Litografía de interferencia

La litografía de interferencia (o litografía holográfica ) es una técnica que utiliza luz coherente (como la luz de un láser ) para crear patrones de matrices regulares de características finas sin necesidad de utilizar sistemas ópticos complejos ni fotomáscaras .

El principio básico es el mismo que en la interferometría o la holografía . Se genera un patrón de interferencia entre dos o más ondas de luz coherentes y se registra en una capa de grabación ( fotorresina ). Este patrón de interferencia consiste en una serie periódica de franjas que representan mínimos y máximos de intensidad. Tras el procesamiento fotolitográfico posterior a la exposición , emerge un patrón de fotorresina que corresponde al patrón de intensidad periódico.

Para la interferencia de dos haces, el espaciado o período entre franjas viene dado por${\textstyle {\frac {\lambda /2}{\sin {\bigl (}{\tfrac {\theta }{2}}{\bigr )}}}}$donde λ es la longitud de onda y θ es el ángulo entre las dos ondas que interfieren. El período mínimo alcanzable es entonces la mitad de la longitud de onda.

Mediante interferencia de tres haces, se pueden generar matrices con simetría hexagonal, mientras que con cuatro haces se generan matrices con simetría rectangular o cristales fotónicos 3D. Con interferencia de múltiples ondas (insertando un difusor en la trayectoria óptica) se pueden originar patrones aperiódicos con un espectro de frecuencia espacial definido. Por lo tanto, al superponer diferentes combinaciones de haces, se obtienen distintos patrones.

Para que la litografía de interferencia sea exitosa, deben cumplirse los requisitos de coherencia. Primero, se debe utilizar una fuente de luz espacialmente coherente. Esto consiste, en esencia, en una fuente de luz puntual combinada con una lente colimadora. También se suele utilizar un láser o un haz de sincrotrón directamente, sin colimación adicional. La coherencia espacial garantiza un frente de onda uniforme antes de la división del haz . Segundo, es preferible utilizar una fuente de luz monocromática o temporalmente coherente. Esto se logra fácilmente con un láser, pero las fuentes de banda ancha requerirían un filtro. El requisito de monocromía puede obviarse si se utiliza una rejilla de difracción como divisor de haz, ya que las diferentes longitudes de onda se difractarían en distintos ángulos, pero eventualmente se recombinarían. Incluso en este caso, seguirían siendo necesarios la coherencia espacial y la incidencia normal.

Para lograr la interferencia, la luz coherente debe dividirse en dos o más haces antes de recombinarse. Los métodos típicos para la división de haces son los espejos de Lloyd , los prismas y las redes de difracción .

La técnica también se puede extender fácilmente a las ondas electrónicas, como lo demuestra la práctica de la holografía electrónica . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Se han reportado espaciamientos de unos pocos nanómetros ^{[ 1 ]} o incluso menores a un nanómetro ^{[ 2 ]} utilizando hologramas electrónicos. Esto se debe a que la longitud de onda de un electrón siempre es más corta que la de un fotón de la misma energía. La longitud de onda de un electrón viene dada por la relación de De Broglie.${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}$, dónde${\displaystyle h}$es la constante de Planck y${\displaystyle p}$es el momento del electrón. Por ejemplo, un electrón de 1 keV tiene una longitud de onda ligeramente inferior a 0,04 nm. Un electrón de 5 eV tiene una longitud de onda de 0,55 nm. Esto proporciona una resolución similar a la de los rayos X sin depositar una cantidad significativa de energía. Para evitar la acumulación de carga, es necesario asegurar que los electrones puedan penetrar lo suficiente como para alcanzar el sustrato conductor.    

Una preocupación fundamental al utilizar electrones de baja energía (≪100  eV) con esta técnica es su tendencia natural a repelerse entre sí debido a las fuerzas de Coulomb, así como a la estadística de Fermi-Dirac , aunque el antibunching de electrones solo se ha verificado en un único caso.

La interferencia de ondas atómicas de De Broglie también es posible si se pueden obtener haces coherentes de átomos enfriados. El momento de un átomo es incluso mayor que el de los electrones o fotones, lo que permite longitudes de onda aún menores, según la relación de De Broglie. Generalmente, la longitud de onda será menor que el diámetro del átomo.

La ventaja de utilizar la litografía de interferencia radica en la rápida generación de estructuras densas en una amplia área sin pérdida de enfoque. Se han creado rejillas de difracción continuas en áreas de más de un metro cuadrado mediante litografía de interferencia. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, se utiliza comúnmente para la creación de estructuras maestras para procesos posteriores de micro o nanorreplicación ^{[ 4 ]} (por ejemplo, litografía de nanoimpresión ) o para probar procesos de fotorresistencia para técnicas de litografía basadas en nuevas longitudes de onda (por ejemplo, EUV o inmersión a 193 nm ). Además, los haces láser de interferencia de láseres pulsados ​​de alta potencia brindan la oportunidad de aplicar un tratamiento directo a la superficie del material (incluidos metales, cerámicas y polímeros) basado en mecanismos fototérmicos y/o fotoquímicos. Debido a las características mencionadas, este método se ha denominado en este caso "Patronamiento Directo por Interferencia Láser" (DLIP). ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Mediante DLIP, los sustratos pueden estructurarse directamente en un solo paso, obteniendo una matriz periódica en grandes áreas en pocos segundos. Estas superficies con patrones pueden utilizarse para diferentes aplicaciones, incluyendo tribología (reducción del desgaste y la fricción), energía fotovoltaica (aumento de la fotocorriente) ^{[ 8 ]} o biotecnología. La litografía de interferencia electrónica ^{[ 9 ] [ 10 ]} puede utilizarse para patrones que normalmente requieren demasiado tiempo para la litografía de haz de electrones convencional .

La desventaja de la litografía de interferencia es que se limita a la creación de patrones de características en matriz o patrones aperiódicos distribuidos uniformemente. Por lo tanto, para dibujar patrones de forma arbitraria, se requieren otras técnicas de fotolitografía. Además, en la litografía de interferencia electrónica, los efectos no ópticos, como los electrones secundarios de la radiación ionizante o la generación y difusión de fotoácidos, no se pueden evitar con la litografía de interferencia. Por ejemplo, el alcance de los electrones secundarios está indicado aproximadamente por el ancho de la contaminación de carbono (~20  nm) en la superficie inducida por un  haz de electrones enfocado (2 nm). ^{[ 10 ]} Esto indica que la creación de patrones litográficos de  características de paso medio de 20 nm o menores se verá afectada significativamente por factores distintos al patrón de interferencia, como la limpieza del vacío.

• Creación de patrones en grandes áreas mediante litografía de interferencia y nanoimpresión.
• Litografía de interferencia en Fraunhofer ISE