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 JoVE Engineering

Patterning via ópticos de saturação Transitions - Fabricação e caracterização

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 óptica é de importância fundamental na fabricação de estruturas e dispositivos em nanoescala. Aumento dos avanços nas técnicas de litografia romance tem a capacidade de ativar novas gerações de novos dispositivos. 8-11 Neste artigo, é apresentada uma revisão de uma classe de técnicas de litografia óptica que atingem resolução sub-comprimento de onda de profundidade, usando moléculas foto induzida novos. Esta abordagem é chamada Patterning via Optical-saturado Transitions (POST) 1-3.

    POST é uma técnica utilizada nanofabrication que combina exclusivamente as ideias de saturação transições ópticas de moléculas fotossensíveis, especificamente (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-bitiofen-il)) perfluorocyclopent-1-eno. Coloquialmente, este composto é referido como BTE, Figura 1, tais como aqueles utilizados na emissão de depleção (STED) microscopia estimulada 12, com interferência de litografia, o que o torna uma ferramenta poderosa para large-área microusinagem paralelo de características subwavelength profundos sobre uma variedade de superfícies de extensão com potencial para 2- e 3-dimensões.

    A camada fotossensível é originalmente em um estado homogêneo. Quando esta camada é exposta a uma iluminação uniforme de λ 1, que converte para o segundo estado isomérico (1c), Figura 2. Em seguida, a amostra é exposta a um nó focado no λ 2, que converte a amostra para o primeiro estado isomérico ( 1o) em todos os lugares, exceto nas proximidades do nó. Através do controlo da dose de exposição, o tamanho da região não convertido pode ser feita arbitrariamente pequena. Um passo subsequente fixação de um dos isómeros pode ser selectivamente e irreversivelmente convertidas (bloqueado) em um estado 3 rd (a preto) para bloquear o padrão. Em seguida, a camada é exposto uniformemente a λ 1, que converte a tudo com excepção da região bloqueado volta ao seu estado original. Osequência de passos podem ser repetidos com um deslocamento de amostra em relação ao sistema óptico, o que resulta em duas regiões bloqueadas cujo espaçamento é menor do que o limite de difracção de campo distante. Portanto, qualquer geometria arbitrária pode ser modelado em uma forma "dot-matrix" 1-3.

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    Protocol

    NOTA: Faça as seguintes etapas em sala limpa classe 100 condições ou melhor.

    Preparação 1. Amostra

    1. Limpe uma pastilha de silício 2 "de diâmetro com uma solução tamponada Oxide Etch (BOE) (6 partes de 40% NH 4 F e 1 parte de 49% IC) por 2 min (Atenção: Os produtos químicos perigosos). Escolha este tempo etch para remover quaisquer contaminantes ou orgânicos sobre a superfície. Lavar com água desionizada (DI) de água durante aproximadamente 5 min. Wafer seco com N2 seco.
      NOTA: Nunca trabalhe sozinho ao usar HF. Sempre usa proteção para os olhos com protetor facial e equipamento de proteção individual (EPI) em caso de derramamentos. Orientações post para o uso e manejo dos resíduos HF no laboratório onde o ataque químico é realizado.
      NOTA: os passos 1.2 a 1.7 são apenas para o bloqueio eletroquímico. Se a realização de bloqueio via dissolução vá para a Etapa 2.
    2. Para fixar o eletrodo de trabalho, por pulverização catódica 100 nm de platina (Pt) para o 2 silic diâmetro clean "em bolacha.
    3. Antes de gravar o filme fino de platina, limpar a câmara RIE de quaisquer impurezas ou restos photoresist de Etches secas anteriores.
    4. Pump down câmara até uma pressão de base de 1 × 10 -5 Torr é alcançado. Certifique-se de que a fonte de RF está definido para 200 W e as taxas de fluxo de oxigênio e argônio são definidas para 50 sccm e 10 sccm respectivamente. Acenda o plasma Ar / O 2 e executado por pelo menos 1 hora.
    5. Desligue o plasma Ar / O 2 e permitir que a câmara de ventilação por aproximadamente 10 min.
    6. Para gravar a superfície da película fina de platina, carregar a amostra para a câmara de bomba de RIE e da câmara até uma pressão de base de 1 × 10 -5 Torr. Desta vez, definir a taxa de fluxo de argônio a 0 sccm. Acenda o plasma O 2 e deixe este processo correr por 30 min.
    7. Desligue o plasma O 2 e deixar a câmara de ventilação para 10 min.

    2. A evaporação térmica de Photochromic Molecule Usando personalizado Levaporador Temperatura ow (LTE)

    1. Preencha AIO2 barco com 30 mg de BTE e carregar na fonte LTE personalizado (Figura 6).
    2. Carga de wafer de silício em amostra de montagem.
    3. Portas da câmara de vedação e câmara de bomba para baixo a uma pressão de base de 1 x 10 -6 Torr.
    4. Evapora-se o BTE a uma temperatura nominal de 100 ° C, com uma espessura de película de 30 nm.
    5. Imediatamente após a evaporação, inundação iluminar a amostra com 5 minutos de UV para transformar o material de BTE para a forma fechada, 1c.
    6. A fim de definir o tamanho da amostra, clivar um pequeno pedaço da bolacha usando um estilete de diamante para arranhar uma linha a partir do bordo da superfície de silício. Agarrar a bolacha em ambos os lados da linha de zero e dobrar a bolacha para baixo até que se rompe ao longo do plano de cristal.
    7. Realizar medições profilometer para validar BTE espessura de película fina. Para fazer isso, arranhar a amostra usando uma multa pinças de ponta. Medir a altura do degrau from zero esta, que é a diferença de altura entre o direito e esquerdo posição do cursor.
      NOTA: Imprecisões na espessura da película irá resultar em discrepâncias na dose de exposição.
    8. Loja amostra restante em N 2 luvas preenchido.

    3. As exposições

    NOTA: Faça todas as exposições em condições atmosfera inerte para evitar a degradação de amostra.

    1. Clivar a amostra, seguindo o mesmo procedimento tal como delineado no passo 2.6.
    2. Carga da amostra no suporte de amostra de atmosfera inerte.
    3. Monte titular amostra inerte no palco. Amostra de purga com N2.
    4. Expor a amostra ao tempo de exposição desejado, utilizando um interferómetro, tal como a mostrada na Figura 8.

    4. Oxidação eletroquímica usando três Eletrodo celular

    Nota: Execute eletroquímica em condições atmosfera inerte para evitar a degradação de amostra.

    1. Grampo um frasco de vidro limpo no topo da placa de aquecimento. Coloque uma barra de agitação limpo no frasco. Ligue o agitador.
    2. Limpe um novo clipe de cobre com metanol. Limpe o contra eletrodo de platina com metanol.
    3. Usando um clipe de cobre limpa, cortar a amostra através de um dos orifícios na tampa do frasco de Teflon. Certifique-se de clipe para somente a platina exposta.
    4. Coloque a tampa do frasco de Teflon no frasco. Prenda o fio vermelho para o contra eletrodo de platina e o fio preto para o clipe de cobre segurando a amostra.
    5. Usando uma seringa limpa, encher o frasco com água desionizada filtrada (DI) de água através do segundo orifício na tampa do frasco de Teflon. Preencha tão alto sem qualquer imersão da platina nua na amostra.
    6. Nitrogênio da bolha através da água para 3-5 min. Desligue o nitrogênio.
    7. Inserir o eléctrodo de referência no segundo furo na tampa do frasco de Teflon. Prenda o branco de chumbo para o eletrodo de referência. Verifique se nenhum dos nua platina on da amostra está imerso.
    8. Usando um voltammograph, ajustar a tensão de oxidação a 0,5 V / s.
    9. Após o tempo de oxidação desejado tenha decorrido, desligue a energia para o voltammograph off.
    10. Retire os clips vermelho, preto, e branco do eletrodo de platina balcão, clipe de cobre, e eletrodo de referência.
    11. Expor a amostra ao UV durante 5 min.

    5. Desenvolvimento da amostra - Locking Eletroquímica

    Nota: Execute o desenvolvimento em condições atmosfera inerte para evitar a degradação da amostra.

    1. Desenvolver a amostra filtrada em 5 (% em peso) de isopropanol, 95 (% em peso) de etileno-glicol para a quantidade de tempo desejada. Nota: Geralmente 50 amostras nm são desenvolvidos para 30-60 seg enquanto 80 amostras nm são desenvolvidos para 60-180 sec.
    2. Amostra seca com N2 seco.
    3. Expor Imediatamente amostra a 5 min de UV.

    6. Exemplo de Desenvolvimento - Locking Dissolução

    Nota: Execute o desenvolvimento em condições atmosfera inerte para evitar a degradação da amostra.

    1. Utilizando 100 ml de etileno glicol em um copo de vidro limpo, desenvolver a amostra exposta durante o tempo de desenvolvimento desejado.
    2. Amostra seca com N2 seco. Expor Imediatamente amostra a 5 min de UV.

    7. exposições múltiplas

    1. Se realizar exposições múltiplas repita os passos 3-6 com uma tradução da amostra em relação à ótica.

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    Representative Results

    Amostras fabricados:

    Diferentes tempos de oxidação foram caracterizados como ilustrado pelas micrografias de força atómica na Figura 3 com uma tensão de oxidação de 0,85 V determinada a partir de voltametria cíclica. Os filmes de 50 nm de espessura, foram expostas a uma onda estacionária no λ = 647 nm período de 400 nm durante 60 segundos a uma densidade de potência de 0,95 mW / cm 2. À medida que o tempo de oxidação é aumentado de 10 min a 25 min, pode-se ver claramente a perda de contraste que algumas das regiões constituídas por 1o se oxidado bem. O programador (5 (% em peso) de isopropanol: 95 (% em peso) de etileno-glicol) dissolve-se todas as porções oxidadas. Tempos de oxidação maiores resultam em linha irregular e aumento de superfície não-uniformidades após o desenvolvimento. Portanto, uma escolha cuidadosa das condições de oxidação é crítica para nanoestruturas de padronização de alta qualidade. 2

    O momento de dipolo superior da forma fechadada molécula, 1c, em comparação com a forma aberta, 1o, permite a forma fechada a ser mais solúveis em solventes polares. Isto está representado na Figura 4, onde a metade da amostra foi convertida para a forma fechada, 1c, e a outra metade foi convertido para a forma aberta, 1o. A amostra foi, então, desenvolvido em 100 (% em peso) de etileno-glicol para vários tempos de desenvolvimento diferentes e, em seguida, a espessura do filme restante foi medida utilizando um perfilómetro. A partir deste gráfico da elevada selectividade do passo de dissolução de bloqueio é visto. Para remover a camada residual da forma fechada, 1c, um processo de gravação iónica reactiva (RIE) como utilizado em nanoimpressão litografia pode ser utilizado 13.

    Uma vez que a película fotossensível pode facilmente recuperar o seu estado original após a exposição à radiação UV, é muito simples para estender a ideia de exposições múltiplas. Isto é, evidentemente, necessária para a criaçãopadrões densas. Aqui, a viabilidade desta abordagem é mostrada através da realização de duas exposições da mesma onda estacionária, mas com um ~ 45 ° de rotação entre (Figura 5). Cada exposição foi realizada no interferômetro de LLOYD'S-espelho, com uma onda estacionária de período, 540 nm em λ = 647 nm (intensidade incidente ~ 2,1 mW / cm 2), durante 1 min. Após a primeira exposição, a amostra foi imersa em 100 (% em peso) de etileno-glicol durante 30 minutos e expostos a lâmpada de UV de comprimento de onda curto durante 5 min para converter as moléculas para o original de anel fechado isómero 1c. A amostra foi então rodado cerca de 45 ° em relação ao sistema óptico, e uma segunda exposição à onda estacionária foi realizada. Novamente, a amostra foi imersa em 100 (% em peso) de etileno-glicol durante 30 min. Após cada desenvolvimento, a amostra foi enxaguada com água desionizada e secou-se com N 2. A de força atômica correspondente micrografia resolve linhas com espaçamento tão pequeno como ~ 260 nm ou & #955; /2.5, o que é menos do que metade do período da onda estacionária 3.

    Para verificar a eficácia do suporte de amostra, várias exposições foram realizadas para ver se a aspereza da borda linha tinha melhorado. Assumindo uma iluminação incidente sinusoidal, o tamanho característica resultante pode ser facilmente simulado. Na Figura 7, esta característica é de tamanho representados graficamente como uma função do tempo de exposição usando a linha azul sólido. Os valores medidos experimentalmente são mostrados usando cruzes. Usando o limite de exposição como o único parâmetro de ajustamento, mostra-se que este modelo simples pode explicar com precisão nossos resultados experimentais. O menor tamanho característica experimentalmente obtida foi de ~ 85 nm, o que corresponde a uma largura de linha de ~ λ / 7,4. Mais controle preciso do tempo de exposição deve habilitar recursos ainda menores. Note-se que como o tempo de exposição é aumentada, indica que a simulação tamanho característica deve ser reduzida significativamente abaixo do campo distante difracção limit. A partir do microscópio eletrônico de varredura de imagens (SEM), mostra-se que a rugosidade da linha de ponta tem melhorado com o uso de titular atmosfera amostra do inerte.

    Figura 1
    Figura 1. Orgânica da estrutura da molécula fotossensível. Composto 1 existe em forma aberta, 1o e a forma fechada, 1c. A oxidação eletroquímica converte seletivamente 1c ​​para 1ox.

    Figura 2
    Figura 2. POST técnica. Exposição e padronização "bloqueio" passos necessários para a gravação de recurso. Oxidação (A) electroquímica. (B) Dissolução de um fotoisómero.


    Figura 3. Isolado recursos. Micrografias de força atômica de linhas após o desenvolvimento de amostras em vários momentos de oxidação. 2 espessura de película fina de ~ 50 nm. Reproduzido com permissão do [Cantu, P., et al. Subwavelength microusinagem de filmes diarylethene fotocromáticas. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Figura 4
    Figura 4. Taxa de dissolução. Esta figura mostra a solubilidade de macro-escala de 1c e 1o em 100 (% em peso) Ethylene glicol. 3 espessura de película fina de ~ 29 nm. Reproduzido com permissão do [Cantu, P., et al. Microusinagem de filmes diarylethene via dissolução selectiva de um fotoisómero. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Direitos de autor [de 2013], AIP Publishing LLC.

    Figura 5
    Figura 5. Experimental demonstração de uma dupla exposição Esquerda:.. Orientação exibição esquemática da amostra para a dupla-exposição usando poste direito: força micrografia Atomic do padrão resultante. A força atômica micrografia revela o menor espaçamento entre as características como 260nm ~, que é aproximadamente a metade do período da onda de pé esclarecedora. 3 Reproduzido com permissão do [Cantu, P., et al. Microusinagem de filmes diarylethene via Disso seletivolução de um fotoisómero. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Direitos de autor [de 2013], AIP Publishing LLC. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Figura 6
    Figura 6. evaporador sob encomenda. Imagem do evaporador térmica de baixa temperatura (LTE) usado na técnica POST. 2 Reproduzido com permissão do [Cantu, P., et al. Subwavelength microusinagem de filmes diarylethene fotocromáticas. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC.

    Figura 7
    Figura 7. LineWidth vs tempo de exposição para um único development e exposição. A iluminação incidente simulado sinusoidal é mostrada como uma linha azul sólida, enquanto os dados experimentais são mostrados usando cruzes. A iluminação com sinusoidal período de 457 nm foi assumida. Detalhe:. MEV Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Figura 8
    Figura 8. Diagrama esquemático da configuração de Mach-Zehnder interferometria para as exposições. A primeira placa de meia-onda é utilizado para controlar a energia em cada braço. A segunda placa de meia-onda é utilizado para controlar a polarização.

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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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    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).
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