Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Mekansal Kapalı Karmaşık Oksitler Fabrikasyon

9.3K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/50573

⸱

1 Temmuz 2013

 , 
1Materials Science and Technology Division, Oak Ridge National Laboratory, 2Department of Physics & Astronomy, University of Tennessee, Knoxville

Bu makalede

Özet

Biz darbeli lazer birikimi (PLD), fotolitografi ve mikrometre ölçekli karmaşık oksitler cihazlar oluşturmak için tel bağlama tekniklerinin kullanılmasını açıklar. FLD epitaksiyel ince film büyümesi için kullanılmaktadır. Fotolitografi ve tel bağlama teknikleri ölçüm amaçlı pratik cihazlar oluşturmak için tanıtılmaktadır.

Özet

, Yüksek Tc süperiletkenler, multiferroics ve devasa magnetoresistors gibi karmaşık malzemeler içlerinde bulunan doğal güçlü elektron korelasyon ortaya çıkan elektronik ve manyetik özellikleri vardır. Bu malzemeler de çok farklı direnç ve manyetik davranış bölgeleri tek kristal alaşımlı malzeme içinde bir arada hangi elektronik faz ayrılması sahip olabilir. Elektronik etki doğal boyutunda ve aşağıda uzunluk ölçeklerinde bu malzemelerin ölçekli azaltarak, yeni davranışlar maruz kalabilir. Çünkü bu ve spin-şarj-kafes-yörünge için parametreleri her mekansal taşıma ölçümleri için bu malzemelerin azaltılması, korelasyon uzunlukları dahil olduğu gerçeğini karmaşık davranışlar sürücüler temel fizik anlamada önemli bir adımdır. Bu malzemeler de 1-3 elektronik cihazların yeni nesil olmak için büyük bir potansiyel sunuyor. Bu nedenle, düşük boyutlu nano veya üretimmikro yapıların yeni işlevler elde etmek için son derece önemlidir. Bu yüksek kaliteli ince film büyümeden doğru elektronik emlak karakterizasyonu için birden fazla kontrol süreçleri içerir. Burada, karmaşık oksit manganit cihazlar için yüksek kaliteli mikro imalatı protokolleri mevcut. Ayrıntılı açıklamalar ve ince film büyüme gerekli araçları, fotoğraf-litografi ve tel-yapıştırma sunulmaktadır.

Giriş

İlk ve yüksek kaliteli cihazlar yolunda en önemli adımlardan biri epitaksiyel oksit ince filmlerin büyüme. Tek bir kristal hedef alt tabaka malzemeleri yatırmak için bir "şablon" olarak kullanılır. Farklı birikimi yöntemler arasında, darbeli lazer birikimi (PLD) 4,5 kaliteli ince filmler elde etmek için en iyi yollarından biridir. Büyüme süreçleri bir oksijen ortamında 800 ° C civarında, alt tabakanın ısıtılması ve hedef maddenin vurmak ve alt-tabaka üzerine yatırılması için bir akış oluşturmak için lazer darbeleri kullanılarak içerir. Tipik sistem, Şekil 1 'de gösterilmiştir.

Desensiz filmler filmi boyutu azaltarak, egzotik yeni fizik 6 ortaya gösterilmiştir olsa da yeni bir fenomen ve cihaz imalat keşfetmek için daha fazla fırsatlar sunar. Fotolitografi 1 mikron sırasını aşağı düzlem örnek boyut küçültmek için kullanılabilir. Fotolitografi sürecinin ayrıntılı bir protokol olacakaşağıda tartışılacaktır. Bu teknik, farklı şekil değiştirme durumları düzenlenen epitaksiyel filmler sınırlandırıcı etkilerinin araştırılması için izin en yaygın olarak kullanılan maddeler ile uyumludur.

Birçok karmaşık oksitler düşük sıcaklıklarda ve / veya Yüksek manyetik alanda ilginç özelliklere sahip bu yana, cihaz ve ölçüm ekipmanı arasındaki elektronik bağlantı çok önemlidir. Yüksek kaliteli iletişim 4-prob geometri ve pedleri ve ölçüm cihazı arasında bağlantı kurmak için bir tel bağlayıcı kullanımı ile Au temas pedleri buharlaştırılması ile oluşturulabilir. Doğru yapıldığında, bu bağlantılar kolayca T. ± 9 kadar 4 K 400 K ve manyetik alan aralıkları geniş bir sıcaklık aralıkları içinde aşırı ölçüm ortamlarda dayanabilir

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Örnek Büyüme Fabrikasyon

  1. 5 mm x 5 mm temiz x, bir miscut açısına sahip olan 0.5 mm alt tabaka tek bir kristal 3 ya da 3 LaAlO olarak 0.1 derece. SrTiO 3, 30 saniye süre ile,% 10 hidrojen fluorür etch alt tabaka üzerinde TiO2 sonlandırma almak ve bir 10 saat boyunca 1100 ° C 'de tavlama ve ardından 1 dakika boyunca su içinde durulayın. Temizleme işleminden sonra, ultra-yüksek vakum koşulları için uygun bir ısı kaynağının üzerine yüzey monte edin.
  2. PLD vakum odasına ısıtıcı monte ve 2 x 10E-5 Torr oksijen ile oda doldurmak için odasına oksijen kaynağı açın. 800 için ısıtıcının sıcaklığını yükseltmek ° C ve yaklaşık 20 dakika boyunca tavlama için izin verir. Sıcaklık bilgisayar kontrollü bir sıcaklık ölçer ya da bir termokupl kullanılarak izlenebilir.
  3. Film biriktirme başlamak için, excimer 1 1 ile 2 J / cm 2 ve lazer frekans bir lazer akıcılık kullanarak lazer darbeli başlarya da 2 Hz. Lazer darbeleri hedef malzeme vurdu ve bir tüy akı oluşturur. Akı substrat üzerine oksijen ortamında ve depo yoluyla nüfuz edecektir.
  4. Yansıma Yüksek Enerji Elektron Kırınımı (RHEED) birim hücre büyümesini izlemek ve yüzey kalitesi 7 onaylamak için kullanılabilir. Bu teknik çok açık kalınlığı izleme sağlar.
  5. Filmin istenilen kalınlıkta olduğunda, lazer kapatın ve ° C / dak 5 de ısıtıcı sıcaklığını azaltın. Isıtıcı, oda sıcaklığına kadar soğutulur, sonra, oksijen kaynağını kapatın ve numune çıkarılmaktadır.
  6. Ex-situ tavlama büyüme sonrası veya vakumda uzun süre sonra mevcut olabilir oksijen eksikliğinin giderilmesi için oksit malzemeleri kullanılabilir. Oksijen akan 1 atm hidrojen altında bir tüp fırın içinde örnek yerleştirin. 20 sıcaklığını yükseltmek ° C ile 700 ° C de 5 ° C / dakika, 20-2 saat boyunca tavlama ve daha sonra 700 ° C ısısı ° C de 2 ° C / dak. Önemli birte bu olumsuz yüzey kalitesini etkileyebilir ve olumsuz kristal kalitesi etkileyebilir olarak oksijen boş doldururken film büyütme sırasında kullanılan daha yüksek sıcaklıklarda post-tavlama asla etmektir.

2. Fotolitografi Fabrikasyon

  1. Ultrasonik olarak her biri 10 dakika için aseton ve su içindeki bir örnek temizleyin. Optik mikroskop numune yüzeyinin büyük parçacık temiz olup olmadığını kontrol etmek için kullanılabilir. (Şekil 2a);
  2. Kat 1 mikron kalınlığında ışığa tabakası Spin. Bu rakamlar kullanılan özel ışığa bağımlı olmasına rağmen tipik sıkma devri ve süresi 6000 rpm ve 80 saniye civarındadır. Fotorezist tedavisi için 2 dakika boyunca 115 ° C'de bir ısı plaka örnek yerleştirin. Bir optik mikroskop altında ışığa kalitesini kontrol edin. Kaplama hiçbir köpürme ile üniforma görünmelidir.
  3. Bir pozlama doz ile 9 saniye UV ışığı ile önceden tanımlanmış bir litografi maskesi altında örnek ortaya çıkarmak için bir maske hizalama kullanınyaklaşık 90 mJ / cm 2. Yine bu rakamlar kullanılan ışığa özgü olacaktır. Maske tarafından ortaya olan PR kısmı özellik değişecek ve kimyasal geliştirici çözülebilir ise olumlu ışığa kullanıldığında, maske ile kaplıdır ışığa parçası kimyasal özelliğini değiştirmez. ° 80 C saniye daha fazla maruz ışığa tedavisi için 110 ışığa ve örnek ısıtın.
  4. 25-35 saniye boyunca bir geliştirici çözelti içinde örnek durulayın. Hemen örnek çıkarın ve 30 saniye suda durulayın. Pozitif fotorezist kullanılırsa kaplıdır parçası olmaya devam ederken, maske ile ortaya bir ışığa parçası yıkanıp olacaktır. Gelişmekte olan aşama süresince doğru fotorezist boyutları ve kalitesi (Şekil 2b) kontrol etmek için son derece önemli olduğunu not edin.
  5. Potasyum iyodür, hidroklorik asit ve oran 1:1:1 su içinde bir çözeltisi hazırlandı. T durulama plastik cımbız kullanınyaklaşık olarak 10 saniye boyunca asit o örnek. Ince film korumasız kısmı uzak kazınacak. Hemen 60 saniye boyunca bir saf su içinde örnek durulayın. Ince film tamamen kazınmış olup olmadığını görmek için bir optik mikroskop ile kontrol edin. Aksi takdirde, aşındırma asit 2 ile 3 saniye daha ekleyin ve hemen saf su ile durulayın, daha sonra bir optik mikroskop ile tekrar kontrol edin. Tüm korumasız filmi uzak kazınmış kadar bu işlemi tekrarlayın. Bu işlem, çözücüyle gücü ve film kalınlığı ile yönetilir. Birçok manganites için tipik aşındırma oranları yaklaşık 1-4 nm / yukarıda açıklanan 1:1:1 çözüm oranı ikinci.
  6. Kalan fotorezist kaldırmak için 20 saniye boyunca aseton içinde örnek durulayın. Mikroskop (Şekil 2c ve 2d) ile örnek kalitesini kontrol edin.

3. Tel-bağlantı Bağlantı

  1. Temas için uygun teller açık bölgelerde bırakacak bir litografi maske kullanarak yukarıdaki adımları 2.1-2.3 tekrar, bir fotoğraf maskesi kullanarakpedleri. Numune üzerine 5 nm ve 100 nm Ti Au buharlaşır ve aseton ile yıkanır. Bu fotorezist kaldırmak ve sadece istenen temas alanına geometri (Şekil 3a) bırakacaktır.
  2. Örnek disk üzerine örnek monte etmek GE vernik kullanın. 15 dakika tedavi için izin verin.
  3. Tel bağlayıcı sahnede örnek konumunu düzeltmek ve örnek disk gelen Ti / Au kişiler (Şekil 3b) Al telleri bağlamak için tel bağlayıcı kullanın. Daha sonra elektrik ölçümleri.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bu kağıt numune hazırlama fotolitografi ve tel-yapıştırma yönleri üzerinde daha çok duruluyor. Film büyütme prosedürleri hakkında daha fazla ayrıntıyı diğer son yayınlarda 8 bulunabilir.

Fotolitografi elektron korelasyon uzunluğu ve elektronik faz ayrılması 9-13 araştırmak amacıyla karmaşık oksitler boyutluluk kontrol etmek için önemli bir yöntemdir. Şekil 2, bu işlem sırasında kısmi adım optik görüntüler gösterir. Tüm bu adımlar arasında, zaman gelişti...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu Si gibi tek bir eleman yarı iletken malzemelerin aksine, karmaşık malzemelerin üretim karmaşık yapısı ve çoklu elemanları tüm dikkate alınması gerektiğini nedeniyle daha zor olabilir. Karmaşık oksit cihazları imal etmek fotolitografi n kullan nispeten düşük maliyetli ve diğer hapsi teknikleri aksine prototip hızlı. Anlamak için bazı önemli sınırlamalar söz konusudur. Fotolitografi yaklaşık 1 mikron yapıları oluşturmak için bir mekansal sınırlama vardır bu yüzden gerçekten nano cihaz imalat için uygun değildir. Ayrıca...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Çıkar çatışması ilan etti.

Teşekkürler

Bu çaba tamamen ABD Enerji Bakanlığı, Temel Enerji Bilimler, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Ofisi tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Reaktif/Malzeme
SrTiO3(001) & LaAlO3(100) yüzeylerCrysTec GmbH
Microposit S1813 Photoresist Shipley
CD-26 GeliştiriciShipley38490
GE vernikLakeshoreVGE-7031
Equipment
Yansıyan Yüksek Enerjili Elektron Kırınımı (RHEED)Staib Instruments35kV TorrRHEED
Maske HizalayıcıABMModel 85-3 (350W) Işık Kaynağı
Direnç DiskiQuantum DesignP102
Tel BağlayıcıKulicke Soffa04524-0XDA-000-00

Kaynaklar

  1. Ahn, C. H., Triscone, J. -M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
  2. 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).
  3. Waser, R., Aono, M. Nanoionics-based resistive switching memories. Nat. Mater. 6, 833-840 (2007).
  4. Willmott, P. R., Huber, J. R. Pulsed laser vaporization and deposition. Rev. Mod. Phys. 72, 315-328 (2000).
  5. Eres, H. M. C., G, Recent advances in pulsed-laser deposition of complex oxides. Journal of Physics: Condensed Matter. 20, 264005(2008).
  6. 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).
  7. Ichimiya, A., I, P. C. Reflection High Energy Electron Diffraction. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2004).
  8. Guo, H., Sun, D., et al. Growth diagram of La0.7Sr0.3MnO3 thin films using pulsed laser deposition. arXiv. , 1210.5989(2012).
  9. 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).
  10. Ward, T. Z., Liang, S., et al. Reemergent Metal-Insulator Transitions in Manganites Exposed with Spatial Confinement. Physical Review Letters. 100, 247204(2008).
  11. Ward, T. Z., Zhang, X. G., et al. Time-Resolved Electronic Phase Transitions in Manganites. Physical Review Letters. 102, 87201(2009).
  12. 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).
  13. Wu, T., Mitchell, J. F. Creation and annihilation of conducting filaments in mesoscopic manganite structures. Physical Review B. 74, 214423(2006).
  14. Altissimo, M. E-beam lithography for micro-/nanofabrication. Biomicrofluidics. 4, 26503-26506 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Kompleks Oksit İnce FilmlerPuls Lazer BiriktirmeFotolitografik TekniklerElektron Taşıma ÖlçümleriÖz Direnç ÖlçümleriTel Bağlama İşlemiStronsiyum Titanat AltlıkYansımalı Yüksek Enerjili Elektron DifraksiyonuOptik Mikroskop İncelemesiElektron Demeti Buharlaştırıcısı
Mekansal Kapalı Karmaşık Oksitler Fabrikasyon
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.