות ממתאמי האלקטרונים החזקים הטבועים הנמצאים בתוכם. חומרים אלה יכולים גם להחזיק הפרדת פאזות אלקטרונית שבו אזורים של התנהגות והתנגדות המגנטית שונה בהרבה יכולים להתקיים בתוך חומר סגסוגת גביש יחיד. על ידי צמצום קנה המידה של חומרים אלה לקשקשי אורך ובמתחת לגודל הגלום בתחומי האלקטרוניקה, יכולות להיחשף התנהגויות חדשות. בגלל זה, והעובדה שפרמטרי סדר ספין תשלום סריג מסלולית כל כרוכות אורכי קורלציה, מרחבית הפחתת חומרים אלה למדידות תחבורה הוא שלב קריטי בהבנת הפיזיקה הבסיסית שמניעה את התנהגויות מורכבות. חומרים אלה גם מציעים פוטנציאל גדול להפוך לדור הבא של מכשירים אלקטרוניים 1-3. לפיכך, הייצור של ננו או ממדים נמוכיםמיקרו מבנים חשוב מאוד כדי להשיג פונקציונליות חדשה. זה כולל תהליכים לשליטה מרובים מצמיחת סרט דקה באיכות גבוהה לאפיון נכס אלקטרוני מדויק. כאן, אנו מציגים פרוטוקולי ייצור של microstructures באיכות גבוהה למכשירי manganite תחמוצת מורכבים. תיאורים מפורטים וציוד הנדרש של צמיחת סרט דק, תמונה ליתוגרפיה, וחוט מליטה מוצגים.
Introduction
הראשון ואחד הצעדים החשובים ביותר לכיוון מכשירים באיכות גבוהה הוא הצמיחה של סרטים דקים תחמוצת epitaxial. מצע גביש יחיד משמש כ" תבנית "להפקיד את חומרי היעד. בין שיטות שונות בתצהיר, פעם תצהיר לייזר (PLD) הוא אחת הדרכים הטובות ביותר כדי לרכוש סרטי 4,5 דקים באיכות טובה. תהליכי הגדילה כרוכים בחימום המצע לכ 800 מעלות צלזיוס בסביבת חמצן ושימוש בפעימות לייזר לרמה של חומר היעד וליצור שטף להיות מופקד על גבי מצע. המערכת הטיפוסית מוצגת באיור 1.
אמנם הוכחו סרטי unpatterned לחשוף פיסיקה חדשה אקזוטי 6, צמצום ממד סרט מספק יותר הזדמנויות כדי לחקור תופעות חדשות וייצור מכשיר. Photolithography יכול לשמש כדי לכווץ את ממד המדגם במטוס עד להסדר של 1 מיקרומטר. הפרוטוקול מפורט של התהליך יהיה photolithographyיידון בהמשך. טכניקה זו היא תואמת עם מצעים בשימוש נרחב ביותר המאפשרים לחקירות של השפעות כליאה על סרטי epitaxial שנערכו במדינות זן שונים.
מאז יש לי תחמוצות מורכבות רבות מאפיינים מעניינים בטמפרטורות ו / או שדות מגנטיים גבוהים נמוכים, חיבור האלקטרוני בין ציוד מדידת המכשיר, והוא מאוד חשוב. יכול להיווצר קשר באיכות גבוהה על ידי מתאדה רפידות מגע Au בגיאומטרית 4 חללית ועם השימוש בונדר תיל כדי ליצור קשרים בין הכריות ומכשיר מדידה. כאשר נעשה בצורה נכונה, קשרים אלה יכולים בקלות לעמוד בסביבות קיצוניות במדידת טווחי טמפרטורה רחבה של 4 K ל 400 K וטווחי שדה מגנטי של עד 9 ט ±
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור צמיחת מדגם
- נקה 5 מ"מ x 5 מ"מ x 0.5 מ"מ מצע גביש יחיד שיש לו זווית miscut <0.1 תואר כגון SrTiO 3 או LaAlO 3 עם אצטון ולאחר מכן במים נקיים קולית לכל 10 דקות. כדי לקבל הפסקת טיו 2 על 3 SrTiO, לחרוט במצע 10% המימן פלואורי למשך 30 שניות ולשטוף במים במשך דקות 1, ואחריו לחשל ב1,100 מעלות צלזיוס למשך 10 שעות. לאחר ניקוי, לעלות על המצע בתנור מתאים לתנאי ואקום גבוהים במיוחד.
- הר דוד לתוך תא ואקום PLD ולפתוח את מקור חמצן התא כדי למלא את החדר עם 2 x חמצן 10E-5 טור. להעלות את טמפרטורת התנור ל 800 מעלות צלזיוס ולאפשר לו לחשל למשך 20 דקות. ניתן לנטר טמפרטורה באמצעות pyrometer מבוקר מחשב או תרמי.
- כדי להתחיל סרט בתצהיר, להתחיל excimer פעמו לייזר באמצעות לייזר שטף של 1 עד 2 J / 2 ס"מ ותדר לייזר של 1או 2 הרץ. את פעימות לייזר תפגענה בחומר היעד וליצור שטף פלומה. השטף יחדור דרך סביבת החמצן וההפקדה על גבי מצע.
- השתברות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה השתקפות (RHEED) יכולה לשמש כדי לפקח על צמיחת תאי יחידה ולאשר את איכות פני השטח 7. טכניקה זו מאפשרת לניטור עובי מאוד ברור.
- כאשר הסרט הוא של העובי הרצוי, כבה את לייזר ולהקטין את טמפרטורת התנור ב 5 מעלות צלזיוס / דקה. ברגע שהדוד הוא מקורר לטמפרטורת חדר, כבה את מקור החמצן ולהסיר את המדגם.
- באתרו לשעבר חישול ניתן להשתמש בחומרי תחמוצת חמצן כדי להסיר ליקויים שעלולות להיות נוכחים לאחר צמיחה או אחרי תקופות ארוכות בחלל ריק. הנח את הדוגמא בתנור צינור מתחת לכספומט של 1 זורם חמצן. להעלות את הטמפרטורה מ -20 ° C עד 700 ° C ב 5 מעלות צלזיוס / דקות, לחשל במשך שעה 2, ולאחר מכן ירידת טמפרטורה מ 700 מעלות צלזיוס עד 20 מעלות צלזיוס בשעה 2 מעלות צלזיוס / דקה. לא חשובטה הוא אף פעם לא לפרסם-לחשל בטמפרטורות גבוהות יותר מאלה ששמשו במהלך צמיחת סרט בעת מילוי משרות פנויות חמצן כמו זה יכול להשפיע לרעה על איכות פני השטח ועלול להשפיע לרעה על איכות גביש.
2. ייצור photolithography
- Ultrasonically לנקות את המדגם באצטון ולאחר מכן מים במשך 10 דקות כל אחד. מיקרוסקופ אופטי יכול לשמש כדי לבדוק ששטח המדגם הוא נקי מחלקיקים גדולים. (איור 2 א)
- ספין מעיל שכבה העבה photoresist 1 מיקרון. מהירות סחיטה טיפוסית ומשך זמן הם סביב 6,000 סל"ד ו 80 שניות אם כי המספרים האלה הם תלויים בphotoresist הספציפי בשימוש. מניחים את המדגם על צלחת בחום 115 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות כדי לרפא photoresist. בדקו את איכות photoresist תחת מיקרוסקופ אופטי. הציפוי אמור להופיע אחיד ללא מבעבע.
- השתמש aligner מסכה על מנת לחשוף את הדגימה תחת מסכת הליתוגרפיה מוגדרת מראש עם אור UV במשך 9 שניות עם מינון חשיפהסביב 90 mJ / 2 ס"מ. שוב מספרים אלה יהיו ספציפיים לphotoresist בשימוש. כאשר נעשה שימוש בphotoresist החיובי, חלק מphotoresist אשר מכוסה על ידי המסכה לא ישתנה הרכוש הכימי שלו ואילו חלק מיחסי הציבור שנחשף על ידי המסיכה ישתנה הרכוש והוא יכול להיות מומס במפתח הכימי. מחממים את photoresist והמדגם ב 110 מעלות צלזיוס למשך 80 שניות כדי לרפא photoresist החשוף עוד יותר.
- יש לשטוף את המדגם בפתרון מפתח ל25-35 שניות. קח את המדגם באופן מיידי ולשטוף במים למשך 30 שניות. אם נעשה שימוש photoresist החיובי, חלק מphotoresist אשר נחשף על ידי המסכה יהיה נשטף ואילו החלק שמכוסה יישאר. שימו לב שמשך הזמן של שלב הפיתוח הוא קריטי כדי לשלוט במדויק את ממדי photoresist ואיכות (איור 2).
- להכין תמיסה של יודיד האשלגן, חומצה הידרוכלורית ומים של יחס 01:01:01. השתמש בפינצטה פלסטיק כדי לשטוף tהוא המדגם בחומצה לכ 10 שניות. החלק מוגן של הסרט הדק יהיה חקוק משם. מייד לשטוף את המדגם במים טהורים למשך 60 שניות. בדקו עם מיקרוסקופ אופטי כדי לראות אם הסרט הדק נצרב לחלוטין. אם לא, להוסיף 2 עד 3 שניות נוספות של חומצה לחרוט ולשוטפו מייד במים טהורים, ולאחר מכן לבדוק שוב עם מיקרוסקופ אופטי. חזור על תהליך זה עד שכל הסרט לא מוגן חקוק שם. תהליך זה נשלטת על ידי כוח etchant ועובי סרט. שיעורים לחרוט אופייניים עבור manganites רבים כ 1-4 ננומטר / שני ליחס 01:01:01 הפתרון שתואר לעיל.
- יש לשטוף את המדגם באצטון במשך 20 שניות כדי להסיר photoresist הנותר. בדקו את איכות הדגימה עם מיקרוסקופ (איור 2 ג ו 2D).
3. חיבור חוט מליטה
- באמצעות צילום מסיכה, חזור על שלבי 2.1-2.3 לעיל באמצעות מסכת הליתוגרפיה שישאירו את אזורים פתוחים בחוטים המתאימים למגערפידות. להתאדות 5 ננומטר וטי 100 ננומטר Au על המדגם ולשטוף באצטון. הפעולה זו תסיר את photoresist ולהשאיר רק את הגיאומטריה כרית הקשר הרצויה (איור 3 א).
- השתמש לכה GE לעלות מדגם על דיסקוס המדגם. לאפשר 15 דקות כדי לרפא.
- תקן את מיקום הדגימה על הבמה ונדר חוט ולהשתמש בונדר החוט כדי לחבר חוטים מאל דיסקוס המדגם לאנשי קשר Ti / Au (איור 3). לאחר מכן לבצע מדידות חשמליות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מאמר זה מתמקד בעיקר על photolithography וחוט מליטה ההיבטים של הכנת מדגם. ניתן למצוא פרטים נוספים על הליכי צמיחת סרט בפרסומים האחרונים האחרים שלנו 8.
Photolithography הוא שיטה חשובה כדי לשלוט בתחמוצות ממדיות מורכבות לצורך בירור אורכי מתאם אלקטרונים והפרדת פאזות האלקטרונית 9-13. תרשים 2 מציג תמונות אופטיות של צעדים חלקיים במהלך התהליך. יש צורך לציין כי בין כל השלבים אלה, השליטה המדויקת של פיתוח ותחריט הזמן היא קריטית ביותר כדי להמציא מכשיר בהצלחה. לדוגמה, עוד שנייה אחת של פיתוח הזמן עלול לגרום photoresist שלא נחשפו ללהישטף. מצד השני, עוד כמה שניות של תחריט חומצה עלולות לגרום לסרט תחמוצות להיות מעל חרוט והוסר לחלוטין, ובכך לפגוע במבנה הרצוי, כפי שמוצג באיור 4. איור 3 מציג מדגם מוכן למידה. מתח וזרם חשמליים יכול להיות מיושם על מכשירי אב הטיפוס עבור מגוון רחב של מדידות אלקטרוניות על פני מגוון רחב של טמפרטורות ושדות מגנטיים.
איור 1. סכמטי של הפקדת מערכת לייזר הפעם (PLD). KRF excimer לייזר משמש ליצירת פלומת היעד. דוד משמש לשליטה על טמפרטורת המדגם. 3 מקור O משמש לאספקת לחץ חמצן רקע. אקדח RHEED, מצלמה ומחשב המשמשים למעקב אחר דינמיקת הצמיחה ומבנה פני השטח.
איור 2. אוריהתמונות olithography. תמונה אופטית) של מדגם כבוגר, אזורים בהירים הם אזורים שנותרו ללא סרט במהלך צמיחה כפי שהם שכבו מתחת למלחציים דוד, ואי הומגניות קלים של צבע נגרמת על ידי שינוי הצבע בחלק האחורי של המצע ולא תוצאה של סרט אינו אחיד; ב) תמונה אופיינית של photoresist פותח על גבי מדגם; ג) תמונה אופיינית של מדגם לאחר חומצת התחריט; ד) סט מלא של התקנים חרוט מסרט יחיד לאפשר למדידת השפעות כליאה על 6 רוחבי תיל.
איור 3 קשרים אופייניים להובלה 4-Probe);. ב) תיל חיבורי מכשיר אחד בוnded מרפידות תיל התנגדות לדיסקוס. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
.. איור 4 אפקטים של סרטי overetching 50 ננומטר חרוטים ל) 15 שניות; ב) 21 שניות וג) 25 שניות. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בניגוד לחומרים מוליכים למחצה אלמנט אחד כגון סי, הייצור של חומרים מורכבים יכול להיות קשה יותר בשל העובדה שהמבנה המורכב ומרובים אלמנטים חייבים כל להילקח בחשבון. השימוש בphotolithography כדי להמציא מכשירי תחמוצת מורכבים הוא עלות ומהירה לאב טיפוס בניגוד לטכניקות כליאה אחרות נמוכות יחסית. יש עם זאת כמה מגבלות חשובות להבין. יש photolithography הגבלה מרחבית ליצירת מבנים של כ 1 מיקרון ולכן אינו מתאים לייצור מכשיר באמת בקנה מידה ננומטרי. כמו כן חשוב היא העובדה שחספוס נובע מקצה תהליך איכול הכימי יכול להיות על הסדר של 50 ננומטר.
טכניקות אחרות כגון ליתוגרפיה אלומת האלקטרונים (EBL) ואלומת יונים ממוקדים (FIB) טחינה יכולות לשמש כדי ליצור מבנים קטנים בהרבה מאלה אפשרי עם photolithography. אלה הם בדרך כלל מוגבלים ל> 50 ננומטר ו> 20 מבני ננומטר שו"תectively 14,15. יש טכניקות אלה גם מגבלות. EBL יכול לקחת שעות עד ימים לפתח מבנה ולכן הוא הרבה יותר איטי מאשר photolithography ועדיין עשוי לגרום לחספוס קצה הנובע מתהליך האיכול. טחינת FIB היא גם הרבה יותר איטית מאשר photolithography וכרוך בסיכון שינויי stoichiometry מבנה מיונים מושתלים. יתר על כן, בתצהיר מחדש של חומר חרוט בעת שימוש בטחינת FIB יכול להשפיע לרעה על המכשיר. כיוון אפשרי להתגברות על הבעיות של תחריט כימי ופלזמה או הפגזת יון הוא להסיר את הצעד שבעיבוד לחלוטין. הצמיחה התאספו עצמית של מבנים ננו מציעה דרך מבטיחה, כדי למנוע בעיות כגון חספוס והשתלת יונים. המטרה היא להשתמש בטכניקות שונות כדי להמציא צמיחה מבוקרת מבני stoichiometric, קטנים כגון ננו מוטות וננו עמודים 16,17, ולמדוד את תכונותיהם. עם זאת זה עדיין צעיר למדי בטכניקת תחמוצות מורכבות וצריך פרווהיס פיתוח לפני שהוא הופך קיימא לשימוש קבוע בכל החומרים.
החיבור החשמלי בין המדגם והמכשיר גם ניתן להשיג בדרכים שונות. מלבד מליטה תיל, אינדיום וצבע כסף משמש לעתים קרובות כדי ליצור חיבורי חשמל. עם זאת, גם אינדיום ושיטות צבע כסף יש לי נושאים כגון אזורי מגע גדולים (בסביבות 1 מ"מ 2) ויכולים לדרוש ריפוי בטמפרטורה גבוה (~ 100 מעלות צלזיוס) או ההלחמה (> 200 מעלות צלזיוס) אשר עלול לגרום לליקויים בסרטי תחמוצת חמצן. לפיכך, יש מליטה חוט היתרון של שטח מגע קטן (סביב 100 מיקרומטר 2) שהוא יציב בטווחי טמפרטורה גדולים ושימוש החוזר ונשנה.
הסדרה של שיטות שהוצגה כאן מאפשר ייצור של מבני תחמוצות מורכבים קטנים משכבות דקות. שיטות אלו מאפשרות חקירה של מערכות המתואמות חזק הן עבור מחקר בפיסיקה בסיסית ובשאיפה לפונקציונלית חדשיישום ND.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
מאמץ זה נתמך מלא על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, המשרד למדעי יסוד אנרגיה, מדעי חומרים ואגף הנדסה.
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).
