Die Interferenzlithographie ist eine seltener genutzte Methode zur Strukturierung. Das Prinzip ist das gleiche wie in der Interferometrie oder auch Holographie. Durch die Überlagerung zweier oder auch mehrerer kohärenter Lichtwellen kommt es zur Ausbildung eines periodischen Interferenzmusters, bestehend aus einer Serie von Intensitätsmaxima und -Minima (Überlagerung bzw. Auslöschung), das in lichtempfindliche Schichten (Photoresists) geschrieben werden kann. Im Fall einer zweistrahligen Interferenz ergibt sich eine Periodizität von (λ/2)/sin(θ/2), wobei θ der Winkel zwischen den einander überlagernden Wellen ist und λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Die geringste mögliche Periode ist durch die Wellenlänge begrenzt und ergibt sich zu λ/2. Mit der Interferenzlithographie können, durch Einsatz von Lasern, periodische Strukturen mit kleinsten Strukturgrößen bis zu etwa 100 nm hergestellt werden. Da dabei ganze Wafer auf einmal belichtet werden können, ist der Durchsatz hoch und dadurch der Prozess entsprechend kostengünstig. Von Nachteil ist, dass die Methode auf ein- oder zweidimensionale periodische Gitter beschränkt ist. Dennoch ist die Interferenzlithographie für die Herstellung von sub-µm-Gittern die Methode der Wahl, da kein anderes Verfahren derart qualitativ hochwertige Gitter auf großen Flächen ermöglicht.
[allg. Literaturstelle Dissertation: Interferenzlithographisch strukturierte Oberflächen für lichtemittierende Bauelemente; Dipl.-Phys. Ulf Geyer; Uni Karlsruhe (TH), Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik; 2009]
An der Chinese Academy of Sciences (CAS) konnten mit AR-P 3840 sub-µm-Gitter mit einer hohen Auflösung von bis zu 70 nm (Stegbreite) realisiert werden. Auszug aus einem Bericht von Dai Longgui, Ding Peng und Prof. Chen Hong (Renewable Energy Laboratory, Institute of Physics, IOP): „Wir haben mittels Laser-Interferenz-Lithographie sub-µm-Photoresist-Gitter auf Silizium hergestellt. Es ist uns problemlos gelungen, verschiedene sub-µm-Perioden, von 200 – 800 nm, zu erzeugen. Durch die Variation von Interferenzwinkel, Belichtungsdosis und Entwicklungsbedingungen konnten die unterschiedlichen Gitter erhalten werden. Die Details der Prozessparameter können aus der folgenden Tabelle entnommen werden“:
Tabelle 1: Prozessparameter der Laser-Interferenz-Lithographie mit positiv Resist AR-P 3840
Abb. 1: Versuchsaufbau der Laser-Interferenz-Lithographie
In den folgenden Abbildungen ist eine Auswahl der erhaltenen sehr regelmäßigen Gitterstrukturen dargestellt. Bei einer Schichtdicke von 111 nm beträgt die Periode 181 nm mit einer Stegbreite von etwa 100 nm bzw. 323nm und einer Stegbreite von nur 72 nm!
Abb. 2: Photoresist-Gitter mit 180-nm-Periode
Abb. 3: 323nm-Periode mit 72 nm Stegbreite
Auch negative Photoresists sind für die Interferenzlithographie gut geeignet. Dabei ergeben Resists die über den Mechanismus der chemischen Verstärkung vernetzen (CAR) besonders glatte Kanten und zeigen kein ausgeprägtes erstes Interferenzminimum in der entwickelten Struktur. Durch Verwendung einer Spezialvariante unseres Standardresists AR-N 4340, SX AR-N 4340/8, konnte an der MLU Halle (Center for Material Science, Dr. Fuhrmann) die Interferenzlithographie auch unter Weißlicht-Bedingungen erfolgreich durchgeführt werden:
Abb. 4: SX AR-N 4340/8 Linienstrukturen mit 57 nm Liniendurchmesser bei einer Schichtdicke von 191 nm; weitere Parameter: 232nm Periode, Winkel: 35°, Belichtung für 750s bei 266nm mit einer Leistung von etwa 0,01 mW/cm2, 10 Minuten PEB bei 100°C, Entwicklung: 90s mit AR 300-47 (1:1 verdünnt).
Es konnten schöne und gleichmäßige Linienstrukturen mit senkrechten Wänden erzeugt werden. Bei einer Periode von 232nm konnte eine großartige Auflösung von nur 57nm realisiert werden!
Auch negative Resists, die nicht über einen CAR-Mechanismus vernetzen, können für die Laserinterferenzlithographie verwendet werden. Unser Negativresist AR-N 4240 wird dabei standardmäßig für lift-off-Prozesse eingesetzt. Der durch stehende Wellen entstehende Unterschnitt ist dort erwünscht, begrenzt aber die Auflösung.
Abb. 5: Typisches Kantenprofil von AR-N 4240 (MLU Halle, Verdünnung 1:2 mit AR 300-12, 4000rpm, SB 85°C, Belichtung: 160s mit ca. 16-20mJ bei 266nm, PEB 30min bei 85°C, Entwicklung: 30s mit AR 300-475).
Die Kantenform kann durch eine Variation der PEB-Temperatur gezielt eingestellt werden.
Abb. 6: Prozessierte Strukturen von oben nach unten: PEB bei 90, 95, 100, 105 und 110°C
Zur Verkürzung der Prozesszeiten wurden die PEB-Zeiten auf jeweils 5 Minuten verkürzt und gleichzeitig die Temperatur in 5K-Schritten erhöht. Bei einem 90°C PEB lösen sich die Streifen am ersten Minimum ab, zwischen 95 und 100°C erhält man ähnliche Lackprofile wie bei den Standardbedingungen, bei 105°C verschwindet die Einschnürung am ersten Minimum und bei 110°C konnten die Strukturen nicht mehr durchentwickelt werden. Das Optimum liegt bei einer PEB-Temperatur von 105°C, der Unterschnitt verschwindet vollständig, was kleinere Perioden zulässt und AR-N 4240 für RIE-Prozesse verwendbar macht.
Weitere Literaturstelle (MLU): Johannes de Boor, Nadine Geyer, Jörg V Wittemann, Ulrich Gösele und Volker Schmidt: „Sub-100 nm silicon nanowires by laser interference lithography and metal-assisted etching” Nanotechnology 21 (2010) 095302 (5pp); doi:10.1088/0957-4484/21/9/095302