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Photolithographische Einrichtung und damit hergestellte
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magnetische Oberflächenspeicher Die Erfindung betrifft eine photolithographische
Einrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs; die Erfindung wird bevorzugt
zur Herstellung magnetischer Oberflächenspeicher mit vertikal orientierter Magnetisierungsrichtung
eingesetzt.
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Moderne photolithographische Verfahren, die insbesondere zur Herstellung
integrierter monolithischer Schaltungen verwendet werden, ermöglichen es, Strukturen
mit charakteristischen Abmessungen im Mikron- und Submikronbereich zu definieren.
Im allgemeinen handelt es sich dabei um relativ kleine Gebiete von weniger als 2
1 cm , die durch Masken belichtet werden. Das Muster der Maske wird dabei entweder
als Schattenwurf oder mit Hilfe einer Abbildungsoptik, die im Maßstab 1:1 oder verkleinernd
wirkt, abgebildet. Da größere Masken mit der notwendigen Genauigkeit nicht oder
nur sehr schwer herzustellen sind, erfolgt die Belichtung größerer Gebiete durch
mehrmaliges Verschieben zwischen Maske und dem mit einem photoempfindlichen Lack
bedeckten Substrat. Dieser Vorgang erfordert wiederum eine hohe Präzision und einen
beträchtlichen Zeitaufwand.
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Wenn die zu erzeugenden Mikrostrukturen regelmäßig angeordnet sind,
kann in bestimmten Fällen anstelle einer Belichtungsmaske ein Interferenzfeld aus
ebenen Lichtwellen verwendet werden. Ein Beispiel für ein derartiges
Verfahren
ist in der deutschen Offenlequngsschrift 29 52 607 beschrieben. Dort werden in einem
symmetrischen Aufbau drei ebene Lichtwellen auf einer photoempfindlichen Schicht
zur Uberlagerung gebracht und erzeugen durch ihre Interferenz periodische llikrostrukturen
mit Abmessungen im Bereich von Mikrometern, die beispielsweise als Fliegenaugen-Linsen
eingesetzt werden können. Weitere Anwendungsgebiete sind die Herstellung von Mikrosieben,
von Druckvorlagen, von optischen Streuscheiben, von Katalysatorflächen, die in der
Chemie nützlich sein können, usw. Die Verwendung dieses bekannten Verfahrens zur
Herstellung von sehr großflächigen Mikrostrukturreliefs scheitert jedoch an Problemen
der Stabilität und insbesondere der Lichtintensität in den interferierenden Wellen,
da diese nur einen geringen Bruchteil des einfallenden Lichtes enthalten (um die
Kohärenzbedingung für die interferierenden Wellen zu erfüllen, werden drei sehr
kleine Lochblenden verwendet, die als Lichtquellen dienen und von einem gemeinsamen
Laserstrahl beleuchtet werden).
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine photolithographische
Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachem Aufbau sehr
großflächige Felder mit Mikrostrukturen erzeugen kann und insbesondere die wirtschaftliche
Herstellung neuartiger, photolithographisch strukturierter magnetischer Oberflächenspeicher
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnete
Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den davon abhängigen Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die hier vorgeschlagene Einrichtung verwendet zur Definition periodisch
strukturierter Belichtungsfelder mindestens zwei ebene Lichtwellen mit zueinander
geneigten optischen Achsen, die im Bereich eines mit photoempfindlichen Schichten
bedeckten Substrats zur Interferenz gebracht werden. Um die erforderlichen Belichtungszeiten
der photoempfindlichen Schicht klein zu halten, werden die interferierenden Wellen
durch Beugung des Strahlenbündels eines starken Lasers an einem optischen Phasengitter
erzeugt, das für ausgewählt Beugungsordnungen einen sehr hohen optischen Wirkungsgrad
aufweist. Die Strahlführung für die gebeugten Lichtwellen bis zu deren Wiedervereinigung
im Interferenz feld erfolgt vorzugsweise durch katadioptrische Elemente, um Abbildungsfehler
(und damit Periodizitätsfehler der erzeugten Struktur) möglichst gering zu halten.
Durch Änderung der Strahlführung können die Abmessungen der erzeugten Mikrostrukturen
im Bereich von weniger als 1 ß bis zu einigen 100 M geändert werden.
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Durch die Lichtstärke der hier vorgeschlagenen Anordnung ist es möglich,
photoempfindliche Schichten mit Abmessungen bis zu ungefähr 0,5 Meter in so kurzen
Zeiten zu belichten, daß keine besonderen Vorkehrungen bezüglich der mechanischen
Stabilität getroffen werden müssen. Dabei können handelsübliche Laser verwendet
werden.
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Mit der hier vorgeschlagenen photolithographischen Einrichtung wird
außerdem ein Herstellverfahren für neuartige magnetische Oberflächen-Schichtspeicher
ermöglicht.
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Die heute in großem Umfang verwendeten magnetischen Plattenspeicher
mit einer Oberflächenschicht aus ferromagnetischen Teilchen in einer Bindemasse
benötigen zur
magnetischen Speicherung eines einzigen Bits eine
relativ große Fläche, da die Magnetisierung in der Ebene der Oberfäche liegt. Höhere
Speicherdichten lassen sich erreichen, wenn stattdessen die Magnetisierung senkrecht
zur Oberfläche ausgerichtet wird, was jedoch aewisse Kunstgriffe erfordert, da in
dieser Orientierung keine leichte Magnetisierungsrichtung vorliegt und die Speicherung
somit instabil ist. Plattenspeicher mit vertikaler Magnetisierungsrichtung erfordern
daher schwierig herzustellende magnetisierbare Schichten (z.B. metallische Dünnfilme
oder entsprechend ausgerichtete magnetische Partikel in einem Trägermaterial); außerdem
treten bei derartigen neuen Schichten häufig Stabilitäts- und Korrosionsprobleme
auf.
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Mit dem hier vorgeschlagenen photolithographischen Herstellverfahren
können nun die bekannten und bewährten Eisenoxidschichten so strukturiert werden,
daß auch in ihnen eine vertikale Magnetisierung stabil ist. Dazu werden die magnetischen
Elementarbereiche als einzelne voneinander getrennte, senkrecht stehende Stäbchen
aus Fe203-Partikeln in einem geeigneten Bindermaterial ausgebildet, deren Zwischenräume
zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mit einem nichtmagnetischen Füllstoff ausgefüllt
sind. Die oben beschriebene photolithographische Einrichtung erlaubt es nun, die
gesamte Oherfläche einer herkömmlichen Magnetplatte mit einer einzelnen Belichtung
so zu strukturieren, daß in einem nachfolgenden (Trocken-)Xtzprozeß die gewünschte
Stäbchenstruktur entsteht. Die seit vielen Jahren bewährten Prozesse bei der Herstellung
von Magnetplatten einerseits und der Photolithographie andererseits werden somit
zu einem neuen Herstellverfahren für Magnetplatten sehr hoher Speicherdichte zusammengeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet der oben beschriebenen photolithographischen
Einrichtung betrifft die erstellung hochwirksamer Kühlrippen für integrierte Schaltkreise
mit einer sehr hohen Anzahl einzelner, sehr dünner Kühlstifte, durch deren Zwischenräume
ein Kühlmittel fließt.
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Auch optische Informationsspeichermedien der Art, wie sie in der PCT-Anmeldung
WO 83/00943 beschrieben sind, können mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt
werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform
der photolithographischen Einrichtung zur Erläuterung des prinzipiellen Strahlenverlaufs;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines holographischen Phasengitters,
das als Strahlteiler in einer Einrichtung nach Fig. 1 verwendet wird; Fig. 3 den
schematischen Strahlengang eines zweiten Ausführungsbeispiels der photolithographischen
Einrichtung; Fig. 4 einen pyramidenförmigen Spiegel, wie er in in der Einrichtung
nach Fig. 3 verwendet wird; Fig. 5 den schematischen Strahlenverlauf in einem geneigten
Parabolspiegel, wie er in der Einrichtung nach Fig. 3 verwendet wird;
Fig.
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer aus einzelnen Ferritstäben aufgebauten
Magnetschicht mit vertikaler Magnetisierungsrichtung und Fig. 7 die Herstellungsschritte
für eine Magnetschicht nach Fig. 6.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der
photolithographischen Einrichtung mit deren prinzipiellem Strahlengang. Ein kollimiertes
Laserlichtbündel 1 trifft von links kommend auf ein optisches Kreuzgitter 2, dessen
Aufsicht bei Bezugzeichen 2a dargestellt ist. Das Gitter 2, dessen Herstellung noch
im einzelnen besprochen wird, ist so ausgestaltet, daß ein Großteil der im Strahlenbündel
1 eintreffenden Lichtenergie in ausgewählte Beugungsordnungen abgelenkt wird, beispielsweise
in die + 1. Beugungsordnungen 3 bzw. 4 mit dem Beugungswinkel d/2. Da die Beugung
durch ein Kreuzgitter erfolgt, treten neben den gezeichneten abgelenkten Lichtbündeln
noch die beiden vor bzw. hinter der Zeichenebene liegenden ersten Beugungsordnungen
auf. Eine Sammellinse 5, die im Abstand ihrer Brennweite fl vom Kreuzgitter 2 angeordnet
ist, fokussiert die ausgewählten Beugungsordnungen auf eine Lochblende 6, die im
Abstand fl hinter der Linse 5 steht und deren Aufsicht bei Bezugszeichen 6a wiedergegeben
ist. Die Lochblende 6 enthält beispielsweise vier symmetrisch angeordnete Öffnungen,
die auf die vier ersten Beugungsordnungen ausgerichtet sind, so daß nur diese hindurchtreten
können, während alle anderen unerwünschten Beugungsordnungen (z.B. das ungebeugte
Licht) abgeblendet bleiben.
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Die vier Öffnungen der Lochblende wirken somit als vier Strahlungsquellen,
die untereinander kohärent sind und interferenzfähige Lichtwellen erzeugen. In einer
Sammellinse 7, die im Abstand ihrer Brennweite f2 von der Lochblende 6 angeordnet
ist, werden die divergierenden Lichtbündel zu Parallelbündeln umgeformt, die ebene
Wellenfronten aufweisen und hinter dem optischen System 7 unter einem Winkel e gegeneinander
verlaufen. In dem durch Kreuzschraffur gekennzeichneten Uberlappungsgebiet der parallelen
Lichtbündel entsteht ein kreuzgitterartiges Interferenzfeld 8, in das ein Substrat
9 mit einer photoempfindlichen Oberfläche gebracht wird, beispielsweise eine Magnetplatte,
Bei dieser Anordnung ist die Gitterkonstante G des Interferenzfeldes 8 in etwa gleich
der Gitterkonstanten g des Objektgitters 2. Nach der Beugungstheorie lassen sich
nämlich die beiden Gitterkonstanten darstellen als: G- c sin 2 2 sin 2 Aus der Geometrie
des Strahlenverlaufs folgt die Beziehung:
Für f2 = 2fl und kleinen Winkeln 6, e (bei denen der Tangens ungefähr gleich dem
Sinus gesetzt werden kann), ergibt sich durch Einsetzen g X G; andere Verhältnisse
g/G können durch entsprechende Wahl der Brennweiten eingestellt werden.
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Zur Belichtung eines Objekts 9 mit einem Durchmesser von ungefähr
40 cm (entsprechend dem gängigen Durchmes-
ser bekannter Magnetplatten)
kann ein optisches System mit den folgenden Konstruktionsparametern verwendet werden:
Durchmesser des Objektgitters 2: 20 cm, Durchmesser des optischen Systems 5: 42
cm; fl = 30 cm, Durchmesser des optischen Systems 7: 62 cm; f2 = 60 cm.
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Als Lichtquelle kann beispielsweise ein leistungsfähiger Excimer-Laser
mit einer Ausgangs strahlung im Ultraviolettbereich verwendet werden.
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Wenn Interferenz felder 8 mit möglichst idealer Periodizität erzeugt
werden sollen, muß die Qualität der verwendeten optischen Bauteile hohen Anforderungen
genügen. Dies gilt insbesondere für das kollimierende optische System 7, für das
bevorzugt spiegelnde Abbildungselemente ohne Linsensysteme verwendet werden.-Einzelheiten
dazu werden in dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert.
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Zur Herstellung des Objektgitters 2 bieten sich ebenfalls Interferenzverfahren
an, da ein hoher Beugungswirkungsgrad für ausgewählte Beugungsordnungen gefordert
wird, sowie eine große Oberfläche und eine möglichst kleine Gitterkonstante, um
beispielsweise bei der Herstellung von Magnetplatten eine hohe magnetische Speicherdichte
zu erzielen. Die im Stand der Technik bekannten, sog. holographischen Phasengitter
genügen diesen Anforderungen und können entsprechend Fig. 2 dadurch erzeugt werden,
daß ein Photolack, wie er auch in der Halbleiterindustrie verwendet wird, in das
Interferenzfeld zweier sich unter Winkeln e schneidender ebener kohärenter Wellen
21, 22 gebracht wird. Bei der anschließenden Entwicklung des Photolacks entsteht
eine
sinusförmige Reliefstruktur, die dem Gitter ausgezeichnete
Beugungseigenschaften vermittelt. Die Gitterkonstante g wird dabei durch die bekannte
Interferenzbeziehung # g = 2 sin # bestimmt. Man kann sie durch Unerung des Rinfallswinkels
der ebenen Wellen in weiten Grenzen ändern. Gitter mit Gitterkonstanten im Bereich
von 1 gm wurden schon hergestellt, so daß in der oben beschriebenen photolithographischen
Einrichtung auch großflächige Objekte mit einem periodischen Muster derselben Größenordnung
versehen werden können.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer photolithographischen
Einrichtung, die zur Erzeugung der interferierenden Wellenfelder spiegelnde Abbildungsflächen
verwendet. Ein Laser 30 erzeugt ein Ausgangsbündel, das von einer Linse 31 auf eine
Lochblende 32 fokussiert wird, die als räumliches Filter zur Aussonderung unerwünschter
Strahlanteile dient. Das Laserbündel wird dann über eine abbildende Linse 33 auf
ein holographisches Rreuz-Phasengitter 34 der eben besprochenen Art fokussiert,
das im wesentlichen die gesamte auftreffende Energie in die ersten Beugungsordnungen
ablenkt. Alle vier ersten Beugungsordnungen (von denen B1 und B2 in der Zeichenebene
der Fig. 3 liegen, während die beiden weiteren hinter bzw. vor der Zeichenebene
verlaufen) werden durch ein optisches System 35 in einem Punkt F fokussiert und
anschließend die davon ausgehenden divergenten Bündel an den vier Seiten eines Spiegels
reflektiert, der die Form einer (abgeschnittenen) Pyramide aufweist. Eine schematische
perspektivische Ansicht dieses Spiegels ist in Fig. 4 wiedergege-
ben.
Die Mittelfläche des Spieaels kann geschwärzt werden, um Licht zu unterdrücken,
das durch Gitter 34 ungebeugt hindurchgegangen ist; stattdessen kann aber auch in
der Mittelfläche ein Photoempfänger angebracht werden, der aus dem ungebeugten Licht
die gesamte zur Verfügung stehende Lichtmenge mißt und so den Belichtungsvorgang
steuert.
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Die vier an den Spiegelflächen reflektierten Bündel gelangen jeweils
zu einem von vier Umlenkspiegeln 37 in Form von abgeschnittenen Rotationsparaboloiden,
deren Brennpunkte alle in dem Punkt P auf der optischen Achse liegen. Die Schnittlinien
von zwei dieser parabolischen Spiegel mit der Zeichenebene von Fig. 3 tragen die
Bezugszeichen 37a, 37b (die beiden anderen Spiegel liegen vor bzw. hinter der Zeichenebene).
Die Parabolspiegel erzeugen aus den divergierenden Bündeln jeweils Bündel parallelen
Lichts (z.B. 38a, 38b) mit ebenen Wellenfronten und Bündelachsen (z.B. 39a, 39b),
die mit der optischen Achse des Systems Winkel cx bilden. In dem schraffiert dargestellten
räumlichen Überlappungsfeld 40 entsteht dann ein Interferenzfeld, in das eine zu
strukturierende Oberfläche 41 gebracht werden kann, die mit einem Photo lack oder
einem anderen photoempfindlichen Material bedeckt ist. Im Photolack entsteht dann
ein Belichtungsmuster nach Art eines Kreuzgitters, das mit den üblichen lithographischen
Techniken ausgeätzt und weiterverarbeitet werden kann. Die Gitterkonstante g dieses
Kreuzmusters wird durch Einstellung der Winkel a gewählt, indem Spiegel 36 und die
Parabolspiegel 37 entsprechend justiert werden. Die Gitterkonstante g wird durch
die Beziehung: g = 2 sie a bestimmt.
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Der Strahlenverlauf in den schräg zur optischen Achse angeordneten
Parabolspiegeln 37 ist in Fiq. 5 zur besseren Darstellung noch einmal schematisch
wiedergegeben.
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Anstelle der Paraboloidschalen 37 können auch reflektierende Fresnel-Linsen
eingesetzt werden, die in sehr großen Abmessungen (bis zu Quadratmetern) käuflich
sind und ebenfalls eine Kollimierung der Beugungsordnungen ermöglichen. Auch ebene
Spiegel können die Paraboloidschalen ersetzen, wobei dann allerdings die Gitterkonstante
in dem erzeugten Interferenz feld vom jeweils betrachteten Ort abhängt.
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Durch die mit der photolithographischen Einrichtung nach der Erfindung
ermöglichte großflächige Strukturierung von Oberflächen in einem einzigen Belichtungsschritt
können magnetische Oberflächen-Schichtspeicher auf wirtschaftliche Weise mit photolithographischen
Verfahren hergestellt werden.
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Fig. 6 zeigt die Struktur eines derartigen Oberflächenspeichers, bei
dem aufrechtstehende Ferritstäbe mit 2 einem Querschnitt von einigen m und einer
Höhe von ungefähr 10 ßm eng nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind. Die
Abstände zwischen den Ferritstäben sind durch ein nichtmagnetisches Füllmaterial
ausgefüllt, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Die für praktische Zwecke
erforderliche Fläche mit derar-2 tigen Ferritstäben kann bis zu 0,5 m betragen.
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Fig. 7 zeigt die wesentlichen Herstellungsschritte für eine Magnetschicht
nach Fig. 6. Das Substrat 72, beispielsweise eine diamantgedrehte Aluminiumscheibe,
wird mit einer Ferritschicht 71 bedeckt, wie sie auch bei
den herkömmlichen
magnetplatten verwendet wird, deren Magnetisierung in der Oberflächenebene selbst
liegt.
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Über der Ferritschicht 71 wird eine Photolackschicht 70 aufgebracht
und anschließend das gesamte Substrat in das Interferenz feld nach Fig. 1 oder Fig.
3 gebracht.
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Die kreuzgitterartige Intensitätsverteilung in dem Interferenzfeld
führt zu entsprechenden Löslichkeitsveränderungen im Photolack, so daß sich nach
dessen Entwicklung auf der Ferritschicht 71 regelmäßig angeordnete Photolackinseln
ergeben, deren Schnitt Fig. 7B darstellt. In einem nachfolgenden Ätzprozeß wird
die Ferritschicht an allen Stellen entfernt, die nicht durch die verbleibenden Photolackbedeckungen
geschützt sind. Um Unterätzungen bei den sehr tiefen Atzkanälen zu vermeiden, werden
dazu vorzugsweise Trockenätzverfahren eingesetzt, beispielsweise reaktives Ionenätzen.
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Die so hergestellte dichte Anordnung von aufrechtstehenden Ferritstäbchen
wird dann mit einem geeigneten Füllmateriai ausgegossen, so daß die in Fig. 7C dargestellte
Struktur mit dem nichtmagnetischen Füllmaterial 73 entsteht. Die Oberfläche dieser
Magnetschicht kann dann in üblicher Weise geschliffen und poliert werden.
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Eine weitere Anwendung der hier vorgeschlagenen photolithographischen
Einrichtung besteht in der Herstellung von hochwirksamen Kühlkörpern, beispielsweise
für integrierte Schaltungen. Dazu wird auf einem geeigneten Material, beispielsweise
Silicium, eine Struktur von aufrechtstehenden Nadeln, ähnlich den Ferritstäben nach
Fig. 6, erzeugt, deren Zwischenräume jedoch aber offengelassen werden und als Kanäle
für eine dort fließende Kühlflüssigkeit dienen. Wird dieser Kühlkörper in Kontakt
mit einer integrierten Schaltung gebracht, so kann die dort erzeugte Wärme sehr
wirksam abgeführt werden.
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Die Anordnung der schlanken Nadeln in einem magnetischen Oberflächenspeicher
mit vertikaler Magnetisierung oder bei einem Kühlkörper braucht nicht unbedingt
regelmäßig im Sinne einer Matrix zu sein; es genügt, wenn eine ausreichend hohe
Nadeldichte vorliegt, selbst wenn die Nadeln selbst nur unregelmäßig verteilt sind.
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Derartige Nadelschichten lassen sich auf photolithographischem Wege
auch ohne ein Interferenzfeld zweier überlagerter ebener Wellen erzeugen. Es genügt
dazu, die mit einem Photolack bedeckte Schicht durch einen Laserstrahl zu beleuchten,
der aufgrund seiner ihm innewohnenden sehr hohen Kohärenz ein unregelmäßiges Intensitätsmuster
erzeugt, das sog. Speckle-Muster. Die Größe der einzelnen Lichtpunkte kann dabei
durch die Größe der verwendeten Apertur eingestellt werden.
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