DE102022129523A1

DE102022129523A1 - Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche

Info

Publication number: DE102022129523A1
Application number: DE102022129523.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kraus; Hubert Hauser; Christoph Stöver; Jörg Mick; Jonas Wolf; Tim Christoph
Original assignee: TEMICON GmbH
Current assignee: TEMICON GmbH
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche, mit den Schritten: Beschichten eines zu belichtenden Substrats mit Photoresist, Anordnen eines Diffusors mit einer streuenden Oberflächenstruktur in einem Abstand (a) zum zu belichtenden Substrat, Belichten der Photoresist-Beschichtung durch ein relatives Bewegen eines kohärenten Lichtstrahls zu dem Substrat und dem Diffusor. Ferner betrifft die Erfindung eine optomechanische Belichtungsvorrichtung mit einer einen kohärenten Lichtstrahl emittierenden Lichtquelle, einem den Lichtstrahl fokussierenden oder kollimierenden Linsensystem, einem in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter einer Linse oder einem Spiegel angeordneten Diffusor und einer in einem Abstand im Bereich des strahlenoptischen Nahfeldes in Ausbreitungsrichtung hinter dem Diffusor angeordneten Substratebene zur Aufnahme eines zu belichtenden Substrats. Um ein optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche bereitzustellen, die eine nahtlos strukturierte Photoresistoberfläche auf einem Substrat erzeugen, ist vorgesehen, dass zum Belichten des Substrats beim Durchstrahlen des Diffusors auftretende Speckles zur stochastischen Strukturierung der Oberfläche genutzt werden, wobei der Abstand (a) zwischen der streuenden Oberfläche des Diffusors und der Oberfläche des zu belichtenden Substrats im strahlenoptischen Nahfeld liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optomechanisches Belichtungsverfahren sowie eine optomechanische Belichtungsvorrichtung zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche.
Diffuse Oberflächen können über vielfältige Weisen hergestellt werden. Es gibt beispielsweise Laserablationsverfahren, die durch eine hohe Energiedichte z.B. Kupfer,- Messing- oder Edelstahloberflächen direkt strukturieren. Aufgrund der geringen Auflösung des Schreibgeräts sind jedoch feine Strukturen < 100 µm nicht umsetzbar und liefern kein ausreichendes optisches Ergebnis. Weiterhin ist die Erzeugung der dazu nötigen Datensätze nicht trivial und erfordert zuletzt wegen der enorm großen Datenmengen ein Stitching, welches immer die Gefahr birgt, Anschlussnähte zu erkennen. Schließlich führen die dabei erzeugten großen Strukturen auch zu einem hohen Lackverbrauch in der nachfolgenden Serienproduktion, wodurch die Produkte teuer und daher unattraktiv für den Markt werden.
Eine weitere Möglichkeit, um eine diffuse Oberfläche herzustellen, ist die Bestrahlung einer Oberfläche mit verschiedenen Partikeln. Hierbei können die Parameter der Korngröße und der Strukturhöhe jedoch oftmals nicht unabhängig und kontinuierlich eingestellt werden. Einige Anwendungen, beispielsweise im Displaybereich, erfordern aber eine definierte Höhenverteilung bei einer bestimmten Korngröße. Zudem können insbesondere Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, die beispielsweise für Weitwinkel-Streuer benötigt werden, nicht auf diese Weise realisiert werden.
Ähnlich wie bei den Strahltechniken verhält es sich auch bei den Ätztechniken. Verschiedene Materialkombinationen aus einem Master und einer Ätzlösung können hier verschiedene Struktureigenschaften erzeugen. Allerdings ist man auch hier oftmals nicht frei in der Wahl der Oberflächeneigenschaften. Zusätzlich zu den genannten Schwächen bereits bestehender Strukturierungsmethoden kommt die fehlende Möglichkeit einer genau einstellbaren, anisotropen Strukturierung hinzu. Oftmals werden elliptische oder lineare Streuer mit bestimmten Achsenverhältnissen in horizontaler und vertikaler Richtung benötigt. Diese lassen sich mit den genannten Methoden nicht oder nicht ausreichend präzise einstellen.
Mittels der Interferenzlithografie können Diffusoren zurzeit auf planen Oberflächen einer Größe von bis zu 510 mm × 610 mm durch eine großflächige Belichtung eines Photoresists mit statischen Specklefeldern im strahlenoptischen Fernfeld realisiert werden. Diese Belichtungsmethode nutzt den Effekt, dass bei einem Durchstrahlen eines Diffusors mit kohärentem Licht einer variablen lateralen Ausdehnung im strahlenoptischen Fernfeld Speckles entstehen, deren Eigenschaften in bestimmten Aspekten genau eingestellt werden können, wie beispielsweise in der Korngröße, der Kornform und der Dosis. Als Speckle werden dabei grundsätzlich stochastische, körnige Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen mit Unebenheiten in der Objektoberfläche beobachten lassen. Im klassischen Aufbau des strahlenoptischen Fernfeldes, ist die Intensitätsverteilung hauptsächlich durch die Streuverteilung des Diffusors gegeben, nicht aber durch die Art der Ausleuchtung. Es ergeben sich rein aus optischen Überlegungen aber auch Eigenschaften der Speckles, die nicht unabhängig einstellbar sind. Dazu zählen die laterale Intensitätsverteilung, die Korngrößenverteilung und die Verkippung der Speckles. Die klassische Belichtungsmethode im strahlenoptischen Fernfeld hat somit auf flachen Substraten Schwächen, wie beispielsweise eine Inhomogenität oder eine Schiefstellung der Speckles.
Ein signifikantes Problem bei der Belichtung im Fernfeld besteht folglich darin, dass die Speckles schräg stehen, sobald die Belichtung außermittig erfolgt. Dies ist bei größeren Flächen immer der Fall. Diese Schrägstellung kann nicht ohne Weiteres ausgeglichen werden. Daher erhält man mit dieser Fernfeldmethode nach einem zum Herstellen von Sleeves benötigten Schweißvorgang intrinsisch nahtbehaftete Strukturierungen auf der Oberfläche. Vor allem eine auf große Flächen einfach skalierbare Umsetzung der Methode gestaltet sich als schwierig oder extrem kostenintensiv, da dazu sehr große Optiken in hoher Güte benötigt werden. Auf größeren Flächen sind die Schwächen der Fernfeldmethode sehr deutlich erkennbar und deshalb für eine kommerzielle Anwendung weniger interessant. Zusätzlich ergeben sich bei dieser Belichtungsmethode stets Inhomogenitäten bezüglich der Strukturtiefe und der Strukturverkippung, welche je nach Struktur mehr oder weniger starken Einfluss auf die Streufunktion haben. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und Effizienz ist dies jedoch nicht hinnehmbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein optomechanisches Belichtungsverfahren und eine optomechanische Belichtungsvorrichtung zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche bereitzustellen, die eine nahtlos strukturierte Photoresistoberfläche auf einem flachen oder zylinderförmigen Substrat besonders gleichmäßig, präzise und wirtschaftlich erzeugen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optomechanisches Belichtungsverfahren gemäß Anspruch 1 und eine optomechanische Belichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße optomechanische Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche, insbesondere eines Photoresistmasters, weist als Verfahrensschritte zunächst ein Beschichten eines zu belichtenden Substrats mit Photoresist auf, gefolgt von einem Anordnen eines Diffusors mit einer streuenden Oberflächenstruktur in einem Abstand zum Substrat und einem Belichten der Photoresist-Beschichtung durch ein relatives Bewegen eines kohärenten Lichtstrahls zu dem Substrat und dem Diffusor, wobei zum Belichten des Substrats beim Durchstrahlen des Diffusors auftretende Speckles zur stochastischen Strukturierung der Oberfläche genutzt werden und wobei der Abstand zwischen der streuenden Oberfläche des Diffusors und der Oberfläche des zu belichtenden Substrats im strahlenoptischen Nahfeld liegt.
Zudem betrifft die Erfindung eine optomechanische Belichtungsvorrichtung zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche, mit einer einen kohärenten Lichtstrahl emittierenden Lichtquelle, einem ersten, in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter der Lichtquelle Spiegel zum Justieren und/oder zum Bewegen des Lichtstrahls, einem in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter dem Spiegel angeordneten Diffusor und einer in einem Abstand im Bereich des optischen Nahfeldes in Ausbreitungsrichtung hinter dem Diffusor angeordneten Substratebene zur Aufnahme eines zu belichtenden Substrats.
Um die im Stand der Technik vorliegenden Probleme zu beseitigen und gleichzeitig eine einfachere und flexible Skalierbarkeit einer nahtlos strukturierten Photoresistoberfläche auf einem Substrat besonders gleichmäßig, präzise und wirtschaftlich zu ermöglichen, haben die Erfinder ein Belichtungsverfahren und eine Belichtungsvorrichtung entwickelt, das Speckles im strahlenoptischen Nahfeld zur Strukturierung von Oberflächen ausnutzt. Ferner wird die Wirtschaftlichkeit des Belichtens gesteigert, da hierbei keine komplexen und teuren Optiken nötig sind.
Unter dem Beschichten des zu belichtenden Substrats mit Photoresist ist ein Auftragen einer photosensitiven Substanz auf einen zu belichtenden Grundkörper zu verstehen. Das Beschichten kann dabei durch einen Sprühvorgang auf den zu belichtenden Grundkörper aufgetragen werden oder beispielsweise gebildet werden, indem das zu belichtende Substrat in einen Behälter mit Photoresist eingetaucht wird oder mit einem Spin-On Prozess behandelt wird.
Erfindungsgemäß wird der Diffusor mit einer streuenden Oberflächenstruktur in einem definierten Abstand zum zu belichtenden Substrat angeordnet. Dieser Abstand liegt erfindungsgemäß im strahlenoptischen Nahfeld. Das Nahfeld wird u.a. dadurch bestimmt, dass die Intensitätsverteilung von der auftreffenden Strahlung und insbesondere der Verteilung der auftreffenden Strahlung bestimmt wird und ebenfalls von der Charakteristik des Primärdiffusors abhängt. Die üblichen Entfernungen hängen von der Belichtungssituation und dem Streuverhalten des Diffusors ab, wobei übliche Entfernungen für das Nahfeld einige Millimeter hinter dem Diffusor sind. Dabei kann dieser Abstand bevorzugt zwischen 0,1 mm und 100 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 50 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 25 mm betragen. Unter dem Fernfeld versteht man hingegen einen deutlich größeren Abstand, typischerweise ab einigen Dezimetern. Das strahlenoptische Nahfeld erfordert hierzu eine präzise Abstimmung von Ausleuchtung, optischen Strahlparametern, Streubreite des Diffusors und Abstand zum Photoresist. Ferner ist der definierte Abstand des Diffusors bevorzugt in allen zu belichtenden Oberflächenbereichen des Substrats konstant, um mittels einer homogenen Ausleuchtung eine gleichmäßige Strukturierung der Oberfläche zu erreichen.
Zum Belichten des Substrats werden erfindungsgemäß beim Durchstrahlen des Diffusors auftretende Speckles zur stochastischen Strukturierung der Oberfläche genutzt. Das optische Prinzip der Strukturierung besteht somit in der Nutzung der Speckles, die entstehen, wenn kohärentes Licht auf eine raue Oberfläche trifft oder diese durchdringt. Die Eigenschaften der Speckles können über verschiedene Eingangsparameter beeinflusst werden. Hierzu kann die Kohärenz, die Leistung der Lichtquelle und/oder die Kollimation angepasst werden. Die Korngröße und die Elliptizität der Speckles können ebenfalls durch optische Maßnahmen beeinflusst werden, wie beispielsweise eine Anpassung der Kollimation oder eine Mehrfachbelichtung. Unter Ausnutzung des strahlenoptischen Nahfeldes werden die Probleme bezüglich der Inhomogenität von Strukturkippung und Intensitätsverteilung behoben, da die Belichtung im strahlenoptischen Nahfeld intrinsisch stets mittig erfolgt.
Das flächige Belichten der Photoresist-Beschichtung erfolgt erfindungsgemäß durch ein relatives Bewegen eines kohärenten Lichtstrahls zu dem Substrat und dem Diffusor. Dabei kann ein komplett dynamischer Ansatz gewählt werden, der, im Gegensatz zu Step-and-Repeat-Belichtungen, Anschlussnähte vermeidet. Folglich scannt das Belichtungsverfahren die Oberfläche bevorzugt dynamisch so ab, dass trotz seriellen Schreibens keine Anschlussnähte erkennbar sind. Zusätzlich kann die Homogenität bezüglich der Strukturtiefe, den Anschlussnähten und der Strukturverkippung im Vergleich zu bisher genutzten Step-and-Repeat-Belichtungen optimiert werden. Ferner kann das Belichtungsverfahren intrinsisch und quasi nahtlos auf ein zylindrisches Substrat übertragbar sein. Die Struktur, die dabei erzeugt wird, ist stochastischer Natur und entspricht in ihrer optischen Funktion im Endprodukt einem optischen Diffusor.
Unter einem kohärenten Lichtstrahl wird im Rahmen dieser Erfindung ein Lichtstrahl verstanden, dessen Kohärenzlänge zumindest 10 cm, bevorzugt zumindest 1 m, besonders bevorzugt mindestens 10 m und ganz besonders bevorzugt mindestens 100 m beträgt. Hierzu kann beispielsweise ein Laser verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter dem Spiegel der Diffusor angeordnet. Unter einem Diffusor ist eine optische Komponente zu verstehen, die Licht zerstreut. Der Diffusor kann dabei eine an die Anforderungen angepasste Oberflächenstruktur aufweisen. Die Oberflächenstruktur kann dabei beispielsweise eine homogene Strukturierung durch Bestrahlung mit Partikeln aufweisen oder in beliebiger Weise zu einem optischen Gitter gebildet sein.
Hinter dem Diffusor ist eine Substratebene zur Aufnahme des zu belichtenden Substrats angeordnet. Unter der Substratebene ist eine Ebene zu verstehen, in der die Oberfläche des Substrats angeordnet werden kann. Im Falle eines zylinderförmigen Diffusors und Substrat ist unter der Substratebene die zum Lichtstrahl orthogonale Tangentialebene des zylinderförmigen Diffusors und Substrats zu verstehen. Folglich ist der Diffusor in diesem Fall zwischen der letzten Linse und dem Substrat angeordnet. Im Falle eines flachen Substrats ist der Diffusor zwischen dem letztem Umlenkspiegel und der Substratebene angeordnet. Diese Anordnung gewährleistet, dass der Abstand zwischen dem Diffusor und dem Substrat ausreichend klein ist, um im strahlenoptischen Nahfeld zu sein.
Grundsätzlich ist die Form des Diffusors und des Substrats frei wählbar. Beispielsweise können der Diffusor oder das Substrat zylinderförmig gebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Belichtungsverfahrens sind der Diffusor und das Substrat zylinderförmig oder flach gebildet. Diese Ausgestaltung kann ein dynamisches Abscannen besonders einfach gestalten. Dabei ist der Innendurchmesser des zylinderförmigen Diffusors bevorzugt höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 % und ganz besonders bevorzugt höchstens 2 % größer als der Außendurchmesser des Substrats bzw. des in der Substratebene anzuordnenden Substrats.
Besonders bevorzugt ist dabei der zylinderförmige Diffusor das zylinderförmige Substrat zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig umgebend angeordnet und/oder das Belichten erfolgt dadurch, dass der zylinderförmige Diffusor und das zylinderförmige Substrat um eine gemeinsame Rotationsachse rotiert werden und/oder der Lichtstrahl parallel zur Mittellängsachse des Substrats verschoben wird. Im Falle der Ausgestaltung eines das Substrat zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig umgebenden zylindrischen Diffusors kann auch lediglich das Substrat rotiert werden, während der zylindrische Diffusor ruht, insbesondere um einen Lineardiffusor herzustellen. Darüber hinaus ist auch denkbar, den zylindrischen Diffusor und das Substrat mit voneinander unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu rotieren, sodass sich eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Substrat und dem Diffusor ergibt. Das Verhältnis der Rotations- bzw. Winkelgeschwindigkeiten kann dabei beliebig gewählt werden, wobei grundsätzlich eine der beiden Geschwindigkeiten auch Null sein kann.
Im Rahmen einer Ausführungsform mit einem das Substrat vollständig umgebenden zylindrischen Diffusor kann es vorteilhaft sein, sowohl den zylinderförmigen Diffusor als auch das zylinderförmige Substrat um eine gemeinsame Rotationsachse zu rotieren, um die Oberfläche des zylinderförmigen Substrats mit einem Specklemuster sequentiell, strukturell nahtlos und dynamisch zu belichten. Unter „nahtlos“ kann in diesem Falle eine homogene Strukturierung in verschiedenen Aspekten, wie z.B. der visuellen Erscheinung, den Streuparametern, insbesondere dem Winkel und/oder der Elliptizität, der Korngröße, der Verkippung der Strukturen und/oder der Tiefenverteilung der Strukturen verstanden werden. Folglich kann aufgrund dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der durch den zylinderförmigen Diffusor auftretenden Speckles eine nahtlose Strukturierung der Oberfläche gebildet werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Belichtungsverfahrens kann das dynamische Belichten das Bewegen des Lichtstrahls parallel zur Mittellängsachse des Substrats vorsehen. Hierzu ist es vorteilhaft, den Lichtstrahl schraubenförmig über den zylinderförmigen Diffusor zu bewegen. Somit wird der Lichtstrahl gleichmäßig über die Oberfläche geführt, um durch eine entsprechend gleichmäßige Belichtung eine nahtlose Strukturierung zu erreichen. Somit kann über die optische Abtastung des zylinderförmigen Diffusors ein bezüglich des Photoresists statisches und nur in der Intensität moduliertes Specklemuster, beispielsweise schraubenförmig auf dem kompletten Substrat innerhalb eines einzigen dynamischen Vorgangs, belichtet werden. Es ist ebenfalls möglich, den Zylinder in parallelen Bahnen entlang der Drehachse zu belichten und ausschließlich rotative Schritte durchzuführen. Die Anschlussstellen bzw. -nähte der einzelnen Linien sind nun nur noch von der Intensität, aber nicht mehr von der kohärenten Überlagerung abhängig und können mittels des Strahldurchmessers sehr fein gewählt werden. Entsprechend kann hierzu ein geringer Stepover pro Runde/Linie bzw. eine geringe Überlappung pro voller Umdrehung/Linie, beispielsweise von weniger als 10 %, besonders bevorzugt von weniger als 5 % und ganz besonders bevorzugt von weniger als 2 % der Breite bzw. der Fläche der Belichtung gewählt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Belichtungsverfahrens können beim Belichten aufgrund der Speckles Oberflächenstrukturen in dem Photoresist gebildet werden, wobei eine Strukturtiefe der gebildeten Oberflächenstrukturen mittels der Intensität einer Lichtquelle des Lichtstrahls und/oder mittels der Rotationsgeschwindigkeit des zylinderförmigen Diffusors und des zylinderförmigen Substrats und/oder eine Korngrö-ße der gebildeten Oberflächenstrukturen mittels einer Mehrfachbelichtung eingestellt wird. Hierbei kann beispielsweise die Höhe der Strukturen über die Intensität, die Drehgeschwindigkeit und/oder die Dosis eingestellt werden. Die Korngröße der Strukturen kann bevorzugt, insbesondere mittels des optischen Setups, innerhalb eines bestimmten Bereichs zwischen 5 µm und 100 µm stufenlos eingestellt werden. Zusätzlich können bei dieser Belichtungsmethode auch Lichtquellen mit geringerer Kohärenz verwendet werden, da die auftretenden Weglängenunterschiede der interferierenden Teilstrahlen klein sind. Der kritische, einzustellende Parameter der Oberfläche kann die Amplitude der Tiefenverteilung sein, da diese den Streuwinkel direkt beeinflusst. Folglich können optische Parameter der entstehenden Oberfläche frei eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann der Abstand a $\frac{\frac{1}{2} d}{t a n (\frac{1}{2} ϑ)} \geq a$
sein, wobei d eine Ausleuchtungsbreite des Lasers und 9 ein Streuwinkel ist. Der Diffusor kann eine Eintrittsfläche, durch die der die Ausleuchtungsbreite d aufweisende Lichtstrahl eintritt, und eine Austrittsfläche aufweisen, die derart beschaffen sein kann, dass der Lichtstrahl unter einem Streuwinkel 9 austritt und dabei Speckles auftreten. Diese Ungleichung beschreibt den maximalen Abstand, den a aufweisen darf, damit der Abstand zwischen Diffusor und Substrat im strahlenoptischen Nahfeld liegt. Dadurch kannjeder belichtete Punkt auf dem Photoresist durch das identische, durch den Diffusor vorgegebene, Winkelspektrum belichtet werden. Folglich ergibt sich der Vorteil, dass damit keine zur Strahlrichtung schrägen Speckles gebildet werden. Besondere Vorsicht kann hierbei beim dynamischen Verschieben der Ausleuchtung geboten sein, damit das wellenoptische Specklemuster statisch bleibt und sich folglich nur die Helligkeit ändert. Dies kann im Falle eines zylindrischen Diffusors beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die entsprechende Strahlrichtung durchgängig auf die Drehachse fokussiert wird.
Um den Lichtstrahl zu fokussieren und/oder zu kollimieren, kann eine Linse in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls vor dem Diffusor angeordnet werden. Darüber hinaus kann mehr als eine Linse und/oder wenigstens eine Linse sowie weitere optische Bauteile vorgesehen sein, die dabei bevorzugt ein Linsensystem bilden, das besonders bevorzugt vollständig hinter der Lichtquelle und vor dem Diffusor angeordnet ist. Dabei kann die Linse bzw. das Linsensystem grundsätzlich zur definierten, kollimierten Aufweitung und/oder zur Fokussierung des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Linse bzw. das Linsensystem derart gebildet, dass die einfallenden Lichtstrahlen stets orthogonal auf die zu belichtende Substratoberfläche auftreffen. Für eine flache Substratoberfläche kann die Linse bzw. das Linsensystem bevorzugt derart gebildet, dass die auf die Substratoberfläche auftreffenden Lichtstrahlen kollimiert sind. Besonders bevorzugt ist für flache Substrate das Linsensystem derart gebildet, dass die Kollimation derart vor dem Diffusor eingestellt wird, dass keine weitere Linse vor dem Diffusor benötigt wird. Für eine gekrümmte und insbesondere für eine zylindrische Substratoberfläche ist die Linse bzw. das Linsensystem bevorzugt derart gebildet, dass die auf die Substratoberfläche auftreffenden Lichtstrahlen senkrecht zur Substratoberfläche sind.
Im Falle einer Zylinderbelichtung kann die Linse bevorzugt eine Brennweite aufweisen, die ausreichend groß ist, um eine entsprechende Einstellung des Fokuspunkts zu gewährleisten. Dabei liegt der Fokuspunkt bevorzugt hinter dem Diffusor, sodass die Linse durch den Diffusor hindurch fokussiert. Besonders bevorzugt trifft der Lichtstrahl dabei senkrecht auf die Oberfläche des zylinderförmigen Diffusors. Ebenfalls bevorzugt liegt der Fokuspunkt im Wesentlichen in der Drehachse des zylinderförmigen Diffusors, wobei eine Abweichung von der Drehachse besonders bevorzugt kleiner als 10 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 2 mm ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann in der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter der Lichtquelle ein Linsensystem und insbesondere ein Strahlenaufweitungssystem angeordnet sein, das mindestens zwei Linsen mit jeweils unterschiedlichen Brennweiten aufweist, wobei die Brennweite der ersten Linse bevorzugt kürzer als die Brennweite der zweiten Linse ist. Ein solches Strahlenaufweitungssystem ist insbesondere vorteilhaft zur Belichtung eines flachen Substrats, kann aber ebenfalls für Belichtungen auf zylindrischen Substraten genutzt werden. Das Strahlenaufweitungssystem kann dazu vorgesehen sein, den Strahldurchmesser des Lichtstrahls flexibel aufzuweiten und zu kollimieren. Hierfür ist es erforderlich, dass die erste Linse eine kürzere Brennweite als die zweite Linse aufweist. Ein weiterer Parameter, der mit dem Strahlenaufweitungssystem eingestellt werden kann, ist die Kollimation des Lichtstrahls. Hierbei kann eine für die Anwendung optimierte Kollimation erreicht werden. Die optimierte Kollimation kann dabei an zu erfüllende Bedingungen an die optische Stabilität der Speckles bei dynamischer Spotbewegung über die stochastische Oberfläche des Diffusors geknüpft sein. Um spezielle Eigenschaften der Speckledynamik zu erreichen, kann auch eine nicht optimierte Kollimation des Lichtstrahls, bei der beispielsweise die zwei Linsen nicht im Abstand der Summe der Brennweiten der Linsen angeordnet sind, verwendet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls hinter der Lichtquelle können besonders bevorzugt mindestens zwei Spiegel angeordnet sein, um eine präzise Einstellung des Lichtstrahls zu gewährleisten. Insbesondere bevorzugt weist die Belichtungsvorrichtung einen Spiegel auf, um den Lichtstrahl lateral verschieben zu können. Weiterhin ist bevorzugt, dass bei einem flachen Substrat wenigstens zwei und besonders bevorzugt genau zwei Spiegel zum Verfahren des Lichtstrahls in zwei Achsen vorgesehen sind, und bei einem zylindrischen Substrat wenigstens ein Spiegel und besonders bevorzugt genau ein Spiegel zum lateralen Verfahren des Lichtstrahls vorgesehen ist, sowie eine Rotation des Diffusors und der Substratebene.
Um den Lichtstrahl optimal zu steuern, kann es vorteilhaft sein, zwei Freiheitsgrade bereitzustellen, die synchronisiert, mechanisch stabil, winkelstabil, verwindungsfrei und/oder vibrationsfrei angesteuert werden können. Einer der Freiheitsgrade kann ein linearer, der andere ein rotativer Freiheitsgrad sein. Auf dem linearen Freiheitsgrad, wie beispielsweise einer bewegbaren Plattform, kann der Spiegel und die Linse derart angeordnet sein, dass der Laserstrahl entlang der Rotationsachse bewegt werden kann.
Bevorzugt ist die Rotationsachse dabei drehbar, sodass mittels einer synchronen Bewegung die gesamte Oberfläche des zylinderförmigen Substrats über dem zylinderförmigen Diffusor erreicht und in homogenisierenden Mustern abgefahren werden kann, während die dabei entstehenden Speckles in dem Photoresist auf der Oberfläche des Substrats ortsfest und nur intensitätsmoduliert belichtet werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen zylinderförmigem Substrat und zylinderförmigem Diffusor kann dabei größer, kleiner oder gleich Null sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann der Spiegel auf einer bewegbaren Spiegelplattform und die Linse auf einer bewegbaren Plattform angeordnet und derart positioniert sein, dass die Linse auf die Rotationsachse des zylinderförmigen Substrats fokussiert wird. Der bevorzugt in eine Achse kollimierte, ganz besonders bevorzugt in zwei Achsen kollimierte Lichtstrahl kann über den dynamisch bewegbaren Spiegel orthogonal abgelenkt werden. Die Linse fokussiert den Lichtstrahl dabei bevorzugt auf die Rotationsachse des zylinderförmigen Substrats. Die Linse kann ebenfalls synchron zum Spiegel bewegbar sein, beispielsweise über eine mechanisch feste Verbindung. Eine Stabilisierung der Laserleistung, beispielsweise über einen akustooptischen Modulator mit dem Detektor und/oder dem Regelweg, kann vorgesehen werden, da es sich bei dieser Belichtungsmethode um einen seriellen Prozess handelt, bei dem die Schwankungen nicht integriert, sondern linear mitgeschrieben werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann die Linse eine Zylinderlinse und/oder der Diffusor eine stochastische Phasenmaske sein. Die Zylinderlinse hat dabei den Vorteil, das Licht lediglich in einer Achse zu fokussieren. Folglich kann mittels der Zylinderlinse eine Laserlinie geformt werden, mittels der die Oberfläche schneller abgescannt werden kann als mit einer gewöhnlichen Konvexlinse, die das Licht auf einen Punkt fokussiert. Unter einer stochastischen Phasenmaske kann eine spezielle Art eines optischen Transmissionsgitters verstanden werden. Die stochastische Phasenmaske kann beispielsweise aus Quarzglas gebildet sein, in das eine periodische Struktur und insbesondere periodische mit einem definierten Abstand linienförmige Vertiefungen eingeätzt werden. Diese Vertiefungen verhalten sich optisch wie ein Gitter, wodurch infolge einer Belichtung mit einem Laser Interferenzeffekte auftreten können. Bevorzugt ist die stochastische Phasenmaske transparent.
Grundsätzlich kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung vorsehen, dass der Diffusor einen Streuwinkel kleiner als 10° aufweist und/oder homogen strukturiert ist und/oder die zur Belichtung verwendete Wellenlänge der Lichtquelle vollständig ablenkt, um eine direkte Transmission bei der verwendeten Wellenlänge zu vermeiden. Hierbei kann beispielsweise ein Anteil von mehr als 95% des transmittierten Lichts gestreut werden. Besonders bevorzugt werden mehr als 99% des transmittierten Lichts gestreut. Unter einer homogenen Strukturierung wird eine Strukturierung verstanden, die über die Fläche gleichbleibende Eigenschaften, insbesondere eine gleichbleibende Streubreite, Streurichtung, Nahtlosigkeit und/oder gleichmäßige Korngröße aufweist. Ebenfalls bevorzugt ist der Diffusor nur gering absorbierend und besonders bevorzugt im Wesentlichen transparent.
Grundsätzlich kann jegliche Art von Lichtquelle verwendet werden, die eine genügend hohe Kohärenzlänge aufweist. Bevorzugt werden hierbei Laser verwendet, wobei die Wellenlänge des Lasers frei wählbar ist. Dabei kann der Laser ein Dauerstrichlaser oder auch ein Pulslaser sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung kann die Lichtquelle des kohärenten Lichtstrahls ein monochromatischer Laser sein, der besonders bevorzugt im UV-Bereich emittiert. Unter dem UV-Bereich wird ein Bereich im optischen Spektrum verstanden, dessen Wellenlängen kürzer sind als die für den Menschen sichtbaren Wellenlängen. Für gewöhnlich kann hierunter ein Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm verstanden werden. Unter einem monochromatischen Laser kann dabei ein Laser verstanden werden, der schmalbandiges Licht emittiert, wobei besonders bevorzugt eine einzige Spektralfarbe, wie beispielsweise 349 nm, emittiert wird. Der Vorteil eines UV-Lasers liegt dabei darin, dass eine Vielzahl von Materialien eine hohe Absorptionsrate im UV-Bereich aufweisen. Der UV-Laser eignet sich somit für Anwendungen, die einen hohen Kontrast oder eine minimale Wärmebelastung erfordern. Bevorzugt ist der Laser ein Festkörperlaser und besonders bevorzugt ist der Laser ein Diodenlaser. Jedoch ist auch die Verwendung eines Gaslasers denkbar.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optomechanischen Belichtungsvorrichtung wird nachstehend mit Bezug auf eine Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 in schematischer Darstellung ein optisches System einer optomechanischen Belichtungsvorrichtung für ein zylinderförmiges Substrat;
2 in schematischer Darstellung ein optisches System einer optomechanischen Belichtungsvorrichtung für ein flaches Substrat.

Die Grundkomponenten eines optischen Systems einer optomechanischen Belichtungsvorrichtung 1 sind beispielhaft in der 1 dargestellt. Zu den Grundkomponenten zählen hierbei eine Lichtquelle 2, ein Strahlenaufweitungssystem 3, ein Spiegel 6, eine Linse 8 zum Fokussieren und/oder zum Kollimieren sowie ein Diffusor 20.
Die Lichtquelle 2 in diesem Ausführungsbeispiel ist ein monochromatischer UV-Laser. Der Laser emittiert einen kohärenten Lichtstrahl 21 in Richtung des Strahlenaufweitungssystems 3.
In der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 21 hinter der Lichtquelle 2 ist das Strahlenaufweitungssystem 3 angeordnet. Das Strahlenaufweitungssystem 3 umfasst eine erste Linse 4 und eine zweite Linse 5. Die erste Linse 4 weist hierbei eine kürzere Brennweite als die zweite Linse 5 auf, um den Lichtstrahl 21 aufzuweiten. Die erste Linse 4 weist eine Brennweite von 40 mm auf, während die zweite Linse 5 eine Brennweite von 80 mm hat. Somit wird mit dieser Kombination eine Verdopplung des Durchmessers des Lichtstrahls 21 erreicht. Um die Kollimation des Lichtstrahls 21 nach Belieben einstellen zu können, ist die zweite Linse 5 auf einer verfahrbaren Plattform angeordnet (in der Figur nicht dargestellt).
Nach dem Strahlenaufweitungssystem 3 trifft der aufgeweitete Lichtstrahl 21 auf den Spiegel 6. Der Spiegel 6 ist dabei auf einer verfahrbaren und drehbaren Spiegelplattform 7 angeordnet, um den Lichtstrahl 21 in weiterer Folge beliebig zu justieren und zu bewegen.
In der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 21 hinter dem Spiegel 6 ist die Linse 8 angeordnet. Die Linse 8 ist auf einer bewegbaren Linsenplattform 9 angeordnet, wobei die Spiegelplattform 7 und die Linsenplattform 9 über eine Spiegel-Linsen-Plattform 13 gekoppelt sind, um exakt parallel und synchron bewegt zu werden. Die Linse 8 ist eine Zylinderlinse, um aus dem Lichtstrahl 21 eine Linie zu formen.
Im Folgenden ist der Diffusor 10 in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 21 hinter der Linse 8 angeordnet. Der Diffusor 10 ist dabei eine stochastische Phasenmaske. Der Diffusor 10 weist ferner einen Streuwinkel von 5° auf, ist homogen strukturiert und lenkt den zur Belichtung verwendeten Lichtstrahl 21 der Lichtquelle 2 vollständig ab. Ferner ist der Diffusor 10 zylinderförmig gebildet.
Die Oberfläche eines zu belichtenden Substrats 11 ist in der Substratebene SE angeordnet. Ferner ist die Oberfläche des Substrats 11 mit Photoresist 12 beschichtet. Das Substrat 11 ist dabei zylinderförmig gebildet.
Folglich ist zwischen der Linse 8 und dem Substrat 11 der Diffusor 10 im Abstand a angeordnet. Dieser Abstand a stellt dabei sicher, dass Speckles im strahlenoptischen Nahfeld zur Strukturierung der Oberfläche des Substrats 11 erzeugt werden. Der zylinderförmige Diffusor 10 ist das zylinderförmige Substrat 11 umgebend und ortsfest angeordnet und das Belichten erfolgt dadurch, dass der zylinderförmige Diffusor 10 und das zylinderförmige Substrat 11 um eine gemeinsame Rotationsachse RA rotiert werden und der Lichtstrahl 21 parallel zur Mittellängsachse des Substrats 11 verschoben wird, wobei die Rotationsachse RA und die Mittellängsachse hier aus geometrischen Gründen zusammenfallen.
Das Belichten der Photoresist-Beschichtung 12 erfolgt durch ein relatives Bewegen eines kohärenten Lichtstrahls 21 zu dem Substrat 11 und dem Diffusor 10. Dabei werden zum Belichten des Substrats 11 beim Durchstrahlen des Diffusors 10 auftretende Speckles zur stochastischen Strukturierung der Oberfläche genutzt. Der Lichtstrahl 21 wird dabei schraubenförmig über den zylinderförmigen Diffusor 10 bewegt. Mittels der durch den zylinderförmigen Diffusor 10 auftretenden Speckles wird eine nahtlose Strukturierung der Oberfläche in dem Photoresist 12 des zylinderförmigen Substrats 11 gebildet.
Eine zweite Ausführungsform in 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass für das Belichten der Photoresist-Beschichtung 12 eines flachen Substrats 11 zwei Spiegel 6a, 6b zum Steuern des Lichtstrahls 21 über die Substratebene SE vorgesehen sind. Die Spiegel 6a, 6b sind dabei senkrecht zueinander ausgerichtet, um die Substratebene SE abzuscannen. In dieser Ausführungsform wird auf eine weitere, Linse 8 verzichtet, da der Lichtstrahl 21 bereits durch die Optik des Strahlenaufweitungssystems 3 senkrecht und kollimiert auf die flache Substratebene SE des Substrats 11 trifft. Der Diffusor 10 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls flach gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Optomechanische Belichtungsvorrichtung
2: Lichtquelle
21: Lichtstrahl
3: Strahlenaufweitungssystem
4: Erste Linse
5: Zweite Linse
6, 6a, 6b: Spiegel
7: Spiegelplattform
8: Linse
9: Linsenplattform
10: Diffusor
11: Substrat
12: Photoresist
13: Spiegel-Linsen-Plattform
a: Abstand
SE: Substratebene
RA: Rotationsachse

Claims

Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche, insbesondere eines Photoresistmasters, mit den Schritten: - Beschichten eines zu belichtenden Substrats (11) mit Photoresist, - Anordnen eines Diffusors mit einer streuenden Oberflächenstruktur in einem Abstand (a) zum zu belichtenden Substrat (11), - Belichten der Photoresist-Beschichtung (12) durch ein relatives Bewegen eines kohärenten Lichtstrahls zu dem Substrat (11) und dem Diffusor (10), dadurch gekennzeichnet, dass - zum Belichten des Substrats (11) beim Durchstrahlen des Diffusors (10) auftretende Speckles zur stochastischen Strukturierung der Oberfläche genutzt werden, wobei - der Abstand (a) zwischen der streuenden Oberfläche des Diffusors (10) und der Oberfläche des zu belichtenden Substrats (11) im strahlenoptischen Nahfeld liegt.
Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) und das Substrat (11) zylinderförmig gebildet sind.
Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Diffusor (10) das zylinderförmige Substrat (11) umgebend angeordnet ist und das Belichten dadurch erfolgt, dass der zylinderförmige Diffusor (10) und das zylinderförmige Substrat (11) um eine gemeinsame Rotationsachse rotiert werden und/oder der Lichtstrahl parallel zur Mittellängsachse des Substrats (11) verschoben wird.
Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (21) schraubenförmig oder linear über den zylinderförmigen oder flachen Diffusor (10) bewegt wird.
Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der durch den zylinderförmigen oder flachen Diffusor (10) auftretenden Speckles eine nahtlose Strukturierung der Oberfläche des zylinderförmigen oder flachen Substrats (11) gebildet wird.
Optomechanisches Belichtungsverfahren zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Belichten aufgrund der Speckles Oberflächenstrukturen in dem Photoresist (12) gebildet werden, wobei eine Strukturtiefe der gebildeten Oberflächenstrukturen mittels der Intensität einer Lichtquelle (2) des Lichtstrahls (21) und/oder mittels der Rotationsgeschwindigkeit des zylinderförmigen Diffusors (10) und des zylinderförmigen Substrats (11) und/oder der Scangeschwindigkeit des flachen Substrats (11) und/oder eine Korngröße der gebildeten Oberflächenstrukturen mittels einer Mehrfachbelichtung und/oder einem Einstellen der optischen Strahlparameter eingestellt wird.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche, mit - einer einen kohärenten Lichtstrahl (21) emittierenden Lichtquelle (2), - einem in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (21) hinter der Lichtquelle (2) Spiegel (6, 6a) zum Justieren und/oder zum Bewegen des Lichtstrahls (21), - einem in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (21) hinter dem Spiegel (6) angeordneten Diffusor (10) und - einer in einem Abstand (a) im Bereich des optischen Nahfeldes in Ausbreitungsrichtung hinter dem Diffusor (10) angeordneten Substratebene (SE) zur Aufnahme eines zu belichtenden Substrats (11).
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a $\frac{\frac{1}{2} d}{t a n (\frac{1}{2} ϑ)} \geq a$
erfüllt, wobei d eine Ausleuchtungsbreite des Lasers und 9 ein Streuwinkel ist.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (21) hinter dem Spiegel (6) eine den Lichtstrahl (21) fokussierende und/oder kollimierende Linse (8) angeordnet ist.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (21) hinter der Lichtquelle (2) ein Strahlenaufweitungssystem (3) angeordnet ist, das mindestens zwei Linsen (4, 5) mit jeweils unterschiedlichen Brennweiten aufweist, wobei die Brennweite der ersten Linse (4) kürzer als die Brennweite der zweiten Linse (5) ist.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Spiegel (6, 6a, 6b) orthogonal zueinander angeordnet sind, um den Lichtstrahl (21) über die Substratebene (SE) zu führen.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel (6) auf einer bewegbaren Spiegelplattform (7) und eine Linse (8) auf einer bewegbaren Linsenplattform (9) angeordnet und derart positioniert ist, dass die Linse (8) auf die Rotationsachse (RA) des zylinderförmigen Substrats (11) fokussiert wird.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (8) eine Zylinderlinse und/oder der Diffusor (10) eine stochastische Phasenmaske ist.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (10) einen Streuwinkel kleiner als 10° aufweist und/oder homogen strukturiert ist und/oder die zur Belichtung verwendete Wellenlänge der Lichtquelle (2) vollständig ablenkt.
Optomechanische Belichtungsvorrichtung (1) zum Herstellen einer stochastisch strukturierten Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) des kohärenten Lichtstrahls (21) ein monochromatischer Laser ist, der bevorzugt im UV-Bereich emittiert.