EP1599764A2 - Verfahren zur herstellung eines resistsubstrats - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines resistsubstrats

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EP1599764A2
EP1599764A2 EP04713886A EP04713886A EP1599764A2 EP 1599764 A2 EP1599764 A2 EP 1599764A2 EP 04713886 A EP04713886 A EP 04713886A EP 04713886 A EP04713886 A EP 04713886A EP 1599764 A2 EP1599764 A2 EP 1599764A2
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EP
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resist layer
resist
layer
conductive layer
exposure
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EP04713886A
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Wittich Kaule
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Giesecke and Devrient GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S430/00—Radiation imagery chemistry: process, composition, or product thereof
    • Y10S430/143—Electron beam

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a substrate having a resist layer in the form of a relief structure, which represents a diffraction structure, wherein the substrate has a conductive layer which scatters the primary electrons when exposing the resist layer by means of an electron beam and / or generates secondary electrons.
  • the invention further relates to a resist master and a resist substrate.
  • Optically variable elements which have optical properties varying with the viewing angle are frequently used as counterfeit or copy protection for value documents, such as credit cards, bank notes or the like, but also for product protection on any product packages.
  • the optically variable elements have the diffraction structure of a true hologram, computer hologram or the diffraction structure of a lattice image with lattice fields arranged next to one another.
  • a hologram is a superposition of diffraction gratings.
  • a grating image is composed of a multiplicity of grid fields arranged side by side, each of which has a uniform diffraction grating.
  • the diffraction gratings of the different grating fields may differ with regard to the grating constant or the azimuth angle or the contour or the outline of the image area occupied by the respective diffraction grating.
  • the lattice constant corresponds to the spacing of the grid lines and is essential for the color of the respective image region in the lattice image which can be recognized at a certain viewing angle.
  • the azimuth angle describes the inclination of the grid lines with respect to a reference direction and is responsible for the visibility of the image areas in certain viewing directions.
  • optically varia- ble elements, z As moving images or even plastically-acting images are generated.
  • the optically variable elements For the mass production of the optically variable elements, it is customary to produce so-called "master structures" which have the respective phase information of the optically variable element in the form of a spatial relief structure, which is usually a glass, plastic, metal or semiconductor substrate
  • master structures which have the respective phase information of the optically variable element in the form of a spatial relief structure, which is usually a glass, plastic, metal or semiconductor substrate
  • embossing and removing the relief structure by embossing and removing the relief structure, arbitrarily shaped embossing tools can be produced, with the aid of which the diffraction structures represented by the relief structure can be enlarged in size
  • the relief structures can be generated either by holographic exposure or by electron beam lithography.
  • resist is to be understood in this context as a radiation-sensitive lacquer, whereby the term “photoresist” refers to photosensitivity and the term “e-beam resist” to sensitivity to the exposure to an electron beam, although resist types are also known , which are sensitive to both electromagnetic radiation, in particular light, as well as for the irradiation with electrons. Chemically, the resist is a film-forming material whose solubility behavior changes under light or particle radiation.
  • “Positive resist” refers to resist materials which readily become soluble under irradiation by degradation or conversion of functional groups
  • Resist materials are referred to as "negative resist", which become sparingly soluble or insoluble under irradiation by crosslinking or polymerization, as a result of which the unexposed areas are dissolved away during further treatment, while the irradiated areas remain stationary.
  • the relief structures that represent the diffraction structure of an optically variable element in the Generally have flat sloping edges or flanks with a defined slope.
  • the invention is based on the abe to specify a method by which a relief structure with flat flanks or flanks can be produced in a simple manner for electron beam lithography, in particular for generating hologram-like structures in a resist layer , Furthermore, the invention has for its object to provide a suitable for carrying out the process resist substrate and a resist master for stamping tools.
  • the invention is based on the finding that the range of action of this additional exposure depends on the electron beam energy and the conductive material used and that by appropriate choice of the exposure parameters and the conductive material of the Proximity Eff eective targeted for the generation of inclined flanks, as they are for the Production of Resistmastern are necessary, can be used.
  • the material of the resist layer and of the conductive layer and the exposure parameters are matched to one another such that the resist layer is also exposed outside the region exposed to the electron beam so that the flanks of the relief structure receive an inclined form. It is to be considered as an indication that flatter flanks are due to a higher atomic number of the metal contained in the conductive layer, a softer gradation of Resist, a higher acceleration voltage of the electrons and a blurred and larger beam cross-section can be generated.
  • This method has the advantage that it can be performed in a much shorter time compared to conventional methods for producing a substrate having a resist layer in the form of a relief structure, since only a single exposure step is required. In addition, the exposure time is reduced in addition, since the total effective radiation dose is increased by the secondary electrodes. In addition, a wide range of resist types can be used for the process. The method is thus not dependent on the use of insensitive resist materials as the known methods. The inclination of the flanks of the relief structure also leads to a good release behavior of the embossing lacquer from the embossing molds, which are shaped by the relief structure.
  • metal layers or metal alloy layers of tungsten, gold, palladium, chromium, aluminum or mixtures of these metals are preferably used because of their good processability.
  • High scattering and secondary electron emission is achieved, for example, with tungsten, gold or a gold-palladium alloy. Since the proximity effect is greater, the higher the atomic number of the chemical elements used, the use of metals with high atomic numbers, in particular greater than 50, is preferred.
  • the conductive layer may form the carrier substrate for the resist layer or may be applied as a separate layer. In some embodiments, it may also be necessary to remove the conductive layer after the electron beam exposure again. For this purpose, appropriate solvents are used.
  • the electron beam exposure is carried out with Elek- tronenstahlenergy from 0.1 to 100 keV, preferably in the range of 1 to 50 keV
  • the conductive layer is disposed between the resist layer and the substrate.
  • a negative resist is used, so that resist areas which are adjacent to the conductive layer and adjacent to the directly exposed area are also exposed by the backscattering of the primary electrons and the secondary electron emission.
  • the unexposed areas are removed and only the areas directly exposed to the electron beam and by the proximity effect remain on the substrate.
  • a positive resist is used, which on a surface facing away from the substrate with the conductive
  • the resist areas adjacent to the conductive layer and located outside the directly exposed area are also exposed.
  • the exposed areas are loosened and only the unexposed areas, which are exposed neither directly nor by the proximity effect, remain on the substrate.
  • the electron beam exposure can be combined with an optical exposure in the form of electromagnetic radiation.
  • a positive resist is applied to the substrate, which can be exposed to both electromagnetic radiation and an electron beam.
  • an optical exposure takes place.
  • the areas provided for exposure to the electron beam are covered during the optical exposure by means of an opaque mask.
  • the conductive layer is applied to the not yet developed positive resist.
  • the areas previously covered by an opaque mask are then exposed by means of an electron beam, the forward scattering of the beam electrons and the emission of the secondary electrons from the conductive layer effecting the exposure of the resist beneath the conductive layer and adjacent the area directly exposed to the electron beam.
  • the conductive layer is then removed with a suitable solvent and the positive resist developed.
  • a negative resist is used.
  • the negative resist in the beam direction before the conductive
  • a light radiation absorbing layer may be provided between the resist layer and the conductive layer.
  • different resist layers may be arranged one behind the other in the beam direction.
  • a first resist layer which can be exposed by means of electromagnetic radiation in the beam direction in front of a second resist layer which can be exposed with an electron beam.
  • the conductive layer can then be arranged between the two resist layers or in the beam direction behind the second resist layer which can be exposed with an electron beam.
  • the different embodiments of the method serve to produce a substrate having a relief-like structured resist layer is provided.
  • the substrate produced by the process according to the invention is galvanically molded after development and multiplied by known processes in order to produce an embossing stamp, in particular an embossing cylinder such as banknotes, checks, identity cards or the like are also used in the field of product assurance embossed diffractive structure elements are often used.
  • FIGS. 1A and B show the exposure of a negative-resist coated substrate to an electron beam and a cross-section through the substrate after development;
  • FIGS. 2A to C show a cross section through a substrate provided with a negative resist, which is exposed by means of an electron beam with a different dose of radiation;
  • Figure 3 A to C the substrate of Figures 2A to C after development.
  • FIGS. 6A to C show successive method steps of a method with a combination of an optical exposure and a further exposure by means of an electron beam;
  • FIGS. 7A to 7C show successive method steps of another
  • FIG. 9 shows a modified embodiment of a resist substrate
  • FIG. 10 embodiment in which the conductive layer is applied to a separate carrier.
  • FIG. 1A shows a cross section of a substrate 1 onto which a conductive layer 2 made of a conductive material is applied.
  • the conductive layer 2 may be made of, for example, a metal or a metal alloy or a conductive polymer.
  • a resist layer 3 made of a negative resist. Since the negative resist 3 is generally not conductive itself, the conductive layer 2 serves to dissipate the electrons striking an electron beam 4.
  • the conductive layer 2 can be dispensed with if the substrate 1 itself is sufficiently conductive.
  • an exposure region 6 forms around a target area 5 impinged by the electron beam 4, through which an area of the negative adjacent to the target area 5 Resist 3 is exposed.
  • the extent of the exposure area 6 is determined by the materials used, the electron acceleration voltage and by the beam dose, which in turn depends on the intensity and the writing speed of the electron beam 4.
  • This scattering of the primary electrons and the emission of the secondary electrons are referred to as the proximity effect.
  • the proximity effect is all the more pronounced the higher the atomic number of the material used for the conductive layer 2.
  • metals with a high atomic number for.
  • tungsten or gold used.
  • tungsten or gold is a gold-palladium alloy, which leads to more uniform conductive layers 2 as pure gold.
  • chromium or aluminum are also suitable as elements for the conductive layer 2.
  • the conductive layer, the resist and the beam data are matched to one another in such a way that, due to proximity effects, exposure takes place to the desired extent in the area adjacent to the incident beam.
  • the relief profile 7 has a slope angle 8, which is significantly smaller than 90 °. Erfindungsge- In principle, all flank angles of less than 90 ° can be produced, and angles between approximately 30 ° and 89 ° are preferred.
  • the procedure is, for example, as follows:
  • a quartz plate having a thickness of about 2 mm is used as the substrate 1.
  • An approximately 80 nm thick, serving as a conductive layer 2 AuPd layer is vapor-deposited on this.
  • the negative resist 3 is spun from an e-beam negative resist material with 250 nm thickness ("spin coating") and cured ("bake").
  • the exposure of the negative resist 3 is effected by means of the electron beam 4 whose electrons have been accelerated to 5 keV.
  • the electron beam 4 is guided along the lines provided for the diffraction grating and exposes the resist layer 3 in the region of these lines.
  • a diffraction grating is inscribed in the resist layer 3 by the electron beam 4.
  • the diffraction grating generally covers the area of a grid field whose outline or contour is predetermined by the design of the grid image.
  • the distance between the individual tracks of the electron beam 4 is typically 1 micrometer.
  • FIGS. 2A to 2C show the extent of the exposure areas 6 as a function of the radiation dose.
  • FIG. 2A shows the extent of the exposure area 6 with a low dose of radiation
  • FIG. 2B with an average dose of radiation
  • FIG. 2C with a high dose of radiation.
  • the optimal dose of radiation is determined by tests depending on the selected resist material and proximity layer material.
  • FIGS. 3A to 3C show the relief structures 7 which result after the development of the negative resist 3 from FIGS. 2A to 2C. With a small dose of radiation, the relief structure 7 only has individual isolated elevations 9 after development.
  • the mean jet dose shown in FIG. 2B leads to the relief structure 7 shown in FIG. 3B with a nearly sinusoidal cross-sectional profile.
  • an excessively high radiation dose leads to the relief structure 7 shown in FIG. 3C, in which case the developed negative resist layer 3 has only isolated recesses 10.
  • the relief structure 7 according to FIG. 3B is particularly advantageous since the embossing tools shaped by this relief structure exhibit the best detachment behavior during embossing and because the embossed material has a high degree of brilliance in a wide viewing angle range as a diffraction grating.
  • the method can also be carried out with a positive resist.
  • a positive resist Such an embodiment is shown in Figs. 4A to 4C.
  • an approximately 2 mm thick quartz glass plate is used as the substrate 1.
  • a positive resist 11 made of E-beam positive resist material of 250 nm thickness is applied and cured.
  • an approximately 40 nm thick conductive layer 12 is vapor-deposited.
  • the exposure takes place with the aid of the electron beam 4, whose electrons have been accelerated to an energy of 5 keV.
  • the writing operation takes place as in the embodiment shown in FIGS. 2A to 2C and FIGS. 3A to 3C.
  • the grid lines are typically written at a distance of about 1 ⁇ m.
  • the exposure region 6 Due to the forward scattering of the primary electrons incident on the electron beam 4 and the emission of the secondary electrons in the dissipation layer 12, the exposure region 6 also comes in the region of the positive Resist layer 11 to lie.
  • the beam dose determined by current intensity and writing speed of the electron beam 4 is again optimized in experiments.
  • the conductive layer 12 may need to be removed after exposure.
  • suitable solvents are known to those skilled in the art.
  • gold for example, the TFA type gold etching solution from Transene Co., Rowel Ma is suitable.
  • An etching solution suitable for chromium is an etching solution of the type TR-14 of Cyantek Corp., 3055 Osgood Ct., Fermont CA 94548.
  • FIGS. 5A to 5C show the cross-sectional profile of the positive resist layer 11 after development.
  • the cross-sectional profile of the positive resist layer shown in Fig. 5A is the result of the small dose of radiation of the electron beam 4 of Fig. 4A.
  • the cross-sectional profiles of the positive resist layer 11 shown in FIGS. 5B and 5C result due to the radiation dose of the electron beam 4 shown in FIGS. 4B and 4C.
  • the exposure region extends only slightly beyond the surface of the positive resist layer 11 into the positive resist layer 11. Accordingly, after the form
  • the positive resist layer 11 Only develop individual isolated recesses 13 in the surface of the positive resist layer 11. On the other hand, with a medium dose of radiation, the positive resist layer 11 exhibits a nearly sinusoidal profile after development, which is particularly desirable, since the embossing lacquer easily separates from the embossing patterns produced by the positive resist 11 and the finished variable optical elements over a wide viewing angle range have high optical brilliance. If the jet dose is chosen too high, the isolated elevations 14 shown in FIG. 5C result. It should be noted that after exposure to the electron beam 4 and prior to the development of the positive resist 11, the drainage layer 12 must be dissolved by means of a suitable etching solution.
  • the dissolution of the dissipation layer 12 can be avoided if the dissipation layer 12 is arranged on a separate foil 40, as shown in FIG.
  • the film 40 or the dissipation layer 12 is brought into close contact with the resist layer during the exposure and can then be easily removed by removal.
  • FIGS. 6A to 6C show successive method steps of such a method.
  • an approximately 250 nm thick positive resist 15 is first applied, which can be exposed both to blue light and to an electron beam.
  • a positive resist is, for example, the resist material AZ 5206 from Hoechst.
  • a holographic exposure is then effected by superimposing spatially extended, uniformly coherent wave fields 16 in the positive resist 15.
  • the areas of the positive resist 15 to be later exposed to the electron beam 4 are masked by means of an opaque mask 17 located on the underside of a transparent film 18.
  • the technique of holographic exposure as such is known to those skilled in the art.
  • the holographic exposure generates in the positive resist 15 latent grid structures with sinusoidal profile, which are shown in Figures 6 A and 6B respectively by a dashed line.
  • the as yet undeveloped positive resist 15 is vapor-deposited with a preferably 20 to 100 nm thick dissipation layer 19 made of gold.
  • the regions of the positive resist 15 covered with the mask 17 during the holographic exposure are subsequently exposed using the electron beam 4 according to FIG. 6B.
  • the exposure using the electron beam 4 can take place such that to be filled by a contour or an outline limited grating fields ⁇ a grating image having different diffraction gratings. Due to the scattering of the primary electrons and the emission of the secondary electrons in the conductive layer 19, the exposure regions 6 extend so far into the positive resist layer 19 that after development, the grating lines written by the electron beam 4 also receive the sine profile shown in FIG. 6C. However, before the development of the positive resist layer 15, the drain layer 19 must be removed by using an etching solution.
  • FIGS. 7A to 7C show method steps of such a method.
  • a dissipation layer 20, which is covered with an antireflection layer 21, is applied to the substrate 1.
  • a negative resist 22 is applied, which can be exposed both with blue light and with an electron beam.
  • the exposure time for the exposure to light is tronenstrahl 4 provided region of the negative resist layer 22 covered by the mask 17.
  • FIG. 7A This process step is shown in FIG. 7A.
  • the antireflection layer 21 serves to prevent reflections on the metallic dissipation layer 20, which could disturb the superposition of the wave fields 16 in the region of the negative resist 22.
  • the result of the holographic exposure is the latent diffraction grating drawn in dashed lines in FIGS. 7A and 7B.
  • the substrate according to FIG. 7B is exposed to the electron beam 4, the backscattered primary electrons and the emission of the secondary electrons causing the exposure area 6 to extend into the negative resist 22.
  • the grid lines shown in cross section in FIG. 7C with a sinusoidal grating profile result.
  • FIGS. 6 and 7 are used in particular when an image is to be produced with a motif arranged in front of a background.
  • the background can be generated with the holographic exposure while the grids of the subject are formed by the electron beam 4.
  • the electron beam recording method according to the present invention may be combined with any other exposure and recording methods. This applies to all described embodiments.
  • the embodiment of a combined method illustrated in FIGS. 6A to 6C offers the advantage that the positive resist generally has greater sensitivity than a negative resist.
  • the conductive layer must be removed prior to development. This method step is omitted in the embodiment of a combined method with a negative resist illustrated in FIGS. 7A to 7C.
  • the negative resist 22 or the positive resist 15 need not be made of a uniform resist material. It is also conceivable to provide for the positive resist 15 and the negative resist 22 regions of different resist materials, which may also have different thickness.
  • FIGS. 8A to 8E show an exemplary embodiment of a method in which a conductive layer 23 is first applied to the substrate 1.
  • a negative resist 24 which is largely insensitive to optical radiation.
  • the negative resist 24 is darkened, so that optical radiation is absorbed into the negative resist 24.
  • the negative resist 24 is suitable for exposure to the electron beam 4.
  • the negative resist 24 has a desired layer thickness of, for example, 200 nm for electron beam exposure.
  • a 400 nm thick positive resist 25 is applied, which has a high sensitivity for optical radiation.
  • the substrate shown in Fig. 8 A is thus ready for exposure.
  • the order of the following exposure steps is arbitrary.
  • the optical exposure is started.
  • An area provided for the optical exposure is holographically exposed to electromagnetic radiation 16, eg a laser.
  • the area 26 thus exposed contains the latent diffraction grating, which is indicated by a dashed sine curve in FIG. 8B.
  • the negative resist 24 lying in the area 26 is not damaged because of its optical insensitivity and serves as an absorption layer in order to avoid undesired light spots.
  • the area 26 which is optically exposed in this way is now covered by a mask 27 and an area 28 provided for the electron beam exposure is first preexposed with blue light 29 over the whole area in order to render the positive resist 25 in the area 28 detachable.
  • the action of the blue light 29 has egen the light resistance of the negative resist 24 no effect on lying in the area 28 negative resist 24th
  • the exposure to the electron beam 4 takes place.
  • the backscattered primary electrons and the emission of the secondary electrons expose the negative resist 24 to the desired diffraction grating.
  • the damage caused by the electron beam 4 in the positive resist 25 is irrelevant since the positive resist 25 in the region 28 is ultimately removed.
  • the exposure is hereby completed.
  • FIG. 8E shows Valley profiles, which are shown in Fig. 8E in cross section.
  • a holographic image is now present in the region 26, and in the region 28 the negative resist 24 forms a diffraction grating with a sinusoidal cross-sectional profile.
  • Fig. 9 shows a modified layer structure, which however is treated the same as the layer structure of Fig. 8A.
  • a positive resist 30 is applied to the substrate 1, which is covered with a conductive layer 31.
  • a positive or negative resist 32 which is sensitive to optical light.
  • an antireflection layer 33 is disposed between the resist layer 32 and the conductive layer 31, an antireflection layer 33 is disposed.
  • a relief structure as shown in FIG. 8E can be produced by exposing the resist layer 32 by means of electromagnetic radiation and the resist layer 30 by means of the electron beam 4.
  • the relief structures 7 produced by exposure and development can be processed as resist masters in the usual way as in optical holography.
  • a thin layer of silver is applied by vapor deposition or chemical precipitation, and a nickel impression is taken in the ceramic bath.
  • the Nickelabf orm may be duplicated and used as an embossing stamp for embossing a recuperge für.
  • the embossed layer is finally transferred to the final substrate, for example a banknote, credit card or packaging material, with or without a shiny metallic reflective background layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Resistschicht in Form einer Reliefstruktur, die eine Beugungsstruktur darstellt. Die Resistschicht grenzt zumindest bereichsweise an eine leitfähige Schicht an, die beim Belichten der Resistschicht mittels eines Elektronenstrahls die Primärelektronen streut und/ oder Sekundärelektronen erzeugt. Bei diesem Verfahren werden das Material der Resistschicht und der leitfähigen Schicht sowie die Belichtungsparameter derart aufeinander abgestimmt, dass die Resistschicht auch ausserhalb des mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs so belichtet wird, dass die Flanken der Reliefstruktur eine geneigte Form erhalten.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Resistsubstrats
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Resistschicht in Form einer Relief struktur, die eine Beugungsstruktur darstellt, wobei das Substrat eine leitfähige Schicht aufweist, die beim Belichten der Resistschicht mittels eines Elektronenstrahls die Primärelektronen streut und/ oder Sekundärelektronen erzeugt.
Die Erfindung betrifft ferner einen Resistmaster und ein Resistsubstrat.
Optisch variable Elemente, die mit dem Betrachtungswinkel variierende optische Eigenschaften aufweisen, werden häufig als Fälschungs- oder Kopierschutz für Wertdokumente, wie Kreditkarten, Banknoten oder dergleichen, aber auch zur Produktsicherung auf beliebigen Produktverpak- kungen verwendet. Die optisch variablen Elemente weisen die Beugungsstruktur eines echten Hologramms, Computerhologramms oder die Beugungsstruktur eines Gitterbilds mit nebeneinander angeordneten Gitterfeldern auf. Ganz allgemein lässt sich festhalten, dass ein Hologramm eine Überlagerung von Beugungsgittern ist. Ein Gitterbild setzt sich dagegen aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Gitterfeldern zusammen, die jeweils ein einheitliches Beugungsgitter aufweisen. Die Beugungsgitter der verschiedenen Gitterfelder können sich im Hinblick auf die Gitterkonstante oder den Azimutwinkel oder die Kontur oder den Umriss des mit dem jeweiligen Beugungsgitter belegten Bildbereichs unterscheiden. Die Gitterkonstante entspricht dem Abstand der Gitterlinien und ist wesentlich für die unter einem bestimmten Betrachtungswinkel erkennbaren Farbe des jeweiligen Bildbereichs im Gitterbild. Der Azimutwinkel beschreibt die Neigung der Gitterlinien bezüglich einer Referenzrichtung und ist für die Sichtbarkeit der Bildbereiche in bestimmten Betrachtungsrichtungen ver- antwortlich. Auf der Grundlage dieser Technik können daher optisch varia- ble Elemente, z. B. bewegte Bilder oder auch plastisch wirkende Bilder, erzeugt werden.
Für die Massenherstellung der optisch variablen Elemente ist es üblich, so genannte „Masterstrukturen" herzustellen, welche die jeweiligen Phaseninformationen des optisch variablen Elements in Form einer räumlichen Reliefstruktur aufweisen. Hierbei handelt es sich üblicherweise um ein Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer Photoresistbeschich- tung, in der die Beugungsstrukturen in Form von Bergen und Tälern kon- serviert sind. Ausgehend von dieser Masterstruktur lassen sich durch Vervielfältigung und Abf ormung der Reliefstruktur beliebig geformte Prägewerkzeuge herstellen, mit deren Hilfe die durch die Reliefstruktur dargestellten Beugungsstrukturen in großer Stückzahl in geeignete Substrate übertragen werden können. Die Relief Strukturen können entweder durch eine holographische Belichtung oder mittels Elektronenstrahl-Lithographie erzeugt werden.
Im Rahmen der Elektronenstrahl-Lithographie wird eine für einen Elektro- nenstrahl empfindliche, so genannte E-Beam-Resistschicht mit einem Elek- tronenstrahl beschrieben.
Unter dem Begriff „Resist" soll in diesem Zusammenhang ein strahlungsempfindlicher Lack verstanden werden, wobei der Begriff „Photoresist" auf Lichtempfindlichkeit und der Begriff „E-Beam-Resist" auf Empfindlichkeit gegenüber der Belichtung mit einem Elektronenstrahl hinweist. Es sind jedoch auch Resistarten bekannt, die sowohl für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, als auch für die Bestrahlung mit Elektronen empfindlich sind. Chemisch gesehen handelt es sich beim Resist um filmbildendes Material, dessen Löslichkeitsverhalten sich unter Licht- oder Teilchenstrahlung ändert.
Als „Positiv-Resist" werden Resistmaterialien bezeichnet, die unter Be- Strahlung durch Abbau oder Umwandlung von funktionellen Gruppen leicht löslich werden. Bei der Weiterbehandlung werden die bestrahlten
Bereiche weggelöst, die unbestrahlten Bereiche dagegen bleiben stehen.
Als „Negativ-Resist" werden Resistmaterialien bezeichnet, die unter Be- Strahlung durch Vernetzung oder Polymerisation schwer löslich bis unlöslich werden. Folglich werden in diesem Fall die unbestrahlten Bereiche bei der Weiterbehandlung weggelöst, während die bestrahlten Bereiche stehen bleiben.
Während bei den üblichen Anwendungen der Elektronenstrahl-Lithographie im Rahmen der Mikroelektronik und Mikromechanik scharfe Begrenzungen des Schreibfelds des Elektronenstrahls gefragt und im rechten Winkel zur Substratoberfläche verlaufende Flanken der Reliefstruktur das Ziel sind, sollen die Reliefstrukturen, die die Beugungsstruktur eines optisch variablen Elements darstellen, im Allgemeinen flach abfallende Flanken bzw. Flanken mit definierter Steilheit aufweisen.
Um flach abfallende Flanken der Reliefstruktur zu erzeugen, sind verschiedene Verfahren bekannt:
Zum einen ist bekannt, mehrere nebeneinander liegende Spuren entlang einer vorgesehenen Flanke mit unterschiedlicher Strahldosis zu belichten. Je nach der Stärke der Strahldosis wird das Resistmaterial bis zu einer vorbe- stimmten Tiefe belichtet, so dass sich nach dem Entwickeln eine Reliefstruktur mit flachen Flanken ergibt.
Ferner ist es bekannt, mehrere Photoresistschichten unterschiedlicher Emp- findlichkeit übereinander aufzubringen und in mehreren Durchgängen mit unterschiedlichen Masken zu belichten. Bei dieser Vorgehensweise ergeben sich stufenförmig ausgebildete Flanken, die näherungsweise eine flach verlaufende Flanke der Reliefstruktur bilden.
Diese bekannten Verfahren sind zeitaufwändig und erfordern spezielle Resistsorten, die auf das Flankenproblem abgestimmt und auch in ihren sonstigen Eigenschaften nicht optimal sind. Sowohl das mehrfache Belichten zum Ausbilden einer Flanke als auch das Arbeiten mit unterschiedlichen Resistsorten erhöht die Bearbeitungszeiten beträchtlich. Insbesondere ist es erforderlich, mit relativ unempfindlichen Resistmaterialien zu arbeiten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf abe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich für Elektronenstrahl- Lithographie, insbesondere zur Erzeugung hologrammartiger Strukturen in einer Resistschicht eine Reliefstruktur mit flachen Flanken bzw. Flanken mit definierter Steilheit in einfacher Weise herstellen lässt. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Resistsubstrat sowie einen Resistmaster für Prägewerkzeuge zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren und das Resistsubstrat sowie den Resistmaster mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Da die Resistschicht selbst im Allgemeinen nicht leitfähig ist, benötigt man für die Elektronenstrahlbelichtung eine zusätzliche leitfähige Schicht, um die Elektronen des auftreffenden Elektronenstrahls („Primärelektronen") ableiten zu können. Diese leitfähige Schicht kann das Substrat sein, auf welchem die Resistschicht vorliegt, oder eine zusätzlich leitfähige Schicht, wie z.B. eine Metallschicht, oder eine leitfähige Polymerschicht. Beim Auftreffen der Primärelektronen auf die leitfähige Schicht werden diese zum Teil gestreut und/ oder erzeugen so genannte „Sekundärelektronen", die aus der leitfähigen Schicht herausgeschlagen werden. Die gestreuten Primärelektronen und die Sekundärelektronen breiten sich auch in der benachbarten Resistschicht aus, so dass die Resistschicht auch außerhalb des direkt mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs belichtet wird („Proximity-Effekt"). Da die Belichtung auf diese Weise verbreitert bzw. unscharf wird, ist dieser Effekt unerwünscht und wird möglichst unterdrückt.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsbereich dieser zusätzlichen Belichtung von der Elektronenstrahlenergie und vom verwendeten leitfähigen Material abhängt und dass durch geeignete Wahl der Belichtungsparameter und des leitfähigen Materials der Proximity-Eff ekt gezielt für die Erzeugung geneigter Flanken, wie sie für die Herstellung von Resistmastern notwendig sind, eingesetzt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher das Material der Resistschicht und der leitfähigen Schicht sowie die Belichtungsparameter derart aufeinander abgestimmt, dass die Resistschicht auch außerhalb des mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereichs so belichtet wird, dass die Flanken der Reliefstruktur eine geneigte Form erhalten. Dabei gilt als Anhaltspunkt, dass flachere Flanken durch eine höhere Ordnungszahl des in der leitfähigen Schicht enthaltenen Metalls, eine weichere Gradation des Resist, eine höhere Beschleunigungsspannung der Elektronen sowie einen unschärferen und größeren Strahlquerschnitt erzeugt werden können.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Resistschicht in Form einer Reliefstruktur innerhalb wesentlich kürzerer Zeit durchgeführt werden kann, da nur ein einziger Belichtungsschritt erforderlich ist. Außerdem wird zusätzlich die Belichtungszeit reduziert, da durch die Sekundärelektroden die effektive Strahlungsdosis insgesamt erhöht wird. Darüber hinaus ist für das Verfahren eine breite Palette von Resistarten verwendbar. Das Verfahren ist somit nicht wie die bekannten Verfahren auf den Einsatz von unempfindlichen Resistmaterialien angewiesen. Die Neigung der Flanken der Reliefstruktur führt auch zu einem guten Ablöseverhalten des Prägelacks von den Prägeformen, die von der Reliefstruktur abgeformt werden.
Für die leitfähige Schicht werden aufgrund ihrer guten Verarbeitbarkeit bevorzugt Metallschichten oder Metalllegierungschichten aus Wolfram, Gold, Palladium, Chrom, Aluminium oder Mischungen dieser Metalle verwendet. Eine hohe Streuung und Sekundärelektronenemission wird beispielsweise mit Wolfram, Gold oder einer Gold-Palladium-Legierung erreicht. Da der Proximity-Effekt umso größer ist, desto höher die Ordnungszahl der verwendeten chemischen Elemente ist, wird der Einsatz von Metallen mit hohen Ordnungszahlen, insbesondere größer 50, bevorzugt.
Die leitfähige Schicht kann das Trägersubstrat für die Resistschicht bilden oder aber als separate Schicht aufgebracht sein. Bei einigen Ausführungsvarianten kann es auch notwendig sein, die leitfähige Schicht nach der Elektro- nenstrahlbelichtung wieder zu entfernen. Hierfür werden entsprechende Lösungsmittel verwendet. Die Elektronenstrahlbelichtung erfolgt mit Elek- tronenstahlenergie von 0,1 bis 100 keV, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 keV
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die leitfähige Schicht zwischen der Resistschicht und dem Substrat angeordnet. Als Resistschicht wird ein Negativ-Resist verwendet, so dass durch die Rückstreuung der Primärelektronen und die Sekundärelektronenemission Resistbereiche ebenfalls belichtet werden, die zur leitfähigen Schicht benachbart und neben dem direkt belichteten Bereich liegen. Beim Entwickeln des Negativ-Resists werden die nicht belichteten Bereiche entfernt und nur die direkt mit dem Elektronenstrahl und durch den Proximity-Eff ekt zusätzlich belichteten Bereiche verbleiben auf dem Substrat.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein Positiv-Resist verwendet, der auf einer dem Substrat abgewandten Oberfläche mit der leitfähigen
Schicht versehen ist. Hier werden durch Vorwärtsstreuung der Primärelektronen und durch Sekundärelektronenemission ebenfalls die der leitfähigen Schicht benachbarten und außerhalb des direkt belichteten Bereichs liegenden Resistbereiche belichtet. Beim Entwickeln werden die belichteten Berei- ehe gelöst und nur die unbelichteten Bereiche, die weder direkt noch durch den Proximity-Eff ekt belichtet werden, bleiben auf dem Substrat zurück.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Elektro- nenstrahlbelichtung mit einer optischen Belichtung in Form von elektroma- gnetischer Strahlung kombiniert werden.
Bei einer derartigen Ausführungsform wird beispielsweise auf das Substrat ein Positiv-Resist aufgebracht, der sowohl mit elektromagnetischer Strahlung als auch mit einem Elektronenstrahl belichtet werden kann. Zunächst erfolgt bei diesem Verfahren eine optische Belichtung. Die für die Belichtung mit dem Elektronenstrahl vorgesehenen Bereiche werden während der optischen Belichtung mithilfe einer lichtundurchlässigen Maske abgedeckt. Nach der optischen Belichtung wird auf den noch nicht entwickelten Positiv- Resist die leitende Schicht aufgebracht. Die zuvor mit einer lichtundurchlässigen Maske abgedeckten Bereiche werden dann mithilfe eines Elektronenstrahls belichtet, wobei die Vorwärtsstreuung der Strahlelektronen und die Emission der Sekundärelektronen aus der leitenden Schicht die Belichtung der Resistschicht unter der leitenden Schicht und neben dem direkt mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Bereich bewirkt. Die leitende Schicht wird anschließend mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt und der Positiv- Resist entwickelt.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird ein Negativ-Resist verwen- det. Hierbei wird der Negativ-Resist in Strahlrichtung vor der leitenden
Schicht angeordnet. Zur Vermeidung von Spiegelungseffekten bei der optischen Belichtung kann zwischen der Resistschicht und der leitenden Schicht eine Lichtstrahlung absorbierende Schicht vorgesehen sein.
Bei weiteren Ausführungsformen können verschiedene Resistschichten in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sein. Beispielsweise ist es möglich, eine mithilfe von elektromagnetischer Strahlung belichtbare erste Resistschicht in Strahlrichtung vor einer zweiten mit einem Elektronenstrahl belichtbaren Resistschicht anzuordnen. Die leitfähige Schicht kann dann zwi- sehen den beiden Resistschichten oder in Strahlrichtung hinter der mit einem Elektronenstrahl belichtbaren zweiten Resistschicht angeordnet sein.
Die unterschiedlichen Ausführungsformen des Verfahrens dienen dazu, ein Substrat herzustellen, das mit einer reliefartig strukturierten Resistschicht versehen ist. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Substrat, der so genannte „Resistmaster", wird nach dem Entwickeln galvanisch abgeformt und nach bekannten Verfahren vervielfältigt, um einen Prägestempel, insbesondere einen Prägezylinder, herzustellen. Mithilfe der Prägestempel lassen sich Sicherheitselemente herstellen, die zur Absicherung von Wertdokumenten, wie beispielsweise Banknoten, Schecks, Ausweiskarten oder dergleichen, verwendet werden. Auch im Bereich der Produktsicherung werden geprägte Beugungsstrukturelemente häufig eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 A und B die Belichtung eines mit Negativ-Resist beschichteten Substrats mit einem Elektronenstrahl und einen Quer- schnitt durch das Substrat nach dem Entwickeln;
Figur 2A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem Negativ-Resist versehenes Substrat, das mittels eines Elektronenstrahls mit unterschiedlicher Strahldosis belichtet wird;
Figur 3 A bis C das Substrat aus den Figuren 2A bis C nach der Entwicklung;
Figur 4 A bis C einen Querschnitt durch ein mit einem Positiv-Resist ver- sehenes Substrat, das mit einem Elektronenstrahl mit unterschiedlicher Dosis belichtet wird;
Figur 5 A bis C das Substrat aus den Figuren 4A und C nach dem Entwickeln; Figur 6A bis C aufeinander folgende Verfahrensschritte eines Verfahrens mit einer Kombination einer optischen Belichtung und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
Figur 7A bis 7C aufeinander folgende Verfahrensschritte eines weiteren
Verfahrens mit einer Kombination einer optischen Belichtung und einer weiteren Belichtung mittels eines Elektronenstrahls;
Figur 8A bis E aufeinander folgende Nerfahrensschritte eines Verfahrens, bei dem auf einem Substrat zwei jeweils für die optische Belichtung und die Belichtung mit einem Elektronenstrahl vorgesehene Resistschichten aufgebracht sind; und
Figur 9 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Resistsub- strats;
Figur 10 Ausführungsform, bei welcher die leitfähige Schicht auf einem separaten Träger auf ebracht ist.
In Figur 1 A ist ein Substrat 1 im Querschnitt dargestellt, auf das eine leitfähige Schicht 2 aus einem leitfähigen Material aufgebracht ist. Die leitfähige Schicht 2 kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einem leitfähigen Polymer hergestellt sein. Oberhalb der leitfähigen Schicht 2 befindet sich eine Resistschicht 3 aus einem Negativ-Resist. Da der Negativ-Resist 3 im Allgemeinen selbst nicht leitfähig ist, dient die leitfähige Schicht 2 dazu, die mit einem Elektronenstrahl 4 auf treffenden Elektronen abzuleiten. Auf die leitfähige Schicht 2 kann verzichtet werden, wenn das Substrat 1 selbst ausreichend leitfähig ist. Da die leitfähige Schicht 2 die mit dem Elektronenstrahl 4 auftreffenden Primärelektronen streut und da von der leitfähigen Schicht 2 zusätzlich Sekundärelektronen emittiert werden, bildet sich um ein mit dem Elektronenstrahl 4 beaufschlagtes Zielgebiet 5 ein Belichtungsgebiet 6, durch das ein dem Zielgebiet 5 benachbarter Bereich des Negativ-Resist 3 belichtet wird. Die Ausdehnung des Belichtungsgebiets 6 wird durch die verwendeten Materialien, die Elektronenbeschleunigungsspannung sowie durch die Strahldosis bestimmt, die wiederum von der Intensität und der Schreibgeschwindigkeit des Elektronenstrahls 4 abhängt.
Diese Streuung der Primärelektronen und die Emission der Sekundärelektronen werden als Proximity-Eff ekt bezeichnet. Der Proximity-Eff ekt ist umso ausgeprägter je höher die Ordnungszahl des für die leitfähige Schicht 2 verwendeten Materials ist. Um eine große Rate bei der Streuung der Primär- elektronen und der Emission des Sekundärelektronen zu erhalten, werden für die leitfähige Schicht 2 bevorzugt Metalle mit hoher Ordnungszahl, z. B. Wolfram oder Gold verwendet. Besonders geeignet ist eine Gold-Palladium- Legierung, welche zu gleichmäßigeren leitfähigen Schichten 2 führt als reines Gold. Daneben kommen auch Chrom oder Aluminium als Elemente für die leitfähige Schicht 2 infrage.
Erfindungsgemäß entscheidend ist dabei, dass die leitfähige Schicht, der Resist und die Strahldaten so aufeinander abgestimmt werden, dass aufgrund von Proximity-Eff ekten im gewünschten Maß eine Belichtung im Bereich neben dem auftreffenden Strahl erfolgt.
Nach dem Entwickeln des Negativ-Resist 3 ergibt sich ein Reliefprofil 7, das in Figur 1B im Querschnitt dargestellt ist. Das Relief profil 7 weist einen Flankenneigungswinkel 8 auf, der deutlich kleiner als 90° ist. Erfindungsge- maß lassen sich grundsätzlich alle Flankenwinkel kleiner 90° herstellen, bevorzugt werden Winkel zwischen ca. 30° und 89°.
Falls ausgedehnte Beugungsstrukturen im Negativ-Resist 3 ausgebildet werden sollen, wird beispielsweise wie folgt vorgegangen:
Als Substrat 1 wird eine Quarzplatte mit einer Dicke von etwa 2 mm verwendet. Auf diese wird eine etwa 80 nm dicke, als leitfähige Schicht 2 dienende AuPd-Schicht aufgedampft. Auf die leitfähige Schicht 2 wird der Negativ-Resist 3 aus einem E-Beam-Negativ-Resistmaterial mit 250 nm Dicke aufgeschleudert („spin coating") und ausgehärtet („bake"). Die Belichtung des Negativ-Resist 3 erfolgt mithilfe des Elektronenstrahls 4, dessen Elektronen auf 5 keV beschleunigt worden sind. Der Elektronenstrahl 4 wird entlang der für das Beugungsgitter vorgesehenen Linien geführt und belichtet die Resistschicht 3 im Bereich dieser Linien. Durch den Elektronenstrahl 4 wird gewissermaßen ein Beugungsgitter in die Resistschicht 3 eingeschrieben. Das Beugungsgitter bedeckt im Allgemeinen die Fläche eines Gitterfelds, dessen Umriss oder Kontur durch das Design des Gitterbildes vorgegeben ist. Der Abstand zwischen den einzelnen Bahnen des Elektronen- Strahls 4 beträgt typischerweise 1 Mikrometer.
In den Figuren 2A bis 2C ist die Ausdehnung der Belichtungsgebiete 6 in Abhängigkeit von der Strahldosis dargestellt. Figur 2A zeigt die Ausdehnung des Belichtungsgebiets 6 bei geringer Strahldosis, Figur 2B bei einer mittleren Strahldosis und Figur 2C bei einer hohen Strahldosis. Die optimale Strahldosis wird durch Versuche in Abhängigkeit von dem gewählten Re- sistmaterial und Proximityschichtmaterial ermittelt. In den Figuren 3A bis 3C sind die Reliefstrukturen 7 dargestellt, die sich nach dem Entwickeln des Negativ-Resist 3 aus den Figuren 2A bis 2C ergeben. Bei einer geringen Strahldosis weist die Reliefstruktur 7 nach dem Entwickeln nur einzelne isolierte Erhebungen 9 auf. Die in Figur 2B dargestellte mittlere Strahldosis führt zu der in Figur 3B dargestellten Reliefstruktur 7 mit nahezu sinusförmigem Querschnittsprofil. Eine zu hohe Strahldosis dagegen führt zu der in Figur 3C gezeigten Reliefstruktur 7, bei der die entwickelte negative Resistschicht 3 lediglich isolierte Vertiefungen 10 aufweist.
Besonders vorteilhaft ist die Reliefstruktur 7 gemäß Figur 3B, da die von dieser Relief Struktur abgeformten Prägewerkzeuge beim Prägen das beste Ablöseverhalten zeigen und da das Prägegut als Beugungsgitter eine hohe Brillanz in einem großen Betrachtungswinkelbereich aufweist.
Das Verfahren kann auch mit einem Positiv-Resist durchgeführt werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 4A bis 4C dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Substrat 1 eine etwa 2 mm dicke Quarzglasplatte verwendet. Auf das Substrat 1 wird ein Positiv-Resist 11 aus E- Beam-Positiv-Resistmaterial mit 250 nm Dicke aufgebracht und ausgehärtet. Auf das Positiv-Resist 11 wird eine etwa 40 nm dicke leitfähige Schicht 12 aufgedampft. Die Belichtung erfolgt mithilfe des Elektronenstrahls 4, dessen Elektronen auf eine Energie von 5 keV beschleunigt worden sind. Der Schreibvorgang erfolgt wie bei dem in den Figuren 2A bis 2C sowie den Figuren 3 A bis 3C dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Gitterlinien werden typischerweise im Abstand von etwa 1 μm geschrieben. Durch die Vorwärtsstreuung der mit dem Elektronenstrahl 4 auftreffenden Primärelektronen und durch die Emission der Sekundärelektronen in der Ableitungsschicht 12 kommt das Belichtungsgebiet 6 auch im Bereich der positiven Resistschicht 11 zu liegen. Die durch Stromstärke und Schreibgeschwindigkeit des Elektronenstrahls 4 bestimmte Strahldosis wird wiederum in Versuchen optimiert.
Die leitfähige Schicht 12 muss gegebenenfalls nach dem Belichten wieder entfernt werden. Hierzu sind dem Fachmann geeignete Lösungsmittel bekannt. Für Gold eignet sich beispielsweise die Goldätzlösung vom Typ TFA von Transene Co., Rowel Ma. Eine für Chrom geeignete Ätzlösung ist eine Ätzlösung vom Typ TR-14 von Cyantek Corp., 3055 Osgood Ct., Fermont CA 94548.
In den Fig. 5A bis 5C ist das Querschnittsprofil der positiven Resistschicht 11 nach dem Entwickeln dargestellt. Das in Fig. 5 A gezeigte Querschnittsprofil der positiven Resistschicht ist das Ergebnis der geringen Strahlendosis des Elektronenstrahls 4 aus Fig. 4A. In gleicher Weise ergeben sich die in Fig. 5B und 5C dargestellten Querschnittsprofile der positiven Resistschicht 11 aufgrund der Strahlendosis des in den Fig. 4B und 4C dargestellten Elektronenstrahls 4. Bei geringer Strahldosis erstreckt sich das Belichtungsgebiet nur wenig über die Oberfläche der positiven Resistschicht 11 hinaus in die positive Resistschicht 11 hinein. Dementsprechend bilden sich nach dem
Entwickeln lediglich einzelne isolierte Vertiefungen 13 in der Oberfläche der positiven Resistschicht 11 aus. Bei einer mittleren Strahldosis dagegen zeigt die positive Resistschicht 11 nach dem Entwickeln ein nahezu sinusförmiges Profil, das besonders erstrebenswert ist, da sich der Prägelack von den mittels des Positiv-Resist 11 erzeugten Prägestrukturen leicht löst und die fertigen variablen optischen Elemente über einen großen Sichtwinkelbereich eine hohe optische Brillanz aufweisen. Falls die Strahldosis zu hoch gewählt wird, ergeben sich die in Fig. 5C dargestellten isolierten Erhebungen 14. Es sei angemerkt, dass nach der Belichtung mit dem Elektronenstrahl 4 und vor der Entwicklung des Positiv-Resist 11 die Ableitungsschicht 12 mithilfe einer geeigneten Ätzlösung aufgelöst werden muss.
Das Auflösen der Ableitungsschicht 12 kann umgangen werden, wenn die Ableitungsschicht 12 auf einer separaten Folie 40 angeordnet wird, wie in Fig. 10 dargestellt. Die Folie 40 bzw. die Ableitungsschicht 12 wird während der Belichtung in engen Kontakt mit der Resistschicht gebracht und kann anschließend durch Wegnehmen leicht entfernt werden.
Die hier beschriebene Belichtung einer Resistschicht mithilfe des Proximity- Effekts lässt sich auch in Verfahren einsetzen, bei denen eine optische Belichtung mit einer Belichtung durch einen Elektronenstrahl kombiniert wird. Die Fig. 6A bis 6C zeigen aufeinander folgende Verfahrensschritte eines derarti- gen Verfahrens.
Bei dem in den Fig. 6A bis 6C dargestellten Verfahren wird zunächst ein etwa 250 nm dicker Positiv-Resist 15 aufgebracht, der sowohl mit Blaulicht als auch mit einem Elektronenstrahl belichtet werden kann. Ein derartiger Positiv-Resist ist beispielsweise das Resistmaterial vom Typ AZ 5206 der Firma Hoechst.
Gemäß Fig. 6A erfolgt dann eine holographische Belichtung, indem räumlich ausgedehnte, einheitlich kohärente Wellenfelder 16 in dem Positiv-Resist 15 überlagert werden. Während der holographischen Belichtung sind die Bereiche des Positiv-Resist 15, die später mit dem Elektronenstrahl 4 belichtet werden sollen, mithilfe einer lichtundurchlässigen Maske 17 abgedeckt, die sich auf der Unterseite eines transparenten Films 18 befindet. Die Technik der holographischen Belichtung als solche ist dem Fachmann bekannt. Die holographische Belichtung erzeugt in dem Positiv-Resist 15 latente Gitterstrukturen mit Sinusprofil, die in den Figuren 6 A und 6B jeweils durch eine gestrichelte Linie-dargestellt sind. Nach der holographischen Belichtung wird der noch nicht entwickelte Positiv-Resist 15 mit einer vorzugsweise 20 bis 100 nm dicken Ableitungsschicht 19 aus Gold bedampft. Die während der holographischen Belichtung mit der Maske 17 bedeckten Bereiche des Positiv-Resist 15 werden nachfolgend gemäß Figur 6B mithilfe des Elektronenstrahls 4 belichtet. Die Belichtung mithilfe des Elektronenstrahls 4 kann dabei derart erfolgen, dass von einer Kontur oder einem Umriss begrenzte Gitterfelder~ eines Gitterbilds mit unterschiedlichen Beugungsgittern gefüllt werden. Aufgrund der Streuung der Primärelektronen und der Emission der Sekundärelektronen in der leitfähigen Schicht 19 erstrecken sich die Belichtungsgebiete 6 so weit in die positive Resistschicht 19, dass nach dem Entwickeln auch die mithilfe des Elektronenstrahls 4 geschriebenen Gitterlinien das in Fig. 6C dargestellte Sinusprofil erhalten. Vor der Entwicklung der positiven Resistschicht 15 muss allerdings die Ableitungsschicht 19 mithilfe einer Ätzlösung entfernt werden.
Für ein Verfahren, das eine optische Belichtung mit einer Elektronenstrahl- belichtung kombiniert, kann auch ein Negativ-Resist gewählt werden. In den Fig. 7A bis 7C sind Verfahrensschritte eines derartigen Verfahrens dargestellt.
Bei diesem Verfahren ist auf das Substrat 1 eine Ableitungsschicht 20 auf ge- bracht, die mit einer Antireflexionsschicht 21 abgedeckt ist. Auf die Antire- flexionsschicht 21 ist ein Negativ-Resist 22 aufgebracht, das sowohl mit Blaulicht als auch mit einem Elektronenstrahl belichtet werden kann. Während der holographischen Belichtung mittels räumlich ausgedehnter, einheitlich kohärenter Wellenfelder 16 ist der für die Belichtung mit dem Elek- tronenstrahl 4 vorgesehene Bereich der negativen Resistschicht 22 mithilfe der Maske 17 abgedeckt. Dieser Verfahrensschritt ist in Fig. 7A dargestellt. Während der holographischen Belichtung dient die Antireflexionsschicht 21 dazu, Spiegelungen an der metallischen Ableitungsschicht 20 zu verhindern, durch die die Überlagerung der Wellenfelder 16 im Bereich des Negativ- Resist 22 gestört werden könnte. Das Ergebnis der holographischen Belichtung ist das in Figur 7A und 7B mit einer gestrichelten Linie eingezeichnete latente Beugungsgitter.
Noch vor dem Entwickeln des Negativ-Resist 22 wird das Substrat gemäß Figur 7B mit dem Elektronenstrahl 4 belichtet, wobei die rückgestreuten Primärelektronen und die Emission der Sekundärelektronen dafür sorgen, dass sich das Belichtungsgebiet 6 in den Negativ-Resist 22 hinein erstreckt. Bei geeigneter Wahl der Belichtungsparameter des Elektronenstrahls 4 ergeben sich die in Fig. 7C im Querschnitt dargestellten Gitterlinien mit einem sinusförmigen Gitterprofil.
Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten kombinierten Verfahren werden insbesondere dann eingesetzt, wenn ein Bild mit einem vor einem Hinter- grund angeordneten Motiv hergestellt werden soll. Der Hintergrund lässt sich mit der holographischen Belichtung erzeugen, während die Gitterfelder des Motivs mithilfe des Elektronenstrahls 4 hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Elektronenstrahl- Aufzeichnungsverfahren kann selbstverständlich auch mit beliebigen anderen Belichtungs- und Aufzeichnungsverfahren kombiniert werden. Dies gilt für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele. Das in den Fig. 6A bis 6C dargestellte Ausführungsbeispiel eines kombinierten Verfahrens bietet den Vorteil, dass der Positiv-Resist im Allgemeinen eine größere Empfindlichkeit aufweist als ein Negativ-Resist. Dafür muss bei dem in den Fig. 6 A bis 6C dargestellten Ausführungsbeispiel die leitfähige Schicht vor dem Entwickeln entfernt werden. Dieser Verfahrensschritt entfällt bei dem in den Fig. 7A bis 7C dargestellten Ausführungsbeispiel eines kombinierten Verfahrens mit einem Negativ-Resist.
Es sei angemerkt, dass der Negativ-Resist 22 oder der Positiv-Resist 15 nicht aus einem einheitlichen Resistmaterial bestehen müssen. Denkbar ist auch, für den Positiv-Resist 15 und den Negativ-Resist 22 bereichsweise unterschiedliche Resistmaterialien vorzusehen, die auch unterschiedliche Dicke aufweisen können.
Daneben ist es auch möglich, unterschiedlich beschaffene Resistschichten übereinander anzuordnen. Die Fig. 8 A bis 8E zeigen ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, bei dem auf das Substrat 1 zunächst eine leitfähige Schicht 23 aufgebracht wird. Oberhalb der leitfähigen Schicht 23 befindet sich ein Negativ-Resist 24, der für optische Strahlung weitgehend unemp- findlich ist. Außerdem ist der Negativ-Resist 24 dunkel eingefärbt, so dass optische Strahlung in den Negativ-Resist 24 absorbiert wird. Der Negativ- Resist 24 ist jedoch für die Belichtung mit dem Elektronenstrahl 4 geeignet. Der Negativ-Resist 24 weist eine für die Elektronenstrahlbelichtung gewünschte Schichtdicke von beispielsweise 200 nm auf. Oberhalb des Nega- tiv-Resist 24 wird ein 400 nm dicker Positiv-Resist 25 aufgetragen, der eine hohe Empfindlichkeit für optische Strahlung aufweist. Das in Fig. 8 A dargestellte Substrat ist damit bereit zur Belichtung. Die Reihenfolge der nun folgenden Belichtungsschritte ist beliebig. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird mit der optischen Belichtung begonnen. Ein für die optische Belichtung vorgesehener Bereich wird holographisch mit elektro-magnetischer Strahlung 16, z.B. einem Laser, beaufschlagt. Der so belichtete Bereich 26 enthält das latente Beugungsgitter, das in Fig. 8B durch eine gestrichelte Sinuskurve angedeutet wird. Der im Bereich 26 liegende Negativ-Resist 24 wird wegen seiner optischen Unempfindlichkeit nicht geschädigt und dient als Absorptionsschicht, um unerwünschte Lichtspie- ' gelungen zu vermeiden. Der auf diese Weise optisch belichtete Bereich 26 wird nun durch eine Maske 27 abgedeckt und ein für die Elektronenstrahl- belichtung vorgesehener Bereich 28 zunächst vollflächig mit blauem Licht 29 vorbelichtet, um den Positiv-Resist 25 in dem Bereich 28 lösbar zu machen. Die Einwirkung des blauen Lichts 29 hat egen der Lichtunempfindlichkeit des Negativ-Resist 24 keine Auswirkung auf das im Bereich 28 liegende Negativ-Resist 24.
Nach der Belichtung mit dem blauen Licht 29 erfolgt gemäß Fig. 8D die Belichtung mit dem Elektronenstrahl 4. Durch die rückgestreuten Primärelektronen und die Emission der Sekundärelektronen wird der Negativ- Resist 24 mit dem gewünschten Beugungsgitter belichtet. Die Schäden, die der Elektronenstrahl 4 in dem Positiv- Resist 25 anrichtet, sind belanglos, da der Positiv-Resist 25 im Bereich 28 letztlich entfernt wird. Die Belichtung ist hiermit abgeschlossen.
Bei der Entwicklung entstehen nun aus den latenten Bildern Berg- und
Talprofile, die in Fig. 8E im Querschnitt dargestellt sind. Im Bereich 26 liegt nun ein holographisches Bild vor und im Bereich 28 bildet der Negativ- Resist 24 ein Beugungsgitter mit einem sinusförmigen Querschnittsprofil. Fig. 9 zeigt einen abgewandelten Schichtaufbau, der jedoch genauso behandelt wird, wie der Schichtaufbau aus Fig. 8A. Bei dem abgewandelten Schichtaufbau ist auf dem Substrat 1 ein Positiv-Resist 30 aufgebracht, der mit einer leitfähigen Schicht 31 bedeckt ist. Darüber befindet sich ein Positiv- oder Negativ-Resist 32, der auf optisches Licht empfindlich ist. Zwischen der Resistschicht 32 und der leitfähigen Schicht 31 ist eine Antireflexions- schicht 33 angeordnet. Auch mit diesem Aufbau lässt sich eine Reliefstruktur, wie in Fig. 8E dargestellt, herstellen, indem die Resistschicht 32 mithilfe von elektromagnetischer Strahlung und die Resistschicht 30 mithilfe des Elektronenstrahls 4 belichtet wird.
Die durch Belichten und Entwickeln erzeugten Reliefstrukturen 7 lassen sich als Resistmaster in der üblichen Weise wie bei der optischen Holographie bearbeiten. Im Folgenden wird daher eine dünne Silberschicht durch Auf- dampfen oder chemischen Niederschlag aufgetragen und im Keramikbad eine Nickelabformung gemacht. Die Nickelabf ormung kann vervielfältigt und als Prägestempel zum Prägen einer Prägeschicht verwendet werden. Die Prägeschicht wird schließlich auf das endgültige Substrat, zum Beispiel eine Banknote, Kreditkarte oder ein Verpackungsmaterial, mit oder ohne eine metallisch glänzende Reflexionshintergrundschicht transferiert.
Abschließend sei angemerkt, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich gehalten sind. Vielmehr sind die Zeichnungen nur dazu geeignet, das Prinzip der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu veranschaulichen.

Claims

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