通过光学吸收跃迁图案 - 制备与表征

1Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Utah, 2Department of Chemistry, The University of Wisconsin-Madison
Published 12/11/2014
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Engineering

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Summary

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Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization. J. Vis. Exp. (94), e52449, doi:10.3791/52449 (2014).

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Abstract

Introduction

光学光刻是具有关键的重要性在纳米级的结构和设备的制造。在新的光刻技术的进步提高了能力,使新的一代新型设备8-11在这篇文章中,回顾,提出一类是取得使用新型的光开关分子深亚波长光学分辨率的光刻技术。这种方法被称为经光学-饱和转换(POST)图案。1-3

POST是独特地结合的饱和光致变色分子的光转换,具体地(1,2-双(5,5'-二甲基-2,2'- bithiophen基))的想法一新颖的纳米加工技术perfluorocyclopent -1-烯。通俗地,该化合物被称为BTE, 图1中 ,例如在受激发射损耗(STED)显微镜12使用时,与干涉光刻,这使得它的强大工具LARG深亚波长特征的e-区域并行纳米图案上的各种潜在扩展表面的至2-和3-维。

光致变色层最初是在一个均匀的状态。当该层暴露于λ1的均匀的照明,将其转换成所述第二异构态(1c)中图2,然后将样品在λ2,其中样品进入所述第一异构态(转换暴露于聚焦节点1O)无处不在,除了在节点的酒店附近。通过控制曝光剂量,未转化的区域的尺寸可以被任意小。异构体中的一个的后续定影步骤可以选择性地和不可逆变换(锁定)到第三状态(黑色)以锁定模式。接着,对层被均匀地暴露于λ1,它转换以外的所有锁定区域恢复到原来的状态。该的步骤顺序可以重复与相对于光学样品的位移,导致2锁定区域的间隔比所述远场衍射极限小。因此,任意的几何形状可被图案化在一个“点阵”时尚1-3

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Protocol

注:执行下洁净室100级条件或更好以下所有步骤。

1.样品制备

  1. 清理“直径2硅片缓冲氧化物刻蚀(BOE)解决方案(6部分40%NH 4 F和1份49%HF)2分钟( 注意:危险化学品 )。选择这种蚀刻时间以除去任何有机物或污染物的表面上。冲洗以去离子(DI)水中约5分钟。干燥晶片用干燥的N 2。
    注意:不要使用HF时单独工作。总是戴着眼睛的保护,以防泄漏防护面罩和个人防护装备(PPE)。帖子准则在哪里进行蚀刻在实验室中使用和处理的HF浪费。
    注意:步骤1.2至1.7仅用于电化学锁定 。如果执行通过溶解锁定进行第2步。
  2. 放下工作电极,溅射铂(Pt)为100纳米到干净的2“直径的硅酸在晶圆。
  3. 前蚀刻铂薄膜,清理从以前的干蚀刻任何杂质或剩余的光刻胶RIE室。
  4. 抽空该室,直至1×10 -5乇达到基本压力。确保RF功率设置为200瓦,并且流速为氧气和氩气分别设置在50sccm和10sccm的。点燃的Ar / O 2等离子和运行至少1小时。
  5. 关闭的Ar / O 2等离子体,并允许该腔室泄为大约10分钟。
  6. 蚀刻铂薄膜表面,加载样品放入RIE室和向下泵送腔室以1×10 -5乇的基础压力。这个时间设定氩流量为0标准立方厘米。点燃O 2等离子,让这个过程运行30分钟。
  7. 关闭的O 2等离子体,并让该室通风口10分钟。

光致变色分子使用自定义L 2.热蒸发流温度蒸发器(LTE)的

  1. 填写ALO 2船BTE 30毫克,并加载到自定义的LTE源( 图6)。
  2. 装载硅片到样品安装。
  3. 密封室端口和泵室下降到1×10 -6乇的基础压力。
  4. 蒸发BTE在100℃的设定温度,以30nm的膜厚度。
  5. 立即蒸发后,洪水照射样品以5分钟的UV改造BTE材料的封闭形式,1c上
  6. 为了确定样本大小,切割的小片,使用金刚石划线划伤从硅表面的边缘的线的晶片。抢在划痕线两侧的晶片和弯曲晶片向下直至其断裂沿着晶体平面。
  7. 执行验证BTE薄膜厚度轮廓测量。要做到这一点,从头开始用细边镊子样品。测量阶梯高度来回米此划痕,它是在左,右光标位置之间的高度差。
    注:在薄膜厚度不准确将导致在曝光剂量差异。
  8. 在N 2充满手套箱店内剩余的样品。

3.曝光

注:执行惰性气氛条件下,所有的风险敞口,以防止样品降解。

  1. 按照相同的步骤,在步骤2.6中概述裂解样品。
  2. 在惰性气体样品架上加载样品。
  3. 安装惰性样品架在舞台上。吹扫样品用N 2。
  4. 利用干涉仪,将样品以期望的曝光时间暴露,如在图8中所示的那个。

4.电化学氧化法三电极电池

注:在惰性气氛的条件下进行电化学防止样品降解。

  1. 钳上热板的顶部上的干净的玻璃小瓶中。放置在小瓶一个清洁的搅拌棒。开启搅拌器。
  2. 清洁新的铜剪辑甲醇。用甲醇清洗铂反电极。
  3. 使用干净的铜夹,通过在特氟纶小瓶帽上的孔中的一个剪辑的样本。确保夹在只露出铂。
  4. 把铁氟龙瓶盖到小瓶。夹在红色导线到铂电极和石墨到铜夹子拿着样品。
  5. 使用干净的注射器,通过在特氟纶瓶盖第二孔填充用过滤的去离子(DI)水的小瓶中。作为填充不高对样品浸泡任何裸露的铂。
  6. 通过水3-5分钟气泡的氮。关掉氮气。
  7. 将参考电极在特氟隆瓶盖的第二个孔。剪辑铅白到参考电极。检查以确保无裸露铂邻n个样品浸入。
  8. 用伏安,将氧化电压为0.5 V /秒。
  9. 后所需要的氧化时间已经过去时,打开电源向伏安关闭。
  10. 从铂反电极,铜夹,和参考电极取出红色,黑色,白色和剪辑。
  11. 暴露样品于紫外线5分钟。

5.样品开发-电化学锁定

注:在惰性气氛的条件下进行显影,以防止样品降解。

  1. 开发在过滤5(重量%)的异丙醇样品,95(重量%)乙二醇的时间的所需量。注意:通常为50nm的样品被开发为30-60秒,而为80nm的样品为60-180秒开发的。
  2. 用干N 2干燥的样品。
  3. 立即暴露样品到5分钟的紫外线。

6.样品开发-溶解锁定

注:在惰性气氛的条件下进行显影,以防止样品降解。

  1. 在一个干净的玻璃烧杯用100毫升乙二醇中,开发所需的开发时间的暴露试料。
  2. 用干N 2干燥的样品。立即暴露样品到5分钟的紫外线。

7.多重曝光

  1. 如果执行多次曝光重复步骤3-6具有相对于光学器件的样品的译文。

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Representative Results

制作样品:

不同的氧化时间被表征为在0.85 V的循环伏安法测定的氧化电压在图3所示的原子力显微镜照片。的50纳米厚的薄膜暴露于0.95毫瓦/ cm 2的功率密度的驻波在周期为400nmλ= 647毫微米为60秒。作为氧化时间从10分钟增加到25分钟,可以清楚地看到的对比度的损失,因为一些由1O的地区得到氧化为好。显影剂(5(重量%)的异丙醇:95(重量%)乙二醇)溶解所有氧化部分。较大的氧化时间导致不均匀线,增加了表面的不均匀性发展之后。因此,仔细选择的氧化条件是图案形成高质量的纳米结构的关键。2

闭合形式的较高偶极矩分子,1c的相比,开放形式,1O,允许闭合形式更可溶于极性溶剂。这被表示在图4中,其中半数的样品被转化为封闭的形式,1c和另一半被转化为开放的形式,1O。然后将样品开发100(重量%)乙二醇为几个不同的开发时间,然后将膜的厚度其余是使用轮廓仪测得的。从该曲线图中的溶解锁定步骤的高选择性看出。以除去封闭形式,1c中,作为用于纳米压印光刻可用于反应离子蚀刻(RIE)工艺的残留层13

由于光致变色膜可以容易地恢复到在暴露于UV原来的状态,这是很简单的想法延伸到多重曝光。这是,当然,需要用于创建密集模式。这里,这种方法的可行性,示出通过执行相同的驻波的两次曝光,但与在( 图5)之间的〜45度的旋转。每个曝光进行对Lloyd's镜干涉仪,具有一个驻波周期,540纳米在λ= 647纳米(入射强度〜2.1毫瓦/厘米2)1分钟。第一曝光后,将样品浸渍在100(重量%)乙二醇30分钟,并暴露于短波长紫外灯进行5分钟的分子转换成原来的闭环异构体1c上 。然后将样品旋转大约45°的相对于光学,并进行第二次曝光的驻波。再次,将样品浸渍在100(重量%)乙二醇30分钟。每个显影后,将样品用去离子水清洗,并用N 2干燥。相应的原子力显微照片解析与间距小行作为〜260纳米或λ /2.5,这是不到一半的驻波的期限为3。

为了验证样品架的功效,几个曝光进行,以查看是否该线边缘粗糙度得到了改善。假设入射正弦照明,将所得的特征尺寸,可以很容易地进行模拟。在图7中 ,此特征尺寸被绘制为的曝光时间使用蓝色实线的功能。实验测得的值是利用杂交示。使用浓淡阈值作为唯一的拟合参数,它表明,这个简单的模型能准确地解释我们的实验结果。最小的实验获得的特征尺寸为〜85纳米,对应于〜λ/ 7.4的线宽。的曝光时间更精确的控制应该使更小的特征。注意,作为曝光时间的增加,模拟结果表明,特征尺寸应该减小显著下面的远场衍射利麻省理工学院。从扫描电子显微镜(SEM)图像,示出了线边缘粗糙度与使用惰性气氛样本保持器的改进。

图1
图1.有机光致变色分子结构。化合物1存在于开放的形式,1O和封闭的形式,1C。电化学氧化选择性转换1c的10X。

图2
图2. POST技术。曝光和构图“锁定”需要录制功能的步骤。 (A)电化学氧化。 (B)溶解1 photoisomer的。


图3.隔离功能。开发后线样品在不同氧化时间的原子力显微照片。的〜50纳米2薄膜厚度。转载自[坎,P., 权限。光致变色二芳基乙烯膜的亚波长纳米图案。 应用程序。物理学。快报 。100(18),183103]。版权所有[2012],AIP出版社有限责任公司。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4.溶出速率。该图表示1c的100(重量%)的宏观尺度的溶解性和1O EthylenË乙二醇。对〜29 nm的3薄膜厚度。转载自[坎,P., 权限。通过一个photoisomer。 应用选择性溶解二芳基乙烯膜的纳米图案。物理学。快报 。103(17)173112。版权所有[2013],AIP出版社有限责任公司。

图5
双重曝光图5.实验示范左:。样品使用POST双重曝光的示意图,显示方向右:产生模式的原子力显微照片。原子力显微照片揭示了特征为〜260nm处,这大约是照明驻波的半周期之间的最小间距。3重印从[坎,P。, 等人的许可。通过选择性disso二芳基乙烯膜的纳米图案1 photoisomer的(分辨率)。 应用。物理学。快报 。103(17)173112。版权所有[2013],AIP出版社有限责任公司。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
图6.自蒸发器中。在POST方法中使用的低温热蒸发器(LTE)的图像。2重印从[坎,P。, 等人的许可。光致变色二芳基乙烯膜的亚波长纳米图案。 应用程序。物理学。快报 。100(18),183103]。版权所有[2012],AIP出版社有限责任公司。

图7
图7.线宽VS曝光时间为单个发展吨和曝光。事件模拟正弦照明被示为蓝色实线,而实验数据是使用杂交示。正弦照明用的457纳米的阶段是假设。插图:SEM图像请点击此处查看该图的放大版本。

图8
图8.示意图用于曝光的马赫-策德尔干涉设置的,第一半波片,用于控制在每个臂的功率。第二半波片,用于控制偏振。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Isopropanol Fisher Scientific P/7500/15 CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Buffered Oxide Etch
Methanol Ricca Chemical 48-293-2  CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Ethylene Glycol Sigma-Aldrich 324558 CAUTION: Harmful if swallowed
Silicon wafer
Diamond Scribe
Glass Beakers
Tweezers Ted Pella 5226
Reactive Ion Etching System Oxford Plasma Lab 80 Plus
Inert Atmosphere Sample Holder Proprietary In-house Designed
Polarizing beamsplitter cube Thorlabs PBS052
HeNe Laser Melles Griot 25-LHP-171 CAUTION: Wear safety glasses
Half-wave plates Thorlabs WPH05M-633
Thermal Evaporator Proprietary In-house Designed
TMV Super TM Vacuum Products TMV Super
Voltammograph Bioanalytical Systems CV-37
Shortwave UV lamp 365 nm UVP Analytik Jena Company UVGL-25 CAUTION: Wear UV safety glasses

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References

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