Создание массивов с помощью оптических насыщающихся переходов - Изготовление и характеристика

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

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Оптической литографии имеет ключевое значение при изготовлении наноразмерных структур и устройств. Увеличение достижения в новых методов литографии имеет возможность включить новые поколения новых устройств. 8-11 В этой статье обзор современного класса оптических литографических методов, которые обеспечивают достижение глубокого разрешение суб-диапазона, использующих новые фотопереключаемых молекулы. Такой подход называется Создание массивов с помощью оптико-насыщающихся переходов (POST). 1-3

POST представляет собой новый метод, который однозначно нанофабрикации сочетает в себе идеи насыщения оптические переходы фотохромных молекул, в частности, (1,2-бис (5,5'-диметил-2,2'-bithiophen-ил)) perfluorocyclopent-1-ен. В разговорной речи, это соединение называется БТЭ, рис 1, такие как те, которые используются в вынужденное излучение истощения (STED) микроскопии 12, с помехами, литографии, что делает его мощным инструментом для крупе-зона параллельно nanopatterning глубоких особенностей субволновых на различных поверхностях с возможностью продления до 2-х и 3-размеров.

Фотохромные слой первоначально в одном однородное состояние. При этом слой подвергают воздействию равномерного освещения λ 1, то преобразование во вторую изомера (1c), рис 2. Затем образец подвергают воздействию сфокусированного на узле λ 2, который преобразует выборки в первом изомера ( 1 °) везде, кроме непосредственной близости от узла. Управляя дозу облучения, размер непрореагировавшего области может быть сделана сколь угодно малой. Последующая стадия фиксации одного из изомеров может быть избирательно и необратимо преобразуется (закрывается) в состояние 3-го (в черном), чтобы зафиксировать рисунок. Затем слой подвергается равномерно по λ 1, который преобразует все, за исключением заблокированной области обратно в исходное состояние.последовательность шагов может быть повторен с перемещением образца по отношению к оптике, в результате чего два заблокированных зон, в которых расстояние меньше предела дифракции в дальней зоне. Таким образом, любое произвольное геометрия может быть с рисунком в «матричный» моды. 1-3

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: выполнять все следующие шаги в соответствии чистых помещений класса 100 условия или лучше.

1. Подготовка образцов

  1. Очистить "диаметром 2 кремниевую пластину с буферизацией Оксид Etch раствора (BOE) (6 частей 40% NH 4 F и 1 часть 49% HF) в течение 2 мин (Внимание: Опасные химические вещества). Выберите этот раз травления удалять любые органические или загрязнений на поверхности. Промыть деионизированной (DI) воде в течение приблизительно 5 мин. Сухой пластины с сухим N2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Никогда не работайте в одиночку при использовании HF. Всегда носит защиту для глаз с защитной маской и средств индивидуальной защиты (СИЗ) в случае разлива. Подать руководящие принципы для использования и обработки ВЧ отходов в лаборатории, где проводится травление.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 1,2 до 1,7 предназначены только для электрохимической блокировки. При выполнении блокировки с помощью растворения перейдите к шагу 2.
  2. Лечь на рабочий электрод, распыления 100 нм платины (Pt) на чистую диаметром 2 "кремниевуюна полупроводниковой пластине.
  3. Перед травлением платины тонкой пленки, очистить RIE камеру любых примесей или остатки фоторезиста от предыдущих сухих травит.
  4. не откачки камеры до базовой давлении 1 × 10 -5 Торр достигается. Убедитесь, что РФ питания установлен в 200 Вт и скорости потока для кислорода и аргона установлены в 50 кубических сантиметров в минуту и ​​10 кубических сантиметров в минуту соответственно. Зажечь Ar / O 2 плазмы и работать по крайней мере 1 час.
  5. Выключите Ar / O 2 плазмы и позволяют камере отверстие для примерно 10 мин.
  6. Чтобы протравить поверхности платины тонкой пленки, загрузить образец в камеру RIE и накачать камеру до базового давления 1 × 10 -5 Торр. На этот раз установить скорость потока аргона до 0 SCCM. Зажечь O 2 плазмы, и пусть этот процесс запустить в течение 30 мин.
  7. Выключите O 2 плазмы, и пусть камера отверстие для 10 мин.

2. термического испарения фотохромных молекулы Использование пользовательского Lой температура испарителя (LTE)

  1. Заполните AlO 2 лодку с 30 мг БТЭ и загрузить в пользовательский источник LTE (рисунок 6).
  2. Добавить кремниевой пластины в образец установки.
  3. Камеры уплотнения порты и камера насоса вниз к базовой давлением 1 х 10 -6 Торр.
  4. Упаривают BTE при температуре уставки 100 ° С, при толщине пленки 30 нм.
  5. Сразу же после испарения, наводнения освещения образца 5 мин УФ преобразовать материал BTE в замкнутой форме, 1c.
  6. Для того, чтобы определить размер выборки, расщеплять небольшой кусочек пластины с помощью алмазного писца поцарапать линию от края поверхности кремния. Захват пластину на обеих сторонах линии царапинам и согнуть пластину вниз до его разрыва вдоль плоскости кристалла.
  7. Провести измерения профилометра для проверки БТЭ малую толщину пленки. Чтобы сделать это, поцарапать пробы с использованием тонкому краю пинцет. Измерьте высоту ступеньки сюдам это царапина, которая является разница в высоте между правой и левой позиции курсора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Неточности в толщине пленки приведет к расхождениям в экспозиционной дозы.
  8. Магазин остающиеся пробы в N 2, заполненной перчаток.

3. Воздействие

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните все снимки в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Сколите образец, следуя той же процедуре, как описано в стадии 2,6.
  2. Образец нагрузки в инертной держателя образца атмосфера.
  3. Установите инертного держатель образца на сцене. Очистка образца с N 2.
  4. Защиту образца до желаемого времени экспозиции с помощью интерферометра, например, как показано на фиг.8.

4. электрохимическое окисление с использованием трех электродов ячейки

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните электрохимии в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Зажим чистый стеклянный флакон сверху на горячей плите. Поместите чистую мешалки в пробирку. Включите мешалкой.
  2. Очистите новую медную клип с метанолом. Очистите платины противоположный электрод с метанолом.
  3. Использование чистой меди клип, клип образца через одно из отверстий в колпачке флакона тефлоновой. Убедитесь в том, чтобы закрепить на открытую только платина.
  4. Поместите флакон крышкой тефлона на флаконе. Клип красный провод на платину противоположного электрода, а черный щуп на медную клипа выдержки образца.
  5. Использование чистого шприца заполнить флакон с фильтрованной деионизованной (DI) воды через второе отверстие в флакон крышкой тефлона. Заполните выше без погружения любой из неизолированных платины на образце.
  6. Пузырь азота в воде в течение 3-5 мин. Выключите азота.
  7. Поместите электрод во второй отверстие в колпачке флакона тефлоновой. Клип белил на электроде сравнения. Проверьте, чтобы убедиться, что никто голой платины Oп образец погружают.
  8. Использование вольтамографе, установить напряжение окисления до 0,5 В / сек.
  9. После желаемое время окисления истечет, включите питание вольтамографе прочь.
  10. Удалить красный, черный и белый клипы из платины противоположного электрода, медь клип, и электрод сравнения.
  11. Защиту образец УФ в течение 5 мин.

5. Пример разработки - Электрохимический Блокировка

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните развития в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Разработка образца в отфильтрованной 5 (вес%) изопропанола, 95 (мас%) этиленгликоль для требуемого количества времени. Примечание: как правило, 50 образцов нм разработаны в течение 30-60 сек, а образцы 80 нм разработаны для 60-180 сек.
  2. Сухой образец с сухим N2.
  3. Сразу подвергать образец 5 мин УФ.

6. Пример разработки - Растворение Блокировка

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните развития в условиях инертной среды для предотвращения деградации образца.

  1. Используя 100 мл этиленгликоля в чистом стеклянном стакане, развивать подвергается образец для требуемого времени разработки.
  2. Сухой образец с сухим N2. Сразу подвергать образец 5 мин УФ.

7. Мультиэкспозицию

  1. При выполнении нескольких экспозиций, повторите шаги 3-6 с переводом образца по отношению к оптике.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Готовые образцы:

Различные раз окисления были охарактеризованы как показано на атомно-силовом микрофотографии на рисунке 3 на окисление напряжением 0,85 В, определяемой из циклической вольтамперометрии. В 50 нм толщиной пленки под действием стоячей волны в λ = 647 нм периода 400 нм в течение 60 сек при плотности мощности 0,95 мВт / см 2. Как раз окисления увеличивается с 10 мин до 25 мин, можно ясно видеть, потерю контраста в некоторых регионах, состоящих из 1o окисляются, а также. Разработчик (5 (мас%) изопропанол: 95 (мас%) этиленгликоль) растворяет все окисленные части. Большие раз окисления приводит к неравномерному линии и увеличенной поверхностью неоднородностей после развития. Таким образом, тщательный выбор условий окисления имеет решающее значение для формирования рисунка с высоким качеством наноструктур. 2

Выше дипольный момент замкнутой формемолекулы, 1c, по сравнению с открытой формой, 1o, позволяет замкнутой форме, чтобы быть более растворим в полярных растворителях. Это представлено на рисунке 4, где половина образца превращают в замкнутой форме, 1c, а другая половина была преобразована в открытом виде, 1o. Затем образец разработан в 100 (вес%) этиленгликоля в течение нескольких разные моменты времени разработки, а затем толщина пленки остальные была измерена с помощью профилометра. Из этого графика высокая селективность фиксирующего растворения этапе видно. Чтобы удалить остаточный слой в замкнутой форме, 1c, в реактивное ионное травление (РИТ) процесса, используемого в Нанопечатная литография могут быть использованы. 13

Поскольку фотохромные пленка может легко восстановить в исходное состояние при воздействии УФ, что просто расширить эту идею в нескольких экспозиций. Это, конечно, необходимое для созданияплотные узоры. Здесь целесообразность такого подхода показан при выполнении две экспозиции одной и той же стоячей волны, но с ~ 45 ° поворота между ними (рис 5). Каждая экспозиция была проведена на Lloyd's интерферометр, со стоячей волной периода, 540 нм при λ = 647 нм (интенсивность падающего ~ 2,1 мВт / см 2) в течение 1 мин. После первого контакта, образец погружают в 100 (мас%) этиленгликоля в течение 30 мин и подвергали воздействию коротковолновой ультрафиолетовой лампой в течение 5 мин, чтобы преобразовать молекулы в исходное закрытым кольцевым изомера 1с. Затем образец поворачивают примерно на 45 ° по отношению к оптике, и проводили вторую воздействие стоячей волны. Опять же, образец погружают в 100% (мас) этиленгликоля в течение 30 мин. После каждого развития, образец промывали в деионизованной воде и сушили N 2. Соответствующие атомно-силовой микрофотография решает линии с интервалом низкое, как ~ 260 нм или & #955; /2.5, что составляет менее половины периода стоячей волны 3.

Чтобы проверить эффективность держателя образца, несколько экспозиций были выполнены, чтобы увидеть, если линия края шероховатости улучшилось. Если предположить, что падающий синусоидальный освещение, в результате размер функция может быть легко моделируется. На фиг.7, этот размер функция график в виде функции от времени экспозиции с помощью сплошной синей линией. Экспериментально измеренные значения отображаются с использованием кресты. Использование порог экспозиции в качестве единственной подгонки параметра, показано, что это можно объяснить простой моделью точно наши экспериментальные результаты. Наименьшее полученные экспериментально размер элемента составляет ~ 85 нм, что соответствует ширине линии ~ λ / 7,4. Более точный контроль времени экспозиции должны позволить даже небольшие особенности. Следует отметить, что при увеличении времени экспозиции, моделирование показывает, что размер элемента должен быть уменьшен значительно ниже дифракционного Li дальней зонеМассачусетского технологического института. С помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображения, показано, что линия краем шероховатости улучшилась с использованием инертного держатель образца атмосферы.

Рисунок 1
Рисунок 1. Структура органического фотохромные молекулы. Соединение 1 существует в открытом виде, и закрытая форма, 1С. Электрохимическое окисление избирательно преобразует в ​​1ox.

Фиг.2
Рисунок 2. POST метод. Экспозиция и рисунка "замок" шаги, необходимые для функции записи. (А) Электрохимическое окисление. (B) Растворение одного photoisomer.


Рисунок 3. Изолированные особенности. Атомно-силовая микрофотографии строк после развития для образцов в разное время окисления. 2 Толщина Тонкие пленки ~ 50 нм. Печатается с разрешения [Канту, П. и др. Субволновое nanopatterning фотохромных diarylethene фильмов. App. Phys. Lett., 100 (18), 183103]. Copyright [2012], издательство ООО AIP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Скорость растворения. Эта цифра показывает макроуровне растворимость и в 100 (вес%) Этилене гликоль. 3 толщина Тонкие пленки ~ 29 нм. Печатается с разрешения [Канту, П. и др. Nanopatterning из diarylethene фильмов с помощью селективного растворения одного photoisomer. App. Phys. Lett., 103 (17) 173112]. Copyright [2013], издательство ООО AIP.

Рисунок 5
Рисунок 5. Экспериментальная демонстрация двойной экспозиции Слева:.. Схематическое изображение ориентация образца для двойной экспозиции с помощью POST Справа: Атомно-силовая микрофотография полученного рисунка. Сила микрофотография атомной показывает наименьшее расстояние между объектами, как ~ 260 нм, что примерно половина период освещающей стоячей волны. 3 Печатается с разрешения [Канту, П. и др. Nanopatterning из diarylethene фильмов с помощью селективного DISSOлюция одного photoisomer. App. Phys. Lett., 103 (17) 173112]. Copyright [2013], издательство ООО AIP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Индивидуальная испарителя. Изображение низкотемпературной тепловой испарителя (LTE), используемого в технике POST. 2 Печатается с разрешения [Канту, П. и др. Субволновое nanopatterning фотохромных diarylethene фильмов. App. Phys. Lett., 100 (18), 183103]. Copyright [2012], издательство ООО AIP.

Рисунок 7
Рисунок 7. Ширина линии в зависимости от времени экспозиции для одного РАЗВИТИЕт и экспозиция. Случай моделируется синусоидальным подсветки показан как сплошной синей линии, в то время как экспериментальные данные показаны с помощью кресты. Предполагалось, синусоидальный освещение с периодом 457 нм. Врезка:. СЭМ изображения Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 8
Рисунок 8. Схема установки интерферометрии Маха-Цандера, используемого для облучения. В первой половине пластина используется для управления мощностью в каждой руке. Вторая половина пластина используется для управления поляризацией.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brimhall, N., Andrew, T. L., Manthena, R. V., Menon, R. Breaking the far-field diffraction limit in optical nanopatterning via repeated photochemical and electrochemical transitions in photochromic molecules. Physical Review Letters. 107, (20), 205501 (2011).
  2. Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning of photochromic diaryethene films. Applied Physics Letters. 100, (18), 183103 (2012).
  3. Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Nanopatterning of diarylethene films via selective dissolution of one photoisomer. Applied Physics Letters. 103, (17), 173112 (2013).
  4. Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9, (1), 413-418 (1873).
  5. Li, L., et al. Achieving λ/20 resolution by one-color initiation and deactivation of polymerization. Science. 324, (5929), 910-913 (2009).
  6. Fischer, J., von Freymann, G., Wegener, M. The materials challenge in diffraction-unlimited direct-laser-writing optical lithography. Advanced Materials. 22, (32), 3578-3582 (2010).
  7. Mirkin, C. A., et al. Beam pen lithography. Nature Nanotechnology. 5, 637-640 (2010).
  8. Xie, X., et al. Manipulating spatial light fields for micro- and nano-photonics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 44, 1109-1126 (2012).
  9. Leroy, J., et al. High-speed metal-insulator transition in vanadium dioxide films induced by an electrical pulsed voltage over nano-gap electrodes. Applied Physics Letters. 100, (21), 213507 (2012).
  10. Carr, D., Sekaric, L., Craighead, H. Measurement of nanomechanical resonant structures in single-crystal silicon. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16, (6), 3821-3824 (1998).
  11. Wilhelmi, O., et al. Rapid prototyping of nanostructured materials with a focused ion beam. Japanese Journal of Applied Physics. 47, (6), 2010-5014 (2008).
  12. Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316, (5828), 1153-1158 (2007).
  13. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 14, 4129 (1996).
  14. Guillemette, M. D., et al. Surface topography induces 3D self-orientation of cells and extracellular matrix resulting in improved tissue function. Integrative Biology. 1, (2), 196-204 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats