DE2755047A1

DE2755047A1 - Vorrichtung zur uebertragung von zusammengesetzten motiven

Info

Publication number: DE2755047A1
Application number: DE19772755047
Authority: DE
Inventors: Georges Dubroeucq; Michel Lacombat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1978-06-15
Also published as: GB1582069A; FR2406236A1; FR2406236B1; NL7713527A; US4132479A; JPS5372575A; DE2755047C2

Description

Vorrichtung zur übertragung von zusammengesetzten Motiven

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur übertragung von Motiven auf eine lichtempfindliche Fläche, mit einer Lichtquelle zur Belichtung der lichtempfindlichen Fläche Über ein Objekt, dessen ungleichmäßige Lichtdurchlässigkeit das zu übertragende Motiv kennzeichnet. Sie betrifft sowohl die Vorrichtungen, bei denen Abzüge durch Kontakt oder kontaktlos hergestellt werden, als auch die Vorrichtungen, bei denen ein Bild des Objekts auf die lichtempfindliche Fläche projiziert wird.

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Die Erfindung dient Insbesondere zur Herstellung von Halbleiterschaltkrelsen durch Photowiederholung von einem oder mehreren Bildern kleiner Abmessungen auf einem Träger aufgrund von In einem viel größeren Maßstab hergestellten Motiven. Der Träger kann als Maske dienen, die dafür bestimmt ist, durch übertragungsmaschinen ohne Maßstabsänderung auf ein mit einem lichtempfindlichen Harz bedecktes Halbleitersubstrat übertragen zu werden. Die Übertragung kann außerdem ohne Zwischenmaske nach der Technik der direkten Photowiederholung erfolgen.

In letzterem Fall wird der Photowiederholprozeß für jedes Substrat ausgeführt, während er in dem ersten Fall ausgeführt wird, um die Zwischenmaske oder die Zwischenmasken zu bilden, die zum Gesamtbedrucken der mit lichtempfindlichen Harz bedeckten Substrate dienen. Damit die Technik der direkten Photowiederholung in bezug auf die erstgenannte Technik rentabel ist, ist es daher erforderlich, zu sehr kurzen Belichtungszeiten zu gelangen. Die direkte Photowiederholung ist besonders vorteilhaft, wenn auf den Halbleiter Motive mit kleinen Abmessungen, die unter 4 ,um liegen, gedruckt werden sollen, was mit den übertragung smaschinen bekannter Art schwierig erreichbar ist.

Die in den Photowiederholern benutzte Lichtquelle ist eine ausgedehnte Lichtquelle in Form einer Quecksilberdampflampe, die eine Strahlung aussendet, welche kein genaues Phasenzentrum aufweist. Dieser Quelle ist im

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allgemeinen ein Monochromatorfilter nachgeschaltet, das erforderlich ist, um den Farbfehler zu unterdrücken, der auf die Linsen des optischen Projektionssystems zurückzuführen ist. Das durch das Monochromatorfilter erzeugte monochromatische Licht trägt zur Qualität der projizierten Bilder bei und erleichtert die Herstellung des Projektionsobjektivs. Das Vorhandensein dieses Filters sowie die Ausdehnung der Lichtquelle führen jedoch zu einem sehr geringen energetischen Ausnutzungsgrad. Die Strahlung wird im allgemeinen über Lichtleitfasern zu dem optischen System übertragen, um die Homogenität des Lichtbündels zu verbessern. Nichtsdestoweniger bleibt die auf der Höhe der zu belichtenden Fläche verfügbare Lichtintensität im Vergleich zu der durch die Lichtquelle ausgesandten Lichtenergie gering. Wenn man bedenkt, daß die lichtempfindliche Schicht, um richtig bedruckt zu werden, eine ausreichend große Belichtungsenergiemenge empfangen muß, erkennt man, daß zum Reduzieren der Belichtungsdauer die durch die zu belichtende lichtempfindliche Schicht empfangende Licht Ie istung beträchtlich erhöht werden muß.

Die Photoreproduktionsvorrichtung nach der Erfindung benutzt eine Quelle kohärenter Strahlung, wie einen Laser, der rinpr optischen Vorrichtung zugeordnet ist, mittels welcher sich dem Auftreten von störenden Interferenzfiguren, die durch die Kohärenz der Strahlung verursacht werden, entgegenwirken läßt. Die Vorteile, die sich durch die Hauptmerkmale der Laser gegenüber den herkömmlichen Lichtquellen ergeben, sind vor allem eine beträchtliche

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Zunahme der ausnutzbaren Lichtleistung, was zu einer starken Erhöhung der Geschwindigkeit der Ausführung von Motivübertragungen und obendrein zu einer Verbesserung der Auflösung auf der Höhe der benutzten optischen Bildherstellungseinrichtungen führt. Durch die Beseitigung des Monochromatorfliters ergibt sich ein einfacherer Aufbau.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Gesamtschema eines Photowiederholers

herkömmlicher Bauart,

Fig. 2 dort Verlauf des Bildes eines Punktes,

das durch eine kohärente Beleuchtung und durch eine nichtkohärente Beleuchtung erhalten wird,

Fig. 3 eine Ausführungsform des Photowieder

holers nach der Erfindung, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Photo

wiederholers nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Gesamtschema eines Photwiederholers herkömmlicher Bauart, der mit einem Objektiv versehen ist.

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Es enthält, ein Objekt 2, welches das zu reproduzierende Motiv träp,t und auf einer Platte 3angeordnet ist, sowie einen Träger 4, der mit einer lichtempfindlichen Schicht 5 bedeckt und auf einem Tisch 6 angeordnet ist. Die genaue Positionierung der Platte 3 und des Tisches 6 erfolgt durch Antriebseinrichtungen 7 bzw. 8. Bei den meisten Photowiederholern Ist das Objekt 2 eine photografische Platte, die eine das Motiv bildende Zeichnung trägt. Der Träger 4 ist dann eine Maske, die aus einer lichtdurchlässigen dünnen Schicht besteht, welche mit einer photographischen Emulsion oder mit einer Photoresistschicht bedeckt ist, welche einen lichtundurchlässigen feinen Riederschlag bedeckt, der zu gravieren ist (Chrom, Eisenoxid, usw.). Die Photowiederholung besteht darin, auf der Maske das Motiv mit einem festen Maßstab sehr oft zu reproduzieren, beispielsweise in einer Zeilen- und Spaltenanordnung. Diese Maske dient später zum gleichzeitigen übertragen dieser Motive auf Halbleitersubstrate mittels Übertragungsmaschinen, die von dem Photovervielfacher getrennt sind. Es gibt außerdem direkt arbeitende Photovervielfacher, in welchen sich der Photowiederholprozeß direkt auf dem Halbleitersubstrat abspielt. Die Differenz zwischen diesen beiden Arten von Photowiederholern erstreckt sich daher einzig und allein auf den Träger, was aber unterschiedliche Spezifikationen mit sich bringt. Der Aufbau bleibt indessen der gleiche. Es versteht sich von selbst, daß die Substrate aus Materialien bestehen können,welche bei der Herstellung von magnetischen, elektrischen, optischen oder akustischen Mikro-

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schaltungen benutzt werden.

Zwischen dem Objekt 2 und dem Träger 4 ist ein Objektiv 9 angeor'lnet, das auf dem Träger das Bild des Objekts 2 mit einer vorbestimmten Vergrößerung, im allgemeinen von 1/5 bis 1/20, bildet. Die Antriebseinrichtungen 7 und 8 bewirken unter Aufrechterhaltung der Parallelität und der optischen Konjugation zwischen dem Objekt und der zu belichtenden Fläche des Trägers geradlinige Verschiebungen und/oder Drehbewegungen, welche durch die Anordnung der Motive, die sich auf der Schicht 5 ergeben sollen, erforderlich werden.

Das Objekt 2 wird mit einem Lichtbündel 1 über ein optisches Konditionierungssystem 10 beleuchtet, das gegebenenfalls die Funktion eines Verschlusses erfüllen kann. Die Lichtenergie des Bündels 1 stammt aus einer Quelle 200, die nichtkohärentes Licht liefert. Übertragungseinrichtungen 12 übertragen diese Energie zu dem optischen System 10. Die Übertragungseinrichtungen 12 enthalten beispielsweise eine Anordnung von Spiegeln oder eine Verbindung über eine einzige Lichtleitfaser oder über ein Bündel von Lichtleitfasern. Die Dauer der Belichtung wird durch die Energiemenge bestimmt, die für das Drucken des Motivs auf dem Träger erforderlich ist, und hängt von der Beleuchtungsintensität des Trägers ab. Diese Dauer wird durch eine Steuereinrichtung 110 gesteuert, die auf die Lichtquelle 200 oder auf das optische System 10 einwirken kann. Das

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Objektiv 9 und die Bestandteile des optischen Konditionierungssystems 10 sind korrigiert, damit sie eine Lichtstrahlung, deren Spektrum einen Wellenlängenbereich in der Größenordnung von 20 ntn einnimmt, ohne störende Aberration übertragen. Das Lichtbündel 1 muß praktisch monochromatisch sein, was die Verwendung eines Filters erfordert, der Aberrationen hervorrufen kann, im Gebrauch heikel ist und einen energetischen Wirkungsgrad liefert, welcher viel kleiner als 1 ist.

Neben den herkömmlichen Lichtquellen gibt es kohärente Quellen, die einerseits das Erzielen von besseren Bildern und andererseits die Ausnutzung der gesamten Lichtleistung gestatten. Eine solche kohärente Quelle kann ein Laser sein, der so gewählt ist, daß die beste Druckempfindlichkeit unter Berücksichtigung der Kurve der Empfindlichkeit des Harzes in Abhängigkeit von der Wellenlänge erzielt wird, und der mit den benutzten optischen Elementen kompatibel ist. Wenn jedoch keine Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wird das Auftreten von störenden stationären Interferenzfiguren unterstützt, die unterdrückt werden müssen.

Die Benutzung einer kohärenten Quelle beseitigt die Verwendung eines Filters und daher die Nachteile, die sich durch ihn ergeben. Andererseits kann ein Laser ein paralleles Bündel mit einer sehr kleinen Divergenz aussenden, die kleiner als 1 mrad ist. Diese gesamte Energie, die durch eine Linse aufgefangen wird, ist daher genau fokussierbar. Die Belichtungszeiten können stark reduziert

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werden. In einer typischen Ausführungsform führt die Verwendung einer Quecksilberdampflampe zu einer Belichtungszeit von ungefähr 3 s, wohingegen die Verwendung eines Lasers zu einer Belichtungszeit in der Größenordnung von 50 ms führt.

Eine Folge der räumlichen Kohärenz der Strahlung kann aus Fig. 2 abgeleitet werden, die das Bild eines Punktes zeigt, das über ein Objektiv in zwei Fällen erhalten wird: in dem Fall (a) ist das Beleuchtungsbündel kohärent, während in dem Fall (b) das Beleuchtungsbündel nichtkohärent ist.

Es wird angenommen, daß die Belichtungsintensität in den beiden Fällen zwischen zwei Grenzwerten I und I_x. liegt.

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Fig. 2 zeigt, daß der Durchmesser 1 des zentralen Flecks der Beugungsfigur bei einer kohärenten Strahlung viel kleiner ist als der Durchmesser 1' bei einer nichtkohärenten Strahlung. Die Schwingungen, die beiderseits des zentralen Fleckes liegen, sind in dem Fall der kohärenten Strahlung unter der Bedingung vernachlässigbar, daß ihre Höhe kleiner als der Schwellenwert I ist, unterhalb

welchem das Harz bei einer bestimmten Belichtungszeit nicht bedruckt wird. Daraus kann abgeleitet werden, daß die Auflösung durch die Benutzung eines Lasers als Beleuchtungsquelle beträchtlich verbessert wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines direkt arbeitenden Photowlederholers nach der Erfindung. In Fig. 3 tragen

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gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszahlen. Eine Laserquelle 20 liefert ständig ein Bündel 24 mit sehr kleiner Divergenz. Zur Vereinfachung des Aufbaus wird das Bündel über eine Anordnung von Spiegeln 21, 22, 23 zu einem Verschluß 25 geleitet, welchem eine Sammellinse 35, ein Lichtstreuelernent 27 und ein Lichtkondensor 28 nachgeschaltet sind. Die Übertragungsoptik 9 besteht vor allem aus einem Objektiv, dessen Vergrößerung dem gewünschten Maßstab angepaßt 1st und das das Licht auf die gewünschte Zone 29 eines Halbleitersubstrats 4, beispielsweise aus Silicium, projiziert, welches mit einer Schicht 5 lichtempfindlichen Harzes bedeckt ist.

Der Verschluß wird dazu benutzt, das Objekt 2 mit einer bestimmten Lichtenergie zu beleuchten. Der Verschluß wird geschlossen, sobald die Belichtungsenergie den Wert erreicht hat, bei dem das Harz bedruckt wird. Als Beispiel sei folgende Betriebsweise angegeben: in dem Strahlengang des LichtbUndels ist ein Photodetektor 30 angeordnet, der einen konstanten Bruchteil der auf das Objekt fallenden Lichtintensität auffängt. Der Ausgang des Photodetektors 30 ist mit einer Integrierschaltung 31 verbunden, die ein elektrisches Signal liefert, welches mit der Beleuchtungsenergiemenge ab dem öffnen des Verschlusses ansteigt. Das integrierte elektrische Signal wird an eine Steuereinrichtung 11 des Verschlusses 25 angelegt. Die Steuereinrichtung 11 enthält einen Schwellenwertvergleicher, an den das integrierte elektrische Signal sowie der Schwellenwert aus einem Selektor 32 angelegt werden. Die Steuer-

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einrichtung 11 veranlaßt das Schließen des Verschlusses, wenn der Ausiöseschwellenwert erreicht wird. Der Selektor 32 gibt außerdem ein Nu11rückstellsignal RAZ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen an die Integrierschaltung 31 ab.

Die Art der Steuerung gestattet das genaue Erzielen von konstanten Belichtungsenergien, da sie eventuelle Schwankungen der Intensität des Bündels 1 bei der Festlegung der Dauer der Belichtung berücksichtigt.

Eine Variante der Vorrichtung besteht darin, einen Impulslaser zu verwenden, der durch die Steuereinrichtung 11 gesteuert wird, wodurch der Verschluß entfällt. Ein Vorteil eines Impulslasers besteht darin, daß er während einer sehr kurzen Zeit eine große Spitzenleistung liefern kann, die im allgemeinen größer ist als die durch einen dauernd arbeitenden Laser gelieferte Leistung.

Das Lichtstreuelernent 27 hat die Aufgabe, einen Fehler zu beseitigen, der an den Bildern bei Verwendung eines kohärenten Lichtes auftritt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß sich störende Interferenzfiguren feststellen lassen. Die Erscheinung rührt von dem Auftreten von Interferenzen im kohärenten Licht her, die stationär sind.

Die Inferenzfiguren sind für die Qualität der auf dem Träger 4 erzielten Bilder störend. Zu ihrer Beseitigung wird künstlich eine Phasenmodulation in dem Bündel erzeugt,

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die eine Verschiebung der Interferenzfiguren um eine Mittel Lage bewirkt, so daß mehrere Verschiebungen während der Belichtungsdauer erhalten werden. Die Integration durch die lichtempfindliche Schicht gestattet so, die Interferenzfiguren auszulöschen, ohne die Qualität der Bilder zu beeinträchtigen, denn das Objektiv hat keine Verschiebung erfahren. Das LichtStreuelement 27 sorgt für diese Modulation. Es handelt sich um eine Streuscheibe, die durch einen Motor 33 in eine schnelle Drehbewegung versetzt wird. Die Drehgeschwindigkeit muß ausreichend sein, damit die Interferenzfiguren ausgelöscht werden.

Die Interferenzfiguren können auch durch andere Einrichtungen gemittelt werden: durch Verwendung eines schwingenden Lichtstreuelements oder irgendeines lichtdurchlässigen Objekts, das ausreichend schnell schwingt oder sich ausreichend schnell dreht, durch eine gewöhnliche Glasplatte, Linse usw.

Wenn ein Lichtstreuelement benutzt wird, erfüllt es gleichzeitig die Aufgabe eines Lichtbundelaufweiters, der mit der Linse 35 und dem Kondensor 28, z. B. einer Sammellinse, zusammenwirkt, um das aufgeweitete Bündel 1 zu erzeugen, das das Objekt 2 beleuchtet. Wenn eine nichtstreuende Vorrichtung benutzt wird, erfolgt die Aufweitung des Bündels durch die beiden Linsen 35 und

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In einer typischen Ausführungsfortn ist ein Kryptongaslaser benutzt worden, der ständig ein paralleles Bündel mit einem Durchmesser von 1,6 mm und mit einer Leistung von 1,5 W bei einer Wellenlänge λ - 410 - 5 mn liefert. Die Belichtungsdauer beträgt 50 ms für 0,6 .um Positivharz in einem Feld mit einem Durchmesser von 8 mm. Die Vergrößerung des Objektivs beträgt 1/10.

Die Erfindung ist nicht auf Photowiederholer beschränkt, die direkt durch Projektion arbeiten. Sie umfaßt alle Photoreproduktionsvorrichtungen, die Bilder durch Projektion, durch kontaktloses Abziehen oder durch Kontaktabziehen reproduzieren. In den beiden letztgenannten Fällen ist kein Objektiv vorhanden. Das Verfahren der Reproduktion durch Kontakt besteht darin, das Objekt und den Träger in einem Abstand von einigen Mikrometern vollkommen parallel zu halten.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Maschine, bei welcher die übertragung durch Kontakt erfolgt und welche mit einem Impulslaser 20 arbeitet, der durch die Steuereinrichtung 110 in der weiter oben erläuterten Weise gesteuert wird. Das Licht wird durch eine Lichtleitfaser 12 übertragen. Die Interferenzfiguren werden durch eine Glasplatte 34 gemittelt, die durch einen Motor 33 in Schwingung versetzt wird, wie durch den Pfeil X angegeben. Zwei Sammellinsen 35 und 28 erzeugen ein erweitertes und paralleles Bündel 1. Die Zeichnung des Objekts 2 wird auf dem Träger 4,

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welcher alt einer lichteapfindliehen Schicht 5 bedeckt ist, im Maßstab 1:1 reproduziert. Das Objekt 2 und der Träger 4 werden durch die Antriebseinrichtungen 7 und 8 in Rontakt gehalten, beispielsweise durch eine Folgeregelung.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen AusfUhrungs· formen beschränkt. Die Anordnung der verschiedenen Teile kann in Rahmen der Erfindung verändert werden.

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Claims

Patentanwälte

Oipl Ich.) Uipl-Chem Dipl-Ini) ί /bbU47

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

8 München 60

THOMSON - GSP 3. Dezember 1977

173, Bd. Hau3smann

75OOB PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 3013

Patentansprüche :

Vorrichtung zur übertragung von zusammengesetzten Motiven, mittels welcher das Bild eines nichtstreuenden und eine ungleichmäßige Lichtdurchlässigkeit aufweisenden Objekts auf einem mit einer lichtempfindlichen Schicht bedeckten Träger mit vorbestimmter Vergrößerung reproduzierbar ist, mit einer Quelle kohärenter Strahlung, die ein paralleles Bündel liefert, und mit zugeordneten optischen Einrichtungen, die gestatten, während einer vorbestimmten Dauer eine Beleuchtung der lichtempfindlichen Schicht zu liefern, wobei das Objekt zwischen der Quelle und der lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt in seiner Gesamtheit mit einer einzigen Belichtung reproduziert wird und daß die optischen Einrichtungen eine Phasenmodulation der zwischen der Quelle und dem Objekt übertragenen Strahlung bewirken, um die Interferenzfiguren auszulöschen, die durch die Kohärenz der Strahlung erzeugt werden.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen ein Element enthalten, das das parallele Bündel empfängt und in seiner Ebene in bezug auf das Bündel eine Ablaufbewegung ausfuhrt, und daß die optischen Einrichtungen das Bündel in ein divergentes Bündel umwandeln.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Element von dem Bündel außerhalb seines Mittelpunkts durchquert wird und daß die Ablaufbewegung von der Drehung des Elements um seinen Mittelpunkt herrührt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufbewegung von der Schwingung des Elements in seiner Ebene herrührt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Streuelement ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein lichtdurchlässiger Phasenmodulator ist und daß die optischen Einrichtungen außerdem Einrichtungen zur Aufweitung des aus dem Element stammenden Bündels aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle kohärenter Strahlung ein Laser ist.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Belichtung durch eine Einrichtung gesteuert wird, mittels welcher sich eine vorbestimmte Belichtungsenergiemenge erzielen läßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Belichtungsdauer einen Photodetektor enthält, der einen Bruchteil der von dem Objekt kommenden Strahlung auffängt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf einen Verschluß einwirkt, der in den Strahlengang des Beleuchtungsbündels zwischen der Quelle und dem Objekt eingefügt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf den Laser einwirkt, bei welchem es sich um einen Impulslaser handelt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt und dem Träger ein Objektiv mit vorbestimmter Vergrößerung angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Verschiebung des Trägers, um das Bild in wiederholter Weise in einer vorbestimmten Anordnung zu drucken.

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14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während der Belichtungszeit das Objekt und den Träger in gegenseitigem Kontakt halten, wobei die Reproduktion mit einer Vergrößerung von 1 erfolgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während der Belichtungszeit das Objekt in unmittelbarer Nähe des Trägers halten, wobei die Reproduktion ohne Objektiv und in wahrer Größe erfolgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Halbleitersubstrat ist, das mit einer Schicht lichtempfindlichen Harzes bedeckt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Maske ist, die für die Herstellung von Bauelementen und Schaltkreisen durch Photomikrolithographie bestimmt ist.

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