Mønster via Optiske mettes Transitions - Fabrikasjon og karakterisering

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

Optisk litografi er av sentral betydning i fabrikasjon av nanoskala strukturer og enheter. Økte fremskritt i romanen litografi teknikker har evnen til å aktivere nye generasjoner av nye enheter. 8-11 i denne artikkelen, en anmeldelse er presentert av en klasse av optiske litografiske teknikker som oppnår dyp sub-bølgelengde oppløsning ved hjelp av nye photoswitchable molekyler. Denne tilnærmingen kalles Mønstring via optisk-mettes Transitions (POST). 1-3

POST er en ny teknikk som nanofabrication unikt kombinerer ideene til metting optiske overganger av fotokromatiske molekyler, spesielt (1,2-bis (5,5'-dimetyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-en. Colloquially er denne forbindelsen refereres til som BTE, figur 1, slik som de som brukes i stimulert emisjon-uttømming (STED) mikroskopi 12, med forstyrrelser litografi, noe som gjør det til et kraftig verktøy for large-område parallelt nanopatterning av dype Subwavelength funksjoner på en rekke ulike overflater med potensiell forlengelse til 2- og 3-dimensjoner.

Fotokromatet laget er opprinnelig i en homogen stat. Når dette lag er utsatt for en jevn belysning av λ 1, konverterer det til den andre isomer tilstand (1c), Figur 2. Deretter ble prøven blir utsatt for en fokusert node ved λ 2, som omdanner prøven inn i den første isomer tilstand ( 1o) overalt unntatt i umiddelbar nærhet av noden. Under styreeksponeringsdosen, kan størrelsen av uomdannet region gjøres vilkårlig små. En etterfølgende fikseringstrinn av en av isomerene kan selektivt og irreversibelt omdannet (låses) i en 3 rd tilstand (sort) for å låse mønster. Deretter blir sjiktet eksponeres jevnt til λ 1, som omdanner alt bortsett fra den låste region tilbake til den opprinnelige tilstand. Denrekkefølge av trinn kan bli gjentatt med en forskyvning av prøven i forhold til optikken, som resulterer i to låste regioner som avstanden er mindre enn fjernfelts diffraksjonsgrensen. Derfor kan en vilkårlig geometri være mønstret i en "dot-matrix" fashion. 1-3

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: utføre alle de følgende trinnene under renrom klasse 100 forhold eller bedre.

1. Prøvepreparering

  1. Rengjøre en 2 "diameter silisium wafer med bufret Oxide Etch (BOE) løsning (6 deler 40% NH 4 F og en del 49% HF) for 2 min (OBS: Farlige kjemikalier). Velge denne etse tid for å fjerne eventuelle organiske bestanddeler eller forurensninger på overflaten. Skyll med deionisert (DI) vann i ca. 5 min. Tørr wafer med tørr N2.
    MERK: Arbeid aldri alene da HF. Bærer alltid vernebriller med visir og personlig verneutstyr (PVU) i tilfelle søl. Innlegg retningslinjer for bruk og håndtering av HF avfall i laboratoriet der etsning er utført.
    MERK: Trinnene 01.02 til 01.07 er for elektrokjemisk låsing bare. Hvis du utfører låsing via oppløsning går du til trinn 2.
  2. Å legge ned arbeidselektrode, frese 100 nm av Platinum (Pt) på ren 2 "diameter silisiumpå wafer.
  3. Før etsing platina tynn film, rengjør RIE kammer av urenheter eller left fotoresist fra tidligere tørre etches.
  4. Pumper ned i kammeret inntil et basistrykk på 1 x 10 -5 torr blir oppnådd. Pass på at RF power er satt til 200 W og strømningsrater for oksygen og argon er satt til 50 SCCM og 10 SCCM hhv. Tenn Ar / O 2 plasma og kjøre i minst 1 time.
  5. Slå av Ar / O 2 plasma og tillate kammeret ventilen i ca. 10 min.
  6. Å etse platina tynne filmoverflaten, laste prøven inn i RIE kammer og pumpe kammeret ned til et basistrykk på 1 x 10 -5 torr. Denne gangen stiller argon strømningshastighet til 0 SCCM. Tenn O 2 plasma og la denne prosessen kjøre i 30 min.
  7. Slå av O 2 plasma og la kammeret ventilen i 10 min.

2. Termisk Fordampning av skiftende Molecule hjelp Custom Low Temperatur Fordamper (LTE)

  1. Fyll AlO 2 båt med 30 mg av BTE og laste inn tilpassede LTE kilde (figur 6).
  2. Last silisium wafer inn prøven montere.
  3. Tetningskammeret porter og pumpekammeret ned til et basistrykk på 1 x 10 -6 Torr.
  4. Fordampe BTE ved en innstilt temperatur på 100 ° C, med en tykkelse på 30 nm.
  5. Umiddelbart etter fordampning, oversvømmelse belyse prøven i 5 min for å transformere UV BTE materialet til lukket form, 1c.
  6. For å kunne definere prøvestørrelse, spalter en liten del av skiven ved hjelp av en diamantspiss for å skrape en linje fra kanten av silisiumoverflaten. Ta tak i wafer på begge sider av scratch linje og bøy wafer nedover til den bryter sammen krystallplanet.
  7. Utføre profilometer målinger for å validere BTE tynn film tykkelse. For å gjøre dette, riper prøven med en fin kant pinsett. Mål trinnhøyde from dette scratch, som er høydeforskjellen mellom høyre og venstre markørposisjon.
    MERK: Unøyaktigheter i filmtykkelse vil føre til avvik i eksponering dose.
  8. Butikken gjenværende prøve i N2 fylt hanskerommet.

3. eksponeringer

MERK: Utfør alle eksponeringer under inert atmosfære forholdene for å unngå degradering av prøven.

  1. Spalter prøven ved å følge samme prosedyre som beskrevet i trinn 2.6.
  2. Last prøve i inert atmosfære prøveholderen.
  3. Montere inert prøveholderen på scenen. Purge prøven med N2.
  4. Eksponere prøven til den ønskede eksponeringstid ved hjelp av et interferometer, slik som den vist i figur 8.

4. Elektrokjemisk oksidasjon ved hjelp av tre elektrode Cell

MERK: Utfør elektrokjemi under inert atmosfære forholdene for å unngå degradering av prøven.

  1. Spenn en ren glassflaske på toppen av den varme platen. Plasser en ren røre bar i hetteglasset. Slå på røre.
  2. Rengjøre en ny kobber klipp med metanol. Rengjøre platina lektroden med metanol.
  3. Ved hjelp av en ren kobber klipp, klipp prøven gjennom ett av hullene i Teflon korken. Sørg for å klippe ut og inn den eksponerte platina bare.
  4. Plasser Teflon korken på flasken. Klipp den røde ledningen på platina lektroden og den sorte ledningen på kobber klippet holde prøven.
  5. Ved hjelp av et rent sprøyte, fyll ampullen med filtrert deionisert (DI) vann gjennom det andre hullet i teflon korken. Fyll så høyt uten å dyppe noen av de nakne platina på prøven.
  6. Boble nitrogen gjennom vann i 3-5 min. Slå av nitrogen.
  7. Plassere referanseelektroden i det andre hullet i teflon korken. Clip den hvite ledningen på referanseelektrode. Sjekk for å være sikker på at ingen av de nakne platina on prøven er neddykket.
  8. Ved hjelp av en voltammograph, setter oksidasjon spenningen til 0,5 V / sek.
  9. Etter ønsket oksidasjon tiden er utløpt, slår av strømmen til voltammograph av.
  10. Fjern de røde, sorte og hvite klipp fra platina lektroden, kobber klipp, og referanseelektrode.
  11. Utsette prøven til UV for 5 min.

5. Prøve Development - Elektrokjemisk Locking

MERK: Utfør utvikling under inert atmosfære forholdene for å unngå degradering av prøven.

  1. Utvikle prøven i filtrert 5 (vekt-%) isopropanol, 95 (vekt-%) etylenglykol for den ønskede tidsperiode. Merk: Typisk 50 nm prøvene er utviklet for 30-60 sek mens 80 nm prøvene er utviklet for 60-180 sek.
  2. Tørr prøve med tørr N2.
  3. Umiddelbart utsette prøven til 5 min av UV.

6. Prøve Development - Oppløsning Locking

MERK: Utfør utvikling under inert atmosfære forholdene for å unngå degradering av prøven.

  1. Ved hjelp av 100 ml etylenglykol i et rent begerglass, utvikle det eksponerte prøven for den ønskede utvikling tid.
  2. Tørr prøve med tørr N2. Umiddelbart utsette prøven til 5 min av UV.

7. Flere eksponeringer

  1. Hvis du utfører flere eksponeringer gjenta trinn 3-6 med en oversettelse av utvalget i forhold til optikken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fabrikkert prøver:

Forskjellige oksidasjons ganger ble karakterisert som illustrert ved atomstyrkemikrografer i figur 3 ved en oksidasjonsspenning på 0,85 V bestemmes ut fra syklisk voltammetri. De 50 nm tykke filmer ble utsatt for en stående bølge ved λ = 647 nm av perioden 400 nm i 60 sekunder ved en strømtetthet på 0,95 mW / cm2. Ettersom oxidation tiden økes fra 10 min til 25 min, kan man tydelig se et tap av kontrast som noen av de områder som besto av 1o bli oksydert i tillegg. Utvikleren (5 (vekt%) isopropanol: 95 (vekt%) etylenglykol) oppløser alle oksiderte porsjoner. Større oksidasjons ganger resultere i ujevn linje og økte overflateujevn etter fremkalling. Derfor er et forsiktig valg av oksidasjonsbetingelser kritisk for mønstring av høy kvalitet nanostrukturer. 2

Jo høyere dipolmoment for den lukkede formav molekylet, 1c, i forhold til den åpne form, 1o, gjør det mulig for den lukkede form for å være mer oppløselige i polare oppløsningsmidler. Dette er representert i figur 4, hvor halvparten av prøven ble omdannet til den lukkede form, 1c, og den andre halvparten ble omdannet til den åpne form, 1o. Prøven ble så utviklet i 100 (vekt%) etylenglykol for flere forskjellige utviklingstider og deretter tykkelsen av filmen gjenværende ble målt ved anvendelse av en profilometer. Fra denne grafen høy selektivitet av oppløsningen låse trinnet er sett. For å fjerne den gjenværende lag av den lukkede form, 1c, en reaktiv ioneetsing (RIE) prosessen som anvendt i nanoimprint litografi kan anvendes. 13

Siden den fotokromiske filmen lett kan komme til sin opprinnelige tilstand ved å utsettes for UV-stråling, er det lett å utvide ideen til flere eksponeringer. Dette er selvsagt nødvendig for å skapetette mønstre. Her, er gjennomførbarheten av denne metoden vist ved å utføre to eksponeringer av det samme stående bølge, men med et ~ 45 ° dreining i mellom (figur 5). Hver eksponering ble gjennomført på Lloyd-speilet interferometer, med en stående bølge av perioden, 540 nm ved λ = 647 nm (innfallende intensitet ~ 2,1 mW / cm2) i 1 min. Etter den første eksponeringen ble prøven nedsenket i glykol 100 (vekt%) av etylen i 30 minutter, og eksponert for kort bølgelengde UV-lampe i 5 min for å omdanne molekylene til den opprinnelige lukket-ring-isomer 1c. Prøven ble deretter rotert omtrent 45 ° i forhold til optikken, og en andre eksponering for den stående bølge ble utført. Igjen ble prøven nedsenket i 100 (vekt%) etylenglykol i 30 min. Etter hvert utvikling, ble prøven renset i deionisert vann og tørket med N2. Den tilsvarende atom-kraft mikrograf løser linjer med avstand så liten som ~ 260 nm eller & #955, /2.5, som er mindre enn halvparten av perioden av den stående bølge tre.

For å verifisere effekten av prøveholderen ble flere eksponeringer utført for å se om linjen kanten ruhet hadde bedret. Forutsatt at en innfallende sinusformet belysning, kan den resulterende funksjonen størrelse lett bli simulert. I figur 7 er denne funksjonen størrelsen er plottet som en funksjon av eksponeringstiden ved å bruke den faste blå linje. De eksperimentelt målte verdier vises med kors. Ved hjelp av eksponeringsterskelen som den eneste passende parameter, er det vist at denne enkle modell kan nøyaktig forklare våre eksperimentelle resultater. Den minste eksperimentelt oppnådde trekkstørrelse var ~ 85 nm, som tilsvarer en linjebredde på ~ λ / 7.4. Mer nøyaktig kontroll av eksponeringstiden bør sette enda mindre funksjoner. Legg merke til at eksponeringstiden økes, viser simuleringen at funksjonen størrelse bør reduseres betydelig under den langt-feltet diffraksjon limit. Fra scanning-elektronmikroskop (SEM) bilder, er det vist at linjebryt ruhet er forbedret ved bruk av inert atmosfære prøveholderen.

Figur 1
Figur 1. Organisk fotokromisk molekyl struktur. Compound 1 finnes i åpen form, 1o og lukket form, 1c. Elektrokjemisk oksidasjon selektivt konverterer 1c til 1ox.

Figur 2
Figur 2. POST teknikk. Eksponering og mønster "låse" trinn som kreves for opptak funksjonen. (A) Elektrokjemisk oksydasjon. (B) Oppløsning av ett photoisomer.


Figur 3. Isolert funksjoner. Atomic force mikroskopi av linjer etter utvikling for prøver på ulike oksidasjons ganger. 2 Thin-film tykkelse på ~ 50 nm. Gjengitt med tillatelse fra [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning av skiftende diarylethene filmer. App. Phys. Lett., 100 (18), 183 103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Oppløsning rate. Denne figuren viser Macro-skala løseligheten av 1c og 1o i 100 (vekt%) Ethylene glykol. 3 Thin-film tykkelse på ~ 29 nm. Gjengitt med tillatelse fra [Cantu, P., et al. Nanopatterning av diarylethene filmer via selektiv oppløsning av ett photoisomer. App. Phys. Lett., 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC.

Figur 5
Figur 5. Eksperimentell demonstrasjon av en dobbel-eksponering Venstre:.. Skjematisk viser retningen på prøven for dobbel-eksponering ved hjelp POST Høyre: Atomic force mikroskopibilde av den resulterende mønster. Den atomic force mikrografi viser den minste avstand mellom de trekk som er ~ 260 nm, noe som er omtrent halvparten av perioden av belyse stående bølge. 3 Gjengitt med tillatelse fra [Cantu, P., et al. Nanopatterning av diarylethene filmer via selektiv dissorensning av ett photoisomer. App. Phys. Lett., 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Custom fordamperen. Bilde av den lave temperaturen termisk fordamperen (LTE) brukes i POST teknikk. 2 Gjengitt med tillatelse fra [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning av skiftende diarylethene filmer. App. Phys. Lett., 100 (18), 183 103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC.

Figur 7
Figur 7. linjebredde vs eksponeringstiden for en enkelt development og eksponering. er Hendelsen simulert sinus belysning vist som en blå linje, mens den eksperimentelle data er vist ved hjelp av kors. En sinus belysning med periode på 457 nm ble antatt. Innfelt:. SEM bilder Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Skjematisk av Mach-Zehnder interferometri oppsettet som brukes for eksponeringen. Den første halvbølgeplaten blir brukt til å styre strømmen i hver arm. Den andre halvbølgeplaten blir brukt til å styre polarisasjonen.

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