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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander, die insbesondere zuverlässig unter Vakuumbedingungen funktioniert.
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Eine Maske ist hierbei ein flacher Gegenstand, der nahezu beliebige Formen annehmen kann. So kann die Maske zum Beispiel eine Scheibe oder ein flächiger Quader sein. Eine herkömmliche Maske, auch Schattenmaske genannt, weist eine Strukturierung auf, die in verschiedenen Bereichen der Maske unterschiedliches Transmissionsverhalten für eine Strahlung hat. Masken zur Beschichtung von Substraten haben häufig in verschiedenen Bereichen der Maske unterschiedliches Reflexions- sowie Absorptionsverhalten. Erfindungsgemäß soll allerdings unter einer Maske auch ein zweites Substrat verstanden werden. Die gegenseitige Ausrichtung zweier Substrate ist zum Beispiel typisch für sogenannte mirco electromechanical systems (MEMS).
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Die genaue Ausrichtung eines Substrats und einer Maske zueinander wird in verschiedenen Bereichen, so zum Beispiel in der Mikrolithographie aber auch bei der lokalen Abscheidung eines Materials auf einem Substrat unter Verwendung eines mikrostrukturierten Zwischenträgers als Maske, benötigt.
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Hierbei kommen überwiegend flache Substrate zum Einsatz. In der Halbleiterindustrie werden Silizium-Scheiben strukturiert, um beispielsweise integrierte Schaltkreise herzustellen. Für die Herstellung von Bildschirmen auf Basis von organischen Materialien werden auf Trägermaterialien, zum Beispiel Glas, lokal Materialien aufgebracht.
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Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden Muster von einer Maske auf die Oberfläche einer mit einem Fotolack behandelten Silizium-Scheibe fotolithographisch übertragen. Das Konzept einer Maske ist in der optischen Lithographie allgemein bekannt. Die Anordnung einer solchen Maske im Strahlungsfeld einer Strahlungsquelle verursacht eine selektive Transmission oder Reflexion der Strahlung, die auf die Maske auftrifft, und zwar gemäß dem Muster auf der Maske.
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Der Belichtung schließen sich in der Regel weitere Verfahrensschritte, wie zum Beispiel Entwickeln des Fotolacks, Galvanisieren oder Ätzen, an. Diese Schritte können für eine einzelne Silizium-Scheibe mehrmals wiederholt werden. Die Auflösung der Übertragung des Musters von der Maske auf die Oberfläche der Silizium-Scheibe ist durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt. Dies hat zur Verwendung kürzerer Wellenlängen des ultravioletten Spektrums oder von Röntgenstrahlen geführt.
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Bei einer Art der optischen Lithographie in der Halbleitertechnologie wird die Positionierung von Substrat und Maske an Luft bei atmosphärischem Druck durchgeführt. Sowohl das Substrat als auch die Maske werden typischerweise durch eine Pumpvorrichtung auf verschiedenen Grundplatten eines Geräts angesaugt. Danach wird für einen sogenannten Keilfehlerausgleich die Maske auf das Substrat über eine Manipulation der Grundplatten gedrückt, so dass deren Oberflächen parallel zueinander ausgerichtet werden. Üblicherweise werden die Grundplatten durch einen komplexen Federmechanismus gestützt, welcher sich nach dem Ausrichten der Oberflächen von Substrat und Maske fixieren lässt. Nach dem Fixieren werden Maske und Substrat wieder voneinander getrennt, ohne dass deren Parallelität verloren geht und ein lichter Abstand von zum Beispiel 30 μm entsteht. Aufgrund des kleinen Abstands zwischen Substrat und Maske kann nun eine hohe Vergrößerung bei zwei Lichtmikroskopen eingestellt werden und mehrere Mikrometer kleine Justierkreuze, welche sich sowohl auf dem Maskenrand als auch auf dem Substratrand befinden, gleichzeitig erkannt werden. Je höher hierbei die Vergrößerung der Lichtmikroskope gewählt ist, desto kleiner ist die Tiefenschärfe der Lichtmikroskope. Daher ist bei einer hohen Vergrößerung ein geringer Abstand zwischen Substrat und Maske erforderlich. Die ist wiederum nur bei entsprechend kleinem Keilfehler, d. h. Abweichungen von der Parallelität von Maske und Substrat, möglich. Durch Drehung des Substrats relativ zur Maske um eine Achse senkrecht zu deren Oberflächen (z-Achse) und durch Verschiebung des Substrats parallel zur Oberfläche des Substrats (x- bzw. y-Achse) können die Justierkreuze von Substrat und Maske übereinander gebracht werden.
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Nach der Ausrichtung wird für eine sogenannte Nahbelichtung der Abstand zwischen Substrat und Maske nicht mehr verändert, was eine Verklebung des Fotolacks mit der Maske bei der Belichtung verhindert. Werden allerdings geringstmögliche Strukturbreiten benötigt, so wird bei der sogenannten Kontaktbelichtung der Abstand zwischen Substrat und Maske vor der Belichtung auf null reduziert.
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In der
WO 2011/032938 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lokalen Abscheidung eines Materials auf einem Substrat unter Verwendung eines Zwischenträgers als Maske, wobei eine lokale Abscheidung des Materials vom Zwischenträger mittels Energieeintrag durch eine Strahlung erfolgt, angegeben. Der Zwischenträger weist eine Mikrostrukturierung auf, von welcher das Material vom Zwischenträger auf das Substrat mikrostrukturiert übertragen wird.
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Eine präzise Ausrichtung von Maske und Substrat aufeinander ist zwingend notwendig, um Materialien mit kleinen Strukturen auf dem Substrat abzuscheiden. Weiterhin wird das in
WO 2011/032938 A1 angegebene Verfahren bevorzugt in einer Vakuumumgebung durchgeführt.
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Eine Pumpvorrichtung zur Fixierung des Substrats sowie der Maske auf entsprechenden Grundplatten funktioniert in einer Vakuumkammer nicht. Reguläre Optiken von Lichtmikroskopen sind nicht vakuumtauglich, so dass diese außerhalb der Vakuumkammer installiert werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum präzisen Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander anzugeben, so dass die Ausrichtung auch fehlerfrei in einer Vakuumumgebung vorgenommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche 2 bis 13.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander umfasst einen Substratträger zur Aufnahme des Substrats in einer Substrataufnahmeebene, ein Ausrichtungsmittel zur Verschiebung des Substratträgers in alle Richtungen sowie zum Drehen des Substratträgers um die Achse senkrecht zur Substrataufnahmeebene und einen Maskenträger. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maskenträger die Form einer hohlen Halbkugel zur Aufnahme der Maske auf der Grundfläche der hohlen Halbkugel annimmt, dass der Maskenträger in einer Ausgangsposition mit der Hemisphäre der hohlen Halbkugel auf drei Stützelementen aufliegt, wobei der Maskenträger um den Mittelpunkt der Grundfläche in alle Richtungen drehbar gelagert ist, und dass der Substratträger innerhalb der hohlen Halbkugel des Maskenträgers angeordnet ist, so dass der Substratträger bei einer Verschiebung des Substratträgers in vertikaler Richtung mit der Grundfläche des Maskenträgers oder mit einer in der Grundfläche des Maskenträgers angeordneten Maske in Kontakt gebracht werden kann, der Maskenträger anhebbar ist und sich dabei parallel zum Substratträger ausrichtet.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht eine genaue Positionierung von Substrat und Maske zueinander mit einfachen konstruktiven Mitteln.
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Dass der Maskenträger die Form einer hohlen Halbkugel annimmt, soll nicht bedeuten, dass der Maskenträger exakt eine hohle Halbkugel ist. Der Maskenträger muss keine geschlossene Außenhülle aufweisen. Vielmehr ist in der Grundfläche der hohlen Halbkugel in der Mitte der Grundfläche eine Öffnung vorgesehen, in der die Maske eingesetzt werden kann. Am Pol der hohlen Halbkugel kann ebenfalls eine Öffnung vorgesehen sein, durch welche die Ausrichtungsmittel in den Maskenträger hineinragen und die Position des Substratträgers einstellen können. Auch an anderen Stellen der Außenhülle der hohlen Halbkugel können weitere Öffnungen in der Außenhülle des Maskenträgers vorgesehen sein. Erfindungsgemäß sollte allerdings der Schwerpunkt des Maskenträgers auf der senkrecht zur Grundfläche des Maskenträgers und durch den Mittelpunkt der Grundfläche des Maskenträgers gehende Achse sowie möglichst nahe auf der strukturierten Seite der Maskenoberfläche liegen. Abweichungen von der Form einer hohlen Halbkugel sind erfindungsgemäß ebenfalls zulässig. Erfindungsgemäß muss allerdings die Oberfläche des Maskenträgers in Bereichen in denen der Maskenträger – in waagrechter Ausrichtung der Grundfläche und bei Abweichungen der waagrechten Ausrichtung der Grundfläche bis zu mehreren Winkelgraden – mit den Stützelementen in Kontakt steht, auf einer Kugeloberfläche liegen, wobei der Mittelpunkt im Zentrum der Grundfläche liegt. Dies ermöglicht, dass die Position des Mittelpunktes der Grundfläche bei kleinen Abweichungen des Maskenträgers aus der horizontalen Ausrichtung unverändert bleibt.
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Dabei muss gewährleistet sein, dass die Reibung zwischen Maskenträger und Stützelementen ausreicht, so dass der Maskenträger bei kleiner Abweichung von der horizontalen Ausrichtung seine Position behält. Dies kann durch ein Anordnen der Stützelemente in der Nähe des Pols der hohlen Halbkugel erreicht werden. Weiterhin kann die Verteilung der Massen in senkrechter Richtung zur Grundfläche des Maskenträgers derart verteilt werden, dass der Schwerpunkt des Maskenträgers in der Nähe des Mittelpunkts der Grundfläche liegt. Dadurch wird das auf den Maskenträger wirkende Drehmoment bei Abweichungen von der horizontalen Ausrichtung reduziert.
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Der Substratträger dient primär zur Aufnahme des Substrats in der Substrataufnahmeebene. Hierzu können Mittel zum Halten des Substrats vorgesehen sein. Zum Beispiel kann der Substratträger eine Vertiefung in der Substrataufnahmeebene aufweisen. Das Substrat kann in diese Vertiefung eingelegt werden und wird durch die Gewichtskraft in dieser Vertiefung gehalten. Bevorzugt ragt dabei das Substrat trotz Vertiefung aus der Substrataufnahmeebene heraus, so dass kleine Abstände oder sogar ein Kontakt zwischen Substrat und der Grundfläche des Maskenträgers oder dem in der Grundfläche des Maskenträgers angeordneten Maske herstellbar ist.
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Weiterhin kann der Substratträger in einer speziellen Ausbildung der Erfindung eine Tempereinrichtung zur Einstellung einer Substrattemperatur zwischen Raumtemperatur und 600°C aufweisen. Damit kann zum Beispiel die mikrostrukturierte Abscheidung von Materialien auf dem Substrat kontrolliert werden oder das auf dem Substrat abgeschiedene Material getempert werden.
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Das Ausrichtungsmittel zur Verschiebung des Substratträgers innerhalb des dreidimensionalen Raumes sowie zum Drehen des Substratträgers um die Achse senkrecht zur Substrataufnahmeebene kann zum Beispiel aus einem Stapel aus einem Manipulator zur Verschiebung des Substratträgers innerhalb des dreidimensionalen Raumes und aus einem Manipulator zum Drehen des Substratträgers um die Achse senkrecht zur Substrataufnahmeebene bestehen. Dieser Stapel kann für bestimmte Anwendungen zu instabil sein. Daher wird in einer Fortführung der erfinderischen Vorrichtung zum Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander als Ausrichtungsmittel welches einen Hexapod aufweist und eine hohe Verwindungssteifheit besitzt, verwendet.
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Ein Hexapod ist eine spezielle Vorrichtung, die über sechs Beine veränderlicher Länge verfügt. Diese Konstruktion ermöglicht eine Beweglichkeit in allen sechs Freiheitsgraden, ermöglicht also Verschiebungen in alle Richtungen und Drehungen um beliebige Achsen. Weiterhin lässt sich mit einem Hexapod eine beliebige Position mit einer Genauigkeit von ±0.5 Mikrometern einem Bereich von zum Beispiel ±12.5 Millimeter einstellen.
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Erfindungsgemäß liegt der Maskenträger in einer Ausgangsposition auf drei Stützelementen auf. Die Stützelemente können zum Beispiel als Kugellager ausgebildet sein. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die drei Stützelemente an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks in einer horizontalen Ebene angeordnet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Masse über die hohle Halbkugel des Maskenträgers homogen verteilt.
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In einer Fortbildung der Erfindung ist auf der Grundfläche der hohlen Halbkugel ein Ausgleichsmittel angebracht, so dass der Schwerpunkt der hohlen Halbkugel mit Ausgleichsmittel im Mittelpunkt der Grundfläche liegt. Dies hat den Vorteil, dass auch bei Abweichungen des Maskenträgers aus der horizontalen Ausrichtung kein Drehmoment auf den Maskenträger wirkt. Eine Reibung zwischen Maskenträger und Stützelementen, damit der Maskenträger seine Position behält, ist in diesem Fall nicht kritisch. Eine unerwünschte Dejustierung aus einer vorgegebenen Position kann somit effektiv verhindert werden.
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Als Ausgleichsmittel kann zum Beispiel eine Lochscheibe verwendet werden.
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Zur Halterung der Maske kann in einer Ausgestaltung der Erfindung der Maskenträger eine Klemmvorrichtung zum Halten der Maske auf der Grundfläche aufweisen. Hierbei wird bevorzugt die Maske in einer Öffnung der Grundfläche fixiert.
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In einer Fortführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander ist der Substratträger, die Ausrichtungsmittel sowie der Maskenträger in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Unter Vakuumkammer ist hierbei eine Art Behälter zu verstehen, der sowohl umseitig dicht und ausreichend stabil ist, um dem atmosphärischen Druck der Umgebung Stand zu halten.
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Bei dieser Fortführung der Erfindung kann weiterhin in der Kammerwandung der Vakuumkammer ein Sichtfenster vorgesehen ist. Das Sichtfenster ermöglicht mit mindestens einem Mikroskop außerhalb der Vakuumkammer Markierungen auf dem Substrat und auf der Maske beim Ausrichten des Substrats und der Maske zueinander mit hoher Auflösung zu beobachten, um eine präzise Ausrichtung zu ermöglichen.
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Zum Bereitstellen eines Vakuums in der Vakuumkammer kann eine vibrationsarme Vakuumpumpe vorgesehen sein. Bevorzugt ermöglichen die Vakuumkammer und die Vakuumpumpe einen Enddruck kleiner als 10–6 mbar in der Vakuumkammer bereitzustellen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 2 bis 7 zeigen den Ablauf einer Ausrichtung einer Maske und eines Substrats zueinander mit anschließendem Behandlungsschritt.
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Die 1 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ausrichten eines Substrats und einer Maske zueinander dar.
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Auf einem Tisch 1 ist ein Ausrichtungsmittel für einen Substratträger 2 angeordnet. Hierzu weist das Ausrichtungsmittel einen Hexapod 3 auf. In der Substrataufnahmeebene des Substratträgers 2 ist eine Vertiefung vorgesehen, in der ein Substrat 4 eingelegt ist.
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Der Hexapod 3 ermöglicht Translationen in alle Richtungen und Drehungen um beliebige Rotationsachsen und hat dabei eine hohe Verwindungssteifheit. Dadurch lässt sich das Substrat 4 sehr präzise ausrichten.
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In 1 sind weiterhin zwei von drei Kugellager 5 als Stützelemente für den Maskenträger 6 dargestellt, auf denen der Maskenträger (6) aufliegt.
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Der Maskenträger 6 weist eine Grundfläche 7 zur Aufnahme einer Maske 8 in einer Öffnung der Grundfläche 7 auf. Dabei wird die Maske 8 durch eine nicht näher dargestellte Klemmvorrichtung, z. B. Federklemmen oder magnetische Klemmen gehalten.
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Der Maskenträger 6 hat im Ausführungsbeispiel die Form einer hohlen Halbkugel, zumindest in dem Sinne, dass der Maskenträger 6 die Grundfläche 7 aufweist und die Außenhülle des Maskenträgers zumindest in den Bereichen, in denen der Maskenträger 6 in waagrechter Ausrichtung der Grundfläche 7 und bei kleinen Abweichungen aus der waagrechten Ausrichtung der Grundfläche 7 mit den Kugellagern 5 in Kontakt kommt, auf der Hemisphäre einer hohlen Halbkugel liegt.
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Die Kugellager 5 haben typischerweise einen Winkel von 30 bis 45 Grad relativ zur auf der Substratoberfläche senkrecht stehenden Achse für eine ideale Reibung zwischen Maskenträger und den Stützflächen, so dass der nachfolgend beschriebene Justiervorgang gewährleistet werden kann.
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Der Ablauf einer Ausrichtung einer Maske 8 und eines Substrats 4 zueinander mit einem anschließenden Behandlungsschritt ist in den 2 bis 7 dargestellt.
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In 2 ist die Ausgangsposition zur Ausrichtung eines Substrats 4 und einer Maske 8 zueinander dargestellt. Eine Maske 8 wurde auf der Grundfläche eines Maskenträgers 6 in Form einer hohlen Halbkugel angeordnet. Das Substrat 4 wurde auf einem Substratträger positioniert und kann mit einem Hexapod 3 ausgerichtet werden. Wie der 2 zu entnehmen ist, sind das Substrat 4 und die Maske 8 in der Ausgangsposition nicht notwendigerweise parallel zueinander ausgerichtet. Der Winkel zwischen Maske 8 und Substrat 4 wurde zur besseren Darstellung übertrieben groß skizziert im Vergleich zu den in der Praxis auftretenden Fällen.
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In einem ersten Schritt wird das Substrat 4 mit Hilfe des Hexapods 3 senkrecht zur Substrataufnahmeebene in Richtung Maske 8 verschoben. Dabei kommt das Substrat 4 mit der Grundfläche 7 des Maskenträgers 6 im Randbereich in Kontakt und hebt den Maskenträge 6 an, so dass der Maskenträger 6 nicht mehr auf den Kugellagern 5 aufliegt. Hierdurch wird die Maske 8 parallel zum Substrat 4 ausgerichtet. Diese Situation ist in 3 dargestellt. Auch in diesem Fall ist die Verschiebung übertrieben stark skizziert im Vergleich zu den in der Praxis auftretenden Fällen.
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Anschließend wird das Substrat 4 mit Hilfe des Hexapods 3 senkrecht zur Substrataufnahmeebene abgesenkt und somit von der Maske 8 entfernt. Hierdurch wir der Maskenträger 6, wie in der 4 gezeigt, wieder auf den Kugellagern 5 abgelegt. Durch die Reibung zwischen Maskenträger 6 und Kugellager bleibt der Maskenträge in dieser Position, insbesondere bleibt die Maske 8 parallel zum Substrat ausgerichtet.
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In 5 ist die Justierung von Maske 8 zu Substrat 4 dargestellt. Hierzu sind zwei Mikroskope 9 vorgesehen, mit denen Markierungen im Randbereich auf der Maske 8 und im Randbereich auf dem Substrat 4 betrachtet werden. Das Substrat 4 wird mit Hilfe des Hexapods 3 in der Substrataufnahmeebene verschoben und um die Achse senkrecht zur Substrataufnahmeebene gedreht, bis die Markierungen des Substrats 4 und der Maske 8 zur Deckung kommen.
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Nach der Justierung von Maske 8 zu Substrat 4 wird der Maskenträger 6 mit dem Hexapod 3 wie in 6 angehoben und anschießend wie in 7 dargestellt durch eine Blitzeinheit 10 ersetzt. Abschließend kann das Substrat 4 mit der Blitzeinheit 10 behandelt werden. Im Fall einer Fotolithographie wird anstelle der Blitzeinheit ein Lampengehäuse mit einer kontinuierlich brennenden Lampe sowie einer Blende zur Einstellung der Belichtungszeit verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tisch
- 2
- Substratträger
- 3
- Hexapod
- 4
- Substrat
- 5
- Kugellager
- 6
- Maskenträger
- 7
- Grundfläche
- 8
- Maske
- 9
- Lichtmikroskop
- 10
- Blitzeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/032938 A1 [0009, 0010]
