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Die Erfindung betrifft eine Belichtungsvorrichtung, die zur Belichtung eines Substrats für dessen optisch-lithographische Prozessierung eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Belichtungsvorrichtung für die Laser-basierte Lithographie zur Herstellung von Elektronik- und/oder Mikrosystem-Bauelementen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Belichtung eines Substrates, bei dem die genannte Belichtungsvorrichtung verwendet wird. Anwendungen der Erfindung sind bei der lithographischen Prozessierung, insbesondere bei der maskenlosen Laser-Lithographie, z. B. von Halbleiter-, Metall- oder Kunststoffstrukturen gegeben.
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Die Photolithographie (hier kurz als Lithographie bezeichnet) ist ein allgemein bekanntes Verfahren zur Strukturierung von Festkorperoberflächen. Die Lithographie umfasst allgemein die folgenden Schritte. Auf einem zu prozessierenden Substrat wird eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht. Die lichtempfindliche Schicht wird mit einem Belichtungsmuster belichtet, wobei in den belichteten Schichtabschnitten eine photochemische oder photophysikalische Veränderung von Schichteigenschaften erzielt wird. Anschließend werden in Abhängigkeit von den veränderten Schichteigenschaften die belichteten oder die unbelichteten Schichtabschnitte entfernt, so dass das Substrat entsprechend dem Belichtungsmuster freigelegt wird, um einer Prozessierung der freigelegten Substratabschnitte unterzogen zu werden. Diese Schritte können gegebenenfalls wiederholt und mit weiteren Prozessierungsschritten, wie z. B. der Abscheidung von Zwischenschichten, kombiniert werden. Im Ergebnis wird ein strukturiertes Substrat erzielt, welches als Elektronik- oder Mikrosystem-Bauelement oder als Maske für weitere lithographische Prozesse verwendet wird.
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Typischerweise werden für die Belichtung leistungsstarke Gas- oder Festkörperlaser verwendet, deren Laserlicht über ein optisches System auf die lichtempfindliche Schicht fokussiert wird (Laserlithographie). Zur Erzielung des Belichtungsmusters wird das Substrat mit einem verstellbaren Tisch relativ zum Fokus des Laserlichts in zwei zueinander senkrechten Richtungen bewegt, während gleichzeitig das Laserlicht entsprechend den gewünschten kartesischen Koordinaten der Belichtung ein- oder ausgeschaltet wird. Typischerweise ist der Tisch, insbesondere beim Prozessieren von Strukturen mit Dimensionen unterhalb von 1 μm, zur Schwingungsdämpfung mit einem Abstand (z. B. 1 m) von dem Laser angeordnet. Bekannte Belichtungsvorrichtungen für die Laserlithographie sind, insbesondere wegen deren verbreiteter Anwendung in der Halbleiterindustrie, komplexe Anlagen, deren Betrieb mit einem hohen technischen Aufwand und hohen Kosten verbunden ist. Der Betrieb bei der Herstellung von Prototypen oder Kleinserien ist unwirtschaftlich. Daher besteht ein Interesse an kompakten Belichtungsvorrichtungen, die mit möglichst geringem Aufwand betrieben werden können.
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Von
A. G. Poleshchuk et al. („Applied Optics", Band 38, 1999, S. 1295–1301; und „Proc. SPIE", Band 4440, 2001, S. 161–172) wird eine Laser-Belichtungsvorrichtung zur Herstellung von refraktiven optischen Elementen mit Oberflächenstrukturen beschrieben, welche typische Strukturgrößen unterhalb von 1 μm aufweisen. Ein Substrat zur Herstellung des optischen Bauelements wird auf einem drehbaren Tisch gehaltert, der in einer Ausnehmung in einer optischen Bank angeordnet ist. Auf der optischen Bank sind ein Laser und ein optisches System zur Fokussierung von Laserlicht auf der Oberfläche des Substrats angeordnet. Das optische System umfasst einen verstellbaren Spiegel, mit dem eine Radialposition des Fokus des Laserlichts relativ zur Drehachse des drehbaren Tischs einstellbar ist. Durch die Drehung des Substrats und die Translation des Spiegels können nahezu alle Positionen auf der Oberfläche des Substrats angefahren und entsprechend dem gewünschten Belichtungsmuster belichtet werden.
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Durch A. G. Poleshchuk et al. wird zwar, insbesondere durch die Polarkoordinaten-basierte Belichtung, die Belichtungsvorrichtung im Vergleich zu den in der Halbleiterindustrie gebräuchlichen Geräten erheblich verkleinert. Dennoch können mehrere Nachteile auftreten, welche die Anwendung dieser Belichtungsvorrichtung für lithographische Zwecke behindern. Der optische Weg vom Laser auf der optischen Bank über den Ablenkspiegel zu dem drehbaren Tisch erfordert einen hohen Justieraufwand, da sowohl der Ablenkspiegel als auch der drehbare Tisch relativ zum Laser beweglich sind. Es bestehen ferner hohe Anforderungen an die Schwingungsdämpfung zwischen dem Gaslaser und dem drehbaren Tisch.
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In
US 6 031 598 A und
US 4 814 799 A sind weitere Laser-Belichtungsvorrichtungen für lithographische Zwecke beschrieben, die jedoch Nachteile in Bezug auf die Bedienbarkeit und Kompaktheit haben.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Belichtungsvorrichtung, insbesondere für die optische Lithographie, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Belichtungsvorrichtung soll insbesondere einen im Vergleich zu herkömmlichen Geräten kompakteren Aufbau ermöglichen und/oder mit vermindertem Aufbau betreibbar sein, ohne dass Beeinträchtigungen in Bezug auf die Ortsauflösung, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit beim Prozessieren von Strukturen, z. B. mit typischen Dimensionen < 1 μm, auftreten. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Belichtungsverfahren, insbesondere für die optische Lithographie, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Belichtungsverfahren vermieden werden. Das Belichtungsverfahren soll sich insbesondere durch einen verminderten Justieraufwand und/oder eine vereinfachte Bedienung auszeichnen.
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Diese Aufgaben werden eine Belichtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein mit dieser Belichtungsvorrichtung ausgeführtes Belichtungsverfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Belichtungsvorrichtung, insbesondere für die optische Lithographie, gelöst, die eine Substrathalterung, eine Bestrahlungseinrichtung mit mindestens einer fokussierbaren Lichtquelle, eine Stelleinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist. Die Substrathalterung, die z. B. einen Drehtisch umfasst, ist zur Aufnahme und lösbaren Befestigung eines zu belichtenden Substrats eingerichtet. Des Weiteren ist die Substrathalterung für eine Drehung des Substrats um eine vorbestimmte Rotationsachse eingerichtet, die senkrecht zur Substratoberfläche verläuft. Vorzugsweise ist die Belichtungsvorrichtung für eine horizontale Anordnung eines ebenen Substrats auf der Substrathalterung und eine Drehung des Substrats um die Rotationsachse in vertikaler Richtung konfiguriert. Vorzugsweise ist das Substrat auf einer in vertikaler Richtung oberen Seite der Substrathalterung angeordnet.
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Mit der Stelleinrichtung ist die Position der mindestens einen Lichtquelle und damit die Position der Bestrahlung des Substrats radial relativ zur Rotationsachse der Substrathalterung (Radialposition) variabel einstellbar. Hierzu enthält die Stelleinrichtung einen mechanischen Antrieb, mit dem die mindestens eine Lichtquelle zur gewünschten Radialposition beweglich ist.
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Die Steuereinrichtung ist für eine Steuerung der Bestrahlung des Substrates gemäß einem vorbestimmten Belichtungsmuster eingerichtet. Das Belichtungsmuster ist vorzugsweise ein binäres Belichtungsmuster, das mit zwei Belichtungsintensitäten, z. B. AUS/EIN oder zwei verschiedenen, von Null verschiedenen Belichtungsintensitäten, gebildet wird. Alternativ kann das Belichtungsmuster mit mehr als zwei Belichtungsintensitäten gebildet sein und z. B. ein ternäres Belichtungsmuster umfassen. Für die Bestrahlung des Substrates gemäß dem gewünschten Belichtungsmuster ist die Steuereinrichtung mit der mindestens einen Lichtquelle gekoppelt. Die Steuereinrichtung enthält vorzugsweise eine Treibereinrichtung, die mit der mindestens einen Lichtquelle gekoppelt ist und diese in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Substrats ein- und ausschaltet oder fokussiert und defokussiert.
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Gemäß der Erfindung ist die Stelleinrichtung sowohl zur Halterung als auch zur Bewegung der mindestens einen Lichtquelle in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Rotationsachse, eingerichtet. Die radiale Einstellung der Bestrahlung erfolgt durch die Positionierung der mindestens einen Lichtquelle in die gewünschte Radialposition relativ zu der Rotationsachse. Die Bewegung der mindestens einen Lichtquelle in radialer Richtung umfasst eine Variation der Radialposition der mindestens einen Lichtquelle relativ zu der Rotationsachse. Mit der Substrathalterung kann das Substrat um die Rotationsachse gedreht werden. Durch die Drehung ist eine Winkelposition des Substrat in einem Polarkoordinatensystem senkrecht zur Rotationsachse einstellbar. Da mit der Stelleinrichtung unmittelbar die Radialposition der mindestens einen Lichtquelle eingestellt wird, kann gemäß der Erfindung mit der Substrathalterung auch die Winkelposition des Substrates relativ zu der mindestens einen Lichtquelle eingestellt werden.
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Im Gegensatz zu der herkömmlichen Technik von A. G. Poleshchuk et al., bei der die Lichtquelle ortsfest auf einer optischen Bank fixiert ist, erfolgt erfindungsgemäß die Positionierung und Bewegung der Lichtquelle mit der Stelleinrichtung. Die Zahl der Freiheitsgrade bei der gegenseitigen Justierung der Substrathalterung und der Lichtquelle wird im Vergleich zur herkömmlichen Technik vermindert. Dies ermöglicht einen kompakteren Aufbau der Belichtungsvorrichtung und eine verbesserte Justierung ohne Nachteile für die Ortsauflösung und Genauigkeit bei der Bestrahlung des Substrats gemäß dem gewünschten Belichtungsmuster. Der Aufbau der Belichtungsvorrichtung wird vorteilhafterweise erheblich vereinfacht, da eine optische Bank zur Positionierung der Bestrahlungseinrichtung nicht erforderlich ist.
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Des Weiteren sind gemäß der Erfindung die Substrathalterung, die Bestrahlungseinrichtung und die Stelleinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, das einen Bodenabschnitt und einen Deckelabschnitt aufweist. Der Deckelabschnitt ist in Bezug auf den Bodenabschnitt derart beweglich, dass das Gehäuse geöffnet werden kann und ein Zugriff in das Innere des Gehäuses ermöglich wird. Beispielsweise kann der Deckelabschnitt vom Bodenabschnitt angehoben werden. Die Stelleinrichtung mit der mindestens einen Lichtquelle ist mit dem Deckelabschnitt des Gehäuses gekoppelt, z. B. an diesem befestigt, während die Substrathalterung im Bodenabschnitt des Gehäuses angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird durch das Gehäuse mit dem Bodenabschnitt und dem Deckelabschnitt ein kompakter Aufbau ermöglicht, welcher die Handhabbarkeit der Belichtungsvorrichtung erheblich vereinfacht.
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Die Belichtungsvorrichtung ist für die Belichtung eines Substrats eingerichtet, das allgemein eine Platte, vorzugsweise eine ebene Platte, umfasst. Das Substrat kann aus einer oder mehreren Schichten gebildet sein und z. B. ein Halbleitermaterial, ein Metall und/oder ein Kunststoffmaterial umfassen. Des weiteren weist das Substrat eine lichtempfindliche Schicht auf, d. h. die Platte besteht aus einer einzigen lichtempfindlichen Schicht oder die Platte weist die lichtempfindlichen Schicht z. B. als oberste (freiliegende) Schicht auf. Für die Lithographie an Halbleitersubstraten umfasst das Substrat z. B. einen Halbleiter-Wafer, der eine lichtempfindliche Lackschicht trägt. In diesem Fall wird die freiliegende Substratoberfläche durch die Oberfläche der Lackschicht gebildet.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Belichtungsvorrichtung eine präzise strukturierte Belichtung von Substraten sogar mit Oberflächen, die frei von Markierungen sind, insbesondere unstrukturierten und/oder ungemusterten Oberflächen, ermöglicht. Die Steuereinrichtung ist konfiguriert, die Bestrahlung des Substrats gemäß dem Belichtungsmuster in Abhängigkeit von den aktuellen Radial- und Winkelpositionen der Lichtquelle und des Substrats zu steuern. Hierzu ist die Steuereinrichtung vorzugsweise mit der Substrathalterung und mit der Stelleinrichtung gekoppelt, um die aktuellen Positionen des Substrats und der Lichtquelle aus den Betriebspositionen der Substrathalterung und der Stelleinrichtung zu ermitteln.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Belichtung eines Substrats, insbesondere für die optische Lithographie, gelöst, bei dem die Belichtungsvorrichtung gemäß dem obigen ersten Gesichtspunkt verwendet wird. In einem ersten Schritt wird das Substrat mit einer lichtempfindlichen Schicht, z. B. einer Photolackschicht, auf der Substrathalterung positioniert und mit der Substrathalterung kontinuierlich gedreht. Während der Drehung des Substrats erfolgt die Bestrahlung der lichtempfindlichen Schicht mit der mindestens einen Lichtquelle. Die lichtempfindliche Schicht wird selektiv in Abhängigkeit von der aktuellen Radialposition der mindestens einen Lichtquelle relativ zu der Rotationsachse des Substrats und der aktuellen Winkelposition des Substrats relativ zu der mindestens einen Lichtquelle, vorzugsweise durch Ein- und Ausschalten und/oder Fokussieren/Defokussieren der mindestens einen Lichtquelle belichtet, so dass das gewünschte Belichtungsmuster erzeugt wird.
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Zur Einstellung der Radialposition der mindestens einen Lichtquelle ist die Stelleinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für eine radiale lineare Translation der mindestens einen Lichtquelle relativ zu der Rotationsachse eingerichtet. In diesem Fall enthält die Stelleinrichtung einen Linearantrieb, mit dem die mindestens eine Lichtquelle auf einer geraden Bahn senkrecht zur Rotationsachse beweglich ist. Die Verwendung des Linearantriebs, der vorzugsweise einen Spindelantrieb und/oder einen piezoelektrisch arbeitenden Antrieb umfasst, hat Vorteile in Bezug auf eine einfache Einstellung der Radialposition, z. B. in Abhängigkeit von der aktuellen Drehstellung des Spindelantriebs oder der aktuellen Position des piezoelektrisch arbeitenden Antriebs.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Stelleinrichtung für eine Drehbewegung der mindestens einen Lichtquelle um eine Schwenkachse parallel zu der Rotationsachse eingerichtet sein. Auch in diesem Fall ist die Radialposition der mindestens einen Lichtquelle veränderlich einstellbar, indem die mindestens eine Lichtquelle, die z. B. auf einem verschwenkbaren Arm positioniert ist, über der Oberfläche des zu belichtenden Substrats verschwenkt wird. Die Einstellung der Radialposition durch eine Drehbewegung der mindestens einen Lichtquelle kann Vorteile für die Kompaktheit des Aufbaus der Belichtungsvorrichtung und/oder bei Belichtungsmustern mit an die Drehbewegung angepassten geometrischen Merkmalen haben.
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Vorzugsweise können mit der Steuereinrichtung die aktuellen Positionen des Substrats und der Lichtquelle aus den Betriebspositionen der Substrathalterung und der Stelleinrichtung erfasst werden. Hierzu sind gemäß vorteilhaften Varianten der Erfindung die Stelleinrichtung mit einem Radial-Encoder und/oder die Substrathalterung mit einem Winkel-Encoder ausgestattet. Der Radial-Encoder und/oder der Winkel-Encoder ist jeweils mit der Steuereinrichtung gekoppelt und zur Ausgabe eines Signals (Radial-Encoder-Signal und/oder Winkel-Encoder-Signal) an die Steuereinrichtung eingerichtet. Das Radial-Encoder-Signal ist für die aktuelle Radialposition der mindestens einen Lichtquelle relativ zu der Rotationsachse, d. h. für den radialen Abstand der mindestens einen Lichtquelle von der Rotationsachse, charakteristisch, während das Winkel-Encoder-Signal die aktuelle Winkelposition des Substrats relativ zu der mindestens einen Lichtquelle repräsentiert. Vorteilhafterweise liefern die Encoder-Signale genaue Positionsdaten der mindestens einen Lichtquelle und des Substrats, auf deren Grundlage mit der Steuereinrichtung die Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung des Substrats entsprechend dem gewünschten geometrischen Belichtungsmuster steuerbar ist.
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Die Verwendung des Radial-Encoders und/oder des Winkel-Encoders ist nicht zwingend erforderlich, um die aktuelle Ausrichtung der Lichtquelle und des Substrats relativ zueinander zu bestimmen. Beispielsweise können bei Verwendung von Schrittmotoren für die Drehung des Substrats und für die Einstellung der Radialposition die aktuelle Ausrichtung der Lichtquelle und des Substrats und somit die Position der Bestrahlung aus den Steuersignalen der Schrittmotoren abgeleitet werden. Gemäß einem weiteren Beispiel kann bei Verwendung von Nullpunktmarkern und Nullpunktsensoren an der Substrathalterung und an der Stelleinrichtung die aktuelle Ausrichtung der Lichtquelle und des Substrats aus Signalen der Nullpunktsensoren und der aktuellen Betriebsgeschwindigkeit der Substrathalterung und der Stelleinrichtung abgeleitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Belichtungsvorrichtung daher mit einem Regelkreis ausgestattet, mit dem die mindestens eine Lichtquelle unmittelbar in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, die an den Antrieben (Substrathalterung, Stelleinrichtung) gemessen werden, z. B. durch die Encoder erfasst werden, gesteuert wird, um das gewünschte Belichtungsmuster zu erzeugen.
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Die Bestrahlungseinrichtung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung ist mit mindestens einer Lichtquelle ausgestattet. Mit dem Begriff „Lichtquelle” wird allgemein ein Licht emittierendes Bauteil bezeichnet. Vorzugsweise ist die Lichtquelle ein Laserlicht emittierendes Bauteil, wie z. B. eine Laserdiode. Alternativ kann die Lichtquelle eine Leuchtdiode umfassen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bestrahlungseinrichtung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung eine optische Pickup-Einheit (oder: Abtasteinheit). Mit dem Begriff „optische Pickup-Einheit” wird allgemein ein Bauteil mit mindestens einer Laserdiode, mindestens einer Fokussieroptik und mindestens einer Lichtsensoreinrichtung bezeichnet, wobei das Bauteil als Schreib-Lese-Gerät für einen optischen Datenspeicher (optische Speicherplatte), z. B. in einem CD-, DVD- oder Blu-Ray-Gerät, konfiguriert ist. Die optische Pickup-Einheit ist mit der Stelleinrichtung in radialer Richtung beweglich. Das Laserlicht ist mit der mindestens einen Fokussieroptik auf der lichtempfindlichen Schicht des Substrats fokussierbar. Die Verwendung der optische Pickup-Einheit bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens sind optische Pickup-Einheiten mit geringem Gewicht verfügbar, wodurch ihre Halterung und praktisch trägheitsfreie Bewegung mit der Stelleinrichtung vereinfacht wird. Optische Pickup-Einheiten sind integrierte Bauteile, welche die mindestens eine Lichtquelle und Antriebe für deren Justierung und/oder Fokussierung enthalten. Durch eine breit entwickelte Technologie sind zahlreiche Bauformen von optischen Pickup-Einheiten verfügbar. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Emissionseigenschaften der verfügbaren optischen Pickup-Einheiten, z. B. für die optische Datenspeicherung, die Anforderungen an die Belichtung bei der optischen Lithographie erfüllen.
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Vorteilhafterweise können verschiedene Typen von optischen Pickup-Einheiten verwendet werden. Beispielsweise kann eine optische Pickup-Einheit verwendet werden, die eine einzige Lichtquelle, insbesondere eine einzige Laserdiode, zur Bestrahlung des Substrats enthält. Diese optische Pickup-Einheit hat Vorteile aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts. Alternativ können mehr als eine Lichtquelle zum Schreiben und/oder zum Lesen (Messen) verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Variante enthält die optische Pickup-Einheit zwei Lichtquellen, insbesondere eine erste Laserdiode, die für die Belichtung des Substrats, insbesondere für die photophysikalische oder photochemische Veränderung von Substrateigenschaften, ausgelegt ist, und eine zweite Laserdiode, die für eine Messung am Substrat, insbesondere zur Erfassung von bereits belichteten Abschnitten der Substratoberfläche, ausgelegt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Bestrahlungseinrichtung, insbesondere die optische Pickup-Einheit, mit einer Lichtsensoreinrichtung ausgestattet sein, mit der eine Reflexion des Laserlichts von der Substratoberfläche erfassbar ist. Die Lichtsensoreinrichtung, die z. B. eine Photodiode umfasst, ist vorzugsweise Teil der Abtasteinheit. Besonders bevorzugt wird die Lichtsensoreinrichtung in Kombination mit der oben genannten zweiten Laserdiode für Messungen am Substrat verwendet.
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Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Substrathalterung für eine temporäre Fixierung des Substrats während der Drehung in der Belichtungsvorrichtung zu konfigurieren. Gemäß einer ersten Variante umfasst die Substrathalterung eine Saugeinrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks. Unter der Wirkung des Unterdrucks kann das Substrat während der Drehung auf der Substrathalterung fixiert werden. Der Unterdruck wird vorzugsweise über eine Hohlwelle der Substrathalterung an der Unterseite des Substrats erzeugt. Gemäß einer zweiten Variante umfasst die Substrathalterung eine Elektrodeneinrichtung, die zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes eingerichtet ist. Unter der Wirkung des elektrostatischen Feldes kann das Substrat während der Drehung mit der Substrathalterung an dieser festgehalten werden. Gemäß einer dritten Variante der Erfindung ist eine Hafteinrichtung vorgesehen, die zur Erzeugung einer lösbaren Adhäsionskraft eingerichtet ist. Durch die Adhäsionskraft, erzeugt z. B. durch einen trocken wirkenden Klebstoff, wird das Substrat während der Drehung mit der Substrathalterung festgehalten.
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Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Bestrahlungseinrichtung relativ zur Substrathalterung zu positionieren. Gemäß einer ersten, bevorzugten Variante kann die Bestrahlung von einer Vorderseite der Substrathalterung her erfolgen, auf der das Substrat angeordnet ist. In diesem Fall ist die Bestrahlungseinrichtung auf der zur Substrathalterung gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet und die Bestrahlung erfolgt auf einer freiliegenden Substratoberfläche. Mit anderen Worten, die mindestens eine fokussierbare Lichtquelle ist vorzugsweise für die Belichtung des Substrats von der Seite der freiliegenden Substratoberfläche her eingerichtet. Vorzugsweise ist, wenn das Substrat auf einer oberen Seite der Substrathalterung angeordnet ist, die mindestens eine Lichtquelle in vertikaler Richtung oberhalb der Substrathalterung positioniert. Die mindestens eine Lichtquelle ist vorzugsweise so angeordnet, dass das Substrat vertikal von oben belichtet wird. Alternativ kann die Anordnung aus Lichtquelle, Substrat und Substrathalterung umgekehrt sein, so dass die mindestens eine Lichtquelle und das Substrat auf einer unteren Seite der Substrathalterung positioniert sind. Gemäß einer zweiten Variante kann die Bestrahlung von einer Rückseite der Substrathalterung her erfolgen, auf der das Substrat angeordnet ist. In diesem Fall erfolgt die Bestrahlung durch eine Öffnung in der Substrathalterung hindurch.
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Der kompakte Aufbau der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise, dass mindestens die Substrathalterung, die Bestrahlungseinrichtung und die Stelleinrichtung, optional auch die Steuereinrichtung, in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Mit dem Gehäuse werden die Substrathalterung, die Bestrahlungseinrichtung und die Stelleinrichtung gegenüber mechanischen Schwingungen in der Umgebung der Belichtungsvorrichtung isoliert. Vorteilhafterweise wird des Weiteren ein Schutz vor Verunreinigungen erzielt.
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Vorzugsweise umfasst das Gehäuse einen Bodenabschnitt und einen Deckelabschnitt. Der Deckelabschnitt kann vom Bodenabschnitt angehoben werden, um das Gehäuse zu öffnen und einen Zugriff in das Innere des Gehäuses zu ermöglichen. Die Bedienung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann vorteilhafterweise vereinfacht werden, wenn die Stelleinrichtung mit der mindestens einen Lichtquelle an dem Deckelabschnitt des Gehäuses befestigt ist, während die Substrathalterung im Bodenabschnitt des Gehäuses angeordnet ist. Die Stelleinrichtung mit der mindestens einen Lichtquelle ist am Deckelabschnitt so positioniert, dass sich die mindestens eine Lichtquelle im geschlossenen Zustand des Gehäuses über dem Substrat auf der Substrathalterung befindet.
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Wichtige Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Belichtungsvorrichtung als manuell portables System herstellbar ist. Die Belichtungsvorrichtung hat eine geringe Baugröße, die mit der Größe eines CD- oder DVD-Laufwerks eines Computers vergleichbar ist, und kann einfach an die gewünschten Umgebungsbedingungen angepasst werden. Sie ist beispielsweise in eine Arbeitsbox, wie z. B. eine Glove-Box, integrierbar. Da die Teile der Belichtungsvorrichtung kommerziell verfügbare Komponenten darstellen, kann die Belichtungsvorrichtung mit geringem Preis hergestellt werden. Innerhalb eines Lithographieprozesses können mehrere Belichtungsvorrichtungen kombiniert werden, um verschiedene Prozessschritte aufeinanderfolgend auszuführen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse;
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2: eine Illustration der Ausführungsform gemäß 1 mit einem geöffneten Gehäuse;
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3: bevorzugte Varianten von Stelleinrichtungen einer erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung; und
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4: eine schematische Illustration einer besonders bevorzugt als Bestrahlungseinrichtung verwendeten optischen Pickup-Einheit.
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Merkmale der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Belichtung eines Substrats für die optische Lithographie werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen die Substrathalterung und die Stelleinrichtung mit der Bestrahlungseinrichtung in einem Gehäuse angeordnet sind. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht auf Ausführungsformen beschränkt ist, bei denen das Gehäuse verwendet wird. Die Komponenten der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung können ersatzweise ohne das Gehäuse betrieben werden, wobei in diesem Fall die Stelleinrichtung mit der Bestrahlungseinrichtung z. B. mit einem Trägerrahmen in Bezug auf die Substrathalterung ausgerichtet ist. Die Bestrahlung des Substrats muss nicht, wie in den Figuren beispielhaft illustriert ist, von der oberen Seite der Substrathalterung her erfolgen. Alternativ kann die Bestrahlung des Substrats z. B. von der unteren Seite her durch die Substrathalterung erfolgen.
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Merkmale der Erfindung werden insbesondere unter Bezug auf die geometrische Anordnung und den Betrieb der Komponenten der Belichtungsvorrichtung beschrieben. Einzelheiten der optischen Lithographie, der verwendbaren Materialien des Substrats, insbesondere der lichtempfindlichen Schicht, der realisierbaren Belichtungsmuster und nach der Belichtung folgender Schritte zur weiteren Prozessierung des Substrats werden im Folgenden nicht beschrieben, da sie an sich von herkömmlichen Techniken zur optischen Lithographie und/oder Mikrostrukturierung von Substratoberflächen bekannt sind.
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Die 1 und 2 zeigen schematische Schnittansichten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung 100 mit der Substrathalterung 10, der Bestrahlungseinrichtung 20, der Stelleinrichtung 30 und der Steuereinrichtung 40, die in dem Gehäuse 50 angeordnet sind. Das Gehäuse 50 ist im geschlossenen Zustand (1) und im geöffneten Zustand (2) gezeigt. Abweichend von den Illustrationen in den 1 und 2 kann die Steuereinrichtung 40 außerhalb des Gehäuses 50 angeordnet sein.
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Die Substrathalterung 10 umfasst einen Drehtisch 11, der über eine Hohlwelle 12 mit einem schematisch gezeigten elektrischen Motor 13, z. B. einem bürstenlosen elektrischen Motor, gekoppelt ist. Mit dem Motor 13 können die Hohlwelle 12 und der Drehtisch 11 in Rotation um die Rotationsachse 3 versetzt werden, die in vertikaler Richtung verläuft. Der Motor 13 ist über eine Versorgungsleitung mit der Steuereinrichtung 40 gekoppelt. Der Drehtisch 11 kann zur Erzielung einer konstanten Rotation mit Massenelementen, z. B. Stahlkugeln, ausgewuchtet sein.
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Der Drehtisch 11 ist zur Aufnahme eines Substrats 1 mit freiliegender Substratoberfläche 2 auf einer oberen Seite der Substrathalterung 10 eingerichtet. Des Weiteren ist die Substrathalterung 10 mit einem Winkel-Encoder 14 ausgestattet, mit dem der aktuelle Rotationszustand (Drehgeschwindigkeit und/oder Winkelposition) des Drehtischs 11 und der Hohlwelle 12 erfassbar ist. Der Winkel-Encoder 14 umfasst z. B. einen optischen Sensor, mit dem eine optische Markierung auf der Außenseite der Hohlwelle 12 oder auf der Unterseite des Drehtischs 11 erfasst wird. Der Winkel-Encoder 14 ist drahtlos oder leitungsgebunden mit der Steuereinrichtung 40 gekoppelt.
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Des Weiteren ist die Substrathalterung 10 mit einer schematisch gezeigten Saugeinrichtung 15, insbesondere einer Vakuumpumpe, ausgestattet, mit der in der Hohlwelle 12 ein im Vergleich zum äußeren atmosphärischen Druck verringerter Betriebsdruck erzeugt werden kann. Unter Wirkung des verringerten Betriebsdrucks wird das Substrat 1 auf der Oberseite des Drehtisches 11 festgehalten.
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Die Bestrahlungseinrichtung 20 umfasst mindestens eine Laserdiode und eine zugehörige Fokussieroptik (in den 1 und 2 nicht dargestellt) zur Fokussierung des Laserlichts von der Lichtquelle 21 auf der Oberfläche des Substrats 1. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst die Bestrahlungseinrichtung 20 eine optische Pickup-Einheit, wie sie schematisch in 4 gezeigt ist.
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Die Stelleinrichtung 30 ist auf der Innenseite des Deckelabschnitts 52 des Gehäuses 50 in vertikaler Richtung oberhalb der Substrathalterung 10 positioniert. Die Stelleinrichtung 30 umfasst z. B. einen piezoelektrisch arbeitenden Antrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Linearantrieb 31, der für eine kontinuierliche Bewegung der Bestrahlungseinrichtung 20 entlang einer geraden Bewegungsbahn ausgelegt ist, die senkrecht zur Rotationsachse 3 verläuft und die Rotationsachse 3 schneidet. Der Linearantrieb 31 ist für eine Bewegung der Bestrahlungseinrichtung 20 mit einer Schrittweite unterhalb 50 nm, insbesondere unterhalb 10 nm ausgelegt. Die Stelleinrichtung 30 ist des Weiteren mit einem Radial-Encoder 32 ausgestattet, der die Erfassung der aktuellen Radialposition der Bestrahlungseinrichtung 20 relativ zur Rotationsachse 3 erlaubt. Der piezoelektrische Linearantrieb 31 ist über eine Versorgungsleitung mit der Steuereinrichtung 40 verbunden, während der Radial-Encoder 32 drahtlos oder leitungsgebunden mit der Steuereinrichtung 40 gekoppelt ist.
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Die Bestrahlungseinrichtung 20, insbesondere die optische Pickup-Einheit gemäß 4, ist an dem piezoelektrischen Linearantrieb 31 gehaltert, so dass die Lichtquelle 21 in radialer Richtung bewegt werden kann. Die Bestrahlungseinrichtung 20 ist mit einer Treibereinrichtung 41 der Steuereinrichtung 40 verbunden. Mit der Treibereinrichtung 41 wird die Lichtquelle 21 in Abhängigkeit von gespeicherten Polarkoordinaten des gewünschten Belichtungsmusters auf dem Substrat 1 betätigt, insbesondere ein- und ausgeschaltet. Alternativ kann das lokal selektive Einschreiben des Belichtungsmusters durch eine Steuerung der Spotgröße der Bestrahlung erfolgen.
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Die Steuereinrichtung 40 umfasst die elektrischen Schaltungsteile, die zur Versorgung und Steuerung der Substrathalterung 10, der Bestrahlungseinrichtung 20 und der Stelleinrichtung 30 verwendet werden. Hierzu sind neben der Treibereinrichtung 41 Antriebsschaltungen 42, 43 zur Energieversorgung des Motors 13 bzw. des piezoelektrischen Linearantriebs 31 und ein Mikrocontroller 44 zur Auswertung der Radial-Encoder- und Winkel-Encoder-Signale vorgesehen. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 40 mit einem Steuerrechner (nicht dargestellt) verbunden sein.
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Das Gehäuse 50 umfasst einen Bodenabschnitt 51 und einen Deckelabschnitt 52, beispielsweise jeweils mit einer Wannenform. Vorzugsweise schließen der Bodenabschnitt 51 und der Deckelabschnitt 52 einen Innenraum des Gehäuses 50 vollständig ein. Das Gehäuse 50 kann lichtundurchlässig gebildet sein. Der Bodenabschnitt 51 und der Deckelabschnitt 52 sind beispielsweise aus Metall oder einem Kunststoff hergestellt. Der Deckelabschnitt 52 kann vom Bodenabschnitt 51 getrennt, z. B. um ein Gelenk (nicht dargestellt) geschwenkt werden, um das Gehäuse 50 zu öffnen. Eine lösbare Arretierung (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um den Deckelabschnitt 52 im geöffneten Zustand zu halten. Auf der Unterseite des Bodenabschnitts 51 sind Trägerelemente 53 angeordnet, welche die Belichtungsvorrichtung 100 beim Betrieb auf einer Unterlage, z. B. einem Arbeitstisch, abstützen. Die Trägerelemente 53 sind aus einem elastischen Material, z. B. Gummi, hergestellt und erfüllen neben der Stützfunktion auch eine Dämpfungsfunktion. Unerwünschte mechanische Schwingungen aus der Umgebung der Belichtungsvorrichtung 100 werden von den Trägerelementen 53 gedämpft.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Belichtungsverfahrens wird das Gehäuse 50 geöffnet und das Substrat 1 auf dem Drehtisch 11 der Substrathalterung 10 positioniert. Das Substrat 1 umfasst z. B. einen ebenen Silizium-Wafer, der durch den Effekt der Saugeinrichtung 15 auf der Oberseite des Drehtischs 11 festgehalten wird. Das Substrat 1 weist auf seiner oberen, freiliegenden Oberfläche eine lichtempfindliche Schicht, z. B. eine vorab aufgeschleuderte Lackschicht, auf, in welche durch die erfindungsgemäße Belichtung ein bestimmtes Belichtungsmuster für eine anschließende Strukturierung eingeschrieben werden soll.
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Nach dem Einsetzen des Substrats 1 auf die Substrathalterung 10 wird das Deckelteil 52 des Gehäuses 50 geschlossen (siehe 1). Das Substrat 1 wird mit der Substrathalterung 10 in Drehung um die Rotationsachse 3 versetzt. Der Winkel-Encoder 14 liefert laufend Winkel-Encoder-Signale, welche für die aktuelle Winkelposition des Substrats 1 relativ zur Lichtquelle der Bestrahlungseinrichtung 20 charakteristisch sind, an die Steuereinrichtung 40. Gleichzeitig liefert der Radial-Encoder 32 laufend Radial-Encoder-Signale, welche für die aktuelle Radialposition der Lichtquelle relativ zur Rotationsachse 3 charakteristisch sind, an die Steuereinrichtung 40.
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In Abhängigkeit von dem gewünschten Belichtungsmuster erfolgt während der Drehung des Substrats 1 und während der Translation der Bestrahlungseinrichtung 20 die Bestrahlung der lichtempfindlichen Schicht. Wenn die Polarkoordinaten des Substrats 1 relativ zur Lichtquelle der Bestrahlungseinrichtung 20 mit Polarkoordinaten des gewünschten Belichtungsmusters übereinstimmen, wird die Lichtquelle 21 betätigt, um die gewünschte Bestrahlung auszuführen. Dabei können auf der Oberfläche des Substrats 1 ein einziges Belichtungsmuster oder mehrere getrennte Belichtungsmuster erzeugt werden. Der Radial-Encoder 32 und der Winkel-Encoder 14 bilden mit der Steuereinrichtung 40 einen Regelkreis, mit dem die mindestens eine Lichtquelle unmittelbar in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, umfassend die Winkelposition der Substrathalterung und die Radialposition der Bestrahlungseinrichtung an der Stelleinrichtung, gesteuert wird.
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Die Translationsgeschwindigkeit der Bestrahlungseinrichtung 20 hängt von der gewünschten Auflösung der Belichtung ab und wird vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm/min bis 1 mm/min gewählt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 1 kann einige 1000 U/min bis mehrere zehntausend, z. B. bis 50.000 oder 70.000 U/min betragen. Damit können vorteilhafterweise Flächen-Schreibgeschwindigkeiten von 10 cm2/min erzielt werden. In der Praxis können geringere Schreibgeschwindigkeiten ausreichend sein. Neben der hohen Schreib-/Belichtungs-Geschwindigkeit wird mit der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung auch eine besonders hohe Ortsauflösung erzielt. Es können Strukturgrößen z. B. kleiner als 200 nm belichtet werden.
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Nach der Belichtung wird die Substrathalterung 10 angehalten, so dass das Substrat 1 aus dem Gehäuse 50 entnommen und weiteren Prozessschritten unterzogen werden kann, wie sie z. B. von der optischen Lithographie bekannt sind.
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3A illustriert die Anordnung des Drehtischs 11 mit dem Substrat 1 und des piezoelektrischen Linearantriebs 31 mit der Bestrahlungseinrichtung 20 in schematischer Draufsicht. Der piezoelektrische Linearantrieb 31 ist so angeordnet, dass sich die Bewegungsbahn der Bestrahlungseinrichtung 20 in radialer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 1 senkrecht zur Rotationsachse 3 erstreckt. In Abhängigkeit von der aktuellen Winkelposition ϕ des Drehtischs 11 und der aktuellen Radialposition R der Bestrahlungseinrichtung 20 kann ein bestimmter Spot 5 auf der Oberfläche des Substrats 11 belichtet werden.
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3B illustriert eine abwandelte Variante einer erfindungsgemäß verwendeten Stelleinrichtung 30. In diesem Fall umfasst die Stelleinrichtung 30 einen Schwenkhebel 33, an dem die Bestrahlungseinrichtung 20 fixiert ist. Der Schwenkhebel 33 ist um eine Drehachse 4 schwenkbar, die parallel zur Rotationsachse 3 verläuft. Während der Schwenkbewegung des Schwenkhebels 33 können verschiedene Radialpositionen der Bestrahlungseinrichtung 20 relativ zur Rotationsachse 3 eingestellt werden.
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4 zeigt in schematischer Schnittansicht vergrößert eine optische Pickup-Einheit, welche gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Bestrahlungseinrichtung 20 bildet. Die optische Pickup-Einheit ist an dem piezoelektrischen Linearantrieb 31 (siehe 1) beweglich gehaltert. Sie enthält eine erste Laserdiode 21, die Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge, z. B. 350 bis 450 nm, emittiert, die für eine Belichtung und photophysikalische oder photochemische Änderung von Eigenschaften der lichtempfindlichen Schicht des Substrats ausgewählt ist, eine zweite Laserdiode 22, die Laserlicht mit einer zweiten Wellenlänge, z. B. 650 nm, emittiert, welche für Messzwecke ausgewählt ist, und eine Photodiode 23. Die Photodiode 23 kann eine Quadranten-Diode sein, die mit einer Zylinderlinse ausgestattet ist und mit der Fehljustierungen der Bestrahlungseinrichtung 20 durch eine Erfassung von Verzerrungen der Spotform des auf die Substratoberfläche gerichteten Laserlichts detektierbar sind. In Abhängigkeit vom Signal der Photodiode 23 können Fehljustierungen der Bestrahlungseinrichtung 20 korrigiert werden.
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Die Laserdioden 21, 22 und die Photodiode 23 sind jeweils mit einer Fokussieroptik 24, 25 und 26 ausgestattet, die z. B. induktiv in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuereinrichtung 40 einstellbar ist. Die optische Pickup-Einheit ist z. B. wie das Schreib-Lese-Gerät eines kommerziell verfügbaren DVD-Speichergeräts aufgebaut. Mit der Photodiode 23 kann ein Sensor-Signal erfasst und an die Steuereinrichtung 40 geliefert werden, das für eine Reflexion der Bestrahlung an der Substratoberfläche charakteristisch ist und eine Fokussierung der Bestrahlung in die lichtempfindliche Schicht erlaubt. Abweichend von der Illustration in 4 kann die Bestrahlungseinrichtung 20 weitere Laserdioden für Lese- oder Messzwecke aufweisen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6031598 A [0006]
- US 4814799 A [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- A. G. Poleshchuk et al. („Applied Optics”, Band 38, 1999, S. 1295–1301; und „Proc. SPIE”, Band 4440, 2001, S. 161–172) [0004]
- A. G. Poleshchuk et al. [0005]
- A. G. Poleshchuk et al. [0013]
