Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

Summary

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.^1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Abstract

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.⁴ Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization^5,6, beam pen lithography (BPL)⁷, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features^1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities^1-3, opening the door to massive parallelization.

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

Protocol

HINWEIS: führen Sie alle folgenden Schritte unter Reinraumbedingungen der Klasse 100 oder besser. 1. Probenvorbereitung 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…

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…

Discussion

The fabrication, experimental setup and related operational procedures of Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) have been described. By exploiting the linear switching properties of thermally stable photochromic molecules, POST offers new perspectives on circumventing the far-field diffraction limit.^1-2,4

Previously long-term storage requirement of the samples was solved by storing the samples under N₂, directly after the initial evaporation.² How…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
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 365nm	UVP Analytik Jena Company	UVGL-25	CAUTION: Wear UV safety glasses