Automatic Translation

This translation into Danish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Engineering

Mønster via optisk mættede Transitions - fremstilling og karakterisering

1, 2, 1

1Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Utah, 2Department of Chemistry, The University of Wisconsin-Madison

Article
    Downloads Comments Metrics Publish with JoVE

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    Enter your email to receive a free trial:

    Welcome!

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


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

    Admit it, you like to watch.

     

    Summary

    Cite this Article

    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).

    Introduction

    Optisk litografi er af afgørende betydning i fremstillingen af ​​nanoskala strukturer og enheder. Øget fremskridt i nye litografiteknikker har evnen til at gøre det muligt for nye generationer af nye enheder. 8-11 i denne artikel, en gennemgang præsenteres af en klasse af optiske litografiske teknikker, som opnår dyb sub-bølgelængde opløsning ved hjælp af nye photoswitchable molekyler. Denne tilgang kaldes mønster via optisk umættet Overgange (POST). 1-3

    POST er en hidtil ukendt nanofabrikation teknik, der unikt kombinerer ideer mætte optiske overgange i fotokrome molekyler, især (1,2-bis (5,5'-dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-en. I daglig tale er dette stof kaldet BTE, figur 1, såsom dem, der anvendes i en stimuleret emission-depletion (STED) mikroskopi 12, med litografi interferens, hvilket gør det et stærkt værktøj til large-område parallel nanopatterning af dybe subwavelength funktioner på en række forskellige overflader med potentiel udvidelse til 2- og 3-dimensioner.

    Det fotokrome lag er oprindeligt i en homogen tilstand. Når dette lag er udsat for en ensartet belysning af λ 1, den omdannes til den anden isomer tilstand (1c), figur 2. Derefter prøven udsættes for en fokuseret knudepunkt ved λ 2, som omdanner prøven i den første isomere tilstand ( 1o) overalt, undtagen i umiddelbar nærhed af knudepunktet. Ved at styre dosis eksponering kan størrelsen af ​​den uomdannede region gøres vilkårligt lille. En efterfølgende fastsættelse trin af en af isomererne kan være selektivt og irreversibelt konverteres (låst) i en 3 rd tilstand (i sort) for at låse mønster. Dernæst laget udsættes ensartet for λ 1, som konverterer alt undtagen den låste region tilbage til den oprindelige tilstand. Densekvens af trin kan gentages med en forskydning af prøven i forhold til optikken, hvilket resulterer i to låste regioner, hvis afstand er mindre end fjernfelts diffraktion grænsen. Derfor kan enhver vilkårlig geometri være mønstret i en "dot-matrix" mode. 1-3

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Protocol

    BEMÆRK: foretage alle trin under renrum klasse 100 betingelser eller bedre.

    1. Prøvefremstilling

    1. Rengør et 2 "diameter silicium wafer med buffered Oxide Etch (BOE) opløsning (6 dele 40% NH4 F og 1 del 49% HF) i 2 min (Advarsel: Farlige kemikalier). Vælg denne etch tid til at fjerne eventuelle organiske eller forurenende stoffer på overfladen. Skyl med deioniseret (DI) vand i ca. 5 min. Dry wafer med tør N2.
      BEMÆRK: Arbejd aldrig alene, når du bruger HF. Bærer altid beskyttelsesbriller med ansigtsmaske og personlige værnemidler (PPE) i tilfælde af spild. Indlæg retningslinjer for anvendelsen og håndteringen af ​​HF affald i laboratoriet, hvor ætsning udføres.
      BEMÆRK: Trin 1,2-1,7 er kun til elektrokemisk låsning. Hvis der udføres låsning via opløsning videre til trin 2.
    2. At fastsætte arbejdselektroden, sputter 100 nm af Platinum (Pt) på ren 2 "diameter SILICpå wafer.
    3. Før ætsning platin tynd film, rengøre RIE kammer af eventuelle urenheder eller rester fotoresist fra tidligere tørre ætser.
    4. Pump down kammeret, indtil en base tryk på 1 x 10 -5 Torr opnås. Sørg for, at RF-effekt er sat til 200 W og strømningshastigheder for oxygen og argon er sat til 50 SCCM og 10 SCCM hhv. Tænd Ar / O 2 plasma og køre i mindst 1 time.
    5. Sluk Ar / O 2 plasma og tillade kammeret udluftning for ca. 10 min.
    6. For at ætse platin tyndfilm overflade, indlæse prøven i RIE kammer og pumpe kammeret ned til en base tryk på 1 × 10 -5 Torr. Denne gang indstiller argon flow til 0 SCCM. Tænd O 2 plasma og lade denne proces løbe i 30 minutter.
    7. Sluk O 2 plasma og lade kammeret udluftning i 10 min.

    2. Termisk fordampning af Fotokromisk Molecule Brug af brugerdefinerede Low Temperatur Fordamper (LTE)

    1. Fyld AlO 2 båd med 30 mg BTE og indlæse i brugerdefinerede LTE kilde (figur 6).
    2. Load silicium wafer i prøven mount.
    3. Tætningskammeret havne og pumpe kammer ned til en base tryk på 1 x 10 -6 Torr.
    4. Inddampes BTE ved et setpunkt temperatur på 100 ° C, med en lagtykkelse på 30 nm.
    5. Umiddelbart efter inddampning, oversvømmelse belyse prøven til 5 min UV at omdanne BTE materiale til den lukkede form, 1c.
    6. For at definere stikprøvestørrelsen, kløve et lille stykke af skiven ved hjælp af en diamant skriftklog at ridse en linje fra kanten af ​​silicium overflade. Tag skiven på begge sider af bunden linje og bøj skiven nedad, indtil det bryder langs krystal flyet.
    7. Udfør profilometer målinger for at validere BTE tynd filmtykkelse. For at gøre dette, ridse prøven med en fin kant pincet. Mål trinhøjde from dette bunden, som er højdeforskellen mellem højre og venstre cursor position.
      BEMÆRK: Unøjagtigheder i lagtykkelse vil medføre uoverensstemmelser i dosis eksponering.
    8. Store resterende prøve i N2 fyldt handskerummet.

    3. Engagementer

    BEMÆRK: Udfør alle engagementer under inert atmosfære for at hindre nedbrydning af prøven.

    1. Spalte prøven ved at følge den samme procedure som beskrevet i trin 2.6.
    2. Load prøve i inert atmosfære prøveholder.
    3. Monter inaktiv prøveholder på scenen. Purge prøven med N2.
    4. Bring prøven til den ønskede eksponeringstid ved hjælp af en interferometer, som den vist i figur 8.

    4. elektrokemisk oxidation ved hjælp af tre Elektrode Cell

    BEMÆRK: Udfør elektrokemi under inert atmosfære for at hindre nedbrydning af prøven.

    1. Klem et rent hætteglas oven på den varme plade. Placer en ren omrøring bar i hætteglasset. Tænd for omrører.
    2. Rengør en ny kobber klip med methanol. Rengør platin modelektroden med methanol.
    3. Ved hjælp af en ren kobber klip, klip prøven gennem et af hullerne i hætteglassets hætte Teflon. Sørg for at klippe på den blottede kun platin.
    4. Anbring Teflon hætteglasset hætten på hætteglasset. Klip den røde ledning på platin modelektroden og den sorte ledning på kobber klippet holder prøven.
    5. Ved hjælp af en ren sprøjte fylde hætteglasset med filtreret deioniseret (DI) vand gennem det andet hul i hætteglassets hætte Teflon. Fyld så højt uden at nedsænke nogen af ​​de nøgne platin på prøven.
    6. Bubble kvælstof gennem vandet i 3-5 min. Sluk nitrogen.
    7. Placer referenceelektroden i det andet hul i hætteglasset cap Teflon. Klip blyhvidt på referenceelektrode. Kontroller, at ingen af ​​de nøgne platin on prøven nedsænket.
    8. Ved hjælp af en voltammograph indstille oxidation spænding til 0,5 V / sek.
    9. Efter der er gået den ønskede oxidation tid, tænde for strømmen til voltammograph fra.
    10. Fjern den røde, sorte og hvide klip fra platin modelektroden, kobber klippet, og referenceelektrode.
    11. Udsætte prøven for UV i 5 minutter.

    5. Prøve Development - Elektrokemisk Låsning

    BEMÆRK: Udfør udvikling under inert atmosfære for at hindre nedbrydning af prøven.

    1. Develop prøven i filtreret 5 (vægt%) isopropanol, 95 (vægt%) ethylenglycol for den ønskede tid. Bemærk: typisk 50 nm prøver er udviklet til 30-60 sek, mens 80 nm prøver er udviklet til 60-180 sek.
    2. Tør prøve med tør N2.
    3. Umiddelbart udsætte prøven for 5 min UV.

    6. Prøve Development - Opløsning Låsning

    BEMÆRK: Udfør udvikling under inert atmosfære for at hindre nedbrydning af prøven.

    1. Anvendes 100 ml ethylenglycol i en ren bægerglas udvikle den udsatte prøve til den ønskede udvikling tid.
    2. Tør prøve med tør N2. Umiddelbart udsætte prøven for 5 min UV.

    7. Flere Engagementer

    1. Hvis der udføres flere eksponeringer gentage trin 3-6 med en oversættelse af prøven i forhold til optikken.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Bearbejdede prøver:

    Forskellige oxidationstrin gange blev karakteriseret som illustreret ved atomar kraft micrographs i figur 3 ved en oxidation spænding på 0,85 V bestemmes ud fra cyklisk voltammetri. De 50 nm tykke film blev udsat for en stående bølge ved λ = 647 nm af periode 400 nm i 60 sekunder ved en effekttæthed på 0,95 mW / cm2. Da oxidation tid øges fra 10 min til 25 min, kan man tydeligt se et tab af kontrast som nogle af de områder, der er omfattet af 1o bliver oxideret så godt. Udvikleren (5 (vægt%) isopropanol: 95 (vægt%) ethylenglycol) opløser alle oxiderede portioner. Større oxidation gange resultere i uensartet linje og forøget overfladeareal uensartetheder efter udvikling. Derfor er en omhyggeligt valg af oxidationsbetingelser er kritisk for mønsterdannelse høj kvalitet nanostrukturer. 2

    Den højere dipolmoment af den lukkede formaf molekylet, 1c, i forhold til den åbne form, 1o, giver mulighed for den lukkede form til at være mere opløselige i polære opløsningsmidler. Dette er repræsenteret i figur 4, hvor halvdelen af prøven blev omdannet til den lukkede form, 1c, og den anden halvdel blev omdannet til den åbne form, 1o. Prøven blev derefter udviklet i 100 (vægt%) ethylenglycol til flere forskellige udvikling gange og derefter tykkelsen af ​​filmen resterende blev målt ved anvendelse af et profilometer. Fra denne graf den høje selektivitet af opløsning låsning trin ses. For at fjerne den resterende lag af den lukkede form, 1c, en reaktiv ion ætsning (RIE) fremgangsmåde som anvendt i nanoimprintlitografi kunne anvendes. 13

    Da det fotokrome film kan let komme til sin oprindelige tilstand ved udsættelse for UV, er det ligetil at udvide ideen til flere eksponeringer. Dette er naturligvis nødvendigt for at skabetætte mønstre. Her er muligheden for denne tilgang er vist ved at udføre to eksponeringer af samme stående bølge, men med en ~ 45 ° rotation imellem (figur 5). Hver eksponering blev gennemført på Lloyd's-spejl interferometer, med en stående bølge af perioden, 540 nm ved λ = 647 nm (indfaldende intensitet ~ 2,1 mW / cm2) i 1 min. Efter den første eksponering blev prøven nedsænket i 100 (vægt%) ethylenglycol i 30 minutter og udsat for korte bølgelængde UV-lampe i 5 minutter for at omdanne molekylerne til den oprindelige lukkede ring isomer 1c. Prøven blev derefter roteret ca. 45 ° i forhold til optikken, og en anden eksponering for den stående bølge blev udført. Igen blev prøven nedsænket i 100 (vægt%) ethylenglycol i 30 minutter. Efter hver udvikling blev prøven skyllet i deioniseret vand og tørret med N2. Den tilsvarende atomic-force mikrograf løser linjer med mellemrum så lille som ~ 260 nm eller & #955; /2.5, hvilket er mindre end halvdelen af perioden med den stående bølge 3.

    For at verificere effektiviteten af ​​prøveholderen blev flere eksponeringer udført for at se, om den linje kant ruhed var forbedret. Under forudsætning af en hændelse sinusformet belysning, kan den resulterende funktion størrelse let simuleres. I figur 7 er denne funktion størrelse plottet som funktion af eksponeringstiden ved hjælp af den faste blå linje. De eksperimentelt målte værdier er vist ved hjælp af krydser. Brug af tærsklen eksponering som den eneste montering parameter, er det vist, at denne simple model præcist kan forklare vores eksperimentelle resultater. Den mindste eksperimentelt opnåede funktion størrelse var ~ 85 nm, svarende til en liniebredde på ~ λ / 7.4. Mere præcis styring af eksponeringstid skal gøre det muligt endnu mindre funktioner. Bemærk, at da eksponeringstiden øges, simuleringen viser, at funktionen størrelse bør reduceres væsentligt under langt-området diffraktion limit. Fra scanning elektron mikroskop (SEM) billeder, er det vist, at line-kant ruhed er forbedret med brugen af ​​den inaktive atmosfære prøveholderen.

    Figur 1
    Forbindelse figur 1. Organisk fotochrom molekyle struktur. 1 findes i åben form 1o og den lukkede form, 1c. Elektrokemisk oxidation selektivt omdanner 1c til 1ox.

    Figur 2
    Figur 2. POST teknik. Eksponering og mønster "låse" nødvendige skridt til registrering af funktion. (A) Elektrokemisk oxidation. (B) Opløsning af en photoisomer.


    Figur 3. Isoleret funktioner. Atomic force mikrografier af linjer efter udviklingen for prøver på forskellige oxidation tidspunkter. 2 Thin-film tykkelse på ~ 50 nm. Genoptrykt med tilladelse fra [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning af fotokrome diarylethene film. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Ophavsret [2012], AIP Publishing LLC. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

    Figur 4
    Figur 4. Opløsningshastighed. Denne figur viser opløselighed makro-skala af 1c og 1o i 100 (vægt%) Ethylene glycol. 3 Thin-film tykkelse ~ 29 nm. Genoptrykt med tilladelse fra [Cantu, P., et al. Nanopatterning af diarylethene film via selektiv opløsning af en photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC.

    Figur 5
    Figur 5. Eksperimentel demonstration af en dobbelt-eksponering Venstre:.. Skematisk viser orienteringen af prøven til dobbelt-eksponering ved hjælp af POST højre: Atomic force mikrograf af det resulterende mønster. Den atomic force mikrografi afslører den mindste afstand mellem funktioner som ~ 260 nm, hvilket er ca. halvdelen af perioden af den lysende stående bølge. 3 Genoptrykt med tilladelse fra [Cantu, P., et al. Nanopatterning af diarylethene film via selektiv dissolution af en photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

    Figur 6
    Figur 6. Brugerdefineret fordamper. Billede af den lave temperatur termisk fordamper (LTE), der anvendes i POST teknik. 2 Genoptrykt med tilladelse fra [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning af fotokrome diarylethene film. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Ophavsret [2012], AIP Publishing LLC.

    Figur 7
    Figur 7. linewidth vs eksponeringstid for en enkelt UDVIKLINGSt og eksponering. er Hændelsen simuleret sinusformet belysning vist som en helt blå linje, mens de eksperimentelle data er vist ved hjælp af krydser. En sinusformet belysning med periode på 457 nm blev antaget. Indsat:. SEM billeder Klik her for at se en større version af dette tal.

    Figur 8
    Figur 8. Skematisk af Mach-Zehnder interferometri setup bruges til engagementer. Den første halve bølge plade bruges til at styre strømmen i hver arm. Den anden halvbølge plade bruges til at styre polarisering.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    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

    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.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter