DE10343323A1

DE10343323A1 - Stempellithografieverfahren sowie Vorrichtung und Stempel für die Stempellithografie

Info

Publication number: DE10343323A1
Application number: DE10343323A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schuster; Jörg Mallmann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-04-07
Also published as: WO2005026837A3; WO2005026837A2

Abstract

Bei einem Stempellithografieverfahren zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels hat der Stempel einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf dem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz. Bei dem Verfahren wird ein erster Stempel in einer Arbeitsposition an einer Stempellithografievorrichtung bereitgestellt und es wird mit Hilfe des ersten Stempels mindestens ein Stempelabdruck in der Prägesubstanz erzeugt. Dann erfolgt ein automatisches Auswechseln des ersten Stempels mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung aus der Arbeitsposition zur Behandlung des ersten Stempels außerhalb der Arbeitsposition und ein automatisches Einwechseln des ersten Stempels oder eines zweiten Stempels mit Hilfe der Stempelwechseleinrichtung in die Arbeitsposition. Die Behandlung kann eine Inspektion und/oder eine Reinigung von Stempeln umfassen, um einen störungsarmen Produktionsprozess mit hohem Durchsatz sicherzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stempellithografieverfahren zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels, sowie eine Stempellithografievorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Stempel für die Stempellithografie und ein Verfahren zu seiner Herstellung, sowie ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder unter Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Stempels hergestelltes, feinstrukturiertes Bauteil.

Der Begriff Stempellithografie (imprint lithography) umfasst eine Gruppe von sich entwickelnden Techniken zur kostengünstigen Herstellung feinstrukturierter Bauteile und Komponenten. Zur Stempellithografie gehören verschiedene Verfahrensvarianten mit spezifischen Vorteilen und Anwendungsbereichen. Bei der Stempellithografie wird ein strukturierter Stempel (stamp, template) dazu verwendet, in eine auf einem Substrat angebrachte Schicht einer zu strukturierenden Substanz, beispielsweise in eine Polymerschicht auf einem Halbleiterwafer, ein Relief mit einer dreidimensionalen Struktur zu erzeugen. Hierzu hat der Stempel einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche, die die gewünschte dreidimensionale Struktur als „Stempelabdruck" bzw. Negativbild der Stempeloberfläche erzeugt.

Die Topographie der Stempeloberfläche wird üblicherweise mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie oder herkömmlicher optischer Lithografieverfahren hergestellt. Nach dem Strukturierungsschritt wird die strukturierte Prägesubstanz in nachfolgenden Verfahrensschritten zur Erzeugung eines entsprechenden Musters im Substratwerkstoff benutzt. Da der Strukturierungsvorgang mit Hilfe eines Stempels viel schneller durchgeführt werden kann als eine Direktstrukturierung des Substratmaterials mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie oder dergleichen, kann durch die Stempellithografie bei vergleichbaren Strukturgrößen ein wesentlich höherer Durchsatz erzielt werden, wodurch Produktionskosten für feinstrukturierte Bauteile vermindert werden können.

Die Stempellithographie erreicht ähnliche Durchsatzmengen wie die optische Lithographie. Allerdings sind die Kosten für das Retikel sehr viel größer als die Kosten für einen Stempel. Allenfalls für Retikel mit einfachen binären Strukturen werden vergleichbare Herstellungskosten erzielt. Eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage kostet erheblich mehr als eine vergleichbare Nanoimprint-Einrichtung. Insbesondere stellt die Degradation der Optiken über die Lebensdauer ein ungelöstes Problem dar.

Zur Zeit werden im wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahren verwendet, nämlich die Heißprägelithografie (Hot Embossing Lithography (HEL), die auch als Nanomprint Lithography (NIL) bezeichnet wird), und die lithographische Stempelbelichtung bzw. Belichtungsstempellithografie (Step and Flash Imprint Lithography (SFIL)).

Bei der Heißprägelithografie werden hohe Temperaturen und hohe Drücke angewendet, um die Strukturen in einem Prägeverfahren zu erzeugen. Dabei wird ein Stempel mit strukturierter Stempeloberfläche in eine dünne thermoplastische Schicht gedrückt, die über ihre Glasübergangstemperatur erhitzt wird. Es findet eine Umordnung der Moleküle insbesondere an der Grenzfläche zum Stempel statt, ein großflächiges Abfließen des Resistes ist dabei nicht möglich. Nach dem Entformen und einem Ionenätzschritt ist das Substrat mit der thermoplastischen Schicht bedeckt, die Durchbrüche entsprechend dem Muster des Stempels hat. Verfahren zum Prägen relativ fester Polymerschichten sind in den Patenten US 4,731,155 oder US 5,772,905 gezeigt.

Bei der lithografischen Stempelbelichtung wird als zu strukturierende Substanz ein niedrigviskoser flüssiger Polymer verwendet, der mit Hilfe von Ultraviolettlicht ausgehärtet wird. Der Stempelkörper ist aus einem für UV-Licht transparenten Material, beispielsweise Quarzglas, hergestellt. In einem ersten Schritt wird die strukturierte Stempeloberfläche mit einer haftungsmindernden Trennschicht versehen und mit geringem Abstand zu dem mit einer Transferschicht beschichteten Substrat ausgerichtet. Dann wird der niedrigviskose Photopolymer in den schmalen Spalt zwischen Stempel und Substrat eingebracht. In einem dritten Schritt wird der Spalt geschlossen und der Polymer wird mittels des durch den Stempel eingestrahlten UV-Lichtes ausgehärtet. Nach Trennung des Stempels vom Substrat kann die Transferschicht durch die Ausnehmungen des Polymers weggeätzt werden, wodurch die Ausnehmungen für weitere Behandlungen des Substrates geöffnet werden.

Da auch bei dieser Verfahrensvariante der zu strukturierenden Substanz die dreidimensionale Struktur der Stempeloberfläche, bzw. eine dazu komplementäre Struktur „aufgeprägt" wird, wird im folgenden auch dieses Verfahren als „Prägeverfahren" und die zu strukturierende Substanz als „Prägesubstanz" bezeichnet, auch wenn z.B. kein Prägedruck aufgebracht wird.

Die lithografische Stempelbelichtung wird unter anderem in folgenden Veröffentlichungen im Detail dargestellt: Artikel „Step and Flash Imprint Lithography: A Progress Report" von C. Grant Willson, S.V. Sreenivasan, J.G. Ekerdt, T.C. Bailey, S. Johnson, E.K. Kim, D.J. Resnick, W.J. Daukscher, D. Mansini, K.J. Nordquist; „High Resolution Templates for Step and Flash Imprint Lithography" von D.J. Resnick, W.J. Daukscher, D. Manicini, K.J. Nordquist, E. Ainley, K. Gehoski, J.H. Baker, T.C. Bailey, B.J. Choi, S. Johnson, S.V. Sreenivasan, J.G. Ekerdt and C.G. Willson; „Step & stamp imprint lithography using a commercial flip chip bonder" von Tomi Haatainen, Jouni Ahopelto, Gabi Gruetzner, Marion Fink, Karl Pfeiffer.

Die lithografische Stempelbelichtung erfordert aufgrund der Verwendung einer flüssigen Prägesubstanz besonderen Aufwand bei der Kontrolle von Form und Breite des zu füllenden Spaltes und bei der gegenseitigen Ausrichtung zwischen Stempel und Substrat vor und während der Belichtung. In den internationalen Patentanmeldungen WO 02/08835 A2, WO 02/10721 A2 und WO 02/067055 A2 sind zahlreiche Vorschläge zur Lösung dieser Probleme angegeben.

Intensive Forschung im Bereich der Stempellithografieverfahren hat inzwischen zu zahlreichen erfolgversprechenden Versuchen geführt, im Labormaßstab Strukturen mit typischen Strukturgrößen von 50 nm und darunter zu erzeugen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die eingangs erwähnten Verfahren der Stempellithografie Verfahren und Einrichtungen bereitzustellen, die dazu beitragen, diese Verfahren für eine industrielle Massenproduktion nutzbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Stempellithografieverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Stempellithografievorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 45 sowie durch einen Stempel mit dem Merkmalen von Anspruch 96 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Gemäß einer Formulierung der Erfindung betrifft diese ein Stempellithografieverfahren zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels. Der Stempel hat einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf dem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
Bereitstellen eines ersten Stempels in einer Arbeitsposition an einer Stempellithografievorrichtung;
Erzeugen mindestens eines Stempelabdrucks in der Prägesubstanz mit Hilfe des ersten Stempels;
Automatisches Auswechseln des ersten Stempels mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung aus der Arbeitsposition zur Behandlung des ersten Stempels außerhalb der Arbeitsposition;
Automatisches Einwechseln des ersten Stempels oder eines zweiten Stempels mit Hilfe der Stempelwechseleinrichtung in die Arbeitsposition.

Die Erfindung ermöglicht somit eine Automatisierung der Beschickung und Entladung einer Stempellithografievorrichtung mit Stempeln. Dadurch ist eine wesentliche Voraussetzung geschaffen, mit Hilfe der Stempellithografie eine hohe Anzahl von Prägevorgängen pro Zeiteinheit durchzuführen, so dass eine kostengünstige, kontinuierliche Massenproduktion feinstrukturierter Komponenten möglich ist.

Bei einer Ausführungsform wird ein erster Stempel in der Arbeitsposition und mindestens ein zweiter Stempel außerhalb der Arbeitsposition angeordnet und es findet ein automatischer Austausch des ersten Stempels gegen den zweiten Stempel durch Auswechseln des ersten Stempels und Einwechseln des zweiten Stempels mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung statt. Gegebenenfalls kann ein Platztausch zwischen erstem Stempel und zweitem Stempel vorgenommen werden, so dass vor dem Austausch der zweite Stempel und nach dem Austausch der erste Stempel in einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Aussenposition angeordnet ist. Der erste und der zweite Stempel können weitgehend identisch aufgebaut sein, insbesondere mit weitgehend gleicher Topographie der Stempeloberfläche. Dadurch können sich die Stempel gegenseitig ersetzen. Es kann auch zwischen unterschiedlich strukturierten ersten und zweiten Stempeln gewechselt werden.

Vorzugsweise werden das Auswechseln des ersten Stempels und das Einwechseln des zweiten Stempels zeitlich koordiniert, d.h. synchronisiert durchgeführt. Die beiden Teilvorgänge des Stempelwechsels können gesteuert zeitversetzt durchgeführt werden, um beispielsweise Pausen zu erzeugen, in denen in der Stempellithografievorrichtung kein Stempel angebracht ist. Diese Pausen können für Wartungs- oder Reinigungsarbeiten genutzt werden. Ein besonders hoher Durchsatz an Prägeprodukten kann dadurch erreicht werden, dass die Arbeitsbewegungen beim Auswechseln des ersten Stempels und Einwechseln des zweiten Stempels mindestens zeitweise gleichzeitig verlaufen, so dass sich ein Auswechselzeitintervall und ein Einwechselzeitinterwall teilweise oder vollständig überlappen. Hierdurch kann eine Minimierung der für einen Stempelwechsel erforderlichen Zeit erreicht werden.

Bei einer Ausführungsform ist eine Behandlung des ersten Stempels in einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Behandlungsposition nach Auswechseln des ersten Stempels aus der Arbeitsposition sowie ein Einwechseln des ersten Stempels in die Arbeitsposition nach der Behandlung vorgesehen. Dabei kann ein automatischer Transfer des ersten Stempels zwischen der Arbeitsposition und der Behandlungsposition und zurück mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung durchgeführt werden, der ggf. weitere Förder- oder Transporteinrichtungen für Stempel zugeordnet sein können. Die Zeit, in der sich der erste Stempel außerhalb der Arbeitsposition befindet und damit nicht für einen Prägevorgang genutzt werden kann, kann dazu genutzt werden, mit Hilfe eines oder mehrerer zweiter Stempel eine Prägung durchzuführen. Es ist auch möglich, nur den ersten Stempel zu verwenden, der zwischen verschiedenen Prägevorgängen außerhalb der Arbeitsposition behandelt werden kann.

Die Behandlung eines Stempels kann direkt in der Aussenposition durchgeführt werden. Es ist auch möglich, dass die Aussenposition eine Übergabeposition ist, von der ein Stempel einer weiteren Behandlung zugeführt wird oder in die ein Stempel nach einer außerhalb des Übergabeortes durchgeführten Behandlung zugeführt wird.

Bei einer Ausführungsform umfasst die Behandlung eine Inspektion bzw. Untersuchung des ersten Stempels. Hierbei kann der erste Stempel beispielsweise auf Verunreinigungen und/oder Schäden im Bereich der Stempeloberfläche und/oder auf Transmissionseigenschaften oder dergleichen überprüft werden, um die Erzeugung von Ausschuss zu vermeiden. Durch die schnelle, automatische Überführung zwischen Arbeitsposition und Behandlungsposition kann eine Inspektion nach einer relativ kleinen Anzahl von beispielsweise 1 bis 10, 11 bis 50 oder 51 – 100 Prägevorgängen durchgeführt werden, um einen stabilen Massenfertigungsprozess mit minimaler Ausfallquote sicherzustellen.

Bei manchen Ausführungsformen ist eine visuelle optische Inspektion vorgesehen, bei der Bedienpersonal direkt mit dem Auge oder mit Hilfe geeigneter Hilfsmittel, wie Lupe, Mikroskop oder dergleichen, die Stempeloberfläche oder den Stempel als Ganzes qualifiziert.

Bei manchen Ausführungsformen wird mit Hilfe einer geeigneten Kamera oder dergleichen ein vorzugsweise digitales Bild der Stempeloberfläche erzeugt und dieses Bild wird dann ausgewertet. Die Auswertung kann wiederum von einem Bediener visuell, z.B. an einem Bildschirm, oder mit Hilfe computergestützter Bildverarbeitungsvertahren durchgeführt werden. Besonders die Bildverarbeitung ermöglicht eine für den Massenfertigungsprozess vorteilhafte, bedienerunabhängige Inspektion von Stempeln auf Tauglichkeit bei der Weiterverwendung in einem Prägeprozess.

Die Inspektion kann mit Hilfe von Vergleichstechniken durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform wird eine Referenz-Stempeloberfläche bereitgestellt und es wird ein Vergleich der zu beurteilenden Stempeloberfläche mit der Referenz-Stempeloberfläche durchgeführt. Es ist ein Direktvergleich möglich. Bei einer Ausführungsform wird ein Bild der Referenz-Stempeloberfläche erzeugt und dieses Bild wird direkt mit der zu beurteilenden Stempeloberfläche oder mit einem Bild dieser Stempeloberfläche verglichen. Die Referenz-Stempeloberfläche repräsentiert dabei die gewünschte Soll-Topographie der Stempeloberfläche und kann an einem Master-Stempel erfasst werden oder worden sein. Beispielsweise ist es möglich, ein Hologramm der Referenz-Substratoberfläche aufzunehmen und dieses Hologramm interferometrisch mit der jeweils zu beurteilenden Substratoberfläche eines für den Prozess vorgesehen Stempels zu vergleichen. Vergleichsver fahren ermöglichen eine besonders schnelle und zuverlässige Inspektion, da hier Abweichungen von einer idealen Soll-Struktur besonders gut erkennbar werden. Dies macht sowohl eine visuelle als auch eine computergestützte Auswertung mit hoher Zuverlässigkeit möglich. Insbesondere sind pixelweise Vergleiche binärer Helligkeitsstufen der zu vergleichenden Teile der Referenz-Stempeloberfläche und der Stempeloberfläche des Arbeitsstempels schnell zu erreichen. Ein virtuelles Vergleichsnormal kann auch in einem Rechner abgelegt sein und zur Inspektion herangezogen werden.

Bei anderen Ausführungsformen wird eine indirekte Inspektion der zu beurteilenden Stempeloberfläche durchgeführt. Hierzu wird ein Stempelabdruck der Stempeloberfläche erzeugt und die Topographie des Stempelabdruckes wird inspiziert. Dabei ist es grundsätzlich möglich, das Prägebild direkt am zu prägenden Substrat zu überprüfen. Vorzugsweise wird jedoch ein gesonderter Stempelabdruck oder Stempelabguss erstellt, der dann untersucht wird. Dadurch ist es möglich, den Fertigungsprozess zeitlich und räumlich unabhängig von der Inspektion fortzuführen. Der Fertigungsprozess wird zwar auch anhand der laufenden Produktion am Wafer kontrolliert. Allerdings ist dies nur nach Beendigung eines Wafer-Belichtungszyklus möglich und stellt einen Eingriff in den Fertigungsablauf dar.

Bei einer anderen Ausführungsform wird eine mechanische Inspektion der Stempeloberfläche durchgeführt, beispielsweise mit Hilfe eines Profilometers, mechanisch-optisch oder mittels eines Kraftmikroskops. Auch elektro-optische Untersuchungsverfahren mit geeigneter Tiefenauflösung, beispielsweise die Verwendung eines Scanning-Elektronenmikroskopes zur Untersuchung einer Stempeloberfläche, sind möglich. Hierzu muss eine leitende Schicht auf der Oberfläche abgeschieden oder aufgedampft werden.

Die Inspektion von aus dem Fertigungsprozess herausgenommenen Stempeln kann regelmäßig, beispielsweise nach vorgegebenen Zeitintervallen oder einer vorgegebenen Anzahl von Stempelvorgängen durchgeführt werden oder unregelmäßig, beispielsweise abhängig von gewissen Anlässen, die eine Inspektion angezeigt sein lassen. Eine Inspektion kann direkt im Anschluss an das Auswechseln eines Stempels durchgeführt werden, um den Stempel im Falle eines positiven Inspektionsergebnisses sofort wieder im Produktionsprozess verwenden zu können. Es ist auch möglich, Stempel regelmäßig oder unregelmäßig aus dem Produktionsprozess abzuzweigen und unabhängig vom Produktionsprozess routinemäßig zu inspizieren.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Behandlung von Stempeln eine Reinigung von Stempeln umfasst. Dadurch ist es möglich, mit einem oder wenigen Stempeln über viele Prägezyklen eine hohe Qualität der erzeugten Struktur sicherzustellen.

Um Beschädigungen der zu reinigenden Stempeloberfläche beim Reinigungsvorgang zuverlässig zu vermeiden, wird bei manchen Ausführungsformen ein Reinigungsfluid verwendet, welches so ausgewählt ist, dass an der Stempeloberfläche haftende Verunreinigungen, wie beispielsweise Reste der Prägesubstanz, mit Hilfe des Reinigungsfluids mechanisch und/oder chemisch gelöst werden können. Der Abtransport von Verunreinigungen in gelöster und/oder ungelöster Form kann ebenfalls mit Hilfe des Reinigungsfluids erreicht werden. Als Reinigungsfuide werden dabei insbesondere solche fließfähigen oder strömungsfähigen Substanzen verwendet, die in der Lage sind, die Verunreinigung chemisch und/oder mechanisch zu lösen.

Wird die Reinigung mit Hilfe einer oder mehrerer Reinigungsflüssigkeiten durchgeführt, so können beispielsweise deionisiertes Wasser, vielfach destilliertes Aceton, N-Methyl-Pyrolidin (NMP) oder Mischungen mit diesen Substanzen verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch die Verwendung gasförmiger Reinigungsfluide möglich. Hier haben sich vor allem Ozon und ionisiertes Argon als wirksam zur Beseitigung von Prägesubstanz-Resten herausgestellt.

Es ist auch möglich, die zu reinigende Stempeloberfläche in ein Bad mit einer Reinigungsflüssigkeit einzutauchen, um Verunreinigungen zu lösen. Eine Reinigung mit Hilfe von Ultraschall ist ebenfalls möglich, wobei Ultraschall allein oder in Kombination mit anderen Reinigungsarten, beispielsweise mit der Eintauchreinigung oder einer thermischen Behandlung, eingesetzt werden kann.

Die Reinigung kann eine Plasmareinigung umfassen. Hierzu kann beispielsweise Sauerstoff/Ozon verwendet werden, evtl. abgemischt mit Edelgasen, um die Reinigungswirkung und Aggressivität geeignet einzustellen.

Die Reinigung kann eine Kontaktreinigung umfassen, bei der die Stempeloberfläche mindestens teilweise mit einer festen, idealerweise jedoch nachgiebigen Reinigungsfläche einer Reinigungseinrichtung in Berührungskontakt gebracht wird. Dabei sind beschädigungsträchtige Wisch-, Bürst- oder Reibebewegungen zwischen Reinigungseinrichtung und Substratoberfläche möglichst zu vermeiden. Idealerweise ist die Reinigungsfläche der Reinigungseinrichtung so optimiert, dass ein Haftkontakt zwischen der Reinigungsoberfläche und den zu entfernenden Verunreinigungen möglich ist, so dass die Verunreinigungen nach Abziehen bzw. Trennung der Reinigungseinrichtung von der Stempeloberfläche von dieser abgehoben werden können. Die Reinigung kann ein Anpressen der Stempeloberfläche an eine plastisch und/oder elastisch nachgiebige, verunreinigungslösende Reinigungsoberfläche einer Reinigungseinrichtung umfassen. Als Reinigungseinrichtung kann ein Kissen oder eine Reinigungsfolie verwendet werden, beispielsweise eine Folie aus Polyäthylen, Polyvinylchlorid (PVC), aus geeigneten Silikonen oder Polyvinylalkoholen.

Reinigungseinrichtungen, wie beispielsweise Reinigungsfolien, können zur Einmalreinigung verwendet werden, was eine besonders hohe Betriebsicherheit gewährleistet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine verwendete und gegebenenfalls kontaminierte Reinigungseinrichtung, beispielsweise einen Folienabschnitt, nach dem damit durchgeführten Reinigungsprozess zu reinigen und gegebenenfalls derart zu reaktivieren, dass mindestens eine weitere Verwendung möglich ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung einer umlaufenden Reinigungsfolie, bei der ein Reinigungsabschnitt nach der Stempelreinigung eine oder mehrere Reinigungs- und/oder Reaktivierungsstationen durchläuft, bevor der reaktivierte Folienabschnitt zur Stempelreinigung zurückgeführt wird.

Eine Kontaktreinigung ist weiterhin dadurch möglich, dass auf die Stempeloberfläche eine Schicht einer Reinigungssubstanz, beispielsweise Polyvinylalkohol, aufgebracht und diese Schicht anschließend nach Durchtrocknung und Aushärtung wieder abgezogen wird. Dabei bleiben Verunreinigungspartikel an dem ausgehärteten Schichtmaterial hängen und können vom Stempel abgezogen werden.

Die Reinigung kann eine Bestrahlung der Stempeloberfläche mit elektromagnetischer Strahlung zur Umwandlung von Verunreinigungsmaterial umfassen. Beispielsweise kann UV-Strahlung verwendet werden, um Reste von Prägesubstanz auszuhärten bzw. zu verspröden, um eine nachfolgende Ablösung zu erleichtern. Alternativ oder zusätzlich kann die Reinigung eine thermische Behandlung der Stempeloberfläche umfassen, um beispielsweise Verunreinigungen auszubacken und/oder zu verkohlen. Das Stempelmaterial muss den Temperaturzyklus bezüglich Formtreue vollreversibel durchlaufen können. Geeignet sind z.B. Zerodur M oder Quarzglas.

Die Behandlung eines Stempels außerhalb der Arbeitsposition kann auch eine Stempeltemperierung, z.B. ein Vorheizen des Stempels umfassen, um ihn für einen thermisch unterstützten Prägeprozess auf die geeignete Arbeitstemperatur oder auf eine Temperatur nahe dieser Arbeitstemperatur zu bringen. Durch die Vorheizung kann die Verweildauer in der Arbeitsposition verringert und dadurch der Herstellungsprozess beschleunigt werden.

Die Behandlung eines Stempels außerhalb der Arbeitsposition kann auch eine Speicherung bzw. Lagerung des Stempels umfassen, z.B. in einem Magazin oder einer anderen Speichereinrichtung.

Eine Geometriekorrektur der Stempeloberfläche mittels ortsabhängiger Temperaturbeeinflussung kann zur Vermeidung oder Verminderung von Deformationen der Stempeloberfläche vorteilhaft eingesetzt werden. Solche Deformationen können sich nachteilig auf die Qualität der durch den Stempel auf dem Substrat erzeugten Struktur auswirken. Deformationen der Stempeloberfläche können eine Größenveränderung der gesamten Stempeloberfläche und/oder ortsabhängige Verzerrungen oder Verzeichnungen umfassen. Es kann daher sowohl eine über die ganze Stempeloberfläche gleichförmige als auch eine ortsabhängige bzw. ortsauflösende Temperaturbeeinflussung vorgesehen sein.

Eine Geometriekontrolle der Stempeloberfläche, insbesondere mit Hilfe einer Vermessung mit einer Echtzeit-Geometriekontrolleinheit, erlaubt eine schnelle und direkte Überprüfung der Stempelqualität. Erweist sich bei der Kontrolle der Geometrie der Stempel als zu stark deformiert, kann er gegebenenfalls ausgewechselt werden, oder es können Maßnahmen zur Geometriekorrektur eingeleitet werden.

Die Geometriekontrolle und die Geometriekorrektur werden vorzugsweise zeitnah zum Prägeprozess durchgeführt, insbesondere an einem Stempel, der sich in seiner Arbeitsposition befindet.

Die Erfindung betrifft auch Stempel für die Stempellithografie und Verfahren zur Herstellung solcher Stempel.

Um die Stempellithografie aktuell und in Zukunft kostengünstig einsetzen zu können, sollte es möglich sein, Strukturen mit typischen Strukturgrößen von weniger als 150 nm zu erzeugen. In diesem Bereich nehmen jedoch die Strukturdefekte bei der Stempellithografie stark zu. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Stempeloberfläche, die auch als aktive Stempelfläche bezeichnet werden kann, hierfür besonders kritisch ist. Dabei spielen mechanische Härte und Oberflächenmikrostruktur eine entscheidende Rolle.

Zu vermeiden ist einerseits das Anbacken von Resten der Prägesubstanz an der Stempeloberfläche. Diese Gefahr nimmt zu, je kleiner die typischen Strukturbreiten sind und je extremer das Seiten-Höhen-Verhältnis (aspect ratio) der zu prägenden bzw. zu strukturierenden Strukturen ist. Ein typischer Defekt besteht darin, dass ein ganzer Strukturbereich am Stempel haften bleibt, z.B. anbackt, und dadurch von der zu strukturierenden Oberfläche abgehoben wird. Ein weiterer Defekt ist das Abheben von Strukturbereichen mit ungünstigem Seiten-Höhen-Verhältnis. Dieser Defekt äußert sich vor allem in einem Abbrechen der Struktur innerhalb der Prägesubstanz. Problematisch sind auch die sogenannten „Mäusezähnchen", die dazu führen, dass die zu bildenden Strukturen an ihren Strukturkanten aufgeraut bzw. „angefressen" erscheinen. Als eine Ursache hierfür wurden kleinste Partikel von Prägesubstanz identifiziert, die nach dem vorhergehenden Abhebe vorgang in den Ecken der Stempeloberfläche verbleiben und zum nächsten Prägevorgang übertragen werden können. Ein weiterer Fehler ist, dass die zu prägenden Strukturen nicht vollständig ausgebildet werden, so dass an Stelle gewünschter scharfer Kanten abgerundete Ecken entstehen. Dieser Fehler kann aufgrund eines unvollkommen ausgebildeten Negativbildes im Stempel entstehen oder durch eine Prägesubstanz, deren räumliche Auflösungsgrenze unterschritten wurde, da die langen Molekülketten der Prägesubstanz die exakte Ausformung von scharten Kanten verhindern. Diese und andere Probleme können mit erfindungsgemäßen Stempeln abgemildert oder vermieden werden.

Eine Klasse erfindungsgemäßer Stempel zeichnet sich dadurch aus, dass die Stempeloberfläche eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist oder zur gezielt leichteren Ablösbarkeit mikrostrukturiert ist und dass die Stempeloberfläche selbst im wesentlichen frei von Mikrorissen und das an die Stempeloberfläche angrenzende Material im wesentlichen frei von die Stempeloberfläche direkt erreichenden Mikrorissen ist. Durch eine geeignete Mikrostrukturierung der Oberfläche, z.B. eine wellenförmige oder genoppte Oberfläche mit einem Peak-to-Valley-Wert von unter 5nm, kann gegebenenfalls unter Nutzung des Lotuseffekts die Ablösbarkeit erhöht werden.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Bereitstellung einer sehr glatten oder technisch gezielt strukturierten Stempeloberfläche in Verbindung mit der weitest gehenden Vermeidung von Mikrorissen an der Stempeloberfläche entscheidend zur Verminderung von Ausschuss beim Prägeprozess beiträgt. Dabei führt die Vermeidung von Mikrorissen dazu, dass extrem kleine Strukturen beim Prägevorgang nicht mehr so leicht abbrechen. Eine geringe Oberflächenrauhigkeit oder eine Oberflächenfeinstruktur mit Strukturgrößen deutlich unterhalb der Größe der Prägestrukturen können ebenfalls zu einem erleichterten Ablösen beitragen.

In Versuchen konnte für die Stempeloberfläche eine mittlere Rautiefe R_t (peak-to-valley) von weniger als 0,7 nm (RMS) als vorteilhaft identifiziert werden. Die mittlere Mikrorisslänge sollte weniger als 150 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm betragen. Dabei hat sich herausgestellt, dass weitgehend rissfreie Oberflächen dadurch erzeugt werden können, dass die zunächst hochgenau und formgetreu vorbearbeitete Stempeloberfläche in einem Ätzvorgang sehr tief abgeätzt wird. Dadurch können Mikrorisse sichtbar gemacht und es kann in der Folge solange fein, insbesondere feinoptisch, bearbeitet werden, bis ein im wesentlichen rissfreier Bereich erreicht ist.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Stempel im Bereich der Stempeloberfläche eine sehr große mechanische Härte aufweist, wobei vorzugsweise Werte von mehr als 400, 500, 600 oder 700 kg/mm² erreicht werden sollten. Offenbar wird hierdurch eine Formhaltigkeit der Substratoberfläche gefördert, die für einen störungsfreien Prägeprozess und insbesondere für die Vermeidung der oben genannten Fehler förderlich ist.

Bei manchen Ausführungsformen besteht der Stempel zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem Hartwerkstoff, der die oberflächennahe Härte bereitstellt. Der oberflächennahe Bereich kann beispielsweise aus kubischem oder hexagonalem Bornitrid, Siliziumcarbid, Korund, Diamant oder Borazon oder einer geeigneten Schwermetallverbindung bestehen.

Es hat sich herausgestellt, dass neben der Werkstoffauswahl auch die Einstellung einer geeigneten Mikrostruktur des oberflächennahen Bereiches des Stempels die Prozesssicherheit erhöhen kann. Bei manchen Ausführungsformen besteht der Stempel zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem feinkristallinen Werkstoff, der eine mittlere Korngröße von weniger als 20% einer mittleren Strukturdimension der Stempeloberfläche aufweist. Dementsprechend kann es sich um ein nanokristallines Material handeln, wobei typische mittlere Korngrößen im Bereich von 5 nm bis 20 nm vorteilhaft sein können. Bei solchen Werkstoffen kann die feinkristalline Struktur bzw. die hohe Dichte von Korngrenzen und anderen Kristalldefekten zu einer großen Festigkeit und Härte des Materials beitragen.

Es sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Stempel zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem amorphen Werkstoff besteht, insbesondere aus einem amorphen Metallwerkstoff. Auch hierdurch sind defektfreie Stempeloberflächen hoher Härte und geringer Oberflächenrauhigkeit möglich. Auch Gläser, wie Quarzglas, sind verwendbar. Günstige Oberflächeneigenschaften können auch mit schichtstrukturiertem Quarzglas erzielt werden, das durch Verbrennen von Silan mit Sauerstoff oder Siliziumtetrachlorid mit Sauerstoff zu SiO₂ herstellbar ist.

Der Stempel kann zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem einkristallinen Werkstoff bestehen, wodurch eine geringe Dichte von Defekten möglich ist.

Der Stempel kann aus einem einzigen Materialblock hergestellt sein, der den Stempelkörper und die daran ausgebildete Stempeloberfläche bildet. Manche Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass der Stempel einen Stempelkörper hat, der im Bereich der Stempeloberfläche eine Beschichtung trägt, die mindestens einen Teil der Stempeloberfläche bildet. Es kann sich insbesondere um eine verschleißresistente Beschichtung (Verschleißschicht) handeln. Die Verwendung einer solchen Beschichtung macht es möglich, die Eigenschaften des Stempels im Bereich nahe der Stempeloberfläche unabhängig vom Material des Stempelkörpers zu optimieren.

Bei manchen Ausführungsformen besteht die Beschichtung aus einem Hartwerkstoff, um unabhängig vom Material des Stempelkörpers eine Stempeloberfläche hoher Härte bereitzustellen. Die Beschichtung kann beispielsweise aus einem feinkristallinen Diamantwerkstoff, einem Hartwerkstoff mit Schwermetallverbindungen, Siliziumcarbid, Bornitrid, Borazon oder anderen Hartwerkstoffen oder Kombinationen aus diesen Materialien bestehen. Die Beschichtung kann aus einem feinkristallinen Material bestehen, dessen mittlere Korngröße wie oben ausgeführt klein gegen die typische Strukturgröße der Stempeloberfläche ist.

Ist ein Stempel für die Verwendung bei der lithografischen Stempelbelichtung vorgesehen, so ist es bevorzugt, wenn die Beschichtung eine derart geringe Schichtdicke aufweist, dass die Beschichtung für das bei der Belichtung verwendete Licht mindestens teilweise transparent ist, so dass eine Belichtung durch die Beschichtung hindurch möglich ist. Als Material für den Stempelkörper können z.B. Werkstoffe wie Zirkondioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Lanthanfluorid (LaF₃) oder Hafniumdioxid (HfO₂) in einkristalliner Form verwendet werden. Neben diesen transparenten Materialien, von denen insbesondere LaF₃ im UV-Wellenlängenbereich sehr gut lichtdurchlässig ist, sind besonders für Stempellithografieverfahren, die ohne Belichtungsprozess arbeiten, auch lichtundurchlässige Materialien möglich. Die Verwendung von sehr harten Verbindungen wie Siliziumcarbid (SiC), Borcarbid (B₁₈C₂) bzw. (B₂₄C), von Diamant sowie von Mischkristallen, z.B. ZrO₂/HfO₂, HfO₂/Y₂O₃ oder ZrO₂/Y₂O₃ für den Stempelkörper und/oder eine Beschichtung hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt.

Besteht der Stempelkörper und/oder eine Beschichtung desselben im wesentlichen aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungs koeffizienten von weniger als 2,5·10^–6, vorzugsweise von weniger als 1,0·10^–6, so können Deformationen des Stempels bzw. der Beschichtung durch äußere Einflüsse wie z.B. Temperaturschwankungen weitgehend vermieden werden. Verwendbar sind z.B. Glaskeramik oder Quarzglas.

Bei der Auslegung der Topographie der Stempeloberfläche wurde bei manchen Ausführungsformen darauf geachtet, dass die Stempeloberfläche eine der Strukturierung folgende Trennung des Stempels von der Prägesubstanz erleichtert. Hierzu hat ein Stempel bevorzugter Ausführungsformen eine Stempelstruktur mit einer Vielzahl von Ausnehmungen und Vorsprüngen, die im Bereich von Flankenflächen ineinander übergehen, wobei mindestens ein Teil der Flankenflächen einen positiven Flankenwinkel mit einer Stempelebene einschließt. Als positiver Flankenwinkel wird hier ein von 90° abweichender Winkel zwischen einer Flanke und einer Stempelebene verstanden, der dazu führt, dass der Flankenbereich bei Betrachtung des Stempels von der Prägeseite sichtbar ist. Insbesondere ist darauf zu achten, dass keine der Flankenflächen einen negativen Flankenwinkel hat, womit Hinterschneidungen vermieden werden. Günstige positive Flankenwinkel können im Bereich zwischen 89° und 80° liegen.

Eine besondere Ausführungsform eines Stempels zeichnet sich dadurch aus, dass er mindestens teilweise aus einem piezoelektrischen Material besteht, welches derart dimensioniert ist, dass mindestens ein Teil einer Hubbewegung der Stempeloberfläche bei einem Prägevorgang durch Steuerung eines an das piezoelektrische Material anzulegenden elektrischen Feldes erzeugbar ist. Der Prägestempel selbst kann also durch externe elektrische Signale zu einer Dimensionsänderung veranlasst werden, die zur Prägebewegung beiträgt oder durch die die vollständige Prägebewegung der Stempeloberfläche herbeigeführt werden kann. In diesem Fall kann ein gesonderter Antrieb zum Absenken und Anheben des Stempels entfallen und die Stempellithografievorrichtung kann sehr einfach aufgebaut sein. Als Stempelmaterial hierfür kommt beispielsweise kristallines Quarz oder ein anderer Ionenkristall-Werkstoff oder Kombinationen aus mehreren Werkstoffen in Betracht. Es ist vorteilhaft, wenn das aktive piezoelektrische Material, welches durch den Piezoeffekt verschoben wird, nicht unmittelbar im Bereich der Prägeoberfläche liegt.

Weist der Stempel Temperaturmesselemente und/oder Temperierungsmittel zur Temperaturmessung und/oder Temperaturregelung des Stempels auf, so kann festgestellt werden, ob der Stempel einen für die Stempellithographie vorteilhaften Temperaturbereich verlässt und gegebenenfalls können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, z.B. indem die Stempeltemperatur mit Hilfe der Temperierungsmittel in den für den Prägevorgang vorteilhaften Temperaturbereich zurückgeführt wird. Die Messelemente und die Temperierungsmittel lassen sich somit als Sensoren bzw. Aktuatoren in einem Temperaturregelkreis verwenden.

Werden die Temperaturmesselemente und/oder Temperierungsmittel in das Stempelmaterial durchlaufenden Kanälen angebracht, so sind diese von außen leicht zugänglich. Dies kann insbesondere eine Verkabelung der Messelemente bzw. Temperierungsmittel wesentlich erleichtern.

Wird als Temperierungsmittel eine durch die Kanäle leitbare Flüssigkeit oder ein Gas eingesetzt, so können die Kanäle besonders vorteilhaft für eine Temperaturbeeinflussung genutzt werden. Der bautechnische Aufwand für die Realisierung der Temperierungsmittel ist in diesem Fall gering.

Zur ortsauflösenden, lokalen Temperaturregelung des Stempels können jeweils ein Temperierungsmittel und ein Temperaturmesselement zur Bildung eines Temperaturregelelements dicht nebeneinander platziert sein, wobei die Temperaturregelelemente den Stempel in einer im wesentlichen rasterförmigen Anordnung überdecken können. Hierdurch kann eine ortsabhängige Temperaturregelung des Stempels erfolgen, und zwar indem die lokal über die Temperaturmesselemente bestimmte Temperatur mit einem lokalen Sollwert verglichen und mit den Temperierungsmitteln an diesen angeglichen wird. Die im wesentlichen rasterförmige Anordnung stellt einerseits sicher, dass ein großer Teil des Stempels gleichförmig von der Temperaturregelung erfasst wird und andererseits erleichtert eine solche Anordnung das Einbringen der Temperaturregelelemente in das Stempelmaterial, da diese z.B. in den oben beschriebenen Kanälen angeordnet werden können.

Weist der Stempel eine für infrarote Strahlung intransparente Schicht auf, so absorbiert diese eine von einer Lichtquelle in diesem Spektralbereich ausgesandte Strahlung. Die Strahlungsabsorption führt zu einer Erwärmung der Schicht, so dass diese für eine Temperaturregelung des Stempels verwendet werden kann. Derartige Schichten können durch gezielte Implantation von Ionen in das Stempelmaterial hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Stempels, insbesondere eines Stempels für die Stempellithografie mit einer typischen Strukturdimension von weniger als 250 nm, wobei der Stempel einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf einem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz aufweist. Hierzu wird der Stempelkörper derart bearbeitet, dass die Stempeloberfläche eine für eine Ablösung von der Prägesubstanz nach Erzeugung eines Stempelabdruckes optimierte Oberflächentopographie aufweist und ein an die Stempeloberfläche angrenzendes Material im wesentlichen frei von zur Stempeloberfläche reichenden Mikrorissen ist.

Mit der Durchführung eines solchen Verfahrens zur Herstellung eines Stempels soll einerseits sichergestellt werden, dass bei einem Prägevorgang möglichst wenige Rückstände der Prägesubstanz an der Stempeloberfläche zurückbleiben, und andererseits, dass bei der dreidimensionalen Strukturierung der Stempeloberfläche eine möglichst genaue Entsprechung einer vorgegebenen dreidimensionalen Struktur erzeugt werden kann. Letzteres ist nur dann erreichbar, wenn die Stempeloberfläche nur eine geringe Zahl von Mikrorissen aufweist, da anderenfalls die mit Strukturen typischerweise unterhalb von 250 nm dreidimensional strukturierte Stempeloberfläche bereits vor dem ersten Prägevorgang eine gegebenenfalls nicht zu vernachlässigende Zahl von Strukturfehlern enthält.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Stempels umfasst eine hochgenaue und formgetreue Vorbearbeitung einer im wesentlichen ebenen Stempelfläche, ein so tiefes Abätzen der Stempelfläche in einem nachfolgenden Ätzvorgang, bis ein im wesentlichen mikrorissfreier Bereich erreicht ist und die anschließende Erzeugung einer dreidimensionalen Stempeloberfläche. Bei Verwendung eines solchen Verfahrens ist die Entstehung von Fehlern aufgrund von Mikrorissen bei der Herstellung der dreidimensionalen Stempelfläche stark vermindert.

Wird das Stempelmaterial bei einem erfindungsgemäßen Verfahren durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Walken und/oder Hämmern in seiner Struktur verändert, so dass die Härte und Festigkeit des Materials zunimmt und/oder die Mikrorisslänge abnimmt, kann einerseits beim Einprägen der Stempeloberfläche auf dem Substrat ein präziser Abdruck der Stempeloberfläche erzeugt werden, da die Stempeloberfläche aufgrund ihrer großen Härte beim Prägevorgang nicht wesentlich deformiert wird. Andererseits wird durch die geringe Mikrorisslänge die Erzeugung von Strukturfehlern größeren Ausmaßes auf der Stempeloberfläche vermieden. Ein mechanisches Bearbeitungsverfahren ist außerdem mit relativ geringem Aufwand durchzuführen.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines Stempels wird dieser mittels Laserscantechnik strukturiert.

Die Erfindung betrifft auch ein feinstrukturiertes Bauteil, insbesondere ein Halbleiter-Bauelement, welches mit einem Verfahren gemäß der Erfindung und/oder unter Verwendung mindestens eines Stempels gemäss der Erfindung hergestellt wurde. Ein solches feinstrukturiertes Bauteil weist aufgrund des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Stempels eine hohe Qualität der eingeprägten Oberflächenstruktur auf und ist kostengünstig herzustellen.

Die Erfindung betrifft auch eine Stempellithografievorrichtung zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels. Die Vorrichtung umfasst:
einen Rahmen;
mindestens eine an dem Rahmen angebrachte Stempelhalteeinrichtung zum Halten mindestens eines Stempels in einer Arbeitsposition;
eine an dem Rahmen angeordnete Substrathalteeinrichtung zum Halten mindestens eines Substrates; und
eine Stempelwechseleinrichtung zum automatischen Auswechseln von Stempeln aus der Arbeitsposition und zum automatischen Einwechseln von Stempeln in die Arbeitsposition.

Die Stempelhalteeinrichtung sollte so konstruiert sein, dass das Einwechseln und Auswechseln von Stempeln, z.B. das Ankoppeln eines Stempels an der Stempelhalteeinrichtung und die Abnahme bzw. ein Entkoppeln von Stempeln von der Stempelhalteeinrichtung ohne manuelle Unterstützung eines Bedieners möglich ist. Es gibt Ausführungs formen, bei denen die Stempelhalteeinrichtung als Klemmeinrichtung ausgebildet ist, um einen oder mehrere Stempel kraftschlüssig bzw. reibschlüssig zu halten. Hierzu können beispielsweise geeignete Klemmfedern vorgesehen sein. Die Stempelhalteeinrichtung kann auch Rastmittel zum kraft- und formschlüssigen Halten mindestens eines Stempels haben. Stempelhalteeinrichtungen mit mindestens einem Magnethalter zum Halten eines Stempels mit Hilfe magnetischer Kräfte sind ebenfalls möglich. Hierbei können sowohl Permanentmagnete, als auch schaltbare elektromagnetische Magnethalter verwendet werden. Während die Verwendung von Permanentmagneten einen besonders einfachen Aufbau begünstigt, kann durch das Ein- und Ausschalten magnetischer Haltekräfte bei Elektromagneten die beim Einwechseln und Auswechseln von Stempeln auf die Stempelhalteeinrichtung ausgeübte Kraft minimiert werden.

Einer Halterung mit Hilfe von Fluiddruck, d.h. Unterdruck oder Überdruck, der gegebenenfalls schaltbar ist, ist ebenfalls möglich. Beispielsweise kann die Stempelhalteeinrichtung als Unterdruckhalter bzw. Vakuumhalter ausgebildet sein, wozu an der Stempellithografieanlage eine geeigneter Unterdruckerzeuger, beispielsweise eine Saugpumpe vorgesehen sein kann. Die Stempelhalteeinrichtung kann mindestens ein beweglich gelagertes Halteelement aufweisen, das zwischen einer Arretierkonfiguration zum Festhalten des Stempels an der Stempelhalteeinrichtung und einer Freigabekonfiguration zum Freigeben eines Stempels beweglich ist. Das Halteelement kann beispielsweise linear verschiebbar oder verschwenkbar sein. Bei geeigneter Anbringung einer Federkraft an einem solchen Halteelement kann die Stempelhalteeinrichtung auch als Schnappvorrichtung ausgebildet sein, die besonders in der Arretierkonfiguration einen sicheren, spielfreien Halt eines Stempels an der Stempelhalteeinrichtung ermöglicht. Es sind auch Kombinationen unterschiedlicher Halteeinrichtungen möglich. Beispielsweise kann die Stempelhalteeinrichtung einen oder mehrere elektromag netische oder permanentmagnetische Halter umfassen, um einen angebrachten Stempel magnetisch festzuhalten, sowie ein bewegliches Halteelement, um über einen Formschluss den Stempel gegen Verlagerung oder Ablösen zu sichern, auch wenn die auf den Stempel wirkenden Kräfte ausreichen würden, die magnetische Haltekraft zu überwinden.

Es ist auch möglich, die Stempelwechseleinrichtung so zu konstruieren, dass sie gleichzeitig als Stempelhalteeinrichtung dienen kann. Dann kann eine gesonderte Stempelhalteeinrichtung entfallen.

Die Stempelwechseleinrichtung sollte einen schnellen und sicheren Wechsel von Stempeln zwischen ihrer Arbeitsposition und einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Aussensposition ermöglichen, die als Ausgangspunkt für eine Behandlung bzw. Bearbeitung von Stempeln außerhalb des Produktionsprozesses verstanden werden kann. Die Stempelwechseleinrichtung kann einen einachsig oder mehrachsig gelagerten Stempelmanipulator zum Halten und Bewegen mindestens eines Stempels zwischen Arbeitsposition und Aussensposition umfassen. Der Stempelmanipulator kann beispielsweise als Greifarm ausgebildet sein, der einen Stempel ergreift und hält. Dabei ist der Begriff des „Greifens" weit auszulegen und umfasst unterschiedliche Arten von Ankopplung eines Stempels an den Stempelmanipulator. Neben einer aktiven Greifbewegung mit Hilfe beweglicher Greifglieder sind auch andere Möglichkeiten des Greifens und Haltens vorgesehen, beispielsweise mit Hilfe eines dauermagnetischen oder elektromagnetischen Feldes, mit Hilfe mechanischer Federkräfte, mit Hilfe von Fluiddruck (Überdruck oder Unterdruck) von Gasen oder Flüssigkeiten, mit Hilfe von mechanischen Einrichtungen, die eine formschlüssige Halterung ermöglichen (beispielsweise Klappvorrichtung) oder auf andere Weise. Prinzipiell können sämtliche auch für die Stempelhalterung an der Prägevorrichtung vorgesehen Möglichkeiten auch zum Halten und gegebenenfalls Greifen eines Stempels durch die Stempelwechseleinrichtung vorgesehen sein.

Bei manchen Ausführungsformen ist die Stempelwechseleinrichtung so ausgebildet, dass der in die Arbeitsposition bewegte Stempel durch die Stempelwechseleinrichtung freigegeben werden kann, um seine Arbeitsbewegung unabhängig bzw. losgelöst von der Stempelwechseleinrichtung auszuführen. Es ist auch möglich, dass die Stempelwechseleinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie während der Arbeitsbewegung des Stempels in Eingriff mit dem Stempel bleibt und auf diese Weise die Arbeitsbewegung „mitmacht". Hierzu kann die Stempelwechseleinrichtung zur elastisch nachgiebigen Halterung des Stempels ausgebildet sein, beispielsweise indem der Stempel federnd im Stempelwechsler bzw. Stempelmanipulator gehalten ist. Ist eine solche Stempelwechseleinrichtung vorgesehen, kann eine gesonderte Stempelhalteeinrichtung entfallen.

Es gibt Ausführungsformen von Stempelwechseleinrichtungen, die nur eine einzige Stempelaufnahme haben, um z.B. computergesteuert nach Art eines Roboters Stempelmanipulationen zu ermöglichen. Es gibt auch Ausführungsformen, bei denen die Stempelwechseleinrichtung mindestens zwei Stempelaufnahmen hat. Hierdurch ist es möglich, die Arbeitsbewegungen beim Auswechseln eines Stempels und Einwechseln des nächsten Stempels mit Hilfe einer einzigen Stempelwechseleinrichtung gleichzeitig ablaufen zu lassen. Beispielsweise kann die Stempelwechseleinrichtung als Linearwechsler ausgebildet sein, der über eine geradlinige Linearbewegung wechselweise verschiedene Stempelaufnahmen zum Bereich der Arbeitsposition bzw. zur Außenposition führt. Bei anderen Ausführungsformen sind Karusselleinrichtungen bzw. Revolvereinrichtungen mit mindestens zwei Stempelaufnahmeeinrichtungen vorgesehen, um einen Stempelwechsel mit Hilfe einer Drehbewegung durchzuführen. Hierdurch ist eine besonders hohe Wechselgeschwindigkeit möglich. Es sind sowohl planare bzw. ebene, als auch gekrümmte Einrichtungen möglich. Stempelwechseleinrichtungen mit mindestens zwei Stempelaufnahmen sind besonders günstig für einen Tandembetrieb, bei dem ein Stempel bei der Produktion genutzt wird, während sich ein im wesentlichen identischer Stempel in der Außenposition befinden kann, um entweder dort oder nach einem weiteren Transfervorgang an anderer Stelle, z.B. gereinigt, inspiziert oder abgelegt wird.

Der Stempellithografievorrichtung kann mindestens eine Reinigungseinrichtung und/oder mindestens eine Inspektionseinrichtung zugeordnet sein.

Der Stempellithografievorrichtung kann mindestens eine Speichereinrichtung, z.B. ein Magazin, zugeordnet sein, die eine Vielzahl von Speicherplätzen für Stempel aufweist. Die Speichereinrichtung kann so angeordnet sein, dass sie direkt von der Stempelwechseleinrichtung erreicht werden kann, um Stempel einzuführen oder zu entnehmen. Es ist auch eine entfernte Anordnung möglich, wobei dann zwischen der Stempelwechseleinrichtung und dem Magazin ein geeigneter Transfer vorgesehen ist, beispielsweise mit Hilfe eines Förderbandes oder dergleichen.

Eine Ausführungsform einer Stempellithographievorrichtung weist eine Abstandsmesseinrichtung zur Messung des Abstandes zwischen der Substratoberfläche und der Stempeloberfläche für die gesamte Größenordnung der Vorschubbewegung des Stempels auf. Eine solche Abstandsmesseinrichtung ermöglicht ein kontrolliertes Heranfahren und Anpressen des Stempels an die Substratoberfläche. Hierbei ist es möglich, die Empfindlichkeit der Abstandsmessung abstandsabhängig zu variieren, so dass bei großen Abständen der Stempeloberfläche von der Substratoberfläche die Messgenauigkeit gering, bei kleinen Abständen hingegen groß ist. Wird über die gesamte Größenordnung der Vorschubbewegung des Stempels die Abstandsmessung in der oben beschriebenen Weise durchgeführt, so ist ein Prägeprozess sowohl mit hoher Prägegeschwindigkeit als auch präziser Übertragung der auf der Stempeloberfläche vorhandenen Strukturen auf das Substrat möglich.

Bei einer Weiterbildung der Stempellithographievorrichtung weist diese eine optische Sensoreinrichtung nach dem Prinzip des Fluchtfernrohres oder der Autokollimation auf. Eine optische Sensoreinrichtung zur Abstandsmessung und/oder Winkelmessung einzusetzen bietet sich an, weil das Substrat eine geschlossene, optisch abtastbare Fläche darstellt.

Die Stempellithographievorrichtung kann auch eine Abstandsmessvorrichtung unter Verwendung von Membranen nach dem Gegendruckverfahren umfassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Vorrichtung zur Abstandsmessung mindestens eine freiliegende Düse zur Abgabe von Gas unter Druck auf die Oberfläche des zu strukturierenden Substrates und eine Einrichtung zur Erfassung des Gegendrucks, aus dem ein Abstandssignal ableitbar ist. Das auf die Oberfläche des Substrates auftreffende Gas kann über die Abstandsmessung hinaus vorteilhafte Wirkungen erzeugen, beispielsweise kann dieses zur Reinigung der Substratoberfläche verwendet werden.

Die Abstandsmesseinrichtung kann auch eine induktive oder kapazitive Messanordnung sein oder enthalten. Solche Messanordnungen sind leicht zu konstruieren und zuverlässig.

Bei einer Ausführungsform weist die Stempellithographievorrichtung eine für eine Bestrahlung des Stempels von seiner Rückseite in Richtung Stempeloberfläche konfigurierte Beleuchtungseinrichtung auf. Eine solche Beleuchtungseinrichtung kann bei der Belichtungsstempellithographie UV-Strahlung zum Aushärten eines niedrigviskosen Photopolymers abgeben. Es ist aber auch möglich, dass eine solche Beleuchtungseinrichtung Strahlung im IR-Bereich abgibt, mit der das Stempelmaterial temperiert werden kann.

Wenn die Stempellithographievorrichtung eine Vakuumerzeugungsvorrichtung zur Herstellung eines mindestens den zwischen Stempel und Substrat liegenden Volumenbereich umfassenden Vakuums aufweist, so kann dieser Bereich im wesentlichen frei von Verunreinigungen gehalten werden. Bei der Belichtungsstempellithographie, bei der ein niedrigviskoses Photopolymer ausgehärtet wird, kann das Durchführen des Prägevorgangs im Vakuum dazu beitragen, dass die Bildung von Gasbläschen in dem Polymer vermieden oder stark verringert wird.

Eine Weiterbildung der Stempellithographievorrichtung umfasst eine Echtzeit-Geometriekontrolleinheit zur Vermessung der Geometrie der Stempeloberfläche durch Vermessung der Position von Stempelmarken, die an der strukturierten Seite des Stempels zusätzlich zur prägenden Struktur, d.h. zur aktiven Stempeloberfläche, vorgesehen sind. Durch Verwendung einer solchen Kontrolleinheit können während des Betriebs Deformationen der Stempeloberfläche schnell erkannt werden. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes kann der Stempel gegebenenfalls ausgetauscht werden. Es kann aber auch eine aktive Korrektur der Deformation der Stempeloberfläche stattfinden, z.B durch geeignete, ggf. ortsauflösend wirksame Temperierungsmittel.

Die Stempellithographievorrichtung kann eine transparente Referenzplatte mit Referenzmarken umfassen, bei der die mehrere Positions optiken aufweisende Echtzeit-Geometriekontrolleinheit hinter der Referenzplatte positionierbar ist, so dass durch Vergleich der Position der Referenzmarken und der Stempelmarken die Geometrie der Stempeloberfläche vermessen werden kann. Die Verwendung einer Referenzplatte mit Referenzmarken macht die Vermessung der Geometrie der Stempeloberfläche unabhängig von der Positionierung des Substrates, auf das der Stempel eingeprägt wird. Durch den Einsatz mehrerer Positionsoptiken kann die Deformation der Stempeloberfläche an mehreren Orten parallel vermessen werden, so dass eine mehrmalige Positionierung der Stempeloberfläche im Bezug zur Echtzeit-Geometriekontrolleinheit vermieden werden kann.

Weist jede Positionsoptik einer Weiterbildung der Stempellithographievorrichtung eine erste Abbildungsoptik zur Abbildung der Referenzmarke auf eine erste Detektorfläche und eine zweite Abbildungsoptik zur Abbildung der Stempelmarke auf eine zweite Detektorfläche auf, so können die Bilder auf den beiden Detektorflächen zur Ermittlung der Stempeldeformationen verglichen werden. Durch die Referenzplatte wird hierbei ein Messnormal erzeugt, mit dem die Stempelgeometrie verglichen werden kann.

Der Strahlengang der ersten Abbildungsoptik und der zweiten Abbildungsoptik kann durch eine Kollimationsoptik weitgehend parallelisiert und im Anschluss durch einen Strahlteiler in einen ersten und zweiten Teilstrahl aufgespalten werden.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Stempellithografieanlage mit einer Stempellithographievorrichtung und einer Stempelwechseleinrichtung sowie einer Inspektionseinrichtung, einer Reinigungseinrichtung und einer Speichereinrichtung;
2 ist eine schematische Darstellung von Einzelheiten einer Ausführungsform einer Stempellithographievorrichtung mit drei Linearmotoren und einer Waferstage;
3 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Abstandsmesssystems mit mehreren freiliegenden Düsen;
4 ist eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen von Stempelhalteeinrichtungen in zwei Teilbildern;
5 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Unterdruck-Stempelhalteeinrichtung;
6 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Zweifachwechslers mit zwei Stempelaufnahmen;
7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Zweifachwechslers mit zwei Stempelaufnahmen;
8 ist eine schematische Seitenansicht einer planaren Ausführungsform einer Stempelwechseleinrichtung;
9 ist eine schematische Seitenansicht einer kegeligen Ausführungsform einer Stempelwechseleinrichtung;
10 ist eine schematische Ansicht einer mit acht Stempelaufnahmen ausgestatteten Stempelwechseleinrichtung in flacher Ausführung (linkes Teilbild) sowie in einer reifenförmigen Ausführung (rechtes Teilbild);
11 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Inspektionseinrichtung mit einem Förderband;
12 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Inspektionseinrichtung mit einer Referenz-Stempeloberfläche;
13 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Inspektionseinrichtung mit einem Stempelabdruck;
14 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Reinigungseinrichtung mit einer bandförmigen Endlos-Reinigungsfolie;
15 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Reinigungseinrichtung mit einer UV-Bestrahlungseinrichtung;
16 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Reinigungseinrichtung zur Bestrahlung der aktiven Stempeloberfläche mit ionisiertem Reinigungsgas;
17 ist die schematische Darstellung einer Variante einer Reinigungseinrichtung mit einem flüssigen Reinigungsbad;
18 erläutert eine Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines bei der Prägelithographie nutzbaren Stempels;
19 zeigt verschiedene Ansichten von Ausführungsbeispielen von Stempeln, deren aktive Stempeloberfläche teilweise aus einer auf einem Stempelkörper aufgebrachten dünnen Beschichtung besteht;
20 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Stempels, bei der sich die Ausnehmungen der Stempeloberfläche nach außen hin trichterförmig öffnen;
21 ist eine schematische Seitenansicht eines transparenten Stempels mit einem Stempelkörper aus kristallinem Quarz, der bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine Dimensionsänderung erfährt;
22 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines transparenten Stempels mit Kanälen zur Stempeltemperierung;
23 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines transparenten Stempels mit Kanälen zur Stempeltemperierung, in die Temperierungsdrähte und Temperaturmessdrähte eingebracht sind;
24 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines transparenten Stempels mit einer rasterförmigen Anordnung von Temperaturregelelementen in Kanälen;
25 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zur lokalen Bestrahlung eines Stempels von seiner Rückseite;
26 ist eine Draufsicht auf die in 2 gezeigte Waferstage mit einer Ausführungsform einer Echtzeit-Geometriekontrolleinheit;
27 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Positionsoptik der Echtzeit-Geometriekontrolleinheit von 26.
In 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer Stempellithografieanlage 1 gezeigt, mit der in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess feinstrukturierte Komponenten, beispielsweise Halbleiterbausteine, mit Hilfe eines Stempellithografieverfahrens in großer Stückzahl mit geringem Ausschuss schnell und kostengünstig hergestellt werden können. Die Stempellithografieanlage umfasst eine Stempellithografievorrichtung 10, in der der Strukturierungsprozess für die Komponenten stattfindet, der unabhängig von der Verfahrensvariante hier auch als „Prägeprozess" bezeichnet wird. Der Stempellithografievorrichtung, die im folgenden vereinfachend auch als „Prägevorrichtung" bezeichnet wird, sind mehrere periphere Einrichtungen zur Behandlung von Stempeln zugeordnet, die in einem aktiven Prägeprozess benutzt wurden oder für einen solchen Prozess vorgesehen sind.
Eine Inspektionseinrichtung 20 dient dazu, für einen Prägeprozess vorgesehene Stempel nach einem vorhergehenden Prägeprozess oder vor einem bevorstehenden Prägeprozess auf Tauglichkeit für den Prägeprozess zu untersuchen. Dabei werden besonders die strukturierten Stempeloberflächen von Stempeln auf Beschädigungen und/oder Verunreinigungen untersucht, bei transparenten Stempeln für die Stempelbelichtung kann auch auf ausreichende Transmission untersucht werden. Gezeigt ist ein vollautomatische, bedienerunabhängig arbeitende optische Inspektionseinheit mit digitaler Bildverarbeitung.
Eine Reinigungseinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, aus einem vorhergehenden Prägeprozess kommende oder für einen nachfolgenden Prägeprozess vorgesehene Stempel so zu reinigen, dass im Prägeprozess keine durch Verunreinigungen verursachten Qualitätseinbußen auftreten.
Eine Speichereinrichtung 40, die hier auch als Magazin bezeichnet wird, stellt eine Vielzahl von Speicherplätzen für Stempel bereit, die in vorhergehenden Prägeprozessen genutzt oder für zukünftige Prägeprozesse vorgesehen sind. Die einzelnen Stempel können in Kassetten 41 einzeln oder in Gruppen innerhalb des Magazins aufbewahrt werden.
Für den Transfer von Stempeln zwischen der Prägevorrichtung 10 und den Peripheriegeräten 20, 30, 40 ist ein automatisches Fördersystem vorgesehen, welches im Beispiel eine der Prägevorrichtung 10 zugeordnete Stempelwechseleinrichtung 50 und einen zwischen der Prägevorrichtung 10 und den Peripheriegeräten 20, 30, 40 angeordneten Transfer-Roboter 60 umfasst, der im Beispielsfall um eine vertikale Achse drehbar und horizontal verfahrbar ist.
Die auch als Stempelwechsler bezeichnete Stempelwechseleinrichtung 50 ist im Beispiel als Zweiarm-Wechsler ausgebildet, der um eine zentrale, vertikale Achse drehbar ist und im Endbereich jedes Armes eine Stempelaufnahmeeinrichtung bzw. Stempelaufnahme 51 aufweist, die jeweils zur Aufnahme eines einzelnen Stempels 60 konfiguriert ist. Der Stempelwechsler 50 dient dazu, Stempel zwischen einer Arbeitsposition 70 im Arbeitsbereich der Prägevorrichtung 10 und einer außerhalb dieses Arbeitsbereiches liegenden Außenposition 80 zu bewegen. Durch die Arbeitsbewegung des Stempelwechsler kann ein zunächst in der Außenposition vorgehaltener Stempel in die Arbeitsposition für einen Prägeprozess gebracht werden, während gleichzeitig ein in einem Prägeprozess benutzter Stempel aus der Arbeitsposition in die Außenposition transferiert wird, um von dort aus einer weiteren Behandlung zugeführt zu werden. Alle Einheiten der Stempellithografieanlage können für eine Computersteuerung eingerichtet sein und sind im Beispielsfall an eine zentrale Steuereinheit 90 angeschlossen, die die Arbeitsvorgänge der einzelnen Einheiten steuert und koordiniert.
In 2 sind schematisch Einzelheiten einer Ausführungsform einer Stempellithografievorrichtung 100 gezeigt. Sie umfasst einen verwindungssteifen Rahmen 101, an dem eine Stempelhalteeinrichtung 120 angebracht bzw. ausgebildet ist, die dazu konfiguriert ist, einen einzelnen Stempel 120 mit nach unten gerichteter, aktiver Stempeloberfläche 130 in einer Arbeitsposition in geringem Abstand oberhalb eines zu strukturierenden Substrates zu halten. Das Substrat ist im Beispielsfall ein Halbleiterwafer 141, an dessen Oberseite eine dünne Schicht 142 aus polymerem Resist angeordnet ist, der als zu strukturierende Substanz (Prägesubstanz) dient. Das Substrat liegt auf einem mit dem Rahmen 101 gekoppelten Substrathalter 150 auf, der eine Waferstage 151 mit einem darauf angeordneten, als Nadelbett ausgebildeten Waferchuck 152 umfasst, auf dem der Wafer mit lediglich ca. 20% der Fläche gleichverteilt abgestützt aufliegt.
Die Stempellithografievorrichtung 100 umfasst eine Feinjustiereinheit 160, die so konfiguriert ist, dass der Stempel 120 bzw. dessen aktive Stempeloberfläche für den Prägevorgang parallel zur Oberfläche der Prägeschicht ausgerichtet ist und seine gewünschte Position in einer Ebene (x-y-Ebene) senkrecht zur Prägerichtung (z-Richtung) in einer gewünschten Drehstellung (Winkel α) um die z-Achse einnimmt. Für diesen Ausrichtungsprozess bzw. Orientierungsprozess sind piezoelektrische Elemente 161 vorgesehen, die fest mit dem Rahmen verbunden sind und in Antriebsverbindung mit dem Stempel stehen, der mit Hilfe elastisch verformbarer Elemente 162 geringfügig beweglich gelagert ist.
Die richtige Positionierung des Stempels relativ zum Substrat wird mit Hilfe eines optischen Alignmentsystems 170 kontrolliert. Das Alignmentsystem nutzt auf dem Substrat vorhandene Alignmentmarken 171, die beispielsweise als beugende Strukturen in Form von Gittern ausgebildet sein können. Um diese Marken nutzen zu können, sind am Stempel 120 korrespondierende Stempel-Alignmentmarken 172 vorgesehen (vergl. 3). Vorzugsweise sind diese Marken, von denen zwei oder mehr vorgesehen sein sollten, in einem einteiligen Stempel integriert und außerhalb der dreidimensional strukturierten, aktiven Stempeloberfläche 130 angebracht.
Das hier gezeigte Alignmentsystem bzw. dessen Alignmentmarken arbeiten mit dem Beugungsprinzip oder Interferenzprinzip. Dazu sind sie als kleine optische Gitter oder Spiegel ausgebildet. Ein Sensor erkennt über die Intensität des gebeugten oder interferierten Lichtes die relative Lage der Alignmentmarken von Substrat und Stempel. Diese Information wird computergestützt verarbeitet und zur Steuerung der Feinjustiereinheit 160 genutzt. Damit ist es für die Stempelprägung möglich, die lateralen Positionen (x-y-Ebene), die relative Rotation um die Prägerichtung (z-Richtung) und die Koordinatensysteme für Rotationen um die x- und y-Achse, d.h. Kippbewegungen, festzustellen und gezielt mit Hilfe der Feinjustiereinheit 160 zu korrigieren.
Es sind verschiedene Alignmentprozeduren möglich. Beispielsweise ist ein indirektes Alignment des Wafers zum Stempel möglich. Dazu wird der Stempel relativ zu einer Referenzmarke auf der Waferstage ausgerichtet. Der Wafer wird relativ zu geeigneten Ausrichtmarken in der Alignmentoptik positioniert. Wesentlich dabei ist, dass die Ausrichtung (das Alignment) räumlich und zeitlich für einen Waferprägevorgang stabil ist. Durch diese Art des Alignments werden Positionsschwankungen des Substrathalters ausgeglichen. Mit jedem Waferwechsel besteht die Möglichkeit eines neuen Ausrichtvorganges.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass der Stempel wiederum zur Waferstage ausgerichtet wird. Der Wafer wird mit Hilfe der Stempelalignmentmarken zum Stempel positioniert. Dies bedeutet, dass der Wafer und der Stempel relativ zu einem gemeinsamen Bezugspunkt, nämlich zu einer von mehreren auf der Waferstage angeordneten Referenzmarken ausgerichtet werden. Ein wichtiger Unterschied zum erstgenannten Verfahren besteht darin, dass nur noch ein einziger Bezugspunkt für den Stempel und das Substrat (den Wafer) besteht, im Gegensatz zum obigen Verfahren, bei dem es immer zwei Bezugspunkte gibt. Dadurch kann die Stabilität über einen kompletten Waferprägevorgang gewährleistet werden.
Bei Bedarf kann auch eine dritte Möglichkeit genutzt werden. Bei dieser werden der Stempel und der Wafer relativ zu einer ortsfesten Alignmentoptik ausgerichtet. Hierbei ist zu beachten, dass beim diesem Verfahren eine Abhängigkeit der Genauigkeit von der räumlichen Konstanz des Alignmentsystems relativ zur Waferstages vorliegt.
Um ein möglichst getreues Abbild (Prägeabdruck oder Stempelabdruck) der Stempelstruktur in der zu strukturierenden Substanz zu erhalten, ist es z.B. beim Heissprägen notwendig, dass der Stempel exakt kontrolliert in die Prägesubstanz eingepresst wird bzw. bei der Stempelbelichtung seine Relativposition zum Substrat genau einnimmt, bevor die zu strukturierende Substanz eingebracht und ausgehärtet wird. Um dies zu erreichen, hat die Stempellithografievorrichtung ein geregeltes Zufuhrsystem, das ein Abstandsmesssystem beinhaltet, sowie eine logische Einheit, um die Regelparameter zu erfassen und Steuersignale für das Zufuhrsystem zu erzeugen. Zum Zufuhrsystem gehört auch die Zuführungseinheit selbst.
Eine zum Zufuhrsystem gehörende Einrichtung zur Abstandsmessung, die auch als Fokussiereinheit bezeichnet werden kann, hat die Aufgabe, Abstandsmessungen für den Abstand zwischen Substratoberfläche und Stempeloberfläche für die gesamte Größenordnung der Vorschubbewegung des Stempels zu ermöglichen. Typische Distanzbereiche liegen zwischen null und ca. zwei Millimetern. Je kleiner der Abstand ist, desto sicherer bzw. genauer sollte die Abstandsinformation sein. Dies wird bei manchen Ausführungsformen durch eine optische Sensoreinrichtung nach dem Prinzip der Autokollimation erreicht, wobei diese Einrichtung in einem Wellenlängenbereich arbeitet, in dem die Oberfläche des zu strukturierenden Substrates ausreichende Restreflexion liefert. Hierfür können an sich bekannte Autokollimationseinrichtungen genutzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Abstandsmessung ist die Verwendung von Membranen nach dem Gegendruckverfahren. Eine weitere Möglichkeit ist in der unteren Teilfigur von 3 schematisch dargestellt. Das dortige Abstandsmesssystem 185 umfasst mehrere freiliegende Düsen 186, durch die unter geeignetem Druck ein Gas auf die Oberfläche 187 des zu strukturierenden Substrates geblasen wird. Die Erfassung des Gegendruckes liefert ein Abstandssignal. Dadurch ist es möglich, ein Abstandsmesssystem bereitzustellen, dessen Empfindlichkeit mit abnehmendem Abstand zur Oberfläche 187 zunimmt.
Weitere Messmöglichkeiten ergeben sich bei Verwendung von Ultraschallsensoren. Im übrigen kann im Rahmen der Erfindung jedes bekannte Abstandsmessverfahren, gegebenenfalls nach geeigneter Anpassung an die entsprechende Stempellithografievorrichtung, genutzt werden. Beispiele für Abstandsmesssysteme sind in den internationalen Patentanmeldungen WO 02/08835 A2, WO 02/10721 A2 und WO 02/067055 A2 offenbart, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.
Das Zufuhrsystem 180 erlaubt eine hochgenau kontrollierbare Annäherung und Relativpositionierung von Stempel und Substrat, wobei im Zusammenspiel mit dem Alignment- und Abstandsmesssystem ein kontrolliertes Absenken des Stempels und ein kontrolliertes Abheben ermöglicht werden. Ein Antriebssystem für größere, hochgenau kontrollierte Hubbewegungen des Stempels umfasst bei der Ausführungsform drei Linearmotoren 181, die sternförmig mit einem Winkelabstand von 120° symmetrisch um eine zentrale Achse des Stempels bzw. des Rahmens angeordnet sind, um die resultierende Kraft mittig in den Stempel einzuleiten. Um die Kraft symmetrisch möglichst gleichartig über alle drei Linearmotoren zu verteilen, sind die im Beispielsfall elektrisch betriebenen Linearmotoren in Reihe geschaltet, um jeweils die gleiche Linearkraft in z-Richtung zu erzeugen. Jeder Linearmotor hat einen fest mit dem Rahmen 101 verbundenen Stator 182 und einen relativ zum Stator linear verschieblichen Translator 183, der in Antriebseingriff mit dem Stempel 120 steht. Eine Relativbeweglichkeit des Stempels zum Rahmen in z-Richtung wird im Beispielsfall durch eine zwischen Rahmen und Stempel eingebaute Elastizität erreicht, die in 2 schematisch durch die elastisch verformbaren Elemente 162 bereitgestellt wird. Zum Aufbau des Antriebssystems mit Linearmotoren kann auf monolithische, d.h. einstückige Bauteile zurückgegriffen werden. Einen Stator 182 kann mit dem Gehäuse verbunden oder selbst Bestandteil des Gehäuses, also einstückig mit diesem ausgebildet sein. Ein Translator kann, gegebenenfalls gelenkig, mit einer nicht näher dargestellten Stempelaufnahme fest verbunden sein oder Bestandteil der Stempelaufnahme selbst sein. Linearmotoren erlauben sehr kurze Verfahrwege bis hin zum Verfahrweg null, so dass im Extremfall lediglich eine (vollständig reversible) Hooksche Kompression innerhalb der Bauteile für den Stempelhub ausreichen kann. Bei geeigneter Konstruktion wird eine in z-Richtung gerichtete Kraft auf den Stempel ausgeübt, die eine kontrollierte Bewegung Richtung Substrat oder vom Substrat zurück ermöglicht. Diese Kraft kann durchaus zwischen 500 N und 20.000 N liegen. Durch die Reihenschaltung der Linearmotoren ist eine symmetrische Kraftverteilung und in Verbindung mit der sternförmigen Anordnung ein kippsicherer Antrieb in z-Richtung geschaffen.
Möchte man mit weniger als drei Linearmotoren arbeiten, so sollte ein einzelner Linearmotor vorgesehen sein, der koaxial zu einer zentralen Stempelachse wirkt und die komplette Kraft aufbringt. Hierbei ist es nützlich, wenn möglichst dicht oberhalb des Stempels ein gesondertes Gelenk oder ein monolithisches Gelenk vorgesehen ist, um eine geringfügige Schwenkbewegung zwischen Translator und Stempel zu ermöglichen. Bevor die volle Kraft des Linearmotors beim Strukturierungsvorgang einsetzt, sollte die Stempelunterseite durch geeignete Ausrichtantriebe winkelgerecht zur Waferoberfläche ausgerichtet sein. Dies kann beispielsweise durch ein oder mehrere piezoelektrische Elemente erreicht werden, die zwischen Stator bzw. Rahmen und Stempel angeordnet sind.
Es ist auch möglich, die für den Prägevorgang erforderliche Stempelkraft über Fluiddruck, insbesondere über Flüssigkeitsdruck hydraulisch bereitzustellen. Dabei können ein oder mehrere Druckzylinder mit Kolben die notwendige Kraft bereitstellen. Hydraulikzylinder, beispielsweise drei sternförmig angeordnete Zylinder analog zu 2, können in analoger Weise in Reihe geschaltet sein, um einen gleichmäßigen Druck und einen kippfreien Vorschub zu ermöglichen.
Das Absenken und Anheben des Stempels wird bei einer bevorzugten Variante des Strukturierungsverfahrens in mehreren Phasen vorgenommen. Die erste Phase ist gekennzeichnet durch einen relativ schnellen Vorschub des Stempels in Richtung Substrat, bis ein relativ geringer Abstand von wenigen Mikrometern zwischen den Vorsprüngen der Stempeloberfläche und der zu strukturierenden Oberfläche erreicht ist. Dieser Vorschub kann durch Relativbewegung zwischen Substrathalter und Rahmen in z-Richtung erreicht werden, indem der Rahmen als ganzes abgesenkt und/oder der Substrathalter angehoben wird. In einer zweiten Phase werden die letzten Mikrometer bis zum Berührungskontakt zwischen Stempeloberfläche und Substratoberfläche mit geringerer Geschwindigkeit verfahren, wobei hier mit Hilfe des Abstandsmesssystems und des Alignmentsystems eine besonders intensive und genaue Regelung der lateralen Position und der Winkellage des Stempels zum Wafer durchgeführt wird. Eine konstruktiv vorgesehene Elastizität der Zuführeinrichtung in Zufuhrrichtung begrenzt die Stempelkraft beim Vorgang des Aufsetzens auf die Prägesubstanz auf sehr geringe Werte, beispielsweise auf einige wenige N. Dadurch sind Beschleunigungen und Schwingungen, die das Substrat und die Substrathalterung schädigen könnten, minimiert.
In einer dritten Phase wird die eigentliche, für den Prägeprozess nötige Stempelkraft eingebracht, die den Stempel unter hohen Druck in die verformbare und strukturierbare Prägesubstanz 142 eindrückt. Der Druck kann hier Werte in der Größenordnung von 200 bar oder darüber erreichen. Gleichzeitig kann der Stempel durch eine nicht gezeigte Heizeinrichtung beheizt werden, so dass, gegebenenfalls unterstützt durch eine Belichtung mit energiereicher UV-Strahlung, der chemische Prozess der Aushärtung in der Prägesubstanz eingeleitet wird. In Abhängigkeit von der Art der Verfahrensführung kann es hier zu einem Aushärtprozess kommen, bei dem permanente Vernetzungen im Resistmaterial stattfinden. Um den Prozess zu optimieren, können Druck und Temperatur ergänzend eingestellt werden, wobei normalerweise geringere Drücke mit höheren Temperaturen kombiniert werden. Geeignete Drücke können beispielsweise zwischen 10 und 25 bar liegen, geeignete Temperaturen zwischen ca. 50°C und ca. 180°C.
Bei der in 2 gezeigten Verfahrensführung wird auf eine Belichtung mit UV-Strahlung völlig verzichtet. Für die Stempelbelichtungslithografie mit Hilfe transparenter Stempel kann die Stempellithografievorrichtung auch eine für eine Bestrahlung des Stempels von seiner Rückseite in Richtung Stempeloberfläche konfigurierte Beleuchtungseinrichtung enthalten.
Da hohe Temperaturen beim Prägeprozess für das Matching, d.h. die Anpassung an nachfolgende Prozessschritte problematisch sein können, wird bei der gezeigten Ausführungsform auf eine Beheizung verzichtet, so dass der Strukturierungsprozess bei Umgebungstemperatur stattfinden kann. Die erforderlichen höheren Drücke können durch die Linearmotoren bereitgestellt werden. Eine intensive UV-Belichtung kann optional vorgesehen sein.
Nach dem Strukturierungsprozess, bei welchem eine negative Form der Stempeloberfläche als Prägeabdruck bzw. als Stempelabdruck in der Prägesubstanz entsteht, muss der Stempel wieder aus der Prägesubstanz gelöst werden. Dieser Vorgang kann wie folgt durchgeführt werden. Zunächst wird die große Prägekraft zurückgefahren, bis die oben erwähnte Haltekraft von wenigen N übrig bleibt, wobei der Stempel jedoch noch voll in Berührungskontakt mit der Prägesubstanz steht. Die laterale Regelung und Winkelkontrolle bleibt aktiv. Vorzugsweise wird eine Lösebewebung über piezoelektrische Elemente oder andere Mikroantriebe eingeleitet. Dazu ist sorgfältig auf die Vermeidung von Verkippungen und damit auf eine Entstehung eines gleichmäßig breiter werdenden Spaltes zu achten. Hat der Spalt eine Spaltbreite von wenigen Mikrometern erreicht, wird in einer fünften Phase eine schnellere Rückzugbewegung vollzogen, bis der Stempel in seine Ausgangsposition wenige Millimeter oberhalb des Wafers zurückgezogen ist. Diese Bewegung kann im Ausführungsbeispiel sowohl durch die Piezoelemente, als auch durch die Linearmotoren oder durch eine Kombination beider Antriebsarten bewirkt werden. Durch die Rückzugsbewegung kann ein Sicherheitsabstand zwischen Stempel und Substrat erreicht werden, der verhindert, dass ungewollt über die strukturierte Oberfläche hinausstehende Reste an der Stempeloberfläche verbleiben und diesen kontaminieren können. In einer sechsten Phase wird schließlich der Wafer seitlich wegbewegt, um entweder einen neuen Bereich seiner Oberfläche zu strukturieren oder um den Wafer komplett auszuwechseln.
Es kann somit insbesondere ein Stempellithografieprozess durchgeführt werden, bei dem unter lateraler Regelung mit geringer Kraft der Kontakt zur Prägesubstanzoberfläche auf dem Substrat hergestellt wird und danach erst eine größere wirksame Einpresskraft einsetzt, also eine mehrstufige, insbesondere zweistufige Annäherung. Entsprechend kann das Abheben unter lateraler Regelung mit geregelter Kraft durchgeführt werden, nachdem die große Einpresskraft zurückgenommen wurde. Dabei kann der Annäherungsvorgang mit nicht-konstanter Geschwindigkeit durchgeführt werden, wobei vorzugsweise eine schnelle Annäherung über eine größere Distanz und eine langsamere, geregelte Annäherung über eine geringere Distanz stattfinden kann. Auch das Abheben kann mit nicht-linearer Geschwindigkeit durchgeführt werden. Günstig ist es, wenn eine geringe Entfernung mit einer geringeren Geschwindigkeit und eine größere Entfernung mit einer größeren Geschwindigkeit korreliert. Beispielsweise können schnelle Zufuhr- oder Rückzugsbewegungen mit Geschwindigkeiten im Bereich zwischen 10 und 27 m/s stattfinden, für langsame, geregelte, gegebenenfalls kontakt herstellende und kontaktlösende Bewegungen können im Mittel Geschwindigkeiten zwischen 0,05 m/s und 0,8 m/s vorteilhaft sein. Die Kontaktbewegung kann mit einer passiven Kraft von weniger als 35 N durchgeführt werden, während die Prägekräfte für eine Flächenpressung günstigerweise so groß sind, dass Flächendrücke zwischen 12 und 270 bar auftreten können. Prägevorgänge bei Raumtemperatur, beispielsweise zwischen 20 und 24°, insbesondere zwischen 21,5 und 22,5°, sind möglich. Die Vortriebsachse des Einzelantriebes sowie die Stempelachse sollten co-linear in Richtung Schwerkraft ausgerichtet sein.
Stempellithografieeinrichtungen gemäß der Erfindung zeichnen sich durch ein effizientes System zur schnellen und hochgenauen Stempelauswechslung aus. Die Erfinder haben erkannt, dass ein effizienter, automatisierbarer Wechsel eine wesentliche Voraussetzung für einen flexiblen Einsatz von Stempellithografieanlagen und für eine kostengünstige Massenproduktion strukturierter Bauteile ist. Die korrespondierenden Komponenten sind einerseits die Stempel, die gegebenenfalls durch besondere konstruktive Maßnahmen für eine schnelle Ein- und Auswechselung optimiert sein können, und andererseits eine geeignete Stempelhalterung, um einen Stempel in der Arbeitsposition zu halten.
4 zeigt in zwei gesonderten Teilbildern verschiedene Ausführungsformen von Stempelhalteeinrichtungen, die als Magnethalter ausgebildet sind und eine lagegesicherte Aufnahme eines Stempels an der Stempelhalteeinrichtung ausschließlich über magnetische Kräfte ermöglichen. Die magnetische Stempelhalteeinrichtung 200 umfasst Halteelemente 201, 202, die mit dem Rahmen der Prägevorrichtung fest verbunden oder beweglich bzw. elastisch nachgiebig mit dem Rahmen gekoppelt sein können. Im linken Teilbild hat das Halteelements 201 einen Permanentmagneten 202, dessen Nordpol zur unteren, ebenen Haltefläche des Stempelhalters weist. Ein korrespondierender Stempel 220 hat in seinem Außenbereich außerhalb der aktiven Stempel oberfläche einen korrespondierenden Permanentmagneten 222, der so gepolt ist, dass sich bei Annäherung der Permanentmagneten eine anziehende, magnetische Kraft entwickelt, die den Stempel zuverlässig und lagegesichert an den Stempelhalter zieht und dort festhält. Zur Unterstützung einer lagegenauen Ankopplung können geeignete Formschlusselemente, z.B. Rastnasen und korrespondierende Ausnehmungen am Halteelement und am Stempel vorgesehen sein. Die rechte Teilfigur zeigt eine Alternative, bei der in einer Ausnehmung des Stempels 230 außerhalb der aktiven Stempelfläche ein Element 232 aus einem beispielsweise eisenhaltigen, magnetisierbaren Material eingebaut ist. Im korrespondierenden Halteelement 202 ist ein von außen elektrisch ansteuerbarer Elektromagnet 234 angeordnet, der im eingeschalteten Zustand den Stempel mit Hilfe des magnetisierbaren Elementes an die Halteeinrichtung heranzieht und im ausgeschalteten Zustand den Stempel freigibt.
Andere Ausführungsformen wirken über mechanische Haltekräfte zwischen Stempelhalter und Stempel, wobei beispielsweise eine ausschließlich über Reibschluss wirkende Klemmhalterung genauso möglich ist wie ausschließlich formschlüssig arbeitende Halterungen, z.B. mit Schwenkhebel oder dergleichen. Auch Halteeinrichtungen, bei denen Formschluss und Kraftschluss zusammenwirken, sind möglich. Weiterhin kann die Haltekraft mit Hilfe von Fluiddruck erzeugt werden.
Anhand der schematischen Darstellung in 5 wird eine Ausführungsform einer Unterdruck-Stempelhalteeinrichtung 300 erläutert. Diese hat einen Stempelhalterblock 301 mit einer ebenen Unterseite 302, die als Ansaugfläche für einen (im Beispiel geringfügig biegsamen) Stempel 320 dient. Innerhalb des Blockes 301 verlaufen zahlreiche Kanäle 303, die an der Stempelhalterfläche 302 in einem regelmäßigen Raster münden und zu einem gemeinsamen Unterdruckerzeuger, beispielsweise einer angeschlossenen Vakuumpumpe führen. In jedem der Kanäle ist ein elektrisch steuerbares Ventil 304 angebracht, wobei die Ventile unabhängig voneinander zwischen Sperrkonfiguration und Durchlasskonfiguration umschaltbar sind.
Die korrespondierenden Stempel müssen eine zur Halterunterseite 302 komplementäre, im Beispielsfall ebene Rückseite 321 haben, wobei gegebenenfalls am Stempelhalter und am Stempel korrespondierende Vorsprünge und Ausnehmungen vorgesehen sein können, um eine lagegesicherte Ankopplung des Stempels und einen Verdrehschutz zu bewirken. Zum Ankoppeln eines Stempels an die freie Stempelhalterunterseite werden die Saugkanäle auf Durchlass geschaltet, so dass ein an die Unterseite des Stempelhalters herangeführter Stempel großflächig angesogen und fest am Stempelhalter gehalten wird. Für eine Freigabe kann durch Schließen der Ventile die Saugwirkung abgestellt werden, so dass der Stempel mit geringer Kraft vom Stempelhalter abgenommen werden kann. Gegebenenfalls kann eine Umstellung zwischen Saugwirkung und Blaswirkung vorgenommen werden, um das Abkoppeln eines Stempels vom Halter zu unterstützen.
Bei Verwendung eines dünnen, in sich leicht verbiegbaren Stempels ist mit Hilfe eines solchen Halters auch ein besonders günstiger Ablöseprozess zwischen dem Stempel und der geprägten Substanz nach dem Prägeschritt möglich. Hierbei wird eine Art Abschälbewegung (peeling) ermöglicht. Dazu werden alle Saugkanäle bis auf eine Reihe im Randbereich links geschlossen. Es erfolgt nun eine Abhebebewegung im μm-Bereich. Sukzessive werden die weiteren Saugkanäle von links nach rechts wieder geöffnet und die dünne Stempelmatrix schälend aus dem Resist gelöst. Dadurch wird es möglich, den Stempel sukzessive entlang eines relativ schmalen, linienhaften Ablösebereiches von der geprägten Struktur abzuziehen, wobei der Ablösebereich langsam über die geprägte Struktur wandert. Im Gegensatz zu einer an allen Stellen gleichzeitigen Abhebung, die relativ große Abhebekräfte erfordert, sind hier die für ein Ablösen erforderlichen Kräfte wesentlich geringer, wodurch eine schonende Abhebung ermöglicht wird, die durch flächenhaftes Ausreißen bewirkte Strukturdefekte an der geprägten Struktur vermeidet.
Für einen schnellen, kontinuierlichen Fertigungsprozess ist es erforderlich, Stempel schnell und zuverlässig in die Arbeitsposition an der Stempellithografievorrichtung zu bringen und aus dieser zu entfernen. Hierzu haben erfindungsgemäße Stempellithografievorrichtungen eine Stempelwechseleinrichtung, die einen schnellen und sicheren Wechsel ermöglicht. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass ein einachsig oder mehrachsig gelagerter Greifarm einen Stempel in der Arbeitsposition z.B. mittels Unterdruck ergreift und ihn nach außen, beispielsweise in ein Magazin, verlagert, um sich danach einen anderen, beispielsweise gleich gestalteten Stempel zu greifen und in die Arbeitsposition zu bringen.
Besonders günstig sind Mehrfachwechsler mit mindestens zwei Stempelaufnahmen, die es ermöglichen, einen Stempel aus der Arbeitsposition in eine Außenposition zu bringen und gleichzeitig die Stempellithografievorrichtung neu zu beschicken, indem ein zweiter Stempel zeitlich parallel zur Entnahme des ersten Stempels zur Arbeitsposition gebracht wird. Die 6 und 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Zweifachwechslern mit genau zwei Stempelaufnahmen. Die Stempelwechslereinrichtung 400 ist als Zweifach-Wechsler ausgebildet, der einen um eine vertikale Drehachse 401 drehbaren Doppelarm 402 hat, an dessen Enden gegengleich ausgebildete Stempelaufnahmeeinrichtungen 403 sitzen. Die Stempelaufnahmeeinrichtungen sind als Greifeinrichtungen ausgestaltet und umfassen jeweils einen einstückig mit dem Wechselarm 402 ausgebildeten Stützabschnitt 404 und einen linear relativ zum Stützabschnitt beweglichen Greifarm 405, der durch einen (nicht gezeigten) Antrieb quer zur Radialrichtung des Wechslers so bewegt werden kann, dass in Zusammenarbeit mit dem Stützabschnitt eine sich öffnende und schliessende Greifbewegung nach Art einer Zangenbewegung möglich ist. Zwischen den einander zugewandten, ebenen Stützflächen des hierdurch gebildeten Greiforgans kann ein Stempel 420 lagedefiniert fest aufgenommen bzw. freigegeben werden.
Der Stempelwechsler 400 kann so betrieben werden, dass er den für den Prägevorgang vorgesehenen, in die Arbeitsposition verlagerten Stempel für den Stempelprozess durch Öffnen seiner Zange freigibt. Es ist auch möglich, dass der Wechsler während des Prägevorgangs in Eingriff mit dem Stempel bleibt und dessen Hubbewegung beim Prägevorgang mitmacht. Hierzu kann der Stempelwechsler axial federnd gelagert sein, um eine Bewegung entlang seiner Drehachse 401 zu ermöglichen.
7 zeigt schematisch andere Möglichkeiten der Stempelhalterung an einem Zweifachwechsler 500, wobei hier an beiden Seiten des Wechslers unterschiedliche Konstruktionen für eine federnde Lagerung von Stempeln an der Stempelwechseleinrichtung gezeigt sind. Die links gezeigte Stempelaufnahme 503 hat in einer U-förmigen Öffnung des Wechslerarms zwei Führungsschienen 504, deren einander zugewandten Innenkonturen derart an entsprechenden Außenkonturen eines Stempels 520 angepasst sind, dass ein Stempel beim Beschicken des Stempelwechslers von außen zwischen die Schienen eingeführt und bei Entladen des Stempelwechslers aus der Schienenführung heraus in Radialrichtung des Stempelwechslers bewegt werden kann. Die Führungsschienen 504 sind gegenüber dem zweiarmigen Wechslerarm 502 federnd bzw. elastisch nachgiebig angebracht, was durch die schematisch gezeigten Federn 505 oder durch eine andere geeignete nachgiebige Halterung, beispielsweise über monolithische Gelenke oder dergleichen, erreicht werden kann.
Bei der rechts gezeigten Stempelaufnahmeeinrichtung 510 sind die Führungsschienen 511, die ein Herausnehmen und Einfügen eines Stempels am Wechslerarm erlauben, direkt mit dem Wechslerarm verbunden, wobei die vorteilhafte Elastizität zwischen Wechslerarm und Stempel durch Federelemente 512 oder andere elastisch nachgiebige Lagerungen ermöglicht werden, mit denen am Stempel angebrachte Halteelemente 515 relativ zum Wechslerarm beweglich gelagert werden.
Beide Ausführungsformen einer Stempelwechseleinrichtung bieten während des Prägevorgangs im wesentlichen keine in Prägerichtung oder quer dazu wirkenden Haltekräfte. Trotzdem ermöglichen sie eine lagegenaue Positionierung von Stempeln in der Arbeitsposition und ein sicheres und schnelles Andocken an die Feinjustiereinheit. Der Stempel wird zugeführt, die Zuführeinheit kann eine aktive Greifbewegung durchführen und setzt den Stempel in die Feinjustiereinheit ab und gibt ihn frei. Der Stempel kann auch während des Prägevorgangs mit der Feinjustiereinheit verbunden bleiben. Dann ist ein Absenkvorgang der Stempelwechseleinrichtung in die Feinjustiereinheit angezeigt. Das Eigengewicht des Stempels übertreffende Kräfte können bei der Ausführungsform gemäß 7 in eine Relativbewegung zwischen Stempel und Stempelwechseleinrichtung umgesetzt werden, weil der Stempel im wesentlichen federnd im Wechsler gehalten wird.
Bei den Stempelwechseleinrichtungen gemäß 1, 6 und 7 sind die Stempel jeweils karussellartig gelagert, wobei jeweils genau zwei Karussellplätze vorgesehen sind. Es können jedoch auch mehr als zwei Stempelaufnahmeeinrichtungen an einer Stempelwechseleinrichtung vorgesehen sein (vgl. 10). Solche Karussell- bzw. Revolvereinrichtungen bieten besonders hohe Wechselgeschwindigkeiten. Neben einer ebenen bzw. planaren Karusselleinrichtung (Stempelwechseleinrichtung wie in 8) sind auch kegelige oder zylindrische Einrichtungen möglich, die räumliche Vorteile bringen können, weil die außerhalb der Arbeitsposition liegenden Elemente des Stempelwechslers zum empfindlichen Substrat einen größeren Abstand haben können. Bei den schematischen Darstellungen von Stempelwechseleinrichtungen 550 und 570 in 8 und 9 ist die Arbeitsposition des Stempels jeweils links und die für eine Stempelbeschickung oder Stempelentnahme vorgesehene Außenposition jeweils rechts gezeigt.
Die linke Teilfigur von 10 zeigt eine mit acht Stempelaufnahmen ausgestattete Stempelwechseleinrichtung 580 in ebener Ausführung, bei der die Prägerichtung (z-Richtung) der zugeordneten Prägevorrichtung parallel zur Drehachse 581 des Wechslers verläuft. In der rechten Teilfigur ist eine reifenförmige Stempelwechseleinrichtung 590 gezeigt, bei der zwei oder mehr Stempel mit radial nach außen gerichteten Stempeloberflächen angeordnet sind, wobei sich der Stempelwechsler um eine horizontale Drehachse 591 drehen kann. Diese steht senkrecht auf der Prägerichtung 592. Wenn eine belichtungsunterstützte Prägung gewünscht ist, kann innerhalb des Ringes ein Spiegel 593 vorgesehen sein, der die Belichtungsstrahlung 594 in Richtung 592 zum aktiven, in der Arbeitsposition befindlichen Stempel lenkt.
In 11 ist eine Inspektionseinrichtung 600 gezeigt, die zur laufenden Qualitätskontrolle von Stempeln verwendet wird. In einem nicht gezeigten Gehäuse mit Reinraum-Atmosphäre ist ein vor- und zurückbewegbares Förderband 601 installiert, mit dem Stempel 620, 620' zwischen einem von einem Roboter beschickbaren Übergabepunkt 602 und dem Erfassungsbereich verschiedener optischer Inspektionsmodule hin- und herbewegt werden können. Bei einer Ausführungsform ist ein Inspektionsmodul 610 vorgesehen, bei dem die aktive Stempeloberfläche eines Stempels 620 mit Hilfe eines Objektivs 611 hoher Vergrößerung und typischen numerischen Aperturen von mehr als 0,5 bis 0,95 bedienerunabhängig optisch erfasst wird. Ein telezentrischer Prüfstrahlengang ist hier vorteilhaft, um innerhalb des Gesichtsfeldes der Prüfeinrichtung identische Prüfbedingungen zu erzeugen. Ein Bild der Stempeloberfläche fällt auf einen CCD-Chip 612, der an eine Auswerteeinheit 613 angeschlossen ist, um ein digitales, vergrößertes Bild der Stempeloberfläche bzw. von Bereichen der Stempeloberfläche zu erzeugen. Die Auswerteeinheit 613 ist an einen Bildverarbeitungsrechner angeschlossen, in dem die vom Stempel 620 stammende Bildinformation daraufhin analysiert wird, ob die Stempeloberfläche Verunreinigungen, Beschädigungen oder andere die Stempelqualität beeinträchtigende Schäden aufweist. Der Auswerteprozess ist bei manchen Ausführungsformen automatisiert. Bei anderen Ausführungsformen wird ein gegebenenfalls mit Hilfe von Falschfarben oder anderen Techniken bearbeitetes Bild an einem Bildschirm ausgegeben, so dass ein ausgebildeter Bediener die Analyse durchführen kann. Abhängig vom Ergebnis der Analyse wird dem Stempel 620 ein Inspektionswert zugeordnet. Entspricht dieser einer einwandfreien Stempelqualität, so kann der Stempel über den Übergabepunkt 602 mit Hilfe eines Roboters oder dergleichen direkt zum Prägeprozess zurückgeführt werden. Auch eine Zwischenspeicherung intakter Stempel in einem Magazin oder dergleichen ist möglich. Entspricht der Inspektionswert einem verunreinigten und/oder beschädigten Stempel, so wird die Anlage so gesteuert, dass dieser Stempel entweder einer Reinigung zugeführt oder aus dem Stempelkreislauf abgezweigt wird.
Für höchste Auflösungen des Inspektionsmoduls 610 kann dieses mit Arbeitswellenlängen im UV-Bereich arbeiten, beispielsweise bei 193 nm, 248 nm, 365 nm, 405 nm oder mit breitbandiger UV-Strahlung bzw. Excimerstrahlung. Inspektionen mit sichtbarem Licht sind ebenfalls möglich.
Das Inspektionsmodul 630, das ebenfalls eine bedienerunabhängige Inspektion ermöglicht, umfasst einen Sender 631 zur Abgabe von auf die Stempeloberfläche gerichteter Inspektionsstrahlung sowie einen Detektor 632 zur Erfassung der von der Stempeloberfläche reflektierten Inspektionsstrahlung. Der Sender und der Empfänger sind an eine Auswerteeinheit 613 angeschlossen, die die Information über die Stempelqualität zur Weiterleitung an einen Zentralrechner aufarbeitet. Die Inspektionsmodule 610, 630 können alternativ oder in Kombination verwendet werden.
Bei anderen Ausführungsformen umfasst die Inspektion ausschließlich oder zusätzlich eine visuelle Kontrolle über einen geeignet geschulten Bediener 640, der die Stempeloberfläche entweder mit bloßem Auge oder über optische Hilfsmittel, beispielsweise ein Mikroskop 641 beobachtet und qualifiziert. Um Beschädigungen und Verunreinigungen besser erkennen zu können, kann eine spezielle Beleuchtung vorgesehen sein. Ein Kippmanipulator zum mehrachsigen Verschwenken eines Stempels kann die Untersuchung vereinfachen.
Anhand von 12 wird eine besonders effiziente Methode der Stempelinspektion schematisch erläutert. Bei der Inspektionseinrichtung 700 wird bedienerunabhängig ein Vergleich zwischen der Stempeloberfläche eines zu untersuchenden Stempels 720 und einer Referenz-Stempeloberfläche eines Muster-Stempels durchgeführt, der eine zum untersuchten Stempel 720 identische Struktur der Stempeloberfläche besitzt und frei von Verunreinigungen und Beschädigungen ist. Ein holographisches Bild der Soll-Stempeloberfläche ist in einem Hologramm 721 kodiert. Zur Inspektion wird die zu untersuchende Stempeloberfläche senkrecht mit kollimiertem Laserlicht 722 bestrahlt. Das schräg eingestrahlte Untersuchungslicht 723 durchtritt das Hologramm 721 und wird an der Stempeloberfläche reflektiert. Die im Hologramm gespeicherte Bildinformation wird mit der Stemepoberfläche phasenrichtig überlagert und fällt auf die rotierende Mattscheibe 726. Das auf diese Weise interterometrisch erfasste Vergleichsbild wird über eine geeignete Optik 724 in eine Kamera 725 geleitet, die die Bildinformation für eine Weiterverarbeitung aufbereitet. Durch den Vergleichsprozess sind in der erhaltenen Bildinformation Verunreinigungen, Beschädigungen und andere in einer unverletzten Referenzoberfläche nicht vorhandene Störungen besonders zuverlässig und leicht zu identifizieren. Die Auswertung der von der Kamera kommenden Bildinformationen kann visuell oder rechnergestützt erfolgen, wobei eine digitale Bildverarbeitung für eine schnelle und gute reproduzierbare Inspektion besonders vorteilhaft ist.
Anhand von 13 wird eine Möglichkeit einer indirekten Inspektion der Stempeloberfläche schematisch dargestellt. Bei dieser Verfahrensvariante wird durch geeignete Replikationstechnik ein Abguss oder Abdruck 821 der aktiven Stempeloberfläche des Stempels 820 erzeugt. Nach Ablösen der negativen Form der Stempeloberfläche vom Stempel wird die durch den Stempel strukturierte Oberfläche der Replika 821 untersucht. Für die Untersuchung des Stempelabdrucks können alle auch für die direkte Untersuchung von Stempeloberflächen vorgesehenen Techniken eingesetzt werden.
Anhand der 14 bis 17 wird eine Auswahl von Möglichkeiten für eine effiziente Stempelreinigung erläutert. Die Reinigungseinrichtung 900 in 14 ermöglicht eine effiziente Reinigung der aktiven Stempeloberfläche eines Stempels 920 über intensiven Berührungskontakt mit einer bandförmigen Reinigungsfolie 921, deren stempelzugewandte Oberfläche so optimiert ist, dass Verunreinigungen an der Reinigungsoberfläche haften bleiben. Die Reinigungseinrichtung umfasst eine umlaufende Reinigungsfolie 921, die selbst kontinuierlich gereinigt und für weitere Reinigungsprozesse reaktiviert wird. Im Stempelreinigungsbereich ist auf der Seite der aktiven Reinigungsoberfläche der Folie eine Stempelandruckeinrichtung 922 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Gegendruckelement 923 mit einer ebenen, elastisch leicht nachgiebigen Andruckfläche vorgesehen. Für eine Stempelreinigung wird die intermittierend antreibbare Reinigungsfolie kurzzeitig angehalten und der Stempel mit seiner aktiven Stempeloberfläche an die Reinigungsseite der Folie 921 so stark angepresst, dass das Folienmaterial in großflächige Berührung mit der strukturierten Stempeloberfläche gerät und dort vorhandene Verunreinigungen erfassen kann. Nach Abheben des Stempels wird die Folienbewegung fortgeführt und die Folie trägt in einem verunreinigten Folienabschnitt die Verunreinigungen 924 mit sich.
Nach dieser physikalischen Reinigung der Stempeloberfläche wird die umlaufende Folie wieder aufgearbeitet. Hierzu umfasst die Reinigungseinrichtung in Durchlaufrichtung der Folie eine Folienreinigungseinrichtung 925, beispielsweise in Form eines Reinigungsbades, eine Trocknungsstrecke 926, in der das Folienmaterial erwärmt und gedehnt wird, und eine nachfolgende Stauchungsstrecke 927, in der das Folienmaterial in einen für eine weitere Reinigung optimierten Zustand zurückgeführt wird. In dem Reinigungsbad 925 werden zunächst die vom Stempel kommenden Verunreinigungen physikalisch und/oder chemisch von der Folie gelöst, wobei dieser Reinigungsprozess durch Ultraschall unterstützt werden kann. Die nachfolgende Restauration der Reinigungsfolie ermöglicht es, die vernetzten Moleküle des Folienmaterials neu zu orientieren. Der Prozess kann durch eine leicht reversible mechanische Streckung des Folienmaterials und über Erwärmung desselben unterstützt werden. Auf diese Weise können insbesondere thermoplastische Kunststoffe, wie Polyethylen, für eine vielfache Verwendung als Reinigungsfolie genutzt werden.
15 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der die Reinigung der aktiven Stempeloberfläche eines Stempels 940 eine Bestrahlung mit hartem UV-Licht umfasst, das von einer UV-Lampe 941 eingestrahlt wird. Durch diese Bestrahlung können an der Stempeloberfläche haftende Reste von polymerem Resistmaterial versprödet werden, so dass eine nachfolgende Beseitigung der Verunreinigungen, beispielsweise durch die oben beschriebene Folienreinigung, durch Wegblasen oder auf andere Weise beseitigt werden können.
16 zeigt schematisch die Bestrahlung einer aktiven Stempeloberfläche eines Stempels 960 mit ionisiertem Reinigungsgas, beispielsweise ionisiertem Argon.
In 17 ist die Variante einer Reinigungseinrichtung 970 gezeigt, in der ein Stempel 980 mit Hilfe eines flüssigen Reinigungsbades 981 gereinigt wird. Hierzu wird der Stempel 980 mit nach unten gerichteter Stempeloberfläche an einem Stempelhalter 982 befestigt und in eine Reinigungsflüssigkeit 981 getaucht, die Verunreinigungsmaterial chemisch lösen kann, z.B. Aceton, NMP oder dgl.. Der Reinigungsprozess kann physikalisch mit Hilfe von Ultraschall unterstützt werden, der mit einem Ultraschallerzeuger 983 erzeugt wird. Nach Abschluss der Reinigung wird der Stempel aus der Reinigungsflüssigkeit genommen, getrocknet und für die Weiterverarbeitung weitergeleitet.
Anhand 18 wird eine bevorzugte Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines bei der Prägelithographie nutzbaren Stempels erläutert, der sich besonders dadurch auszeichnet, dass seine aktive Stempeloberfläche im wesentlichen frei von zur Stempeloberfläche reichenden Mikrorissen ist. Zunächst wird ein Stempelrohling 1000 auf seiner zur Erzeugung der Stempeloberfläche vorgesehenen Seite 1001 auf Ebenheit bearbeitet. Dies wird durch Zurichten, nachfolgendes Läppen und nachfolgendes Polieren erreicht. Dieser erste Prozessschritt ist zunächst auf schnelle Durchpolitur der Oberflächentopographie mit Kunststoffpolitur optimiert, wobei bezogen auf eine Messwellenlänge von 632 nm typische Oberflächenfehler im Bereich von wenigen Wellenlängen λ oder unterhalb der Wellenlänge λ erreicht werden sollten. Dabei ist die Mikrorauhigkeit zunächst zweitrangig. Es folgt ein Glättprozess, vorzugsweise auf Pech, der zu einer sehr glatten Oberfläche 1002 führt. Dabei ist es durchaus zugelassen, dass die Formtreue der Oberfläche im Bereich der Wellenlänge λ verbleibt. Damit die extrem kleinen Strukturen der Stempeloberfläche, die bis in den Bereich von 20 oder 10 nm reichen können, bei einem Prägevorgang nicht aufgrund von Mikrorissen abbrechen, wird auf die Vermeidung von Mikrorissen besonderer Wert gelegt. Es erfolgt eine Prüfung auf Mikrorisse. Dies wird bei dem Verfahren dadurch erreicht, dass die geglättete Oberfläche in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit Hilfe einer geeigneten Säure 1003, beispielsweise Flusssäure, sehr tief abgeätzt wird. Hierbei können Ätztiefen von wenigen μm bis 0,1 bis 0,2 mm durchaus nützlich sein. Durch diesen Ätzprozess werden zur Oberfläche reichende Mikrorisse 1004 sichtbar. Nachfolgend kann durch feinoptisches Abtragen des mit Mikrorissen durchsetzten Oberflächenbereiches 1005 eine im wesentlichen rissfreie und im wesentlichen ebene Ausgangsoberfläche z.B. von λ/5 bis λ/20 erzielt werden, in die dann die dreidimensionale Struktur der Stempeloberfläche eingebracht wird.
Um ein defektarmes Ausgangsmaterial zu erhalten, können Materialien eingesetzt werden, die mit günstigen Materialspezifikationen bezüglich Einschlüssen, Luftblasen, Korngrenzen oder dergleichen erhältlich sind, z.B. Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder andere Halbleitermaterialien. Das einkristalline Material braucht nicht dotiert zu sein. Eine weitere Lösung für die Materialfrage sind hochglasige, also extrem amorphe optisch transparente Werkstoffe.
Besonders vorteilhaft kann aus der Flamme abgeschiedenes Siliziumdioxid sein, dessen Schichtstruktur möglichst gleichmäßig sein sollte. Vorzugsweise arbeitet die aktive Stempeloberfläche in einer möglichst undurchbrochenen Quarzabscheidungsschicht, so dass die Quarzschichten möglichst parallel zur aktiven Stempeloberfläche liegen sollten. Die Bearbeitung erfasst die Schichtstruktur und legt die Bearbeitungstiefe und Winkellage passend zum Schichtaufbau des Quarzglases fest. Günstige Eigenschaften solcher Quarzglasmaterialien sind mittlere Härte, relative Defektarmut, kleine mechanisch-thermische Ausdehnung und ein großer spektraler Durchlässigkeitsbereich bis hinunter zu ca. 175 nm.
Ebenfalls möglich ist die Verwendung von einkristallinem Quarz, welches noch größere Härte hat und sich durch einen bis hinunter zu 157 nm reichenden Transmissionsbereich auszeichnet. Zu dieser Art von Kristallen mit guter Transmission und brauchbarer Härte zählt auch Magnesiumfluorid, Saphir und Lanthanfluorid. Die Doppelbrechung dieser Kristalle spielt für diesen Anwendungsbereich keine Rolle. Einachsige Kristalle werden vorzugsweise so orientiert, dass sie entlang der aktiven Stempeloberfläche in beide Raumrichtungen dieselbe Ausdehnung unter Druck und/oder Temperatur besitzen. Vorzugsweise wird der Stempel aus einem einachsigen Kristall so gearbeitet, dass die optische Kristallachse nahezu senkrecht zur Stempeleinpressfläche liegt, damit es unter Druck nicht zu unterschiedlichen Querdehnungen kommt. Bei isotropen Kristallen gibt es mehrere geeignete Orientierungen.
Eine wesentliche Voraussetzung für eine kostengünstige Massenfertigung mit Hilfe der Stempellithographie sind hohe Standzeiten der Stempel. Hier kann die Verwendung von Aluminiumoxid (Al₂O₃ bzw. Saphir) vorteilhaft sein. Dies ist ein einachsiger, doppelbrechender Kristall von hoher Härte und Verschleißfestigkeit. Zusätzlich ist es bei Stempeldicken bis zu etwa 10 mm ausreichend transparent für 193 nm Belichtungswellenlänge. Mischkristalle können ebenfalls verwendet werden. Mischkristalle aus ZrO₂+Y₂O₃ oder HfO₂+Y₂O₃ haben sich als vorteilhaft erwiesen. ZrO₂ und HfO₂ werden durch den Anteil Y₂O₃ kubisch stabilisiert.
Anhand 19 werden Ausführungsbeispiele von Stempeln beschrieben, deren aktive Stempeloberfläche teilweise aus einer auf einem Stempelkörper aufgebrachten dünnen Beschichtung besteht, die vor allem die mechanischen Eigenschaften der Stempeloberfläche entscheidend mitbestimmt. Bei der Herstellung des Stempels 1100 in 19(a) wird zunächst auf einen transparenten Stempelkörper 1101 eine wenige Nanometer dicke Schicht 1102 aus einem feinkristallinen, sehr harten Werkstoff aufgebracht, dessen mittlerer Korndurchmesser klein gegen die typischen Strukturgrößen der Stempeloberfläche ist und beispielsweise im Bereich zwischen 5 nm und 10 nm liegen kann. Nach Aufbringen der Schicht auf eine ebene Trägeroberfläche wird auf lithographischem Wege die dreidimensionale Struktur der Stempeloberfläche erzeugt, wobei die Bearbeitungstiefe größer als die Schichtdicke ist, so dass die freiliegenden Vorsprünge der Stempeloberfläche mit einer Beschichtung belegt sind, während die freiliegenden Ausnehmungen beschichtungsfrei sind. Bei der in 19(b) gezeigten Variante eines Stempels 1110 wird zunächst der Stempelkörper 1111 strukturiert, bevor auf die strukturierte Oberfläche eine Beschichtung 1112 aufgebracht wird. Dadurch wird erreicht, dass sowohl die Vorsprünge, als auch die Ausnehmungen mit einer Beschichtung belegt sind, wobei gegebenenfalls Flankenbereiche unbeschichtet bleiben können. Bei der Variante eines Stempels 1120 gemäß 19(c) wird auf einen Stempelkörper 1121 zunächst eine Beschichtung 1122 aufgebracht. Beim Strukturierungsprozess für die Stempeloberfläche wird nur die Beschichtung lokal abgetragen, so dass die Vorsprünge der Stempeloberfläche durch die Beschichtung gebildet werden, während am Boden der Ausnehmungen der Stempelkörper 1121 freiliegt.
Die Verwendung von Beschichtungen, besonders von feinkristallinen Beschichtungen, erlaubt die Fertigung von Stempeln mit Stempeloberflächen höchster Härte, größter Verschleißfestigkeit und großer Defektarmut. Beispielsweise kann die Beschichtung eine verschleißarme Schicht aus extrem feinem, polykristallinem Diamant sein. Es ist auch möglich, eine feinkörnige Verschleißschicht aus geeigneten Schwermetallverbindungen abzuscheiden. Feinkristalline Schichten aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid oder anderen Hartwerkstoffen bzw. Mischungen aus diesen Werkstoffen sind möglich. Dadurch können Stempel geschaffen werden, deren Oberflächen höchste mechanische Härten im Bereich von mehr als 500, 600 oder 700 kg/mm² oder deutlich mehr haben.
Sind die Stempel für die lithographische Stempelbelichtung vorgesehen, so ist auf ausreichende Transparenz des Stempels zu achten. Für solche Fälle können beispielweise Zirkondioxid, Aluminiumdioxid oder Hafniumdioxid als transparentes Material für den Stempelkörper gewählt werden. Die Beschichtungen wie Diamant können mit wenigen Nanometern so dünn sein, dass sie ausreichend transparent sind und eine Belichtung durch die Beschichtungen hindurch zulassen, obwohl sie in einer Dicke von wenigen mm für die vorgesehene Wellenlänge als undurchlässig angesehen werden.
Für beschichtete und unbeschichtete Stempeloberflächen ist es vorteilhaft, wenn die strukturierte Stempeloberfläche 1151 hinterschneidungsfrei ist, um ein Ablösen von strukturierter Prägesubstanz nach dem Prägeprozess zu vermeiden. Günstig ist es, wenn sich die Ausnehmungen der Stempeloberfläche nach außen hin trichterförmig öffnen, wie es für den Stempel 1150 in 20 schematisch gezeigt ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass einige oder alle Seitenflanken der Stempelstruktur einen positiven Flankenwinkel haben.
In 21 ist schematisch ein transparenter Stempel 1200 gezeigt, dessen Stempelkörper 1201 aus kristallinem Quarz hergestellt ist, welches bei Anlegen eines elektrischen Feldes aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes eine Dimensionsänderung in Richtung senkrecht zur strukturierten Stempeloberfläche 1202 erfährt. Die Stempeldicke ist so dimensioniert, dass der ausschließlich piezoelektrisch erzeugte Hub der Stempeloberfläche in der für den Prägeprozess erforderliche Größenordnung liegt, beispielsweise in der Größenordnung zwischen ca. 10 und ca. 100 nm. Der Stempelkörper hat an gegenüberliegenden Seitenflächen elektrische Kontakte 1203, die beim Einsetzen des Stempels in eine Stempelhalteeinrichtung in Kontakt mit gefederten Kontakten 1204 des Stempelhalters treten können, um einen elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Stempels 1200 an die Steuerung der Prägelithographievorrichtung zu ermöglichen. Dadurch, dass bei der gezeigten Ausführungsform die gesamte für den Prägevorgang erforderliche Hubbewegung durch das Stempelmaterial erzeugt werden kann, kann ein gesonderter Antrieb zur Hubbewegung des Stempels entfallen. Aufgrund der Transparenz des Stempelmaterials auch für kurzwellige UV-Strahlung, zumindest bis hinunter zu 193 nm, können Stempel dieser Art sowohl bei der Prägelithographie, insbesondere bei der Heißprägelithographie, als auch bei der lithographischen Stempelbelichtung verwendet werden.
In 22 ist eine schematische Draufsicht auf einen transparenten Stempel 1300 gezeigt. Dieser weist das Stempelmaterial in Längsrichtung durchziehende, zylindrische Kanäle 1301, 1302 auf, durch die im Prägebetrieb zu Temperierungszwecken eine Flüssigkeit geleitet werden kann. Die Flüssigkeit wird hierbei nach dem Gegenstromprinzip durch die Kanäle geleitet, so dass in benachbarten Kanälen 1301, 1302 die Fließrichtung der Flüssigkeit entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch kann zur Vermeidung von Deformationen eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Stempelmaterial und auf der Stempeloberfläche erzeugt werden. Natürlich kann alternativ auch ein Gas als Temperierungsmittel durch die Kanäle geleitet werden.
23 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen transparenten Stempel 1400, bei dem das Stempelmaterial von in Längsrichtung angeordneten, zylindrischen Kanälen 1401 durchzogen wird. In benachbarten Kanälen 1403, 1404 sind jeweils als Temperierungsmittel wirkende Temperierungsdrähte 1403 sowie als Temperaturmesselemente dienende Temperaturmessdrähte 1404 integriert. Mit Hilfe der Temperaturmessdrähte 1404 kann die Temperaturverteilung des Stempels in Querrichtung gemessen und durch den Einsatz der Temperierungsdrähte 1403 gezielt beeinflusst werden. Es kann sich gegebenenfalls als günstig erweisen, wenn manche Kanäle Temperierungsdrähte 1403 aufweisen, während durch andere eine Flüssigkeit zur Temperierung geleitet wird. Es kann auch angezeigt sein, bestimmte Bereiche des Stempels zu kühlen, während andere gleichzeitig beheizt werden.
24 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen transparenten Stempel 1500, bei dem in Längsrichtung verlaufende Kanäle 1501 in das Stempelmaterial eingebracht sind. In jedem einzelnen Kanal ist eine Folge von in gleichem Abstand angeordneten Temperaturregelelementen 1504 angeordnet, die aus jeweils einem dicht nebeneinander platzierten Temperaturmesselement 1503 und Temperierungselement 1502 bestehen. Die Gesamtheit der Temperaturregelelemente 1504 ist hierbei in einer rasterförmigen Anordnung angebracht, so dass der Stempel 1500 gleichmäßig von diesen überdeckt wird. Mit dieser Anordnung können lokale Deformationen des Stempels bis zu einer maximalen oberen Ortsfrequenz korrigiert werden, die von der Anzahl der Temperaturregelelemente und dem Abstand zur aktiven Stempeloberfläche abhängt.
Als elektrische Temperierungsmittel können z.B. Widerstandsdrähte, Widerstandsfolien oder Peltier-Elemente (zur Kühlung) verwendet werden. Eine Kombination aus elektrischer Heizung und intermittieren der oder permanenter Fluidkühlung mittels Gas oder Flüssigkeit ist ebenfalls möglich.
25 zeigt eine Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung 1600 zur Bestrahlung eines Stempels 1606 von seiner Rückseite. Die Beleuchtungseinrichtung 1600 umfasst eine Fokussiereinrichtung 1601 zur Fokussierung der Strahlung auf einen im Vergleich zur Gesamtgröße der Rückseite des Stempels kleinen Bereich und eine Infrarotlichtquelle 1602. Durch Verschiebung der Beleuchtungseinrichtung 1600 oder Verwendung eines Scannerspiegels ist jede Stelle der Rückseite des Stempels für die fokussierte Strahlung erreichbar. Der Stempel 1606 weist einen Stempelkörper 1604, eine aktive Stempelfläche 1605 und eine für Infrarotstrahlung intransparente Schicht 1603 auf. Die von der Beleuchtungseinrichtung 1600 abgegebene Strahlung wird in dieser Schicht absorbiert und führt dort zu einer lokalen Erwärmung. Diese Erwärmung wird durch den vorzugsweise 0,5 mm oder dünneren Stempelkörper 1604 auf die aktive Stempelfläche 1605 übertragen, so dass deren Temperatur lokal erhöht wird und dadurch Deformationen derselben ausgeglichen werden können. Die für infrarote Strahlung undurchlässige Schicht 1603 kann bei Verwendung von Quarzglas als Material für den Stempelkörper 1604 beispielsweise durch Implantation von OH-Ionen realisiert werden. Der Stempel 1606 ist in allen Teilen durchlässig für UV-Strahlung, so dass die Anordnung für die Belichtungsstempellithographie verwendet werden und die in der Figur durch Pfeile veranschaulichte UV-Strahlung zur Aushärtung eines niedrigviskosen Photopolymers verwendet werden kann.
26 zeigt eine Draufsicht auf die Waferstage 151 von 2 mit einem auf dieser positionierten Halbleiterwafer 141, von dem in der Draufsicht nur eine diesen bedeckende dünne Schicht 142 aus polymerem Resist sichtbar ist. Die Waferstage weist zwei Spiegel 1710, 1711 und einen Beleuchtungssensor 1712 auf. In der Waferstage 151 ist eine kreisförmige Öffnung 1715 angebracht, welche eine diese vollständig überdeckende, transparente Referenzplatte 1725 aufweist. Unter dieser Referenzplatte 1725 ist eine Echtzeit-Geometriekontrolleinheit 1720 positioniert. Der nicht bildlich dargestellte Stempel kann zur Kontrolle seiner Oberflächengeometrie über der Öffnung 1715 positioniert werden, indem die Einheit 1720 durch Verfahren der Waferstage unter den in seiner Arbeitsposition gehaltenen Stempel gefahren wird. Die Geometriekontrolleinheit 1720 weist mehrere Positionsoptiken auf, denen jeweils eine Stempelmarke auf der Stempeloberfläche sowie eine Referenzmarke auf der Referenzplatte zugeordnet sind, so dass durch Vergleich von deren Position die Geometrie der Stempeloberfläche und Deformationen derselben ermittelt werden können.
In 27 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Positionsoptik 1860 der Echtzeit-Geometriekontrolleinheit 1720 gezeigt. Diese bildet eine auf der Oberfläche eines Stempels 1800 ausserhalb von dessen aktiver Stempeloberfläche angebrachte Stempelmarke 1810 auf eine erste Detektorfläche 1854 sowie eine korrespondierende, auf der Referenzplatte 1725 angebrachte Referenzmarke 1820 auf eine zweite Detektorfläche 1856 ab. Der Stempel weist zur Positionierung Stempelreferenzmarken 1830 auf, die außerhalb der aktiven Stempelfläche positioniert sind. Als Detektoren eignen sich beispielsweise CCD-Arrays oder Vierquadrantendetektoren.
Die Form der Stempelmarken auf der Stempeloberfläche 1810 sowie auf der Referenzplatte 1820 können aus einer Vielzahl möglicher Formen ausgewählt werden. Wie in 27 gezeigt kann eine Stempelmarke 1810 z.B. ein Vollkreuz, ein Lochkreuz, ein Linienkreuz, ein Kreis, ein Ring, eine Dreiecks-Zielmarke oder eine Raute geeigneter Ausrichtung (hoch oder quer) sein. Bei Verwendung von Vierquadrantendetektoren ist eine kreisförmige Markenform besonders gut geeignet. Die Stempel marke 1810 und die Referenzmarke 1820 können mittig übereinander angeordnet sein, wobei die Referenzmarke 1820 eine kleinere Abmessung als die Stempelmarke 1810 von typischerweise weniger als 50% aufweist. Dies hat messtechnische Vorteile, da die Marken mit hoher Apertur aufgelöst werden müssen. Es ist aber auch möglich, die Stempelmarke und die Referenzmarke leicht lateral versetzt anzuordnen, so dass beide dieselben Abmessungen aufweisen können.
Die Positionsoptik 1860 weist einen Kollimator 1850 auf, der die beiden von den Marken 1810, 1820 kommenden Lichtstrahlen parallelisiert. Die parallelen Strahlen treffen auf einen Umlenkspiegel 1851 und werden an einem sich an diesen anschließenden Strahlteiler 1851 in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Der erste, von der Stempelmarke 1810 herrührende Teilstrahl wird mit einer Fokussierlinse 1853 auf der Detektorfläche 1854 fokussiert. Der zweite, von der Referenzmarke 1820 her kommende Teilstrahl wird durch eine zweite Fokussierlinse 1855 auf die zweite Detektorfläche 1856 fokussiert.
Eine Auswerteeinheit 1870 vergleicht die beiden von den Detektoren 1854, 1856 aufgezeichneten Bilder und errechnet aus deren Versatz Deformationen der Stempeloberfläche, die beim Prägevorgang in die auf einem Substrat aufgebrachte, zu strukturierende Substanz übertragen würden. Mit Hilfe einer ortsauflösenden Temperierung, z.B. gemäß den Darstellungen im Zusammenhang mit 22 bis 25, können diese Geometriefehler kompensiert werden und die Kompensation kann durch die Geometriekontrolleinheit überwacht werden. Ist die Stempelgeometrie wieder optimal eingestellt, kann der nächste Prägeprozess folgen. Es ist somit eine kurzfristige „Echtzeit"-Geometrieanalyse und -Geometrieoptimierung der Stempeloberfläche möglich, wodurch erhebliche Verbesserungen bei Qualität und Ausbeute erzielbar sind.
Um eine möglichst gute Ortsauflösung zu erreichen, sind die Positionsoptiken 1860 im Vergleich zur Stempeloberfläche klein, so dass eine genügend große Anzahl dieser Optiken in der Echtzeit-Geometriekontrolleinheit 1720 angebracht werden kann. Schon mit fünf Optiken können die wichtigsten Verzeichnungsfehler sehr genau bestimmt werden. Wird bei sehr hohen und schwankenden Temperaturen gearbeitet, können die brechenden Linsenelemente auch in Quarzglas und mit Invarfassung ausgeführt werden oder alternativ durch Spiegel in Glaskeramiktechnik ersetzt werden. Die Echtzeit-Geometriekontrolleinheit 1720 kann auch ohne Verwendung einer Referenzplatte zur Vermessung der Geometrie der Stempeloberfläche eingesetzt werden, allerdings gehen dann gegebenenfalls auftretende Positionierungsfehler der Waferstage voll in das Messergebnis ein.

Claims

Stempellithografieverfahren zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels, der einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf dem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz aufweist mit: Bereitstellen eines ersten Stempels in einer Arbeitsposition an einer Stempellithografievorrichtung; Erzeugen mindestens eines Stempelabdrucks in der Prägesubstanz mit Hilfe des ersten Stempels; Automatisches Auswechseln des ersten Stempels mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung aus der Arbeitsposition zur Behandlung des ersten Stempels außerhalb der Arbeitsposition; Automatisches Einwechseln des ersten Stempels oder eines zweiten Stempels mit Hilfe der Stempelwechseleinrichtung in die Arbeitsposition.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 1, bei dem ein erster Stempel in der Arbeitsposition und mindestens ein zweiter Stempel außerhalb der Arbeitsposition angeordnet wird und ein automatischer Austausch des ersten Stempels gegen den zweiten Stempel durch Auswechseln des ersten Stempels und Einwechseln des zweiten Stempels mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Platztausch zwischen dem ersten Stempel und einem zweiten Stempel vorgenommen wird, so dass vor dem Austausch der zweite Stempel und nach dem Austausch der erste Stempel in einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Aussenposition angeordnet ist.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Auswechseln des ersten Stempels und das Einwechseln des zweiten Stempels synchronisiert durchgeführt werden.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Arbeitsbewegungen beim Auswechseln des ersten Stempels und Einwechseln des zweiten Stempels mindestens zeitweise gleichzeitig verlaufen, so dass sich ein Auswechselzeitintervall und ein Einwechselzeitintervall teilweise oder vollständig überlappen.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Behandlung des ersten Stempels in einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Behandlungsposition nach Auswechseln des ersten Stempels aus der Arbeitsposition und/oder vor Einwechseln des ersten Stempels in die Arbeitsposition nach der Behandlung vorgesehen ist.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein automatischer Transfer des ersten Stempels zwischen der Arbeitsposition und der Behandlungsposition und zurück mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 7, bei dem der automatische Transfer mit Hilfe einer Stempelwechseleinrichtung und mindestens einer weiteren, der Stempelwechseleinrichtung zugeordneten Fördereinrichtung für Stempel durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung eines Stempels direkt in einer durch die Stempelwechseleinrichtung errreichbaren Aussenposition durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine durch die Stempelwechseleinrichtung errreichbare Aussenposition eine Übergabeposition ist, von der ein Stempel einer weiteren Behandlung zugeführt wird oder in die ein Stempel nach einer außerhalb des Übergabeortes durchgeführten Behandlung zugeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Behandlung eine Inspektion des ersten Stempels umfasst, bei der der erste Stempel insbesondere auf Verunreinigungen und/oder Schäden im Bereich der Stempeloberfläche und/oder auf Transmissionseigenschaften überprüft wird.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 11, bei dem zur Inspektion die Erzeugung eines, vorzugsweise digitalen, Bildes der Stempeloberfläche und eine Auswertung des Bildes vorgesehen ist.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Auswertung eines Bildes der Stempeloberfläche mit Hilfe mindestens eines computergestützten Bildverarbeitungsverfahrens durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem eine Inspektion einer Stempeloberfläche oder eine Auswertung eines Bildes der Stempeloberfläche von einem Bediener visuell vorgenommen wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14 mit folgenden Schritten: Bereitstellung einer Referenz-Stempeloberfläche, die eine Soll-Topographie der Stempeloberfläche repräsentiert; Vergleich der zu beurteilenden Stempeloberfläche mit der Referenz-Stempeloberfläche.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 15, mit: Erzeugung eines Bildes der Referenz-Stempeloberfläche; Vergleich des Bildes der Referenz-Stempelloberfläche mit der zu beurteilenden Stempeloberfläche oder mit einem Bild dieser Stempeloberfläche.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 15 oder 16, mit: Erzeugung eines Hologramms der Referenz-Substratoberfläche; interferometrischer Vergleich dieses Hologramms mit der zu beurteilenden Substratoberfläche.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, mit: Erzeugung eines Stempelabdrucks der Stempeloberfläche; Inspektion der Topographie des Stempelabdruckes.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem eine mechanische Inspektion der Stempeloberfläche durchgeführt wird, insbesondere mit Hilfe eines Profilometers.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem eine Inspektion mit Hilfe eines elektro-optischen Untersuchungsverfahrens mit geeigneter Tiefenauflösung durchgeführt wird, insbesondere unter Verwendung eines Scanning-Elektronenmikroskopes oder eines Laser-Scanners.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung von Stempeln eine Reinigung von Stempeln umfasst.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 21, bei dem zur Reinigung ein Reinigungsfluid verwendet wird, welches so ausgewählt ist, dass an der Stempeloberfläche haftende Verunreinigungen mit Hilfe des Reinigungsfluids mechanisch und/oder chemisch lösbar sind.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 21 oder 22, bei dem die Reinigung mit Hilfe einer oder mehrerer Reinigungsflüssigkeiten durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 23, bei dem als Reinigunsflüssigkeit deionisiertes Wasser, vielfach destilliertes Aceton, N-Methyl-Pyrolidin (NMP) oder Mischungen mit mindestens einer dieser Substanzen verwendet wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem mindestes ein gasförmiges Reinigungsfluid verwendet wird, insbesondere Ozon oder ionisiertes Argon.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem während der Reinigung die zu reinigende Stempeloberfläche in ein Bad mit einer Reinigungsflüssigkeit eingetaucht wird.
Stempellithografieverfahren nach nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem eine Reinigung mit Hilfe von Ultraschall durchgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem die Reinigung eine Plasmareinigung umfasst.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, bei dem die Reinigung eine Kontaktreinigung der Stempeloberfläche umfasst.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 29, bei dem die Stempeloberfläche bei der Kontaktreinigung mindestens teilweise mit einer festen, vorzugsweise nachgiebigen Reinigungsfläche einer Reinigungseinrichtung in Berührungskontakt gebracht wird, vorzugsweise ohne Wisch-, Bürst- oder Reibebewegungen zwischen Reinigungseinrichtung und Substratoberfläche.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 30, bei dem die Reinigungsfläche der Reinigungseinrichtung so optimiert ist, dass ein Haftkontakt zwischen der Reinigungsoberfläche und den zu entfernenden Verunreinigungen möglich ist.
Stempellithografieverfahren nach nach einem der Ansprüche 21 bis 31, bei dem die Reinigung ein Anpressen der Stempeloberfläche an eine plastisch und/oder elastisch nachgiebige, verunreinigungslösende Reinigungsoberfläche einer Reinigungseinrichtung umfasst.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 32, bei dem als Reinigungseinrichtung für eine Kontaktreinigung eine Reinigungsfolie verwendet wird, insbesondere eine Folie aus Polyäthylen, Polyvinylchlorid (PVC), aus Silikon oder einem Polyvinylalkohol.
Stempellithografieverfahren nach nach einem der Ansprüche 30 bis 33, bei dem eine Reinigungseinrichtung zur Einmalreinigung verwendet wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, bei dem eine verwendete Reinigungseinrichtung nach einem damit durchgeführten Reinigungsprozess derart reaktiviert wird, dass mindestens eine weitere Verwendung möglich ist.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 35, bei dem eine umlaufende Reinigungsfolie als Reinigungseinrichtung verwendet wird, wobei ein Folienabschnitt nach einer Stempelreinigung eine oder mehrere Reinigungs- und/oder Reaktivierungsstationen durchläuft, bevor der reaktivierte Folienabschnitt zur Stempelreinigung zurückgeführt wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 36, bei dem zur Kontaktreinigung auf die Stempeloberfläche eine Schicht einer Reinigungssubstanz, insbesondere Polyvinylalkohol, aufgebracht und diese Schicht nach Aushärtung wieder abgezogen wird.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 37, bei dem die Reinigung eine Bestrahlung der Stempeloberfläche mit elektromagnetischer Strahlung außerhalb der Arbeitsposition umfasst, insbesondere eine Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung.
Stempellithografieverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 38, bei dem die Reinigung eine thermische Behandlung der Stempeloberfläche außerhalb der Arbeitsposition umfasst.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung eines Stempels eine Stempeltemperierung außerhalb der Arbeitsposition umfasst.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung eines Stempels eine Speicherung des Stempels außerhalb der Arbeitsposition in einer Speichereinrichtung umfasst.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Geometriekorrektur der Stempeloberfläche mittels Temperaturbeeinflussung der Stempeloberfläche durchgeführt wird, wobei die Temperaturbeeinflussung vorzugsweise ortsabhängig erfolgt.
Stempellithografieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Geometriekontrolle der Stempeloberfläche durchgeführt wird, insbesondere mit Hilfe einer Vermessung der Stempeloberfläche mit einer Echtzeit-Geometriekontrolleinheit.
Stempellithografieverfahren nach Anspruch 42 oder 43, bei dem die Geometriekorrektur und/oder die Geometriekontrolle an einem in seiner Arbeitsposition befindlichen Stempel durchgeführt wird.
Stempellithografievorrichtung zur Erzeugung einer Struktur auf einem Substrat mit Hilfe mindestens eines Stempels, der einen Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf dem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz aufweist mit: einem Rahmen; mindestens einer an dem Rahmen angebrachten Stempelhalteeinrichtung zum Halten eines ersten Stempels in einer Arbeitsposition; mindestens einer an dem Rahmen angeordneten Substrathalteeinrichtung zum Halten mindestens eines Substrates; und mindestens einer Stempelwechseleinrichtung zum automatischen Auswechseln des ersten Stempels aus der Arbeitsposition und zum automatischen Einwechseln des ersten Stempels oder eines zweiten Stempels in die Arbeitsposition.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 45, bei der die Stempelhalteeinrichtung so konstruiert ist, dass das Einwechseln und Auswechseln von Stempeln an der Stempelhalteeinrichtung ohne manuelle Unterstützung eines Bedieners durchführbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 45 oder 46, bei der die Stempelhalteeinrichtung als Klemmeinrichtung ausgebildet ist
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 47, bei der die Stempelhalteeinrichtung Rastmittel zum kraft- und formschlüssigen Halten mindestens eines Stempels hat.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 48, bei der die Stempelhalteeinrichtung mindestens einen Magnethalter zum Halten eines Stempels mit Hilfe magnetischer Kräfte aufweist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 49, bei der die Stempelhalteeinrichtung als Unterdruckhalter ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 50, bei der die Stempelhalteeinrichtung mindestens ein beweglich gelagertes Halteelement aufweist, das zwischen einer Arretierkonfiguration zum Festhalten des Stempels an der Stempelhalteeinrichtung und einer Freigabekonfiguration zum Freigeben eines Stempels beweglich ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 51, bei der die Stempelhalteeinrichtung als Schnappvorrichtung ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 52, bei der die Stempelwechseleinrichtung so konstruiert ist, dass sie gleichzeitig als Stempelhalteeinrichtung nutzbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 53, bei der die Stempelhalteeinrichtung durch die Stempelwechseleinrichtung gebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 54, bei der die Stempelwechseleinrichtung so konstruiert ist, dass das Einwechseln und Auswechseln von Stempeln an der Stempelwechseleinrichtung ohne manuelle Unterstützung eines Bedieners durchführbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 55, bei der die Stempelwechseleinrichtung als einachsig oder mehrachsig gelagerter Stempelmanipulator zum Halten und Bewegen mindestens eines Stempels zwischen der Arbeitsposition und einer Außenposition ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 56, bei der die Stempelwechseleinrichtung als Greifer zur Durchführung einer aktiven Greifbewegung mit Hilfe mindestens eines beweglichen Greifgliedes ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 57, bei der die Stempelwechseleinrichtung zum Erfassen mindestens eines Stempels mit Hilfe eines dauermagnetischen oder elektromagnetischen Feldes ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 58, bei der die Stempelwechseleinrichtung zum Erfassen mindestens eines Stempels mit Hilfe von Unterdruck ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 59, bei der die Stempelwechseleinrichtung als Klemmeinrichtung ausgebildet ist
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 60, bei der die Stempelwechseleinrichtung Rastmittel zum kraft- und formschlüssigen Halten mindestens eines Stempels hat.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 61, bei der die Stempelwechseleinrichtung so ausgebildet ist, dass der in die Arbeitsposition bewegte Stempel durch die Stempelwechseleinrichtung freigebbar ist, um seine Arbeitsbewegung unabhängig von der Stempelwechseleinrichtung auszuführen.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 62, bei der die Stempelwechseleinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie während der Arbeitsbewegung des Stempels in Eingriff mit dem Stempel bleibt und die Arbeitsbewegung des Stempels mitmacht.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 64, bei der die Stempelwechseleinrichtung zur elastisch nachgiebigen Halterung des Stempels ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Stempel federnd an der Stempelwechseleinrichtung aufnehmbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 64, bei der die Stempelwechseleinrichtung nur eine einzige Stempelaufnahme hat.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 64, bei der die Stempelwechseleinrichtung mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei, Stempelaufnahmen hat.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 66, bei der die Stempelwechseleinrichtung als Karusselleinrichtung mit mindestens zwei Stempelaufnahmeeinrichtungen ausgebildet ist, um einen Stempelwechsel mit Hilfe einer Drehbewegung durchzuführen.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 67, bei der die Stempelwechseleinrichtung als Zweiarm-Wechsler mit genau zwei Stempelaufnahmen ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 68, der mindestens eine Behandlungseinrichtung zur Behandlung mindestens eines Stempels in einer außerhalb der Arbeitsposition liegenden Behandlungsposition zugeordnet ist, wobei ein Stempel unter Verwendung der Stempelwechseleinrichtung zwischen der Arbeitsposition und der Behandlungsposition bewegbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 69, bei der die Behandlungseinrichtung so angeordnet ist, dass sie direkt von der Stempelwechseleinrichtung erreichbar ist, um Stempel einzuführen oder zu entnehmen.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 70, der mindestens eine Stempeltransporteinrichtung zum Transfer mindestens eines Stempels zwischen der Stempelwechseleinrichtung und mindestens einer Behandlungseinrichtung zugeordnet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 71, der mindestens eine als Behandlungseinrichtung dienende Reinigungseinrichtung zur Behandlung mindestens eines Stempels zugeordnet ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 72, bei der die Reinigungseinrichtung zur Reinigung mittels mindestens eines Reinigungsfluids ausgebildet ist, welches so ausgewählt ist, dass an der Stempeloberfläche haftende Verunreinigungen mit Hilfe des Reinigungsfluids mechanisch und/oder chemisch lösbar sind.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 72 oder 73, bei der die Reinigungseinrichtung für eine Plasmareinigung ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 72 bis 74, bei der die Reinigungseinrichtung für eine Kontaktreinigung der Stempeloberfläche ausgebildet ist, wobei die Reinigungseinrichtung vorzugsweise mindestens eine feste oder nachgiebige Reinigungsoberfläche aufweist, die so optimiert ist, dass ein Haftkontakt zwischen der Reinigungsoberfläche und den zu entfernenden Verunreinigungen möglich ist, wobei die Reinigungseinrichtung insbesondere eine Reinigungsfolie ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 72 bis 75, bei der die Reinigungseinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der Stempeloberfläche mit elektromagnetischer Strahlung umfasst, insbesondere für eine Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 76, der mindestens eine als Behandlungseinrichtung dienende Inspektionseinrichtung zur Inspektion mindestens eines Stempels auf Verunreinigungen und/oder Schäden im Bereich der Stempeloberfläche und/oder auf Transmissionseigenschaften zugeordnet ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 77, bei der die Inspektionseinrichtung eine Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines, vorzugsweise digitalen, Bildes der Stempeloberfläche umfasst.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 78, bei der die Inspektionseinrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Bildes umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung vorzugsweise mit einem computergestützten Bildverarbeitungsvertahren arbeitet.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 77 bis 79, bei der die Inspektionseinrichtung eine die Soll-Topographie der Stempeloberfläche repräsentierende Referenz-Stempeloberfläche oder ein Bild der Referenz-Stempeloberfläche und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der zu beurteilenden Stempeloberfläche oder eines Bildes der Stempeloberfläche mit der Referenz-Stempeloberfläche umfasst.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 77 bis 80, bei der die Inspektionseinrichtung für eine mechanische Inspektion der Stempeloberfläche ausgebildet ist, insbesondere mit Hilfe eines Profilometers.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 76 bis 81, der mindestens eine als Behandlungseinrichtung dienende Speichereinrichtung mit einer Vielzahl von Speicherplätzen für Stempel zugeordnet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 82, bei der eine Abstandsmesseinrichtung zur Messung des Abstandes zwischen der Substratoberfläche und der Stempeloberfläche für die gesamte Größenordnung der Vorschubbewegung des Stempels vorgesehen ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 83, bei der die Abstandsmesseinrichtung eine optische Sensoreinrichtung nach dem Prinzip der Autokollimation umfasst.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 83 oder 84, bei der die Abstandsmesseinrichtung zur Abstandsmessung unter Verwendung von Membranen nach dem Gegendruckverfahren ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 83 bis 85, bei der die Abstandsmesseinrichtung mindestens eine freiliegende Düse zur Abgabe von Gas unter Druck auf die Oberfläche des zu strukturierenden Substrates und eine Einrichtung zur Erfassung des Gegendruckes umfasst, aus dem ein Abstandssignal ableitbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 83 bis 86, bei der die Abstandsmesseinrichtung eine induktive oder kapazitive Messanordnung ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 87, bei der ein Antriebssystem für Hubbewegungen des Stempels vorgesehen ist, das drei Linearmotoren aufweist, die sternförmig mit einem Winkelabstand von 120° symmetrisch um eine zentrale Achse des Stempels angeordnet sind, wobei die Linearmotoren vorzugsweise in Reihe geschaltet sind.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 88, die eine für eine Bestrahlung eines Stempels von seiner Rückseite in Richtung Stempeloberfläche konfigurierte Beleuchtungseinrichtung enthält.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 89, die eine Vakuumerzeugungsvorrichtung zur Herstellung eines mindestens den zwischen Stempel und Substrat liegenden Volumenbereich umfassenden Vakuums aufweist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 90, die eine Geometriekorrektureinrichtung zur Beeinflussung der Geometrie der Stempeloberfläche eines Stempels aufweist, der sich vorzugsweise in der Arbeitsposition befindet.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 91, bei der die Geometriekorrektureinrichtung zur ortsauflösenden Geometriekorrektur der Stempeloberfläche mit Hilfe einer ortsabhängigen Temperaturbeeinflussung ausgebildet ist.
Stempellithografievorrichtung nach einem der Ansprüche 45 bis 92, die eine Echtzeit-Geometriekontrolleinheit zur Vermessung der Geometrie der Stempeloberfläche aufweist, insbesondere durch Vermessung der Position von an dem Stempel angebrachten Stempelmarken.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 93, die eine transparente Referenzplatte mit Referenzmarken umfasst und bei der eine mehrere Positionsoptiken aufweisende Echtzeit-Geometriekontrolleinheit hinter der Referenzplatte positionierbar ist, so dass durch Vergleich der Position der Referenzmarken und der Stempelmarken die Geometrie der Stempeloberfläche bestimmbar ist.
Stempellithografievorrichtung nach Anspruch 94, bei der jede Positionsoptik eine erste Abbildungsoptik zur Abbildung der Referenzmarke auf eine erste Detektorfläche und eine zweite Abbildungsoptik zur Abbildung der Stempelmarke auf eine zweite Detektorfläche umfasst.
Stempel, insbesondere für die Stempellithografie mit einer typischen Strukturdimension von weniger als 250 nm, mit einem Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf einem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz, wobei die Stempeloberfläche eine für eine Ablösung von der Prägesubstanz nach Erzeugung eines Stempelabdruckes optimierte Oberflächentopographie aufweist und die Stempeloberfläche selbst frei von Mikrorissen und an die Stempeloberfläche angrenzendes Material im wesentlichen frei von die Stempeloberfläche direkt erreichenden Mikrorissen ist.
Stempel nach Anspruch 96, bei dem die Stempeloberfläche eine mittlere Rautiefe R_t (peak-to-valley) von weniger als 0,7 nm (RMS) hat.
Stempel nach nach Anspruch 96 oder 97, bei dem die Stempeloberfläche eine wellenförmige oder genoppte Oberflächenstruktur mit einem peak-to-valley-Wert von weniger als 5 nm zur Erzeugung eines Lotuseffektes hat.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 98, bei dem die Stempeloberfläche eine mittlere Mikrorisslänge von weniger als 150 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm hat.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 99, der im Bereich der Stempeloberfläche eine mechanische Härte von mehr als 400, 500, 600 oder 700 kg/mm² aufweist.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 100, der zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem Hartwerkstoff besteht, der die oberflächennahe Härte bereitstellt.
Stempel nach Anspruch 101, bei dem der oberflächennahe Bereich im wesentlichen aus Bornitrid, Siliziumcarbid, Diamant oder einer Hartstoff-Schwermetallverbindung besteht.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 102, der zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem feinkristallinen Werkstoff besteht, der eine mittlere Korngröße von weniger als 20% einer mittleren Strukturdimension der Stempeloberfläche aufweist.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 100, der zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem amorphen Werkstoff besteht, insbesondere aus einem amorphen Metallwerkstoff.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 100, der zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus schichtstrukturiertem Quarzglas besteht, wobei die Schichten der Schichtstruktur vorzugsweise im wesentlichen parallel zu einer durch die Stempeloberfläche definierten Stempelebene verlaufen.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 100, der zumindest im Bereich der Stempeloberfläche aus einem einkristallinen Werkstoff besteht.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 106, der aus einem einzigen Materialblock hergestellt ist, der den Stempelkörper und die daran ausgebildete Stempeloberfläche bildet.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 106, der einen Stempelkörper hat, der im Bereich der Stempeloberfläche ein Beschichtung trägt, die mindestens einen Teil der Stempeloberfläche bildet.
Stempel nach Anspruch 108, bei dem die Beschichtung eine verschleißresistente Beschichtung ist.
Stempel nach Anspruch 108 oder 109, bei dem die Beschichtung aus einem Hartwerkstoff besteht.
Stempel nach einem der Ansprüche 108 bis 110, bei dem die Beschichtung aus einem feinkristallinen Diamantwerkstoff, einem Hartwerkstoff mit Schwermetallverbindungen, Siliziumcarbid, Bornitrid oder einer Kombinationen aus diesen Materialien besteht.
Stempel nach einem der Ansprüche 108 bis 111, bei dem die Beschichtung aus einem feinkristallinen Material besteht, dessen mittlere Korngröße weniger als 20% einer typischen Strukturgröße der Stempeloberfläche beträgt.
Stempel nach einem der Ansprüche 108 bis 112, bei dem die Beschichtung eine derart geringe Schichtdicke aufweist, dass die Beschichtung für das bei einer Belichtung verwendete Licht mindestens teilweise transparent ist.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 113, bei dem der Stempelkörper und/oder eine Beschichtung im wesentlichen aus einachsigen Kristallen wie Zirkondioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumdioxid (HfO₂), Lanthanfluorid (LaF₃) oder Quarzkristall (SiO₂) besteht und dessen optische Kristallachse nahezu senkrecht zur Stempelfläche steht.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 114, bei dem der Stempelkörper und/oder eine Beschichtung im wesentlichen aus einem harten kubischen Mischkristall besteht, insbesondere aus ZrO₂/HfO₂/Y₂O₃ oder HfO₂/Y₂O₃ oder ZrO₂/Y₂O₃.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 115, bei dem der Stempelkörper und/oder eine Beschichtung desselben im wesentlichen aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 2,5·10^–6, vorzugsweise von weniger als 1,0·10^–6 besteht.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 116, der eine Stempeloberfläche mit einer Vielzahl von Ausnehmungen und Vorsprüngen hat, die im Bereich von Flankenflächen ineinander übergehen, wobei mindestens ein Teil der Flankenflächen einen positiven Flankenwinkel mit einer Stempelebene einschließt, wobei vorzugsweise an der Stempeloberfläche keine Hinterschneidungen vorkommen.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 117, der mindestens teilweise aus einem piezoelektrischen Material besteht, welches derart dimensioniert ist, dass mindestens ein Teil einer Hubbewegung der Stempeloberfläche bei einem Prägevorgang durch Steuerung eines an das piezoelektrische Material anzulegenden elektrischen Feldes erzeugbar ist.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 118, der ein oder mehrere Temperaturmesselemente zur Temperaturmessung und/oder Temperierungsmittel zur Temperaturbeeinflussung des Stempels aufweist.
Stempel nach Anspruch 119, bei dem die Temperaturmesselemente und/oder Temperierungsmittel in das Stempelmaterial durchlaufenden Kanälen angebracht sind.
Stempel nach Anspruch 119 oder 120, bei dem als Temperierungsmittel eine durch die Kanäle leitbare Flüssigkeit oder ein Gas verwendet wird.
Stempel nach einem der Ansprüche 119 bis 121, bei dem jeweils ein Temperierungsmittel und ein Temperaturmesselement zur Bildung eines Temperaturregelelements dicht nebeneinander platziert sind, und bei dem die Temperaturregelelemente den Stempel in einer im wesentlichen rasterförmigen Anordnung überdecken.
Stempel nach einem der Ansprüche 96 bis 122, der mindestens eine für infrarote Strahlung absorbierend wirkende Schicht aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Stempels, insbesondere eines Stempels für die Stempellithografie, wobei der Stempel einem Stempelkörper mit einer dreidimensional strukturierten Stempeloberfläche zur Erzeugung eines dreidimensionalen Stempelabdruckes in einer auf einem Substrat angeordneten Schicht einer Prägesubstanz aufweist, mit: Bearbeiten des Stempelkörpers derart, dass die Stempeloberfläche eine für eine Ablösung von der Prägesubstanz nach Erzeugung eines Stempelabdruckes optimierte Oberflächentopographie aufweist und ein an die Stempeloberfläche angrenzendes Material im wesentlichen frei von zur Stempeloberfläche reichenden Mikrorissen ist.
Verfahren nach Anspruch 124, bei dem eine im wesentlichen ebene Stempelfläche zunächst hochgenau und formgetreu vorbearbeitet wird, danach die Stempelfläche in einem Ätzvorgang so tief abgeätzt wird, bis ein im wesentlichen mikrorissfreier Bereich erreicht ist und danach die dreidimensionale Stempeloberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 124 oder 125, bei dem das Stempelmaterial durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Walken und/oder Hämmern in seiner Struktur verändert wird, so dass die Härte des Materials zunimmt und/oder die Mikrorisslänge abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 124 bis 126, bei dem die Stempeloberfläche mittels Laserscantechnik strukturiert wird.
Feinstrukturiertes Bauteil, insbesondere Halbleiter-Bauelement, hergestellt mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 44 und/oder unter Verwendung mindestens eines Stempels gemäss einem der Ansprüche 96 bis 123.