CN1869820A - 使用超像素形式的倾斜镜面的光构图装置 - Google Patents

使用超像素形式的倾斜镜面的光构图装置 Download PDF

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Abstract

一种光构图系统包括提供具有一定波长(λ)的辐射束的照明系统。反射像素阵列构图该束，其中阵列包括像素，该像素至少具有逻辑耦合到第二倾斜镜面的第一倾斜镜面。在实施例中，第一和第二倾斜镜面(i)基本上彼此相邻；且(ii)在高度上彼此偏移第一镜面位移。包括将构图束投射到目标上的投影系统。在可选实施例中，反射像素阵列包括具有彼此逻辑耦合的第一到第四倾斜镜面的像素。第一到第四倾斜镜面(i)分别在高度上与参考平面偏移第一到第四镜面位移，且(ii)分别顺时针排列在基本正方形的图形中。

Description

使用超像素形式的倾斜镜面的光构图装置
技术领域
本发明涉及光构图装置及其使用方法。
背景技术
构图装置用于构图入射光。静态构图装置可以包括标线片或掩模。动态构图装置可以包括通过接收模拟或数字信号产生图形的单独可控元件的阵列。这种动态构图装置有时被称为无掩模系统。用于使用构图装置的典型环境可以是但不限于光刻设备、投影仪、投影显示设备等等。
最近，有时被称为空间光调制器的单独可控元件的阵列可以包括各种类型的微镜面阵列。镜面类型包括但不限于扁平倾斜镜面、单相位阶跃的(single phase-step)倾斜镜面、活塞式镜面或组合倾斜和活塞式的混合镜面。当通过微镜面阵列对物体成像时，由每个镜面反射的光的相位和强度是重要参数。在具有倾斜镜面的单独可控元件的常规阵列中，到达图像平面的负性光(即，异相光)的最大量远远小于到达图像平面的正性光(即，同相光)的最大量。例如，扁平倾斜镜面可以实现100％正相强度和4.7％负相强度之间任何位置的强度调制或灰度级。这种有限的负相强度已经证明在某些类型常规掩模的仿真中成为局限，例如相位偏移掩模。
提高强度调制或灰度级特性的一种方法是使用单相位阶跃的倾斜镜面，该镜面例如具有λ/4的高度阶跃和λ/2的相位阶跃，其中λ是成像波长。这种镜面已经由瑞典的微型激光系统发明。这种镜面可以实现+50％和-50％之间任何位置的相位强度调制。用于提高强度调制特性的另一种方法是使用双相位阶跃的倾斜镜面，如2004年11月24日提出的、名称为“使用双相位阶跃元件的图形发生器及其使用方法”的共同未决申请No.10/995,092(代理标签No.1857.3290000)中所公开的，在此引入其内容以作参考。
然而，一般来说，倾斜镜面的光刻性能对镜面到镜面的相位/高度误差非常敏感。本发明人承担的工作表明，通过1个总和的统计偏差(即，一个标准偏差)，在65nm节点处的高度需求为1nm左右。现行SLM技术不允许这种级别的镜面高度控制。SLM技术的状态呈现的误差比所需要的至少大四倍。
由于这些和其他原因，需要其他替代的方案，以提高诸如倾斜镜面的单独可控元件阵列的强度和相位调制特性。例如，其将有益于独立模拟任意灰度级和相位，以有效地仿真不同类型的光刻掩模，例如二元掩模、衰减相移掩模(AttPSM)、交替相移掩模(AltPSM)、CPL和旋涡式掩模。
发明内容
光构图系统包括提供具有中心波长(λ)的辐射束的照明系统。反射像素阵列构图该束，其中该阵列包括具有至少一个与第二倾斜镜面逻辑耦合的第一倾斜镜面的像素。在实施例中，第一和第二倾斜镜面：(i)基本彼此相邻；且(ii)在高度上彼此偏移第一镜面位移。最后，包括将构图束投射到目标上的投影系统。在可选实施例中，反射像素阵列包括具有彼此逻辑耦合的第一至第四倾斜镜面的像素。第一至第四倾斜镜面：(i)分别与参考平面在高度上偏移第一到第四镜面位移，且(ii)分别以顺时针方向排列在基本正方形的图形中。也可以使用其他多个镜面。
还描述了一种用于构图辐射束的方法。该方法包括通过反射像素阵列构图具有波长(λ)的辐射束。该阵列包括至少具有逻辑耦合到第二倾斜镜面的第一倾斜镜面的超像素。第一和第二倾斜镜面：(i)在高度上彼此偏移第一镜面位移，且(ii)基本彼此相邻。然后将构图束投射到物体的目标部分上。公开了四个或更多镜面的类似方法。
下面将参考附图详细描述本分明的其他实施例、特征和优点，以及本分明的结构和各实施例的操作。
附图说明
在此引入并形成说明书一部分的附图示出了本发明，并与描述一起进一步用于解释本发明的原理并且能够使相关技术领域的技术人员制造并使用本发明。在附图中，相同的参考数字表示同样的或功能类似的元件。此外，在大多数附图中，参考数字最左边的阿拉伯数字表示该参考数字第一次出现的图号。
图1描绘了根据本发明一个实施例的光刻设备。
图2A和2B示出了扁平倾斜镜面。
图2C示出了扁平倾斜镜面的振幅反射率和强度特性。
图3A和3B示出了包括两个矩形倾斜镜面的超像素。
图4A和4B示出了包括四个正方形倾斜镜面且具有平衡倾斜角和镜面位移的超像素。
图4C示出了复杂方格图案的超像素。
图5示出了具有任意分布的相位误差的超像素。
图6示出了具有非平衡高度和倾斜角的超像素。
图7A示出了单相位阶跃的倾斜镜面。
图7B示出了包括四个单相位阶跃倾斜镜面的超像素。
图8示出了如何根据特征位置在SLM中形成超像素。
现在将参考附图描述本发明。
具体实施方式
概述
虽然在本文中可以作为具体参考在构图衬底的光刻系统中使用构图装置，但应当明白在此描述的构图装置可以具有其他应用，例如在投影仪或投影系统中构图目标或显示装置(例如，在投影电视系统中，等等)。因此，在整个说明书中光刻系统和/或衬底的使用仅描述本发明的示例性
实施例。
使用照明系统、单独可控元件的阵列和投影系统，将系统和方法用于构图光。照明系统提供辐射束。单独可控元件(SLM)的阵列构图该束。投影系统将构图过的束投射到物体的目标位置上。在各种示例中，物体可以是显示装置、半导体衬底或晶片、扁平面板显示玻璃基板等，如下面更详细的论述。
单独可控元件的阵列可以包括各种类型的SLM。镜面类型包括但不限于扁平的倾斜镜面、单相位阶跃倾斜镜面、活塞式镜面或倾斜和活塞式组合的混合镜面。然而，如上所述，强度调制(例如，正性光和负性光的不同最大振幅)强行防止了这些阵列有效地仿真各种类型的掩模(例如，移相掩模)。而且，当校正各种类型的SLM缺陷和误差时，这些阵列通常效率低下。
在实施例中，单独可控元件的阵列包括倾斜镜面SLM。倾斜镜面可以是扁平的倾斜镜面或单相位阶跃的倾斜镜面。单独可控倾斜镜面可以在高度上彼此偏移，并且优选地在两个或更多个逻辑耦合的组中可编程选择以形成超像素。本发明人已经发现，将高度上偏移的倾斜镜面组合到超像素中提高了强度调制特性，并增强了阵列的能力以模拟任意灰度级和相位。这些特性还可以校正各种类型的SLM缺陷或误差。在实施例中，当倾斜镜面组(例如，2×2或4×4，等)逻辑耦合作为一个大像素执行时，形成了超像素。通过可编程地选择形成超像素的倾斜镜面的倾斜角，多种相位和灰度级的组合是可能的。因此，可以根据所需要部件的位置可编程地选择形成超像素的倾斜镜面。
术语
虽然在本文中可以作为具体参考在IC制造中使用光刻设备，但应当明白在此所述的光刻设备可以具有其他应用，例如，制造DNA芯片、MEMS、MOEMS、集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和探测图形、平板显示器、薄膜磁头、微观和宏观的射流元件，等等。本领域技术人员将意识到，在这种可选应用的范围内，在此术语“晶片”或“管芯”的任何使用可以认为分别与更通常的术语“衬底”或“目标部分”同义。
在曝光之前或之后，例如可以在示踪(track)(通常对衬底施加抗蚀剂层并显影已曝光的抗蚀剂的工具)或计量或检查工具中处理这里所称的衬底。在可应用时，这里的公开可以应用于这种和其他衬底处理工具。此外，例如，为了制造多层IC，可以将衬底处理不只一次，因此这里使用的术语衬底还可以指已经包括多个处理层的衬底。
如这里采用的术语“单独可控元件的阵列”应当广泛地解释为可以用于提供具有已构图截面的入射辐射束的阵列，以便在衬底的目标位置中制造期望的图形。术语“光阀”和“空间光调制器”(SLM)也可以用于本范围。上面和下面描述了这种构图装置的例子。
在实施例中，单独可控元件的阵列可以包括采用微镜面矩阵排列的可编程镜面阵列，例如通过施加合适的局部电场，或通过使用压电传动装置，可以相对于光轴单独倾斜其中的每一个。典型微镜面的尺寸约为8μm×8μm。微镜面是矩阵可寻址的，以使寻址镜面比未寻址镜面更直接地反射入射辐射束。借此，根据矩阵可寻址镜面的寻址图形构图反射束。使用合适的电子装置可以完成所需的矩阵寻址。
在一个示例中，在作为单个像素执行的超像素中可以一起协调镜面组。在该示例中，照明系统中的光学元件可以形成光束，以使每个束落到各镜面组上。在实施例中，单独可控元件的阵列可以包括一个或更多可编程镜面阵列。
应当意识到，在部件的预偏置中，使用光学邻近校正部件、相位变化技术和多曝光技术，例如，在单独可控元件阵列上“显示”的图形实质上可以与最后传输到衬底层或衬底上的图形不同。类似地，最后在衬底上产生的图形可以与任何一个瞬间在单独可控元件上形成的图形不一致。在装置中这可以是这种情况，其中在单独可控元件阵列和/或衬底相对位置上的图形改变期间，通过给定的时间段或给定的曝光数建立形成在衬底的每一部分上的最终图形。
这里使用的术语“辐射”和“束”包括所有类型的电磁辐射，包括紫外线(UV)辐射(例如，具有365、248、193、157或126nm的波长)和远紫外线(EUV)辐射(例如，具有5-20nm范围内的波长)，以及粒子束，例如离子束或电子束。
在光刻环境中，例如，作为适合于使用曝光辐射，或诸如使用浸液或使用真空的其他因素，这里使用的术语“投影系统”应当广泛地解释为包括各种类型的投影系统，包括折射光学系统、反射光学系统和反射折射光学系统。在此术语“透镜”的任何使用可以认为与更通常的术语“投影系统”同义。
照明系统还可以包括各种类型的光学元件，包括用于引导、成形或控制辐射束的折射、反射和反射折射的光学元件，并且这些元件在下面还可以共同或单独称作“透镜”。
光刻设备可以是具有两个(双阶)或更多衬底台(和/或两个或更多掩模台)的类型。在这种“多阶”机器中，可以并行使用另外的台，或者在一个或更多台上进行预备步骤，而将一个或多个其他台用于曝光。
光刻设备还可以是这种类型，其中将衬底浸到具有相对高折射率的液体(例如水)中，以便填充在投影系统的末级元件和衬底之间的空间。还可以将浸液用于光刻设备中的其他空间，例如，衬底和投影系统的第一元件之间。浸渍技术用于提高投影系统的数值孔径。此外，设备可以被提供有液体处理单元，以允许液体和衬底的被辐射部分之间的相互作用。
用于构图装置的示例性环境
如上所述，虽然本分明的构图装置可以用在很多不同环境中，但光刻环境将用于以下描述中。这仅仅为了说明性目的。
光刻设备是一种在物体的目标部分上施加期望图形的机器。例如，光刻设备可以用于在生物技术环境中、在IC、平板显示器、微米或纳米射流元件和包括精细结构的其他器件的制造中构图物体。在基于IC的光刻环境中，构图装置用于产生与单层IC(或其他器件)相对应的电路图形，并且这种图形可以在具有辐射敏感材料层(例如，抗蚀剂)的衬底(例如，硅晶片或玻璃板)上的目标部分(例如，包括一个或几个管芯的部分)上成像。如上所述，取代掩模，在无掩模IC光刻中构图装置可以包括产生电路图形的单独可控元件阵列。
通常，单个衬底将包括依次曝光的相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括步进器和扫描器，在步进器中通过在目标部分上一次曝光整个图形来辐射每个目标部分，在扫描器中通过在给定方向(“扫描方向”)上扫描穿过束的图形来辐射每个目标部分，而同时扫描与该方向平行或反平行的衬底。这些概念将在下面更详细地论述。
根据本分明的一个实施例，图1示意性地示出了光刻投影设备100。设备100至少包括辐射系统102、构图装置104(例如，静态装置或单独可控元件阵列)、物体台106(例如，衬底台)和投影系统(“透镜”)108。
辐射系统102用于提供辐射束110，在本例中其还包括辐射源112。如上所述，辐射束可以包括各种包括UV和EUV的源。
单独可控元件阵列104(例如，可编程镜面阵列)用于构图束110。在一个示例中，单独可控元件阵列104的位置相对于投影系统108是固定的。然而，在另一示例中，单独可控元件阵列104连接到相对投影系统108设定其位置的定位装置(未示出)。在所示的示例中，单独可控元件阵列104中的每个元件是反射型的(例如，具有反射的单独可控元件阵列)。
物体台106被提供有用于保持物体114(例如，涂敷抗蚀剂的硅晶片、玻璃衬底等)的物体支座(未具体示出)。在一个示例中，衬底台106连接到用于相对投影系统108精确定位衬底114的定位装置116。
投影系统108(例如，石英和/或CaF2透镜系统或包括由这种材料构成的透镜元件的反射折射系统、或镜面系统)用于将从分束器118接收的构图束投射到衬底114的目标部分120(例如，一个或多个管芯)上。投影系统108可以在衬底114上投射单独可控元件阵列104的图像。可选的，投影系统108可以投射次级源的图像，对于该次级源来说单独可控元件阵列104的元件用作快门。投影系统108还可以包括微透镜阵列(MLA)以形成次级源并将微型点投射到衬底114上。
源112(例如，准分子激光器等)产生辐射束122。束122被直接馈送到照明系统(照明器)124中或者在经过诸如束扩展器126的调节装置126之后被馈送到照明系统(照明器)124中。照明器124可以包括调节装置128，该调节装置128设定束122中的强度分布的外部和/或内部径向范围(通常分别称作σ-外部和σ-内部)。此外，照明器124可以包括各种其他部件，例如积分器130和聚光器132。借此，碰撞到单独可控元件阵列104上的束110在其截面中具有期望的均匀性和强度分布。
在一个示例中，源112在光刻投影设备100的外壳内(例如，作为通常情况，当源112是汞灯时)。在另一示例中，源112远离光刻投影设备100设置。在后一种示例中，将辐射束122引导到设备100中(例如，借助于合适的引导镜面(未示出))。当源112为准分子激光器时，后一种情况是通常情况。应该理解，这两种情况都考虑在本分明的范围内。
在使用分束器118引导后，束110随后与单独可控元件阵列104相互作用。在所示的示例中，已经通过单独可控元件阵列104反射的束110通过投影系统108，其将束110聚焦到衬底114的目标部分120上。
借助于定位装置116和基板136上的、用于接收通过分束器140的干涉束138的任意干涉仪测量装置134，精确移动衬底台106，以便在束110的路径中定位不同的目标部分120。
在一个示例中，用于单独可控元件阵列104的定位装置(未示出)可以用于精确校正单独可控元件阵列104相对于束110的路径的位置，例如在扫描期间。
在一个示例中，借助于长冲程模块(粗定位)和短冲程模块(精定位)实现衬底台106的移动，其未在图1中明确描述。类似的系统还可以用于定位单独可控元件阵列104。将意识到，束110可选地/额外地是可移动的，而衬底台106和/或单独可控元件阵列104可以具有固定位置以提供所需的相对移动。
在另一示例中，衬底台106是固定的，衬底114在衬底台106上方是可移动的。在这样做时，衬底台106在平坦的最上层表面上被提供有许多开口。通过开口提供气体以提供气垫，其支撑衬底114。这称作气浮装置。使用一个或多个传动器(未示出)使衬底114在衬底台106上方移动，传动器相对于束110的路径精确定位衬底114。在另一示例中，通过有选择地开始和停止通过开口的气体通道在衬底台106上方移动衬底114。
虽然在此将根据本分明的光刻设备100描述成用于曝光衬底上的抗蚀剂，但将意识到本分明不限于这种应用，而且设备100可以用于投影在无抗蚀剂光刻中使用的构图束110，以及其他应用。
可以以五种模式中的至少一种使用所述设备100：
1.步进模式：在单一曝光(即，单一“闪烁”)期间将单独可控元件阵列104上的整个图形投射到目标部分120上。然后在x和/或y方向上将衬底台106移动到用于不同目标部分120的不同位置以便通过构图束110辐射。
2.扫描模式：基本上与步进模式相同，只是给定的目标部分120不在单一“闪烁”中曝光。相反地，在给定方向(例如，“扫描方向”，比如y方向)上以速度v移动单独可控元件阵列104，使得构图束110在单独可控元件阵列104上方扫描。同时，衬底台106在相同或相反方向上以速度V＝Mv同时移动，其中M是投影系统108的放大率。借此，可以曝光相对大的目标部分，而不必损害分辨率。
3.脉冲模式：单独可控元件阵列104基本保持固定，使用脉冲辐射系统102在衬底114的目标部分120上投射整个图形。衬底台106以基本恒定的速度移动，使构图束110扫描跨越衬底106的直线。作为需要，在辐射系统102的脉冲之间更新单独可控元件阵列104上的图形，并将脉冲定时以便在衬底114上的所需位置处曝光连续的目标部分120。因此，构图束110可以扫描整个衬底114以曝光用于一条衬底114的全部图形。重复该工艺直到逐线地曝光完整个衬底114。
4.连续脉冲模式：基本上与脉冲模式相同，只是使用基本恒定的辐射系统102并在构图束110扫描整个衬底114并曝光它时更新单独可控元件阵列104上的图形。
5.像素栅格成像模式：通过由对准到阵列104上的光点发生器130所形成光点的连续曝光来实现形成在衬底114上的图形。曝光的光点具有基本相同的形状。在衬底114上，光点基本上印刷在栅格中。在一个示例中，光点尺寸大于被印刷的像素栅格的间距，但远小于曝光光点栅格。通过改变被印刷的光点的强度，完成图形。在曝光闪烁之间，改变光点上的强度分布。
还可以采用上述使用模式的组合和/或变形或者完全不同的使用模式。
可编程元件阵列中的示例性超像素
如上所述，本发明的实施例包括提供辐射束的照明系统、用于构图辐射束的单独可控元件阵列(例如，SLM芯片)和将构图束投射到目标上的投射系统。单独可控元件阵列优选包括形成一个或更多“超像素”的多个单独倾斜镜面。当至少两个基本相邻的倾斜镜面彼此逻辑耦合并一起作为单个像素工作时形成超像素。超像素的两个参数是本发明特别关心的。第一，可以可编程地选择超像素中的单个倾斜镜面的各倾斜角以便反射具有一定强度或灰度级的辐射束。第二，通过一定的镜面位移可以使两个相邻的倾斜镜面在高度上彼此偏移，以实现所需的相移。通过调整这两个参数，根据本发明的超像素可以模拟所有已知类型掩模的灰度级和相位，包括二进制、AttPSM、AltPSM、CPL和旋涡式掩模。此外，根据本发明的超像素还可以用于校正通过倾斜镜面校准方法无法纠正的相位误差和其他SLM误差。
图2A和2B示出了基本正方形的扁平倾斜镜面。倾斜镜面205具有宽度(W)并且可以沿其轴210倾斜。倾斜镜面205优选为“相位型”倾斜镜面。相位型倾斜镜面通常以模拟模式操作，其中在镜面完全打开(即，最大反射强度)和完全关闭(即，零反射强度)之间存在许多状态。不同的状态对应于不同的灰度级或强度，并通过倾斜角来控制。相位型倾斜镜面可以与“偏转型”倾斜镜面对比，“偏转型”倾斜镜面将入射辐射束几何地偏转到一侧，使其错过成像透镜的孔径。因此偏转型倾斜镜面以数字模式操作，其中它要么完全打开，要么完全关闭。
如上所述，组成超像素的倾斜镜面的一个重要参数是倾斜角。通过其倾斜角控制相位型镜面的状态。这种关系在图2C中示出。通过线230表示振幅函数，而通过线240表示强度函数。最大振幅和强度的状态在点220处示出，其中倾斜角为零。零倾斜角通常在镜面静止或不倾斜(例如，未在SLM阵列中寻址)时发生。当镜面倾斜时，振幅和强度减小到最小强度和零振幅的状态，由倾斜角250表示。倾斜角250是零交叉倾斜角。对于正方形镜面来说，最小强度的点发生在倾斜为从镜面的一侧到另一侧的入射辐射束的波长(λ)的一半时。当倾斜角经过零交叉倾斜角增大时，复合振幅可以具有负号，而强度的大小持续为正。这种倾斜角可以称为黑倾斜角。具有最大负振幅的黑倾斜角以倾斜角260表示。通过下式给出用于正方形扁平倾斜镜面的平均振幅响应：
A ~ = w 2 sin c ( α α 0 )
α 0 = 1 2 λ Mw (零交叉倾斜角)
αnb≈1.4α0    (最大负黑倾斜角)
其中α是倾斜角，w是倾斜镜面的1/2W，λ是入射辐射束的波长，且M是(必须从发明人得到)。组成超像素的每个倾斜镜面具有单独可控的(即，可编程的)倾斜角。
如上所述，超像素的第二个重要参数是组成超像素的各个倾斜镜面之间的高度偏移。个别地，高度上偏移的相邻扁平微镜具有纯相位调制效应。通常根据入射辐射束的波长的一部分(例如，h＝1/4λ)来建立高度偏移(在此也称作镜面位移)。然而，在一些实施例中，可以故意利用小的高度偏移(例如，h＜1/8λ)以校正某些已知的SLM缺陷。
根据具体的高度偏移，相邻的扁平微镜可以在100％正相位强度和100％负相位强度之间的任意处实现强度调制。镜面高度和相位与下式相关：
Figure A20061007714700143
高度
其中，是相位，λ是入射辐射束的波长。入射光被镜面反射，并由此光学路径的偏移是高度的两倍。因此，例如，1/4λ的镜面位移等于相位改变π。应当注意到，可以预先确定高度偏移(或镜面位移)。也就是说，根据SLM阵列所需要的相位特性，将高度偏移形成在单独可控的倾斜镜面阵列中。
图3A和3B示出了由通过一定的镜面位移彼此在高度上偏移的两个逻辑耦合的矩形倾斜镜面构成的单一超像素。具体地，图3A和3B示出了超像素，其中两个矩形倾斜镜面302和304基本彼此相邻设置。倾斜镜面302和304彼此逻辑耦合。换言之，对它们编程并寻址，以便用作SLM阵列内的一个单元，并执行单个像素的功能。此外，倾斜镜面302和304彼此在高度上偏移入射辐射束的四分之一波长(1/4λ)。应当注意到，四分之一波长的偏移量是示例性的。其他示例性偏移量包括1/2λ、1/8λ，甚至更小的偏移量。
图4A和4B示出了超像素400，其包括具有平衡镜面位移和倾斜角的四个倾斜镜面。超像素400具有四个逻辑耦合的倾斜镜面402、404、406和408。镜面402-408分别顺时针布置在基本正方形的图形中。此外，倾斜镜面在高度上偏移于参考平面(未示出)，其中零高度偏移意味着镜面与参考平面平齐。具体地，镜面402和406具有零镜面位移，并且逻辑耦合以使它们的倾斜角(α1)保持相等。镜面404和408具有1/4λ的镜面位移并且彼此逻辑耦合，以使它们的倾斜角(α2)保持相等。所有的四个倾斜镜面401-408彼此逻辑耦合，以使它们用作SLM阵列内的单个像素。这种超像素在此被认为具有“平衡”镜面位移和倾斜角，其中彼此斜对设置的镜面具有基本相同的高度和倾斜特性。用于实际的方格图案超像素400的平均振幅反射率响应如下：
Figure A20061007714700151
其中，w是单个倾斜镜面(例如倾斜镜面406)的宽度，且α0是零交叉倾斜角。
这里可以实现相等的最大正振幅和负振幅。因此，实际的方格图案超像素可以用于模拟AltPSM掩模。将实际的方格图案超像素与等效的单个扁平倾斜镜面(例如，倾斜镜面205)相比，存在从100％至约37％的正强度减小，但负强度从4.7％增大到约负37％。这意味着具有单个镜面的AltPSM模拟需要“扔掉”95％以上的可能被镜面反射的光，而超像素400仅扔掉了67％的光。因此，使用包括扁平倾斜镜面的超像素可以实现AltPSM。
图4C示出了复杂方格图案超像素410。与图4A和4B中所示的超像素一样，超像素410的镜面位移和倾斜角是平衡的。超像素410也具有四个逻辑耦合的倾斜镜面412、414、416和418。镜面412-418分别顺时针布置在基本正方形的图形中。具体地，镜面412和416具有负1/16λ的镜面位移，并且逻辑耦合以使它们的倾斜角(α1)保持相等。镜面414和418具有1/16λ的镜面位移并且逻辑耦合，以使它们的倾斜角(α2)保持相等。用于图4C所示的复杂方格图案超像素的平均振幅反射率响应如下：
Figure A20061007714700161
其中，w是单个倾斜镜面(例如倾斜镜面416)的宽度，且α0是零交叉倾斜角。如果相对于单个扁平倾斜镜面的强度α1＝α2导致50％的强度降低，可以完成恒定相位处(在这种情况下相位＝0)的灰度换算(grayscaling)。另外，性能与超像素400一样。
在更实际的情形中，除所设计的相位偏移外，超像素中的每个单个倾斜镜面将具有相位误差(Δi)，该相位误差可能随机分布在形成超像素的单独可控倾斜镜面SLM阵列上。这种超像素在图5中示出，其表示具有相位误差的复杂方格图案超像素。具体地，图5示出了具有四个倾斜镜面的超像素500，其中镜面位移是平衡的。对镜面501、502、503和504来说相位偏移分别表示为Δ1-Δ4，倾斜角分别表示为α1-α4。图5的复杂方格图案超像素的平均振幅反射率响应如下：
Figure A20061007714700163
将镜面集合成对(501，503)和(502，504)并且计算每对的补偿振幅，α1＝α2时，得到：
对于α1＝α2
Figure A20061007714700171
2 w 2 sin c ( α 1 α 0 ) ( cos ( Δ 3 ) cos ( Δ 1 ) + sin ( Δ 3 ) sin ( Δ 1 ) cos ( Δ 3 ) + sin ( Δ 3 ) + cos ( Δ 4 ) cos ( Δ 2 ) + sin ( Δ 4 ) sin ( Δ 2 ) cos ( Δ 4 ) + sin ( Δ 4 ) )
由此，校正相位误差得到了衰减的反射振幅。这种衰减是百分之几，即使对于大约5度的相位误差来说。对于较大的相位误差来说，在光栅化(rasterization)期间必须考虑这种反射率的减小。
上述实施例已经广泛地示出了平衡的高度偏移(镜面位移)和倾斜角。在可选实施例中，可以形成不平衡的超像素。图6示出了这种不平衡的超像素600。在图6的实施例中，超像素600被示出具有四个逻辑耦合的倾斜镜面，分别标识围602，604，606和608。倾斜镜面602具有零镜面位移的倾斜角α1，倾斜镜面604具有1/8λ的镜面位移的倾斜角α2，倾斜镜面606具有1/4λ镜面位移的倾斜角α3，倾斜镜面608具有3/8λ的镜面位移的倾斜角α4。换言之，在本实施例中，镜面位移形成螺旋形状。这种不平衡的复杂螺旋状超像素的平均振幅反射率响应如下：
为了产生纯相位目标性能，需要能够改变固定振幅处的相位。并且，应当注意到，最大振幅与w2＝W2/4成比例，因此，最大强度是等效单一宽度活塞式镜面的1/16th。对于本例来说，这意味着模拟任意相位的能力达到了损失约94％反射率的成本。
当倾斜角适当设置时，相同的复杂螺旋状超像素还可以用作灰度级器件。在这种情况时，可以保持相位恒定并改变超像素的灰度级。在这种情况下最大正和负强度约为由等效单一宽度扁平倾斜镜面反射的最大强度的18％。与单一宽度扁平倾斜镜面的95％损失相比，这种组合可以模拟具有约82％损失的AltPSM。
在又一可选实施例中，可以使用相位阶跃的倾斜镜面形成超像素。相位阶跃镜面具有在正和负两种倾斜方向上能够产生扁平镜面的负70％到正70％振幅反射率的优点，其中扁平倾斜镜面具有从负20％到正100％范围内的振幅反射率。
图7A示出了单相位阶跃的倾斜镜面。这种镜面已经由瑞典的Micronic Laser Systems，Box3141，18303 Taby所发明。示例性单相位阶跃的倾斜镜面可以具有λ/4的高度台阶和λ/2的相位阶跃。如上所述，这种镜面可以实现50％和负50％之间任意处的强度调制。图7B示出了包括这种相位阶跃镜面的超像素。
如图所示，超像素700在镜面704和708具有1/8λ的镜面位移时具有平衡的镜面位移。超像素700能够模拟所有掩模类型，包括任意相位的掩模类型，例如具有比上述具有扁平倾斜镜面的螺旋状超像素(即，超像素600)更大效率的旋涡式掩模。超像素700的强度效率在与两个子像素对(例如，镜面702，704)之一的自然相位相一致的相位的12.5％至恰好在这些相位之间的相位的25％之间的范围内。这可以与纯活塞式镜面的100％强度效率相对比。然而，强度效率仍然高于平衡的、1/8λ位移超像素的扁平镜面的效率的9％。
在可选实施例中(未示出)，可以在相位阶跃倾斜镜面之间的平衡形式中故意强加小的镜面位移(例如，h＜＜1/8λ)。这种高度偏移方案可以补偿在SLM阵列中制造单个倾斜镜面期间所发生的小的随机高度变化的相位效应的最小光损失。这种超像素的最大效率仍为约50％。
总之，超像素结构中的相位阶跃镜面在需要稳定的相位偏移时产生更高的强度效率，并且相比于使用扁平倾斜镜面时，在超像素上产生更加对称分散的强度。通过相位阶跃镜面，不再需要螺旋结构(例如，超像素600)来寻址所有相位角度。而且，在负和正的相位检测中通过由相位阶跃镜面所产生的对称强度的优点，超像素700的平衡镜面结构就足够了。
如上所述，本分明人已经揭示了将相对于彼此在高度上偏移的倾斜镜面组合到超像素中提高了强度调制特性，并且平衡了阵列模拟任意灰度级和相位的能力。在实施例中，SLM芯片在可寻址阵列中可以具有上百万的倾斜微镜。SLM图形生成器将根据所需的反射率和相位特性并根据要成像的部件位置选择合适的超像素结构。应当注意到，为了简明，上述实施例已经包括了两个或四个镜面的超像素结构。然而，根据所需要的像素特性，可以在SLM图形生成器中可编程地选择包括任意数量镜面的超像素。
图8示出了由单独可控扁平倾斜镜面(例如，801a和801b)组成的SLM阵列800的示范部分。构造SLM阵列800的示范部分，使得单个倾斜镜面在高度上彼此偏移。例如，倾斜镜面801a可以具有距参考平面(未示出)为零的镜面位移，而倾斜镜面801b可以具有距参考平面为λ/4的镜面位移。示范性倾斜镜面在顺时针图形中排列，以便通过选择或寻址四个相邻镜面可以形成平衡超像素(例如，超像素400)。这在图8中通过在组成超像素(例如，超像素805)的四个镜面上重叠的圆示出。图8还示出了怎样根据要在目标上施加的部件的位置来选择超像素。这种部件由图形802a和802b示出。
以上已经描述了本分明的多个实施例。应当理解，这些实施例仅以示例的方式存在，且不限于此。本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的本分明精神和范围的情况下，可以在上述实施例的形式和细节上进行各种改变。因此，本分明的宽度和范围应不受任何上述示例性实施例的限制，而应当仅根据以下权利要求及其等价来限定。

Claims (29)

1、一种光构图系统，包括：
用于提供具有一定波长(λ)的辐射束的照明系统；
用于构图所述束的单独可控元件阵列，其中所述阵列包括超像素，该超像素至少具有逻辑耦合到第二倾斜镜面的第一倾斜镜面，并且其中所述第一和第二倾斜镜面(i)基本上彼此相邻，且(ii)在高度上彼此偏移第一镜面位移，以及
用于将所述构图束投射到目标上的投影系统。
2、权利要求1的系统，其中所述第一镜面位移为λ的一部分。
3、权利要求1的系统，其中所述第一镜面位移是从零、λ/4或λ/8构成的组中选择的。
4、权利要求1的系统，其中所述第一和第二倾斜镜面分别具有可编程的第一和第二倾斜角，由此使包括所述第一和第二倾斜镜面的超像素反射具有选定灰度级和相位的辐射束。
5、权利要求4的系统，其中当所述第一和第二倾斜镜面处于静止时，所述第一和第二倾斜镜面处于最大反射率的位置。
6、权利要求1的系统，其中所述倾斜镜面的每一个为扁平倾斜镜面。
7、权利要求1的系统，其中所述倾斜镜面的每一个为相位阶跃镜面。
8、权利要求7的系统，其中当所述第一和第二倾斜镜面静止时，所述第一和第二倾斜镜面处于最小反射率的位置。
9、权利要求1的系统，其中根据将在所述目标上构图的部件的位置，从多个这种倾斜镜面之中选择形成所述像素的所述第一和第二倾斜镜面，以形成所述像素。
10、一种光构图系统，包括：
用于提供具有一定波长(λ)的辐射束的照明系统；
用于构图所述束的反射像素阵列，其中所述阵列包括像素，该像素具有彼此逻辑耦合的第一到第四倾斜镜面，并且其中所述第一到第四倾斜镜面(i)基本排列成正方形图形，且(ii)相对参考平面在高度上分别偏移第一到第四镜面位移；以及
用于将所述构图束投射到目标上的投影系统。
11、权利要求10的系统，其中所述镜面位移是平衡的，使得所述第一镜面位移基本等于所述第三镜面位移，且所述第二镜面位移基本等于所述第四镜面位移。
12、权利要求11的系统，其中所述第一和第三镜面位移为零，而所述第二和第四镜面位移为λ/4。
13、权利要求11的系统，其中所述第一和第三镜面位移为零，而所述第二和第四镜面位移为λ/8。
14、权利要求12的系统，其中所述第一到第四镜面位移为零。
15、权利要求10的系统，其中所述第一到第四镜面位移彼此不同。
16、权利要求15的系统，其中所述第一到第四镜面位移小于λ/8。
17、权利要求15的系统，其中所述第一镜面位移为零，所述第二镜面位移为λ/8，所述第三镜面位移为λ/4，所述第四镜面位移为3λ/8。
18、权利要求10的系统，其中所述第一到第四倾斜镜面分别具有可编程的第一到第四倾斜角，由此使包括所述第一到第四倾斜镜面的超像素反射具有选定灰度级和相位的辐射束。
19、权利要求18的系统，其中所述倾斜角是平衡的，使得所述第一倾斜角基本等于所述第三倾斜角，而所述第二倾斜角基本等于所述第四倾斜角。
20、权利要求18的系统，其中所述第一到第四倾斜角彼此不同。
21、权利要求18的系统，其中当所述第一到第四倾斜镜面静止时，所述第一到第四倾斜镜面处于最大反射率的位置。
22、权利要求10的系统，其中所述倾斜镜面的每一个为扁平倾斜镜面。
23、权利要求10的系统，其中所述倾斜镜面的每一个为相位阶跃镜面。
24、权利要求23的系统，其中当所述第一到第四倾斜镜面静止时，所述第一到第四倾斜镜面处于最小反射率的位置。
25、权利要求10的系统，其中根据将在所述目标上构图的部件的位置，从多个这种倾斜镜面之中选择所述第一到第四倾斜镜面，以形成所述超像素。
26、一种用于构图辐射束的方法，包括：
使用反射像素阵列构图具有波长(λ)的辐射束，其中所述阵列包括超像素，该超像素至少具有逻辑耦合到第二倾斜镜面的第一倾斜镜面，并且其中所述第一和第二倾斜镜面(i)在高度上彼此偏移第一镜面位移，且(ii)基本上彼此相邻；以及
将构图束投射到物体的目标部分上。
27、权利要求26的方法，其中所述第一和第二镜面分别具有第一和第二倾斜角，该方法还包括可编程地选择所述第一和第二倾斜角，使所述像素反射具有选定灰度级和相位的辐射束。
28、权利要求26的方法，还包括使用所述超像素模拟二进制掩模、衰减相移掩模和交替相移掩模中的至少一种。
29、权利要求26的方法，还包括根据在所述目标上构图的部件位置，从多个这种倾斜镜面中选择所述第一和第二倾斜镜面。
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