Summary
Descriviamo l'uso di deposizione a laser pulsato (PLD), fotolitografia e tecniche di wire-bonding per creare micrometro scala complessi dispositivi di ossidi. La PLD è utilizzato per crescere film sottili epitassiali. Tecniche di fotolitografia e wire-bonding vengono introdotti per creare dispositivi pratici per scopi di misurazione.
Abstract
Materiali complessi come i superconduttori ad alta Tc, multiferroics e Magnetoresistori colossali hanno proprietà elettroniche e magnetiche che nascono dalle forti correlazioni elettroniche intrinseche che si trovano al loro interno. Questi materiali possono anche avere una separazione di fase elettronico in cui le regioni di molto diverso comportamento resistivo e magnetici possono coesistere all'interno di un unico materiale in lega di cristallo. Riducendo la portata di questi materiali per le scale di lunghezza e al di sotto della dimensione intrinseca dei domini elettronici, nuovi comportamenti possono essere esposti. A causa di questo e del fatto che-orbitale spin-carica-reticolo parametri d'ordine ogni coinvolgono lunghezze di correlazione, spazialmente riducendo questi materiali per misure di trasporto è un passo fondamentale nella comprensione della fisica fondamentale che guida comportamenti complessi. Questi materiali offrono anche un grande potenziale per diventare la prossima generazione di dispositivi elettronici 1-3. Così, la fabbricazione di nano-dimensionale bassa omicro-strutture è estremamente importante per ottenere nuove funzionalità. Questo comporta diversi processi controllabili da crescita di film sottili di alta qualità per la caratterizzazione proprietà elettroniche accurate. Qui vi presentiamo i protocolli di fabbricazione di microstrutture di alta qualità per i dispositivi complessi manganite ossido. Descrizioni dettagliate e le attrezzature necessarie di crescita del film sottile, foto-litografia e wire-bonding sono presentati.
Introduction
Il primo e uno dei passi più importanti verso dispositivi di alta qualità è la crescita epitassiale di film sottili di ossido. Un singolo substrato cristallino è utilizzato come "template" per depositare i materiali bersaglio. Tra i diversi metodi di deposizione, deposizione laser pulsata (PLD) è uno dei modi migliori per acquisire buona qualità film sottili di 4,5. I processi di crescita implicano riscaldare il substrato di circa 800 ° C in assenza di ossigeno e utilizzando impulsi laser per colpire il materiale target e generare un flusso da depositare sul substrato. Il sistema tipico è mostrato in Figura 1.
Mentre i film nanostrutturata hanno dimostrato di rivelare nuovi fisica esotica 6, riducendo dimensione pellicola fornisce più opportunità per esplorare nuovi fenomeni e di fabbricazione del dispositivo. Fotolitografia può essere usato per ridurre la dimensione del campione in piano fino all'ordine di 1 pm. Il protocollo dettagliato del processo di fotolitografia volontàessere discusso sotto. Questa tecnica è compatibile con i supporti più utilizzati, che consente per le indagini di effetti di confinamento sul film epitassiali detenuti in vari stati di deformazione.
Poiché molti ossidi complessi hanno caratteristiche interessanti a basse temperature e / o campi magnetici elevati, il collegamento tra il dispositivo elettronico e di misura è molto importante. Contatti di alta qualità possono essere formati per evaporazione di Au piazzole di contatto in una geometria a 4 sonda e con l'uso di un bonder filo per creare connessioni tra le pastiglie e dispositivo di misurazione. Se fatto correttamente, questi collegamenti possono facilmente resistere ad ambienti di misura estremi entro ampi intervalli di temperatura di 4 K a 400 K e gli intervalli di campo magnetico fino a ± 9 T.
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Protocol
1. Fabrication Crescita campione
- Pulire da 5 mm x 5 mm x 0,5 mm singolo substrato di cristallo con un angolo tagliati irregolarmente <0.1 gradi, come SrTiO 3 o LaAlO 3 con acetone e poi l'acqua in un bagno ad ultrasuoni per 10 minuti ciascuno. Per ottenere una terminazione TiO 2 sul SrTiO 3, etch il substrato in 10% di fluoruro di idrogeno per 30 sec e risciacquo in acqua per 1 min, seguito da una ricottura a 1100 ° C per 10 hr. Dopo la pulizia, montare il substrato su una stufa adatta a condizioni di ultra-alto vuoto.
- Montare il riscaldatore nella camera a vuoto PLD e aprire la sorgente di ossigeno camera a riempire la camera con 2 x ossigeno 10E-5 Torr. Alzare la temperatura del riscaldamento a 800 ° C e lasciare ricottura per 20 min. Temperatura può essere controllata mediante un pirometro controllato computer o una termocoppia.
- Per iniziare la deposizione di film, avviare il eccimeri laser pulsato con una fluenza laser di 1 a 2 J / cm 2 e la frequenza del laser di 1o 2 Hz. Gli impulsi laser colpiranno il materiale target e generare un flusso pennacchio. Il flusso penetrerà attraverso l'ambiente di ossigeno e depositare sul substrato.
- Riflessione di alto diffrazione elettronica Energia (RHEED) può essere utilizzato per monitorare la crescita delle cellule dell'unità e confermare la qualità della superficie 7. Questa tecnica consente il monitoraggio dello spessore molto chiaro.
- Quando la pellicola è di spessore desiderato, spegnere il laser e diminuire la temperatura del riscaldatore a 5 ° C / min. Una volta che il riscaldatore viene raffreddato a temperatura ambiente, spegnere la fonte di ossigeno e rimuovere il campione.
- Ex situ ricottura può essere utilizzato su materiali di ossido di rimuovere la carenza di ossigeno che può essere presente dopo la crescita o dopo lunghi periodi nel vuoto. Porre il campione in un forno tubolare sotto 1 atm di ossigeno che scorre. Aumentare la temperatura da 20 ° C a 700 ° C a 5 ° C / min, ricottura per 2 h, e quindi diminuire la temperatura da 700 ° C a 20 ° C a 2 ° C / min. Un importante note è quello di non postare-ricottura a temperature più elevate di quelle utilizzate durante la crescita del film quando si riempie vacanze di ossigeno in quanto questo può influire negativamente sulla qualità della superficie e può influenzare negativamente la qualità di cristallo.
2. Fotolitografia Fabrication
- Ultrasuoni pulire il campione in acetone e poi acqua per 10 min. Un microscopio ottico può essere utilizzato per verificare che la superficie del campione è pulita di grandi particelle. (Figura 2a)
- Spin cappotto uno strato di 1 micron di spessore photoresist. Velocità di centrifuga tipica e durata sono circa 6,000 rpm e 80 sec se questi numeri dipendono photoresist specifico utilizzato. Porre il campione su una piastra di calore a 115 ° C per 2 min per indurire il fotoresist. Controllare la qualità del photoresist al microscopio ottico. Il rivestimento deve apparire uniforme senza bolle.
- Utilizzare un allineatore maschera per esporre il campione sotto una maschera litografia predefinito con la luce UV per 9 sec con una dose di esposizionecirca 90 mJ / cm 2. Ancora una volta questi numeri saranno specifici per il fotoresist utilizzato. Quando si utilizza photoresist positivo, la parte del fotoresist che è coperta dalla maschera non cambierà la sua struttura chimica, mentre la parte del PR che viene scoperta dalla maschera cambierà la sua proprietà e può essere dissolto nello sviluppatore chimico. Riscaldare il photoresist e campione a 110 ° C per 80 sec per curare ulteriormente il photoresist esposto.
- Lavare il campione in una soluzione di sviluppo per 25-35 sec. Estrarre il campione immediatamente e sciacquare in acqua per 30 sec. Se si utilizza photoresist positivo, la parte di photoresist che viene scoperta dalla maschera sarà lavato via mentre la parte che è coperta rimarrà. Notare che la durata della fase di sviluppo è fondamentale per controllare con precisione le dimensioni e qualità photoresist (Figura 2b).
- Preparare una soluzione di ioduro di potassio, acido cloridrico e acqua di rapporto 1:1:1. Utilizzare le pinzette di plastica per sciacquare tegli campione in acido per circa 10 sec. La parte non protetta del film sottile viene incisa via. Sciacquare immediatamente il campione in acqua pura per 60 sec. Verificare con un microscopio ottico per vedere se il film sottile è stato totalmente inciso. In caso contrario, aggiungere 2 o 3 più secondi di acido etch e risciacquare immediatamente con acqua pura, poi prova di nuovo con un microscopio ottico. Ripetere questa procedura fino a quando tutta la pellicola non protetto è inciso via. Questo processo è governato dalla forza mordenzante e spessore del film. Tassi tipici etch per molti manganiti sono circa 1-4 nm / secondo per il rapporto 1:1:1 soluzione sopra descritta.
- Risciacquare il campione in acetone per 20 secondi per rimuovere il fotoresist rimanente. Controllare la qualità del campione con microscopio (Figura 2c e 2d).
3. Collegamento wire-bonding
- Utilizzando una foto-maschera, ripetere i passaggi 2,1-2,3 sopra utilizzando una maschera litografia che lasceranno le regioni aperte sui fili adatti al contattopad. Far evaporare 5 nm Ti e 100 nm di Au sul campione e sciacquarlo in acetone. Questo rimuoverà il photoresist e lasciare solo il contatto di geometria di pad desiderato (Figura 3a).
- Utilizzare GE vernice per montare il campione attraverso il disco campione. Lasciare 15 minuti per curare.
- Fissare la posizione del campione sul palco bonder filo e utilizzare il bonder filo per collegare i fili di Al dal disco campione di Ti / Au contatti (Figura 3b). Quindi eseguire le misurazioni elettriche.
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Representative Results
Questo documento si concentra principalmente sugli aspetti fotolitografia e wire-bonding di preparazione del campione. Maggiori dettagli sulle procedure di crescita del film si possono trovare in altre nostre pubblicazioni recenti 8.
Fotolitografia è un metodo importante per controllare dimensionalità in ossidi complessi per fini di indagine lunghezze correlazione elettronica e la separazione di fase elettronico 9-13. Figura 2 mostra immagini ottiche di passi parziali durante il processo. È necessario sottolineare che tra tutti questi passaggi, il controllo preciso di sviluppare e incisione tempo è il più cruciale per fabbricare un dispositivo successo. Ad esempio, un altro secondo di sviluppo volta potrebbe causare il photoresist non esposto da lavare via. D'altra parte, parecchi più secondi di attacco acido potrebbero causare il film ossidi essere sopra-inciso e completamente rimosso, danneggiando così la struttura desiderata, come mostrato in Figura 4. La figura 3 mostra un esempio ready-to-misura. Tensione e corrente elettrica possono essere applicati ai dispositivi prototipo per una vasta gamma di misure elettroniche in un'ampia gamma di temperature e campi magnetici.
Figura 1. Schema del sistema di deposizione laser pulsata (PLD). Il laser a eccimeri KrF viene utilizzato per generare il pennacchio bersaglio. Il riscaldatore è utilizzato per controllare la temperatura del campione. La sorgente O 3 è utilizzato per alimentare sfondo pressione dell'ossigeno. La pistola RHEED, fotocamera e il computer sono usati per monitorare le dinamiche di crescita e la struttura superficiale.
Figura 2. Photimmagini. olithography a) un'immagine ottica di un campione come di produzione propria, le aree chiare sono regioni che sono state lasciate senza film durante la crescita mentre giacevano sotto i morsetti di riscaldamento, e lieve disomogeneità di colore è causata da scolorimento sul retro del supporto e non una risultato di pellicola non uniformità; b) tipica immagine di fotoresist sviluppato in cima campione; c) tipica immagine di campione dopo acido incisione; d) insieme completo di dispositivi inciso da un unico film consentire la misurazione effetti di confinamento delle 6 larghezze filo.
Figura 3 a) contatti tipici per il trasporto 4-sonda;. B) filo di connessioni dei dispositivi singoli bonded da pad filo di resistività puck. Clicca qui per ingrandire la figura .
.. Figura 4 Effetti della overetching 50 film nm incisi per a) 15 sec; b) 21 sec e c), 25 sec. Clicca qui per ingrandire la figura .
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Discussion
Diversamente elemento singolo materiali semiconduttori quali Si, la fabbricazione di materiali complessi può essere più difficile per il fatto che la struttura complessa e più elementi devono essere presi in considerazione. L'uso di fotolitografia per fabbricare dispositivi di ossidi complessi è relativamente basso costo e veloce per creare prototipi a differenza di altre tecniche di confinamento. Ci sono però alcune importanti limitazioni per capire. Fotolitografia ha una limitazione spaziale per creare strutture di circa 1 micron e quindi non è adatto per la fabbricazione del dispositivo veramente nanoscala. Altrettanto importante è il fatto che il bordo rugosità derivante dal processo di attacco chimico può essere dell'ordine di 50 nm.
Altre tecniche come litografia a fascio elettronico (EBL) e raggio ionico focalizzato (FIB) fresatura possono essere utilizzati per creare strutture molto più piccole di quelle possibili con fotolitografia. Questi sono generalmente limitate a> 50 nm e> 20 strutture nm respcacemente 14,15. Queste tecniche hanno limitazioni. EBL può richiedere ore o giorni per sviluppare una struttura così è molto più lento di fotolitografia e potrebbe ancora provocare bordo rugosità derivante dal processo di incisione. FIB fresatura è anche molto più lento di fotolitografia e coinvolge rischiare struttura stechiometria cambia da ioni impiantati. Inoltre, rideposizione del materiale inciso utilizzando FIB fresatura può influenzare negativamente il dispositivo. Una possibile direzione di superare i problemi della chimica e plasma etching o bombardamento ionico è rimuovere completamente tale fase del trattamento. Crescita auto-assemblati di nano-strutture offre un modo promettente per evitare problemi come la rugosità e l'impiantazione ionica. L'obiettivo è quello di utilizzare diverse tecniche di crescita per fabbricare controllably stechiometrico, piccole strutture come le nano-barre e nano-colonne 16,17, e misurare le loro proprietà. Ma questo è ancora abbastanza giovane tecnica in ossidi complessi e necessita di pellicciasviluppo ther prima che diventi praticabile per un uso regolare in tutti i materiali.
Il collegamento elettrico tra il campione e lo strumento può essere ottenuto anche in modi diversi. Altro che wire bonding, indio e vernice argento sono spesso utilizzati per creare collegamenti elettrici. Tuttavia, sia indio e metodi di vernice argento hanno problemi come grandi aree di contatto (circa 1 mm 2) e possono richiedere trattamento a temperatura elevata (~ 100 ° C) o saldatura (> 200 ° C), che possono indurre la carenza di ossigeno nel film di ossido. Così, wire bonding ha il vantaggio di una piccola area di contatto (circa 100 micron 2) che è stabile sotto grandi escursioni termiche e uso ripetuto.
La serie di metodi qui presentate permettono la costruzione di piccole strutture ossidi complessi da film sottili. Questi metodi consentono per lo studio di sistemi fortemente correlati, sia per la ricerca di fisica di base e nella ricerca di una nuova funzionalitàapplicazione ND.
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Questo sforzo è stato interamente sostenuto dal DOE statunitense, Ufficio di Scienze energia di base, Scienze dei Materiali e Divisione Engineering.
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).
