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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen
gemäß den im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Aus
der
DE 40 22 732 A1 oder
der
US 4 504 726 ist
jeweils ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen
in einem System zum direkten Schreiben bekannt. Hierbei werden mittels
eines scannenden Laserstrahls auf einem Objekt Bereiche zur Erzeugung
von Strukturelementen belichtet, wobei die scannende Ablenkung des
Laserstrahls orthogonal zur Relativbewegung des zu belichtenden
Objekts erfolgt, wobei jedoch die Breite des scannenden Strahls
orthogonal zur Scan-Richtung unverändert beibehalten wird.
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Ferner
ist in der
US 4 455 485 oder
in der
US 4 686 542 jeweils
ein Verfahren zum direkten Schreiben von Bildinformationen offenbart,
bei dem mittels eines scannenden Laserstrahls auf eine fotoempfindliche
Schicht Bildinformationen aufbelichtet werden. Die scannende Ablenkung
des Laserstrahls erfolgt ebenfalls orthogonal zur Relativbewegung
der zu belichtenden Schicht, wobei unverändert die Breite des scannenden
Strahls orthogonal zur Scan-Richtung beibehalten wird.
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Weiterhin
ist aus der
DE 41 24
025 C2 ein lithographisches Verfahren bekannt, gemäß welchem mittels
eines fokussierten Strahls, insbesondere Laserstrahls, eine fotoempfindliche
Schicht belichtbar ist. Bei diesem Verfahren werden durch direktes Schreiben
mittels des fokussierten Strahls gemäß einer Punktmatrix vorgegebene
Bereiche entsprechend der zu erzeugenden Struktur belichtet bzw. nicht
belichtet. Die Positionierung von Strukturkanten wird durch die
Belichtungsenergie oder Strahlendosis unter Beachtung der Wirkungsbedingungen
des Fotolacks in dem durch die Punktmatrix vorgegebenen Raster durchgeführt. Für den Strukturrand
erfolgt eine Randmodulation derart, dass von den dort möglichen
Punkten bedarfsweise nur ein vorgebbarer Anteil belichtet wird,
wobei der Fokusdurchmesser des Strahls um einen vorgegebenen Faktor
größer ist
als die Größe eines
Punktes der Punktmatrix.
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Hierdurch
wird die Positionierung von Strukturkanten in einem gegenüber der
Punktgröße kleineren
Raster erreicht.
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Zur
Herstellung von Strukturen in der Mikroelektronik, Mikrooptik und
Mikromechanik gelangen heute vor allem Laserstrahlschreiber als
Patterngenerator zum Einsatz, wobei grundsätzlich mit einem Laserstrahl
entsprechender Wellenlänge
und Fokussierung Strukturelemente bis in den 0,25 Mikrometerbereich
erzeugbar sind. Die erreichbaren Minimalstrukturen sind vergleichbar
mit den Strukturabmessungen der bekannten optischen Lithographieverfahren,
bei denen mit Wafersteppern gearbeitet wird. Laserstrahlschreiber
besitzen darüber
hinaus bezüglich Apertur,
Kohärenz
und Bildfeldgröße günstigere technische
Voraussetzungen, um die theoretischen Grenzwerte der optischen Lithographie
zu erreichen.
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Werden
für ein
Mikrosystem sehr feine Strukturelemente benötigt, beispielsweise 0,5 μm Strukturen,
dann sind im allgemeinen auch Strukturen mit größeren Abmessungen vorhanden.
Die Abmessungen der größeren Strukturen
müssen
kein Vielfaches des kleinsten Elementes sein. Das Inkrement der
vorkommenden Strukturmaße
ist im allgemeinen viel feiner als die Minimalabmessung der kleinsten
Struktur. In der Mikroelektronik wird beispielsweise für eine 1,0 µm Technologie,
also eine Technologie mit Minimalstrukturen von 1,0 µm, ein
sogenanntes Layout Adress Grid verwendet, das 0,1 µm betragen
kann. Damit ist zunächst
jede Struktur mit Abmessungen (1,0 + 0,1 N) μm, mit N = 1, 2, 3 ..., möglich und
muß mit
dem Laserstrahlschreiber realisiert werden können. Besitzt beispielsweise
ein Laserstrahlschreiber einen effektiven Strahldurchmesser von
0,5 µm
und ist somit bezüglich
der Minimalstruktur für
eine 1,0 µm
Technologie gut geeignet, dann muß dieser Laserstrahl ein Layout
Adress Grid über
das gesamte Schreibfeld für
alle x,y-Positionen im 0,1 µm
Raster schreiben können,
um die oben genannten Layout-Bedingungen zu erfüllen.
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Der
Schreibvorgang eines Laserschreibers erfolgt grundsätzlich derart,
daß der
Laserstrahl in einer Koordinatenrichtung durch optische, akusto-optische
oder elektro-optische Mittel, welche allgemein als "Deflektoren" bezeichnet werden
mit hoher Geschwindigkeit über
eine bestimmte Weglänge
l abgelenkt wird, während
sich unter ihm ein Koordinatentisch, auf dem sich das zu beschreibende Objekt
befindet, in der anderen Koordinatenrichtung bewegt. Folglich hängt die
mögliche
Tischgeschwindigkeit direkt von der Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls und
der Anzahl der erforderlichen Scans pro Längeneinheit ab. Im oben genannten
Beispiel wäre
1 Scan pro 0,1 µm
Tischverschiebung erforderlich. Grundsätzlich kann das zu beschreibende
Objekt ortsfest angeordnet sein, während der Strahl, beispielsweise mittels
einer geeigneten Optik oder optischen Elementen orthogonal zur Scanrichtung
mit einer vorgebbaren Relativgeschwindigkeit bewegbar ist. Nachfolgend
wird daher allgemein von der Relativgeschwindigkeit gesprochen,
welche im Falle der Bewegung eines Koordinatentischs mit dem Objekt
der Tischgeschwindigkeit entspricht. Die nachfolgenden Erläuterungen
im Zusammenhang mit einer Tischverschiebung gelten entsprechend
allgemein für
die Relativbewegungen zwischen Objekt und Laserstrahl. Während in
Scanrichtung die Ablenkgeschwindigkeit im allgemeinen nicht durch
das Adress Grid bestimmt wird, sondern durch die physikalischen
Eigenschaften des Deflektors, wird die zulässige Relativ- bzw. Tischgeschwindigkeit
VR unmittelbar von der Anzahl der erforderlichen
Scans pro Längeneinheit,
die vom Layout Adress Grid vorgegeben wird, und der Scangeschwindigkeit
begrenzt.
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Ausgehend
von einer Scan-Geschwindigkeit vs und einer
Streifenlänge
bzw. Scan-Länge 1 gilt
somit für
die Scan-Zeit ts = 1/vs. (1)
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Zum
Beschreiben einer gesamten Fläche werden
durch schrittweise Verschiebung des Tisches in der Scan-Richtung
nacheinander mehrere Streifen der Länge 1, geschrieben.
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Unter
Zugrundelegung eines Scan-Grid Δx ergibt
sich für
eine maximal zulässige
Tischgeschwindigkeit vR = Δx/ts. (2)
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Abgesehen
von der kleinsten herstellbaren Strukturabmessung ist die gesamte
Schreibzeit von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die erreichbare
Produktivität.
Dies gilt bereits beim Einsatz eines Laserstrahlschreibers zur Herstellung von
Masken und in noch stärkerem
Maße für direkte
Schreibverfahren, mittels welchen die Strukturierung unmittelbar
auf dem Objekt durchgeführt
wird. So kann das Beschreiben einer Fläche von 100 mm × 100 mm
mit einem Laserstrahl und einem Adress Grid von 0,2 µm mehrere
Stunden erfordern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren dahingehend
weiterzubilden, daß eine
Erhöhung
der Schreibgeschwindigkeit erreicht wird. Der Aufwand zur Durchführung des
Verfahrens soll auf ein Minimum reduziert sein.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird die gesamte Scan-Zeit reduziert und die Produktivität beim direkten
Schreiben verbessert. Die Breite des schreibenden Strahlenbündels, insbesondere
der Abstand der Strahlen, und zwar orthogonal zur Scan-Richtung,
ist variabel. Der Abstand der wenigstens zwei, vorzugsweise im wesentlichen
gleichzeitig, in Scanrichtung schreibenden Strahlen ist vom kleinsten
Gridraster, welches durch das Layout Adress Grid bestimmt wird,
zu einem maximalen Abstand veränderbar,
bei welchem eine noch ausreichende Überlappung der Strahlen zur
durchgehenden Strukturierung bzw. Belichtung gewährleistet ist. Es wird erfindungsgemäß mit einem
in seiner Breite orthogonal zur Scan-Richtung variablen Strahlenbündel oder
Gesamtstrahl, insbesondere Laserstrich oder Laserstrahl gearbeitet.
Darüberhinaus
ist in zweckmäßiger Weise
die Relativ-Geschwindigkeit, insbesondere die Tischgeschwindigkeit,
zwischen dem zu beschreibenden Objekt und dem Strahl im wesentlichen
orthogonal zur Scan-Richtung dem Scan-Grid, vorzugsweise dem jeweils
optimalen Scan-Grid, anpaßbar.
Aufgrund der vorgeschlagenen Variation der Strahlbreite lassen sich
insbesondere für
eine Leiterbahn-Strukturierung die erforderlichen Strukturbreiten
realisieren und ein Laserscan-Raster vorgeben, welches erheblich
größer ist
als das für
ein vorbekanntes Technologieniveau erforderliche Layout Adress Grid.
Erfindungsgemäß kann dementsprechend
mit einer erhöhten
Relativgeschwindigkeit, insbesondere Tischgeschwindigkeit, gearbeitet und
eine erhebliche Produktivitätssteigerung
erreicht werden.
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Weiterbildungen
und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der im Layout-Adress Grid gestuften Strahlabstände und der
erzeugbaren Strukturbreiten,
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2 schematich
einen Layout-Ausschnitt mit Layout Adress Grid und Design Grid,
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3 diskrete
Strukturbreiten, welche in einem Scan mit abstandvariablen Strahlen,
insbesondere Laserstrahlen, realisierbar sind.
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4 eine
schematische Darstellung der Erzeugung von vier Einzelstrahlen mittels
eines akustooptischen Modulators,
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5 eine
Strahlbreitenmodulation mit einem akustooptischen Modulator und
einer Schlitzblende,
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6 eine
Strahlaufweitung in einer Richtung mittels einer elektrooptischen
Zylinderlinse,
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7 einen
Scanvorgang bei Scanbreitenmodulation durch zusätzliche hochfrequente Strahlablenkung
senkrecht zur Detektorscanrichtung,
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8 bzw. 9 eine
Strahlbreitenmodulation durch Amplitudenvariation eines hoch- frequenten Scans
senkrecht zur Schreibscanrichtung des Deflektors mittels eines akustooptischen
Modulators bzw. eines elektrooptischen Deflektors,
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10 eine
schematische Darstellung eines Deflektor-Stacks, dessen Elektroden
auf einem Substrat angebracht sind,
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11 eine
weitere Anordnung des Deflektor-Stacks, dessen Elektroden direkt
auf dem Kristall angeordnet sind.
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Zunächst sei
festgehalten, daß beim
Einsatz mehrerer, parallel arbeitender Strahlen die gesamte Scan-Zeit
entsprechend der Anzahl N der Strahlen reduziert werden kann. Lediglich
der Einfachheit halber soll nachfolgend von Laserstrahlen gesprochen werden,
doch folgt insoweit keine Einschränkung der Erfindung, welche
Strahlen sonstiger Strahlenquellen umfaßt. Geht man einmal davon aus,
daß im
Falle eines Adress Grids von 0,1 µm ein Koordinatentisch bei
einem einzigen Laserstrahl während
eines Scans sich nur um 0,1 µm
fortbewegen darf, kann der Koordinatentisch beim Einsatz von vier
Laserstrahlen eine Strecke von 0,4 µm zurücklegen. Obgleich heute überwiegend
der Koordinatentisch bewegt wird, während die Optik und/oder Strahlquelle
ortsfest angeordnet sind, erfolgt auch insoweit keine Einschränkung der
Erfindung. Maßgeblich
ist die Relativbewegung zwischen dem Koordinatentisch und der strahlerzeugenden
Optik, auch wenn nachfolgend der Einfachheit halber auf die Tischgeschwindigkeit
oder Bewegungsrichtung des Tischs bzw. Koordinatentischs Bezug genommen
wird.
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Ausgehend
von der eingangs angegebenen Gleichung (2) gilt allgemein für eine Relativgeschwindigkeit
bzw. Tischgeschwindigkeit bei einer Anzahl N von im wesentlichen
parallel arbeitenden Strahlen vR = N·Δx/ts. (3)
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Zur
deutlichen Erhöhung
der Schreibgeschwindigkeit wird erfindungsgemäß das Scan-Grid Δx variabel
gestaltet. Bei einem Laserstrahlschreiber mit mindestens zwei Strahlen
wird der Abstand der Strahlen vom kleinsten Grid-Raster, welches
durch das Layout Adress Grid bestimmt ist, bis zu einem Maximalabstand
X2 variiert.
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Ist
beispielsweise gemäß 1 mit
einem ersten Strahl S1, welcher einen vorgegebenen Durchmesser D
aufweist, ein X1 erzeugbar und ist ein zweiter Strahl S2 dem gleichen
Durchmesser in Einsatz, so kann durch Veränderung des Abstandes der beiden
Strahlen S1 und S2 in der Bewegungsrichtung x, insbesondere des
Tisches, der Abstand unter Berücksichtigung
des kleinsten Gridrasters Δx bis zu
einem maximalen Abstand mit einer Gasamtstrachlbreite X2 vorgegeben
werden. Beim Maximalabstand ist eine noch ausreichende Überlappung
der beiden Strahlen S1 und S2 zur durchgehenden Strukturierung bzw.
Belichtung in der Bewegungsrichtung bzw. orthogonal zur Scan-Richtung
gewährleistet.
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Weist
beispielsweise jeder der Einzelstrahlen S1 und S2 einen effektiven
Durchmesser von 0,5 µm
auf, ist die maximale Strukturbreite X2 somit näherungsweise 1 µm groß, wobei
für den
hierbei erreichten Maximalabstand von nährungsweise 0,5 µm sich
die beiden Strahlen gerade noch berühren. Die beiden Strahlen mit
variierendem Strahlabstand ermöglichen
somit im gleichzeitigen Scan-Schreibschritt die Erzeugung der minimalen
Strukturbreite X1 bis zur maximalen Strukturbreite X2.
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Wird
ein Strahlschreiber, insbesondere Laserstrahlschreiber, mit mehreren
Strahlen der Anzahl N vorgesehen, und läßt sich jeder Strahl im Raster des
Layout Adress Grids um Gridstufen der Anzahl G verschieben, so gilt
für die
maximal zulässige
Relativ- oder Tischgeschwindigkeit: vR = [1 + G·(N – 1)]Δx/ts. (4)
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Zweckmäßig erfolgt
in einem Laserstrahlschreiber die Aufspaltung des Laserstrahls in
mehrere Einzelstrahlen mittels eines akusto-optischen Elements.
Hierbei entspricht jedem der N aufgespaltenen Strahlen eine definierte
Frequenz f. Durch Veränderung
des Frequenzabstandes fN+1 – fN können
somit die wenigstens zwei Strahlen im Abstand zueinander verschoben
werden. Somit wird mit vergleichsweise geringem Aufwand die Variation
der Gesamtstrahlbreite durchgeführt
und die Erhöhung
der Produktivität
des Laserstrahlschreibers realisiert.
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Die
genannten Frequenzverschiebungen zur Strahlaufspaltung können in
zweckmäßiger Weise sehr
fein gestuft und letztendlich quasi kontinuierlich durchgeführt werden.
Folglich sind auch schräg
zur Scan-Richtung und/oder Bewegungsrichtung verlaufende Linien
oder Strukturen schreibbar oder grobe Stufungen problemlos interpolierbar.
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Wie
anhand von 2 erläutert werden soll, gelangt
das Verfahren mit variabler Laserstrahlbreite in besonders zweckmäßiger Weise
für Strukturanordnungen
zum Einsatz, welche eine Grid Orientierung aufweisen, wie es regelmäßig in der
Mikroelektronik der Fall ist. Bedingt durch die für ein bestimmtes Technologieniveau
spezifischen Design Rules, welche bei einem Schaltungsentwurf aus
Gründen
der Bauelementephysik sowie der Herstellungstechnologien eingehalten
werden müssen,
ergibt sich hierbei regelmäßig ein
sogenannes Design Grid (DG), dessen Raster deutlich größer ist
als die Abmessung der für
das Technologieniveau charakteristischen Minimalabmessung und des
hierfür
erforderlichen Layout Adress Grids (LAG). Die vorkommenen Strukturabmessungen
innerhalb dieses Grids werden ebenfalls durch die Design Rules bestimmt
und sind auf relativ wenige unterschiedliche Abmessungen begrenzt,
im Vergleich zu den Möglichkeiten,
welche grundsätzlich
durch das Layout Adress Grid (LAG) bestehen.
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2 zeigt
beispielshaft einen Layout-Ausschnitt einer Leiterbahn-Ebene eines
integrierten Schaltkreises. Die einzelnen Strukturen sind orientiert
am Design Grid (DG), welches um einen Faktor 25 größer ist
als das Layout Adress Grid LAG. Durch die Design Rules ist die minimale
Leitbahnbreite (A), der minimale Leitbahn-Abstand (B) und die erforderliche Überlappung
eines Kontaktlochs (C) festgelegt, und hieraus ergeben sich letztendlich
nur vier charakteristische Grundmaße für alle Leitbahn-Strukturen.
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Wie
in 3 dargestellt, lassen sich für den Fall einer Leitbahn Strukturierung
die erforderlichen Strukturbreiten L1 bis L4 durch die erfindungsgemäße Variation
der Laserstrahlbreite realisieren, und folglich ist das Laserscan-Raster
ebenfalls um den Faktor 25 größer als
das für
das entsprechende Technologieniveau erforderliche Layout Adress
Grid (LAG), welches auch als Laser Deflektor Adress Grid bezeichnet
wird. Es kann folglich mit einer entsprechend erhöhten Relativ-
bzw. Tischgeschwindigkeit gearbeitet werden, wodurch eine erhebliche
Produktivitätssteigerung
des Laserstrahlschreibers erreicht wird.
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Wie
oben bereits dargelegt, läßt sich
beim Einsatz eines akusto-optischen Elements zur Aufspaltung eines
Laserstrahls in eine Anzahl von Einzelstrahlen mit variablem Abstand
die jeweils gewünschte
Strukturbreite durch eine diskretes Frequenzspektrum realisieren.
Hierbei kommt es für
die Maßhaltigkeit
der Strukturabmessung im wesentlichen auf einen genauen Intensitätsverlauf
der Randstrahlen an. Hingegen darf für den mittleren Bereich der
Struktur nur der Mindestwert der Strahlendosis oder Strahlenenergie,
welche eine sichere Belichtung gewährleistet, nicht unterschritten
werden. Desweiteren werden Überbelichtungen
nicht stören,
solange sie nicht in den Randbereichen auftreten. Dadurch wird die
Abstimmung optimaler Frequenzspektren zur Erreichung maßhaltiger
Strukturabmessungen wesentlich erleichtet.
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Anhand
von 4 soll eine besondere Ausgestaltung zur Erzeugung
und Steuerung von Einzelstrahlen mittels eines akustooptischen Modulators 10 erläutert werden.
Mittels des akustooptischen Modulators 10 werden hierbei
vier Strahlen 11 bis 14 erzeugt. Ferner wird dieser
Modulator 10 gleichzeitig zur Strahlmodulation im Lithographiesystem
eingesetzt. Die Wirkungsweise des Modulators 10 beruht auf
der bekannten Ausnutzung der Wechselwirkung von elektromagnetischer
Strahlung mit Schallwellen, und zwar der kohärenten Streuung von Photonen
an Phononen. Dieser physikalische Effekt wird durch die Theorie
der Bragg-Streuung
beschrieben, welche unter anderem einen Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel
des Lichts und der Wellenlänge/Frequenz der
Schallwellen im Modulator liefert. Durch Anlegen von vier verschiedenen
Frequenzen mit vorgegebenem, vorzugsweise konstantem Frequenzabstand
an dem Modulator 10, werden vier Strahlen mit unterschiedlichen
Ablenkwinkeln erzeugt. Ferner ist die Intensität dieser Strahlen 11 bis 14 abhängig von
der Amplitude der jeweiligen Frequenz und somit kann jeder einzelne
Strahl 11 bis 14 unabhängig von den anderen ein- und ausgeschaltet
werden. Die Anordnung enthält
die beiden Linsen L1 und L2 mit den Brennweiten F1 bzw. F2. Wesentlich
ist bei dieser Anordnung, daß der
Modulator 10 außerhalb
der gemeinsamen Brennebene 20 der beiden Linsen L1, L2 steht,
damit alle vier Strahlen 11 bis 14 räumlich voneinander
getrennt von der Linse L2 abgebildet werden. Der akustooptische
Modulator 10 ist zwischen der gemeinsamen Brennebene 20 und
der Linse L2 angeordnet. Die Variation der Frequenz bzw. des Frequenzabstandes
der Einzelstrahlen 11 bis 14 bewirkt die oben
erläuterte Änderung
des Strahlabstandes in der Objektebene.
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Anhand
von 5 wird eine zweckmäßige Ausführungsform zur Durchführung der
Belichtung mit einer variablen Breite des Schreibstrahls erläutert. Durch Strahlenaufweitung
mittels zwei Zylinderlinsen ZL1, ZL2 wird der Eingangsstrahl 22 in
einer Richtung verbreitert. Der verbreiterte Strahl 23 wird durch
eine entsprechende Optik L1, L2 auf eine senkrecht zur Verbreitungsrichtung
stehende Schlitzblende 24 abgebildet. Diese ist vorzugsweise
derart justiert, daß bei
ausgestaltetem Modulator 10 der Lichtstrahl ungehindet
passieren kann, wie es mit den gestrichelten Linien 26 angedeutet
ist, wobei eine Strahlbreite b2 gegeben ist. Ist der Modulator 10 eingeschaltet,
so wird der Strahl entsprechend den durchgehenden Linien 28 abgelenkt
und kann nur noch teilweise die Blende 24 passieren. Die
somit erzeugte Strahlbreite b1 ist abhängig von dem erzeugten Ablenkwinkel
bzw. von der Modulatorfrequenz und ist durch Variation der Frequenz
einstellbar. Durch Amplitudenmodulation wird das An- und Ausschalten
der Daten realisiert.
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Anhand
von 6 wird eine weitere Möglichkeit zur Vorgabe der Strahlbreite
durch Einsatz einer elektrooptischen Zylinderlinse oder eines Zylinderlinsensystems
dargestellt. Mittels des akustooptischen Modulators 10 erfolgt
eine Intensitätsmodulation
des Strahls, wobei die Optik drei Linsen L1, L2 und L3 enthält. Mittels
des zwischen den beiden Linsen L1 und L2 angeordneten Modulators 10 erfolgt
die Modulation der Intensität
und danach gelangt der Strahl zu einer elektrooptischen Zylinderlinse 30,
welche zwischen den beiden Linsen L2 und L3 angeordnet ist. Die
Brennweite der Zylinderlinse 10 kann durch eine angelegte
Spannung variiert werden, und zwar unter Ausnutzung des linearen
elektrooptischen Effekts, aufgrund dessen der Brechungsindex eines elektrooptischen
Kristalls durch ein angelegtes elektrisches Feld linear veränderbar
ist. Die Linse bzw. der Kristall 30 weist zwei gegenüberliegende
Elektroden in Form einer Zylinderlinse auf, wobei hier die eine
Elektrode 32 angedeutet ist. Ist im Bereich dieser Elektroden
ein elektrisches Feld vorhanden, so entsteht dort ein anderer Brechungsindex
als im restlichen Teil des Kristalls, so daß im Kristall eine Zylinderlinse
vorhanden ist. Die Brennweite dieser Linse ist von der derart erzeugten
Differenz der Brechungsindizes sowie der Form der Elektroden abhängig. Somit
kann die Strahlbreite wiederum in einer Richtung variiert werden.
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Neben
den oben beschriebenen Anordnungen zur Strahlmodifikation ist noch
eine dritte Variante praktikabel, welche anhand von 7 erläutert wird.
Hierbei wird der Lichtstrahl mit einer sehr hohen Ablenkfiequenz,
im folgenden als Strahlbreitenmodulationsfrequenz SMF bezeichnet,
senkrecht zur eigentlichen Ablenkrichtung bewegt. Durch Amplitudenmodulation
dieser hohen Ablenkfrequenz wird so wieder die Strahlbreite eingestellt.
Damit die Fläche innerhalb
eines Scans vollständig
belichtet wird, muß zwischen
der Ablenkfrequenz fD des Deflektors und der
SMF fs folgender Zusammenhang erfüllt sein: fs =
fD·(b/D – 1) (5)
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Dabei
ist B die Scanlänge
des Deflektros auf dem Objekt und D der Strahldurchmesser. Die Scanlänge b des
hochfrequenten Scans ist dabei wesentlich kleiner als die des eigentlichen
Schreibscans des Deflektros B.
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Anhand
von 8 und 9 soll die Realisierung dieser
besonderen Strahlbreitenmodulation aufgrund einer Amplitudenvariation
eines hochfrequenten Scans senkrecht zur Schreibscanrichtung des
Deflektors erläutert
werden. Gemäß 8 sind zwei
akustooptische Modulatoren 34, 36 mit einer Optik
kombiniert, deren Linsen L1, L2 und L3 schematisch angedeutet sind.
Gemäß 9 ist
dem akustooptischen Modulator 34 ein elektrooptischer Deflektor 38 nachgeordnet
und wiederum mit einer Optik, enthaltend die Linsen L1, L2 und L3,
kombiniert. Der elektrooptische Deflektor 38 enthält einen elektrooptischen
Kristallstapel 40 mit Elektroden 41, 42.
Die hochfrequente Strahlablenkung wird bei Verwendung eines akustooptischen
Modulators durch Anlegen eines entsprechenden hochfrequenten Frequenzsweep
erreicht. Das heißt,
die Wellenlänge
der akustischen Welle im akustooptischen Kristall, an welcher das
Licht gebeut wird, wird mit der Frequenz fs moduliert.
Die Amplitude dieser Modulation wird dann entsprechend der benötigten Strahlbreite
variiert.
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Der
Einsatz des elektrooptischen Deflektors erfordert einen vergleichsweise
geringen elektronischen Aufwand. Hierbei wird der Strahl durch Anlegen
einer Wechselspannung einer Frequenz fs abgelenkt,
wobei die Amplitude der Spannung, von welcher als Ablenkamplitude
bezeichnet wird, die Strahlbreite b bestimmt. Die Wirkungsweise
eines derartigen elektrooptischen Deflektors beruht auf der Ausnutzung
des elektrooptischen Effekts zur Ablenkung eines Lichtstrahls und
ist in der Zeitschrift "IEEE JOURNAL
OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-9, NO. 8, AUGUST 1973" in dem Artikel "Ultrahigh Resolving Electrooptic
Prism Array Light Deflectors beschrieben. In der bekannten Anordnung
wird ein Lichtstrahl in eine polierte Stirnfläche eines flachen elektrooptisch
aktiven Kristalls eingekoppelt. Parallel zum Lichtstrahl sind auf
einer Ober- und auf einer Unterseite des Kristalls konjugierte prismenförmige Elektroden
vorgesehen, welche bei einer angelegten elektrischen Spannung im
Kristall ein lokal variierendes Brechungsindexfeld erzeugen. In
Abhängigkeit
der elektrischen Feldstärke ändern sich
die Brechungsindizes in verschiedenen Richtungen im Kristall. Das
Brechungsindexfeld zeigt durch die Form der Elektroden die gleichen
Eigenschaften wie ein äquivalentes
Glasprisma und ist somit in der Lage, eine Richtungsänderung
des aus dem Kristall austretenden Lichtstrahls zu bewirken. Wird
die in dem genannten Artikel beschriebene Form der Elektroden zur
Ablenkung eines Lichtstrahls verwendet, ist es zur Realisation der
Lichtablenkung ferner notwendig, daß das Vorzeichen der Spannung
von benachbarten Elektroden alterniert. Die Größenordnung des Ablenkwinkels
wird bei vorgegebener Elektrodenkonfiguration und Kristallgröße durch
die Amplitude der Spannung an den Elektroden bestimmt. Als bekannte
Kristalle, welche den elektrooptischen Effekt aufweisen, seien an
dieser Stelle beispielshaft Lithiumniobat (LiNbO3)
oder Kalium- oder Amoniumdihydrogenphosphat (KDP oder ADP) genannt.
Ein wesentlicher Nachteil der vorbekannten Anordnung besteht darin,
daß die
Dicke des Kristalls klein gehalten werden muß, um die für die Lichtablenkung notwendige
Betriebsspannung im technisch realisierbaren Rahmen zu halten. Dadurch
erfordert die Strahleinkopplung in den Kristall eine spezielle Zylinderoptik,
welche bekannterweise die Strahlqualität beeinträchtigt.
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Anhand
von 10 und 11 wird
eine zweckmäßige Ausgestaltung
des zum Einsatz gelangenden elektrooptischen Deflektors näher erläutert. 10 zeigt
schematisch einen Deflektor Stack 44, wobei im oberen Teil
der Figur die Bestandteile explosionsartig voneinander getrennt
dargestellt sind. Es sind zwei flache elektrooptisch aktive Kristalle 46, 47 mit
einer Höhe 48 dargestellt,
deren Kristallorientierung bzw. c-Achse mittels Pfeilen 50, 51 angedeutet ist.
Jeweils benachbarte Kristallscheiben weisen alternierende Kristallorientierungen
auf. Der Oberseite 52 und der Unterseite 53 des
jeweiligen Kristalls 46, 47 sind Elektroden 54, 55 zugeordnet.
Es handelt sich hierbei vorzugsweise um konjugierte, prismenförmige Elektroden,
wobei das Vorzeichen der Spannung an benachbarten Elektroden 54, 55 alterniert. Die
Elektroden 54, 55 sind bei dieser Ausgestal tung auf
entsprechende Substrate 56, 57 mit hier nicht weiter
zu erläuternden
Herstellungsverfahren aus der Halbleitertechnologie integriert.
Die vordere Stirnfläche 58 und
ebenso die hintere Stirnfläche
des jeweiligen Kristalls 46, 47 sind in zweckmäßiger Weise
poliert.
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Die
derart ausgebildeten Kristalle 46, 47 sind zusammen
mit den Elektroden 54, 55 bzw. Substraten 56, 57 zu
dem Deflektor Stack 44 übereinander gestapelt.
Die derart geschaffene Ablenkeinheit wird an der Vorderseite 60 mittels
eines Lichtstrahls 62, insbesondere eines Lasers, bestrahlt.
Der Lichtstrahl 62 trifft orthogonal auf die vorderen Stirnflächen 58 der
einzelnen scheibenförmigen
Kristalle, mittels welchen aufgrund des elektrooptischen Effekts
bei anliegender Spannung eine Ablenkung erfolgt, so daß der austretende
Lichtstrahl 64 bezüglich
des einfallenden Lichtstrahls 62 in der dargestellten Weise
abgelenkt ist. Die Anzahl der Kristalle und damit die Höhe 66 des
Deflektor Stacks 44 ist auf den Durchmesser 68 des
Lichtstrahls 62 abgestimmt und zusätzliche optische Mittel sind
daher nicht erforderlich.
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An
der zum Strahlengang des Lichtstrahls 62 im wesentlichen
parallelen Seitenfläche 70 sind
die vertikalen Verbindungen 72 der Elektroden der einzelnen
Kristalle angeordnet. Diese vertikalen Verbindungen 72 werden
zweckmäßig ferner
zur Kontaktierung und zum Anschluß einer hier nicht weiter dargestellten
Steuerungselektronik vorgesehen.
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11 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei
welcher die Elektroden 54, 55 durch ein bekanntes
Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise Sputtern oder Aufdampfen,
direkt auf die jeweiligen Kristalle 46, 47 aufgebracht
sind. Mittels des Pfeilen 50, 51 ist die alternierende
Kristallorientierung benachbarter Kristalle wiederum angedeutet.
Entsprechend sind auch an den Seitenflächen Kristalle die Verbindungen
der einzelnen Elektroden angeordnet und der derart aufgebaute Deflektor
Stack 44 besitzt an der Seitenfläche die vertikalen Verbindungen
bzw. Kontaktierungen 72.
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Bei
einem derart ausgebildeten elektrooptischen Deflektor sind also
wenigstens zwei elektrooptisch aktive Kristalle mit alternierender
Kristallrichtung zu einem Stapel oder Stack angeordnet. Die Höhe der Anordnung
durch Vorgabe der
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Anzahl
derart übereinander
angeordneter elektrooptisch aktiver Kristalle entsprechend dem jeweiligen
Anwendungsfall auf den Durchmesser des Lichtstrahls eingestellt
werden. Zusätzliche
optische Systeme, Linsen oder dergleichen und die hierdurch bedingten
Fehler entfallen. Zwischen den jeweils benachbarten Kristallen sind
Elektroden vorgesehen, welche nach bekannten Herstellungsverfahren
aus der Halbleitertechnologie auf entsprechende Substrate integriert
werden oder in bekannten Beschichtungsverfahren auf die Kristalle
aufgebracht werden.
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- 10
- akustooptischer
Wandler
- 11-14
- Strahl
- 20
- Brennebene
- 21
- Eingangsstrahl
- 23
- verbreiterter
Strahl
- 24
- Schlitzblende
- 26
- gestrichelte
Linie
- 28
- durchgehende
Linie
- 30
- Zylinderlinse
- 32
- Elektrode
- 34,
36
- akustooptischer
Modulator
- 38
- elektrooptischer
Deflektor
- 40
- Kristallstapel
- 41,
42
- Elektroden
- 43
- Höhe von 46, 47
- 44
- Deflektor-Stack
- 46,
47
- Kristall
- 48
- Höhe von 46, 47
- 50,
51
- Pfeil
- 52
- Oberseite
- 53
- Unterseite
- 54,
55
- Elektrode
- 56,
57
- Substrat
- 58
- vordere
Stirnfläche
- 60
- Vorderseite
- 62
- eintretender
Lichtstrahl
- 64
- austretender
Lichtstrahl
- 66
- Höhe von 44
- 68
- Durchmesser
von 62
- 70
- Seitenfläche
- 72
- vertikale
Verbindung