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 JoVE Engineering

Patterning par Transitions Optical saturable - Fabrication et caractérisation

1, 2, 1

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

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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).

    Introduction

    Lithographie optique est d'une importance clé dans la fabrication de structures et dispositifs à l'échelle nanométrique. Progrès accrus dans de nouvelles techniques de lithographie a la capacité de permettre à de nouvelles générations de nouveaux dispositifs. 8-11 Dans cet article, un examen est présentée d'une classe de techniques lithographiques optiques qui permettent d'atteindre une résolution sub-longueur d'onde profonde en utilisant de nouvelles molécules photoswitchable. Cette approche est appelée Modélisation via optique saturable Transitions (POST) 1-3.

    POST est une nouvelle technique de nanofabrication qui combine de façon unique les idées de saturer transitions optiques de molécules photochromiques, spécifiquement (1,2-bis (5,5'-diméthyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-ène. Familièrement, ce composé est appelé BTE, Figure 1, tels que ceux utilisés dans l'émission stimulée appauvrissement (STED) microscopie 12, avec une interférence lithographie, ce qui en fait un outil puissant pour large-zone nanostructuration parallèle de fonctions de Subwavelength profondes sur une variété de surfaces avec extension potentielle à 2 et 3 dimensions.

    La couche photochromique est à l'origine dans un état homogène. Lorsque cette couche est exposée à un éclairage uniforme de λ 1, on convertit en le second état ​​d'isomères (1c), la figure 2. Ensuite, l'échantillon est exposé à un noeud ciblé à λ 2, qui convertit l'échantillon dans le premier état ​​d'isomères ( 1o) partout, sauf dans le proche voisinage du noeud. En commandant la dose d'exposition, la taille de la région ne ayant pas réagi peut être rendue arbitrairement faible. Une étape de fixation ultérieure de l'un des isomères peut être sélectivement et irréversiblement transformée (verrouillé) dans un 3 ème Etat (en noir) pour verrouiller le motif. Ensuite, la couche est exposée uniformément à λ 1, qui convertit tout sauf la région verrouillée à l'état d'origine. Leséquence d'étapes peut être répétée avec un déplacement de l'échantillon par rapport à l'optique, résultant en deux régions verrouillées dont l'écartement est inférieur à la limite de diffraction en champ lointain. Par conséquent, ne importe quelle géométrie arbitraire peut être modelée de façon "matricielle". 1-3

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    Protocol

    REMARQUE: effectuer toutes les étapes suivantes en vertu de salle blanche de classe 100 de conditions ou mieux.

    Préparation de l'échantillon 1.

    1. Nettoyer une plaquette de silicium de 2 "de diamètre avec Buffered Oxide Etch (BOE) solution (6 pièces 40% de NH 4 F et une partie 49% HF) pendant 2 min (Attention: produits chimiques dangereux). Choisissez cette fois de gravure pour enlever les contaminants organiques ou à la surface. Rincer à l'eau désionisée (DI) de l'eau pendant environ 5 min. Plaquette sec avec N2 sec.
      NOTE: Ne jamais travailler seul lors de l'utilisation HF. Porte toujours des lunettes de protection avec écran facial et des équipements de protection individuelle (EPI) en cas de déversements. directives de mission pour l'utilisation et la manipulation des déchets de HF dans le laboratoire où la gravure est effectuée.
      REMARQUE: les étapes 1.2 à 1.7 sont pour le verrouillage électrochimique seulement. Si vous effectuez de verrouillage via la dissolution passez à l'étape 2.
    2. Pour fixer l'électrode de travail, pulvérisation 100 nm de platine (Pt) sur le nettoyage 2 "de diamètre Silicsur la plaquette.
    3. Avant de graver le film mince de platine, nettoyer la chambre RIE de toute impureté ou résine photosensible restes de gravures sèches précédentes.
    4. Pomper la chambre jusqu'à une pression de base de 1 × 10 -5 Torr est obtenue. Assurez-vous que la puissance RF est réglé à 200 W et les débits pour l'oxygène et de l'argon sont fixés à 50 sccm et 10 sccm respectivement. Allumer le Ar / O 2 plasma et fonctionner pendant au moins 1 h.
    5. Éteignez l'Ar / O 2 plasma et permettent la chambre de ventilation pendant environ 10 min.
    6. Pour graver la surface du film mince de platine, charger l'échantillon dans la chambre RIE et pomper la chambre jusqu'à une pression de base de 1 × 10 -5 Torr. Cette fois réglé le débit d'argon à 0 sccm. Allumer le plasma O 2 et laisser ce processus de fonctionner pendant 30 min.
    7. Éteignez le plasma O 2 et laissez la chambre de ventilation pendant 10 min.

    2. évaporation thermique des photochromique molécule en utilisant personnalisée Low évaporateur Température (LTE)

    1. Remplissez AlO2 bateau avec 30 mg de BTE et charger dans la source d'LTE personnalisé (figure 6).
    2. Charge plaquette de silicium dans l'échantillon de montage.
    3. orifices de la chambre d'étanchéité de la pompe et la chambre jusqu'à une pression de base de 1 x 10 -6 Torr.
    4. Evaporer le contour à une température de consigne de 100 ° C, avec une épaisseur de film de 30 nm.
    5. Immédiatement après l'évaporation, inondation illuminer l'échantillon à 5 min de UV pour transformer la matière BTE à la forme fermée, 1c.
    6. Afin de définir la taille de l'échantillon, cliver un petit morceau de la galette à l'aide d'une pointe en diamant pour rayer une ligne à partir du bord de la surface de silicium. Saisir la tranche des deux côtés de la ligne de rayure et plier la plaquette vers le bas jusqu'à ce qu'il casse le long du plan de cristal.
    7. Effectuer des mesures de profilomètre pour valider BTE épaisseur de film mince. Pour ce faire, rayer l'échantillon en utilisant une amende pinces de bord. Mesurer la hauteur de la marche vientm ce scratch, qui est la différence de hauteur entre le droit et la position du curseur gauche.
      REMARQUE: inexactitudes dans l'épaisseur du film seront entraîner des écarts de la dose d'exposition.
    8. Magasin échantillon restant en N 2 boîte à gants remplie.

    3. Les expositions

    REMARQUE: Effectuer toutes les expositions dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

    1. Cliver l'échantillon en suivant la même procédure que décrite dans l'étape 2.6.
    2. échantillon de charge inerte en porte-échantillon de l'atmosphère.
    3. Montez porte-échantillon inerte sur scène. échantillon de purge avec du N2.
    4. Exposer l'échantillon à la durée d'exposition désirée à l'aide d'un interféromètre, tel que celui représenté sur la figure 8.

    4. oxydation électrochimique en utilisant trois électrodes cellulaire

    REMARQUE: Effectuer l'électrochimie dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

    1. Fixer un flacon de verre propre sur le dessus de la plaque chauffante. Placez une barre d'agitation propre dans le flacon. Tournez sur l'agitateur.
    2. Nettoyer un nouveau clip de cuivre avec du méthanol. Nettoyez le contre-électrode de platine avec du méthanol.
    3. En utilisant un clip de cuivre propre, couper l'échantillon à travers un des trous dans le bouchon du flacon de Téflon. Assurez-vous de couper sur la platine exposée seulement.
    4. Placer le flacon bouchon Téflon sur le flacon. Connectez le fil rouge sur le comptoir de platine électrode et le fil noir sur le clip de cuivre contenant l'échantillon.
    5. En utilisant une seringue propre, remplir le flacon avec déminéralisée filtrée (DI) de l'eau à travers le deuxième trou dans le bouchon du flacon de Téflon. Remplissez aussi élevé sans immersion du platine toute nue sur l'échantillon.
    6. Bubble azote dans l'eau pendant 3-5 min. Éteignez l'azote.
    7. Placer l'électrode de référence dans le deuxième trou dans le bouchon du flacon de Téflon. Connectez le fil blanc sur l'électrode de référence. Assurez-vous qu'aucun de platine o nuen l'échantillon est immergé.
    8. L'utilisation d'un voltammograph, régler la tension d'oxydation à 0,5 V / s.
    9. Après le temps d'oxydation désiré se est écoulé, coupez l'alimentation à l'voltammograph off.
    10. Retirez les clips rouge, noir, et blanc de la contre-électrode en platine, un clip de cuivre, et l'électrode de référence.
    11. Exposer l'échantillon aux UV pendant 5 min.

    5. Exemple de développement - électrochimique Verrouillage

    REMARQUE: Effectuez développement dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

    1. Développer l'échantillon filtré en 5 (% en poids) d'isopropanol, 95 (% en poids) d'éthylène glycol pour la durée désirée. Remarque: En général 50 échantillons nm sont développés pour 30-60 sec tout en 80 nm échantillons sont élaborés pour les 60 à 180 secondes.
    2. Échantillon sec avec N2 sec.
    3. Immédiatement exposer échantillon à 5 min de UV.

    6. Exemple de développement - Dissolution de verrouillage

    REMARQUE: Effectuez développement dans des conditions d'atmosphère inerte pour éviter la dégradation de l'échantillon.

    1. En utilisant 100 ml d'éthylène glycol dans un bécher de verre propre, de développer l'échantillon exposée pour le temps de développement souhaité.
    2. Échantillon sec avec N2 sec. Immédiatement exposer échantillon à 5 min de UV.

    7. Les expositions multiples

    1. Si vous effectuez la répétition des expositions multiples étapes 3-6 avec une traduction de l'échantillon par rapport à l'optique.

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    Representative Results

    Échantillons travaillées:

    Les différents temps d'oxydation ont été caractérisés comme illustré par les micrographies de force atomique sur la figure 3 à une tension d'oxydation de 0,85 V déterminé à partir de voltamétrie cyclique. Les films 50 nm d'épaisseur ont été exposés à une onde stationnaire à λ = 647 nm de la période 400 nm pendant 60 secondes à une densité de puissance de 0,95 mW / cm 2. Comme le temps d'oxydation est passée de 10 min à 25 min, on peut voir clairement une perte de contraste que certaines des régions composées de 1o get oxydé ainsi. Le révélateur (5 (% en poids) d'isopropanol: 95 (% en poids) d'éthylène glycol) se dissout toutes les parties oxydées. Temps d'oxydation plus élevées donnent ligne inégale et l'augmentation des surfaces non-uniformités après développement. Par conséquent, un choix judicieux des conditions d'oxydation est essentielle à nanostructures motifs de haute qualité. 2

    Le moment dipolaire supérieur de la forme ferméede la molécule, 1c, par rapport à la forme ouverte, 1o, permet à la forme fermée à être plus solubles dans des solvants polaires. Ceci est représenté sur la figure 4, où la moitié de l'échantillon a été converti en la forme fermée, 1c, et l'autre moitié a été converti en la forme ouverte, 1o. L'échantillon a ensuite été mis au point dans 100 (% en poids) d'éthylène glycol pour plusieurs temps de développement différentes et ensuite l'épaisseur du film restant a été mesurée en utilisant un profilomètre. De ce graphique la grande sélectivité de l'étape de dissolution de verrouillage est vu. Pour éliminer la couche résiduelle de la forme fermée, 1c, un procédé de gravure ionique réactive (RIE) utilisée en lithographie par nanoimpression 13 pourrait être utilisé.

    Depuis le film photochromique peut facilement revenir à son état initial lors de l'exposition aux UV, il est facile d'étendre l'idée à de multiples expositions. Ceci est, bien sûr, nécessaire pour la création demotifs denses. Ici, la faisabilité de cette approche est illustré en réalisant deux expositions de la même onde stationnaire, mais avec une rotation de 45 ° ~ entre les deux (Figure 5). Chaque exposition a été réalisée sur l'interféromètre LLOYD'S-miroir, avec une onde stationnaire de la période, 540 nm à λ = 647 nm (intensité incidente ~ 2,1 mW / cm 2) pendant 1 min. Après la première exposition, l'échantillon a été immergé dans 100 (% en poids) d'éthylène glycol pendant 30 minutes et on l'expose à une lampe UV de courte longueur d'onde pendant 5 minutes pour convertir les molécules de l'original torique fermé isomère 1c. L'échantillon est ensuite mis en rotation à environ 45 ° par rapport à l'optique, et une seconde exposition à l'onde stationnaire a été effectuée. Encore une fois, l'échantillon a été immergé dans 100 (% en poids) d'éthylène glycol pendant 30 min. Après chaque développement, l'échantillon a été rincé à l'eau désionisée et séché avec du N2. La micrographie à force atomique correspondant résout lignes avec un espacement aussi petit que ~ 260 nm ou & #955; /2.5, qui est moins de la moitié de la période de l'onde stationnaire 3.

    Pour vérifier l'efficacité du porte-échantillon, plusieurs expositions ont été réalisées pour déterminer si la rugosité de bord de ligne se était améliorée. En supposant une illumination incidente sinusoïdale, la dimension de l'élément résultant peut être facilement simulé. Dans la figure 7, la taille de cette fonction est tracée en fonction du temps d'exposition en utilisant la ligne bleue. Les valeurs mesurées expérimentalement sont présentés en utilisant croix. Utiliser le seuil d'exposition comme le seul paramètre d'ajustement, il est démontré que ce modèle simple ne peut expliquer avec précision nos résultats expérimentaux. La taille de la plus petite caractéristique obtenue expérimentalement était d'environ 85 nm, correspondant à une largeur de ligne d'environ λ / 7,4. Plus un contrôle précis de la durée d'exposition devrait permettre encore plus petites fonctionnalités. Notez que, lorsque la durée d'exposition augmente, la simulation indique que la taille de la caractéristique doit être réduite de façon significative au-dessous de la diffraction de champ lointain limit. Du microscope électronique à balayage (MEB) des images, on montre que la rugosité ligne de pointe se est améliorée avec l'utilisation du support d'échantillon en atmosphère inerte.

    Figure 1
    Figure 1. Structure molécule photochromique organique. Composé 1 existe sous forme ouverte, 1o et la forme fermée, 1c. Oxydation électrochimique convertit sélectivement 1c 1ox.

    Figure 2
    Figure 2. Technique POST. L'exposition et la structuration de "verrouillage" étapes requises pour la fonction d'enregistrement. Oxydation (A) électrochimique. (B) La dissolution d'un photoisomère.


    Figure 3. isolé caractéristiques. De micrographies de lignes après le développement pour les échantillons à différents moments d'oxydation à force atomique. 2 épaisseur Thin-film de ~ 50 nm. Reproduit avec la permission de [Cantu, P., et al. Subwavelength nanostructuration de films diaryléthène photochromiques. App. Phys. Lett. 100 (18), 183 103]. Droit d'auteur [2012], AIP Publishing LLC. Se il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

    Figure 4
    Figure 4. Taux de dissolution. Cette figure montre la solubilité macro-échelle de 1c et 1o dans 100 (% en poids) Ethylènee glycol. 3 épaisseur Thin-film de ~ 29 nm. Reproduit avec la permission de [Cantu, P., et al. Nanostructuration de films diaryléthène par dissolution sélective d'un photoisomère. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Droit d'auteur [2013], AIP Publishing LLC.

    Figure 5
    Figure 5. expérimentale démonstration d'une double exposition gauche:.. Schématique montrant l'orientation de l'échantillon pour la double exposition à l'aide poteau droit: atomique micrographie du motif résultant de la force. La micrographie à force atomique révèle la plus petite distance entre les caractéristiques que ~ 260nm, ce qui représente environ la moitié de la période de l'onde stationnaire éclairante. 3 Reproduit avec la permission de [Cantu, P., et al. Nanostructuration de films diaryléthène via disso sélectivelution d'une photoisomère. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Droit d'auteur [2013], AIP Publishing LLC. Se il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

    Figure 6
    Figure 6. évaporateur personnalisée. Image de l'évaporateur thermique à basse température (LTE) utilisé dans la technique de POST. 2 Reproduit avec la permission de [Cantu, P., et al. Subwavelength nanostructuration de films diaryléthène photochromiques. App. Phys. Lett. 100 (18), 183 103]. Droit d'auteur [2012], AIP Publishing LLC.

    Figure 7
    Figure 7. largeur de raie en fonction du temps d'exposition pour un seul développement et l'exposition. L'incident simulé éclairage sinusoïdal est représenté par une ligne bleue solide, tandis que les données expérimentales est affiché en utilisant croix. Une illumination sinusoïdale avec une période de 457 nm a été supposé. En médaillon:. Images SEM Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

    Figure 8
    Figure 8. Représentation schématique de la configuration d'interférométrie Mach-Zehnder utilisé pour l'exposition. La première plaque demi-onde est utilisée pour contrôler la puissance dans chaque branche. La seconde lame demi-onde est utilisée pour contrôler la polarisation.

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    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).

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