DE1572805B1 - Verfahren zur Bildvervielfachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines beleuchteten bzw. selbstleuchtenden Gegenstandes, dessen Bild gleichzeitig an beliebig vielen, in ihrer Lage vorgegebenen Stellen des Raumes erzeugt wird.

Es sind verschiedene Verfahren der Bildvervielfachung bekannt. Sie haben in jüngster Zeit im Zusammenhang mit der Herstellung von Masken für integrierte Schaltkreise in der Halbleitertechnologie eine große Bedeutung gewonnen. Bei dem zur Zeit am häufigsten angewandten Verfahren wird das Bild der einzelnen Schaltkreismaske mit einem hochauflösenden Objektiv verkleinert auf die photographische Schicht abgebildet. Nach dem Belichten wird diese zeilenweise um eine Bildbreite verschoben und erneut belichtet. So wird in vielen hundert Einzelschritten das Bild der Maske für entsprechend viele Schaltkreise aufgebaut. Da zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises mehrere Masken benötigt werden, muß die Position der Einzelbilder auf jeder Maske bis auf die Bruchteile eines μία reproduzierbar sein.

Um die hieraus sich ergebenden sehr hohen Anforderungen an die mechanische Präzision zu umgehen und um das zeitraubende Herstellungsverfahren abzukürzen, sind verschiedene optische Veriahren bekannt, die direkt eine Bildvervielfachung ermöglichen. Wie von J. J. Murray, R. E. Maurer in »Arrays of Microphotographs for Microelectronic !Components«, Semiconductor Products, 5, S. 30 (1962), und Ph. Newman, V. E. Ribble in »Pinhole Array Camera for integrated Circuits«, Appl. Optics, 5, S. 1225 (1966), beschrieben, hat man versucht, Schaltkreismasken mit Hilfe einer Lochkamera herzustellen, die eine Vielzahl von Lochblenden enthält, deren periodische Anordnung der der Bilder auf der späteren Maske entspricht. Jede Lochblende erzeugt dabei in bekannter Weise ein Bild des einzelnen Schaltkreises. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß man selbst bei optimaler Wahl des Lochdurchmessers kein hinreichendes Auflösungsverfahren erreicht.

Nach E. E. Rudge, W. E. Harding, W. E. Mutter: »Fly's Eye Lens Technique for Generating Semiconductor Device Fabrication Maske«, IBM Journal, 2, S. 146 (1963), wurde eine Verbesserung des Auflösungsvermögens mit einer Fliegenaugenlinse erzielt, bei der viele Linsen nebeneinander angeordnet sind. Da sich diese nicht überlappen dürfen, ist mit dem seitlichen Abstand der Bilder auch der Abstand der optischen Achsen der Einzellinsen und damit deren Öffnung vorgegeben. Das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen ist also ebenfalls sehr gering.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vom Auflösungsvermögen weitgehend unabhängige Vervielfachung eines Gegenstandsbildes an vorbestimmten Stellen im Raum zu bewirken, und diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Hologramm eines der gewünschten räumlichen Verteilung entsprechenden Punktrasters erzeugt und in der Austrittspupille eines Abbildungssystems als Abbildungsmittel verwendet und bei der Rekonstruktion eine — auch im Unendlichen Hegende — punktförmige Referenzquelle durch einen optisch zu vervielfachenden Gegenstand oder dessen reelles Bild ersetzt wird.

Bei dem neuen Abbildungsverfahren können sich die einzelnen abbildenden Elemente beliebig weit überlappen. Auf diese Weise kann das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen unabhängig vom Abstand der einzelnen Bilder sehr wesentlich vergrößert werden.

Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Verfahren zur Bildvervielfachung trägt bei der Bilderzeugung mit dem Hologramm einer Punktstruktur die gesamte Fläche des Hologramms zur Abbildung bei, wenn zur Aufnahme Kugelwellen mit hinreichend großer Öffnung verwendet wurden, da sich die Hologramme der einzelnen Punkte (Fresnelsche Zonen) im Gegensatz zu klassischen Linsen durchdringen können, ohne sich zu stören. Das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen eines solchen Hologramms ist also um Größenordnungen höher als ein vergleichbares Verfahren, wo die maximale Öffnung etwa gleich dem Bildabstand ist. Gegenüber der Bildvervielfachung durch schrittweises Verschieben und wiederholtes Belichten bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, mit wesentlich geringerem Aufwand an Material und Zeit auszukommen. Außerdem ist ohne zusätzliche Maßnahmen sichergestellt, daß die Position der Einzelbilder bei aufeinanderfolgenden Abbildungen exakt übereinstimmt.

Auf Grund dieser starken Vereinfachung und Verbilligung bei nahezu gleichbleibender Qualität der vervielfachten Bilder, ist es möglich, bei der Herstellung von Halbleiterschaltkreisen den Umweg über das problematische Kopieren von Masken zu sparen. Vielmehr kann man in einem einzigen Schritt mit Hilfe des beschriebenen Hologramms das Maskenbild verkleinert und vervielfacht auf die z. B. mit Photolack versehene Halbleiterscheibe abbilden.

Wie im folgenden erläutert werden wird, dient in der vorliegenden Erfindung das Hologramm eines Punktrasters als Abbildungssystem. Dabei bestimmt die Lage und die Anzahl der Punkte im Raum die Position und die Zahl der bei der Abbildung erzeugten Bilder.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Das Hologramm der Punktstruktur kann als Amplituden- oder Phasenhologramm unter Anwendung an sich bekannter Verfahren, z. B. entsprechend Fig. 1, aufgenommen werden, indem Kugelwellen, die von einer vorgegebenen Lochblenden-Anordnung 1, z. B. Punktraster, ausgehen, kohärent mit einer Referenzwelle überlagert werden, die aus einer Lochblende 2 austritt und deren punktförmige Quelle seitlich gegenüber dem Punktraster verschoben im Endlichen oder Unendlichen hegt. Obwohl prinzipiell nicht erforderlich, empfiehlt es sich, mit einem Referenzstrahl zu arbeiten, der zu den Lochblendenstellen etwas geneigt ist, da auf diese Weise die vom Hologramm 3 bei der späteren Abbildung gleichzeitig erzeugten Bilder anderer Ordnung räumlich von den gewünschten reellen Bildern getrennt sind und damit deren Kontrast verbessert wird. Bei Beleuchtung der Lochblenden 1 und 2 mit kohärentem Licht, das z. B. mit Hilfe eines Strahlenteilers 4 und eines Umlenkspiegels 5 aus einem Laserstrahl 6 abgeleitet werden kann, entstehen in bekannter Weise Interferenzmuster, die auf einer photographischen Schicht 3' registriert werden. Die Einzelheiten der Aufnahme des Hologramms sind dabei für die Erfindung ohne Bedeutung. Es ist ohne weiteres möglich zu entscheiden, wie in einem speziellen Fall die Lochblenden 1 und 2 mit Hilfe zusätzlicher Linsen 6 bzw. 7, 8, 9

optimal angeleuchtet oder ob zweckmäßig die Lochblenden durch ein System von Lichtleitern ersetzt werden, die an der Eintrittsstelle des Lichtes dicht gebündelt sind und an der Austrittsstelle entsprechend der Punktstruktur aufgefiedert sind. Bei einer solchen Beleuchtungsart nutzt man die Intensität des Lasers in optimaler Weise bei der Aufnahme aus. Schließlich kann man an Stelle der Lochblendenstruktur 1 mit einer einzelnen Lochblende oder einem Lichtleiter arbeiten und das Hologramm quasi aufbauen, indem man diese schrittweise bewegt und die photographische Schicht 3' mehrfach belichtet. Das so gewonnene Amplitudenhologramm kann zweckmäßig z. B. durch Ausbleichen des Silberkorns in ein Phasenhologramm umgewandelt werden, um später einen höheren Wirkungsgrad der Abbildung zu erreichen. Selbstverständlich kann das Phasenhologramm der Punktstruktur auch auf andere Weise, z. B. durch Kopieren oder direkte Aufnahme, z. B. auf Photolack, hergestellt werden. Außerdem bietet es sich bei diesem sehr einfachen Objekt an, das Hologramm in an sich bekannter Weise zu berechnen und synthetisch herzustellen, d. h. strukturell aufzubauen.

Ein bezüglich seiner Abbildungseigenschaft besonders lichtstarkes Hologramm erhält man, wenn man es in bekannter Weise in einem dreidimensionalen Medium aufnimmt, so daß bei der Rekonstruktion die durch die Bragg-Bedingung gegebene Ausbreitungsrichtung mit der Richtung zusammenfällt, in der die reellen Bilder liegen.

Beleuchtet man ein so direkt oder synthetisch hergesteltes Hologramm 3 mit der konjugierten Referenzwelle, so erhält man bekanntlich das reelle Bild des vorgegebenen Punktrasters 1. Die vorliegende Erfindung nutzt nun die Eigenschaft aus, daß die Lage des Bildpunktes mit der der Quelle der Referenzwelle durch eine Abbildungsgleichung verknüpft ist, die der klassischen Linsenformel entspricht. Erzeugt man also entsprechend F i g. 2 mittels einer monochromatischen Lichtquelle 10 am Ort der Quelle der konjugierten Referenzwelle das reelle Bild 13 eines Objektes 14, z. B. eines Halbleiterschaltkreises, indem man dieses mit Hilfe eines beliebigen optischen Abbildungssystems 11, 12 durch das Hologramm 3 hindurch abbildet, so erhält man ein Raster 15, bei dem jeder Punkt durch das reelle Bild 13 des Objektes 14 ersetzt ist. Das Hologramm wird in der Austrittspupille eines Abbildungssystems als Abbildungsmittel verwendet. Objekt 14 und Abbildungssystemil, 12 können dabei auch durch ein passend gewähltes Hologramm des Objektes ersetzt werden. Insbesondere kann die Quelle 10 der konjugierten Referenzwelle auch im Unendlichen liegen. Die maximale Bildgröße ist durch den Bildabstand begrenzt. Die Abbildungsfehler sind für die unmittelbare Umgebung der ursprünglichen Referenzquelle verschwindend klein, wenn bei der Abbildung Licht der gleichen Wellenlänge wie bei der Aufnahme des Hologramms verwendet wird. Anderenfalls muß das Hologramm im Verhältnis der Wellenlängen maßstäblich vergrößert oder verkleinert werden. Nimmt man größere Abbildungsfehler in Kauf, so kann man unter geeigneten Bedingungen bei hinreichend großem Abstand der Referenzquelle auch ohne zusatzliches Abbildungssystem das quasi selbstleuchtende Objekt direkt mit Hilfe des Hologramms der Lochblendenstruktur abbilden oder vervielfachen.

Die Erfindung umfaßt den Fall, daß durch geeignete Aufnahmeverfahren, bei denen z. B. die Lochblendenstruktur oder deren Bild und die Referenzquelle oder deren Bild auf entgegengesetzten Seiten der Photoplatte liegen, Hologramme hergestellt werden, die bei Beleuchtung mit der Referenzwelle direkt das reelle Bild der Punktstruktur erzeugen. Bei solchen Hologrammen kann man dann ohne Einschränkungen auf das zusätzliche Abbildungssystem verzichten.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abbildung eines beleuchteten bzw. selbstleuchtenden Gegenstandes, dessen Bild gleichzeitig an beliebig vielen, in ihrer Lage vorgegebenen Stellen des Raumes erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hologramm eines der gewünschten räumlichen Verteilung entsprechenden Punktrasters erzeugt und in der Austrittspupille eines Abbildungssystems als Abbildungsmittel verwendet und bei der Rekonstruktion eine — auch im Unendlichen liegende — punktförmige Referenzquelle durch einen optisch zu vervielfachenden Gegenstand oder dessen reelles Bild ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Hologramms des Punktrasters Kugelwellen verwendet werden, deren minimales Öffnungsverhältnis durch das gewünschte beugungsbedingte Auflösungsvermögen bei der späteren Abbildung gegeben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Abbildungsfehler der abzubildende Gegenstand oder dessen reelles Bild in der IJmgebung der Quelle der Referenzwelle oder der konjugierten Referenzwelle angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Abbildungsfehler Licht gleicher Wellenlänge für die Erzeugung des Hologramms und für die Abbildung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Licht ungleicher Wellenlänge das Hologramm im Verhältnis der beiden Wellenlängen vergrößert bzw. verkleinert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Hologramms eine schräg einfallende Referenzwelle benutzt wird, so daß sich bei der Abbildung die Bilder anderer Ordnungen nicht mit den gewünschten Bildern überlagern.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Lichtstärke ein Phasenhologramm verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hologramm verwendet wird, bei dem bei der Aufnahme des Hologramms die Punktstruktur oder deren Bild und die Referenzwelle oder deren Bild auf entgegengesetzten Seiten der Photoplatte liegen.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der

folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung von Maskenbildern von integrierten Schaltungen verwendet wird, die in einem Schritt vervielfacht und auf eine geeignet präparierte Halbleiterscheibe abgebildet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen