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 JoVE Engineering

Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

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

    Litografia ottica è di fondamentale importanza nella fabbricazione di strutture in nanoscala e dei dispositivi. Aumento progressi nelle tecniche di litografia romanzo ha la possibilità di abilitare le nuove generazioni di nuovi dispositivi. 8-11 In questo articolo, una revisione è presentato di una classe di tecniche litografiche ottici che raggiungono profondità risoluzione sub-banda di frequenza con nuove molecole photoswitchable. Questo approccio è chiamato Patterning tramite Optical saturabile Transitions (POST). 1-3

    POST è una nuova tecnica di nanofabbricazione, che combina in modo unico le idee di saturare transizioni ottiche di molecole fotocromatiche, in particolare (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-il-bithiophen)) perfluorocyclopent-1-ene. Colloquialmente, questo composto è indicato come BTE, Figura 1, come quelli utilizzati in stimolata emissioni deplezione (STED) microscopia a 12, con interferenza litografia, che lo rende un potente strumento per large-zona nanopatterning parallela di funzioni subwavelength profonde su una varietà di superfici con potenziale estensione a 2 e 3 dimensioni.

    Lo strato fotocromatica è originariamente in uno stato omogeneo. Quando questo strato è esposto ad una illuminazione uniforme di λ 1, converte nel secondo stato isomerica (1c), Figura 2. Poi il campione è esposto a un nodo mirato a λ 2, che converte il campione nel primo stato isomerica ( 1o) ovunque tranne nelle immediate vicinanze del nodo. Controllando la dose di esposizione, la dimensione della regione non convertito può essere arbitrariamente piccola. Una successiva fase di fissaggio di uno degli isomeri può essere selettivamente e irreversibilmente convertito (bloccato) in uno stato di 3 ° (in nero) per bloccare il pattern. Successivamente, lo strato è esposto uniformemente a λ 1, che converte tutto tranne la regione bloccata ritorna allo stato originale. Ilsequenza di fasi può essere ripetuta con uno spostamento del campione rispetto alle ottiche, con conseguente due aree bloccate cui spaziatura è inferiore al limite di diffrazione campo lontano. Pertanto, qualsiasi geometria arbitraria può essere modellato in modo "aghi". 1-3

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    Protocol

    NOTA: effettuare tutte le seguenti operazioni sotto classe di camera bianca 100 condizioni o meglio.

    Preparazione 1. Campione

    1. Pulire un wafer di silicio 2 "di diametro con la soluzione Buffered Oxide Etch (BOE) (6 pezzi 40% NH 4 F e 1 parte di 49% HF) per 2 min (Attenzione: i prodotti chimici pericolosi). Scegliere questo tempo di attacco per rimuovere eventuali sostanze organiche o contaminanti sulla superficie. Risciacquare con acqua deionizzata (DI) di acqua per circa 5 minuti. Wafer a secco con N a secco 2.
      NOTA: Non lavorare mai da soli quando si usa HF. Indossa sempre occhiali di protezione con visiera e dispositivi di protezione individuale (DPI) in caso di sversamenti. Le linee guida relative all'uso e il trattamento dei rifiuti HF in laboratorio dove viene eseguita l'incisione.
      NOTA: i passaggi 1,2-1,7 sono solo blocco elettrochimica. Se l'esecuzione di blocco tramite dissoluzione passare al punto 2.
    2. Per stabilire l'elettrodo di lavoro, sputter 100 nm di Platino (Pt) sul pulito 2 "di diametro Silicsu wafer.
    3. Prima incisione il film sottile di platino, pulire la camera RIE di eventuali impurità o di resina fotosensibile rimasto dalle precedenti Incide secco.
    4. Pompare giù la camera fino ad una pressione di base di 1 × 10 -5 Torr è raggiunto. Assicurarsi che la potenza RF è impostato a 200 W e le portate per l'ossigeno e argon sono impostati rispettivamente a 50 e 10 SCCM SCCM. Accendere l'Ar O 2 / plasma e correre per almeno 1 ora.
    5. Spegnere l'Ar O 2 / plasma e lasciare la camera di sfogo per circa 10 min.
    6. Per etch la superficie della pellicola sottile di platino, caricare il campione nella camera di RIE e pompare la camera fino ad una pressione di base di 1 × 10 -5 Torr. Questa volta impostata la portata argon a 0 sccm. Accendere la O 2 plasma e lasciate correre questo processo per 30 min.
    7. Spegnere la O 2 plasma e lasciare che la camera di sfogo per 10 min.

    2. evaporazione termica di Photochromic Molecule Uso personalizzata Low evaporatore temperatura (LTE)

    1. Riempire AlO 2 barca con 30 mg di BTE e caricare in fonte LTE personalizzato (figura 6).
    2. Carica wafer di silicio in campioni di montaggio.
    3. Porti camera di tenuta e camera della pompa fino ad una pressione di base di 1 x 10 -6 Torr.
    4. Si evapora il BTE ad una temperatura nominale di 100 ° C, con uno spessore di 30 nm.
    5. Subito dopo l'evaporazione, alluvione illuminare il campione di 5 min di UV per trasformare il materiale BTE per la forma chiusa, 1c.
    6. Per definire la dimensione del campione, fendere un piccolo pezzo di wafer con un scrivano diamante graffiare una linea dal bordo della superficie di silicio. Afferrare il wafer su entrambi i lati della linea di zero e piegare il wafer verso il basso finché si rompe lungo il piano di cristallo.
    7. Eseguire misurazioni profilometro per convalidare BTE spessore del film sottile. Per fare questo, graffiare il campione con una multa pinzetta bordo. Misurare l'altezza del gradino from questo zero, che è la differenza di altezza tra la posizione del cursore destra e sinistra.
      NOTA: Le imprecisioni di spessore del film si tradurrà in discrepanze nelle dose di esposizione.
    8. Conservare restante campione in N 2 cassetto portaoggetti riempita.

    3. Esposizioni

    NOTA: Eseguire tutte le esposizioni, in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

    1. Cleave campione seguendo la stessa procedura descritta al punto 2.6.
    2. Carico campione portacampioni atmosfera inerte.
    3. Montare supporto del campione inerte sul palco. Campione Purge con N 2.
    4. Esporre il campione al tempo di esposizione desiderata utilizzando un interferometro, come quello mostrato in Figura 8.

    4. elettrochimica di ossidazione utilizzando tre elettrodi cellulare

    NOTA: Eseguire elettrochimica in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

    1. Bloccare una fiala di vetro pulito sulla parte superiore della piastra calda. Mettere una barra di agitazione pulita nel flacone. Accendere l'agitatore.
    2. Pulire una nuova clip di rame con metanolo. Pulire l'elettrodo contatore platino con metanolo.
    3. Utilizzando una clip di rame pulita, agganciare il campione attraverso uno dei fori del tappo flacone Teflon. Assicurarsi di agganciare solo il platino esposta.
    4. Posizionare il tappo flacone Teflon sul flacone. Agganciare il cavo rosso sul bancone di platino elettrodo e il cavo nero sulla clip di rame che tiene il campione.
    5. Usando una siringa pulita, riempire il flacone con acqua deionizzata filtrata (DI) di acqua attraverso il secondo foro nel tappo flacone Teflon. Riempire come alto senza immergendo qualsiasi platino nuda sul campione.
    6. Bubble azoto attraverso l'acqua per 3-5 min. Spegnere l'azoto.
    7. Inserire l'elettrodo di riferimento nel secondo foro nel tappo flacone Teflon. Agganciare la biacca sulla elettrodo di riferimento. Verificare che nessuno di platino o nudon il campione è immerso.
    8. Utilizzando un voltammograph, impostare la tensione di ossidazione a 0,5 V / sec.
    9. Trascorso il tempo di ossidazione desiderato, disattivare l'alimentazione alla voltammograph off.
    10. Rimuovere i clips rosso, nero, bianco e dal bancone elettrodo di platino, clip di rame, ed elettrodo di riferimento.
    11. Esporre il campione UV per 5 min.

    5. Campione Sviluppo - Electrochemical Locking

    NOTA: Eseguire lo sviluppo in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

    1. Sviluppare il campione filtrato 5 (wt%) isopropanolo, 95 (wt%) etilene glicole per la quantità di tempo desiderato. Nota: Tipicamente 50 campioni nm sono sviluppati per 30-60 secondi, mentre 80 campioni nm sono sviluppati per 60-180 sec.
    2. Campione secco con N a secco 2.
    3. Esporre immediatamente campione 5 min di UV.

    6. campione di sviluppo - Scioglimento Locking

    NOTA: Eseguire lo sviluppo in condizioni atmosfera inerte per prevenire il degrado di campione.

    1. Utilizzando 100 ml di glicole etilenico in un bicchiere di vetro pulito, sviluppare il campione esposto per il tempo di sviluppo desiderato.
    2. Campione secco con N a secco 2. Esporre immediatamente campione 5 min di UV.

    7. Alle esposizioni multiple

    1. Se l'esecuzione di esposizioni multiple ripetere i passaggi 3-6 con una traduzione del campione rispetto alle ottiche.

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    Representative Results

    Campioni fabbricati:

    Differenti tempi di ossidazione sono stati caratterizzati come illustrato dalle micrografie a forza atomica in figura 3 con una tensione di ossidazione di 0,85 V determinata dalla voltammetria ciclica. I film di 50 nm di spessore sono stati esposti a un'onda stazionaria a λ = 647 nm del periodo di 400 nm per 60 secondi ad una densità di potenza di 0.95 mW / cm 2. Poiché il tempo di ossidazione viene aumentata da 10 min a 25 min, si può vedere chiaramente una perdita di contrasto come alcune delle regioni compresi di 1o ottenere ossidato pure. Lo sviluppatore (5 (wt%) isopropanolo: 95 (wt%) etilene glicole) dissolve tutte le porzioni ossidati. Tempi di ossidazione più grandi risultano in linea irregolare e l'aumento di superficie disuniformità dopo lo sviluppo. Pertanto, una scelta accurata delle condizioni di ossidazione è fondamentale per nanostrutture patterning di alta qualità. 2

    Il momento di dipolo superiore della forma chiusadella molecola, 1c, rispetto alla forma aperta, 1o, consente la forma chiusa ad essere più solubili in solventi polari. Questo è rappresentato nella figura 4, dove la metà del campione è stata convertita alla forma chiusa, 1c, e l'altra metà è stata convertita alla forma aperta, 1o. Il campione è stato poi sviluppato in 100 (wt%) etilene glicole per diversi tempi di sviluppo diversi e quindi lo spessore del film rimanente è stata misurata usando un profilometro. Da questo grafico l'alta selettività della fase di bloccaggio di dissoluzione è visto. Per rimuovere lo strato residuo della forma chiusa, 1c, un attacco con ioni reattivi (RIE) Procedimento utilizzato in nanoimprint litografia potrebbe essere utilizzato. 13

    Poiché il film fotocromico può facilmente ripristinare lo stato originale seguito all'esposizione UV, è semplice per estendere l'idea di esposizioni multiple. Questo è, naturalmente, necessario per la creazionemodelli densi. Qui, la fattibilità di questo approccio è mostrato eseguendo due esposizioni della stessa onda stazionaria, ma con una rotazione di ~ 45 ° tra (Figura 5). Ogni esposizione è stata condotta sulla interferometro Lloyd's-specchio, con un'onda stazionaria di periodo, 540 nm a λ = 647 nm (intensità incidente ~ 2,1 mW / cm 2) per 1 min. Dopo la prima esposizione, il campione è stato immerso in 100 (wt%) etilene glicole per 30 min ed esposta alla lampada UV a breve lunghezza d'onda per 5 minuti per convertire le molecole all'originale anello chiuso isomero 1c. Il campione è stato quindi ruotato di circa 45 ° rispetto alle ottiche, ed è stata eseguita una seconda esposizione alla onda stazionaria. Ancora una volta, il campione è stato immerso in 100 (wt%) etilene glicole per 30 min. Dopo ogni sviluppo, il campione è stato risciacquato con acqua deionizzata e asciugati con N 2. Il corrispondente a forza atomica microscopio risolve linee con spaziatura più piccolo ~ 260 nm o & #955; /2.5, che è meno della metà del periodo di onda stazionaria 3.

    Per verificare l'efficacia del supporto del campione, sono state effettuate diverse esposizioni per vedere se la rugosità bordo linea era migliorata. Assumendo un incidente illuminazione sinusoidale, la dimensione del tratto risultante può essere facilmente simulato. In figura 7, queste dimensioni funzione è tracciata in funzione del tempo di esposizione utilizzando la linea blu solido. I valori sperimentalmente misurati vengono mostrati utilizzando croci. Utilizzando la soglia di esposizione come unico parametro raccordo, è dimostrato che questo semplice modello può spiegare esattamente i nostri risultati sperimentali. La più piccola dimensione del tratto sperimentale ottenuto era ~ 85 nm, corrispondente ad una larghezza di riga di ~ λ / 7.4. Più preciso controllo del tempo di esposizione dovrebbe attivare le funzionalità ancora più piccoli. Si noti che il tempo di esposizione è aumentata, la simulazione indica che la dimensione caratteristica deve essere ridotta in modo significativo al di sotto della diffrazione li campo lontanomit. Dal microscopio elettronico a scansione (SEM) immagini, si è mostrato che la rugosità linea di bordo è migliorata con l'uso del supporto del campione atmosfera inerte.

    Figura 1
    Figura 1. Organic struttura molecola fotocromatica. Composto 1 esiste in forma aperta, 1o e la forma chiusa, 1c. Ossidazione elettrochimica converte selettivamente 1c ​​a 1ox.

    Figura 2
    Figura 2. POST tecnica. Esposizione e patterning "bloccaggio" passi necessari per la registrazione di funzione. (A) elettrochimica di ossidazione. (B) Scioglimento di una photoisomer.


    Figura 3. Isolati caratteristiche. Forza micrografie atomici righe dopo sviluppo per i campioni in diversi momenti di ossidazione. 2 di spessore sottile pellicola di circa 50 nm. Ristampato con il permesso di [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning di film diarylethene fotocromatiche. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

    Figura 4
    Figura 4. Tasso di dissoluzione. Questa figura mostra la solubilità Macro-scala 1c e 1o a 100 (% in peso) Ethylene glicole. 3 di spessore sottile pellicola di circa 29 nm. Ristampato con il permesso di [Cantu, P., et al. Nanopatterning di film diarylethene tramite dissoluzione selettiva di uno photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC.

    Figura 5
    Figura 5. dimostrazione sperimentale di una doppia esposizione sinistra:.. Schema che mostra l'orientamento del campione per doppia esposizione con palo destro: Atomic forza microscopio del modello risultante. La forza atomica microfotografia rivela la più piccola distanza tra le caratteristiche ~ 260 nm, che è circa la metà del periodo di onda stazionaria illuminante. 3 Ristampato con il permesso di [Cantu, P., et al. Nanopatterning di film diarylethene via disso selettivoluzione di una photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

    Figura 6
    Figura 6. evaporatore personalizzata. Immagine dell'evaporatore termico a bassa temperatura (LTE) utilizzato nella tecnica POST. 2 Ristampato con il permesso di [Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning di film diarylethene fotocromatiche. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC.

    Figura 7
    Figura 7. linewidth vs tempo di esposizione per un singolo SVILUPPOt e l'esposizione. L'incidente simulato illuminazione sinusoidale è indicata con una solida linea blu, mentre i dati sperimentali è mostrato con croci. Un'illuminazione sinusoidale con periodo di 457 nm è stato assunto. Inserto:. Immagini SEM Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

    Figura 8
    Figura 8. schematica della configurazione interferometria Mach-Zehnder utilizzati per le esposizioni. La prima piastra semionda viene utilizzato per controllare la potenza in ciascun braccio. La seconda piastra semionda viene utilizzato per controllare la polarizzazione.

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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

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