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 JoVE Engineering

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

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

    Optische Lithographie ist von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von Nanostrukturen und Geräte. Erhöhte Fortschritte in neue Lithographietechniken hat die Fähigkeit, neue Generationen von neuartigen Geräten zu ermöglichen. 8-11 In diesem Artikel wird eine Überprüfung einer Klasse von optischen Lithographietechniken, die tiefen Unterwellenlängenauflösung mit Hilfe neuartiger photo Moleküle zu erreichen präsentiert. Dieser Ansatz wird als Strukturierung über Optical-Saturable Transitions (POST). 1-3

    POST ist ein neuartiges Nanotechnik, die auf einzigartige Weise die Ideen der Sättigung optische Übergänge von photochromen Moleküle, insbesondere (1,2-Bis (5,5'-Dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-en. Umgangssprachlich wird diese Verbindung als BTE, Bild 1, wie sie in der stimulierten Emission-Depletion (STED) Mikroskopie 12 verwendet, bezeichnet, mit Interferenzlithographie, die es ein leistungsfähiges Werkzeug für larg machtE-Fläche parallel Nano tiefer Subwellenlängen Merkmalen auf einer Vielzahl von Oberflächen mit möglichen Erweiterung zu 2- und 3-Dimensionen.

    Die photochrome Schicht ist ursprünglich in einem homogenen Zustand. Wenn diese Schicht auf eine gleichmäßige Ausleuchtung des λ 1 ausgesetzt wird, wandelt es sich in die zweite isomere Zustand (1c), Figur 2 ist. Dann wird die Probe mit einem fokussierten Knoten λ 2, der die Probe in der ersten isomeren Zustand (wandelt exponierten 1o) überall außer in der näheren Umgebung des Knotens. Durch Steuern der Belichtungsdosis, kann die Größe des nicht umgesetzten Region beliebig klein gemacht werden. Eine nachfolgende Fixierschritt von einem der Isomere kann selektiv und irreversibel konvertiert werden (verriegelt) in eine 3. Zustand (schwarz), um das Muster zu verriegeln. Als nächstes wird die Schicht gleichmßig auf λ 1, die alles außer dem gesperrten Bereich wandelt wieder auf den ursprünglichen Zustand ausgesetzt. DieSchrittfolge kann mit einer Verschiebung der Probe relativ zu der Optik wiederholt werden, was zu zwei gesperrten Bereichen, deren Abstand kleiner ist als die Fernfeld-Beugungsgrenze. Daher kann jede beliebige Geometrie in einem "Dot-Matrix" Mode strukturiert werden. 1-3

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    Protocol

    HINWEIS: führen Sie alle folgenden Schritte unter Reinraumbedingungen der Klasse 100 oder besser.

    1. Probenvorbereitung

    1. Reinigen Sie einen 2 "Durchmesser Silizium-Wafer mit Buffered Oxide Etch (BOE) Lösung (6 Teile 40% NH 4 F und 1 Teil 49% HF) für 2 min (Achtung: Gefährliche Chemikalien). Wählen diese Ätzzeit um alle organischen Verbindungen oder Verunreinigungen auf der Oberfläche zu entfernen. Spülen mit VE-Wasser (DI) für ca. 5 min. Dry-Wafer mit trockenem N 2.
      HINWEIS: Arbeiten Sie niemals allein bei der Verwendung von HF. Trägt immer eine Schutzbrille mit Gesichtsschutz und persönliche Schutzausrüstung (PSA) im Falle von Leckagen. Beitrag Richtlinien für die Verwendung und Handhabung von HF Abfall im Labor, wo das Ätzen durchgeführt wird.
      Hinweis: Die Schritte 1.2 bis 1.7 sind nur für den elektrochemischen Verriegelung. Bei Durchführung Verriegelung über Auflösung fahren Sie mit Schritt 2.
    2. Die Festlegung der Arbeitselektrode, Sputter 100 nm von Platin (Pt) auf die saubere "Durchmesser silic 2auf dem Wafer.
    3. Vor dem Ätzen der Platin-Dünnfilm, reinigen Sie die RIE-Kammer von Verunreinigungen oder übriggebliebene Photoresist von früheren Trockenätzungen.
    4. Abpumpen der Kammer, bis ein Basisdruck von 1 × 10 -5 Torr erreicht. Stellen Sie sicher, dass die HF-Leistung auf 200 W eingestellt ist und die Flussraten für den Sauerstoff und Argon auf 50 sccm und 10 sccm eingestellt. Starten Sie den Ar / O2-Plasma und führen Sie für mindestens 1 Std.
    5. Schalten Sie den Ar / O 2 -Plasma und lassen Sie das Entlüftungskammer für ca. 10 min.
    6. Um die Platin-Dünnfilmoberfläche zu ätzen, laden Sie die Probe in die RIE-Kammer und der Pumpe in die Kammer bis auf einen Basisdruck von 1 × 10 -5 Torr. Dieses Mal stellen Sie die Argondurchfluss auf 0 sccm. Starten Sie den O 2 -Plasma und lassen Sie diesen Vorgang für 30 Minuten laufen.
    7. Schalten Sie den O2-Plasma und ließ die Kammer zu entlüften 10 min.

    2. Thermal Evaporation von Photochrome Molecule mit benutzerdefinierten Low Temperatur Verdampfer (LTE)

    1. Füllen AlO2 Boot mit 30 mg BTE und laden in eigene LTE Quelle (Abbildung 6).
    2. Last Silizium-Wafer in die Probenhalterung.
    3. Dichtungskammeröffnungen und Pumpenkammer auf einen Basisdruck von 1 x 10 -6 Torr.
    4. Dampfe das BTE bei einer Solltemperatur von 100 ° C, mit einer Filmdicke von 30 nm.
    5. Unmittelbar nach der Verdampfung, Überschwemmung beleuchten die Probe 5 min UV, um die BTE Material in die geschlossene Form zu überführen, 1c.
    6. Um die Stichprobengröße zu definieren, zu spalten, ein kleines Stück des Wafers mit einer Diamantschreiber, um eine Linie von der Kante der Siliziumoberfläche verkratzen. Besorgen Sie sich die Wafer auf beiden Seiten der Ritzlinie und biegen Sie die Wafer nach unten, bis es an der Kristallebene bricht.
    7. Führen Profilometermessungen zu validieren BTE Dünnschichtdicke. Um dies zu tun, kratzen die Probe mit einem feinen Rand Pinzette. Messen Sie die Schritthöhe herm Diese Kratzer, die die Differenz in der Höhe zwischen der linken und rechten Cursorposition.
      HINWEIS: Ungenauigkeiten in der Filmdicke wird in Abweichungen in Belichtungsdosis führen.
    8. Shop verbleibende Probe in N 2 gefüllten Handschuhfach.

    3. Den Forderungen

    HINWEIS: Führen Sie alle Aufnahmen unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

    1. Spalten die Probe, indem der gleichen Vorgehensweise wie in Schritt 2.6 beschrieben.
    2. Lastprobe in einer inerten Atmosphäre Probenhalter.
    3. Montieren inerten Probenhalter auf der Bühne. Purge Probe mit N 2.
    4. Expose der Probe auf die gewünschte Belichtungszeit mit einem Interferometer, wie das in Figur 8 gezeigt.

    4. Elektrochemische Oxidation mit Hilfe von drei Elektroden-Zelle

    HINWEIS: Führen Sie die Elektrochemie unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

    1. Klemmen Sie ein sauberes Glasfläschchen auf der heißen Platte. Einen sauberen Rührstab in dem Fläschchen. Schalten Sie den Rührer.
    2. Reinigen Sie eine neue Kupfer-Clip mit Methanol. Reinigen Sie die Platin-Gegenelektrode mit Methanol.
    3. Mit einem sauberen Kupfer Clip, Clip die Probe durch eines der Löcher in der Teflon-Verschlusskappe. Achten Sie darauf, nur auf der exponierten Platin Clip.
    4. Legen Sie die Teflon Verschlusskappe auf das Fläschchen. Befestigen Sie das rote Kabel an der Platin-Gegenelektrode und das schwarze Kabel auf die Kupferklammer Halten der Probe.
    5. Mit einem sauberen Spritze, füllen Sie das Fläschchen mit gefiltertem deionisiertem (DI) Wasser durch das zweite Loch in der Teflon-Verschlusskappe. Füllen Sie so hoch, ohne das Eintauchen einer der blanken Platin auf die Probe.
    6. Blasen von Stickstoff durch das Wasser für 3-5 min. Schalten Sie den Stickstoff.
    7. Legen Sie die Referenzelektrode in der zweiten Bohrung in der Teflon-Verschlusskappe. Befestigen Sie das weiße Kabel auf die Referenzelektrode. Überprüfen Sie, um sicherzustellen, dass keiner der blanke Platin o machenn die Probe eingetaucht.
    8. Mit einem voltammograph, stellen Sie die Oxidationsspannung auf 0,5 V / sec.
    9. Nachdem die gewünschte Oxidationszeit abgelaufen ist, schalten Sie das Gerät auf die voltammograph aus.
    10. Entfernen Sie die rot, schwarz, weiß und Clips aus dem Platin-Gegenelektrode, Kupfer-Clip, und Bezugselektrode.
    11. Expose der Probe für 5 min UV-Licht.

    5. Beispiel Entwicklung - Elektrochemische Locking

    HINWEIS: Führen Sie die Entwicklung unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

    1. Entwickeln der Probe in filtriert 5 (wt%) Isopropanol, 95 (Gewichts-%) Ethylenglykol für die gewünschte Zeitdauer. Hinweis: In der Regel 50 nm Proben werden für 30 bis 60 s entwickelt, während 80 nm Proben werden für 60 bis 180 Sekunden entwickelt.
    2. Trockenen Probe mit trockenem N 2.
    3. Unmittelbar Probe aussetzen 5 min von UV.

    6. Proben Entwicklung - Auflösung Locking

    HINWEIS: Führen Sie die Entwicklung unter Inertatmosphäre Bedingungen zu einer Verschlechterung der Probe zu verhindern.

    1. Unter Verwendung von 100 ml Ethylenglykol in einer sauberen Glasbecher, zu entwickeln der belichteten Probe für die gewünschte Entwicklungszeit.
    2. Trockenen Probe mit trockenem N 2. Unmittelbar Probe aussetzen 5 min von UV.

    7. Mehrfachbelichtung

    1. Beim Arbeiten mit Mehrfachbelichtung wiederholen Sie die Schritte 3-6 mit einer Übersetzung der Probe in Bezug auf die Optik.

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    Representative Results

    Proben hergestellt:

    Verschiedene Oxidationszeiten wurden durch die Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen in Abbildung 3 zu einem Oxidationsspannung von 0,85 V von Cyclovoltammetrie bestimmt dargestellt aus. Die 50 nm dicken Filme wurden in eine stehende Welle bei λ = 647 nm der Periode von 400 nm für 60 Sekunden bei einer Leistungsdichte von 0.95 mW / cm 2 belichtet. Da die Oxidationszeit von 10 min bis 25 min erhöht wird, kann man deutlich sehen, einen Kontrastverlust, da einige der Regionen 1o besteht erhalten sowie oxidiert. Der Entwickler (5 (wt%) Isopropanol: 95 (Gew%) Ethylenglykol) löst alle oxidierten Abschnitte. Größere Oxidationszeiten führen zu einer ungleichmäßigen Linie und erhöhte Oberflächen Ungleichmäßigkeiten nach der Entwicklung. Daher ist eine sorgfältige Auswahl der Oxidationsbedingungen entscheidend für die Strukturierung hochwertigen Nanostrukturen. 2

    Je höher Dipolmoment der geschlossenen Formdes Moleküls, 1c, im Vergleich zu der offenen Form 1o ermöglicht die geschlossene Form in polaren Lösungsmitteln löslich sein. Dies ist in Figur 4, wo die Hälfte der Probe wurde in die geschlossene Form, 1c umgewandelt dargestellt, und die andere Hälfte wurde in die geöffnete Form überführt, 1o. Die Probe wurde dann in 100 (wt%) Ethylenglykol für verschiedene Entwicklungszeiten entwickelt und dann die Dicke des verbleibenden Films wurde mit einem Profilometer gemessen. Aus diesem Diagramm ist die hohe Selektivität des Lösungssperrstufe gesehen wird. Um die Restschicht der geschlossenen Form, 1c, ein reaktives Ionenätzen (RIE) Verfahren nach Nanoimprintlithografie verwendet verwendet werden zu entfernen. 13

    Da die photochromen Folie hervorragend in seinen ursprünglichen Zustand bei Belichtung mit UV gewinnen, ist es einfach, die Idee, Mehrfachbelichtungen zu verlängern. Dies ist natürlich für die Erstellung erforderlichedichten Muster. Hier wird die Durchführbarkeit dieses Ansatzes durch die Durchführung von zwei Belichtungen des gleichen stehenden Welle dargestellt, aber mit einem ~ 45 ° Drehung dazwischen (Figur 5). Jede Forderung wurde auf der Lloyd, Spiegel-Interferometer durchgeführt, mit einer stehenden Welle der Periode 540 nm bei λ = 647 nm (Einfallsstärke ~ 2,1 mW / cm 2) für 1 min. Nach der ersten Belichtung wurde die Probe in 100 (wt%) Ethylenglykol für 30 Minuten eingetaucht und kurzwelligen UV-Lampe für 5 Minuten ausgesetzt, um die Moleküle in die ursprüngliche geschlossene Ring Isomer 1c konvertieren. Die Probe wurde dann um ungefähr 45 ° relativ zu der Optik, und eine zweite Belichtung, um die stehende Welle durchgeführt wurde. Erneut wurde die Probe in 100 (wt%) Ethylenglykol für 30 Minuten eingetaucht. Nach jeder Entwicklung wurde die Probe mit deionisiertem Wasser gespült und mit N 2 getrocknet. Die entsprechende Rasterkraftmikroskopische Aufnahme löst Linien mit Abstand so klein wie ~ 260 nm oder & #955; /2.5, was weniger als die Hälfte der Periode der stehenden Welle 3 ist.

    Um die Wirksamkeit der den Probenhalter zu verifizieren, wurden mehrere Aufnahmen durchgeführt, um festzustellen, ob die Linienkantenrauhigkeit verbessert hatte. Unter der Annahme eines sinusförmigen Beleuchtung einfall kann der resultierende Merkmalsgröße leicht simuliert werden. In Abbildung 7 ist diese Funktion Größe in Abhängigkeit von der Belichtungszeit mit Hilfe der durchgezogene blaue Linie dargestellt. Die experimentell gemessenen Werte werden mit Kreuzen dargestellt. Verwenden der Belichtungsschwelle als einziger Anpassungsparameter, wird gezeigt, dass dieses einfache Modell genau unsere experimentellen Ergebnisse zu erklären. Die kleinste experimentell erhaltenen Merkmalsgröße betrug ~ 85 nm, entsprechend einer Linienbreite von ~ λ / 7,4. Eine genauere Steuerung der Belichtungszeit sollte auch kleinere Funktionen zu aktivieren. Man beachte, dass, wie die Belichtungszeit erhöht wird, zeigt die Simulation, dass die Strukturgröße sollte deutlich unter der Fernfeld-Beugungs li verringert werdenmit. Von dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) Bildern, wird gezeigt, dass die linien Kantenrauhigkeit wurde bei der Anwendung der Inertatmosphäre Probenhalter verbessert.

    Figur 1
    Abbildung 1. Organische photochrome Molekül-Struktur. Verbindung in offener Form 1 besteht, 1o und die geschlossene Form, 1c. Elektrochemische Oxidation selektiv konvertiert 1c 1ox.

    Abbildung 2
    Abbildung 2. POST-Technik. Belichtung und Strukturierung "Sperren" Schritte für die Aufnahme-Funktion erforderlich. (A) Die elektrochemische Oxidation. (B) Auflösen einer Photoisomer.


    Abbildung 3. Isoliert Funktionen. Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen von Zeilen nach der Entwicklung für die Proben in verschiedenen Oxidationszeiten. 2 Dünnschichtdicke von ca. 50 nm. Mit freundlicher Genehmigung von [Cantu, P., et al Nachdruck. Subwavelength Nanostrukturierung von photochromen Diarylethen-Filme. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

    4
    Abbildung 4. Die Auflösungsrate. Diese Figur zeigt das Makro-Skala Löslichkeit von 1c und 1o in 100 (Gewichts-%) Ethylene Glykol. 3 Dünnschichtdicke von ~ 29 nm. Mit freundlicher Genehmigung von [Cantu, P., et al Nachdruck. Nanostrukturierung von Diarylethen-Film über selektive Auflösung einer Photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC.

    Abbildung 5
    Abbildung 5. Experimenteller Nachweis eines Doppelbelichtungs. Links:. Schema, Orientierung Probe für Doppelbelichtungs mit POST Rechts: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme des resultierenden Musters. Das Rasterkraftmikroskopische Aufnahme zeigt den kleinsten Abstand zwischen den Funktionen als ~ 260 nm, was ungefähr die Hälfte der Periode der Beleuchtungs stehende Welle. 3 mit Genehmigung aus [Cantu, P., et al Nachdruck. Nanostrukturierung von Diarylethen-Film über eine selektive dissosung eines Photoisomer. App. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Copyright [2013], AIP Publishing LLC. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

    Figur 6
    Abbildung 6. Benutzerdefinierte Verdampfer. Bild des in der POST-Methode verwendet, Niedertemperatur-Wärmeverdampfer (LTE). 2 mit Genehmigung aus [Cantu, P., et al Nachdruck. Subwavelength Nanostrukturierung von photochromen Diarylethen-Filme. App. Phys. Lett. 100 (18), 183103]. Copyright [2012], AIP Publishing LLC.

    7
    Abbildung 7. Linienbreite gegen die Belichtungszeit für eine einzelne development und Belichtung. Der Zwischenfall simuliert sinusförmige Beleuchtung ist als durchgezogene blaue Linie gezeigt, während die experimentellen Daten werden mit Kreuzen dargestellt. Eine sinusförmige Beleuchtung mit Periode von 457 nm angenommen. Einschub:. REM-Aufnahmen Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

    8
    Abbildung 8. Schematische Darstellung des Mach-Zehnder-Interferometrie-Setup für Aufnahmen verwendet. Das erste Halbwellenplatte wird verwendet, um die Kraft in jedem Arm steuern. Der zweite Halbwellenplatte verwendet wird, um die Polarisation zu steuern.

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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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