Summary
Se describe el uso de la deposición de láser pulsado (PLD), técnicas de fotolitografía y de alambre de unión para crear escala óxidos complejos dispositivos micrométricos. El PLD se utiliza para crecer películas delgadas epitaxiales. Técnicas de fotolitografía y el alambre de unión se introducen para crear dispositivos prácticos para efectos de su valoración.
Abstract
Materiales complejos tales como superconductores de alta Tc, multiferroicos y magnetorresistores colosales tienen propiedades electrónicas y magnéticas que surgen de la fuerte correlación de electrones inherentes que se encuentran dentro de ellas. Estos materiales también pueden poseer una separación de fases electrónico en el que las regiones de muy diferente comportamiento resistivo y magnéticos pueden coexistir dentro de un material de aleación de cristal único. Al reducir la escala de estos materiales a escalas de longitud en y por debajo del tamaño inherente de los dominios electrónicos, comportamientos nuevos pueden estar expuestos. Debido a esto y al hecho de que los beneficios de carga celosía-orbitales parámetros de orden cada implican longitudes de correlación, lo que reduce espacialmente estos materiales para las mediciones de transporte es un paso crítico en la comprensión de la física fundamental que impulsa a comportamientos complejos. Estos materiales también ofrecen un gran potencial para convertirse en la próxima generación de dispositivos electrónicos 1-3. Por lo tanto, la fabricación de pocas dimensiones nano-omicro-estructuras es muy importante para lograr una nueva funcionalidad. Esto implica múltiples procesos controlables de crecimiento de películas delgadas de alta calidad a la caracterización de la propiedad electrónica precisa. A continuación, presentamos los protocolos de fabricación de microestructuras de alta calidad para dispositivos manganite óxidos complejos. Se presentan descripciones detalladas y el equipo requerido de crecimiento de películas delgadas, foto-litografía, y alambre de unión.
Introduction
El primero y uno de los pasos más importantes para los dispositivos de alta calidad es el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de óxido. Un sustrato de cristal único se utiliza como una "plantilla" para depositar los materiales de blanco. Entre los diferentes métodos de deposición, deposición por láser pulsado (PLD) es una de las mejores maneras de adquirir buenas películas delgadas de calidad 4,5. Los procesos de crecimiento implican calentar el sustrato a alrededor de 800 ° C en un entorno de oxígeno y el uso de pulsos de láser para golpear el material objetivo y generar un flujo a ser depositado sobre el sustrato. El sistema típico se muestra en la Figura 1.
Aunque se han mostrado películas no pautadas para revelar nueva física exóticos 6, la reducción de dimensión película ofrece más oportunidades para explorar nuevos fenómenos y fabricación del dispositivo. La fotolitografía se puede utilizar para reducir el tamaño de la dimensión de la muestra en el plano hacia abajo para el orden de 1 m. El protocolo detallado del proceso de fotolitografía sese discutirá más adelante. Esta técnica es compatible con sustratos más utilizados que permite la investigación de los efectos de confinamiento en películas epitaxiales celebradas en diferentes estados de tensión.
Dado que muchos óxidos complejos tienen características interesantes a bajas temperaturas y / o campos magnéticos de alta, la conexión electrónica entre el dispositivo y el equipo de medición es muy importante. Contactos de alta calidad se pueden formar por evaporación de Au almohadillas de contacto en una geometría 4-sonda y con el uso de un dispositivo de unión de alambre para hacer las conexiones entre las pastillas y el dispositivo de medición. Cuando se hace correctamente, estas conexiones pueden soportar fácilmente entornos de medición extremas dentro de amplios rangos de temperatura de 4 K a 400 K y los rangos de campos magnéticos de hasta ± 9 T.
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Protocol
1. Muestra Fabricación Crecimiento
- Limpiar un 5 mm x 5 mm x mm sustrato de cristal único 0.5 tiene un ángulo de corte incorrectamente <0,1 grado tales como SrTiO 3 o LaAlO3 con acetona y después con agua en un limpiador de ultrasonidos durante 10 min cada uno. Para obtener una terminación TiO 2 en SrTiO3, grabar el sustrato en 10% de fluoruro de hidrógeno durante 30 segundos y enjuague en agua durante 1 min, seguido de un recocido a 1100 ° C durante 10 hr. Después de limpiar, montar el sustrato en un calentador adecuado para las condiciones de ultra alto vacío.
- Montar el calentador en la cámara de vacío PLD y abrir la fuente de oxígeno de la cámara para llenar la cámara con 2 x oxígeno 10E-5 Torr. Elevar la temperatura del calentador a 800 ° C y deje que se recocido durante 20 min. La temperatura puede ser controlada utilizando un pirómetro controlado por ordenador o un termopar.
- Para comenzar la deposición de la película, iniciar el excimer láser de impulsos usando una fluencia de láser de 1 a 2 J / cm 2 y la frecuencia del láser de 1o 2 Hz. Los pulsos de láser se golpear el material objetivo y generar un flujo de penacho. El flujo puede penetrar a través del entorno de oxígeno y se depositan sobre el sustrato.
- Reflejo de difracción de electrones de alta energía (RHEED) se puede utilizar para controlar el crecimiento celular y la unidad de confirmar la calidad de la superficie 7. Esta técnica permite la verificación del espesor muy claro.
- Cuando la película es del espesor deseado, apague el láser y disminuir la temperatura del calentador a 5 º C / min. Una vez que el calentador se enfría a temperatura ambiente, apague la fuente de oxígeno y extraer la muestra.
- Ex situ de recocido se puede utilizar en materiales de óxido para eliminar las deficiencias de oxígeno que pueden estar presentes después de un crecimiento o después de largos períodos en el vacío. Colocar la muestra en un horno de tubo bajo 1 atm de oxígeno que fluye. Elevar la temperatura desde 20 ° C a 700 ° C a 5 ° C / min, recocido durante 2 horas y, a continuación, disminuir la temperatura de 700 ° C a 20 ° C a 2 ° C / min. Un importante note es no publicar recocido a temperaturas más altas que las utilizadas durante el crecimiento cine al llenar vacantes de oxígeno, ya que puede afectar negativamente a la calidad de la superficie y puede influir negativamente en la calidad del cristal.
2. Fabricación fotolitografía
- Ultrasónicamente limpiar la muestra en acetona y luego con agua durante 10 min cada uno. Un microscopio óptico se puede utilizar para comprobar que la superficie de la muestra está limpio de partículas grandes. (Figura 2a)
- Haga girar la capa una capa de 1 micra de espesor fotosensible. Velocidad de rotación típica y duración son alrededor de 6.000 rpm y 80 segundos, aunque estas cifras dependen de fotoprotector específico usado. Colocar la muestra en un plato térmico a 115 ° C durante 2 minutos para curar la fotoprotección. Compruebe la calidad fotoprotector con un microscopio óptico. El recubrimiento debe aparecer uniforme sin burbujeo.
- Utilice un alineador de máscara para exponer la muestra bajo una máscara de litografía predefinido con luz UV durante 9 segundos con una dosis de exposiciónalrededor de 90 mJ / cm 2. Una vez más estos números serán específicos para la fotoprotección utilizado. Cuando se utiliza resina fotosensible positiva, la parte de la resina fotosensible que está cubierto por la máscara no cambiará su propiedad química mientras que la parte de la PR que está cubierto por la máscara se cambie su propiedad y puede ser disuelto en el revelador química. Se calienta la resina fotosensible y de la muestra a 110 ° C durante 80 segundos para curar además la resina fotosensible expuesta.
- Lavar la muestra en una solución reveladora de 25-35 seg. Sacar la muestra inmediatamente y enjuague con agua durante 30 segundos. Si se utiliza resina fotosensible positiva, la parte de resina fotosensible que está cubierto por la máscara se elimina por lavado, mientras que la parte que está cubierta permanecerá. Tenga en cuenta que la duración de la etapa de revelado es crucial para controlar con precisión las dimensiones fotorresistentes y de calidad (Figura 2b).
- Preparar una solución de yoduro de potasio, ácido clorhídrico y agua de la relación de 01:01:01. Utilice pinzas de plástico para enjuagar tse muestra en el ácido durante aproximadamente 10 segundos. La parte no protegida de la película fina quedará grabado distancia. Lavar inmediatamente la muestra en agua pura durante 60 segundos. Consulte con un microscopio óptico para ver si la película fina ha sido totalmente grabada. Si no es así, añadir 2 a 3 segundos más de grabado ácido y enjuagar inmediatamente con agua pura, y luego puedes volver a intentarlo con un microscopio óptico. Repita este procedimiento hasta que toda la película sin protección es grabado. Este proceso se rige por la fuerza reactivo de ataque y espesor de la película. Velocidades de ataque típicas para muchos manganitos son unos 1-4 nm / segundo para la relación de solución de 01:01:01 se ha descrito anteriormente.
- Enjuague la muestra en acetona durante 20 segundos para eliminar el fotoprotector restante. Compruebe la calidad de la muestra con el microscopio (Figura 2c y 2d).
3. Cable de unión de conexion
- El uso de un foto-máscara, repita los pasos 2.1 a 2.3 anteriores usando una máscara litográfica que dejarán regiones abiertas en los cables adecuados para el contactoalmohadillas. Evaporar 5 nm de Ti y 100 nm de Au sobre la muestra y enjuague con acetona. Esto eliminará la resina fotosensible y dejar sólo la geometría almohadilla de contacto deseada (Figura 3a).
- Usa GE barniz para montar la muestra sobre el disco de la muestra. Permita 15 minutos para curar.
- Fijar la posición de la muestra en el escenario dispositivo de unión de alambre y utilizar el dispositivo de unión de alambre para conectar cables de Al el disco de muestra de Ti / Au contactos (Figura 3b). A continuación, realice las mediciones eléctricas.
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Representative Results
Este documento se centra principalmente en los aspectos de fotolitografía y el alambre de unión de la preparación de la muestra. Más información sobre los procedimientos de crecimiento de película se pueden encontrar en nuestras otras publicaciones recientes 8.
Fotolitografía es un método importante para controlar dimensionalidad en óxidos complejos para el propósito de investigar longitudes de correlación de electrones y la separación de fase electrónica 9-13. Figura 2 muestra imágenes ópticas de pasos parciales durante el proceso. Es necesario señalar que, entre todos estos pasos, el control preciso de desarrollo y tiempo de ataque químico es la más crucial para fabricar un dispositivo correctamente. Por ejemplo, un segundo más de desarrollar tiempo podría causar que el material fotorresistente no expuesto a ser arrastrado. Por otra parte, varios segundos más de grabado ácido podrían hacer que la película óxidos de ser sobre-grabado al agua fuerte y completamente eliminado, por lo tanto dañar la estructura deseada, como se muestra en la Figura 4. La Figura 3 muestra un ejemplo de lista para medida. Voltaje y la corriente eléctrica se pueden aplicar a los dispositivos prototipo para una amplia gama de mediciones electrónicas a través de una amplia gama de temperaturas y campos magnéticos.
Figura 1. Esquema del sistema de deposición por láser pulsado (PLD). El láser excimer KrF se utiliza para generar el penacho de destino. El calentador se utiliza para controlar la temperatura de la muestra. La fuente S 3 se utiliza para suministrar la presión de oxígeno fondo. La pistola RHEED, cámara y el ordenador se utilizan para controlar la dinámica de crecimiento y la estructura de la superficie.
Figura 2. Photimágenes olithography. a) imagen óptica de una muestra, tal como de cosecha, las áreas claras son regiones que habían quedado sin película durante el crecimiento, ya que se encontraba bajo las abrazaderas del calentador, y una ligera falta de homogeneidad del color es causada por la decoloración en la parte posterior del sustrato y no un resultado de la película no uniformidad, b) la imagen típica de resina fotosensible desarrollado en la parte superior de la muestra, c) la imagen típica de la muestra después de grabado ácido; d) un conjunto completo de dispositivos de grabado de una sola película permitir medir los efectos de confinamiento en 6 anchuras de alambre.
Figura 3 a) contactos típicos para el transporte 4-sonda;. B) Alambre de conexiones de dispositivos individuales bonded de pastillas de alambre de resistividad disco. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
.. Figura 4 Efectos de sobreataque 50 nm películas grabadas para a) 15 seg; b) 21 segundos y c) 25 seg. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
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Discussion
A diferencia de los materiales semiconductores de elementos individuales tales como Si, la fabricación de materiales complejas puede ser más difícil debido al hecho de que la estructura compleja y múltiples elementos deben tenerse en cuenta. El uso de la fotolitografía para fabricar dispositivos de óxido de complejos es relativamente bajo coste y rápida de prototipos a diferencia de otras técnicas de confinamiento. Sin embargo, hay algunas limitaciones importantes para entender. La fotolitografía tiene una limitación espacial a la creación de estructuras de aproximadamente 1 micrómetro por lo que no es adecuado para la fabricación del dispositivo verdaderamente nanoescala. También es importante el hecho de que la rugosidad de borde derivado del proceso de ataque químico puede ser del orden de 50 nm.
Otras técnicas como la litografía por haz de electrones (EBL) y centrado del haz de iones (FIB) de fresado se pueden utilizar para crear estructuras mucho más pequeñas que las que es posible con la fotolitografía. Estos se limitan generalmente a> 50 nm y> 20 estructuras nm respectively 14,15. Estas técnicas también tienen limitaciones. EBL puede tomar horas o días para desarrollar una estructura lo es mucho más lenta que la fotolitografía y todavía puede dar lugar a la rugosidad ventaja derivada del proceso de grabado. FIB molienda también es mucho más lento que la fotolitografía e implica correr el riesgo de cambios en la estructura estequiometría de los iones implantados. Por otra parte, re-deposición de material de grabado al agua fuerte cuando se utiliza FIB molienda puede influir negativamente en el dispositivo. Una posible orientación para la superación de los problemas de ataque químico y el plasma o el bombardeo de iones es para eliminar por completo que en el paso de procesamiento. Crecimiento auto-ensamblado de nanoestructuras ofrece un camino prometedor para evitar problemas tales como la rugosidad y la implantación de iones. El objetivo es utilizar diferentes técnicas de crecimiento para fabricar de forma controlable estequiométricas, pequeñas estructuras tales como barras de nano-y nano-pilares 16,17, y medir sus propiedades. Sin embargo, esto sigue siendo una técnica relativamente joven en óxidos complejos y necesita de pieldesarrollo ther antes de que sea viable para el uso regular en todas las materias.
La conexión eléctrica entre la muestra y el instrumento también se puede lograr de diferentes maneras. Aparte de unión de cables, indio y pintura de plata se utilizan a menudo para crear conexiones eléctricas. Sin embargo, tanto indio y métodos de pintura de plata tienen problemas tales como las áreas de contacto de gran tamaño (alrededor de 1 mm 2) y pueden requerir curado a alta temperatura (~ 100 ° C) o soldadura (> 200 ° C) que puede inducir la insuficiencia de oxígeno en las películas de óxido. Por lo tanto, la unión por hilo tiene la ventaja de un área de contacto pequeña (alrededor de 100 micras 2) que es estable en grandes intervalos de temperatura y el uso repetido.
La serie de métodos que aquí se presenta permite la fabricación de pequeñas estructuras de óxidos complejos de películas delgadas. Estos métodos permiten la investigación de los sistemas fuertemente correlacionados tanto para la investigación en física básica y en la búsqueda de una nueva funcionalidadª aplicación.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Este esfuerzo fue totalmente apoyada por el Departamento de Educación de EE.UU., Oficina de Ciencias de Basic Energy, Ciencias de los Materiales y de la División de Ingeniería.
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
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