Design and fabrication of nano-structures by interforometric lithography

Neste trabalho foi desenvolvida a técnica de Litografia Interferométrica para a gravação de nano-estruturas periódicas em relevo, uni e bidimensionais, sobre substratos de vidro e de silício. Em particular, o trabalho se concentrou em duas frentes: no estudo no perfil das estruturas gravadas em fotorresina, através da superposição de padrões interferométricos, e na integração desta técnica com as demais tecnologias usuais de processamento do Si para microeletrônica. A partir dos padrões luminosos, gerados pela superposição de franjas de interferência, o perfil em relevo das estruturas gravadas em fotorresina foi simulado para estudar a influência de alguns dos parâmetros do processo de exposição e revelação. Para a associação desta técnica de litografia interferométrica com as demais tecnologias de processamento de Si foi necessário desenvolver um processo para gravação sobre substratos de Si. Para isto foi preciso reduzir o efeito das ondas estacionárias na litografia. A solução encontrada foi crescer termicamente uma camada de SiO2, com espessura apropriada sobre o substrato de Si, antes da aplicação da fotorresina. Para demonstrar o potencial dos processos desenvolvidos para fabricação de componentes e dispositivos baseados em nano-estruturas, foram realizadas duas aplicações: gravação de arranjos de nano-ponteiras de Si e gravação de matrizes em relevo para moldagem de elementos difrativos de alta freqüência espacial. Utilizando a técnica de litografia interferométrica associada à corrosão por plasma RIE foram fabricados arranjos de alta densidade de nano-ponteiras de Si, com cerca de 106 pontas/mm2 e raio de curvatura da ordem de 20nm. O desempenho elétrico do arranjo de ponteiras fabricadas, como dispositivo de emissão de elétrons por efeito de campo, foi caracterizado através das medidas da curva I x V e da estabilidade temporal da corrente de elétrons emitidos. Por outro lado, foram fabricadas matrizes em relevo de elementos ópticos difrativos com propriedades de polarização. Estas estruturas foram utilizadas num processo de replicação que envolveu também etapas de moldagem por eletroformação de níquel e geração de réplicas por injeção de plástico. A caracterização óptica, tanto das matrizes quanto réplicas, foi realizada através da medida do espectro de difração para os estados ortogonais de polarizaçãoIn this work the interferometric lithography technique was developed for recording periodic relief nano-structures, one and bi-dimensional, on silicon and glass substrates. In particular, the work is focused in two directions: the study of the profile of the structures recorded in photorresist, through the superimposition of interference light patterns, and the association of this technique with the usually microelectronics techniques for the silicon processing. Starting from the light patterns, generated by the superimposition of interference fringes, the photoresist relief profile was simulated in order to study the influence of some exposure and development parameters on it. For combining the interferometric lithography with the silicon technologies it was necessary to record the nano-structures on Si substrates. For this, it was necessary to deduct the Standing Wave effect in the lithography. The solution was to grow thermally a layer of SiO2, with a proper thickness, on the silicon substrate, before the application of the photorresist. To demonstrate the applicability of the developed processes for fabrication of components and devices based on nano-structures, two applications have been realized: the recording of arrays of silicon nano-tips and the recording of a master relief structure for molding a diffractive optical element of high spatial frequency. Using the interferometric lithography technique associated with the silicon corrosion for plasma RIE, high-density arrays of silicon nano-tips were fabricated, with about 106 tips/mm2 and ray of curvature of about 20nm. The electric performance of the nano-tips array as a Field Emission Device was characterized through the I x V curves measurement as well as the temporal stability of the emitted electron current. By the other side, a master of a Diffractive Optical Elements (DOE), with polarizing properties, was realized. This master structure was used in a replication process involving the nickel electroformed shim and the generation of the replicas by plastic injection molding. The optical characterization of both master and replicas were performed through the measurement of the diffraction spectrum for the two orthogonal polarization state