CN1791839A - 光点格栅阵列光刻机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高分辨率、高数据速率点格栅阵列光刻机系统，其中通过在涂布了光刻胶的衬底上扫描点格栅阵列光束，形成图像。通过变迹该光束以提供窄主瓣，实现高分辨率。通过确保主瓣不包括光刻胶阈值之上的能量，使用无记忆光刻胶以及通过使用适合用于点格栅阵列图形和无记忆特性光刻胶的倾斜、隔行扫描，可以防止在衬底上进行不希望的旁瓣记录。

Description

光点格栅阵列光刻机
技术领域
本发明涉及一种利用大量平行光束阵列直接在光刻层上图形化高清晰度图像的无掩膜方法和设备。该设备用于制造半导体器件、微电子电路、微系统、薄膜器件以及用于显微光刻应用的掩膜和衬底的结构。
要求临时专利申请的优先权
本专利申请要求第60/331,029号美国临时专利申请的优先权。
背景技术
光刻法是一种用于将图像转印到半导体或其他衬底上的技术。有两种基本类型的光刻系统。第一种被称为图像投影光刻技术，它采用被称为掩膜或标线的主图形和用于将图像投影到掩膜或衬底上的投影系统。第二种类型的系统被称为无掩膜系统或直接写系统，它通过在衬底上扫描(或“写”)光束，直接在衬底上成像。无掩膜系统用于产生用于图像投影光刻技术的掩膜。然而，与直接写系统相比，具有掩膜的系统通常速度快，而且更适于大批量商业应用。
在图像投影光刻技术中，利用投影装置将在掩膜上形成的图像转印到衬底上。在被称为晶片步进器(wafer stepper)的一种类型的图像投影系统中，一次性将整个掩膜图形投影到衬底上，图形化一部分衬底。然后，使该掩膜相对于衬底移动(“步进”)，然后图形化另一部分衬底。在被称为步进扫描光刻装置(step-and-scan apparatus)的另一种类型的光刻投影装置中，通过利用投影光束渐进扫描掩膜，同时平行于该方向同步扫描衬底，辐照衬底上的各部分。在这两种类型的系统中，将图像投影到被称为光刻胶、被涂布在衬底表面上的光敏层上。每个掩膜均包括与一层要形成在衬底上的电路部件对应的图形。为了建立三维结构的集成电路，对大量图形进行曝光和处理。
曝光之后，显影光刻胶，仅在对应于曝光图像的晶片上留下选择的光刻胶图形。由于光刻胶“阻止”蚀刻它们下面的衬底，所以利用后续蚀刻步骤，可以将光刻胶中显影的图形转印到衬底上。根据在显影步骤使被曝光的光刻胶选择保留在晶片上还是从晶片上清除的情况，光刻胶可以是正类型的或负类型的。
不幸的是，因为缺少设计规则而且广泛使用诸如OPC(近光校正(Optical Proximity Correction))和PSM(移相掩膜)的RET(分辨率增强技术)，所以用于图像投影系统的掩膜越来越困难，而且制造昂贵。由于形成制造集成电路所需的多个图形，需要许多掩膜，所以制造掩膜的时间延迟和掩膜本身的花费是半导体制造过程中的显著成本。对于其中不能将掩膜的成本分摊到大量器件的小批量器件的情况，尤其如此。因此，最好提供一种不需要昂贵掩膜制造半导体芯片的快速光刻装置。此外，最好提高光刻技术可实现的分辨率。此外，这种装置最好用于直接图形化少量衬底，例如运行原型装置，而且用于制造掩膜。
在UV thermoresists：sub-100-nm imaging without proximity effects，Gelbart，Dan，Karasyuk，Valentin A.，Creo Products Inc.，Proc.SPIEVol.3676，p.786-793，Emerging Lithographic Technologies III，YuliVladimirsky；Ed.6/1999中描述了一种提高利用传统掩膜可实现的分辨率的方法。在该方法中，与图像投影系统组合使用微透镜阵列，将图像分解为高分辨率点阵列，传统步进器中，在脉冲之间扫描该高分辨率点阵列，形成全像。由于将各点互相分离开，所以这种系统消除了近光效应。利用热光致光刻胶的组合，这种方法利用传统掩膜提供改进的分辨率。然而，它仍需要使用掩膜或标线。
在“A Microlens Direct-Write Concept for Lithography”，Davidson，Mark，SPIE VOL.3048，PP.346-355，1997(Spectel Company，MountainView CA)中，建议了一种不需要掩膜的方法。在该系统中，为了获得高分辨率和更高吞吐量，建议在直接写系统中与平行光束组合使用微透镜阵列。射束分裂器产生平行光束阵列，利用平行阵列迈克尔逊干涉仪调制器内的压电介质片阵列单独调制该平行光束。利用微透镜将调制的光束以多点格栅图形的形式成像到衬底上。
在2000年10月17日授予Kenneth C.Johnson的第6,133,986号美国专利“Microlens scanner for microlithography and wide-fieldconfocal microscopy”中，对采用微透镜阵列的另一种直接写光刻技术进行了描述。在该系统中，数字微反射镜器件(DMD)提供平行阵列的调制光束，J.B.Samsell在“An Overview of the Performance Envelopeof Digital Micromirror Device(DMD)Based Prejection DisplaySystems”，Society for Information Display 1994 InternationalSymposium(San Jose，Jun.12-17，1994)对该数字微反射镜器件进行了描述。通过微透镜阵列中的相应单元，以多点格栅图形的形式，将每条光束成像到衬底上。
尽管Davidson和Johnson的系统均不需要掩膜，但是它们未提高基于光的光刻技术获得的分辨率。因此，最好提供一种对改进的掩膜制造过程和晶片光刻技术提高分辨率和吞吐量的、切实可行的无掩膜直接写系统。
发明内容
本发明是提供了一种适合用于快速掩膜制造和晶片光刻的高分辨率、高数据速率直接写点格栅阵列光刻系统。根据本发明，通过在衬底上扫描二维阵列光束，在衬底上曝光图像。通过选择性地调制光束，形成图像，在衬底上扫描该光束阵列。在变换实施例中，空间光线调制器提供灰度级调制，在灰度级调制过程中，可以使用不是“接通”和“断开”电平的中间电平的信号。可以从Franhaufer Institute，Dresden，Germany获得这样一种调制器，而且将它称为悬臂光束微反射镜空间光线调制器。上面引用的Davidson，Mark，SPIE VOL.3048，PP.346-355，1997描述了利用提供灰度级调制的另一种方法。该方法使用迈克尔逊干涉仪产生灰度级调制。正如在此所述，“接通”和“断开”调制是灰度级调制的特殊情况，在灰度级调制中，只可能有两种灰度级，“0”和“1”。通过对每条选择的光束进行整形以通过窄主瓣，从而确定窄光束，增强分辨率。然后，窄光束在衬底上聚焦为小点，该衬底上涂布了光刻胶(还被称为光致光刻胶)。通过防止旁瓣利用其曝光阈值以上的能量曝光光刻胶，可以防止窄光束的旁瓣产生不希望的曝光。这是通过使用热光致光刻胶、曝光策略以及设备体系结构实现的，该曝光策略和设备体系结构对已经对旁瓣曝光的光刻胶部分提供时间以在该部分被进一步曝光之前被冷却。该曝光策略进一步包括在曝光光刻胶的相邻点之间提供足够时间以在连续曝光之间对光刻胶进行冷却的扫描技术。
本发明提供的光刻方法包括步骤：产生基本平行的光束阵列；调制对应于要记录到光刻胶上的预定图像的基本平行光束阵列中的多条光束；对每条光束进行整形，以提供具有窄主瓣和相应旁瓣的窄光束；沿从该阵列的法向轴线稍许偏转的轴线，相对于窄光束位移光刻胶，以致以交错多光栅倾斜扫描图形形式，在衬底上曝光所需的图像。
本发明提供了一种采用无记忆光致光刻胶的光刻方法和装置。在此使用的无记忆光致光刻胶(或者更一般的说，限制响应周期光致光刻胶)的特征在于，它不累积连续曝光的能量，只要它们不超过阈值，而且它们之间存在时间周期(或者足够冷却时间)。这类热光致光刻胶是无记忆光致光刻胶的一个例子。
本发明提供一种采用用于抑制扫描光束的旁瓣，从而显著改善分辨率的扫描和曝光策略的光刻方法和装置。
本发明提供一种采用在曝光光刻胶的相邻点之间提供足够时间以在连续曝光之间对光刻胶进行冷却的扫描技术的光刻方法和装置。本发明提供一种采用改进的扫描技术的光刻方法和装置，该改进的扫描技术包括在减小的视场内具有高密度的点，以通过减少扫描衬底外区域浪费的时间，提高系统的总体吞吐量。
本发明提供了一种包括用于检测可移动工作台的机械不对准并利用直接写光学器件提供快速校正的步骤的光刻方法。
本发明提供了一种光刻方法和装置，该装置包括：光源，用于提供并调制二维阵列的平行光束，以辐照涂布了光刻胶的衬底，调制对应于要成像在衬底上的图形的光束；射束成形器，插在光源与光刻胶之间，用于使每条光束变窄；聚焦光学器件，用于形成对应于部分图像的点格栅阵列；以及可移动工作台，用于在光刻胶与聚焦光学器件之间实现相对运动。通过使光刻胶与调制的窄光束相互作用，光刻机将图形记录到光刻胶上，而且防止旁瓣的相互作用导致的记录。
根据下面的详细说明，本技术领域内的熟练技术人员容易理解本发明的优点，其中通过仅描述为了实现本发明而设想的最佳方式，只对本发明的优选实施例进行了描述和说明。正如所实现的那样，本发明可以有其他不同实施例，而且可以在各显而易见的方面，对其许多细节进行修改，这些修改均属于本发明范围。因此，附图和描述均被认为是说明性的，而非限制性的。
附图说明
参考附图，在附图中，具有同样参考编号表示的单元表示类似的单元，附图包括：
图1是根据本发明实施例的光刻机的原理图。
图2示出根据本发明另一个实施例的光刻机的原理图。
图3示出根据第一种扫描技术在衬底130上形成的点格栅阵列图形。
图4A示出根据第二种扫描技术在衬底130上形成的点格栅阵列图形。
图4B示出点格栅阵列相对于衬底的FOV。
图5A示出根据第一种隔行扫描技术在衬底130上形成的点格栅阵列图形。
图5B示出根据第二种隔行扫描技术在衬底130上形成的点格栅阵列图形。
图5C示出根据一种其他隔行扫描技术在衬底上形成的点格栅阵列图形。
图6a和6b示出本发明的光刻机处理的光束的剖视图。
图7示出具有根据本发明实施例的光刻机的原理图。
图8示出具有根据本发明实施例的光刻机的原理图。
具体实施方式
图1示出根据本发明第一实施例的光刻机。该光刻机包括：光源102，可以是连续波激光器或脉冲激光器；准直光学器件103；以及空间光线调制器(SLM)104，用于提供并调制二维阵列的平行光束106。响应可编程图像生成器108提供的输入数据信号109，空间光线调制器104调制光束，并与控制工作台130同步控制各光束，以对衬底120上的要求图形曝光。该光刻机进一步包括射束成形器阵列110，它插在空间光线调制器104与衬底120之间，用于使每条光束106变窄，以便提高分辨率。聚焦光学器件114对每条光束106提供透镜单元，并使每条光束在衬底120上聚焦为小点，以在衬底102上形成隔开小点的格栅阵列。衬底120支承在工作台130上，工作台130在光束106的阵列与衬底120之间实现相对运动，以在衬底120上形成全像，如同根据多光栅倾斜扫描曝光策略，利用光束转换的一样。
在本发明的第一实施例中，图1和图2所示的可编程空间光线调制器(“SLM”)104是选择性透射阵列。在1999年5月4日授予HenryI.Smith的第5,900,637号美国专利“Maskless Lithography Using aMultiplexed Array of Fresnel Zone Plates”中，对适于这种功能的微型快门进行了描述。根据该像素的接通或断开状态，选择性地透射或者阻断入射到每个单元或像素上的光线。响应处理器108提供的输入数据信号109，进行选择，处理器108包括：传统存储器单元108a，用于存储压缩图像信息；数据再现单元108b，用于解压缩压缩图像信息并根据所需的扫描策略对它进行格式化；以及信息接口108c，用于将信息变换为调制信号。每条透射光束作为光束106到达射束成形器110。
定位图1和2所示的射束成形器110，以便从SLM 104接收透射光束，射束成形器110包括用于使每条光束106变窄的成形光孔阵列。采用成形光孔的光束成形过程(还被称为变迹)对每条光束的振幅分布进行整形。本发明提供以比传统高斯分布的主瓣窄的主瓣(中心)为特征的波束形状。然而，对使光束变窄附加了某种限制，而且不能使光束任意变窄。通常，假设均匀照射入射到射束成形器110的光束，离开射束成形器110的光束的剖面的振幅分布与射束成形器110中的光孔的形状的傅里叶变换的平方对应。作为一个例子，利用光孔成形的、具有高斯分布的均匀照射光束将产生具有可忽略旁瓣的光束。图6a示出这种振幅分布。作为又一个例子，均匀照射的环形光孔将产生被称为“艾里图形(airy pattern)”、具有中心主瓣和旁瓣的光束。这种“艾里图形”光束以比高斯分布的中心主瓣窄的中心主瓣为特征。图6b示出其振幅分布具有窄主瓣(在此称为“窄光束”)和显著旁瓣的艾里图形。一般的说，使主瓣变窄的任何光孔加权或“变迹”均产生增加的旁瓣振幅。同样，抑制旁瓣的任何光孔加权均趋向于加宽主瓣。
按照惯例，选择使旁瓣的振幅最小的光束形状。在本发明中，其权重比高斯光孔中使用的光孔圆周的权重高的环形光孔产生较窄主瓣。然而，这种窄光束形状产生显著旁瓣。通过结合曝光策略有效使用窄光束，根据本发明可以获得提高的分辨率，防止光刻胶永久受旁瓣产生的曝光的影响。正如以下更全面说明的那样，通过有利采用热光刻胶和适当曝光策略，可以防止这些旁瓣导致不希望的图形化过程。
在本发明的变换实施例中，与图1所示的光束一起使用无记忆光刻胶，而无需上述产生主瓣和旁瓣的射束成形器。当然，除了不能防止因为旁瓣产生不希望的图形化过程外，采用同样的技术，就是要防止主瓣的“尾部”产生不希望的曝光。即，防止低于阈值曝光量的尾部产生不希望的彻底曝光。这样使得仅反复使用主瓣的中心部分，这样可以使光束有效变窄。此外，由于消除了对不希望的“尾部”曝光，所以该处理过程产生增加的处理范围。
再参考图1和2，射束成形器阵列110产生的窄光束照射聚焦光学器件114。聚焦光学器件114包括可以进行折射或衍射的微透镜阵列。对于较小数值孔径(NA)和大视场(FOV)，可以采用塑料衍射单元。这样允许几十厘米宽甚或更宽的FOV。关于高NA应用，可以采用微透镜阵列(通常是几十微米宽)。如果使用衍射透镜单元，例如第5,900,637号美国专利描述的非涅耳区板阵列，则(上述参考的)透镜阵列可以进一步含有光孔阵列(即，针孔阵列)，以截断衍射单元产生的高阶散射。在结合短波长光线，例如约13nm的极远紫外线使用时，衍射透镜尤其适合，上面引用的Smith的论文对此进行了更详细描述。
聚焦光学器件114可以是根据传统光学技术的一个透镜阵列，或串行排列的多个阵列，因此各阵列中的各透镜单元的光路形成复合透镜。这种排列可以产生其数值孔径比单个透镜的阵列获得的数值孔径大的复合透镜阵列。通过层叠各透镜阵列，可以利用机械方法组装这种复合微透镜阵列，或者利用例如众所周知的MEMS(微电子机械系统)制造技术制造这种复合微透镜阵列。
如图2所示，聚焦光学器件114的后面是缩微透镜150，缩微透镜150用于减小成像在衬底120上的各点的大小和图形的总体大小(即，视场)。在其掩膜比所需的最终图像大得多的掩膜系统中需要这种缩小单元，但是这种缩小单元或“步进器透镜(stepper lens)”通常非常昂贵。然而，在本发明实施例中，这种透镜可以要求比4X或5X放大率小的典型步进器透镜，或者完全取消它们，如图1所示，如果聚焦光学器件114采用高NA单元，尤其如此。
对衬底120涂布光刻胶122，光刻胶122是热光刻胶，而且在达到阈值温度时，它不可逆地改变可溶性或蚀刻速率。此外，如果提供足够冷却时间，光刻胶122是不受先前部分曝光影响类型的光刻胶。这种热光刻胶是“无记忆”光刻胶的一个例子，这意味着，该光刻胶不受累积部分曝光的影响。本发明的曝光策略和装置体系结构与光束形状这样匹配，以致光刻胶122不记录光束106的旁瓣。这种策略包括：
1)在扫描各光束期间，确保所有旁瓣均不包括足以曝光光刻胶的能量；以及
2)确保连续光束的旁瓣对光刻胶的任何部分的连续曝光之间的时间周期超过光刻胶的特性记忆时间(冷却时间)。
曝光策略包括使用交错多光栅倾斜扫描图形。沿相邻、交错扫描轨迹，光束阵列内的窄光束扫描衬底120，以致在不同时间曝光衬底120上的相邻点。根据曝光策略，选择这些时间差，以确保重叠旁瓣曝光不永久图形化光刻胶122。
更具体地说，将衬底120放置在机械工作台130上，并在y方向位移它。相对于y轴稍许转动(或倾斜)光束106的阵列。以许多行和列的矩形格栅图形的方式，形成光束阵列。工作台130在y方向位移，这样导致每条光束沿平行于该工作台的y轴的方向扫描。光束在工作台130的x轴方向发生偏移，以致在衬底120相对于扫描方向y上的光束阵列位移时，被光束曝光的点在衬底120上的图形内不存在间隙。随着工作台进一步位移，光束分别以隔行方式曝光各点，以填充衬底120上的整个图像。
图3示出根据第一种扫描技术在衬底130上形成的点格栅阵列图形。利用光束阵列106，在衬底120上，图形化图3中包括暗点的点阵列305。为了简洁起见，图3仅示出聚焦在衬底120上的部分点阵列305，它优先包括数百或数千个单元。在图3中，示出对应于3×4光束阵列的图形。该阵列包括3个垂直列(A、B和C)和4个水平行(1、2、3和4)。利用其列和行位置识别每个光束。例如，光束阵列包括光束A1、B1、C1、A2、B2、C2等，其中A1指位于列A、行1的光束。光束的初始位置被指定在圆编号点。利用编号1指定的初始点被涂黑。光束阵列相对于y轴倾斜，从暗点相对于指定的y轴的取向可以看出，y轴即利用工作台使光束阵列沿着其相对于衬底120位移的轴。以这样的方式使光束阵列相对于y轴倾斜，以致点B1位于在y方向通过点A1的像素宽度的位置，而且点B1从x方向上的列A内的最后一个光束位移一个像素宽度。进行一次曝光，曝光位于初始位置(位置“1”)的点。利用标号1表示这些位置。即，第一次曝光中曝光的点格栅阵列包括点A11、B11、C11、A21、B21以及C21等。然后，在y方向，将工作台130移动工作台130的距离，以便该光束曝光沿y轴位移1个像素宽度的位置，然后，进行第二次曝光。该第二次曝光将曝光包括点A12、B12、C12、A22、B22和C22等的格栅阵列。显而易见，由于存在一个沿y轴与每个垂直列有关的光束，所以利用这种倾斜扫描曝光技术，在沿y轴位移光束阵列时，可以对整个图像曝光。此外，正如所看到的那样，不同时曝光衬底120上的相邻位置，这样使得该曝光技术适合用于无记忆光刻胶和以旁瓣为特征的窄光束。
图4A示出第二种交错扫描技术。在该第二种倾斜扫描技术中，示出对应于3×5光束阵列的图形。该光束阵列包括3列(A、B和C)和5行(1、2、3、4和5)。利用列和行位置识别每个光束。例如，位于初始位置的光束阵列包括光束A1、B1、C1、A2、B2、C2等。该光束阵列相对于y轴倾斜，y轴是利用工作台使光束阵列沿着其相对于衬底120位移的轴。以这样的方式使光束阵列相对于y轴倾斜，以致点B1位于在y方向通过点B1的一个/半个像素宽度的位置，而且列B上的第一光束(光束B1)从x方向上的列A内的最后一个光束(光束A5)位移一个/半个像素宽度。进行一次曝光，曝光位于初始位置的点，还利用标号1表示该初始位置。即，在第一次曝光中曝光包括点A11、B11、C11、A21、B21以及C21等的一个点格栅阵列。然后，在y方向，将工作台130移动工作台130的距离，以便该光束曝光沿y轴位移1个像素宽度的位置，然后，进行第二次曝光。该第二次曝光将曝光包括点A12、B12、C12、A22、B22和C22等的格栅阵列。显而易见，由于衬底120上的最终图形的垂直行从其最近相邻行偏移二分之一个像素宽度，而且最终图形上的每行也均从其最近相邻行偏移二分之一个图形，所以获得紧密压缩的图形。此外，正如所看到的那样，不同时曝光衬底120上的相邻位置，这样使得该曝光技术适合用于无记忆光刻胶和以旁瓣为特征的窄光束。
对于这些扫描技术，既可以使用连续光源，又可以使用脉冲光源。然而，如果使用连续光源，则可以不需要在利用每条光束曝光所形成的连续像素之间充分冷却光刻胶，而且可能累积旁瓣的照射，导致y方向上的分辨率降低。为了避免降低分辨率，可以利用SLM 104阻断两个连续像素之间的光束。
使用大点格栅阵列的一个理由是考虑到视场(FOV)。特别是，在图3所示的简单倾斜扫描技术中，大量光束可能产生较大视场。为了实现快速写入速度、高分辨率，需要大量光束。然而，大视场存在许多缺陷。首先，大视场不利于半导体光刻技术，因为半导体衬底通常不平。这样产生了在衬底120上的聚焦问题。形成衬底边缘的完整扫描图像的问题产生了与大视场有关的另一个问题。图4B示出根据本发明的点格栅阵列相对于衬底的FOV。通过观察图4B可以看出，为了在衬底上形成全像，必须从一侧上完全离开衬底的位置到另一侧上完全离开衬底的位置，扫描点格栅阵列410。在扫描初始位置与终止位置期间，不是所有的光束均照射衬底。重叠要求使得该工作台比所需的更大、更笨重，而且增加了曝光衬底的所需的时间。因此，要求减小光束阵列的视场140的大小。然而，由于写时间是光束阵列中光束数量的函数，所以进一步要求减小FOV的大小，而不减少光束阵列中光束的数量，因此要求光束阵列中的光束具有更高光强。
提高光束阵列的光强要求降低“间距”(“P”)，即光束之间的交叉扫描距离。然而，为了利用倾斜扫描在衬底120上建立完整、不重叠扫迹，需要相邻扫描线之间的距离(“d”)等于间距(“P”)与N的乘积，其中N是一列内的光束的数量。
d＝P*N
减小相邻扫描线之间的间隔还导致一条光束的点被另一条光束覆盖写，除非实现不同的扫描技术。本发明的一个实施例包括这样一种被称为隔行的技术。存在许多隔行技术，对应于大于1的整数(I)。
图5A示出第一种隔行曝光图形(对应于I＝2)。示出对应于3×6光束阵列的图形。如图所示，光束不照射衬底120上沿y轴的相邻点。该光束阵列包括3列(A、B和C)和6行(1至6)。利用其列和行位置识别每个光束。例如，位于初始位置的光束阵列包括光束A1、B1、C1、A2、B2、C2等。该光束阵列相对于y轴倾斜，y轴是利用工作台130使光束阵列沿着其相对于衬底120位移的轴。以这样的方式使光束阵列相对于y轴倾斜，以致点A1位于在y方向通过点B1的一个/半个像素宽度的位置，而且列B上的第一光束(光束B1)从x方向上的列A内的最后一个光束(光束A6)位移一个/半个像素宽度。进行一次曝光，曝光位于初始位置的点，还利用标号1表示该初始位置。即，在第一次曝光中曝光包括点A11、B11、C11、A21、B21以及C21等的一个点格栅阵列。然后，在y方向，将工作台130移动工作台130的距离。与上面的例子不同，在这种隔行技术中，以光束曝光沿y轴位移整数I(不是1)个像素宽度的位置的方式，移动工作台。在所示的例子中，为了使说明和解释简洁，整数I被选择为2。现在，进行第二次曝光。该第二次曝光将曝光包括A12、B12、C12、A22、B22和C22等的格栅阵列。显而易见，由于衬底120上的最终图形的垂直行从其最近相邻行偏移二分之一个像素宽度，而且最终图形上的每行也均从其最近相邻行偏移二分之一个图形，所以获得紧密压缩的图形。此外，正如所看到的那样，不同时曝光衬底120上的相邻位置，这样使得该曝光技术适合用于无记忆光刻胶和以旁瓣为特征的窄光束。不仅如此，隔行配置可以使较小视场内包括更多的光束。
图5B示出第二种隔行曝光图形(对应于I＝3)。示出对应于3×5光束阵列的图形。如图所示，光束不照射衬底120上沿y轴的相邻点。该光束阵列包括3列(A、B和C)和5行(1至5)。利用其列和行位置识别每个光束。例如，位于初始位置的光束阵列包括光束A1、B1、C1、A2、B2、C2等。该光束阵列相对于y轴倾斜，y轴是利用工作台130使光束阵列沿着其相对于衬底120位移的轴。以这样的方式使光束阵列相对于y轴倾斜，以致点A1位于在y方向通过点B1的一个/半个像素宽度的位置，而且列B上的第一光束(光束B1)从x方向上的列A内的最后一个光束位移一个/三分之一个像素宽度。可以看出，需要9×9光束阵列提供完整扫描，因此列A内的最后一条光束是A9。进行一次曝光，曝光位于初始位置的点，还利用标号1表示该初始位置。即，在第一次曝光中曝光包括点A11、B11、C11、A21、B21以及C21等的一个点格栅阵列。然后，在y方向，将工作台130移动工作台130的距离。然而，在I＝3的隔行技术中，以光束曝光沿y轴位移3(I＝3)个像素宽度的位置的方式，移动工作台。现在，进行第二次曝光。该第二次曝光将曝光包括A12、B12、C12、A22、B22和C22等的格栅阵列。显而易见，由于衬底120上的最终图形的垂直行从其最近相邻行偏移三分之一个像素宽度，而且最终图形上的每行也均从其最近相邻行偏移三分之一个图形，所以获得紧密压缩的图形。此外，正如所看到的那样，不同时曝光衬底120上的相邻位置，这样使得该曝光技术适合用于无记忆光刻胶和以旁瓣为特征的窄光束。不仅如此，隔行配置可以使较小视场内包括更多的光束。
可以设想其他隔行技术。例如，在以I＝4为特征的情况下，每次曝光，工作台位移4个像素宽度，而且各光束对准以四分之一像素宽度分离开的垂直列。在通常情况下，这样使光束阵列倾斜，以致相邻行上的透镜光路之间的x轴间隔仅是像素宽度(P)的几分之一(1/I)。例如，参考图5A(I＝2)，点A21沿x轴从点A11位移p/2。以在每次曝光之间，每个点在y轴位移的距离是(p*I)的倍数的方式，选择工作台速度。即，点A12沿y轴从点A11位移距离p*2。最后，可以看出，提供完全扫描的阵列的大小是像素宽度(p)、隔行因数(I)以及光束之间的距离(d)的倍数。每列仅填充给定行上的相邻光束之间的图形。因此，d＝N*p/I，其中N是列上的光束数量。
通过将图3与5B进行比较容易明白，与图3所示的光束阵列305相比，第二种隔行扫描技术(I＝3)将间距P减小了3倍。由于d＝N*p/I，所以可以将光束之间的间隔减小3倍，使得在给定视场内具有更密的光束阵列。实际上，含有同样数量光束的FOV比FOV305小9倍。
通常，在隔行图形中，光源优先为脉冲激光光源(例如准分子激光器或Q激光器)，或者SLM优先可以高速转换，以致在相继曝光之间可以快速阻断光束，而在工作台回原位时，在各点之间不出现模糊现象。作为一种选择，SLM104可以正确阻断所有光束。
图5C示出一种其他隔行图形。图5C示出在衬底上形成的点格栅阵列图形。利用光束阵列，在衬底上图形化包括图5C所示暗点的点阵列。为了简洁起见，图5C示出聚焦在衬底上的4×4点阵列。该阵列与图3所示阵列类似，但是具有以下不同之处。首先，通过使用例如光缩微，该阵列的总体大小被减小了2倍。这样做是为了使视场变窄。其次，通过如图3所示转动两次，该光束阵列相对于y轴倾斜，以致每列上有两个点沿y轴对准。下面说明该扫描技术。进行一次曝光，以对初始位置上的各点曝光(暗点)。然后，工作台在y方向以是图3相关速度的2倍的线速度移动。这样可以使像素速率与图3的像素速率保持相同，但是在更小视场内。下面将沿一列更详细说明该扫描技术。在第一次曝光中，曝光像素“1”和“A”。然后，工作台移动，然后，曝光像素“2”和“B”。在第三次曝光中，曝光像素“3”和“C”，等等。显而易见，利用更窄视场这样覆盖整个写区域，而保持同样的写速率和分辨率。尽管为了简洁起见，对4×4阵列进行了描述，但是实际上可以采用更大阵列，例如1000×1000阵列。在这种更大阵列中，该阵列从工作台的轴转动的量是相应较小的转动。
在图7所示的本发明的变换实施例中，将单独控制的激光器700的阵列用作光源，以在SLM104上产生点阵列。激光器阵列700可以包括可以从Band Gap Engineering of Colorado获得的垂直空腔表面发光激光器(VCSEL)的阵列。VCSEL是从芯片的顶部、向上发光的半导体激光器。使用单独控制激光器还可以响应振幅控制信号705对各光束振幅进行调制。
图8示出本发明的一种替换配置。在该实施例中，光源805包括脉冲激光光源。透镜810使激光光线准直，并从半涂银镜815反射到1k×1k(1k by 1k)像素反射空间光线调制器820。反射空间光线调制器820包括诸如可以从Texas Instruments of Dallas，Texas获得的ModelDMD的微反射镜阵列。光学系统830使处于“接通”状态的每个SLM单元(还被称为像素)发出的光被重新准直并聚焦到射束成形器840的相应单元上。孔径光阑460位于光学系统830的焦点上，以阻止被偏转的、处于“断开”状态的SLM单元发出的光。使用光学系统830和光孔460的进一步优点是减少杂散光并继之提高系统的信噪比。处于“接通”状态的SLM单元发出的光通过孔径光阑460。微透镜阵列845将射束成形器410发出的选择窄光束聚焦到光刻胶850上，光刻胶850位于可移动的工作台855上。
可移动工作台855必须能够提供精确线性运动，例如可以由AnoradCorporation of New York市售的采用线性马达的传统干涉仪控制工作台实现可移动工作台855。
为了对任何残余不精确，例如工作台的机械振动产生的不精确进行校正，引入用于对工作台移动中的不精确进行校正的补偿器。参考图2，将或者作为工作台的一部分或者作为附加部件的干涉仪器件135安装到工作台上，以检测其位置，并产生位置误差信号。利用大量替换件可以补偿这些误差。首先，可以将补偿器140连接到射束成形器110和聚焦光学器件114，以使它们移动足以对工作台位置进行补偿的量。其次，可以将补偿器141连接到缩微器150，以使它移动可以补偿工作台位置误差的量。再次，可以将补偿器连接到可移动反射镜，用于改变从光源到光刻机(printer)的光学元件之一的入射角，以对工作台位置误差进行补偿。例如，如果在射束成形器110与聚焦光学器件114之间将光路弯曲90度，而且定位可移动双轴反射镜以使射束成形器110发出的光照射聚焦光学器件114，则改变反射镜的角度可以改变光线在聚焦光学器件114上的入射角，从而使聚焦图像位移。
根据图8所示的本发明的一个实施例，光刻机包括高折射率流体860，以填充聚焦光学器件860与衬底850之间的间隙。这样可以有效缩短光线的波长，以便提高数值孔径。因此，实现了良好的光学解决方案。在包括：Liquid Immersion deep-ultraviolet interferometriclithography，Hoffnage等人，J.Vac.Sci.Technol.B17(6)，Nov/Dec1999和Immersion Lithography at 157nm，Switkes和Rothschild，J.Vac.Sci.Technol.B，Vol.19，No.6，Nov/Dec 2001的文献中对适当流体进行了讨论。当前，生物领域中的显微技术使用浸入(immersion)技术，然而，在商业上，这种技术目前还未用于光刻技术。然而，本发明适合用于浸入，这有两个原因。首先，本发明的特征是扫描速度慢，特别是在利用大量平行光束实现本发明时尤其如此，这样使得它适合用于浸入流体。其次，如图1和8所示，其中基本平坦微透镜阵列位于衬底附近、未使用缩微器透镜而且在衬底的附近具有聚焦光学器件的实施例适合使用浸入流体，因为它们最好保持该流体，而且要求较小体积。使用浸入流体的另一个优点是可以减少因为除气产生的污染。
为了在实现本发明的点阵列原理时获得良好效果，不仅对于聚焦光学器件114，而且对于缩微光学器件150，光学器件线性度的紧公差是重要的。光点107必须位于各点之间具有非常精确距离的精确直线格栅上。例如，在格栅1000行深度，列n的第1000行的点必须精确从列n-1的第一行的点观看的位置附近通过。假定要求1/10像素的精度，则这意味着FOV长度有十分之一像素的线性度。如果透镜间距等于100像素，则线性度要求是1:10E6(1000行*100像素间距/0.1像素公差＝10E6)。如果存在机械振动，这种极端精确的要求就成为问题。
利用传统材料、方法和设备，可以实现本发明。因此，在此不详细说明这种材料、设备和方法的细节。在上面的描述中，为了有助于全面理解本发明，对许多特定细节进行了说明，例如特定材料、结构、化学物质、处理过程等。然而，应该认为，不采用以上具体说明的细节，仍可以实现本发明。在其他例子中，为了不使本发明不必要地模糊不清，所以未对众所周知的处理过程进行了详细描述。
在本说明书中仅对本发明的典型实施例及其变型的几个例子进行了描述。应该明白，本发明可以用于各种其他组合和环境，而且可以在在此描述的本发明原理范围内对其进行变更和修改。

Claims (46)

1、一种适合用于涂布了无记忆光刻胶的衬底的光刻机，该光刻机包括：
可编程光学辐射源，用于提供基本平行的光束阵列，响应输入信号单独调制该光束；
射束成形器，用于使该光束变窄；
聚焦光学器件，其被定位为接收窄调制光束，并用于聚焦该窄调制光束；以及
可移动工作台，用于在衬底与聚焦的窄调制光束之间实现线性运动，该位移实现倾斜扫描。
2、根据权利要求1所述的光刻机，其中可编程光学辐射源提供一系列分别对应于衬底上的中间图形的调制光束阵列，而叠加中间图形在衬底上形成最终图像。
3、根据权利要求1所述的光刻机，其中光源包括激光器阵列。
4、根据权利要求1所述的光刻机，其中光源是连续光源。
5、根据权利要求1所述的光刻机，其中光源是脉冲光源。
6、根据权利要求1所述的光刻机，其中聚焦光学器件包括微透镜阵列，其中一个透镜单元对应每个单独光束。
7、根据权利要求6所述的光刻机，其中微透镜是衍射的。
8、根据权利要求1所述的光刻机，其中光束阵列是二维的。
9、根据权利要求1所述的光刻机，该光刻机进一步包括位于聚焦光学器件与衬底之间、用于缩微聚焦窄调制光束的图形的缩微器。
10、根据权利要求1所述的光刻机，其中在衬底上在扫描方向移动基本等于阵列长度的距离时，在机械交叉扫描方向，光束在衬底表面上跟踪基本连续的轨迹。
11、根据权利要求10所述的光刻机，其中可移动工作台这样移动衬底，以致在光束跟踪衬底上的连续轨迹时，光束重叠整数分之一的像素宽度。
12、根据权利要求11所述的光刻机，其中在工作台移动衬底时，可编程光学辐射源周期性地阻断光束，以致在衬底上形成隔行扫描图形。
13、根据权利要求1所述的光刻机，该光刻机进一步包括：检测器，连接到工作台、用于检测位置误差；以及补偿器，用于改变光束的轨迹，以补偿位置误差。
14、根据权利要求13所述的光刻机，其中该补偿器选自包括可移动反射镜、电光元件以及声光元件的组，以改变光束入射到衬底表面上的入射角，从而补偿位置误差。
15、根据权利要求14所述的光刻机，该光刻机包括用于移动聚焦光学器件以对工作台移动过程中产生的位置误差不精确度进行补偿的伺服机构。
16、根据权利要求9所述的光刻机，该光刻机进一步包括：检测器，连接到工作台、用于检测位置误差；以及补偿器，用于移动缩微器，以补偿位置误差。
17、根据权利要求1所述的光刻机，该光刻机适合使用具有基本最佳折射率的流体置于并填充光刻机与聚焦光学器件之间的间隙。
18、根据权利要求1所述的光刻机，其中射束成形器包括具有环形光孔阵列的部件，该环形光孔对应于微透镜阵列的透镜。
19、根据权利要求1所述的光刻机，其中射束成形器产生具有主瓣和至少一个旁瓣的射束，其中该旁瓣具有一个振幅，而且旁瓣具有这样的振幅和半径，使得光刻胶在旁瓣的一次照射不会被彻底曝光。
20、根据权利要求1所述的光刻机，其中工作台相对于射束成形器移动衬底，以致在旁瓣多次连续辐照衬底上的一个区域之间的时间周期超过光刻胶的响应周期。
21、一种用于使衬底在光图像下曝光的装置，该装置包括：
可编程光源，用于提供并调制多条基本平行的光束，响应输入数据信号调制该光束；
射束成形器，用于使该光束变窄，以致该光束包括中心主瓣和至少一个旁瓣；以及
可移动工作台，用于在相对于光束阵列的轴线倾斜的方向，利用窄光束阵列扫描衬底。
22、一种用于使衬底在光图像下曝光的装置，该装置包括：
可编程光源，用于提供并调制多条基本平行的光束，响应输入数据信号调制该光束；
聚焦光学器件，其被定位为接收窄调制光束，并用于聚焦该窄调制光束，以形成点格栅阵列图形；以及
可移动工作台，用于利用聚焦的窄光束阵列扫描衬底。
23、一种方法，该方法包括步骤：
对衬底涂布无记忆光刻胶；
产生基本平行的光束阵列；
调制该阵列的多条光束用于辐照衬底，响应对应于要记录到衬底上的预定图像的输入信号，调制该光束；
在执行产生、调制步骤时，在相对于光束阵列的轴线倾斜的方向移动可移动工作台上的衬底，以致将预定图像记录到衬底上。
24、根据权利要求23所述的方法，其中在光束跟踪衬底上的连续轨迹时，光束重叠整数分之一的像素宽度。
25、根据权利要求24所述的方法，该方法进一步包括在工作台移动衬底时，可编程光源周期性地阻断光束，以致在衬底上形成隔行扫描图形的步骤。
26、根据权利要求23所述的方法，该方法进一步包括对可移动工作台的位置误差进行补偿的步骤。
27、根据权利要求23所述的方法，该方法包括在调制步骤之后，利用透镜阵列聚焦调制光束。
28、根据权利要求23所述的方法，该方法包括提供具有基本最佳折射率的流体，置于并填充透镜阵列与衬底之间的间隙。
29、根据权利要求23所述的方法，该方法包括在偏离光束阵列的轴线的扫描方向基本线性移动衬底，以致在衬底在扫描方向上移动基本等于阵列的长度的距离时，在机械交叉扫描方向，调制光束在衬底表面上跟踪基本连续的轨迹。
30、一种用于曝光衬底的光刻机，该光刻机包括：
可编程光源，用于响应输入数据信号，提供并调制多条基本平行的光束；以及
可移动工作台，用于通过光束扫描衬底。
31、根据权利要求30所述的光刻机，该光刻机进一步包括聚焦光学器件，其被定位为接收窄调制光束，用于将该光束单独聚焦到公共图像平面上，以形成点格栅阵列图形。
32、根据权利要求31所述的光刻机，其中该阵列是二维的。
33、一种用于曝光光刻材料的设备，该光刻材料具有在预定时间周期之后基本无记忆的特性，该设备包括：
光源；
可编程二维空间光线调制器，其被定位为从该光源接收光，并用于提供调制光束的平行阵列，响应输入数据图形信号，调制该光束；
射束成形器阵列，具有对应于每条光束的单元，用于使光束变窄，该窄光束以强主瓣和较弱旁瓣为特征；
聚焦阵列，具有对应于每条光束的单元，用于聚焦该窄调制光束，以形成点阵列；以及
可移动工作台，用于在光刻材料与聚焦光学器件之间产生相对运动，以致满足下列条件：
a)成像主瓣的曝光时间足以曝光该光刻材料；
b)成像旁瓣的曝光时间不足以独立曝光该光刻材料；以及
c)在预定时间周期内，不曝光光刻材料的相邻位置，以特性化该光刻材料。
34、一种用于曝光光刻材料的设备，该光刻材料具有在预定时间周期之后基本无记忆的特性，该设备包括：
光源，用于提供成像光束阵列并在一系列所需的图形中调制该光束，该系列所需的图形对应于要记录到光刻材料上的图像；
射束成形器阵列，具有对应于每条光束的单元，用于使每条调制光束变窄，该窄光束以强主瓣和较弱旁瓣为特征；
聚焦阵列，具有对应于每条光束的单元，用于将该窄调制光束聚焦到光刻材料上；
可移动工作台，用于在光刻材料与射束成形器阵列之间产生相对运动，以致满足下列条件：
a)成像主瓣的曝光时间足以曝光该光刻材料；
b)成像旁瓣的曝光时间不足以曝光该光刻材料；以及
c)在该光刻材料特有的预定时间周期内，不曝光光刻材料的相邻位置；以及
d)最近平行扫描线隔离开整数分之一(px/n)的像素宽度，光束曝光的顺序像素隔离开像素宽度的整数倍(px*n)。
35、一种适合用于涂布了无记忆光刻胶的衬底的光刻机，该光刻机包括：
可编程光源，用于提供基本平行的光束阵列，响应输入信号单独调制该光束；
聚焦光学器件，定位该聚焦光学器件以接收调制光束，并用于聚焦该调制光束；以及
可移动工作台，用于在衬底与聚焦的调制光束之间实现线性运动，该位移实现倾斜扫描。
36、根据权利要求35所述的光刻机，其中可编程光源提供一系列分别对应于衬底上的中间图形的调制光束阵列，而叠加中间图形在衬底上形成最终图像。
37、根据权利要求35所述的光刻机，其中可编程光源包括光源和空间光线调制器。
38、根据权利要求36所述的光刻机，其中光源包括脉冲光源。
39、一种适合用于涂布了无记忆光刻胶的衬底的光刻机，该光刻机包括：
光源，用于提供基本平行的光束阵列，该光束阵列形成一系列点格栅阵列图形；
光学器件，其被定位为接收调制光束，并用于将该光束聚焦到衬底上；以及
可移动工作台，用于在相对于光束阵列的轴线倾斜的方向上，在衬底与聚焦的光束之间实现线性运动，该位移与系列图形同步，用于叠加该图案以在衬底上形成最终图像。
40、根据权利要求39所述的光刻机，其中光源包括微透镜阵列。
41、一种适合用于涂布了无记忆光刻胶的衬底的光刻机，该光刻机包括：
光学辐射源，用于提供基本平行的光束阵列，该光束阵列形成点格栅阵列图形；
射束成形器，用于使光束变窄；
光学器件，定位该光学器件以接收窄调制光束，并用于将该窄调制光束聚焦到衬底上；以及
可移动工作台，用于在衬底与聚焦的窄调制光束之间实现线性运动，该位移顺序倾斜扫描。
42、根据权利要求41所述的光刻机，其中光学辐射源提供一系列分别对应于衬底上的中间图形的点格栅阵列图形，而叠加中间图形在衬底上形成最终图像。
43、根据权利要求22所述的装置，其中在相对于光束阵列的轴线倾斜的方向，用于利用窄光束阵列扫描衬底的可移动工作台进行扫描。
44、根据权利要求43所述的装置，该装置进一步包括用于使光束变窄以致该光束包括中心主瓣和至少一个旁瓣的射束成形器。
45、根据权利要求32所述的装置，其中在相对于光束阵列的轴线倾斜的方向，用于利用光束阵列扫描衬底的可移动工作台进行扫描。
46、根据权利要求45所述的装置，该装置进一步包括用于使光束变窄，并对每条光束产生主瓣和相应旁瓣的射束成形器。
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