La litografía de interferencia (o litografía holográfica ) es una técnica para crear patrones de conjuntos regulares de características finas, sin el uso de sistemas ópticos complejos o fotomáscaras .
El principio básico es el mismo que en la interferometría o la holografía . Se crea un patrón de interferencia entre dos o más ondas de luz coherentes y se registra en una capa de registro ( fotorresistencia ). Este patrón de interferencia consiste en una serie periódica de franjas que representan los mínimos y máximos de intensidad. Tras el procesamiento fotolitográfico posterior a la exposición , surge un patrón de fotorresistencia correspondiente al patrón de intensidad periódico.
En el caso de interferencias de dos haces, la distancia entre las franjas o período se expresa mediante , donde λ es la longitud de onda y θ es el ángulo entre las dos ondas que interfieren. El período mínimo que se puede alcanzar es entonces la mitad de la longitud de onda.
Mediante la interferencia de 3 haces se pueden generar matrices con simetría hexagonal, mientras que con 4 haces se generan matrices con simetría rectangular o cristales fotónicos 3D. Con la interferencia de múltiples ondas (mediante la inserción de un difusor en el camino óptico) se pueden originar patrones aperiódicos con un espectro de frecuencia espacial definido. Por lo tanto, al superponer diferentes combinaciones de haces, se hacen posibles diferentes patrones.
Para que la litografía de interferencia tenga éxito, se deben cumplir los requisitos de coherencia. En primer lugar, se debe utilizar una fuente de luz coherente espacialmente. Se trata de una fuente de luz puntual en combinación con una lente colimadora. También se suele utilizar un haz de láser o de sincrotrón directamente sin colimación adicional. La coherencia espacial garantiza un frente de onda uniforme antes de la división del haz . En segundo lugar, se prefiere utilizar una fuente de luz monocromática o coherente temporalmente. Esto se consigue fácilmente con un láser, pero las fuentes de banda ancha requerirían un filtro. El requisito monocromático se puede eliminar si se utiliza una rejilla de difracción como divisor de haz, ya que las diferentes longitudes de onda se difractarían en diferentes ángulos pero, de todos modos, acabarían recombinándose. Incluso en este caso, seguirían siendo necesarias la coherencia espacial y la incidencia normal.
La luz coherente debe dividirse en dos o más haces antes de recombinarse para lograr la interferencia. Los métodos típicos para la división del haz son los espejos de Lloyd , los prismas y las rejillas de difracción .
La técnica también se puede extender fácilmente a las ondas de electrones, como lo demuestra la práctica de la holografía electrónica . [1] [2] Se han informado espaciamientos de unos pocos nanómetros [1] o incluso menos de un nanómetro [2] utilizando hologramas de electrones. 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 está dada por la relación de De Broglie , donde es la constante de Planck y es el momento del electrón. Por ejemplo, un electrón de 1 keV tiene una longitud de onda de ligeramente menos de 0,04 nm. Un electrón de 5 eV tiene una longitud de onda de 0,55 nm. Esto produce una resolución similar a los rayos X sin depositar energía significativa. Para garantizar la protección contra la carga, se debe garantizar que los electrones puedan penetrar lo suficiente para alcanzar el sustrato conductor.
Una preocupación fundamental para el uso de 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 las estadísticas de Fermi-Dirac , aunque el antiagrupamiento de electrones se ha verificado solo en un único caso.
La interferencia de las ondas atómicas de De Broglie también es posible siempre que se puedan obtener haces coherentes de átomos enfriados. El momento de un átomo es incluso mayor que el de los electrones o los fotones, lo que permite longitudes de onda incluso más pequeñas, según la relación de De Broglie. En general, la longitud de onda será menor que el diámetro del propio átomo.
El beneficio de utilizar la litografía de interferencia es la rápida generación de características densas sobre un área amplia sin pérdida de foco. Las rejillas de difracción sin costuras en áreas de más de un metro cuadrado se han originado por litografía de interferencia. [3] Por lo tanto, se utiliza comúnmente para el origen de estructuras maestras para procesos de micro o nano replicación posteriores [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 de 193 nm ). Además, los rayos láser interferentes de láseres pulsados de alta potencia brindan la oportunidad de aplicar un tratamiento directo de la superficie del material (incluidos metales, cerámicas y polímeros) basado en mecanismos fototérmicos y/o fotoquímicos. Debido a las características mencionadas anteriormente, este método se ha denominado en este caso "Patrón de interferencia láser directo" (DLIP). [5] [6] [7] Usando DLIP, los sustratos se pueden estructurar directamente en un solo paso obteniendo una matriz periódica en áreas grandes en unos pocos segundos. Estas superficies estampadas se pueden utilizar para diferentes aplicaciones, entre ellas la tribología (reducción del desgaste y la fricción), la energía fotovoltaica (aumento de la fotocorriente) [8] o la biotecnología. La litografía por interferencia electrónica [9] [10] se puede utilizar para patrones que normalmente tardan demasiado en generarse con la litografía convencional por haz de electrones .
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 formas arbitrarias, se requieren otras técnicas de fotolitografía. Además, para la litografía de interferencia de electrones, 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 rango de electrones secundarios se indica 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 medio paso de 20 nm o más pequeñas se verá afectada significativamente por factores distintos del patrón de interferencia, como la limpieza del vacío.
