-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer latenten Subwellen-Gitterstruktur
in einer Resistschicht zur Herstellung eines Subwellenlängen-Gitters
für elektromagnetische
Strahlung mit einer minimalen Wellenlänge.
-
Solche
latenten Subwellenlängen-Gitterstrukturen,
die in der Regel entwickelt und in ein Substrat übertragen werden, werden verwendet,
um sogenannte Zero-Order-Strukturen (Gitterstrukturen mit Perioden
kleiner als die Wellenlänge
der in der Anwendung verwendeten elektromagnetischen Strahlung)
zu bilden. Nach dem Modell der effektiven Medien können solche
binären
Strukturen als Material mit einem geringeren optischen Brechungsindex
als das verwendete Substratmaterial wirken. Durch eine Modulation
des effektiven Füllfaktors
der Feinstrukturierung entsteht ein entsprechend modulierter künstlicher
Brechungsindex, z.B. ein Brechzahlverlauf, der zu einer Gesamtfunktion
wie ein äquivalentes
Oberflächen-
oder Volumengitter führt.
-
Die
Erzeugung solcher Zero-Order-Strukturen ist bisher sehr aufwendig,
insbesondere für
Anwendungen im sichtbaren Spektralbereich oder im UV-Bereich. Die
Herstellung wird mittels Elektronenstrahlschreibern durchgeführt, die
entsprechende Lithographiemasken erzeugen. Dies ist einerseits sehr langsam,
andererseits auch ein teures Verfahren. Darüber hinaus ist aufgrund des
Elektronenstrahlschreibens die maximale Größe des herzustellenden Resistmusters
begrenzt.
-
Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen
einer latenten Subwellenlängen-Gitterstruktur
in einer Resistschicht zur Verfügung
zu stellen, mit dem die obigen Schwierigkeiten so gut wie vollständig behoben
werden können.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Erzeugen einer latenten Subwellenlängen-Gitterstruktur in
einer Resistschicht zur Herstellung eines zum Erzielen einer weiteren
optischen Funktion entsprechend modulierten Subwellenlängen-Gitters für elektromagnetische
Strahlung mit einer minimalen Wellenlänge, mit den Schritten: Bereitstellen
einer Resistschicht, Durchführen
eines Subwellenlängen-Belichtungsschrittes,
bei dem eine Gittergrundstruktur, die eine kleinere Periode als
die minimale Wellenlänge
aufweist, als Interferenzmuster erzeugt und in einem vorbestimmten
Bereich der Resistschicht einbelichtet wird, Durchführen eines
Funktionsstruktur-Belichtungsschrittes, bei dem eine Funktionsstruktur,
die eine größere Periode
als die minimale Wellenlänge
aufweist, in dem vorbestimmten Bereich der Resistschicht einbelichtet
wird, wobei das Interferenzmuster und die Funktionsstruktur so gewählt sind,
daß mittels
den beiden Belichtungsschritten die latente Subwellenlängen-Gitterstruktur erzeugt
wird, die eine Periode kleiner als die minimale Wellenlänge aufweist.
-
Durch
die Aufteilung der Belichtung in den Subwellenlängen-Belichtungsschritt und
den Funktionsstrukturbelichtungsschritt wird der Vorteil erreicht, daß der Subwellenlängen-Belichtungsschritt
quasi unabhängig
von dem gewünschten
und zu erzielenden effektiven Brechzahlverlauf gewählt werden kann.
Wesentlich ist nur, daß die
Periode der Gittergrundstruktur kleiner (bevorzugt sehr viel kleiner)
als die minimale Wellenlänge
ist. Eine solche Gittergrundstruktur kann mittels bekannter Interferenzverfahren
leicht und mit hoher Genauigkeit über eine relativ große Fläche (beispielsweise
100 cm2) erzeugt werden. Der Funktionsstruktur-Belichtungsschritt,
bei dem die Periode größer ist
als die minimale Wellenlänge,
dient zur Einstellung des gewünschten
Brechzahlverlaufs. Anders gesagt, die Gittergrundstruktur wird mit
der Funktionsstruktur so moduliert, daß das resultierende latente
Gitter immer noch eine Subwellen-Gitterstruktur aufweist. Mittels
den beiden Belichtungsschritten wird die latente Subwellenlängen-Gitterstruktur übermoduliert
erzeugt..
-
Es
kann somit mit hoher Genauigkeit die gewünschte latente Subwellenlängen-Gitterstruktur
in der Resistschicht erzeugt werden.
-
Unter
latenter Gitterstruktur wird der Zustand des Resists nach den beiden
Belichtungsschritten bezeichnet. Natürlich kann sich daran noch
ein Entwicklungsschritt anschließen, in dem abhängig vom Typ
der Resistschicht (Positiv- oder Negativresist) die belichteten
Bereiche, in denen die eingebrachte Dosis über der Schwellendosis liegt,
stehenbleiben, und die restlichen Bereiche zumindest teilweise entfernt werden
(oder umgekehrt). Das so gebildete Element kann schon das gewünschte Subwellenlängen-Gitter sein,
das somit die strukturierte Resistschicht und das unstrukturierte
Substrat aufweist. Ferner kann die Strukturierung der Resistschicht
in das Substrat übertragen
(z.B. durch Trockenätzverfahren)
und die Resistschicht dabei teilweise oder vollständig entfernt
werden. Wenn die Resistschicht vollständig entfernt wird, ist das
gewünschte
Subwellenlängen-Gitter
durch das strukturierte Substrat gebildet.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann somit ein kontinuierlicher Brechzahlverlauf durch Modulation
der optischen Dichte einer Subwellenlängenstruktur erreicht werden.
-
Das
gewünschte
Subwellenlängen-Gitter kann
ein transmissives Gitter sein. In diesem Fall ist das Substratmaterial
so gewählt,
daß es
die nötige Transparenz
für die
elektromagnetische Strahlung mit der/den Wellenlänge(n), für die es ausgelegt ist, aufweist.
Ferner kann das Subwellenlängen-Gitter ein
reflektives Element sein, wobei dann bevorzugt noch ein Beschichtungsschritt
durchgeführt
wird, wenn die Reflektivität
des Substratmaterials nicht hoch genug ist.
-
Die
Funktionsstruktur kann in gleicher Weise wie die Gittergrundstruktur
als Interferenzmuster erzeugt und in die Resistschicht einbelichtet
werden. In diesem Fall kann beispielsweise dieselbe Belichtungsvorrichtung
für beide
Belichtungsschritte eingesetzt werden.
-
Alternativ
ist es möglich,
daß die
Funktionsstruktur mittels bekannter Maskenbelichtungsverfahren in
die Resistschicht belichtet wird. In diesem Fall können bekannte
und für
die Periodenlänge
der Funktionsstruktur ausreichend genaue Belichtungsverfahren eingesetzt
werden.
-
Die
beiden Belichtungsschritte können
nacheinander oder auch gleichzeitig durchgeführt werden. Wenn sie gleichzeitig
durchgeführt
werden, wird die Herstellungsdauer minimiert.
-
Bevorzugt
wird die Belichtungsdosis im Subwellen-Belichtungsschritt so gewählt, daß die maximale
Dosis an jedem Ort in der Resistschicht nicht größer ist als die Schwellendosis.
Mittels der zusätzlichen
Dosis aus dem Funktionsstruktur-Belichtungsschritt wird die insgesamt
eingebrachte Dosis örtlich variieren,
teilweise oberhalb und teilweise unterhalb der Schwellendosis liegen.
Damit kann die gewünschte
Modulation der Gittergrundstruktur realisiert werden.
-
Insbesondere
wird die Dosis im Funktionsstruktur-Belichtungsschritt so ausgewählt, daß die maximale
Dosis in diesem Schritt kleiner als die Schwellendosis der Resistschicht
ist.
-
Natürlich ist
es auch möglich,
daß die
maximale Dosis im Subwellen-Belichtungsschritt und/oder im Funktionsstruktur-Belichtungsschritt
geringfügig
größer ist
als die Schwellendosis. Unter geringfügig größer wird hier verstanden, daß die Schwellendosis
um nicht mehr als 10 % überschritten wird.
Natürlich
ist die Überschreitung
so gewählt,
daß immer
noch die gewünschte
Gittergrundstruktur bzw. die latente Subwellenlängen-Gitterstruktur vorliegt.
-
Als
Resistschicht können
beispielsweise Fotolacke verwendet werden, die im tiefen UV-Bereich empfindlich
sind, insbesondere chemisch verstärkte DUV-Resists. Solche Fotolacke
besitzen das Potential, daß mit
ihnen sehr kleine Strukturen (Perioden ≤ 100 nm) möglich sind. Ferner weisen solche
Fotolacke in der Regel ein ausgeprägtes binäres Verhalten bezüglich ihrer
Empfindlichkeitskennlinie auf (chemisch verstärkte Lacke), so daß bei einer
Belichtungsdosis oberhalb der Schwellendosis die Lackschicht im
nachfolgenden Entwicklungsprozeß komplett
entfernt wird, während
die Lackschicht in Bereichen, in denen die Belichtungsdosis auch
nur leicht unter der Schwellendosis liegt, vollständig erhalten bleiben.
Diese Eigenschaft wird bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft
ausgenutzt, da so die gewünschten
binären
Subwellenlängen-Gitter
(Zero-Order-Gitter) auch für
Anwendungswellenlängen im
sichtbaren Bereich und sogar im UV-Bereich hergestellt werden können.
-
Die
Gittergrundstruktur und/oder die Funktionsstruktur ist/sind insbesondere
eine zweidimensionale Gitterstruktur. Damit können z.B. auch Linsen oder
sonstige Elemente mit der erzeugten latenten Subwellenlängen-Gitterstruktur
gebildet werden. Natürlich
kann die Gittergrundstruktur auch eine eindimensionale Gitterstruktur
sein, z.B. wenn ein entsprechendes Blaze-Profil, das sich nur in
einer Richtung erstreckt, erstellt werden soll.
-
Der
Funktionsstruktur-Belichtungsschritt kann in mehrere Belichtungsteilschritte
aufgeteilt werden. Das gleiche gilt für den Subwellenlängen-Belichtungsschritt.
-
Ferner
wird noch ein Subwellenlängen-Gitter für eine elektromagnetische
Strahlung mit einer minimalen Wellenlänge zur Verfügung gestellt,
das erhältlich
ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zum
Erzeugen einer latenten Subwellenlängen-Gitterstruktur in einer
Resistschicht und einem an die Belichtungsschritte anschließenden Schritt
des Entwickelns der belichteten Resistschicht. Ein solches Gitter
ist bevorzugt ein binäres
Subwellenlängen-Gitter.
-
Die
Resistschicht selbst kann als Gitter verwendet werden. Natürlich ist
es auch möglich,
die Strukturen der Resistschicht durch einen weiteren Entwicklungsschritt
in ein unter der Resistschicht liegendes Substrat zu übertragen.
In diesem Fall wird bevorzugt die Resistschicht auf ein Substrat
aufgebracht, dessen Material für
die elektromagnetische Strahlung z.B. die gewünschte Transmissionseigenschaft
aufweist. Wenn zum Beispiel ein Gitter für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich
gebildet werden soll, wird ein Substrat gewählt, das in dem sichtbaren
Wellenlängenbereich
transparent ist.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des
beschriebenen Verfahrens;
-
2 eine
Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts
der Resistschicht 2 mit einbelichteter Gittergrundstruktur;
-
3 ein
Dosisverlauf entlang der Linie I-I von 2;
-
4 ein
Dosisverlauf für
die gewünschte Funktionsstruktur;
-
5 ein
Dosisverlauf der Überlagerung
von Funktionsstruktur und Gittergrundstruktur entlang der Linie
II-II von 6, und
-
6 eine
Draufsicht eines vergrößerten Abschnitts
der Resistschicht 2 gemäß dem Dosisverlauf
von 5.
-
In 1 ist
eine schematische Belichtungsvorrichtung 1 gezeigt, die
zum Belichten und damit zum Erzeugen einer latenten Gitterstruktur
in einer Resistschicht 2 auf einem Substrat 3 verwendet
wird. Die Resistschicht 2 weist hier eine Dicke von 150
nm auf.
-
Die
Belichtungsvorrichtung 1, die hier stark schematisiert
dargestellt ist, umfaßt
einen UV-Laser 4, der Strahlung mit einer Wellenlänge von
193 nm abgibt, ein Interferenzmodul 5 sowie ein Steuermodul 6 zur
Steuerung des UV-Lasers 4 und des Interferenzmoduls 5.
-
Das
Interferenzmodul 5 umfaßt einen Strahlteiler 7 (hier
als Teilerwürfel
ausgebildet) sowie drei Umlenkspiegel 8, 9, 10.
Der Laser 4 weist eine (nicht gezeigte) Aufweitungsoptik
auf, so daß er
einen aufgeweiteten Laserstrahl 11 abgibt, der mittels dem
Strahlteiler 7 in zwei Teilbündel 12, 13 gleicher Intensität aufgeteilt
wird. Das erste Teilbündel 12 wird am
Umlenkspiegel 10 reflektiert und trifft unter einem vorbestimmten
ersten Einfallswinkel auf die Resistschicht 2. Das zweite
Teilbündel 13 wird
an den Umlenkspiegeln 8 und 9 so reflektiert,
daß es
unter einem vorbestimmten zweiten Einfallswinkel auf die Resistschicht
trifft. Die Einfallswinkel für
die beiden Teilbündel 12 und 13 sind
so gewählt,
daß sie
symmetrisch zur Oberflächennormalen
der Resistschicht 2 auf die Resistschicht 2 treffen.
-
Die
optischen Wege der beiden Teilbündel 12 und 13 sind
so gewählt,
daß sie
unter Berücksichtigung
der (zeitlichen) Kohärenzlänge der
Laserstrahlung in der Ebene der Resistschicht 2 interferenzfähig sind.
Das entstehende Interferenzfeld belichtet den Resist 2 sinusförmig mit
einer Periode P entsprechend der folgenden Beziehung: P = Λ(2·sinα).
-
Dabei
ist λ die
Wellenlänge
der Laserstrahlung und α der
Winkel, den der Richtungsvektor eines der symmetrisch zur Oberflächennormale
der Resistschicht 2 entfallenden Teilbündel 12, 13 mit
der Oberflächennormalen
einschließt.
Somit wird über
den Einfallswinkel der beiden Teilbündel zur Oberflächennormalen
bestimmt, welche Periode im jeweiligen Belichtungsschritt in das
Substrat eingeschrieben wird. Dazu sind beispielsweise der Umlenkspiegel 10 und
der Umlenkspiegel 9 schwenkbar, so daß der Winkel α verändert werden
kann. Dies wird mittels dem Steuermodul 6 durchgeführt.
-
Mit
der Belichtungsvorrichtung 1 wird die Resistschicht 2 in
einem quadratischen Bereich, der hier eine Fläche von 100 cm2 aufweist,
mit einem zweidimensionalen Punktgitter belichtet (Subwellenlängen-Belichtungsschritt).
Das zweidimensionale Gitter kann dadurch erreicht werden, daß nach einem
ersten Subwellen-Teilbelichtungsschritt das Substrat 3 zusammen
mit der Resistschicht 2 beispielsweise um 90° gedreht
wird (die Drehachse ist parallel zur Oberflächennormalen der Resistschicht)
und dann ein zweiter Subwellenlängen-Teilbelichtungsschritt durchgeführt wird,
bei dem der Winkel α gleich
oder verändert
ist.
-
Natürlich kann
die Belichtungsvorrichtung 1 auch einen weiteren Strahlteiler
(beispielsweise zwischen dem Strahlteiler 7 und dem Umlenkspiegel 10) aufweisen,
der eine Aufteilung senkrecht zur Zeichenebene bewirkt, so daß mittels
entsprechender weiterer Umlenkspiegel eine zweidimensionale periodische
Belichtungsverteilung erreicht werden kann. In diesem Fall kann
der Strahlteiler 7 so ausgebildet werden, daß er die
Teilbündel 12 und 13 nicht
mit gleicher Intensität
aufteilt, sondern daß beispielsweise
das Teilbündel 13 nur
ein Viertel der Intensität
des Teilbündels 12 aufweist,
so daß dann
alle vier Teilbündel
(auch die mit dem zusätzlichen
Strahlteiler zwischen dem Strahlteiler 7 und dem Umlenkspiegel 10)
die gleiche Intensität
aufweisen. Je nach Ausbildung der Belichtungsvorrichtung kann der
Subwellen-Belichtungsschritt
somit in einem Schritt oder mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden
Teilschritten verwirklicht werden.
-
Das
Gitter ist in einer Draufsicht in 2, die einen
vergrößerten Ausschnitt
der Resistschicht 2 zeigt, durch Kreise 14 angedeutet,
wobei die Kreise und der von ihnen umschlossene Bereich ein Bereich ist,
in dem die Dosis höher
ist als die Schwellendosis der Resistschicht. In den restlichen
Bereichen liegt die eingebrachte Dosis unter der Schwellendosis. Die
Größe der Kreise
sowie die Gitterperiode in x- und y-Richtung (d1 und d2) ist so
gewählt,
daß sie kleiner
ist als eine minimale Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung, für die das optische Element
ausgelegt ist, das durch Übertragen
der in der Resistschicht 2 gebildeten Gitterstruktur in
das Substrat 3 gebildet wird.
-
Die
maximale Dosis in den Kreisen 14 ist so gewählt, daß sie nur
etwas größer (z.B.
10 größer) als
die Schwellendosis der Resistschicht 2 ist. Die maximale
Dosis kann auch geringer als die Schwellendosis sein. Sie kann insbesondere
so gewählt sein,
daß, falls
sich direkt ein Entwicklungsprozeß anschließen würde, die Gitterstruktur gerade
noch nicht oder nur ganz leicht freigelegt werden würde.
-
In 3 ist
schematisch der Dosisverlauf entlang der Linie I-I dargestellt,
wobei die Schwellendosis DS durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet ist.
Wie 3 zu entnehmen ist, liegt die eingebrachte maximale
Dosis jeweils nur geringfügig über der Schwellendosis
DS.
-
Als
nächster
Schritt wird eine Funktionsstruktur einbelichtet, die hier eine
Blaze-Struktur ist und die schematisch in 4 dargestellt
ist, wobei eine gleiche Darstellung wie in 3 gewählt wurde.
-
All
dies führt
zu einer resultierenden Dosisverteilung, die in 5 gezeigt
ist, wobei die Darstellung wiederum der Darstellung von 3 entspricht.
-
Die
Periode d3 der Funktionsstruktur von 4 ist größer als
die minimale Wellenlänge.
Im Ergebnis führt
dies zu einer Subwellenlängen-Gitterstruktur,
bei der der Durchmesser der Lochstruktur über die Blaze-Periode d3 variiert,
wie dies in 6 schematisch dargestellt ist.
Die Lochgröße entspricht dabei
jeweils der Breite des Dosisprofils in 5, der bei
der Schwellendosis DS vorliegt. Diese Variation der Lochgröße wird,
anders gesagt, dadurch erreicht, daß die Flanken der einzelnen
Peaks (Maxima) des Punktgitters geneigt sind und nicht senkrecht
verlaufen. Somit nimmt die Breite der einzelnen Peaks mit zunehmender
Dosis ab, so daß die
durch die Funktionsstruktur bedingte Anhebung der einzelnen Peaks dazu
führt,
daß die
Breite der Peaks auf dem Niveau der Schwellendosis DS gemäß der Funktionsstruktur variiert
(5).
-
Der
zweite Belichtungsschritt zur Belichtung der Funktionsstruktur kann
wiederum mittels der Belichtungsvorrichtung 1 von 1 oder
auch mittels einer herkömmlichen
Maskenbelichtung durchgeführt
werden. Eine herkömmliche
Maskenbelichtung ist möglich,
da im zweiten Belichtungsschritt keine Strukturen einbelichtet werden,
die kleinere Abmessungen als die minimale Wellenlänge aufweisen.
-
Die
latente Gitterstruktur, die nach den beiden Belichtungsschritten
in der Resistschicht 2 vorliegt, wird entwickelt und mittels
bekannter Verfahren (beispielsweise mittels einem Trockenätzverfahren) in
das Substrat 3 übertragen.
In dem Substrat 3 liegt damit eine binäre Gitterstruktur vor, die
aufgrund der Subwellenlängen-Gitterstruktur
der Gittergrundstruktur als Zero-Order-Struktur für die Wellenlänge der elektromagnetischen
Strahlung, für
die das optische Element entworfen ist, wirkt. Das optische Element weist
einen optischen Brechungsindex auf, der abhängig vom Materialfüllfaktor
ist.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
läßt sich
somit großflächig eine
gewünschte
latente Subwellenlängen-Gitterstruktur
in einer Resistschicht erzeugen. Dies ist insbesondere für elektromagnetische
Strahlen im sichtbaren Bereich oder sogar im UV-Bereich möglich.
-
Es
lassen sich nahezu beliebige diffraktive Strukturen erzeugen. So
ist beispielsweise eine zweidimensionale Gitterstruktur möglich, die
einen im Subwellenlängenbereich
radial variierenden Füllfaktor
aufweist. Die Variation des Füllfaktors
kann so gewählt
sein, daß der
Verlauf der effektiven Brechzahl beispielsweise gaußförmig oder
asphärisch
ist.
-
Die
mittels der latenten Subwellenlängen-Gitterstrukturen
im Resist herstellbaren optischen Elemente können für sehr schmalbandige Anwendungen
(mit einer Bandbreite von ≤ 1
nm) oder auch für
breitbandige Anwendungen (einige 100 nm) ausgelegt sein. Wesentlich
ist nur, daß die
Periode der Subwellenlängen-Grundstruktur
kleiner ist als die minimale Wellenlänge der Anwendungsstrahlung.
-
Das
hergestellte optische Element kann ein transmissives oder ein reflektives
Element sein.
-
Insbesondere
können
mit dem beschriebenen Verfahren somit auf größeren Flächen (z.B. > 100 cm2) auch
diffraktive Elemente für
die Anwendungswellenlängenbandbreite
mit Gitterformen (Funktionsstruktur) realisiert werden, die zumindest teilweise
bzw. lokal einen steigenden Brechzahlverlauf erfordern, z.B. Sinusgitter,
Blazegitter, abbildende DOEs mit Blazestrukturen ..., der sich auf
andere Weise (Variation der Belichtungsenergie) nicht erreichen
ließe.
-
Trotz
der binären
Charakteristik des UV-Licht-empfindlichen Materials bzw. Resists
kann eine optische Funktion erzielt werden, die auf zumindest teilweise
kontinuierliche Übergänge in den
periodischen Brechzahlverläufen
für die
Anwendungswellenlänge
angewiesen ist. Ein geeignetes Resistmaterial ist z. B. Shipley
UV-135.