Summary
Vi beskriver användning av pulsad laser deponering (PLD), fotolitografi och wire-bindning tekniker för att skapa mikrometerskala komplexa oxider enheter. Den PLD används för att odla epitaxiella tunna filmer. Fotolitografi och wire-bindning tekniker införs för att skapa praktiska apparater för mätning ändamål.
Abstract
Komplexa material såsom höga Tc supraledare, multiferroics och kolossala magnetoresistorer har elektroniska och magnetiska egenskaper som uppstår från de inneboende starka elektron korrelationer som finns inom dem. Dessa material kan också ha elektronisk fasseparation i vilka regioner av väldigt olika resistiv och magnetiska beteende kan samexistera inom en enkristallegering material. Genom att minska omfattningen av dessa material till längdskalor vid och under den inneboende storleken på elektroniska domäner, kan nya beteenden exponeras. På grund av detta och det faktum att spin-laddning-gitter-orbital ordningens parametrar vardera involverar korrelation längder, rumsligt minska dessa material för transport mätningar är ett kritiskt steg i att förstå den grundläggande fysiken som driver komplexa beteenden. Dessa material har också stor potential att bli nästa generation av elektroniska enheter 1-3. Således tillverkning av låg dimensionell nano-ellermikrostrukturer är extremt viktigt att uppnå ny funktionalitet. Detta innebär flera styrbara processer från högkvalitativa tunnfilmstillväxt till exakt elektronisk egendom karakterisering. Här presenterar vi fabrikationslängder protokoll av högkvalitativa mikrostrukturer för komplexa enheter oxid manganite. Detaljerade beskrivningar och erforderlig utrustning för tunnfilmstillväxt, foto-litografi och wire-bindning presenteras.
Introduction
Den första och en av de viktigaste stegen mot högkvalitativa enheter är tillväxten av epitaxiella oxid tunna filmer. En enkristallsubstrat används som en "mall" för att sätta in de sökta ämnena. Bland olika deponeringsmetoder är pulsad laser deponering (PLD) är en av de bästa sätten att skaffa bra kvalitet tunna filmer 4,5. Tillväxtbetingelserna processer involverar uppvärmning av substratet till omkring 800 ° C i en syremiljö och använda laserpulser att träffa målmaterialet och generera ett flöde som skall avsättas på substratet. Det typiska systemet visas i figur 1.
Medan omönstrat filmer har visats avslöja exotiska nya fysiken 6, minskar film dimension ger fler möjligheter att utforska nya fenomen och Komponentframställning. Fotolitografi kan användas för att krympa i planet prov dimension ned till i storleksordningen 1 | im. Den detaljerade protokoll för fotolitografi processen kommeratt diskuteras nedan. Denna teknik är kompatibel med mest använda substrat vilket möjliggör undersökningar av instängdhet effekter på epitaxiella filmer hölls på olika stam stater.
Eftersom många komplexa oxider har intressanta egenskaper vid låga temperaturer och / eller höga magnetfält, är den elektroniska anslutningen mellan enheten och mätutrustning mycket viktigt. Högkvalitativa kontakter kan bildas genom förångning Au kontaktdynor i ett fyra-prob geometri och med användningen av en tråd bonder att göra anslutningar mellan dynorna och mätanordning. När du gjort korrekt, kan dessa anslutningar tål lätt extrema mätning miljöer inom ett brett temperaturintervall av 4 K till 400 K och magnetfält varierar fält på upp till ± 9 T.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ett. Prov Growth Fabrication
- Rengör en 5 mm x 5 mm x 0,5 mm enkristallsubstratet med en miscut vinkel <0,1 grader såsom SrTiOs 3 eller Laalo 3 med aceton och därefter vatten med ultraljud under 10 minuter vardera. För att få en TiO 2 terminering i SrTiOs 3, etsa substratet i 10% vätefluorid i 30 sekunder och skölj i vatten under 1 min, följt av en glödgning vid 1100 ° C under 10 timmar. Efter rengöringen, montera substratet på en värmare som lämpar sig för extremt högt vakuum.
- Montera värmaren i PLD vakuumkammaren och öppna källkammaren syre för att fylla kammaren med 2 x 10E-5 Torr syre. Höj värmaren temperaturen till 800 ° C och låt det härda under 20 min. Temperaturen kan övervakas med hjälp av en datorstyrd pyrometer eller ett termoelement.
- Till att börja filmavsättning, starta excimer pulsad laser med användning av en laser fluens på 1 till 2 J / cm 2 och laser frekvens på eneller 2 Hz. De laserpulser kommer att träffa målmaterialet och generera en plym flussmedel. Flödet kommer att penetrera genom syremiljö och deposition på substratet.
- Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) kan användas för att övervaka tillväxten enhetscell och bekräfta ytkvaliteten 7. Denna teknik möjliggör mycket tydlig tjocklek övervakning.
- När filmen är av önskad tjocklek, stänga av lasern och minskar värmarens temperatur vid 5 ° C / min. När värmaren väl svalnat till rumstemperatur, stäng av syrgaskällan och avlägsna provet.
- Ex situ hybridisering kan användas på oxidmaterial att avlägsna syre brister som kan förekomma efter tillväxt eller efter långa perioder i vakuum. Placera provet i en rörugn under 1 atm flödande syre. Höj temperaturen från 20 ° C till 700 ° C vid 5 ° C / min, glödga under 2 timmar, och sedan sänka temperaturen från 700 ° C till 20 ° C vid 2 ° C / min. En viktig nejte är att aldrig post-glödgning vid högre temperaturer än de som användes under filmtillväxt vid påfyllning syrevakanser eftersom detta kan inverka negativt på ytkvalitet och kan negativt påverka kristall kvalitet.
2. Fotolitografi Fabrication
- Rengöras med ultraljud provet i aceton och sedan vatten i 10 minuter vardera. Ett optiskt mikroskop kan användas för att kontrollera att provets yta är ren av stora partiklar. (Figur 2a)
- Spin belägga ett skikt av en mikron tjock fotoresist. Typiska centrifugeringshastighet och varaktighet är ca 6000 rpm och 80 sek om dessa siffror är beroende av specifika används fotoresist. Placera provet på en värmeplatta vid 115 ° C under 2 min för härdande av fotoresisten. Kontrollera fotoresist kvalitet under ett optiskt mikroskop. Beläggningen ska visas uniform utan bubblande.
- Använd en mask Aligner att exponera provet under en fördefinierad litografi mask med UV-ljus under 9 sek med en exponeringsdosomkring 90 mJ / cm 2. Återigen dessa siffror kommer att vara specifika för den använda fotoresist. När positiv fotoresist används, kommer den del av fotoresist, som är täckt av masken inte ändra dess kemiska egendom medan den del av PR som avslöjats av masken kommer att ändra sin egendom och kan lösas i den kemiska utvecklare. Värm fotoresist och provet vid 110 ° C under 80 sek för att ytterligare härda den exponerade fotoresisten.
- Skölj provet i en utvecklare lösning för 25-35 sek. Ta ut provet omedelbart och skölj i vatten under 30 sek. Om positiv fotoresist används, kommer den del av fotoresisten som avslöjats av masken tvättas bort medan den del som är täckt kommer att kvarstå. Observera att tiden för att utveckla steg är avgörande för att noggrant kontrollera fotoresist dimension och kvalitet (figur 2b).
- Bered en lösning av kaliumjodid, saltsyra och vatten för förhållandet 01:01:01. Använd plast pincett för att skölja than prov på syran i cirka 10 sekunder. Den oskyddade delen av den tunna filmen kommer att etsas bort. Skölj genast provet i rent vatten under 60 sekunder. Kontrollera med ett optiskt mikroskop för att se om den tunna filmen har helt etsat. Om inte, tillsätt 2 till 3 sekunder av syraetsning och skölj omedelbart med rent vatten och sedan kontrollera igen med ett optiskt mikroskop. Upprepa denna procedur tills alla oskyddade filmen etsas bort. Denna process styrs av etsmedlet styrka och filmtjocklek. Typiska etshastigheter för många Manganiter är ca 1-4 nm / sekund för 01:01:01 lösningsförhållandet beskrivits ovan.
- Skölj provet i aceton under 20 sek för att avlägsna kvarvarande fotoresist. Kontrollera kvaliteten på provet med mikroskop (Figur 2c och 2d).
Tre. Wire-bindning Anslutning
- Använda ett foto-mask, upprepa stegen 2.1-2.3 ovan använder en litografi mask som kommer att lämna öppna områden på trådarna lämpliga för kontaktdynor. Avdunsta 5 nm Ti och 100 nm Au på provet och skölj i aceton. Detta tar bort fotoresisten och lämnar endast den önskade geometrin kontaktdynan (figur 3a).
- Använd GE lack för att montera provet på provet pucken. Tillåt 15 minuter för att härda.
- Fäst provposition på tråd Bonder scenen och använd tråd Bonder att ansluta Al trådar från provet pucken till Ti / Au kontakter (Figur 3b). Sedan utför elektriska mätningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denna uppsats fokuserar främst på fotolitografi och wire-bindning aspekter av provberedning. Mer information om förfaranden filmtillväxten kan hittas på våra senaste publikationer 8.
Fotolitografi är en viktig metod för att styra dimensionalitet i komplexa oxider i syfte att utreda Elektronkorrelationsmetoder längder och elektronisk fasseparation 9-13. Figur 2 visar optiska bilder av partiella steg under processen. Det är nödvändigt att påpeka att bland alla dessa steg, är det exakt kontroll av att utveckla och etsning tid det mest avgörande för att framgångsrikt tillverka en enhet. Till exempel kan en sekund till att utveckla tid orsaka den oexponerade fotoresisten och spolas bort. Å andra sidan kan ytterligare några sekunder av syraetsning bringa oxiderna filmen att vara över-etsad och fullständigt avlägsnas, vilket kan skada den önskade strukturen, såsom visas i fig. 4. Figur 3 visar en färdig efter mått prov. Elektrisk spänning och ström kan appliceras på prototypen anordningar för ett brett utbud av elektroniska mätningar inom ett brett spektrum av temperaturer och magnetiska fält.
Figur 1. Schematisk ritning av Pulsed Laser Deposition (PLD)-systemet. Den KrF excimerlaser används för att generera målet plymen. Värmaren används för att styra provets temperatur. The O 3 källan används för att tillföra tryck bakgrund syre. Den RHEED pistol, kamera och dator används för att följa tillväxten dynamik och ytstruktur.
Figur 2. Photolithography bilder. a) optisk bild av en så-vuxen prov, ljusa områden är regioner som var kvar utan filmen under tillväxt eftersom de låg under värmare klämmor, och lätt homogen färg orsakas av missfärgning på baksidan av substratet och inte en resultat av filmens icke-enhetlighet, b) typiska bilden av utvecklade fotoresist ovanpå provet, c) typisk bild av provet efter syra etsning, d) fullständig uppsättning anordningar etsas från en enda film möjliggöra mätning av instängdhet effekter på 6 tråd bredder.
Figur 3 a) typiska kontakter för 4-probe transportmedel. B) enda enhet anslutningar tråd Bonded från tråd kuddar till resistivitet puck. Klicka här för att visa en större bild .
.. Figur 4 Effekter av overetching 50 nm filmer etsas för a) 15 sek, b) 21 sek och c) 25 sek. Klicka här för att visa en större bild .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Till skillnad från enkla elementet halvledande material såsom Si, kan tillverkningen av komplexa material vara svårare på grund av det faktum att den komplexa strukturen och flera element alla måste tas i beaktande. Användningen av fotolitografi för att tillverka komplexa oxid-enheter är relativt låg kostnad och snabbt till prototyp i motsats till andra inneslutning tekniker. Det finns dock några viktiga begränsningar att förstå. Fotolitografi har en rumslig begränsning till att skapa strukturer av omkring 1 mikron så är inte lämplig för verkligt nanoskala Komponentframställning. Också viktigt är det faktum att kanten ojämnhet uppstår genom kemisk etsning processen kan vara i storleksordningen 50 nm.
Andra tekniker, såsom elektronstråle litografi (EBL) och fokuserad jonstråle (FIB) fräsning kan användas för att skapa mycket mindre strukturer än de som går med fotolitografi. Dessa är i allmänhet begränsad till> 50 nm och> 20 strukturer nm respektivt 14,15. Dessa tekniker har också begränsningar. EBL kan ta timmar till dagar att utveckla en struktur så är mycket långsammare än fotolitografi och kan fortfarande resultera i kanten ojämnhet uppstår genom etsning processen. FIB fräsning är också mycket långsammare än fotolitografi och innebär att riskera förändringar struktur stökiometri från implanterade joner. Dessutom kan ny avsättning av etsat material vid användning av FIB fräsning påverka negativt enheten. En möjlig riktning för att övervinna problemen med kemisk och plasmaetsning eller jonbombardemang är att helt ta bort det steget i behandlingen. Egna sammansatta tillväxt av nanostrukturer erbjuder ett lovande sätt att undvika frågor som råhet och jonimplantering. Målet är att använda olika odlingstekniker att reglerbart tillverka stökiometriska, små strukturer såsom nano-stavar och nano-pelare 16,17, och mäta deras egenskaper. Men detta är fortfarande en relativt ung teknik i komplexa oxider och behöver pälsvriga utveckling innan det blir lönsamt för regelbunden användning på alla material.
Den elektriska anslutningen mellan provet och instrumentet kan också uppnås på olika sätt. Annat än trådbondning, indium och silver färg används ofta för att skapa elektriska anslutningar. Men både indium och silver metoder måla har frågor som stora kontaktytor (ca 1 mm 2) och kan kräva hög temperatur härdning (~ 100 ° C) eller lödning (> 200 ° C) som kan framkalla syrebrist i oxidfilmer. Sålunda har trådbondning fördelen av en liten kontaktyta (cirka 100 ^ m 2) som är stabil under stora temperaturområden och upprepad användning.
Serien av metoder som presenteras här möjliggör tillverkning av små, komplexa oxider strukturer från tunna filmer. Dessa metoder möjliggör undersökning av starkt korrelerade system både för grundläggande fysik forskning och i jakten på ny funktionalitet ennd ansökan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Denna insats var helt stöds av US DOE, Office of Basic Energy Sciences, materialkunskap och division 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).
