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Die Erfindung betrifft eine Belichtungsmaskeneinrichtung zur Ausführung eines Fotolithografieprozesses für eine Vielzahl von Substraten, die auf einem Werkstückträger gehaltert sind, mit einer Belichtungsmaske. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ausrichtung einer Vielzahl von Substraten, die auf einem Werkstückträger gehaltert sind, auf eine Belichtungsmaske zur Ausführung eines Fotolithografieprozesses.
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Im Unterschied zur Halbleiterfertigung von Silizium-Wafern, die einzeln prozessiert werden, erfolgt die Herstellung beispielsweise von Mikromechaniksensoren mit relativ kleinen Substraten. Das Basissubstrat liegt hierbei in Form eines kleinen zylindrischen Stahlkörpers vor. Damit der Herstellungsprozess zur Aufbringung einer in Dünnschichttechnologie erstellten Schaltung auf solchen Substraten wirtschaftlich wird, müssen diese im Verbund prozessiert werden. Für eine großserientaugliche Fertigung der Sensoren ist eine hinreichende Lagegenauigkeit der Strukturen auf den Substraten erforderlich.
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Aus der
US 6,475,287 B1 ist eine Vorrichtung zur relativen Positionierung einer Maske zur Beschichtung eines Substrats bekannt. Dabei wird auf eine Basis eine Grundplatte aufgeschraubt, die mit einem Rahmen abgedeckt wird. Zur Ausrichtung dieses Rahmens sind in der Basis Pins vorgesehen, in die Löcher bzw. Ausschnitte des Rahmens eingreifen. Auf den Rahmen wird wiederum die Beschichtungsmaske aufgebracht und mit einer transparenten Platte abgedeckt. Zur Positionierung der transparenten Platte werden dabei teilweise die Pins der Basis benutzt, die durch den Rahmen hindurch greifen.
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In der
DE 101 44 876 A1 werden deshalb eine Belichtungsmaskeneinrichtung und ein Verfahren zur Ausrichtung einer Vielzahl von Substraten auf eine Belichtungsmaske offenbart, die diesem Erfordernis entsprechen. Diese Belichtungsmaskeneinrichtung weist ein Justageblech mit passgenauen Durchführungsbohrungen zur Aufnahme jeweils eines Substrats pro Durchführungsbohrung sowie Mittel zum Ausrichten und Fixieren der Belichtungsmaske und des Justageblechs zueinander auf.
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Durch die Verwendung eines Justageblechs mit passgenauen Durchführungsbohrungen, in die die Substrate jeweils eingeschoben werden, ist nur noch eine einmalige Ausrichtung und Fixierung der Belichtungsmaske zum Justageblech erforderlich. Anschließend können im kontinuierlichen Fertigungsprozess die Werkstückträger mit den gehalterten Substraten in Richtung des Justageblechs bewegt werden, so dass die Substrate in die Durchführungsbohrungen eingeschoben und auf diese Weise automatisch justiert werden.
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Im Rahmen der fortschreitenden Miniaturisierung wurden für die Entwicklung einer Shrink-Generation von Hochdrucksensoren die erwähnten Stahlsubstrate in ihrem Durchmesser stark reduziert und gleichzeitig ist deren Packungsdichte im Werkstückträger stark erhöht worden. Hierbei blieben aber die Außenabmessungen des Werkstückträgers unverändert. Dies führte dazu, dass die einzelnen Stahlsubstrate nahezu kein laterales mechanisches Spiel in ihrer jeweiligen Werkstückträger-Position mehr aufweisen.
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Dies hat jedoch zur Folge, dass das vorstehend beschriebene Justageblech nicht mehr einsetzbar ist. Das Konzept des ”Einfädelns” von Stahlsubstraten in die Durchführungsbohrungen kann nur funktionieren, wenn das einzelne Stahlsubstrat genug laterales mechanisches Spiel hat, um in die durch das Justageblech vorgegebene Position zu ”rutschen”. Sind nun viele Stahlsubstrate auf dem Werkstückträger vorhanden, die wenig bis nahezu kein Spiel haben, ist das Einfädeln in die Durchführungsbohrungen nicht mehr zuverlässig zu gewährleisten.
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Ferner wären die erforderlichen Führungskräfte, die auf das Justageblech einwirken würden, sehr hoch und diese Kräfte können zu Beschädigungen des Justageblechs sowie der Belichtungsmaske führen. Schließlich ist aufgrund der hohen Anzahl von Durchführungsbohrungen und des durch die erhöhte Packungsdichte stark verringerten Abstandes dieser Bohrungen eine mechanisch-stabile Konstruktion eines derartigen Justagebleches kaum noch möglich.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in zuverlässiger und einfacher Weise eine exakte Ausrichtung der Stahlsubstrate auf dem Werkstückträger für die Belichtung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Belichtungsmaskeneinrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 sowie durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist eine gattungsgemäße Belichtungsmaskeneinrichtung einen Justagerahmen mit Mitteln zum Ausrichten und Fixieren des Werkstückträgers und des Justagerahmens zueinander und Mittel zum Ausrichten und Fixieren der Belichtungsmaske und des Justagerahmens zueinander auf. Auf diese Weise wird sowohl der Werkstückträger zu dem Justagerahmen ausgerichtet als auch die Belichtungsmaske. Dies führt dazu, dass folglich der Werkstückträger mit den darauf angeordneten Substraten zu der Belichtungsmaske exakt ausgerichtet ist. Sind die Substrate auf dem Werkstückträger bereits exakt ausgerichtet, so sind sie demnach auch zu der Belichtungsmaske exakt ausgerichtet.
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Bevorzugt weist der Werkstückträger zumindest zwei Justagebohrungen und der Justagerahmen den Justagebohrungen entsprechende Justagestifte auf. Die Justagestifte ragen an der dem Werkstückträger zugewandten Seite des Justagerahmens hervor. Durch die jeweils zwei Justagebohrungen bzw. Justagestifte sind der Werkstückträger und der Justagerahmen in der Position zueinander genau festgelegt.
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In vorteilhafter Weise ist der Werkstückträger verschiebbar in Richtung der Belichtungsmaskeneinrichtung, um die Justagestifte in die Justagebohrungen des Werkstückträgers einzuschieben.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Belichtungsmaskeneinrichtung weisen die Justagebohrungen des Werkstückträgers und/oder die Justagestifte des Justagerahmens jeweils eine Fase zur Einführung der Justagestifte in die Justagebohrungen auf. Hierdurch wird das Einführen der Justagestifte in die Justagebohrungen erleichtert.
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Bevorzugt weisen die Belichtungsmaske und der Justagerahmen der erfindungsgemäßen Belichtungsmaskeneinrichtung Justagemarken zum Ausrichten der Belichtungsmaske und des Justagerahmens zueinander auf. Die Justagemarken sind hierbei in aufeinander abgestimmten Abständen an der Belichtungsmaske und dem Justagerahmen angeordnet. Sie können bei der Fertigung der Belichtungsmaske bzw. des Justagerahmens eingebracht sein. Ebenfalls ist es möglich, kleine Einlegeteile als Justagemarken in den Justagerahmen einzubringen.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Justagerahmen einen Vakuumkanal zum Ansaugen und Saugfixieren des Justagerahmens an die Belichtungsmaske hat und der Vakuumkanal sich im Randbereich entlang der Außenkante des Justagerahmens erstreckt. Durch Luftabsaugung, beispielsweise durch eine Bohrung in der Belichtungsmaske wird dann ein Unterdruck bzw. Vakuum in dem Vakuumkanal erzeugt und die Belichtungsmaske mit dem Justagerahmen verbunden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Einschieben von mindestens zwei Justagestiften, die an einem Justagerahmen in Richtung des Werkstückträgers hervorragen, in entsprechende Justagebohrungen des Werkstückträgers vorgesehen, so dass der Werkstückträger mit den darauf angeordneten Substraten zu dem Justagerahmen exakt ausgerichtet wird. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Ausrichtung und Fixierung der Belichtungsmaske auf dem Justagerahmen vorgesehen.
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In vorteilhafter Weise ist ferner ein Ausrichten der Belichtungsmaske auf den Justagerahmen mit Hilfe von Justagemarken vorgesehen, die an der Belichtungsmaske und an dem Justagerahmen vorgesehen sind. Diese Justagemarken eröffnen die Möglichkeit, in einfacher Weise die Ausrichtung vorzunehmen.
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Bevorzugt erfolgt das Ausrichten mittels automatischer optischer Detektion der Justagemarken. Dies ist möglich, wenn kleine Einlegeteile als Justagemarken in den Justagerahmen eingebracht sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in:
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1 – schematisch einen Querschnitt einer Belichtungsmaskeneinrichtung mit einem Justagerahmen und einem gegenüberliegenden Werkstückträger mit gehalterten Substraten;
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2 – die Belichtungsmaskeneinrichtung aus 2, bei der die Justagestifte des Justagerahmens in die Justagebohrungen des Werkstückträgers eingeführt sind;
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3 – eine Skizze des Justagerahmens aus den 1 und 2 in einer Ansicht von unten; und
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4 – eine Skizze des Werkstückträgers mit den gehalterten Substraten aus den 1 und 2 in der Draufsicht.
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Die 1 zeigt schematisch eine Belichtungsmaskeneinrichtung 1 für einen fotolithografischen Prozess im Querschnitt. Auf einem Werkstückträger 2 ist eine Vielzahl von Substraten 3 gehaltert. Die Substrate 3, beispielsweise zylindrische Stahlsubstrate, sind exakt ausgerichtet und nahezu spielfrei auf dem Werkstückträger 2 angeordnet. Der Werkstückträger 2 ist auf einem Bearbeitungs-Chuck 4 der Belichtungsmaskeneinrichtung 1 montiert, der in Z-Richtung (Pfeil) verschiebbar ist. Weiterhin weist der Bearbeitungs-Chuck 4 einen Bewegungsspielraum in die beiden anderen Raumrichtungen, X-Richtung und Y-Richtung (nicht dargestellt), auf.
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Dem Werkstückträger 2 gegenüberliegend ist ein Justagerahmen 5 angeordnet, der eine Öffnung 6 aufweist, in die der Werkstückträger mit den Substraten 3 zumindest teilweise eingeführt werden kann. Der Justagerahmen 5 ist an einer Belichtungsmaske 7 fixiert, beispielsweise an einer Quarzmaske, die relativ zu dem Justagerahmen 5 ausgerichtet ist. Die Belichtungsmaske 7 wiederum ist auf der dem Justagerahmen 5 gegenüberliegenden Seite an einem Halterahmen 8 zum Halten der Belichtungsmaske 7 fixiert.
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In dem Randbereich entlang der Außenkante des Justagerahmens 5 ist ein Vakuumkanal 9 vorgesehen, um den Justagerahmen 5 an die Belichtungsmaske 7 anzusaugen und zu fixieren. Ein entsprechender umlaufender Vakuumkanal 10 ist in dem Halterahmen 8 vorhanden. Eine Bohrung 11 in der Belichtungsmaske 7 sorgt für einen Vakuumdurchtritt von dem Vakuumkanal 10 des Halterahmens 8 in den Vakuumkanal 9 des Justagerahmens 5.
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Innerhalb der Öffnung 6 ist ein Vorsprung 12 an dem Justagerahmen 5 vorgesehen. An der dem Werkstückträger 2 zugewandten Seite des Vorsprungs 12 sind zwei Justagestifte 13 von dem Justagerahmen 5 bzw. dem Vorsprung 12 hervorragend angeordnet. In der vorliegenden Figur ist nur einer der beiden vorgesehenen Justagestifte 13 dargestellt. Das zu dem Werkstückträger 2 weisende Ende der Justagestifte 13 weist eine Fase 14 auf, so dass die Justagestifte 13 eine sich verjüngende Spitze haben. Den Justagestiften 13 gegenüberliegend angeordnet befinden sich in dem Werkstückträger 2 Justagebohrungen 15, an deren oberen Kante ebenfalls eine Fase 16 vorgesehen ist. Die jeweiligen Fasen 14 bzw. 16 an dem Justagestift 13 bzw. der Bohrung 15 erleichtern das Einführen der Justagestifte 13 in die Justagebohrungen 15. Weiterhin kann eine der Justagebohrungen 15 einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweisen, um die Ausrichtung des Werkstückträgers in der Ebene zu erleichtern.
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Die 2 lässt die Belichtungsmaskeneinrichtung 1 aus der 1 erkennen, wobei in dieser Darstellung der Bearbeitungs-Chuck 4 in Z-Richtung zu dem Halterahmen 8 bewegt ist. Der Werkstückträger 2 liegt nunmehr optimal justiert und ausgerichtet innerhalb der Öffnung 6 des Justagerahmens 5. Hierdurch sind auch die ausgerichtet angeordneten und nahezu spielfrei gehalterten Substrate 3 zu der Belichtungsmaske 7 exakt ausgerichtet. Die Justagestifte 13 befinden sich nun in den Justagebohrungen 15. In dieser Stellung kann daher die Belichtung, beispielsweise mittels UV-Strahlung, erfolgen.
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Es wird angemerkt, dass sowohl die Substrate untereinander keinen Kontakt haben als auch der Justagerahmen 5 mit dem Werkstückträger 2 berührungsfrei bleiben. Lediglich die Justagestifte 13 kommen mit den Justagebohrungen 15 in direkten Kontakt.
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Die 3 lässt den Justagerahmen 5 in einer Ansicht von unten her erkennen. Der Figur deutlich zu entnehmen ist die Öffnung 6, mit den Vorsprüngen 12. Der Justagerahmen 5 ist im Wesentlichen rechteckig bzw. in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quadratisch ausgebildet. An zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken des Justagerahmens 5 befinden sich die beiden Vorsprünge 12 mit den daran angeordneten runden Justagestiften 13.
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Aus der 3 ist ferner erkennbar, dass der Justagerahmen 5 Justagemarken 17 aufweist, die in Form von Bohrungen realisiert sein können, mit denen der Justagerahmen 5 optisch auf die Belichtungsmaske 7 (1) ausgerichtet werden kann. An der Belichtungsmaske 7 sind ebenfalls in der Figur nicht dargestellte Justagemarken an den entsprechenden Positionen vorgesehen.
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In der 4 ist in einer Draufsicht der Werkstückträger 2 dargestellt. Auf dem Werkstückträger 2 befinden sich die Substrate 3 derart ausgerichtet gehaltert, dass sie nahezu spielfrei auf dem Werkstückträger 2 angeordnet sind. Sinnvollerweise weist der Werkstückträger 2 eine dem Justagerahmen 5 (3) entsprechende Form auf, in diesem Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen quadratische Form. An zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken des Werkstückträgers 2 befinden sich die beiden Justagebohrungen 15, in die die Justagestifte 13 (1) eingebracht werden können.
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Die nahezu spielfreie Position der einzelnen Substrate 3 im Werkstückträger 2 und die exakte Position der Justagestifte 13 im Justagerahmen 5 sowie die exakte Position der Justagebohrungen 15 im Werkstückträger 2 sind Voraussetzung für das Funktionieren des neuen Ausrichtungskonzeptes. Ebenso ist eine Vorjustage des Werkstückträgers 2 auf dem Chuck 4 für das nachfolgende Ausrichten förderlich. Bei Vorliegen dieser Voraussetzungen werden bei Ineinandergreifen von Justagestiften 13 und Justagebohrungen 15 die Substrate 3 im Werkstückträger 2 exakt zu den jeweiligen Strukturen auf der Belichtungsmaske 7 ausgerichtet.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung ist zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen mittels eines photolithografischen Prozesses geeignet, der beispielsweise in der
DE 101 44 876 A1 beschrieben ist.
