DE10308317A1 - Verfahren zur Herstellung eines Resistsubstrats - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1) mit einer Resistschicht (3) in Form einer Reliefstruktur wird der Proximity-Effekt dazu verwendet, um mithilfe von an einer Ableitungsschicht (2) gestreuten Primärelektronen und aus der Ableitungsschicht (2) emittierten Sekundärelektronen die Resistschicht (3) auch außerhalb des mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs (5) zu belichten, um den Flanken der Reliefstruktur eine geneigte Form zu geben.

Description

  • 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.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Resistmaster und ein Resistsubstrat.
  • 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.
  • 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.
  • Im Rahmen der Elektronenstrahl-Lithographie wird eine für einen Elektronenstrahlempfindliche, so genannte E-Beam-Resistschicht mit einem Elektronenstrahl beschrieben.
  • 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.
  • Chemisch gesehen handelt es sich beim Resist um filmbildendes Material, dessen Löslichkeitsverhalten sich unter Licht- oder Teilchenstrahlung ändert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Elektronenstrahlbelichtung mit einer optischen Belichtung in Form von elektromagnetischer Strahlung kombiniert werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1A und B die Belichtung eines mit Negativ-Resist beschichteten Substrats mit einem Elektronenstrahl und einen Querschnitt durch das Substrat nach dem Entwickeln;
  • 2A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem Negativ-Resist versehenes Substrat, das mittels eines Elektronenstrahls mit unterschiedlicher Strahldosis belichtet wird;
  • 3A bis C das Substrat aus den 2A bis C nach der Entwicklung;
  • 4A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem Positiv-Resist versehenes Substrat, das mit einem Elektronenstrahl mit unterschiedlicher Dosis belichtet wird;
  • 5A bis C das Substrat aus den 4A und C nach dem Entwickeln;
  • 6A bis C aufeinander folgende Verfahrensschritte eines Verfahrens mit einer Kombination einer optischen Belichtung und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
  • 7A bis 7C aufeinander folgende Verfahrensschritte eines weiteren Verfahrens mit einer Kombination einer optischen Belichtung und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
  • 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
  • 9 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Resistsubstrats;
  • 10 Ausführungsform, bei welcher die leitfähige Schicht auf einem separaten Träger aufgebracht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das erfindungsgemäße Elektronenstrahl-Aufzeichnungsverfahren kann selbstverständlich auch mit beliebigen anderen Belichtungs- und Aufzeichnungsverfahren kombiniert werden. Dies gilt für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (30)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1) mit einer Resistschicht (3, 11, 15, 2225, 3032) in Form einer Reliefstruktur (7) die eine Beugungsstruktur darstellt, wobei an die Resistschicht zumindest bereichsweise eine leitfähige Schicht (2, 12, 19, 20, 23, 31) angrenzt, die beim Belichten der Resistschicht (3, 11, 15, 2225, 3032) mittels eines Elektronenstrahls (4) die Primärelektronen streut und/ oder Sekundärelektronen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Resistschicht (3, 11, 15, 2225, 3032) und der leitfähigen Schicht (2, 12, 19, 20, 23, 31) sowie die Belichtungsparameter derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Resistschicht (3, 11, 15, 2225, 3032) auch außerhalb des mit dem Elektronenstrahl (4) beaufschlagten Bereichs (5) so belichtet wird, dass die Flanken der Reliefstruktur (7) eine geneigte Form erhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reliefstruktur (7) mit einem Flankenneigungswinkel (8) kleiner 89° hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (2, 12, 19, 20, 23, 31) aus einem Material hergestellt wird, welches mindestens ein metallisches Element mit einer Ordnungszahl größer 50 enthält.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (2, 12, 19, 20, 23, 31) wenigstens eines der Elemente Wolfram, Gold, Palladium, Chrom, Aluminium oder Legierungen dieser Elemente enthält.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (2, 20, 23) zwischen der Resistschicht (3, 22, 24) und dem Substrat (1) angeordnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der leitfähigen Schicht (20) und der Resistschicht (22) eine optische Antireflexionsschicht (21) angeordnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resistschicht (3, 22, 24) aus einem Negativ-Resist gefertigt wird.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Resistschicht (24) eine weitere auf elektromagnetische Strahlung empfindliche Resistschicht (25) aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (12, 19, 31) in Strahlrichtung vor der Resistschicht (11, 15, 30) angeordnet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resistschicht (11, 15, 30) aus einem Positiv-Resist gefertigt ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Resistschicht (11, 15, 30) eine weitere Resistschicht angeordnet wird.
  12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat die leitfähige Schicht ist.
  13. Verfahren nch wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht auf einer separaten Folie angeordnet wird.
  14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Resistschicht (15, 22) ein Resistmaterial verwendet wird, das auf die Belichtung mit elektromagnetischer Strahlung und die Belichtung mit dem Elektronenstrahl empfindlich ist, und dass ein Teil der Resistschicht (15, 22) unter Verwendung einer Maske (17) mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der weiteren Resistschicht (25, 32) mit elektromagnetischer Strahlung und die in Strahlrichtung hinter der weiteren Resistschicht (25, 32) gelegene Resistschicht (24, 30) mit dem Elektronenstrahl (4) belichtet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit elektromagnetischer Strahlung belichteten Teil der Resistschicht (15, 22) oder der weiteren Resistschicht (25, 32) ein echtes Hologramm erzeugt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Belichtung mit elektromagnetischer Strahlung der Resistschicht (15, 22) oder der weiteren Resistschicht (25, 32) ein Beugungsgitter erzeugt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Belichtung mit dem Elektronenstrahl ein Beugungsgitter in der Resistschicht (3, 11, 15, 22, 24, 30) hergestellt wird.
  19. Resistmaster, hergestellt nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18.
  20. Verwendung des Resistmasters gemäß Anspruch 19 für die Herstellung von Prägewerkzeugen, insbesondere Prägezylindern.
  21. Verwendung des Resistmasters gemäß Anspruch 19 für die Herstellung von Sicherheitselementen.
  22. Resistsubstrat das mit einer E-Beam-Resistschicht (3, 11, 15, 22, 24, 30) und einer leitfähigen Schicht versehen ist, die beim Belichten der Resistschicht (3, 11, 15, 22, 24, 30) mittels eines Elektronenstrahls (4) die Elektronen streut und/oder Sekundärelektronen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht wenigstens ein Metall mit einer Ordnungszahl größer oder gleich 50 aufweist.
  23. Resistsubstrat nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (2, 12, 19, 20, 23, 31) wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Wolfram, Gold, Palladium, Chrom, Aluminium oder Legierungen dieser Elemente enthält.
  24. Resistsubstrat nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (2, 20, 23) zwischen der Resistschicht (3, 22, 24) und dem Substrat (1) angeordnet ist.
  25. Resistsubstrat nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der leitfähigen Schicht (20) und der Resistschicht (22) eine optische Antireflexionsschicht (21) angeordnet ist.
  26. Resistsubstrat nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Resistschicht (3, 22, 24) aus einem Negativ-Resist gefertigt ist.
  27. Resistsubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Resistschicht (24) eine weitere, auf elektromagnetische Strahlung empfindliche Resistschicht (25) aufgebracht ist.
  28. Resistsubstrat nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (12, 19, 31) in Strahlrichtung vor der Resistschicht (11, 15, 30) angeordnet ist.
  29. Resistsubstrat nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Resistschicht (11, 15, 30) aus einem Positiv-Resist gefertigt ist.
  30. Resistsubstrat nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Resistschicht (11, 15, 30) eine weitere Resistschicht angeordnet ist.
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