DE2163856A1

DE2163856A1 - Vorrichtung zur Einstellung einer Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE2163856A1
Application number: DE19712163856
Authority: DE
Inventors: Bernardus Antonius Johannus; Kramer Pieter; Eindhoven Jacobs (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-01-08
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-07-20
Also published as: CA958819A; NL7100212A; DE2163856C3; ATA11172A; ES398630A1; AT334979B; DE2163856B2; GB1384891A; IT946331B; FR2121301A5; BE777785A; CH539839A; AU3742671A; SE374620B; JPS5325238B1; US3811779A; AU466289B2; BR7200054D0

Description

GÜNTHER M. DAVID

Anmelder: N.V. PHILIPS¹ CLOEILAMPENFABRIEKEN

Akte: PHH- 5368 Anmeldung vom ι 20· Dez· 1971

"Vorrichtung zur Einstellung einer Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einstellung einer eine Vielzahl gleicher Elemente enthaltenden Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat .

Eine derartige Vorrichtung ist aus Proceedings Kodak Photoresist Seminar, May 19-20, S. 62, bekannt.

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In der bekannten Vorrichtung wird sowohl auf der Maske als auch auf dem Substrat ein Muster geeigneter Form angebracht, und zwar auf dem Substrat ein reflektierendes Quadrat und auf der Maske ein strahlungsdurchlässiger Rahmen, dessen Umrisse konzentrische Quadrate sind. Die Seite des inneren Quadrats auf der Maske ist etwas kleiner als die Seite des reflektierenden Quadrats auf dem Substrat, die ihrerseits etwas kleiner als die Seite des äusseren Quadrats auf der Maske ist.

Zwei photoempfindliche Detektorenpaare sind derart angeordnet, dass die Verbindungslinie zwischen den Detektoren eines Paares senkrecht zu der zwischen den Detektoren des anderen Paares liegt. Ein durch den Rahmen hindurchfallendes Lichtbündel wird an dem reflektierenden Quadrat auf dem Substrat reflektiert und erzeugt in jedem der photoempfindlichen Detektoren ein elektrisches Signal. Wenn das Differenzsignal zweier zu demselben Paar gehöriger Detektoren für jedes der Paare gleich null ist, nimmt die Maske in bezug auf das Substrat die gewünschte Lage ein, von einer Drehung der Maske in bezug auf das Substrat abgesehen. Mit Hilfe eines in einer geeigneten Entfernung von dem Mustersatz auf der Maske und auf dem Substrat liegenden zweiten Mustersatzes, das mit dem zuerst erwähnten Satz kongruent ist, wird eine gegenseitige Drehung der Maske und des Substrats

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eliminiert. Zu diesem Zweck muss das Differenzsignal, das aus den zu einem dritten Paar gehörigen photoempfindlichen Detektoren erhalten ist, deren Verbindungslinie zu der zwischen den Detektoren eines der anderen Paare parallel ist, wieder gleich null sein.

Mit Hilfe der bekannten Vorrichtung werden nacheinander eine Anzahl von Masken, bei denen die gleichen Elemente für jede Maske eine verschiedene Form aufweisen, an derselben Stelle auf dem Substrat abgebildet, Zwischen den aufeinanderfolgenden Abbildungen erfährt das Substrat die gewünschten physikalischen und chemischen Aenderungen. Auf diese Weise wird ein passives und/oder aktives Element gebildet, das unter der Bezeichnung "integrierte Schaltung" bekannt ist.

An die Genauigkeit, mit der integrierte Schaltungen hergestellt werden müssen, werden stets höhere Anforderungen gestellt. Die Stelle, an der aufeinanderfolgende Masken auf dem Substrat abgebildet werden, muss daher mit stets grösserer Genauigkeit festliegen. Abweichungen von z.B. mehr als 1 /um können prohibitiv sein. Die bekannte Vorrichtung entspricht nicht der besonders strengen Anforderung, dass aufeinanderfolgende Masken mit dieser äusserst kleinen Toleranz und mit hoher Zuverlässigkeit an der vorgeschriebenen Stelle auf dem Halbleitersubstrat abgebildet werden.

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Während verschiedener chemischer und physikalischer Vorgänge, denen das Substrat unterworfen wird, ändert sich ja der Reflexionskoeffizient des Substrats. Die Möglichkeit ist nicht ausgeschlossen, dass diese Aenderung nicht auf gleiche Weise über die ganze Oberfläche des Substrats erfolgt. Demzufolge wird ein Differenzsignal null zweier zu demselben Paar gehöriger Detektoren nicht sicherstellen, dass die Maske und das Substrat die gewünschte gegenseitige Lage einnehmen.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Vorrichtung der obenerwähnten Art zu schaffen, die den Nachteil, der der bekannten Vorrichtung anhaftet, nicht aufweist.

Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Muster verwendet werden, die aus je mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen bestehen, von denen zwei zueinander senkrecht orientiert sind und in einem gegenseitigen Abstand liegen, der klein ist in bezug auf den Abstand der beiden Konfigurationen von einer dritten Konfiguration, deren Nutenrichtung zu der Verbindungslinie zwischen dieser Konfiguration und den beiden ersteren Konfigurationen nahezu parallel ist, wobei das eine Muster starr mit dem Substrat und das andere starr

mit der Maske verbunden ist, während Abbildungen der beiden Muster etwa an der Stelle eines Referenzmusters

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erzeugt werden, das ebenfalls aus mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen besteht, von denen zwei zu der dritten senkrecht orientiert sind, derart, dass der gegenseitige Abstand zweier der rasterförmigen Konfigurationen klein ist in bezug auf den Abstand der beiden zueinander senkrecht orientierten Konfigurationen von der dritten Konfiguration, und dass die für die Abbildung verwendete Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Referenzmuster drei Oetektorenpaaren zugeführt wird, in welchen Detektorenpaaren elektrische Signale erzeugt werden, deren gegenseitiger Phasenunterschied ein Mass für die gegenseitige Lage der beiden Muster ist.

Es ist vorteilhaft, stets eine Wechselspannung in den Detektoren zu erzeugen. Nach einem Merkmal der Erfindung wird zu diesem Zweck dem Referenzmuster in bezug auf die Abbildungen eine Bewegung erteilt, die eine Geschwindigkeitskomponente in den Periodenrichtungen der rasterförmigen Konfigurationen des Referenzmusters aufweist. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird in dem Strahlengang einer linear polarisierten Lichtquelle zu jedem der Detektoren ein elektrooptischer Modulator angeordnet und sind die durch Beugung an den rasterförmigen Konfigurationen erhaltenen Teilbündel verschiedener Beugungsordnungen dadurch verschieden polarisiert, dass ein phasenanisotropes Element in mindestens einem der Tel!bündel angebracht wird.

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Es ist günstig, jede der rasterförmigen Konfigurationen aus mindestens zwei Teilen aufzubauen, deren Perioden etwas voneinander verschieden sind.

Einige Ausftihrungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausftihrungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil der Vorrichtung nach Fig. Ϊ,

Fig. 3 eine zweite Ausftihrungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. k eine geometrische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 fällt ein kollimiertes Strahlungabündel aus einer (nicht dargestellten) Strahlungsquelle auf ein Teilprisma 3. An der Trennfläche k des Teilprismas wird das Strahlungsbündel reflektiert und fällt über die Photomaske 2 auf das Halbleitersubstrat 1. Am Rande der Photomaske befindet sich ein Raster 6, während sich am Rande des Substrats ein Raster 5 befindet. Das Raster 6 ist als ein Amplitudenraster ausgebildet, während das Raster 5 als ein Phasenraster ausgebildet ist. Ea ist erforderlich, das Raster als ein Phasenraster auszubilden. Fremdstoffe, die an dem Substrat haften, stören ja die Diffusionsvorgänge, denen

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das Substrat zur Bildung der gewünschten integrierten Schaltung unterworfen wird.

Von dem Raster 6 wird über das Teilprisma 3 und die Linse 7 eine Abbildung 8 erzeugt, während von dem Raster 5 über das Teilprisma 3 und die Linse 7 eine Abbildung 9 erzeugt wird. Die beiden Abbildungen liegen in einer flachen Ebene beiderseits der Achse 0-0' der Linse 7·

Ein Referenzmuster 10 ist in der unmittelbaren Nähe der Abbildungsebene angebracht. Die Periode der Abbildung 8, die Periode der Abbildung 9 und die Periode des Rasters 10 sind untereinander gleich. Bei Verschiebung des Rasters 10 wird in den Detektoren 11 bzw« 12 ein sinusförmiges Signal mit der Grosse a sin.fi.t bzw. b sin(/L.t+<£.)_ erzeugt, wenn Λ- die Geschwindigkeit in Perioden/sec des Rasters 10 darstellt. Diese Signale werden miteinander verglichen. Ein Phasenunterschied (P₁. - ^Ρ_ο· wird z.B. auf elektrischem Wege oder von Hand eingestellt.

Der Einfachheit halber ist nur ein einziger Satz von drei Rastern (ein Raster auf dem Substrat» ein Raster auf der Maske bzw. ein Referenzraster) in der Figur dargestellt. Es ist einleuchtend, dass noch zwei Sätze von drei Rast#rn vorhanden sind. Die Rasterünieri des / : einen Satzes, 4er in der Nähe des ersten Satzes (5,6,10) liegt, liegen senkrecht zu den Rasterünien des ersten

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Satzes; die Rasterlinien des anderen Satzes, der in einiger Entfernung von den übrigen Sätzen liegt, stehen quer auf der Zeichnungsebene. Es ist vorteilhaft, dass man die Mitte M der einander nahe liegenden Raster auf dem Substrat und auf der Maske mit dem Drehpunt des Bewegungsmechanismus zusammenfallen lässt.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die drei

Sätze von drei Rastern, insofern es die Raster auf der fc Maske und auf dem Substrat anbelangt. Das Strahlungsbündel, das die Raster 15 und 16 abbildet, erzeugt nach Wechselwirkung mit dem zugehörigen Referenzraster Signale in (nicht dargestellten) Detektoren, die durch:

c sinJi_t und d SIn(ZL₂* ⁺^f?) dargestellt werden können, wenn JL ₂ die Geschwindigkeit in Perioden/sec des erwähnten zugehörigen Referenzrasters ist. Das Strahlungsbündel, das die Raster 17 und 18 abbildet, erzeugt nach Wechselwirkung mit dem zugehörigen Referenzraster Signale in (nicht dargestellten) Detektoren, die durch: ™ ρ sinitot und q sin(ilv>t + CP,,) dargestellt werden können.

wenn Λ. „ die Geschwindigkeit in Perioden/sec des erwähnten zugehörigen Referenzrasters ist. Die richtige Einstellung der Maske in bezug auf das Substrat ist erreicht, wenn Cf₁, Cf₂ und cp die Sollwerte CP₀₁, <f ₀2 ^und ψ 01 erreicht haben. Um den Mittelwert etwaiger Formänderungen zu bestimmen, kann es günstig sein, mehrere rasterförmige Konfigurationen auf dem Substrat und auf der Maske

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anzubringen und den Mittelwert der verschiedenen Phasen zu bestimmen. DaCf₁, C^₂ ^und CPo periodisch sind (die Periode ist der zugehörigen Rasterperiode proportional), ist das Gebiet, innerhalb dessen (o ^, <P_n2 und U) _o~ eindeutig sind, kleiner als die Rasterperiode. Zur Vergrösserung dieses Gebietes wird jedem Rastermuster noch ein Muster mit einer etwas verschiedenen Periode zugesetzt. Die richtige Einstellung der Maske in bezug auf das Substrat ist nun erreicht, wenn nicht nur (P. , <#₂ und ψ „ die Sollwerte Cp₀₁, Ψ_Ο2 ^un<* ψοή ©^reicht haben, sondern wenn gleichzeitig auch (P · ₁, <0· ₂ und (O · (die zu den zugesetzten Mustern gehören) ihre SollwerteC0 ^f _o1, ^¹Q₂ und Op'/jo erreicht haben.

Statt das Referenzmuster eine Bewegung vollführen zu lassen, kann auch in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den Detektoren ein elektro-optischer Modulator angeordnet werden. Das Referenzmuster ist dann während der Positionierung in bezug auf die Maske oder das Substrat unbeweglich. Es wird linear polarisiertes Licht verwendet, das über die Rastermuster auf der Maske und auf dem Substrat in Teilbündel u.a. der Ordnungen -1, O und +1 gespaltet wird. Eines der von dem Rastermuster auf dem Substrat ausgehenden Teilbündel, z.B. das Teilbündel der Ordnung -1, durchläuft ein phasenanisotropes Element, z.B. eine Λ/2-Platte mit einer derartigen

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Orientierung, dass die Polarisationsebene des betreffenden Teilbündels sich um 90° dreht. An der Stelle des Referenzrasters werden die zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel, und zwar das Teilbündel der Ordnung +1 bzw. das Teilbündel der Ordnung -1, vereinigt. (Das Teilbündel der Ordnung O wird durch einen Schirm abgedeckt).

Die aus dem Referenzmuster austretenden, in Richtung zusammenfallenden, aber zueinander senkrecht polarisierten Teilbündel der Ordnungen ( + 1,+I) und (-Vl) werden in einem isotropen Teilprisma gespaltet und dann in dem elektrooptischen Modulator einer Polarisationsmodulation unterworfen und von zwei polarisationsempfindlichen Detektoren aufgefangen.

Das in den Detektoren erzeugte elektrische Signal ist, nach Filterung rundCU _f proportional mit:

cos cut cos(kz + 2(ß) bzw. sin Cot sin(kz +2φ).

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die

^ mit einem Referenzraster versehen ist, das in bezug auf die Maske oder das Substrat eine feste Lage einnimmt. Ein kollimiertes Bündel linear polarisierten Lichtes fällt auf eines der drei Raster auf dem Substrat. Die an diesem (in der Figur mit 30 bezeichneten) Raster reflektierten Teilbündel a, b und c der Ordnung +1, 0 bzw. -1 werden von der Linse 31 etwa an der Stelle des Reforenzrasters 32 zusammengefügt. (Der Einfachheit halber

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sind die Teilbündel in der Zeichnung als an dem Raster durchgelassene Teilbündel dargestellt). In dem Gang des Teilbündels a befindet sich eine/./2-Platte 33, deren Hauptrichtungen einen Winkel von ^5° mit der Polarisationsrichtung des auffallenden linear polarisierten Teilbündels einschliessen. Diey\,/2-Platte 33 verdreht die Polarisationsebene des Teilbündels a über 90°. In dem Gang des Teilbündels b befindet sich der Schirm 34, der dieses Teilbündel absorbiert. Das Teilbündel c (der Ordnung -1) läuft unbehindert zu dem Referenzraster Von dem Referenzraster werden in Richtung zusammenfallende Teilbündel durchgelassen, und zwar das Teilbündel a¹ der Ordnung (+1,+I) und ein Teilbündel c¹ der Ordnung (—1,-1). Die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Teilbtindels a¹ liegt senkrecht zu der des linear polarisierten Teilbündels c¹. Das resultierende Bündel weist einen elliptischen Polarisationszustand auf, dessen Parameter durch den Phasenunterschied der betreffenden Teilbündel bestimmt werden. Der Phasenunterschied der Teilbündel wird seinerseits durch die Lagen der Raster 30 und 32 bestimmt.

An einem isotropen Teilspiegel 35 wird ein

Teil der beiden Teilbündel zu dem Spiegel 36 reflektiert, während ein weiterer Teil durchgelassen wird. Das an dem Spiegel 36 reflektierte Lichtbündel (das in der Figur mit 50 bezeichnet ist) passiert den elektro-

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optischen Modulator 38. Das von dem Teilspiegel 35 durchgelassene Lichtbündel (in der Figur mit 51 bezeichnet) passiert den elektro-optischen Modulator Die beiden elektro-optischen Modulatoren können z.B. KDDP-Kristalle sein. An den elektro-optischen Modulator 38 wird aus der Wechse1spannungsquelle 39 ein axiales elektrisches Feld mit der Grosse A cos cJ t angelegt, während an den elektro-optischen Modulator 37 aus derselben Quelle 39 unter Zwischenschaltung des Phasenverschiebungsnetzwerks 4o ein axiales elektrisches Feld mit der Grosse B sinoüt angelegt wird.

Der Polarisationszustand der elliptisch polarisierten Lichtbündel, die auf die Modulatoren auffallen, wird von den Modulatoren gemäss der cosüt- bzw. der sinWt-Funktion beeinflusst. In der } /4-Platte 45 bzw. 46 wird das elliptisch polarisierte Lichtbündel in ein linear polarisiertes Lichtbündel umgewandelt. Zu diesem Zweck schliessen die Hauptrichtungen der Platten Winkel von 45° mit den Polarisationsrichtungen der auf das Referenzraster 32 auffallenden Teilbündel ein, Die aus den λ/4-Platten 45 und 46 austretenden linear polarisierten Lichtbündel, deren Polarisationsebene sich gemäss einer cosCet- bzw. einer sini^t-Funktion dreht, fallen auf Analysatoren 41 bzw. 42, deren Polarisationsrichtungen einen Winkel von 45° miteinander einschliessen,

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Die auf die Detektoren k3 und kh auffallenden Bündel können durch. P cosut sin j kz + 2(d+T^) > und

P sinujt sin (kz + 2o() dargestellt werden. Dabei ist k = -τ- , während ζ die Lage des Rasters 30 und o( den

A
Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des auf das Raster 30 auffallenden Lichtbündels und der Polarisationsrichtung des Polarisators k2 darstellt.

Die in den Detektoren 43 und kh erzeugten elektrischen Signale lassen sich nun elektrisch einfach verarbeiten. Addition ergibt eine elektrische Grosse, die mit: sin (cut + kz + 2o() proportional ist.

In Fig. h ist der Polarisationszustand jedes der Teilbündel auf der Poincareschen Kugel dargestellt. Die einander gegenüber auf dem Aequator liegenden Punkte D und E stellen die Polarisationszustände der linear polarisierten Teilbündel an der Stelle des Referenzrasters 32 dar. Der Punkt F auf dem grossen Kreis, dessen Ebene quer auf der Linie D-E steht, stellt den Polarisationszustand der in Richtung zusammenfallenden Teilbündel, die das Raster 32 durchlaufen haben, dar. In den elektrooptischen Kristallen 37 und 38 wird dieser Polarisationszustand moduliert. F. und F₂ bezeichnen die Enden der Linie, die diesen modulierten Polarisationszustand darstellt. Nach dem Durchlaufen der yt,/4-Platte k5 bzw, k6 wird der Polarisationszustand der Teilbündel durch den Linienteil GjG₂ ^{auf% dem} Aequator dargestellt.

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Es ist einleuchtend, dass für jedes der sechs Raster (siehe Fig. 2) ein System der in Fig. 3 dargestellten Art benötigt wird.

In der Vorrichtung nach Fig. 3 kann der Schirm 34 in dem Teilbündel c der Ordnung -1 statt in dem Teilbündel b der Ordnung O angebracht werden. Auch kann, statt eine yl/2 -Platte in dem Teilbündel a anzubringen, sowohl in diesem Teilbündel als auch in dem

' Teilbündel c eine X, /4-Platte angebracht werden, wobei die Hauptrichtungen dieser Platten einen Winkel von +45° bzw. einen Winkel von -45° mit der Richtung des einfallenden Teilbündels einschliessen. Es ist dann erforderlich, dass in dem Gang der in Richtung zusammenfallenden Teilbündel für jeden der elektro-optischen Kristalle eineλ/4-Platte angeordnet ist, deren entsprechende Hauptrichtungen einen Winkel von 90° Biit denen der Platten 45 bzw, 46 einschliessen. Diese

fe Λ/4-Platten können auch durch eine einzige zwischen dem Referenzraster 3?. und dem Teilspiegel 35 angebrachte ^4-Platte ersetzt werden» Es ist einleuchtend, dass das Maskenmuster nicht durch das Kontaktverfahren dem Substrat zugesetzt zu werden braucht; dies kann auch durch Abbildung erfolgen. In diesem Falle wird der gleiche Positionierungsvorgang angewandt.

•ί „· s -it ' i. ; t ν * ι

Claims

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PATENTANSPRÜCHE;

Vorrichtung zur Einstellung einer eine Vielzahl gleicher Elemente enthaltenden Maske in bezug auf ein Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass zwei
Muster verwendet werden, die aus je mindestens drei
rasterförmigen Konfigurationen bestehen, von denen zwei senkrecht zueinander orientiert sind und in einem gegenseitigen Abstand liegen, der klein ist in bezug auf den Abstand der beiden Konfigurationen von einer dritten
Konfiguration, deren Nutenrichtung zu der Verbindungslinie zwischen dieser Konfiguration und den beiden
ersteren Konfigurationen nahezu parallel ist, wobei das eine Muster starr mit dem Substrat und das andere starr mit der Maske verbunden ist, während Abbildungen der
beiden Muster etwa an der Stelle eines Referenzmusters
erzeugt werden, das ebenfalls aus mindestens drei rasterförmigen Konfigurationen besteht, von denen zwei zu der dritten senkrecht orientiert sind, derart, dass der gegenseitige Abstand zweier der rasterförmigen Konfigurationen klein ist in bezug auf den Abstand der beiden senkrecht zueinander orientierten Konfigurationen von der dritten Konfiguration, und dass die für die Abbildung verwendete Strahlung nach Vechselwirkung mit dem Referenzmuster
drei Detektorenpaaren zugeführt wird, in welchen Detektorenpaaren elektrische Signale erzeugt werden, deren

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gegenseitiger Phasenunterschied ein Mass für die gegenseitige Lage der beiden Muster ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Referenzmuster in bezug auf die Abbildung eine Bewegung erteilt wird, die eine Geschwindigkeitskomponente in den Periodenrichtungen der rasterförmigen Konfigurationen des Referenzmusters aufweist. h
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang einer linear polarisierten Lichtquelle zu jedem der Detektoren ein elektrooptischer Modulator angeordnet ist und die durch Beugung an den rasterförmigen Konfigurationen erhaltenen Teil~ bündel verschiedener Beugungsordnungen dadurch verschieden polarisiert sind, dass ein phasenanisotropes Element in mindestens einem der Teilbündel angebracht wird. h . Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der rasterförmigen Konfigurationen aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist, deren Perioden etwa« voneinander verschieden sind*

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