DE102011081247A1 - Exposure system and method for the structured exposure of a photosensitive layer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Belichtungsanlage (5) zur strukturierten Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht (1), umfassend: eine Erzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung einer Mehrzahl von insbesondere parallelen Belichtungsstrahlen (3), wobei jeder Belichtungsstrahl (3) einem Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht (1) zugeordnet ist, eine Bewegungseinrichtung (13) zum insbesondere scannenden Bewegen der Belichtungsstrahlen (3) über den bzw. relativ zum jeweils zugeordneten Teilbereich, sowie eine vor der lichtempfindlichen Schicht (1) angeordnete Nahfeld-Optik (15) zur Umwandlung eines jeweiligen Belichtungsstrahls (3) in eine evaneszente Welle (17) zur Erzeugung eines Lichtspots auf der lichtempfindlichen Schicht (1), dessen Ausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung eines jeweiligen Belichtungsstrahls (3) vor der Nahfeld-Optik (15). Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Belichtungsverfahren.The invention relates to an exposure system (5) for the structured exposure of a photosensitive layer (1), comprising: generating means (7) for producing a plurality of in particular parallel exposure beams (3), each exposure beam (3) forming a portion of the photosensitive layer (1 ), a movement device (13) for scanning, in particular, the exposure beams (3) over or relative to the respectively assigned subarea, and a near-field optical system (15) arranged in front of the photosensitive layer (1) for converting a respective exposure beam ( 3) in an evanescent wave (17) for generating a light spot on the photosensitive layer (1) whose extent is smaller than the extent of a respective exposure beam (3) in front of the near-field optical system (15). The invention also relates to an associated exposure method.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft eine Belichtungsanlage zur strukturierten Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht sowie ein zugeordnetes Belichtungsverfahren.The invention relates to an exposure system for the structured exposure of a photosensitive layer and to an associated exposure method.
Belichtungsanlagen für die Mikrolithographie können Strukturen mit hoher Präzision in eine an einem Substrat gebildete lichtempfindliche Schicht einbelichten. Solche Belichtungsanlagen bestehen in der Regel aus einer Lichtquelle, einem das von der Lichtquelle emittierte Licht zu Beleuchtungslicht verarbeitendem Beleuchtungssystem, einem zu projizierenden Objekt, im Allgemeinen Retikel oder Maske genannt, sowie einem Projektionsobjektiv, welches ein Objektfeld auf ein Bildfeld abbildet. Die Maske oder zumindest ein Teil der Maske befindet sich im Objektfeld und das Substrat (im Folgenden auch Wafer genannt) oder zumindest ein Teil des Substrats befindet sich im Bildfeld des Projektionsobjektivs.Exposure systems for microlithography can imprint structures with high precision in a photosensitive layer formed on a substrate. Such exposure systems generally consist of a light source, a light emitted by the light source to illuminating light processing illumination system, an object to be projected, generally called reticle or mask, and a projection lens, which images an object field on an image field. The mask or at least a part of the mask is located in the object field and the substrate (also referred to below as wafer) or at least part of the substrate is located in the image field of the projection objective.
Befindet sich die Maske vollständig in dem Bereich des Objektfeldes und der Wafer wird ohne eine Relativbewegung von Wafer und Bildfeld belichtet, so wird die Lithographieanlage im Allgemeinen als Wafer-Stepper bezeichnet. Befindet sich nur ein Teil der Maske im Bereich des Objektfeldes und der Wafer wird während einer relativen Bewegung von Wafer und Bildfeld belichtet, so wird die Lithographieanlage im Allgemeinen als Wafer-Scanner bezeichnet. Die durch die Relativbewegung von Retikel und Wafer definierte räumliche Dimension wird im Allgemeinen als Scanrichtung bezeichnet. Eine Belichtungsanlage zur Nahfeld-Lithographie, welche auf dem Prinzip der Step-and-Repeat-Belichtung beruht, ist in dem Artikel
Neben Belichtungsanlagen, bei denen eine fest vorgegebene Struktur auf einer Maske auf eine lichtempfindliche Schicht abgebildet wird, existieren auch Belichtungsanlagen, die auf dem Prinzip des Raster-Scannens basieren und bei denen eine Mehrzahl von typischer Weise parallelen, voneinander beabstandeten Belichtungsstrahlen erzeugt wird, die in Abhängigkeit von einer auf der lichtempfindlichen Schicht zu erzeugenden Struktur moduliert werden. Die lichtempfindliche Schicht kann hierbei quer zu den Belichtungsstrahlen verschoben werden, so dass die gesamte zu belichtende Fläche strukturiert werden kann. Als Belichtungsstrahlung wird hierbei typsicher Weise Elektronenstrahlung verwendet, wie dies z. B. bei dem in der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, Belichtungsanlagen und zugehörige Belichtungsverfahren anzugeben, welche eine strukturierte Belichtung eines lichtempfindlichen Substrats mit hoher Auflösung ermöglichen.The object of the invention is to specify exposure systems and associated exposure methods which enable a structured exposure of a photosensitive substrate with high resolution.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Belichtungsanlage zur strukturierten Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht, umfassend: eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Mehrzahl von insbesondere parallelen Belichtungsstrahlen, wobei jeder Belichtungsstrahl einem Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht zugeordnet ist, eine Bewegungseinrichtung zum insbesondere scannenden Bewegen der Belichtungsstrahlen über den bzw. relativ zu dem jeweils zugeordneten Teilbereich, sowie eine vor der lichtempfindlichen Schicht angeordnete Nahfeld-Optik zur Umwandlung eines jeweiligen Belichtungsstrahls in eine evaneszente Welle zur Erzeugung eines Lichtspots auf der lichtempfindlichen Schicht, dessen Ausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung eines jeweiligen Belichtungsstrahls vor der Nahfeld-Optik.According to a first aspect, the invention relates to an exposure system for structured exposure of a photosensitive layer, comprising: generating means for generating a plurality of in particular parallel exposure beams, each exposure beam being associated with a portion of the photosensitive layer, moving means for scanning the exposure beams in particular over the camera or relative to the respective associated subarea, and a near field optics arranged in front of the photosensitive layer for converting a respective exposure beam into an evanescent wave for generating a light spot on the photosensitive layer whose extent is smaller than the extent of a respective exposure beam in front of the near field optics.
Bei einer solchen Belichtungsanlage wird die zu belichtende Fläche der lichtempfindlichen Schicht bzw. des Wafers in eine Mehrzahl von Teilbereichen unterteilt, in denen die Belichtung simultan mit einem jeweiligen Belichtungsstrahl erfolgt, d. h. jedem Teilbereich ist ein Belichtungsstrahl zugeordnet. Die Belichtungsstrahlen gehen typischer Weise von einem zweidimensionalen Raster aus und verlaufen parallel, so dass ein durch Aktivierung bzw. Deaktivierung der einzelnen Belichtungsstrahlen erzeugtes Muster auf die lichtempfindliche Schicht übertragen wird, d. h. eine auf der lichtempfindlichen Schicht zu erzeugende Struktur wird durch das Muster der Belichtungsstrahlen festgelegt.In such an exposure apparatus, the area of the photosensitive layer or the wafer to be exposed is subdivided into a plurality of subregions in which the exposure takes place simultaneously with a respective exposure beam, ie. H. Each subarea is assigned an exposure beam. The exposure beams typically start from a two-dimensional grid and are parallel, so that a pattern generated by activating or deactivating the individual exposure beams is transferred to the photosensitive layer, i. H. a structure to be formed on the photosensitive layer is determined by the pattern of exposure beams.
Der Vorgang der Übertragung des Musters der Belichtungsstrahlen auf die lichtempfindliche Schicht wird mehrmals durchgeführt, wobei zwischen aufeinander folgenden Übertragungsschritten die Belichtungsstrahlen als Ganzes jeweils bezüglich der lichtempfindlichen Schicht verschoben werden, so dass sukzessive ein jeweiliger Belichtungsstrahl an jeden Ort in dem jeweiligen Teilbereich gelangt und auf diese Weise die gesamte zu belichtende Fläche mikrostrukturiert wird. Es versteht sich, dass zu diesem Zweck die Belichtungsstrahlen unabhängig voneinander manipuliert werden, d. h. insbesondere unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden.The operation of transferring the pattern of the exposure beams to the photosensitive layer is performed a plurality of times, and between successive transfer steps, the exposure beams as a whole are shifted with respect to the photosensitive layer, so that a respective exposure beam successively reaches each location in the respective area and onto them Way the entire surface to be exposed is microstructured. It is understood that for this purpose the exposure beams are manipulated independently of each other, i. H. in particular independently switched on or off.
Die Ausdehnung der Teilbereiche auf der lichtempfindlichen Schicht liegt hierbei typischer Weise in der Größenordnung (d. h. beim ca. 1 bis 10-fachen) eines Beugungsscheibchens (Airy-Scheibchens), welchen der jeweilige Belichtungsstrahl auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugt. Die Größe bzw. der Durchmesser des Beugungsscheibchens wird hierbei durch den kleinsten Blendendurchmesser der Belichtungsanlage (bzw. eines dort verwendeten Projektionsobjektivs) bestimmt, da dieser das Auflösungsvermögen der Belichtungsanlage begrenzt. Im Rahmen dieser Erfindung werden Techniken beschrieben, welche es ermöglichen, die Strukturierung der lichtempfindlichen Schicht mit einer gegenüber dieser so genannten Beugungsgrenze erhöhten Auflösung vorzunehmen, d. h. es werden Techniken beschrieben, bei denen nur ein Teil der Ausdehnung eines jeweiligen Beugungsscheibchens zur Belichtung beiträgt.The extent of the subregions on the photosensitive layer is more typical here On the order of magnitude (ie about 1 to 10 times) of a diffraction disk (Airy disk) which the respective exposure beam produces on the photosensitive layer. The size or the diameter of the diffraction disk is determined by the smallest aperture diameter of the exposure system (or a projection objective used there), since this limits the resolution of the exposure system. In the context of this invention, techniques are described which make it possible to carry out the structuring of the photosensitive layer with an increased resolution compared with this so-called diffraction limit, ie techniques are described in which only part of the extent of a respective diffraction disk contributes to the exposure.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass eine Nahfeld-Optik unmittelbar vor der lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist, welche es ermöglicht, die Ausdehnung der Belichtungsstrahlen zu reduzieren, so dass auf dem lichtempfindlichen Substrat ein Lichtspot erzeugt wird, dessen Ausdehnung bzw. Durchmesser deutlich geringer ist als die Ausdehnung des Beugungs-Scheibchens, welches ein in die Nahfeld-Optik eintretender Belichtungsstrahl aufweist.According to a first aspect of the invention, this is achieved in that a near-field optical system is arranged immediately in front of the photosensitive layer, which makes it possible to reduce the expansion of the exposure beams, so that a light spot is generated on the photosensitive substrate whose extent or Diameter is significantly less than the extension of the diffraction disk, which has an entering into the near field optical exposure beam.
Bei einer Ausführungsform ist eine der lichtempfindlichen Schicht zugewandte Seite der Nahfeld-Optik in einem Abstand zur lichtempfindlichen Schicht angeordnet, der kleiner ist als die Wellenlänge der Belichtungsstrahlen. Dies ist günstig, da die Intensität der an der Nahfeld-Optik gebildeten evaneszenten Welle mit dem Abstand vom Ort der Erzeugung der evaneszenten Welle exponentiell abnimmt. Die verwendete Wellenlänge der Belichtungsstrahlung kann hierbei im nahen UV-Bereich, z. B. bei 193 nm, liegen. Es ist aber auch möglich, Belichtungsstrahlung zu verwenden, deren Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt. Auch die Verwendung eines Immersionsfluids ist möglich.In one embodiment, a side of the near field optics facing the photosensitive layer is spaced apart from the photosensitive layer by less than the wavelength of the exposure beams. This is favorable because the intensity of the evanescent wave formed at the near-field optics decreases exponentially with the distance from the place of generation of the evanescent wave. The wavelength of the exposure radiation used can be in the near UV range, z. At 193 nm. But it is also possible to use exposure radiation whose wavelength is in the visible wavelength range. The use of an immersion fluid is possible.
Falls die lichtempfindliche Schicht (Resist) genügend robust ist, kann die Nahfeld-Optik ggf. die lichtempfindliche Schicht zumindest teilweise berühren. Auch kann eine Dosis- und/oder Fokuskontrolle (siehe unten) vorgesehen sein, um die starke Abstandsabhängigkeit der ins Nahfeld übergekoppelten Intensität der Belichtungsstrahlen zu berücksichtigen, da diese ggf. zu einer inhomogenen Ausleuchtung der lichtempfindlichen Schicht führen kann.If the photosensitive layer (resist) is sufficiently robust, the near field optics may possibly at least partially touch the photosensitive layer. A dose and / or focus control (see below) may also be provided in order to take into account the strong distance dependence of the intensity of the exposure beams coupled into the near field, since this may possibly lead to an inhomogeneous illumination of the photosensitive layer.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Belichtungsanlage zusätzlich eine Detektoreinrichtung zur Detektion der Intensität der an der Nahfeld-Optik reflektierten Belichtungsstrahlen. Die Intensität des reflektierten Lichts kann durch eine geeignete ortsauflösende Detektoreinrichtung (CCD-Kamera oder dergleichen) kanalweise, d. h. für jeden Belichtungsstrahl einzeln, gemessen werden. Auf diese Weise kann typischer Weise indirekt der Energieeintrag eines jeweiligen Belichtungsstrahls bzw. der von diesem erzeugten evaneszenten Welle in der lichtempfindlichen Schicht gemessen werden. Je weniger Energie in die lichtempfindliche Schicht eingebracht wird, desto mehr Energie wird reflektiert und umgekehrt. Durch Kopplung der Detektoreinrichtung an die Lichterzeugungseinrichtung (oder eine Filtereinrichtung, siehe unten) kann die Intensität der einzelnen Belichtungsstrahlen unabhängig voneinander so eingestellt werden, dass die lichtempfindliche Schicht (nahezu) uniform belichtet wird.In a further embodiment, the exposure system additionally comprises a detector device for detecting the intensity of the exposure beams reflected at the near-field optical system. The intensity of the reflected light can be measured channel by channel, i.e. by a suitable spatially resolving detector device (CCD camera or the like). H. individually for each exposure beam. In this way, typically the energy input of a respective exposure beam or the evanescent wave generated thereby in the photosensitive layer can be measured indirectly. The less energy is introduced into the photosensitive layer, the more energy is reflected and vice versa. By coupling the detector device to the light-generating device (or a filter device, see below), the intensity of the individual exposure beams can be adjusted independently of each other so that the photosensitive layer is exposed (nearly) uniformly.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Belichtungsanlage eine Abstandsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines Abstands und bevorzugt einer Verkippung zwischen der Nahfeld-Optik und der lichtempfindlichen Schicht, insbesondere anhand der detektierten Intensität. Anhand der kanalweise detektierten Intensität kann auf die in die lichtempfindliche Schicht eingebrachte Energie und damit lokal auf den Abstand zwischen der Nahfeld-Optik und der lichtempfindlichen Schicht geschlossen werden. Durch die Bestimmung des Abstandes zwischen Nahfeld-Optik und lichtempfindlicher Schicht an mehreren Orten kann zusätzlich die Ausrichtung bzw. die Verkippung der Nahfeld-Optik relativ zur lichtempfindlichen Schicht bestimmt werden. Die Verkippung kann ggf. durch an der Nahfeld-Optik vorgesehene Manipulatoren (z. B. in Form von Piezo-Aktoren) korrigiert werden. Manipulatoren können auch verwendet werden, um den Abstand zwischen der Nahfeld-Optik und der lichtempfindlichen Schicht auf einen gewünschten Sollwert einzustellen bzw. zu regeln (Fokuskontrolle bzw. Fokusregelung). Gegebenenfalls kann die Abstandsbestimmungseinrichtung auch ausgebildet sein, eine kapazitive oder ellipsometrische Bestimmung des Abstandes zwischen Nahfeld-Optik und lichtempfindlichen Substrat vorzunehmen.In a further development, the exposure system comprises a distance determination device for determining a distance and preferably a tilt between the near-field optical system and the photosensitive layer, in particular based on the detected intensity. On the basis of the channel-detected intensity can be concluded that the energy introduced into the photosensitive layer and thus locally to the distance between the near field optics and the photosensitive layer. By determining the distance between the near-field optical system and the photosensitive layer at a plurality of locations, it is additionally possible to determine the orientation or the tilting of the near-field optical system relative to the photosensitive layer. If necessary, the tilt can be corrected by manipulators provided at the near field optics (eg in the form of piezo actuators). Manipulators may also be used to adjust the distance between the near-field optic and the photosensitive layer to a desired target value (focus control). If appropriate, the distance determination device can also be designed to carry out a capacitive or ellipsometric determination of the distance between the near-field optical system and the photosensitive substrate.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Belichtungsanlage eine vor der Nahfeld-Optik angeordnete Filtereinrichtung zur Beeinflussung der Intensität und/oder der Polarisation eines jeweiligen Belichtungsstrahls. Die Filtereinrichtung kann z. B. als Graufilter oder als Polarisationsfilter ausgebildet sein, welcher eine z. B. durch Anlegen einer Spannung ortsabhängig veränderbare Transmission bzw. Beeinflussung der Polarisation bewirkt. Falls der Abstand zwischen der Nahfeld-Optik und der lichtempfindlichen Schicht ortsabhängig variiert, kann die dadurch entstehende Inhomogenität der Lichtverteilung auf der lichtempfindlichen Schicht durch eine geeignete Beeinflussung der Intensitätsverteilung vor der Nahfeld-Optik kompensiert werden. Die einzelnen Belichtungsstrahlen können hierbei z. B. durch Grau- oder Polarisationsfilter in ihrer Intensität geeignet moduliert werden.In a further embodiment, the exposure system comprises a filter device arranged in front of the near-field optical system for influencing the intensity and / or the polarization of a respective exposure beam. The filter device can, for. B. be designed as a gray filter or as a polarizing filter, which has a z. B. effected by applying a voltage location-dependent variable transmission or influencing the polarization. If the distance between the near-field optical system and the photosensitive layer varies in a location-dependent manner, the resulting inhomogeneity of the light distribution on the photosensitive layer can be compensated by a suitable influencing of the intensity distribution in front of the near-field optical system. The individual exposure beams can here z. B. be suitably modulated by gray or polarizing filter in intensity.
In einer Weiterbildung umfasst die Beleuchtungsanlage zusätzlich eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Filtereinrichtung in Abhängigkeit vom der mittels der Detektoreinrichtung detektierten Intensität. Die Steuereinrichtung kann dazu verwendet werden, die Intensität und die Phase (sowie ggf. auch die Belichtungsdauer) der einzelnen Belichtungsstrahlen in Abhängigkeit von den gemessenen bzw. detektierten Größen einzustellen, so dass diese an der lichtempfindlichen Schicht bzw. beim Auftreffen auf die Nahfeld-Optik eine gewünschte Eigenschaft aufweisen. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung auch dazu verwendet werden, die Intensitätsunterschiede zwischen den einzelnen auf die lichtempfindliche Schicht auftreffenden Belichtungsstrahlen möglichst klein zu halten, d. h. eine Intensitätsverteilung auf der lichtempfindlichen Schicht zu erzeugen, die möglichst uniform ist. In a further development, the lighting system additionally comprises a control device for controlling the filter device as a function of the intensity detected by means of the detector device. The control device can be used to adjust the intensity and the phase (and optionally also the exposure time) of the individual exposure beams as a function of the measured or detected variables, so that they are applied to the photosensitive layer or when hitting the near field optics have a desired property. In particular, the control device can also be used to minimize the intensity differences between the individual exposure beams incident on the photosensitive layer, ie to produce an intensity distribution on the photosensitive layer which is as uniform as possible.
Bei einer Ausführungsform weist die Nahfeld-Optik eine Lochmaske mit einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen auf, deren Durchmesser bevorzugt kleiner ist als die Wellenlänge der Belichtungsstrahlen. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Auflösung stellt die Verwendung einer Lochmaske dar, die nur innerhalb der Durchtrittsöffnungen für die Belichtungsstrahlen transparent ist. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen ist hierbei in der Regel geringer als der Durchmesser der Beugungsscheibchen der Belichtungsstrahlen, d. h. die Ausdehnung der Durchtrittsöffnungen quer zur Lichtausbreitungsrichtung der Belichtungsstrahlen ist kleiner als die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung. Auch der Abstand zwischen der Lochmaske und der lichtempfindlichen Schicht ist hierbei in der Regel kleiner als die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung (siehe oben), damit die Belichtungsstrahlung als so genannte evaneszente Welle (entsprechend dem quantenmechanischen Tunnel-Effekt) in die lichtempfindliche Schicht am Ort der Durchtrittsöffnung eintreten und die lichtempfindliche Schicht belichten kann („kontaktloser Nano-Imprint”).In one embodiment, the near-field optical system has a shadow mask with a plurality of passage openings whose diameter is preferably smaller than the wavelength of the exposure beams. One possibility for increasing the resolution is the use of a shadow mask, which is transparent only within the passage openings for the exposure beams. The diameter of the passage openings is in this case usually smaller than the diameter of the diffraction disks of the exposure beams, d. H. the extent of the passage openings transversely to the light propagation direction of the exposure beams is smaller than the wavelength of the exposure radiation. The distance between the shadow mask and the photosensitive layer is usually smaller than the wavelength of the exposure radiation (see above), so that the exposure radiation as a so-called evanescent wave (corresponding to the quantum mechanical tunnel effect) in the photosensitive layer at the location of the passage opening enter and the photosensitive layer can expose ("contactless nanoimprint").
Bei einer Weiterbildung weist die Lochmaske ein für die Belichtungsstrahlen transparentes Substrat sowie eine dem lichtempfindlichen Substrat zugewandte Sperrschicht auf, an der die Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen gebildet ist. Die Sperrschicht mit den Durchtrittsöffnungen ist in diesem Fall auf dem als Träger dienenden transparenten Substrat aufgebracht. Als Sperrschicht kann beispielsweise bei der Verwendung von Strahlung im nahen UV-Bereich, z. B. bei ca. 193 nm, eine Chromschicht dienen, die ab einer Dicke von ca. 50–80 nm für Belichtungsstrahlen bei dieser Wellenlänge nicht mehr durchlässig ist.In a development, the shadow mask has a substrate that is transparent to the exposure beams and a barrier layer facing the photosensitive substrate, on which the plurality of passage openings is formed. The barrier layer with the passage openings is applied in this case on the carrier serving as a transparent substrate. As a barrier layer, for example, in the use of radiation in the near UV range, for. B. at about 193 nm, serve a chromium layer, which is no longer permeable at a wavelength of about 50-80 nm for exposure beams at this wavelength.
Bei einer Weiterbildung ist das transparente Substrat an seiner der lichtempfindlichen Schicht zugewandten Seite strukturiert und weist insbesondere spitz zulaufende Strukturen auf. Die Strukturierung des transparenten Substrats dient als Mikrooptik, wobei sich insbesondere spitz zulaufende, kegelförmige Strukturen als besonders günstig erwiesen haben. Die Durchtrittsöffnungen in der Sperrschicht befinden sich hierbei an den Kegelspitzen, die typischer Weise in einem Abstand zur lichtempfindlichen Schicht angeordnet sind, der kleiner ist als die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung.In a development, the transparent substrate is structured on its side facing the photosensitive layer and in particular has tapered structures. The structuring of the transparent substrate serves as a micro-optic, with pointed, cone-shaped structures in particular having proven to be particularly favorable. The passage openings in the barrier layer are in this case at the cone tips, which are typically arranged at a distance from the photosensitive layer, which is smaller than the wavelength of the exposure radiation.
Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft die Lichtausbreitungsrichtung der Belichtungsstrahlen unter einem Winkel zur Nahfeld-Optik (und damit zur lichtempfindlichen Schicht), wobei die Nahfeld-Optik ein dielektrisches Substrat mit einer Mehrzahl von in das dielektrische Substrat eingebetteten, spitz zulaufenden metallischen Strukturen aufweist. In diesem Fall dient die einfallende Belichtungsstrahlung zur Anregung von Oberflächen-Plasmonen in den spitz zulaufenden metallischen Strukturen. Diese induzieren ein elektrisches Wechselfeld innerhalb der Strukturen, welches an den Spitzen maximal verdichtet als evaneszente Welle heraustritt und exponentiell in Abhängigkeit vom Abstand zur lichtempfindlichen Schicht gedämpft wird. Bei kleinem Abstand zwischen einer jeweiligen Spitze und der lichtempfindlichen Schicht (typischer Weise kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Belichtungsstrahlen) genügt die Intensität der evaneszenten Welle, die lichtempfindliche Schicht in einem sehr kleinen Bereich um die Spitze herum zu belichten.In another embodiment, the light propagation direction of the exposure beams is at an angle to the near-field optic (and hence the photosensitive layer), the near field optic having a dielectric substrate having a plurality of tapered metallic structures embedded in the dielectric substrate. In this case, the incident exposure radiation serves to excite surface plasmons in the pointed metallic structures. These induce an alternating electric field within the structures, which emerges at the tips as a maximum compression as an evanescent wave and is attenuated exponentially as a function of the distance to the photosensitive layer. With a small distance between each tip and the photosensitive layer (typically smaller than the wavelength of the exposure beams used), the intensity of the evanescent wave will suffice to expose the photosensitive layer in a very small area around the tip.
Um die Oberflächen-Plasmonen in den metallischen Spitzen anzuregen, ist es erforderlich, p-polarisierte Beleuchtungsstrahlung zu verwenden, d. h. die Lichtausbreitungsrichtung muss unter einem Winkel zur Nahfeld-Optik erfolgen, damit eine Einfallsebene (und damit die p-Polarisation) überhaupt definiert ist. Um die Oberflächen-Plasmonen anzuregen muss zusätzlich die Wellenzahl der verwendeten Belichtungsstrahlung an die Plasmafrequenz des Metalls angepasst werden, was über das Dielektrikum möglich ist, vgl. insbesondere „
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Belichtungsanlage eine Superlinse zur Abbildung von aus der Nahfeld-Optik austretenden evaneszenten Wellen auf das lichtempfindliche Substrat. Als so genannte Superlinse wird eine Anordnung bezeichnet, welche es ermöglicht, evaneszente Wellen (nahezu) ungedämpft zu transportieren und ggf. sogar zu verstärken. Dies ist möglich, da die Superlinse eine für die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung negative Brechzahl aufweist.In a further embodiment, the exposure system comprises a super-lens for imaging evanescent waves emerging from the near field optics onto the photosensitive substrate. As a so-called super-lens, an arrangement is called, which makes it possible to transport evanescent waves (almost) unattenuated and possibly even to reinforce. This is possible because the super lens has a negative refractive index for the wavelength of the exposure radiation.
Auch bei der Superlinse werden Oberflächen-Plasmonen angeregt. Die Superlinse weist hierbei im einfachsten Fall einen Schichtstapel aus einem ersten Dielektrikum, einer metallischen Schicht sowie einem zweiten Dielektrikum auf. Die Dicken der (planen) Schichten liegen hierbei typischer Weise in der Größenordnung der Wellenlänge der Belichtungsstrahlung. Eine solche Superlinse, bei welcher Silber als metallische Schicht dient, ist in dem Artikel
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Belichtungsanlage, umfassend: ein Substrat mit einer lichtempfindlichen Schicht, eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Mehrzahl von insbesondere parallelen Belichtungsstrahlen mit (mindestens) einer Beleuchtungswellenlänge, wobei jeder Belichtungsstrahl einem Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht zugeordnet ist und die Erzeugungseinrichtung ausgebildet ist, Belichtungsstrahlen mit einer maximalen Intensität zu erzeugen, die über einem Intensitäts-Schwellwert zur Überführung der lichtempfindlichen Schicht von einem zweiten Zustand in einen ersten Zustand liegt, eine Bewegungseinrichtung zum insbesondere scannenden Bewegen der Belichtungsstrahlen über den bzw. relativ zum jeweils zugeordneten Teilbereich, sowie eine Anregungs-Lichtquelle zur Erzeugung von Anregungsstrahlung mit (mindestens einer) Anregungs-Wellenlänge zur Überführung der lichtempfindlichen Schicht von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand.A further aspect of the invention relates to an exposure apparatus, comprising: a substrate having a photosensitive layer, generating means for producing a plurality of in particular parallel exposure beams having (at least) one illumination wavelength, each exposure beam being associated with a portion of the photosensitive layer and the generator being formed To generate exposure beams having a maximum intensity which is above an intensity threshold value for transferring the photosensitive layer from a second state to a first state, a movement device for scanning the exposure beams in particular via the relative to the respectively associated partial region, and a Excitation light source for generating excitation radiation having (at least one) excitation wavelength for transferring the photosensitive layer from the first state to the second state.
Bei diesem Aspekt der Erfindung wird zur Erhöhung der Auflösung ausgenützt, dass die lichtempfindliche Schicht bei einem Intensitäts-Schwellwert zwischen dem zweiten und dem ersten Zustand wechselt, der unterhalb der maximalen Intensität des Belichtungsstrahls liegt, die typischer Weise im Zentrum eines jeweiligen Belichtungsstrahls erreicht wird. Bei einem reversiblen Zustandsübergang kann hierdurch erreicht werden, dass die lichtempfindliche Schicht außer in einem zur Strukturierung vorgesehenen Teilbereich, der einen Subbereich des (beugungsbegrenzten) Bereichs darstellt, den ein auf die lichtempfindliche Schicht auftreffender Belichtungsstrahl überdeckt, von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand übergeführt wird, so dass die Strukturierung nur in dem hierfür vorgesehenen Teilbereich erfolgen kann.In this aspect of the invention, it is utilized to increase the resolution that the photosensitive layer changes at an intensity threshold between the second and the first state, which is below the maximum intensity of the exposure beam, which is typically achieved in the center of a respective exposure beam. In the case of a reversible state transition, it can thereby be achieved that the photosensitive layer is converted from the second state into the first state, except in a partial area provided for structuring, which represents a subregion of the (diffraction-limited) region which covers an exposure beam incident on the photosensitive layer is, so that the structuring can be done only in the space provided for this purpose.
Mittels der Anregungslichtquelle kann die lichtempfindliche Schicht von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand übergeführt werden. Die Belichtungsstrahlen haben hingegen den umgekehrten Effekt, d. h. sie dienen der Überführung der lichtempfindlichen Schicht vom zweiten in den ersten Zustand. Die Anregung kann vor oder während der Belichtung erfolgen. Es versteht sich, dass sowohl die Anregungsstrahlung als auch die Belichtungsstrahlung nicht nur eine einzige Wellenlänge aufweisen müssen, sondern ggf. einen jeweiligen Wellenlängenbereich überdecken können. Da sowohl die Anregungslichtquelle als auch die Licht-Erzeugungseinrichtung in der Regel eine Laser-Lichtquelle aufweisen, weist die von diesen erzeugte Strahlung aber in guter Näherung nur eine einzige Wellenlänge auf.By means of the excitation light source, the photosensitive layer can be converted from the first state to the second state. The exposure beams, on the other hand, have the opposite effect, i. H. they serve to transfer the photosensitive layer from the second to the first state. The excitation can take place before or during the exposure. It is understood that both the excitation radiation and the exposure radiation need not only have a single wavelength, but may possibly cover a respective wavelength range. Since both the excitation light source and the light-generating device usually have a laser light source, but the radiation generated by these to a good approximation only a single wavelength.
Bei einer Ausführungsform ist der Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand reversibel und die lichtempfindliche Schicht ist nur im zweiten Zustand in einen dauerhaft veränderten chemischen Zustand überführbar. Da der Übergang zwischen den beiden Zuständen reversibel ist, kann die Anregung der lichtempfindlichen Schicht vor dem Belichten erfolgen, wobei die lichtempfindliche Schicht insbesondere homogen mit der Anregungsstrahlung beaufschlagt werden kann. In diesem Fall kann beispielsweise ein Belichtungsverfahren durchgeführt werden, wie es in der
Bei einer weiteren Ausführungsform überlappen sich die Teilbereiche, denen die jeweiligen Belichtungsstrahlen zugeordnet sind, zumindest teilweise. Um außerhalb des oben beschriebenen, eng begrenzten Bereichs minimaler Intensität eine Intensität zu erhalten, die sicher oberhalb der Intensitäts-Schwelle liegt, ist es günstig, wenn benachbarte Teilbereiche, denen jeweils ein Belichtungsstrahl zugeordnet ist, sich teilweise überlappen, so dass sich auch die Intensitätsverteilungen benachbarter Belichtungsstrahlen in ihren Außenbereichen überlappen und sich dort zu einer Gesamtintensität überlagern, welche oberhalb der Intensitäts-Schwelle liegt.In a further embodiment, the subareas to which the respective exposure beams are assigned at least partially overlap. In order to obtain an intensity which is safely above the intensity threshold outside the narrow range of minimum intensity described above, it is favorable if adjacent subregions, to which an exposure beam is assigned in each case, partially overlap, so that the intensity distributions also overlap overlap adjacent exposure beams in their outer areas and superimpose there to a total intensity, which is above the intensity threshold.
Bei einer Weiterbildung weist die Belichtungsanlage eine Fixierungs-Lichtquelle zur Überführung der lichtempfindlichen Schicht von dem zweiten Zustand in den dauerhaft veränderten chemischen Zustand auf. Die lichtempfindliche Schicht kann hierbei durch die Fixierungs-Lichtquelle in dem Bereich, in dem sie sich im zweiten Zustand befindet, in den dauerhaft veränderten chemischen Zustand übergeführt und auf diese Weise strukturiert werden. Ein einmal in den dauerhaft veränderten chemischen Zustand übergeführter Bereich der lichtempfindlichen Schicht reagiert nicht mehr auf die Anregungsstrahlung bzw. die Belichtungsstrahlen nachfolgender Belichtungen.In a development, the exposure system has a fixing light source for transferring the photosensitive layer from the second state to the permanently modified chemical State on. In this case, the photosensitive layer can be converted into the permanently changed chemical state by the fixing light source in the region in which it is in the second state, and structured in this way. Once a region of the photosensitive layer has been converted into the permanently altered chemical state, it no longer reacts to the excitation radiation or the exposure beams of subsequent exposures.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Anregungslichtquelle ausgebildet, Anregungsstrahlung mit einem ortsabhängig variierenden Intensitätsprofil auf der lichtempfindlichen Schicht zu erzeugen, wobei die Anregungsstrahlung bevorzugt zwischen zwei benachbart auf das lichtempfindliche Substrat auftreffenden Belichtungsstrahlen eine maximale Intensität aufweist. Durch die Erzeugung eines ortsabhängigen Intensitätsprofils der Anregungsstrahlung können die Belichtungsstrahlen so mit der Anregungsstrahlung überlagert werden, dass sich analog zu einem STED(„Stimulated Emission Depletion”)-Mikroskop in einem eng begrenzten Bereich ein Maximum der Intensität ausbildet, welches die lichtempfindliche Schicht in den ersten Zustand überführt.In a further embodiment, the excitation light source is designed to generate excitation radiation having a location-dependent varying intensity profile on the photosensitive layer, the excitation radiation preferably having a maximum intensity between two exposure beams impinging on the photosensitive substrate. By generating a location-dependent intensity profile of the excitation radiation, the exposure beams can be superimposed on the excitation radiation such that a maximum of the intensity forms in a narrowly limited area corresponding to an STED ("Stimulated Emission Depletion") microscope, which forms the photosensitive layer in the first condition transferred.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Übergang von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand irreversibel, d. h. der zweite Zustand stellt bereits einen Zustand mit dauerhaft veränderten chemischen Eigenschaften dar. Eine lichtempfindliche Schicht mit solchen Eigenschaften kann insbesondere bei der oben beschriebenen simultanen Verwendung von Anregungsstrahlung und Belichtungsstrahlung zum Einsatz kommen. Liegt die kombinierte Intensität von Anregungs- und Belichtungsstrahlung in diesem Fall über dem Intensitäts-Schwellwert, wird die lichtempfindliche Schicht in dem zugehörigen Bereich in den ersten, dauerhaft veränderten chemischen Zustand.In a further embodiment, the transition from the second state to the first state is irreversible, i. H. the second state already represents a state with permanently changed chemical properties. A photosensitive layer having such properties can be used in particular in the case of the above-described simultaneous use of excitation radiation and exposure radiation. In this case, if the combined intensity of excitation and exposure radiation is above the intensity threshold, the photosensitive layer in the associated region becomes the first, permanently altered, chemical state.
Alternativ kann gegebenenfalls auch vollständig auf die Verwendung von Anregungsstrahlung verzichtet werden, d. h. es kann eine lichtempfindliche Schicht (Resist) verwendet werden, bei welcher der Intensitäts-Schwellwert so hoch ist (z. B. bei 80% oder 90% der Maximal-Intensität der Belichtungsstrahlen), dass die lichtempfindliche Schicht nur in einem kleinen Subbereich der Intensitätsverteilung irreversibel von dem zweiten in den ersten Zustand übergeführt wird, der z. B. bei 30% oder weniger der von einem jeweiligen Belichtungsstrahl überdeckten Fläche liegt. Hierbei sollte der Resist in dem Bereich, in dem der Schwellwert der Intensität nicht überschritten wurde, die Belichtung möglichst schnell „vergessen”, d. h. es sollte ein so genannter Alzheimer-Resist verwendet werden. Derartige Resists werden z. B. für wiederbeschreibbare DVDs verwendet und können z. B. als Chalkogenide ausgebildet sein, bei denen der Übergang zwischen den zwei Zuständen insbesondere thermisch zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase erfolgt.Alternatively, it may be possible to completely dispense with the use of excitation radiation, i. E. H. a photosensitive layer (resist) in which the intensity threshold is so high (e.g., at 80% or 90% of the maximum intensity of the exposure rays) that the photosensitive layer is only in a small subrange of the intensity distribution can be used irreversibly transferred from the second to the first state, the z. B. at 30% or less of the area covered by a respective exposure beam. In this case, the resist in the area in which the intensity threshold was not exceeded should "forget" the exposure as quickly as possible, ie. H. A so-called Alzheimer's Resist should be used. Such resists are z. B. used for rewritable DVDs and z. B. be formed as a chalcogenide, in which the transition between the two states in particular takes place thermally between an amorphous and a crystalline phase.
Mit anderen Worten kann der Oberflächenbereich, welcher strukturiert werden soll, entweder im Zentrum eines jeweiligen Belichtungsstrahls liegen, wenn dort der Intensitäts-Schwellwert überschritten wird, oder alternativ im Zentrum eines Bereichs, in dem (nahezu) keine Belichtungsstrahlung auf die lichtempfindliche Schicht trifft, d. h. im Bereich eines Minimums der Intensitätsverteilung auf der lichtempfindlichen Schicht. Um den jeweiligen Oberflächenbereich möglichst klein und damit die Auflösung möglichst groß zu machen, ist ggf. eine erhebliche maximale Intensität der Belichtungsstrahlung erforderlich.In other words, the surface area to be patterned may either be in the center of a respective exposure beam when the intensity threshold is exceeded, or alternatively at the center of a region where (almost) no exposure radiation strikes the photosensitive layer, i , H. in the range of a minimum of the intensity distribution on the photosensitive layer. In order to make the respective surface area as small as possible and thus the resolution as large as possible, a considerable maximum intensity of the exposure radiation may be necessary.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die lichtempfindliche Schicht einen schaltbaren organischen Farbstoff oder ein schaltbares Chalcogenid auf. Schaltbare organische Farbstoffe weisen Farbstoff-Moleküle auf, welche mit Hilfe von Licht von einem zweiten Zustand in einen ersten Zustand (und umgekehrt) schaltbar sind. Wie weiter oben dargestellt, erfolgt bei Chalcogeniden der Übergang zwischen den beiden Zuständen typischer Weise durch thermische Anregung, und zwar zwischen einer amorphen und kristallinen Phase.In another embodiment, the photosensitive layer comprises a switchable organic dye or a switchable chalcogenide. Switchable organic dyes have dye molecules which are switchable by means of light from a second state to a first state (and vice versa). As discussed above, in chalcogenides, the transition between the two states typically occurs by thermal excitation between an amorphous and a crystalline phase.
Bei einer Weiterbildung ist der zweite Zustand des schaltbaren organischen Farbstoffs durch stimulierte Emission in den ersten Zustand des schaltbaren organischen Farbstoffs überführbar. Der Farbstoff kann hierbei wie bei der STED-Mikroskopie mit Hilfe von Anregungsstrahlung von einem ersten, energetisch niedrigeren Zustand in einen zweiten, energetisch höheren Zustand übergeführt werden und von diesem durch stimulierte Emission mit Hilfe von Belichtungsstrahlen in einem geeigneten Wellenlängenbereich in den ersten Zustand zurückgeführt werden. Typischer Weise unterscheiden sich hierbei die Wellenlängen, die zur Anregung des Farbstoffs in den zweiten Zustand und zur Anregung der stimulierten Emission in den Grundzustand benötigt werden.In a development, the second state of the switchable organic dye can be converted by stimulated emission into the first state of the switchable organic dye. As in STED microscopy, the dye can be converted from a first energetically lower state into a second, energetically higher state by means of excitation radiation and returned to the first state by stimulated emission with the aid of exposure beams in a suitable wavelength range , Typically, the wavelengths needed to excite the dye into the second state and to stimulate stimulated emission to the ground state differ.
Der erste und der zweite Zustand können auch unterschiedliche Strukturisomerie-Zustände des schaltbaren organischen Farbstoffs sein, beispielsweise zwei Isomerie-Zustände, welche einen Cis-Trans-Übergang der jeweiligen Farbstoff-Moleküle darstellen, wie dies beispielsweise in der oben genannten
Neben der Verwendung von Fluoreszenz-Farbstoffen, bei denen durch stimulierte Emission ein Übergang von einem energetisch angeregten Zustand in den Grundzustand stattfinden kann, können selbstverständlich auch lichtempfindliche Schichten mit anderen Arten von (reversiblen) Zustands-Übergängen in der Belichtungsanlage verwendet werden, z. B. die oben erwähnten Chalcogenide, bei denen der Übergang zwischen amorpher und kristalliner Phase thermisch (z. B. angeregt durch einen Belichtungspuls) erfolgt.In addition to the use of fluorescent dyes in which stimulated emission Of course, light-sensitive layers with other types of (reversible) state transitions in the exposure system can be used, for example, a transition from an energetically excited state to the ground state. For example, the above-mentioned chalcogenides in which the transition between amorphous and crystalline phase is thermal (eg, excited by an exposure pulse).
In einer weiteren Ausführungsform weist die Erzeugungseinrichtung eine Rasteranordnung mit einer Mehrzahl von schaltbaren Rasterelementen zum Ein- oder Ausschalten eines jeweiligen Belichtungsstrahls in Abhängigkeit von einer an der lichtempfindlichen Schicht zu erzeugenden Struktur auf. Mit Hilfe der Rasteranordnung kann auf der lichtempfindlichen Schicht ein den aktivierten, d. h. eingeschalteten Rasterelementen entsprechendes Muster von Lichtspots erzeugt werden.In a further embodiment, the generating device has a raster arrangement with a plurality of switchable raster elements for switching on or off a respective exposure beam as a function of a structure to be produced on the photosensitive layer. With the aid of the grid arrangement, an activated, d. H. switched grid elements corresponding pattern of light spots are generated.
In einer Weiterbildung sind die Rasterelemente der Rasteranordnung als schaltbare Blenden für einen jeweiligen Belichtungsstrahl ausgebildet. Die Rasteranordnung transmittiert in diesem Fall Belichtungsstrahlung nur in denjenigen Bereichen, in denen die Rasterelemente aktiviert sind, d. h. in denen diese nicht als Blenden wirken. Die Beleuchtungsstrahlung wird hingegen in den Bereichen blockiert, in denen die Rasterelemente ausgeschaltet sind.In a development, the raster elements of the raster arrangement are designed as switchable diaphragms for a respective exposure beam. The raster arrangement transmits in this case exposure radiation only in those areas in which the raster elements are activated, d. H. in which these do not act as screens. The illumination radiation, however, is blocked in the areas where the grid elements are turned off.
In einer Weiterbildung ist die Rasteranordnung als LCD-Array, als Laserdioden-Array oder als OLED-Array ausgebildet. Im ersten Fall wird eine Beleuchtungseinrichtung benötigt, welche das LCD-Array auf seiner dem lichtempfindlichen Substrat abgewandten Seite beleuchtet. Bei der Verwendung eines Laserdioden-Arrays oder eines OLED-Arrays weist jedes Rasterelement eine eigene Lichtquelle auf, die zur Erzeugung eines jeweiligen Belichtungsstrahls einzeln aktiviert werden kann. Es sind sowohl LCD-Arrays als auch Laserdioden- bzw. OLED-Arrays am Markt verfügbar, bei denen die Raserelemente ausreichend klein sind, um eine sehr hohe Auflösung zu erreichen. Insbesondere die Schaltzeiten von am Markt verfügbaren OLED-Arrays sind ausreichend klein, um einen hohen Durchsatz bei der Belichtung sicherzustellen.In one development, the grid arrangement is designed as an LCD array, as a laser diode array or as an OLED array. In the first case, a lighting device is needed, which illuminates the LCD array on its side facing away from the photosensitive substrate. When using a laser diode array or an OLED array, each raster element has its own light source, which can be activated individually to produce a respective exposure beam. There are both LCD arrays and laser diode or OLED arrays available in the market, in which the Raserelemente are sufficiently small to achieve a very high resolution. In particular, the switching times of commercially available OLED arrays are sufficiently small to ensure a high throughput in the exposure.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Rasterelemente als schaltbare Reflektoren für einen jeweiligen Belichtungsstrahl ausgebildet. Die Rasterelemente können hierbei in einer ersten, aktiven Schaltstellung die Belichtungsstrahlung auf die lichtempfindliche Schicht umlenken, wohingegen sie in einer zweiten, deaktivierten Schaltstellung die Belichtungsstrahlung nicht auf die lichtempfindliche Schicht sondern in einen anderen Raumbereich umlenken.In an alternative embodiment, the raster elements are designed as switchable reflectors for a respective exposure beam. The raster elements can in this case deflect the exposure radiation onto the photosensitive layer in a first, active switching position, whereas in a second, deactivated switching position they do not deflect the exposure radiation onto the photosensitive layer but into another spatial area.
Bei einer Weiterbildung ist die Rasteranordnung als Micro-Mirror-Array (MMA) ausgebildet. Die Rasterelemente von MMAs sind sehr klein und weisen ausreichend geringe Schaltzeiten der schaltbaren Reflektoren auf, um einen hohen Durchsatz bei der Belichtung zu ermöglichen.In a further development, the grid arrangement is designed as a micro-mirror array (MMA). The raster elements of MMAs are very small and have sufficiently short switching times of the switchable reflectors to allow a high throughput in the exposure.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bewegungseinrichtung mindestens eine Verschiebeeinheit zur Verschiebung der Rasteranordnung relativ zur lichtempfindlichen Schicht, bevorzugt synchron zur Nahfeld-Optik, auf. Um die Belichtungsstrahlen in den jeweiligen Teilbereichen zu verschieben, ist es günstig, die Rasteranordnung in einer Ebene parallel zur lichtempfindlichen Schicht zu verschieben. Die Bewegungseinrichtung kann zu diesem Zweck zwei Linearverschiebeeinheiten aufweisen, welche die Rasteranordnung in zwei bevorzugt zueinander senkrechten Richtungen in dieser Ebene verschieben. Auf diese Weise kann ein Abrastern (Scannen) der Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht erfolgen, um diese vollflächig zu strukturieren. Es versteht sich, dass alternativ ggf. die Rasteranordnung ortsfest bleiben und die lichtempfindliche Schicht bzw. das Substrat verschoben werden kann. Selbstverständlich ist auch eine gleichzeitige, ggf. gegenläufige Bewegung von Substrat und Rasteranordnung möglich.In a further embodiment, the movement device has at least one displacement unit for displacing the grid arrangement relative to the photosensitive layer, preferably in synchronism with the near-field optical system. In order to shift the exposure beams in the respective partial areas, it is favorable to displace the grid arrangement in a plane parallel to the photosensitive layer. For this purpose, the movement device can have two linear displacement units which displace the grid arrangement in two directions which are preferably perpendicular to one another in this plane. In this way, scanning of the partial area of the photosensitive layer can take place in order to structure it over the entire area. It is understood that alternatively, if necessary, the grid arrangement remain stationary and the photosensitive layer or the substrate can be moved. Of course, a simultaneous, possibly opposite movement of substrate and grid arrangement is possible.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Erzeugungseinrichtung eine Beleuchtungseinrichtung zur insbesondere homogenen Beleuchtung der Rasteranordnung auf. Die Rasteranordnung wird hierbei vollflächig von der Beleuchtungsstrahlung getroffen und die einzelnen Belichtungsstrahlen werden an den Rasterelementen der Rasteranordnung erzeugt, die in einen aktiven Zustand geschaltet sind, während sie von den anderen (deaktivierten) Rasterelementen nicht zur lichtempfindlichen Schicht durchgelassen werden.In a further embodiment, the generating device has a lighting device for, in particular, homogeneous illumination of the grid arrangement. In this case, the grid arrangement is struck completely by the illumination radiation and the individual exposure beams are generated on the grid elements of the grid arrangement, which are switched to an active state, while they are not transmitted to the photosensitive layer by the other (deactivated) grid elements.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Belichtungsanlage ein Objektiv zur verkleinernden Abbildung der Rasteranordnung auf die lichtempfindliche Schicht oder auf die Nahfeld-Optik auf. Die verkleinernde Abbildung, z. B. um einen Faktor 10, erhöht die Auflösung bei der Belichtung der lichtempfindlichen Schicht. Sofern die Belichtungsanlage eine Nahfeld-Optik aufweist, erfolgt die Abbildung typischer Weise auf diese bzw. auf deren der lichtempfindlichen Schicht abgewandte Seite, d. h. diese bildet die Bildebene des Objektivs.In a further embodiment, the exposure system has an objective for reducing the size of the raster arrangement to the photosensitive layer or to the near-field optical system. The shrinking image, z. By a factor of 10, increases the resolution in the exposure of the photosensitive layer. If the exposure system has near-field optics, the image typically takes place on this or on the side facing away from the photosensitive layer, ie. H. this forms the image plane of the lens.
Die Erfindung betrifft auch ein dem ersten Aspekt zugehöriges Verfahren zum strukturierten Belichten einer lichtempfindlichen Schicht, umfassend: Erzeugen einer Mehrzahl von insbesondere parallelen Belichtungsstrahlen, wobei jeder Belichtungsstrahl einem Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht zugeordnet ist, Bewegen der Belichtungsstrahlen über den bzw. relativ zum jeweils zugeordneten Teilbereich, sowie Anordnen einer Nahfeld-Optik vor der lichtempfindlichen Schicht zum Umwandeln eines jeweiligen Belichtungsstrahls in eine evaneszente Welle zur Erzeugung eines Lichtspots auf der lichtempfindlichen Schicht, dessen Ausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung des Belichtungsstrahls vor der Nahfeld-Optik.The invention also relates to a method for the structured exposure of a photosensitive layer which is associated with the first aspect, comprising: generating a plurality of in particular parallel exposure beams, each exposure beam being associated with a partial area of the photosensitive layer; Exposing beams above and relative to the respective associated portion, and arranging near field optics in front of the photosensitive layer for converting a respective exposure beam into an evanescent wave for generating a light spot on the photosensitive layer whose extent is smaller than the extent of the exposure beam before Near-field optics.
Wie oben dargestellt wird die Belichtung der lichtempfindlichen Schicht so weit als möglich parallelisiert, indem eine Vielzahl von Belichtungsstrahlen simultan auf die zu belichtende Schicht ausgesandt wird, die jeweils in einem Teilbereich auf die lichtempfindliche Schicht auftreffen, welcher in der Größenordnung eines Beugungsscheibchens liegt. Die Nahfeld-Optik dient der Erhöhung der Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus, d. h. der Belichtungsstrahl wird auf einen Lichtspot verkleinert, dessen Ausdehnung z. B. eine Größenordnung unterhalb der Beugungsgrenze liegen kann, so dass zur Strukturierung der gesamten lichtempfindlichen Schicht die Belichtungsstrahlen insbesondere scannend über die lichtempfindliche Schicht bzw. den entsprechenden Teilbereich geführt werden.As described above, the exposure of the photosensitive layer is parallelized as much as possible by simultaneously emitting a plurality of exposing beams to the layer to be exposed, each of which has a partial area incident on the photosensitive layer which is on the order of a diffraction disk. The near field optics serve to increase the resolution beyond the diffraction limit, ie. H. the exposure beam is reduced to a light spot whose extent z. B. may be an order of magnitude below the diffraction limit, so that the structuring of the entire photosensitive layer, the exposure beams are in particular scanned over the photosensitive layer or the corresponding portion.
Ein dem zweiten Aspekt zugeordnetes Verfahren zum strukturierten Belichten einer lichtempfindlichen Schicht umfasst: Erzeugen einer Mehrzahl von insbesondere parallelen Belichtungsstrahlen, wobei jeder Belichtungsstrahl einem Teilbereich der lichtempfindlichen Schicht zugeordnet ist, sowie Bewegen der Belichtungsstrahlen über den bzw. relativ zum jeweils zugeordneten Teilbereich, wobei die Belichtungsstrahlen mit einer maximalen Intensität erzeugt werden, die größer ist als Intensitäts-Schwellwert zur Überführung der lichtempfindlichen Schicht von einem zweiten Zustand in einen ersten Zustand, Anregen der lichtempfindlichen Schicht mit Anregungsstrahlung zur Überführung der lichtempfindlichen Schicht von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand, sowie Zurückführender lichtempfindlichen Schicht vom zweiten Zustand in den ersten Zustand in einem nicht zur Strukturierung vorgesehenen Bereich.A method for the structured exposure of a photosensitive layer assigned to the second aspect comprises: generating a plurality of in particular parallel exposure beams, each exposure beam being associated with a partial area of the photosensitive layer, and moving the exposure beams over the respective associated partial area, the exposure beams be generated with a maximum intensity which is greater than the intensity threshold for transferring the photosensitive layer from a second state to a first state, exciting the photosensitive layer with excitation radiation to transfer the photosensitive layer from the first state to the second state, and recycling Photosensitive layer from the second state to the first state in a non-structuring intended area.
Wie weiter oben dargestellt wird bei dem zweiten Aspekt eine lichtempfindliche Schicht mit einer definierten Intensitäts-Schaltschwelle genutzt, so dass bei geeigneter Wahl der Intensität der Belichtungsstrahlen die Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus gesteigert werden kann. Hierbei kann durch die Anregungsstrahlung die lichtempfindliche Schicht reversibel von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand übergeführt und mittels der Belichtungsstrahlen in einem nicht zur Strukturierung vorgesehenen Bereich in den ersten Zustand zurückgeführt werden. Lediglich in dem zu strukturierenden Bereich, in welchem die Belichtungsstrahlung ein Minimum (oder ein Maximum, siehe oben) aufweist, wird die lichtempfindliche Schicht nicht in den ersten Zustand übergeführt und kann daher z. B. unter Verwendung von Fixierstrahlung in einen dauerhaft chemisch veränderten Zustand übergeführt werden.As described above, in the second aspect, a photosensitive layer having a defined intensity switching threshold is used, so that, with a suitable choice of the intensity of the exposure beams, the resolution can be increased beyond the diffraction limit. In this case, the photosensitive layer can be converted reversibly from the first state into the second state by the excitation radiation and returned to the first state by means of the exposure beams in an area not intended for structuring. Only in the region to be structured, in which the exposure radiation has a minimum (or a maximum, see above), the photosensitive layer is not converted to the first state and can therefore z. B. be converted using fixed radiation in a permanently chemically altered state.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigtEmbodiments are illustrated in the schematic drawing and will be explained in the following description. It shows
In
Da die Einzelspiegel
Die Belichtungsstrahlen
Wie in
Die Belichtungsanlage
Die Nahfeld-Optik
Mehrere Ausführungsbeispiele für die Nahfeld-Optik
Dies ist günstig, da die Intensität einer jeweils aus der Nahfeld-Optik
Bei dem in
Bei zwei in
Bei dem in
Um die Oberflächen-Plasmonen anzuregen, muss zusätzlich die Wellenzahl der verwendeten Belichtungsstrahlen
Bei dem in
Wie in
Im Gegensatz zu den in
Da die im Nahfeld in die lichtempfindliche Schicht
Falls der Abstand a zwischen den Kegelspitzen
Zu diesem Zweck sind die Detektoreinrichtung
Die von dem LCD-Array
Wenn man für das Objektiv
Zu diesem Zweck kann das LCD-Array
Wenn man annimmt, dass das LCD-Array
Eine deutliche Reduzierung der Schaltzeiten ist bei der in
Die in
Zur Erklärung dieses Vorgehens zeigt
Bezüglich der zwei Zustände A, B der lichtempfindlichen Schicht
Bei der Verwendung einer lichtempfindlichen Schicht (Resist) mit einem solchen irreversiblen Übergang wird typischer Weise die Intensität der Belichtungsstrahlen
Alternativ zur Verwendung einer lichtempfindlichen Schicht
Eine lichtempfindliche Schicht
Wird zunächst die gesamte lichtempfindliche Schicht vom ersten Zustand A in den zweiten Zustand B überführt und nachfolgend die lichtempfindliche Schicht
Eine Belichtungsanlage
Bei der Belichtung mit der Belichtungsanlage
Die Belichtungsstrahlen
Lediglich in dem ausgesparten Bereich
Bei Verwendung einer Wellenlänge λB von ca. 500 nm, einem k-Faktor von 0,5 und einer numerischen Apertur NA = 1 beträgt der maximal auflösbare Abstand d = 0,5 × 500 nm/1 = 250 nm. Setzt man demgegenüber die Auflösung dmin als 10 nm an, muss der entsprechende Teilbereich von ca. 250 nm × 250 nm mindestens in 25 × 25 = 625 Schritten abgerastert werden, wobei auch in diesem Fall an Stelle einer Mehrzahl von diskreten Schritten ggf. eine kontinuierliche Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit vorgenommen werden kann. Die drei aufeinander folgenden Schritte Anregen, Belichten und Fixieren müssen hierbei von der Steuereinrichtung
Bei dem in
Bei der Verwendung des OLED-Arrays
Das oben beschriebene Vorgehen, bei dem das Minimum der jeweiligen Belichtungsstrahlen als „Schreibsignal” verwendet wird, ermöglicht eine besonders hohe Auflösung, da hier keine abbildungsrelevante Sekundärstrahlung durch Fluoreszenz-Photonen stattfindet.The procedure described above, in which the minimum of the respective exposure beams is used as a "write signal", enables a particularly high resolution, since no image-relevant secondary radiation by fluorescence photons takes place here.
Alternativ zum oben beschriebenen Vorgehen ist es auch möglich, mit Hilfe der in
Um das Intensitätsprofil IAB von
Das im Zusammenhang mit
Bei der STED-Mikroskopie wird typischer Weise eine lichtempfindliche Schicht
Es versteht sich, dass die oben beschriebene Belichtung nicht auf die Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen beschränkt ist, bei denen die Rückführung vom zweiten Zustand B in den ersten Zustand A auf Grundlage von stimulierter Emission erfolgt. Es kann sich vielmehr bei den beiden Zuständen z. B. auch um unterschiedliche Strukturisomerie-Zustände (z. B. Cis-Trans-Isomere) eines schaltbaren organischen Farbstoffs handeln, von denen ein erster Zustand ein fluoreszenzfähiger Zustand ist, während dies beim zweiten Zustand nicht der Fall ist. Dieses Prinzip wird beispielsweise in der so genannten RESOLFT(Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions)-Mikroskopie verwendet, wobei dort neben organischen Farbstoffen z. B. auch schaltbare Proteine zum Einsatz kommen können. Die Verwendung solcher Materialien für die lichtempfindliche Schicht hat den Vorteil, dass die Intensität, die zur Überwindung der Intensitäts-Schwelle erforderlich ist, geringer ist als dies typischer Weise bei Übergängen durch stimulierte Emission der Fall ist.It will be understood that the exposure described above is not limited to the use of fluorescent dyes in which the feedback from the second state B to the first state A is based on stimulated emission. It can rather be in the two states z. Also, for example, they may be different structural isomerism states (eg, cis-trans isomers) of a switchable organic dye, a first state of which is a fluorescent state, while the second state is not. This principle is used, for example, in the so-called RESOLFT (Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) microscopy, where in addition to organic dyes z. B. also switchable proteins can be used. The use of such materials for the photosensitive layer has the advantage that the intensity required to overcome the intensity threshold is less than is typically the case for stimulated emission transitions.
Auch andere Arten von lichtempfindlichen Schichten können ggf. für die hier beschriebenen Belichtungsprozesse verwendet werden. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass die lichtempfindliche Schicht Moleküle mit mindestens zwei Zuständen aufweist, zwischen denen reversibel umgeschaltet werden kann.Other types of photosensitive layers may also be used for the exposure processes described herein. It is essential here only that the photosensitive layer has molecules with at least two states, between which reversible can be switched.
Zusammenfassend kann auf die oben beschriebene Weise eine parallele Belichtung eines Wafers in einer Mehrzahl von Teilbereichen erfolgen, deren Ausdehnung jeweils in der Größenordnung der Beugungsgrenze liegt. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen kann die Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus gesteigert werden, so dass eine Strukturierung innerhalb der jeweiligen Teilbereiche durch scannendes Belichten möglich wird. Auf diese Weise kann eine effektive und kostengünstige Belichtung von lichtempfindlichen Schichten mit hoher Auflösung erreicht werden.In summary, in the manner described above, a parallel exposure of a wafer can take place in a plurality of partial regions whose extent is in each case of the order of magnitude of the diffraction limit. As a result of the measures described above, the resolution can be increased beyond the diffraction limit so that structuring within the respective subareas is possible by scanning exposure. In this way, an effective and inexpensive exposure of photosensitive layers with high resolution can be achieved.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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