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Von hartem und weichem Licht

Wie die Belichtung Halbleiterstrukturen prägt

Aus der Fotografie ist die Wirkung von hartem und weichem Licht gut bekannt. Mit hartem Licht lässt sich die Umgebung mit klar definierten scharfen Konturen im Schattenwurf ausleuchten. Weiches Licht macht das Bild diffuser und lässt Umrisse verschwimmen. Ausschlaggebend für den jeweiligen Effekt ist die Größe der Lichtquelle im Vergleich zum beleuchteten Objekt: Eine relativ kleine Lichtquelle führt zu harter Schattenbildung, eine ausgedehnte Lichtquelle zu weicheren,
unschärferen Konturen.

Fotolithografie
Licht spielt eine wichtige Rolle, wenn Silizium-Halbleiter mittels Fotolithografie ihre Chipstruktur bekommen. © FroggyFrogg/ Getty images

Strukturen bis in die Nanoskala

Das Spiel mit Schärfe und Unschärfe erlaubt nicht nur der visuellen Kunst eindrucksvolle Gestaltungsmöglichkeiten. Scharfe Konturen sind auch erwünscht, wenn es darum geht, definierte
Strukturen für die Halbleitertechnik auf sehr kleinen Längenskalen zu schaffen. Die Beugung des Lichts an sehr kleinen Strukturen führt allerdings dazu, dass klare Muster aufweichen, was immer dann geschieht, wenn die Größenordnungen im Bereich der optischen Wellenlänge und somit auf der Nanoskala liegen.

Diese Beugungseffekte geben die minimale Auflösung vor, die sich bei der Belichtung mit einer gegebenen Wellenlänge oder Farbe des Lichts erreichen lässt. Zum Erreichen sehr feiner Nanostrukturen oder sehr dicht gepackter Muster wäre wirklich hartes Licht ideal geeignet. Zumal Licht nicht nur die Konturen, sondern auch die Eigenschaften der belichteten Materialien beeinflusst, etwa bei der Fotolithografie, einer wichtigen Methode zur Herstellung von Halbleiterbauelementen.

Auf den Lack kommt es an

Um Nanomuster zu erzeugen, werden in der Halbleitertechnik Fotolacke benutzt. Die Löslichkeit der Fotolacke hängt davon ab, wie sie belichtet werden: Es gibt Lacke, die bei Belichtung aushärten oder sich chemisch vernetzen, und es gibt Lacke, die aufweichen, wenn sie Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt sind. Aushärtende Lacke eignen sich zum Schutz von Materialien, aufweichende Lacke dienen beispielsweise dazu, Bereiche zu definieren, in denen weitere Prozessschritte erfolgen sollen.

Die raffinierte Abfolge von Belichtungen mit beiden Fotolacksorten ist die Grundlage zur Herstellung von Nanostrukturen, die elektrische oder optische Signale verarbeiten und als integrierte Bausteine (Chips) für die Elektronik und die Optik genutzt werden können. Für die sogenannte integrierte Optik, also die Optik auf Chipbasis, wie wir sie in unserer Arbeitsgruppe am Kirchhoff- Institut für Physik der Universität Heidelberg entwickeln, werden üblicherweise Nanostrukturen angestrebt, die kleiner als ein Mikrometer sind. Zum Vergleich: Ein Haar hat einen Durchmesser von etwa 50 Mikrometern.

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Licht kann mithilfe sogenannter Wellenleiter in sehr kleine Nanostrukturen eingeführt werden. Das macht Schaltkreise möglich, in denen keine Elektronen, sondern Lichtteilchen – Photonen – wirken.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Rechnen mit Licht
Wie Photonik die Computertechnik voranbringen kann

Von hartem und weichem Licht
Wie die Belichtung Halbleiterstrukturen prägt

Licht statt Elektronen
Wo photonische Rechner im Vorteil sind

Alles parallel
Wie photonische Chips rechnen

Das Beste beider Welten
Hybrides Rechnen mit Elektronen und Licht

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