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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Substrats mit, einer Resistschicht in Form
einer Reliefstruktur, die eine Beugungsstruktur darstellt, wobei
das Substrat eine leitfähige
Schicht aufweist, die beim Belichten der Resistschicht mittels eines
Elektronenstrahls die Primärelektronen
streut und/ oder Sekundärelektronen
erzeugt.
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Die Erfindung betrifft ferner einen
Resistmaster und ein Resistsubstrat.
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Optisch variable Elemente, die mit
dem Betrachtungswinkel variierende optische Eigenschaften aufweisen,
werden häufig
als Fälschungs-
oder Kopierschutz für
Wertdokumente, wie Kreditkarten, Banknoten oder dergleichen, aber
auch zur Produktsicherung auf beliebigen Produktverpakkungen verwendet.
Die optisch variablen Elemente weisen die Beugungsstruktur eines
echten Hologramms, Computerhologramms oder die Beugungsstruktur
eines Gitterbilds mit nebeneinander angeordneten Gitterfeldern auf.
Ganz allgemein lässt
sich festhalten, dass ein Hologramm eine Überlagerung von Beugungsgittern
ist. Ein Gitterbild setzt sich dagegen aus einer Vielzahl von nebeneinander
angeordneten Gitterfeldern zusammen, die jeweils ein einheitliches Beugungsgitter
aufweisen. Die Beugungsgitter der verschiedenen Gitterfelder können sich
im Hinblick auf die Gitterkonstante oder den Azimutwinkel oder die
Kontur oder den Umriss des mit dem jeweiligen Beugungsgitter belegten
Bildbereichs unterscheiden. Die Gitterkonstante entspricht dem Abstand
der Gitterlinien und ist wesentlich für die unter einem bestimmten
Betrachtungswinkel erkennbaren Farbe des jeweiligen Bildbereichs
im Gitterbild. Der Azimutwinkel beschreibt die Neigung der Gitterlinien
bezüglich
einer Referenzrichtung und ist für
die Sichtbarkeit der Bildbereiche in bestimmten Betrachtungsrichtungen
verantwortlich. Auf der Grundlage dieser Technik können daher
optisch varia ble Elemente, z. B. bewegte Bilder oder auch plastisch
wirkende Bilder, erzeugt werden.
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Für
die Massenherstellung der optisch variablen Elemente ist es üblich, so
genannte „Masterstrukturen" herzustellen, welche
die jeweiligen Phaseninformationen des optisch variablen Elements
in Form einer räumlichen
Reliefstruktur aufweisen. Hierbei handelt es sich üblicherweise
um ein Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer Photoresistbeschichtung,
in der die Beugungsstrukturen in Form von Bergen und Tälern konserviert sind.
Ausgehend von dieser Masterstruktur lassen sich durch Vervielfältigung
und Abformung der Reliefstruktur beliebig geformte Prägewerkzeuge
herstellen, mit deren Hilfe die durch die Reliefstruktur dargestellten
Beugungsstrukturen in großer
Stückzahl
in geeignete Substrate übertragen
werden können.
Die Reliefstrukturen können
entweder durch eine holographische Belichtung oder mittels Elektronenstrahl-Lithographie
erzeugt werden.
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Im Rahmen der Elektronenstrahl-Lithographie
wird eine für
einen Elektronenstrahlempfindliche, so genannte E-Beam-Resistschicht
mit einem Elektronenstrahl beschrieben.
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Unter dem Begriff „Resist" soll in diesem Zusammenhang
ein strahlungsempfindlicher Lack verstanden werden, wobei der Begriff „Photoresist" auf Lichtempfindlichkeit
und der Begriff „E-Beam-Resist" auf Empfindlichkeit
gegenüber
der Belichtung mit einem Elektronenstrahl hinweist. Es sind jedoch
auch Resistarten bekannt, die sowohl für elektromagnetische Strahlung,
insbesondere Licht, als auch für
die Bestrahlung mit Elektronen empfindlich sind.
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Chemisch gesehen handelt es sich
beim Resist um filmbildendes Material, dessen Löslichkeitsverhalten sich unter
Licht- oder Teilchenstrahlung ändert.
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Als „Positiv-Resist" werden Resistmaterialien
bezeichnet, die unter Bestrahlung durch Abbau oder Umwandlung von
funktionellen Gruppen leicht löslich
werden. Bei der Weiterbehandlung werden die bestrahlten Bereiche
weggelöst,
die unbestrahlten Bereiche dagegen bleiben stehen.
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Als „Negativ-Resist" werden Resistmaterialien
bezeichnet, die unter Bestrahlung durch Vernetzung oder Polymerisation
schwer löslich
bis unlöslich werden.
Folglich werden in diesem Fall die unbestrahlten Bereiche bei der
Weiterbehandlung weggelöst,
während
die bestrahlten Bereiche stehen bleiben.
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Während
bei den üblichen
Anwendungen der Elektronenstrahl-Lithographie im Rahmen der Mikroelektronik
und Mikromechanik scharfe Begrenzungen des Schreibfelds des Elektronenstrahls
gefragt und im rechten Winkel zur Substratoberfläche verlaufende Flanken der
Reliefstruktur das Ziel sind, sollen die Reliefstrukturen, die die
Beugungsstruktur eines optisch variablen Elements darstellen, im
Allgemeinen flach abfallende Flanken bzw. Flanken mit definierter
Steilheit aufweisen.
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Um flach abfallende Flanken der Reliefstruktur
zu erzeugen, sind verschiedene Verfahren bekannt:
Zum einen
ist bekannt, mehrere nebeneinander liegende Spuren entlang einer
vorgesehenen Flanke mit unterschiedlicher Strahldosis zu belichten.
Je nach der Stärke
der Strahldosis wird das Resistmaterial bis zu einer vorbe stimmten
Tiefe belichtet, so dass sich nach dem Entwickeln eine Reliefstruktur mit
flachen Flanken ergibt.
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Ferner ist es bekannt, mehrere Photoresistschichten
unterschiedlicher Empfindlichkeit übereinander aufzubringen und
in mehreren Durchgängen mit
unterschiedlichen Masken zu belichten. Bei dieser Vorgehensweise
ergeben sich stufenförmig
ausgebildete Flanken, die näherungsweise
eine flach verlaufende Flanke der Reliefstruktur bilden.
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Diese bekannten Verfahren sind zeitaufwändig und
erfordern spezielle Resistsorten, die auf das Flankenproblem abgestimmt
und auch in ihren sonstigen Eigenschaften nicht optimal sind. Sowohl
das mehrfache Belichten zum Ausbilden einer Flanke als auch das
Arbeiten mit unterschiedlichen Resistsorten erhöht die Bearbeitungszeiten beträchtlich.
Insbesondere ist es erforderlich, mit relativ unempfindlichen Resistmaterialien
zu arbeiten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
dem sich für
Elektronenstrahl-Lithographie,
insbesondere zur Erzeugung hologrammartiger Strukturen in einer
Resistschicht eine Reliefstruktur mit flachen Flanken bzw: Flanken
mit definierter Steilheit in einfacher Weise herstellen lässt. Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein für die Durchführung des
Verfahrens geeignetes Resistsubstrat sowie einen Resistmaster für Prägewerkzeuge
zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch das Verfahren und
das Resistsubstrat sowie den Resistmaster mit den Merkmalen der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Weitere
Ausgestaltungen und Einzelheiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Da die Resistschicht selbst im Allgemeinen nicht
leitfähig
ist, benötigt
man für
die Elektronenstrahlbelichtung eine zusätzliche leitfähige Schicht, um
die Elektronen des auftreffenden Elektronenstrahls („Primärelektronen') ableiten zu können. Diese
leitfähige
Schicht kann das Substrat sein, auf welchem die Resistschicht vorliegt,
oder eine zusätzlich leitfähige Schicht,
wie z.B. eine Metallschicht, oder eine leitfähige Polymerschicht. Beim Auftreffen
der Primärelektronen
auf die leitfähige
Schicht werden diese zum Teil gestreut und/ oder erzeugen so genannte „Sekundärelektronen", die aus der leitfähigen Schicht
herausgeschlagen werden. Die gestreuten Primärelektronen und die Sekundärelektronen
breiten sich auch in der benachbarten Resistschicht aus, so dass
die Resistschicht auch außerhalb
des direkt mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs belichtet
wird („Proximity-Effekt"). Da die Belichtung auf
diese Weise verbreitert bzw. unscharf wird, ist dieser Effekt unerwünscht und
wird möglichst
unterdrückt.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis
zugrunde, dass der Wirkungsbereich dieser zusätzlichen Belichtung von der
Elektronenstrahlenergie und vom verwendeten leitfähigen Material
abhängt
und dass durch geeignete Wahl der Belichtungsparameter und des leitfähigen Materials
der Proximity-Effekt gezielt für
die Erzeugung geneigter Flanken, wie sie für die Herstellung von Resistmastern
notwendig sind, eingesetzt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden daher das Material der Resistschicht und der leitfähigen Schicht
sowie die Belichtungsparameter derart aufeinander abgestimmt, dass
die Resistschicht auch außerhalb
des mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs so belichtet
wird, dass die Flanken der Reliefstruktur eine geneigte Form erhalten. Dabei
gilt als Anhaltspunkt, dass flachere Flanken durch eine höhere Ordnungszahl
des in der leitfähigen
Schicht enthaltenen Metalls, eine weichere Gradation des Resist,
eine höhere
Beschleunigungsspannung der Elektronen sowie einen unschärferen und
größeren Strahlquerschnitt
erzeugt werden können.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil,
dass es im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Resistschicht
in Form einer Reliefstruktur innerhalb wesentlich kürzerer Zeit
durchgeführt
werden kann, da nur ein einziger Belichtungsschritt erforderlich
ist. Außerdem
wird zusätzlich
die Belichtungszeit reduziert, da durch die Sekundärelektroden
die effektive Strahlungsdosis insgesamt erhöht wird. Darüber hinaus
ist für
das Verfahren eine breite Palette von Resistarten verwendbar. Das
Verfahren ist somit nicht wie die bekannten Verfahren auf den Einsatz
von unempfindlichen Resistmaterialien angewiesen. Die Neigung der Flanken
der Reliefstruktur führt
auch zu einem guten Ablöseverhalten
des Prägelacks
von den Prägeformen,
die von der Reliefstruktur abgeformt werden.
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Für
die leitfähige
Schicht werden aufgrund ihrer guten Verarbeitbarkeit bevorzugt Metallschichten
oder Metalllegierungschichten aus Wolfram, Gold, Palladium, Chrom,
Aluminium oder Mischungen dieser Metalle verwendet. Eine hohe Streuung und
Sekundärelektronenemission
wird beispielsweise mit Wolfram, Gold oder einer Gold-Palladium-Legierung
erreicht. Da der Proximity-Effekt umso größer ist, desto höher die
Ordnungszahl der verwendeten chemischen Elemente ist, wird der Einsatz
von Metallen mit hohen Ordnungszahlen, insbesondere größer 50,
bevorzugt.
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Die leitfähige Schicht kann das Trägersubstrat
für die
Resistschicht bilden oder aber als separate Schicht aufgebracht
sein. Bei einigen Ausführungsvarianten
kann es auch notwendig sein, die leitfähige Schicht nach der Elektronenstrahlbelichtung
wieder zu entfernen. Hierfür
werden entsprechende Lösungsmittel
verwendet. Die Elektronenstrahlbelichtung erfolgt mit Elek tronenstahlenergie
von 0,1 bis 100 keV, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 keV.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
wird die leitfähige
Schicht zwischen der Resistschicht und dem Substrat angeordnet.
Als Resistschicht wird ein Negativ-Resist verwendet, so dass durch
die Rückstreuung
der Primäreleketronen
und die Sekundärelektronenemission
Resistbereiche ebenfalls belichtet werden, die zur leitfähigen Schicht
benachbart und neben dem direkt belichteten Bereich liegen. Beim Entwickeln
des Negativ-Resists werden die nicht belichteten Bereiche entfernt
und nur die direkt mit dem Elektronenstrahl und durch den Proximity-Effekt
zusätzlich
belichteten Bereiche verbleiben auf dem Substrat.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform
wird ein Positiv-Resist verwendet, der auf einer dem Substrat abgewandten
Oberfläche
mit der leitfähigen Schicht
versehen ist. Hier werden durch Vorwärtsstreuung der Primärelektronen
und durch Sekundärelektronenemission
ebenfalls die der leitfähigen Schicht
benachbarten und außerhalb
des direkt belichteten Bereichs liegenden Resistbereiche belichtet.
Beim Entwickeln werden die belichteten Bereiche gelöst und nur
die unbelichteten Bereiche, die weder direkt noch durch den Proximity-Effekt
belichtet werden, bleiben auf dem Substrat zurück.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens kann die Elektronenstrahlbelichtung mit einer optischen
Belichtung in Form von elektromagnetischer Strahlung kombiniert
werden.
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Bei einer derartigen Ausführungsform
wird beispielsweise auf das Substrat ein Positiv-Resist aufgebracht,
der sowohl mit elektromagnetischer Strahlung als auch mit einem
Elektronenstrahl belichtet werden kann. Zunächst erfolgt bei diesem Verfahren
eine optische Belichtung. Die für
die Belichtung mit dem Elektronenstrahl vorgesehenen Bereiche werden
während
der optischen Belichtung mithilfe einer lichtundurchlässigen Maske
abgedeckt. Nach der optischen Belichtung wird auf den noch nicht
entwickelten Positiv-Resist
die leitende Schicht aufgebracht. Die zuvor mit einer lichtundurchlässigen Maske
abgedeckten Bereiche werden dann mithilfe eines Elektronenstrahls
belichtet, wobei die Vorwärtsstreuung
der Strahlelektronen und die Emission der Sekundärelektronen aus der leitenden
Schicht die Belichtung der Resistschicht unter der leitenden Schicht und
neben dem direkt mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereich
bewirkt. Die leitende Schicht wird anschließend mit einem geeigneten Lösungsmittel
entfernt und der Positiv-Resist
entwickelt.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird
ein Negativ-Resist verwendet. Hierbei wird der Negativ-Resist in
Strahlrichtung vor der leitenden Schicht angeordnet. Zur Vermeidung
von Spiegelungseffekten bei der optischen Belichtung kann zwischen
der Resistschicht und der leitenden Schicht eine Lichtstrahlung
absorbierende Schicht vorgesehen sein.
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Bei weiteren Ausführungsformen können verschiedene
Resistschichten in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sein.
Beispielsweise ist es möglich,
eine mithilfe von elektromagnetischer Strahlung belichtbare erste
Resistschicht in Strahlrichtung vor einer zweiten mit einem Elektronenstrahl
belichtbaren Resistschicht anzuordnen. Die leitfähige Schicht kann dann zwischen
den beiden Resistschichten oder in Strahlrichtung hinter der mit
einem Elektronenstrahl belichtbaren zweiten Resistschicht angeordnet
sein.
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Die unterschiedlichen Ausführungsformen des
Verfahrens dienen dazu, ein Substrat herzustellen, das mit einer
reliefartig strukturierten Resistschicht versehen ist. Das nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Substrat, der so genannte „Resistmaster", wird nach dem Entwickeln
galvanisch abgeformt und nach bekannten Verfahren vervielfältigt, um
einen Prägestempel,
insbesondere einen Prägezylinder
herzustellen. Mithilfe der Prägestempel
lassen sich Sicherheitselemente herstellen, die zur Absicherung
von Wertdokumenten, wie beispielsweise Banknoten, Schecks, Ausweiskarten oder
dergleichen, verwendet werden. Auch im Bereich der Produktsicherung
werden geprägte
Beugungsstrukturelemente häufig
eingesetzt.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1A und B die Belichtung eines mit Negativ-Resist
beschichteten Substrats mit einem Elektronenstrahl und einen Querschnitt
durch das Substrat nach dem Entwickeln;
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2A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem
Negativ-Resist versehenes Substrat, das mittels eines Elektronenstrahls
mit unterschiedlicher Strahldosis belichtet wird;
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3A bis C das Substrat aus den 2A bis C nach
der Entwicklung;
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4A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem
Positiv-Resist versehenes Substrat, das mit einem Elektronenstrahl
mit unterschiedlicher Dosis belichtet wird;
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5A bis C das Substrat aus den 4A und C nach
dem Entwickeln;
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6A bis C aufeinander folgende Verfahrensschritte
eines Verfahrens mit einer Kombination einer optischen Belichtung
und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
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7A bis 7C aufeinander folgende Verfahrensschritte
eines weiteren Verfahrens mit einer Kombination einer optischen
Belichtung und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
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8A bis E aufeinander folgende Verfahrensschritte
eines Verfahrens, bei dem auf einem Substrat zwei jeweils für die optische
Belichtung und die Belichtung mit einem Elektronenstrahl vorgesehene
Resistschichten aufgebracht sind; und
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9 ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel
eines Resistsubstrats;
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10 Ausführungsform,
bei welcher die leitfähige
Schicht auf einem separaten Träger
aufgebracht ist.
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In 1A ist
ein Substrat 1 im Querschnitt dargestellt, auf das eine leitfähige Schicht 2 aus
einem leitfähigen
Material aufgebracht ist. Die leitfähige Schicht 2 kann
beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder
einem leitfähigen
Polymer hergestellt sein. Oberhalb der leitfähigen Schicht 2 befindet
sich eine Resistschicht 3 aus einem Negativ-Resist. Da
der Negativ-Resist 3 im Allgemeinen selbst nicht leitfähig ist,
dient die leitfähige Schicht 2 dazu,
die mit einem Elektronenstrahl 4 auftreffenden Elektronen
abzuleiten. Auf die leitfähige Schicht 2 kann
verzichtet werden, wenn das Substrat 1 selbst ausreichend
leitfähig
ist.
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Da die leitfähige Schicht 2 die
mit dem Elektronenstrahl 4 auftreffenden Primärelektronen
streut und da von der leitfähigen
Schicht 2 zusätzlich
Sekundärelektronen
emittiert werden, bildet sich um ein mit dem Elektronenstrahl 4 beaufschlagtes
Zielgebiet 5 ein Belichtungsgebiet 6, durch das
ein dem Zielgebiet 5 benachbarter Bereich des Negativ-Resist 3 belichtet
wird. Die Ausdehnung des Belichtungsgebiets 6 wird durch
die verwendeten Materialien, die Elektronenbeschleunigungsspannung
sowie durch die Strahldosis bestimmt, die wiederum von der Intensität und der
Schreibgeschwindigkeit des Elektronenstrahls 4 abhängt.
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Diese Streuung der Primärelektronen
und die Emission der Sekundärelektronen
werden als Proximity-Effekt bezeichnet. Der Proximity-Effekt ist umso
ausgeprägter
je höher
die Ordnungszahl des für
die leitfähige
Schicht 2 verwendeten Materials ist. Um eine große Rate
bei der Streuung der Primärelektronen
und der Emission des Sekundärelektronen
zu erhalten, werden für
die leitfähige
Schicht 2 bevorzugt Metalle mit hoher Ordnungszahl, z.
B. Wolfram oder Gold verwendet. Besonders geeignet ist eine Gold-Palladium-Legierung, welche
zu gleichmäßigeren
leitfähigen
Schichten 2 führt
als reines Gold. Daneben kommen auch Chrom oder Aluminium als Elemente
für die
leitfähige
Schicht 2 in Frage.
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Erfindungsgemäß entscheidend ist dabei, dass
die leitfähige
Schicht, der Resist und die Strahldaten so aufeinander abgestimmt
werden, dass aufgrund von Proximity-Effekten im gewünschten
Maß eine
Belichtung im Bereich neben dem auftreffenden Strahl erfolgt.
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Nach dem Entwickeln des Negativ-Resist 3 ergibt
sich ein Reliefprofil 7, das in 1B im Querschnitt dargestellt ist. Das
Reliefprofil 7 weist einen Flankenneigungswinkel 8 auf,
der deutlich kleiner als 90° ist.
Erfindungsge mäß lassen
sich grundsätzlich alle
Flankenwinkel kleiner 90° herstellen,
bevorzugt werden Winkel zwischen ca. 30° und 89°.
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Falls ausgedehnte Beugungsstrukturen
im Negativ-Resist 3 ausgebildet werden sollen, wird beispielsweise
wie folgt vorgegangen: Als Substrat 1 wird eine Quarzplatte
mit einer Dicke von etwa 2 mm verwendet. Auf diese wird eine etwa
80 nm dicke, als leitfähige
Schicht 2 dienende AuPd-Schicht aufgedampft. Auf die leitfähige Schicht 2 wird
der Negativ-Resist 3 aus einem E-Beam-Negativ-Resistmaterial
mit 250 nm Dicke aufgeschleudert („spin coating'") und ausgehärtet („bake"). Die Belichtung des Negativ-Resist 3 erfolgt
mithilfe des Elektronenstrahls 4, dessen Elektronen auf
5 keV beschleunigt worden sind. Der Elektronenstrahl 4 wird
entlang der für
das Beugungsgitter vorgesehenen Linien geführt und belichtet die Resistschicht 3 im
Bereich dieser Linien. Durch den Elektronenstrahl 4 wird
gewissermaßen
ein Beugungsgitter in die Resistschicht 3 eingeschrieben.
Das Beugungsgitter bedeckt im Allgemeinen die Fläche eines Gitterfelds, dessen
Umriss oder Kontur durch das Design des Gitterbildes vorgegeben
ist. Der Abstand zwischen den einzelnen Bahnen des Elektronenstrahls 4 beträgt typischerweise
1 Mikrometer.
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In den 2A bis 2C ist die Ausdehnung der Belichtungsgebiete 6 in
Abhängigkeit
von der Strahldosis dargestellt. 2A zeigt
die Ausdehnung des Belichtungsgebiets 6 bei geringer Strahldosis, 2B bei einer mittleren Strahldosis
und 2C bei einer hohen
Strahldosis. Die optimale Strahldosis wird durch Versuche in Abhängigkeit
von dem gewählten
Resistmaterial und Proximityschichtmaterial ermittelt.
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In den 3A bis 3C sind die Reliefstrukturen 7 dargestellt,
die sich nach dem Entwickeln des Negativ-Resist 3 aus den 2A bis 2C ergeben. Bei einer geringen Strahldosis
weist die Reliefstruktur 7 nach dem Entwickeln nur einzelne
isolierte Erhebungen 9 auf. Die in 2B dargestellte mittlere Strahldosis
führt zu
der in 3B dargestellten
Reliefstruktur 7 mit nahezu sinusförmigem Querschnittsprofil. Eine
zu hohe Strahldosis dagegen führt
zu der in 3C gezeigte
Reliefstruktur 7, bei der die entwickelte negative Resistschicht 3 lediglich
isolierte Vertiefungen 10 aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist die Reliefstruktur 7 gemäß 3B, da die von dieser Reliefstruktur
abgeformten Prägewerkzeuge
beim Prägen
das beste Ablöseverhalten
zeigen und da das Prägegut
als Beugungsgitter eine hohe Brillanz in einem großen Betrachtungswinkelbereich
aufweist.
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Das Verfahren kann auch mit einem
Positiv-Resist durchgeführt
werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel
ist in den 4A bis 4C dargestellt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
wird als Substrat 1 eine etwa 2 mm dicke Quarzglasplatte
verwendet. Auf das Substrat 1 wird ein Positiv-Resist 11 aus E-Beam-Positiv-Resistmaterial
mit 250 nm Dicke aufgebracht und ausgehärtet. Auf das Positiv-Resist 11 wird
eine etwa 40 nm dicke leitfähige
Schicht 12 aufgedampft. Die Belichtung erfolgt mithilfe
des Elektronenstrahls 4, dessen Elektronen auf eine Energie
von 5 keV beschleunigt worden sind. Der Schreibvorgang erfolgt wie
bei dem in den 2A bis 2C sowie den 3A bis 3C dargestellten
Ausführungsbeispiel. Die
Gitterlinien werden typischerweise im Abstand von etwa 1 μm geschrieben.
Durch die Vorwärtsstreuung
der mit dem Elektronenstrahl 4 auftreffenden Primärelektronen
und durch die Emission der Sekundärelektronen in der Ableitungsschicht 12 kommt
das Belichtungsgebiet 6 auch im Bereich der positiven Resistschicht 11 zu
liegen. Die durch Stromstärke
und Schreibgeschwindig keit des Elektronenstrahls 4 bestimmte
Strahldosis wird wiederum in Versuchen optimiert.
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Die leitfähige Schicht 12 muss
gegebenenfalls nach dem Belichten wieder entfernt werden. Hierzu
sind dem Fachmann geeignete Lösungsmittel bekannt.
Für Gold
eignet sich beispielsweise die Goldätzlösung vom Typ TFA von Transene
Co., Rowel Ma. Eine für
Chrom geeignete Ätzlösung ist
eine Ätzlösung vom
Typ TR-14 von Cyantek Corp., 3055 Osgood Ct., Fermont CA 94548.
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In den 5A bis 5C ist das Querschnittsprofil
der positiven Resistschicht 11 nach dem Entwickeln dargestellt.
Das in 5A gezeigte Querschnittsprofil
der positiven Resistschicht ist das Ergebnis der geringen Strahlendosis
des Elektronenstrahls 4 aus 4A.
In gleicher Weise ergeben sich die in 5B und 5C dargestellten Querschnittsprofile
der positiven Resistschicht 11 aufgrund der Strahlendosis
des in den 4B und 4C dargestellten Elektronenstrahls 4.
Bei geringer Strahldosis erstreckt sich das Belichtungsgebiet nur
wenig über
die Oberfläche
der positiven Resistschicht 11 hinaus in die positive Resistschicht 11 hinein.
Dementsprechend bilden sich nach dem Entwickeln lediglich einzelne
isolierte Vertiefungen 13 in der Oberfläche der positiven Resistschicht 11 aus.
Bei einer mittleren Strahldosis dagegen zeigt die positive Resistschicht 11 nach
dem Entwickeln ein nahezu sinusförmiges Profil,
das besonders erstrebenswert ist, da sich der Prägelack von den mittels des
Positiv-Resist 11 erzeugten Prägestrukturen leicht löst und die
fertigen variablen optischen Elemente über einen großen Sichtwinkelbereich
eine hohe optische Brillianz aufweisen. Falls die Strahldosis zu
hoch gewählt
wird, ergeben sich die in 5C dargestellten
isolierten Erhebungen 14.
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Es sei angemerkt, dass nach der Belichtung mit
dem Elektronenstrahl 4 und vor der Entwicklung des Positiv-Resist 11 die
Ableitungsschicht 12 mithilfe einer geeigneten Ätzlösung aufgelöst werden muss.
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Das Auflösen der Ableitungsschicht 12 kann umgangen
werden, wenn die Ableitungsschicht 12 auf einer separaten
Folie 40 angeordnet wird, wie in 10 dargestellt. Die Folie 40 bzw.
die Ableitungsschicht 12 wird während der Belichtung in engen Kontakt
mit der Resistschicht gebracht und kann anschließend durch Wegnehmen leicht
entfernt werden.
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Die hier beschriebene Belichtung
einer Resistschicht mithilfe des Proximity-Effekts lässt sich auch in Verfahren
einsetzen, bei denen eine optische Belichtung mit einer Belichtung
durch einen Elektronenstrahl kombiniert wird. Die 6A bis 6C zeigen aufeinander
folgende Verfahrensschritte eines derartigen Verfahrens.
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Bei dem in den 6A bis 6C dargestellten Verfahren
wird zunächst
ein etwa 250 nm dicker Positiv-Resist 15 aufgebracht, der
sowohl mit Blaulicht als auch mit einem Elektronenstrahl belichtet
werden kann. Ein derartiger Positiv-Resist ist beispielsweise das
Resistmaterial vom Typ AZ 5206 der Firma Hoechst.
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Gemäß 6A erfolgt dann eine holographische Belichtung,
indem räumlich
ausgedehnte, einheitlich kohärente
Wellenfelder 16 in dem Positiv-Resist 15 überlagert
werden. Während
der holographischen Belichtung sind die Bereiche des Positiv-Resist 15,
die später
mit dem Elektronenstrahl 4 belichtet werden sollen, mithilfe
einer lichtundurchlässigen Maske 17 abgedeckt,
die sich auf der Unterseite eines transparenten Films 18 befindet.
Die Technik der holographischen Belichtung als solche ist dem Fachmann
bekannt.
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Die holographische Belichtung erzeugt
in dem Positiv-Resist 15 latente Gitterstrukturen mit Sinusprofil,
die in den 6A und 6B jeweils durch eine gestrichelte
Linie dargestellt sind. Nach der holographischen Belichtung wird
der noch nicht entwickelte Positiv-Resist 15 mit einer
vorzugsweise 20 bis 100 nm dicken Ableitungsschicht 19 aus
Gold bedampft. Die während
der holographischen Belichtung mit der Maske 17 bedeckten
Bereiche des Positiv-Resist 15 werden nachfolgend gemäß 6B mithilfe des Elektronenstrahls 4 belichtet.
Die Belichtung mithilfe des Elektronenstrahls 4 kann dabei
derart erfolgen, dass von einer Kontur oder einem Umriss begrenzte
Gitterfelder eines Gitterbilds mit unterschiedlichen Beugungsgittern
gefüllt
werden. Aufgrund der Streuung der Primärelektronen und der Emission
der Sekundärelektronen
in der leitfähigen Schicht 19 erstrecken
sich die Belichtungsgebiete 6 so weit in die positive Resistschicht 19,
dass nach dem Entwickeln auch die mithilfe des Elektronenstrahls 4 geschriebenen
Gitterlinien das in 6C dargestellte
Sinusprofil erhalten. Vor der Entwicklung der positiven Resistschicht 15 muss
allerdings die Ableitungsschicht 19 mithilfe einer Ätzlösung entfernt werden.
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Für
ein Verfahren, das eine optische Belichtung mit einer Elektronenstrahlbelichtung
kombiniert, kann auch ein Negativ-Resist gewählt werden. In den 7A bis 7C sind Verfahrensschritte eines derartigen
Verfahrens dargestellt.
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Bei diesem Verfahren ist auf das
Substrat 1 eine Ableitungsschicht 20 aufgebracht,
die mit einer Antireflexionsschicht 21 abgedeckt ist. Auf
die Antireflexionsschicht 21 ist ein Negativ-Resist 22 aufgebracht,
das sowohl mit Blaulicht als auch mit einem Elektronenstrahl belichtet
werden kann. Während
der holographischen Belichtung mittels räumlich ausgedehnter, einheitlich
kohärenter
Wellenfelder 16 ist der für die Belichtung mit dem Elek tronenstrahl 4 vorgesehene
Bereich der negativen Resistschicht 22 mithilfe der Maske 17 abgedeckt.
Dieser Verfahrensschritt ist in 7A dargestellt.
Während
der holographischen Belichtung dient die Antireflexionsschicht 21 dazu,
Spiegelungen an der metallischen Ableitungsschicht 20 zu
verhindern, durch die die Überlagerung
der Wellenfelder 16 im Bereich des Negativ-Resist 22 gestört werden
könnte.
Das Ergebnis der holographischen Belichtung ist das in 7A und 7B mit einer gestrichelten Linie eingezeichnete
latente Beugungsgitter.
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Noch vor dem Entwickeln des Negativ-Resist 22 wird
das Substrat gemäß 7B mit dem Elektronenstrahl 4 belichtet,
wobei die rückgestreuten
Primärelektronen
und die Emission der Sekundärelektronen
dafür sorgen,
dass sich das Belichtungsgebiet 6 in den Negativ-Resist 22 hinein
erstreckt. Bei geeigneter Wahl der Belichtungsparameter des Elektronenstrahls 4 ergeben
sich die in 7C im Querschnitt
dargestellten Gitterlinien mit einem sinusförmigen Gitterprofil.
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Die in den 6 und 7 dargestellten
kombinierten Verfahren werden insbesondere dann eingesetzt, wenn
ein Bild mit einem vor einem Hintergrund angeordneten Motiv hergestellt
werden soll. Der Hintergrund lässt
sich mit der holographischen Belichtung erzeugen, während die
Gitterfelder des Motivs mithilfe des Elektronenstrahls 4 hergestellt
werden.
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Das erfindungsgemäße Elektronenstrahl-Aufzeichnungsverfahren
kann selbstverständlich
auch mit beliebigen anderen Belichtungs- und Aufzeichnungsverfahren
kombiniert werden. Dies gilt für
alle beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Das in den 6A bis 6C dargestellte
Ausführungsbeispiel
eines kombinierten Verfahrens bietet den Vorteil, dass der Positiv-Resist
im Allgemeinen eine größere Empfindlichkeit
aufweist als ein Negativ-Resist. Dafür muss bei dem in den 6A bis 6C dargestellten Ausführungsbeispiel die leitfähige Schicht
vor dem Entwickeln entfernt werden. Dieser Verfahrensschritt entfällt bei
dem in den 7A bis 7C dargestellten Ausführungsbeispiel
eines kombinierten Verfahrens mit einem Negativ-Resist.
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Es sei angemerkt, dass der Negativ-Resist 22 oder
der Positiv-Resist 15 nicht aus einem einheitlichen Resistmaterial
bestehen müssen.
Denkbar ist auch, für
den Positiv-Resist 15 und den Negativ-Resist 22 bereichsweise
unterschiedliche Resistmaterialien vorzusehen, die auch unterschiedliche
Dicke aufweisen können.
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Daneben ist es auch möglich, unterschiedlich
beschaffene Resistschichten übereinander
anzuordnen. Die 8A bis 8E zeigen ein Ausführungsbeispiel
für ein
Verfahren, bei dem auf das Substrat 1 zunächst eine
leitfähige
Schicht 23 aufgebracht wird. Oberhalb der leitfähigen Schicht 23 befindet
sich ein Negativ-Resist 24, die für optische Strahlung weit gehend
unempfindlich ist. Außerdem
ist der Negativ-Resist 24 dunkel eingefärbt, so dass optische Strahlung
in den Negativ-Resist 24 absorbiert wird. Der Negativ-Resist 24 ist
jedoch für
die Belichtung mit dem Elektronenstrahl 4 geeignet. Der
Negativ-Resist 24 weist eine für die Elektronenstrahlbelichtung
gewünschte
Schichtdicke von beispielsweise 200 nm auf. Oberhalb des Negativ-Resist 24 wird ein
400 nm dicker Positiv-Resist 25 aufgetragen, der eine hohe
Empfindlichkeit für
optische Strahlung aufweist. Das in 8A dargestellte
Substrat ist damit bereit zur Belichtung.
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Die Reihenfolge der nun folgenden
Belichtungsschritte ist beliebig. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird mit der optischen Belichtung begonnen. Ein für die optische
Belichtung vorgesehener Bereich wird mit holographisch mit elektro-magnetischer Strahlung 16,
z.B. eines Lasers beaufschlagt. Der so belichtete Bereich 26 enthält das latente
Beugungsgitter, das in 8B durch
eine gestrichelte Sinuskurve angedeutet wird. Der im Bereich 26 liegende Negativ-Resist 24 wird
wegen seiner optischen Unempfindlichkeit nicht geschädigt und
dient als Absorptionsschicht; um unerwünschte Lichtspiegelungen zu
vermeiden. Der auf diese Weise optisch belichtete Bereich 26 wird
nun durch eine Maske 27 abgedeckt und ein für die Elektronenstrahlbelichtung vorgesehener
Bereich 28 zunächst
vollflächig
mit blauem Licht 29 vorbelichtet, um den Positiv--Resist 25 in
dem Bereich 28 lösbar
zu machen. Die Einwirkung des blauen Lichts 29 hat wegen
der Lichtunempfindlichkeit des Negativ-Resist 24 keine
Auswirkung auf das im Bereich 28 liegende Negativ-Resist 24.
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Nach der Belichtung mit dem blauen
Licht 29 erfolgt gemäß 8D die Belichtung mit dem
Elektronenstrahl 4. Durch die rückgestreuten Primärelektronen
und die Emission der Sekundärelektronen wird
der Negativ-Resist 24 mit
dem gewünschten Beugungsgitter
belichtet. Die Schäden,
die der Elektronenstrahl 4 in dem Positiv- Resist 25 anrichtet, sind
belanglos, da der Positiv-Resist 25 im Bereich 28 letztlich
entfernt wird. Die Belichtung ist hiermit abgeschlossen.
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Bei der Entwicklung entstehen nun
aus den latenten Bildern Berg- und Talprofile, die in 8E im Querschnitt dargestellt
sind. Im Bereich 26 liegt nun ein holographisches Bild
vor und im Bereich 28 bildet der Negativ-Resist 24 ein
Beugungsgitter mit einem sinusförmigen
Querschnittsprofil.
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9 zeigt
einen abgewandelten Schichtaufbau, der jedoch genauso behandelt
wird, wie der Schichtaufbau aus 8A.
Bei dem abgewandelten Schichtaufbau ist auf dem Substrat 1 ein Positiv-Resist 30 aufgebracht,
der mit einer leitfähigen
Schicht 31 bedeckt ist. Darüber befindet sich ein Positiv- oder Negativ-Resist 32,
der auf optisches Licht empfindlich ist. Zwischen der Resistschicht 32 und
der leitfähigen
Schicht 31 ist eine Antireflexionsschicht 33 angeordnet.
Auch mit diesem Aufbau lässt sich
eine Reliefstruktur wie in 8E dargestellt
herstellen, indem die Resistschicht 32 mithilfe von elektromagnetischer
Strahlung und die Resistschicht 30 mithilfe des Elektronenstrahls 4 belichtet
wird.
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Die durch Belichten und Entwickeln
erzeugten Reliefstrukturen 7 lassen sich als Resistmaster
in der üblichen
Weise wie bei der optischen Holographie bearbeiten. Im Folgenden
wird daher eine dünne Silberschicht
durch Aufdampfen oder chemischen Niederschlag aufgetragen und im
Keramikbad eine Nickelabformung gemacht. Die Nickelabformung kann
vervielfältigt
und als Prägestempel
zum Prägen einer
Prägeschicht
verwendet werden. Die Prägeschicht
wird schließlich
auf das endgültige
Substrat, zum Beispiel eine Banknote, Kreditkarte oder ein Verpackungsmaterial,
mit oder ohne eine metallisch glänzende
Reflexionshintergrundschicht transferiert.
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Abschließend sei angemerkt, dass die
Zeichnungen nicht maßstäblich gehalten
sind. Vielmehr sind die Zeichnungen nur dazu geeignet, das Prinzip der
hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
zu veranschaulichen.