Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en 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

Optische lithografie is van essentieel belang in de fabricage van structuren op nanoschaal en apparaten. Toegenomen ontwikkelingen in de roman van lithografie technieken heeft de mogelijkheid om nieuwe generaties van nieuwe apparaten. 8-11 In dit artikel wordt een overzicht gepresenteerd van een klasse van optische lithografische technieken die diepe sub-golflengte resolutie met behulp van nieuwe photoswitchable moleculen te bereiken. Deze aanpak wordt genoemd Patterning via Optical-Verzadigbare Transitions (POST). 1-3

POST is een nieuwe nanofabricatie techniek die op unieke wijze de ideeën verzadigen optische overgangen van fotochrome moleculen, in het bijzonder (1,2-bis (5,5'-dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-een. Gemeenzaam, wordt deze verbinding genoemd BTE figuur 1, zoals die in gestimuleerde emissie-depletie (STED) microscopie 12, interferentie lithografie, waardoor het een krachtig hulpmiddel voor larg maakte-gebied parallel nanopatronen van diepe subwavelength functies op een verscheidenheid van oppervlakken met een mogelijke uitbreiding tot 2- en 3-dimensies.

De meekleurende laag is oorspronkelijk in een homogene toestand. Wanneer deze laag wordt blootgesteld aan een gelijkmatige verlichting van λ 1 het omzet in de tweede isomere toestand (1c), figuur 2. Vervolgens wordt het monster blootgesteld aan een gerichte knooppunt λ 2, waarbij het ​​monster in de eerste isomere toestand (converteert 1o) overal behalve in de directe omgeving van het knooppunt. Door het regelen van de dosis belichting kan de afmeting van de omgezette gebied worden willekeurig klein. Een volgende stap bevestiging van een van de isomeren selectief en irreversibel worden omgezet (vergrendeld) in een 3e toestand (in zwart) om het patroon te vergrendelen. Vervolgens wordt de laag gelijkmatig blootgesteld aan λ 1, die alles behalve de vergrendelde regio zet terug naar de oorspronkelijke staat. Dereeks stappen kunnen worden herhaald met een verplaatsing van het monster ten opzichte van de optiek, resulterend in twee afgesloten gebieden waarvan de afstand kleiner is dan het verre veld diffractiegrens. Derhalve kan elke willekeurige geometrie worden gevormd in een "dot matrix" mode. 1-3

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OPMERKING: Voer de volgende stappen onder cleanroom klasse 100 voorwaarden of beter.

1. Monstervoorbereiding

  1. Reinig een diameter 2 "silicium wafer met gebufferde Oxide Etch (BOE) oplossing (6 delen 40% NH4F en 1 deel 49% HF) gedurende 2 minuten (Let op: Gevaarlijke chemicaliën). Kies deze ets tijd om eventuele organische of verontreinigingen op het oppervlak te verwijderen. Spoelen met gedemineraliseerd water (DI) voor ongeveer 5 minuten. Droge wafel met droge N2.
    OPMERKING: Werk nooit alleen bij het gebruik van HF. Draagt ​​altijd oogbescherming met gezichtsbescherming en persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) in geval van morsen. Bericht richtlijnen voor het gebruik en de behandeling van HF afval in het lab waar het etsen wordt uitgevoerd.
    OPMERKING: Stappen 1,2-1,7 zijn uitsluitend elektrochemische vergrendeling. Als het uitvoeren van het vergrendelen via ontbinding gaat u naar stap 2.
  2. Om vast te stellen de werkende elektrode, sputteren 100 nm van Platina (Pt) op de schone 2 "sil diameterop wafer.
  3. Voordat het etsen van de platina dunne film, het reinigen van de RIE Kamer van onzuiverheden of overgebleven fotolak van afgelopen droog etsen.
  4. Pump down de kamer tot een basis druk van 1 × 10 -5 Torr wordt bereikt. Zorg ervoor dat de RF-vermogen is ingesteld op 200 W en de debieten voor de zuurstof en argon worden respectievelijk ingesteld op 50 SCCM en 10 SCCM. Steek de Ar / O2 plasma en laat minstens 1 uur.
  5. Schakel de Ar / O 2 plasma en laat de kamer vent voor ongeveer 10 min.
  6. Om de platina dunne film oppervlak etsen, laadt u het monster in de RIE kamer en pomp de kamer aan om de bodem druk van 1 × 10 -5 Torr. Dit keer zet de argon debiet op 0 SCCM. Steek de O2 plasma en laat dit proces gedurende 30 min.
  7. Schakel de O 2 plasma en laat de kamer vent voor 10 min.

2. Thermische Verdamping van Fotochromische Molecule Aangepaste Low Temperatuur verdamper (LTE)

  1. Vul AlO 2 boot met 30 mg van BTE en laden in aangepaste LTE bron (Figuur 6).
  2. Load silicium wafer in het sample te monteren.
  3. Afdichtingskamer havens en pompkamer aan om de bodem druk van 1 x 10 -6 Torr.
  4. Damp de BTE bij een gewenste temperatuur van 100 ° C, met een laagdikte van 30 nm.
  5. Onmiddellijk na verdamping vloed verlicht het monster 5 minuten van UV tot de BTE materiaal te transformeren naar de gesloten vorm, 1c.
  6. Om de steekproefomvang te bepalen, klieven een klein stukje van de wafer met behulp van een diamant schrijver te krabben een lijn vanaf de rand van het silicium oppervlak. Pak de wafel aan beide zijden van de kras lijn en buig de wafer naar beneden tot het breekt langs het kristal vliegtuig.
  7. Voeren profilometer metingen om te valideren BTE dunne laagdikte. Om dit te doen, krassen op het monster met een fijne rand pincet. Meet de instaphoogte from de kras, dat het hoogteverschil tussen het rechter en linker cursorpositie.
    OPMERKING: Onjuistheden in laagdikte zal leiden tot verschillen in dosis blootstelling.
  8. Store resterende monster in N 2 gevuld dashboardkastje.

3. Blootstelling

OPMERKING: Voer alle vorderingen in inerte atmosfeer voorwaarden om afbraak van het monster te voorkomen.

  1. Klieven monster door dezelfde procedure als beschreven in stap 2.6.
  2. Monster lading in inerte atmosfeer monsterhouder.
  3. Monteer inert monsterhouder op het podium. Purge monster met N2.
  4. Expose het monster op de gewenste belichtingstijd met een interferometer, zoals getoond in figuur 8.

4. Elektrochemische oxidatie gebruiken Drie elektrodecel

OPMERKING: Voer de elektrochemie onder inerte atmosfeer voorwaarden om afbraak van het monster te voorkomen.

  1. Klem een ​​schone glazen flesje bovenop de hete plaat. Leg een schone roerstaaf in de flacon. Zet de roerder.
  2. Reinig een nieuwe koperen clip met methanol. Reinig de platina tegenelektrode met methanol.
  3. Met een schone koperen clip clip het monster door een van de gaten in de Teflon flacon dop. Zorg ervoor dat u de clip op de blootgestelde alleen platina.
  4. Plaats de Teflon flacon dop op het flesje. Klem de rode draad op de platina tegenelektrode en de zwarte draad op de koperen clip houdt het monster.
  5. Met een schone spuit, vul de flacon met gefilterd gedeïoniseerd (DI) water door het tweede gat in de Teflon flacon dop. Vul oplopen zonder dompelen geven op de kale platina op het monster.
  6. Bubble stikstof door het water voor 3-5 minuten. Schakel de stikstof.
  7. Plaats de referentie-elektrode in de tweede opening in de flacon teflon kap. Clip de witte draad op de referentie-elektrode. Controleer of er geen kale platina o makenn het monster wordt ondergedompeld.
  8. Met behulp van een voltammograph, zet de oxidatie spanning tot 0,5 V / sec.
  9. Nadat de gewenste oxidatie tijd is verstreken, schakelt u de stroom naar de voltammograph af.
  10. Verwijder de rode, zwarte en witte clips van de platina tegenelektrode, koper clip, en de referentie-elektrode.
  11. Maak de monster UV gedurende 5 min.

5. Sample Development - Elektrochemische Locking

OPMERKING: Voer ontwikkeling onder inerte atmosfeer voorwaarden om afbraak van het monster te voorkomen.

  1. Ontwikkel het monster gefiltreerd 5 (gew%) isopropanol 95 (gew%) ethyleenglycol voor de gewenste tijdsduur. Opmerking: Typisch 50 nm monsters ontwikkeld gedurende 30-60 sec terwijl 80 nm monsters ontwikkeld 60-180 sec.
  2. Droge monster met droge N2.
  3. Monster onmiddellijk bloot aan 5 min van UV.

6. Sample Development - Ontbinding Locking

OPMERKING: Voer ontwikkeling onder inerte atmosfeer voorwaarden om afbraak van het monster te voorkomen.

  1. Met 100 ml ethyleenglycol in een schone glazen beker, ontwikkelen de blootgestelde monster voor de gewenste ontwikkelingstijd.
  2. Droge monster met droge N2. Monster onmiddellijk bloot aan 5 min van UV.

7. meerdere belichtingen

  1. Als het uitvoeren van meerdere belichtingen herhaal stappen 3-6 met een vertaling van het monster ten opzichte van de optica.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Verzonnen monsters:

Verschillende oxidatie keer werden gekarakteriseerd zoals geïllustreerd door de atomaire kracht microfoto in figuur 3 tegen oxidatie spanning van 0,85 V bepaald uit cyclische voltammetrie. De 50 nm dikke films werden blootgesteld aan een staande golf bij λ = 647 nm van de periode 400 nm gedurende 60 seconden bij een vermogensdichtheid van 0,95 mW / cm2. Aangezien de oxidatie tijd verhoogd van 10 min tot 25 min, kan men duidelijk een verlies van contrast als sommige van de gebieden uit 1o krijgen ook geoxideerd. De ontwikkelaar (5 (gew%) isopropanol: 95 (gew%) ethyleenglycol) lost alle geoxideerde delen. Grotere oxidatie tijden resulteren in een ongelijke lijn en verhoogde oppervlak ongelijkmatigheden na ontwikkeling. Daarom is een zorgvuldige keuze van de oxidatieomstandigheden is essentieel voor patroonvorming hoogwaardige nanostructuren. 2

De hogere dipoolmoment van de gesloten vormvan het molecuul, 1c, in vergelijking met de open vorm, 1o, maakt de gesloten vorm om beter oplosbaar in polaire oplosmiddelen. Dit is weergegeven in figuur 4, waarbij de helft van het monster werd omgezet in de gesloten vorm, 1c, en de andere helft werd omgezet in de open vorm, 1o. Het monster werd vervolgens ontwikkeld 100 (gew%) ethyleenglycol voor verschillende ontwikkelingstijden en de dikte van de resterende film werd gemeten met een profilometer. Uit deze grafiek de hoge selectiviteit van de ontbinding vergrendeling stap gezien. De overblijvende laag van de gesloten vorm, 1c, een reactief ionen etsen (RIE) werkwijze gebruikt nanoimprint lithografie kan worden verwijderd. 13

Aangezien de fotochrome film gemakkelijk kan herstellen naar zijn oorspronkelijke toestand na blootstelling aan UV, is eenvoudig het idee breiden meervoudige belichtingen. Dit is uiteraard voor totstandbrengingdichte patronen. Hier wordt de haalbaarheid van deze aanpak aangetoond door het uitvoeren van twee belichtingen van hetzelfde staande golf, maar met een ~ 45 ° rotatie daartussen (figuur 5). Elke vordering werd uitgevoerd op het Lloyd's-spiegel interferometer, met een staande golf van de periode, 540 nm bij λ = 647 nm (incident intensiteit ~ 2,1 mW / cm2) gedurende 1 min. Na de eerste blootstelling werd het monster ondergedompeld in 100 (gew%) ethyleenglycol gedurende 30 min en blootgesteld aan kortgolvig UV lamp voor 5 minuten om de moleculen te zetten in de originele gesloten ring isomeer 1c. Het monster werd daarna geroteerd ongeveer 45 ° ten opzichte van de optiek, en een tweede belichting om de staande golf uitgevoerd. Opnieuw werd het monster ondergedompeld in 100 (gew%) ethyleenglycol gedurende 30 min. Na elke ontwikkeling werd het monster gespoeld in gedeïoniseerd water en gedroogd met N2. De overeenkomstige atomic force microscoop lost lijnen met een onderlinge afstand zo klein ~ 260 nm of & #955; /2.5, dat is minder dan de helft van de periode van de staande golf 3.

Om de effectiviteit van de monsterhouder controleren, werden verschillende blootstellingen uitgevoerd om te zien of de lijn rand ruwheid verbeterd. Uitgaande van een incident sinusvormige verlichting, kan de resulterende elementafmeting gemakkelijk worden gesimuleerd. In figuur 7 is deze feature size uitgezet als functie van de belichtingstijd met het vaste blauwe lijn. De experimenteel gemeten waarden worden weergegeven met behulp van kruisen. De belichtingsdrempel als enige fitting parameter wordt aangetoond dat dit eenvoudige model nauwkeurig onze experimentele resultaten kunnen verklaren. De kleinste experimenteel verkregen feature size was ~ 85 nm, wat overeenkomt met een lijnbreedte van ~ λ / 7.4. Meer nauwkeurige controle van de belichtingstijd moet nog kleinere functies in te schakelen. Merk op dat als de belichtingstijd wordt verhoogd, de simulatie blijkt dat elementafmeting aanzienlijk onder het verre veld diffractie li te verlagenmit. Uit de scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden, wordt aangetoond dat de lijn rand ruwheid verbeterd met het gebruik van het inerte atmosfeer monsterhouder.

Figuur 1
Figuur 1. Biologische meekleurende molecuul structuur. Verbinding 1 bestaat in open vorm, 1o en de gesloten vorm, 1c. Elektrochemische oxidatie zet selectief 1c te 1ox.

Figuur 2
Figuur 2. POST techniek. Belichting en patroonvorming "vergrendelen" stappen die nodig zijn voor het opnemen van functie. (A) Elektrochemische oxidatie. (B) Ontbinding van een photoisomer.


Figuur 3. Geïsoleerde functies. Atomic kracht microfoto van lijnen na de ontwikkeling van de monsters op verschillende oxidatie tijden. 2 Dunne-film dikte van ~ 50 nm. Overgenomen met toestemming van [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatronen van meekleurende diarylethene films. App. Phys. Lett. 100 (18), 183.103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4. Ontbinding tarief. Deze figuur toont de macro-schaal oplosbaarheid van 1c en 1o in 100 (gew%) Ethylene glycol. 3 Thin-film dikte van ~ 29 nm. Overgenomen met toestemming van [Cantu, P., et al. Nanopatronen van diarylethene films via selectieve oplossing van één photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC.

Figuur 5
Figuur 5. Experimentele demonstratie van een double-exposure Links:.. Schematische weergave oriëntatie van het monster voor de dubbel-belichting met behulp van POST Rechts: Atomic force microfoto van het resulterende patroon. De atomic force microscoop onthult de kleinste afstand tussen de functies als ~ 260nm, dat is ongeveer de helft van de periode van het lichtdoorlatende staande golf. 3 Overgenomen met toestemming van [Cantu, P., et al. Nanopatronen van diarylethene films via selectieve dissolutie van één photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 6
Figuur 6. Custom verdamper. Afbeelding van de lage temperatuur thermische verdamper (LTE) gebruikt in de POST-techniek. 2 Overgenomen met toestemming van [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatronen van meekleurende diarylethene films. App. Phys. Lett. 100 (18), 183.103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC.

Figuur 7
Figuur 7. Lijnbreedte vs belichtingstijd voor een enkele development en belichting. is Het incident gesimuleerd sinusvormige lichtinvalshoeken als een stevige blauwe lijn, terwijl de experimentele gegevens wordt getoond met behulp van kruisen. Een sinusvormige belichting met periode van 457 nm werd aangenomen. Inzet:. SEM beelden Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8. Schematische voorstelling van de Mach-Zehnder interferometrie setup gebruikt voor uitzettingen. De eerste halve golf plaat wordt gebruikt om de macht in elke arm te controleren. De tweede halvegolflengteplaat wordt gebruikt om de polarisatie te besturen.

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