Photoresists based on photochromic diarylethenes

Optical lithography is the main technology to produce micro- and nanopatterns on a large scale. The minimum feature size is limited by the diffraction limit of light. The desired increase in resolution of the written pattern has driven the technologies which use smaller writing wavelengths as extreme UV light, or even electron beams as extreme conditions. However, these technologies increase a lot the complexity of the system. Aimed at having a simpler and efficient optical lithography setup, a technique named Pattern via Optical Saturable Transition (POST) has been recently proposed to overcome this limit. This technique allows to confine the pattern size below the diffraction limit by means of a photochromic mask and perform multiexposure patterning by exploiting the same mask as the photoresist. This is possible by locking selected zones of the impressed pattern in a non-photochromic state, thus enabling further exposures and the development of the written pattern through selective rinsing. In this research work a new approach to POST is proposed, aimed at simplifying the locking step. Indeed, the electrochemical blocking step, which makes off-line the manufacture and more complex the device architecture, is replaced by an in-line process. In particular, a new diarylethene was synthesized, which is stable in air and can be selectively oxidized in its in colored state by exposure to nitric acid vapors. The present study reports on the overall process, from the synthesis and characterization of the material to the POST writing and development.

La litografia ottica è la principale tecnologia con la quale si producono micro- e nanopattern su larga scala. Le dimensioni minime delle strutture sono però limitate dal limite di diffrazione della luce utilizzata nel processo litografico. Per questo motivo lo sviluppo tecnologico ha introdotto l’uso di tecnologie basate su radiazioni estremamente energetiche che risiedono nella regione dell’estremo ultravioletto, così come l’utilizzo di un fascio di elettroni. Questo tipo di tecnologie pagano però il prezzo di una notevole complicazione del setup sia in termini di strumentazione che di costo totale di processo. Con lo scopo di aumentare la risoluzione mantenendo un set up di scrittura semplice, recentemente è stata proposta una tecnica chiamata Patterning via Optical Saturable Transition (POST). Il POST combina la caratteristica di poter confinare la scrittura sotto il limite di diffrazione mediante l'utilizzo di una maschera fotocromica con la possibilità di utilizzare quest'ultima direttamente anche come photoresist. Ciò è possibile bloccando in uno stato non fotocromico solo alcune zone il pattern impresso, permettendo così sia successive esposizioni sia lo sviluppo della nanostruttura generata mediante dissoluzione selettiva. In questo lavoro di ricerca viene proposto un nuovo approccio per il POST, volto a semplificare la fase di fissaggio del pattern impresso, evitando l'utilizzo di un processo offline elettrochimico che complica struttura e produzione del dispositivo. In particolare, è stato sintetizzato un diariletene fotocromico stabile all'aria che nella sua forma colorata può essere irreversibilmente ossidato in-line mediante esposizione a vapori di acido nitrico, evitando così problemi di riallineamento in prospettiva di multiesposizioni. Lo studio considera tutti gli aspetti, dalla sintesi e caratterizzazione del materiale fotocromico ai test di scrittura e sviluppo POST.