CN101359215A - 计算机生成的全息图元件、曝光设备以及器件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算机生成的全息图元件、曝光设备以及器件制造方法。本发明提供一种计算机生成的全息图元件，其通过向入射光的波阵面给出相位分布而在预定平面上形成光强分布，所述计算机生成的全息图元件包括：各向异性层，该各向异性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率不同于该各向异性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率，其中，第二方向上的线性偏振光与第一方向上的线性偏振光垂直，以及各向同性层，该各向同性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率等于该各向同性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率。

Description

计算机生成的全息图元件、曝光设备以及器件制造方法
技术领域
本发明涉及一种计算机生成的全息图元件(computer generatedhologram)、曝光设备以及器件制造方法。
背景技术
通常采用投影曝光设备，以便例如通过使用光刻法(photolithography)来制造微型图案半导体器件(诸如半导体存储器或逻辑电路)。投影曝光设备将中间掩模(reticle)(掩模)上形成的电路图案经由投影光学系统投射并转印到例如晶片上。
通过下面的等式给出投影曝光设备的分辨率R：
R＝k1×(λ/NA)                                   …(1)
其中，λ是曝光波长，NA是投影光学系统的数值孔径，k1是通过例如显影处理确定的处理常数。
曝光波长越短，或者投影光学系统的NA越高，分辨率越好。然而，因为玻璃材料的透射率随着曝光波长的缩短而下降，所以难以进一步缩短当前的曝光波长。此外，因为聚焦的深度与投影光学系统的NA成反比例地下降，并且难以设计和制造用于形成高NA投影光学系统的透镜，所以难以增加投影光学系统的NA。
在这种情况下，已经提出通过降低处理常数k1来改进分辨率的分辨率增强技术(RET)。这些RET之一为所谓的变形照明方法(或斜照明方法)。
变形照明方法通常将孔径光阑(其在光学系统的光轴上具有遮光板)插入形成均匀表面光源的光学积分器的出射表面附近，从而利用曝光光来倾斜地照射中间掩模。例如，变形照明方法包括环形照明方法和四极照明方法，它们在孔径光阑的孔径形状(即，光强分布的形状)方面有所不同。还提出另一种变形照明方法，该方法使用计算机生成的全息图元件(CGH)来代替孔径光阑，以便提高曝光光的使用效率(照明效率)。
随着投影光学系统的NA增加，控制曝光光的偏振状态的偏振照明方法也成为增加投影曝光设备的分辨率所必需的。偏振照明方法基本上不用P偏振而只用S偏振的光对中间掩模进行照射，其具有相对于光轴的同心部件。
近些年来，已经提出获得变形照明方法(形成具有期望形状(例如，四极形状)的光强分布)和偏振照明方法(偏振状态控制)两者的技术。
例如，第2006-196715号特许公开日本专利公开了一种通过使用一个元件来获得变形照明方法和偏振照明方法两者的技术。第2006-196715号特许公开日本专利使用CGH来控制光强分布的形状(重构图像)，并使用结构双折射来控制偏振状态。更具体地说，所述技术通过平行地排列与沿着相同的偏振方向的光束相应的多个CGH(以下称为“子CGH”)来形成一个CGH，并将与偏振方向相应的结构双折射应用于每个子CGH。
第2006-49902号特许公开日本专利通过采用偏振控制器作为用于控制应用于子CGH的偏振模式的部件来选择性地使用期望的偏振模式。
第2006-5319号特许公开日本专利公开了一种能够控制通过变形照明方法和偏振照明方法而代表性地形成的四极光强分布的四个极点之间的平衡的技术。更具体地说，第2006-5319号特许公开日本专利通过将CGH划分为4个CGH来形成子CGH，并改变入射光的强度分布，从而使得能够改变通过CGH获得的重构图像的极点平衡。
然而，现有技术通过将一个CGH划分为多个CGH来形成子CGH，所以如果光学积分器不能充分地校正入射光的强度分布(例如，如果光只进入某些CGH)，则在重构图像中出现照明变化。
当多个子CGH被组合时，由于在子CGH之间的边界产生结构上的不连续而产生不必要的衍射光，这导致通过CGH获得的重构图像中的劣化。可通过改进计算机生成的全息图元件的设计来消除子CGH之间的边界处出现的结构上的不连续，但是这产生了另一问题，即，设计成本巨幅增长。
当通过偏振控制器选择性地使用偏振模式时，来自曝光光源的光(曝光光)的使用效率(照明效率)显著下降(即，光量的损失增加)。
发明内容
本发明提供一种计算机生成的全息图元件，其能够抑制照明变化和光量的损失，并在期望的偏振状态下形成具有期望的形状的光强分布(重构图像)。
根据本发明的一方面，提供一种计算机生成的全息图元件，其通过对入射光的波阵面(wavefront)给出相位分布而在预定平面上形成光强分布，所述计算机生成的全息图元件包括：各向异性层，该各向异性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率不同于该各向异性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率，其中，第二方向上的线性偏振光与第一方向上的线性偏振光垂直；以及各向同性层，该各向同性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率等于该各向同性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率，其中，通过向入射光的第一方向上的线性偏振光分量的波阵面以及入射光的第二方向上的线性偏振光分量的波阵面给出不同相位分布，使得由入射光的第一方向上的线性偏振光分量在预定平面上形成的第一光强分布不同于由入射光的第二方向上的线性偏振光分量在预定平面上形成的第二光强分布。
根据本发明的另一方面，提供一种曝光设备，包括：照明光学系统，被配置为用来自光源的光对中间掩模进行照射；以及投影光学系统，被配置为将中间掩模的图案投射到基底上，其中，该照明光学系统包括上述计算机生成的全息图元件。
根据本发明的另一方面，提供一种器件制造方法，包括以下步骤：使用上述曝光设备对基底进行曝光，以及对被曝光的基底执行显影处理。
通过以下结合附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特点将变得清楚。
附图说明
图1是用于解释根据本发明一方面的计算机生成的全息图元件的示图。
图2A是示出图1所示的计算机生成的全息图元件的布置的示意性透视图。
图2B是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件的4个单元(cell)的示意性截面图。
图3是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件的4个单元的示意性截面图。
图4是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件的4个单元的示意性截面图。
图5是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件的4个单元的示意性截面图。
图6A到图6F是用于解释根据本发明一方面的计算机生成的全息图元件的设计的示例的示图。
图7是用于解释具有多于两个步阶(step)的计算机生成的全息图元件的示图。
图8是解释根据本发明一方面的曝光设备的示图。
图9是示出传统曝光设备的示图。
图10是示出根据本发明一方面的曝光设备的示图。
图11是示出计算机生成的全息图元件的附近以及图10所示的曝光设备中的λ/4波片的示意性透视图。
具体实施方式
以下将参照附图来描述本发明的优选实施例。在整个附图中，相同的标号指示相同的部件，以及不对所述部件进行重复描述。
图1是用于解释根据本发明一方面的计算机生成的全息图元件的示图。如图1所示，计算机生成的全息图元件100通过向入射光的波阵面给出相位分布而在预定平面PS(例如，在孔径位置)上形成光强分布(重构图像)LI。计算机生成的全息图元件100向用作沿着第一方向的线性偏振光(该偏振光的偏振方向是第一方向)的X偏振光的波阵面以及用作沿着第二方向的线性偏振光(该线性偏振光的偏振方向是第二方向)的Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布。这样能够使得由X偏振光(沿着入射光的第一方向的线性偏振光)形成的第一光强分布LI1不同于由Y偏振光(沿着入射光的第二方向的线性偏振光分量)形成的第二光强分布LI2。沿着第二方向的线性偏振光与沿着第一方向的线性偏振光垂直。
将在以下详细解释向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同相位分布的计算机生成的全息图元件100。图2A是示出计算机生成的全息图元件100的布置的示意性透视图。图2B是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件100的4个单元110a到110d的示意性截面图。如图2A所示，通过按照四方晶格图案排列多个矩形单元110来形成计算机生成的全息图元件100。如图2B所示，所述多个单元110中的每一个包括：各向同性层(各向同性介质)112，其相对于X偏振光的折射率等于其相对于Y偏振光的折射率，以及各向异性层(各向异性介质)114，其相对于X偏振光的折射率不同于其相对于Y偏振光的折射率。换言之，通过堆叠各向同性层112和各向异性层114来形成所述多个单元110中的每一个。
为了向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布，计算机生成的全息图元件100必须独立地控制沿着各个偏振方向的波阵面。考虑到在该实施例中计算机生成的全息图元件100是两步阶式计算机生成的全息图元件，有必要向沿着两个偏振方向的波阵面给出二元相位。为此，计算机生成的全息图元件100的单元110必须具有四种类型的单元结构。图2B所示的单元110a到110d中的每一个具有所述四种类型中的一种的单元结构。单元结构在此是指各向同性层112和各向异性层114的布置(各向同性层112和各向异性层114的厚度)。因为通过按照四方晶格图案排列具有所述四种类型的单元结构的单元110来形成计算机生成的全息图元件100，所以通过多个步阶来形成各向同性层112和各向异性层114中的每一个。换言之，通过具有不同厚度的多个局部区域来形成各向同性层112和各向异性层114中的每一个。
可使用各向同性层112的折射率n、各向异性层114相对于X偏振光的折射率nx以及各向异性层114相对于Y偏振光的折射率ny来表示单元110a到110d沿着Z方向的步阶高度。为了简明起见，该实施例将例示nx-n＝n-ny＞0的情况。为了形成两步阶式计算机生成的全息图元件100，相移π是必需的。为了达到这种状态，在大气与各向同性层112之间的边界处的一步阶高度h1仅需要满足：
h1＝(1/4)·(λ/(n-1))                         …(2)
在各向同性层112与各向异性层114之间的边界处的一步阶式高度h2仅需要满足：
h2＝(1/4)·(λ/(nx-n))＝(1/4)·(λ/(n-ny))    …(3)
如图2B所示，通过使用所述步阶高度h1和h2的多个步阶(具有不同厚度的多个局部区域)来形成各向同性层112和各向异性层114。
以单元110a作为参考，由于进入单元110b的X偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而超前π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而超前π/2，所以其整体超前π。此外，以单元110a作为参考，由于进入单元110b的Y偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而超前π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而迟滞π/2，所以其整体上保持为与所述参考相同。
以单元110a作为参考，由于进入单元110c的X偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而超前π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而迟滞π/2，所以其整体上保持为与所述参考相同。此外，以单元110a作为参考，由于进入单元110c的Y偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而超前π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而超前π/2，所以其整体超前π。
以单元110a作为参考，由于进入单元110d的X偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异(两个步阶)而超前π，并且不因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而改变，所以其整体超前π。此外，以单元110a作为参考，由于进入单元110d的Y偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异(两个步阶)而超前π，并且不因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而改变，所以其整体超前π。
当在预定平面PS(图像平面上)上由X偏振光形成的第一光强分布LI1没有干涉由Y偏振光形成的第二光强分布LI2时，各向异性层114的基底厚度h3可以是任意的，这是因为不需要考虑X偏振光与Y偏振光之间的相对相差。然而，如果通过考虑光强分布LI1与LI2之间的干涉，X偏振光与Y偏振光的参考波阵面必须彼此匹配，则各向异性层114的厚度被设置为使得相移为2π的厚度，即，4×h2的整数倍。这使得能够匹配X偏振光和Y偏振光的参考波阵面。通过选择0作为整数倍中的整数，各向异性层114的基底的厚度h3可被设置为0。
尽管在本实施例中已经解释了具有在X偏振光与Y偏振光之间相移为π的单元结构的单元110a到110d，但是单元110a到110d可具有相移为(2n+1)π(即，3π，5π，....)的单元结构。在这种情况下，步阶高度h1和h2乘以(2n+1)，即，根据n而为3，5，...。
尽管已经假设nx-n＝n-ny而解释了该实施例，但是右边和左边的值并不需要总是彼此相等，而可以根据形成重构图像所需的偏振的程度以及光强分布的精确程度来移动。
对于由X偏振光和Y偏振光形成的光强分布LI1和LI2来独立地设计两步阶式计算机生成的全息图元件，适当地选择通过重叠这些计算机生成的全息图元件而获得的单元结构(单元110a到110d)。这使得能够形成向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同相位分布的计算机生成的全息图元件100。如上所述，单元110a到110d的四种单元结构是用作X偏振光和Y偏振光的波阵面的参考的单元结构、只使X偏振光的波阵面超前π的单元结构、只使Y偏振光的波阵面超前π的单元结构、使X偏振光和Y偏振光的波阵面超前π的单元结构。
计算机生成的全息图元件100可沿着相应偏振方向在计算机生成的全息图元件的整个表面上向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布，而不用将计算机生成的全息图元件的整个表面划分为多个区域(子CGH)，这不同于现有技术。因此，即使光学积分器无法充分地校正入射光的光强分布，计算机生成的全息图元件100也永远不会经受光强分布(重构图像)的任何照明变化。
由于计算机生成的全息图元件100具有单元110a到110d的图案被重复的结构，所以它不使用多个不同的子CGH。因此，计算机生成的全息图元件100永远不会经受由于在子CGH之间的边界处出现的结构上的不连续造成的不必要的衍射光引起的光强分布方面的任何劣化。同样，由于计算机生成的全息图元件100不使用子CGH，所以用于消除在子CGH之间的边界处出现的结构上的不连续的设计也是不必要的，这允许设计成本的降低。
计算机生成的全息图元件100可向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布，而不用选择入射光的偏振方向。因此，计算机生成的全息图元件100可形成光强分布(重构图像)，而几乎不产生任何光量的损失。换言之，计算机生成的全息图元件100可在期望的偏振状态下形成具有期望的形状的光强分布，同时令人满意地减少光量的损失。
按照这种方式，计算机生成的全息图元件100可通过按照多个步阶形成各向异性层114并对于所述多个单元中的每一个设置各向异性层114的厚度，向沿着入射光的第一和第二方向的偏振光分量的波阵面给出不同的相位分布。
在计算机生成的全息图元件100中，各向异性层114的多个步阶可少于各向同性层112的多个步阶。换言之，各向异性层114的厚度数量可以小于各向同性层112的厚度数量。在这种情况下，如图3所示，通过均包括各向同性层112和各向异性层114的多个单元110a1到110d1来形成计算机生成的全息图元件100。各向同性层112的折射率、各向异性层114的折射率和这些单元沿着Z方向的步阶高度如上所述。应注意：图3是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件100的四个单元110a1到110d1的示意性截面图。
如上所述，计算机生成的全息图元件100通过将相位与参考进行匹配或将相位从参考移相π来执行相位控制。尽管在上述描述中，使相位超前π的方法被选为使相位移动π的方法，但是甚至可通过选择使相位迟滞π的方法来获得相同的效果。图3所示的单元110b1具有当选择使相位迟滞π的方法时的单元结构。
以单元110a1作为参考，由于进入单元110b1的X偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而迟滞π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而迟滞π/2，所以其整体迟滞π。此外，以单元110a1作为参考，进入单元110b1的Y偏振光的相位因为大气与各向同性层112之间的边界水平差异而迟滞π/2，又因为各向同性层112与各向异性层114之间的边界水平差异而超前π/2，所以其整体上保持为与参考相同。
上述单元110b具有仅将X偏振光的相位超前π的功能，而单元110b1具有仅将X偏振光的相位迟滞π的功能。单元110b和110b1在仅将X偏振光的相位从参考移动π的方面具有等同的功能。单元110a1、110c1和110d1具有分别与单元110a、110c和110d等同的单元结构。因此，图3所示的单元110a1到110d1的四个单元结构具有与图2B所示的单元110a到110d等同的功能。
在包括具有使相位迟滞π的单元结构的单元110b1的计算机生成的全息图元件100中，由图3所示的两步阶式结构来代替图2B所示的各向异性层114的三步阶式结构。此外，由图3所示的四步阶式结构来代替图2B所示的在大气与各向同性层112之间的边界处的三步阶式结构。在相位控制中，不仅选择相位超前方法，而且选择相位迟滞方法，这使得能够形成这样一种结构，其中，各向异性层114的多个步阶少于各向同性层112的多个步阶。
各向同性层112与各向异性层114之间的折射率差异通常小于大气与各向同性层112之间的折射率差异。因此，在各向同性层112与各向异性层114之间的边界处的一步阶高度高于在大气与各向同性层112之间的边界处的一步阶高度。为此，可通过在各向同性层112与各向异性层114之间的边界处形成比大气与各向同性层112之间的边界处的步阶更少的步阶，降低制造计算机生成的全息图元件100中的雕刻(engraving)量。这使得能够容易地制造计算机生成的全息图元件100。
假设普通的计算机生成的全息图元件是无限薄的部件，从而设计普通的计算机生成的全息图元件。结果，实际的计算机生成的全息图元件展示出不同于基于按照雕刻量的设计值所期望的功能。从图2B和图3可以看出，可将具有图3所示的单元110a1到110d1的计算机生成的全息图元件100制造成比具有图2B所示的单元110a到110d的计算机生成的全息图元件100薄。因此，可通过减少雕刻量来获得更加接近期望值的光强分布。
例如，为了使用曝光设备来制造具有以下结构的计算机生成的全息图元件，所述结构具有的步阶数量等于2的n次幂，有必要通过改变雕刻量来执行n次曝光。为此，当计算机生成的全息图元件的步阶数量是2的n次幂时，可以最有效地制造计算机生成的全息图元件。
当在各向异性层114与各向同性层112之间的边界处的步阶数量为3，在大气与各向同性层112之间的边界处的步阶数量为3(图2B)时，在各向异性层114与各向同性层112之间的边界处必须执行两次曝光，并且在大气与各向同性层112之间的边界处必须执行两次曝光。因此，必须执行总共4次曝光，以制造所述计算机生成的全息图元件。
当在各向异性层114与各向同性层112之间的边界处的步阶数量为2，在大气与各向同性层112之间的边界处的步阶数量为4(图3)时，在各向异性层114与各向同性层112之间的边界处必须执行一次曝光，并且在大气与各向同性层112之间的边界处必须执行两次曝光。因此，必须执行总共3次曝光，以制造所述计算机生成的全息图元件。通过这种方式，可通过减少制造计算机生成的全息图元件所需的曝光次数来减少对准误差。这使得能够制造更接近匹配设计值的计算机生成的全息图元件的计算机生成的全息图元件。
尽管本实施例例示出各向异性层114的多个步阶少于各向同性层112的多个步阶的情况，但是各向同性层112的多个步阶可少于各向异性层114的多个步阶。目前，各向异性层114相对于两个偏振方向的折射率差异Δn小于大气与各向同性层112之间的折射率差异。然而，当具有非常大的折射率差异Δn的各向异性层114被开发或发现时，后者的方案变得有效。
在计算机生成的全息图元件100的多个单元110a2到110d2中，如图4所示，优选地沿着平面接合各向同性层112与各向异性层114。参照图4，各向同性层112具有三维表面112a和平坦表面112b，各向异性层114类似地具有三维表面114a和平坦表面114b。在图4所示的多个单元110a2到110d2中的每一个的单元结构中沿着Z方向的各向同性层112和各向异性层114的排列位置相对地不同于图3所示的多个单元110a1到110d1中的每一个的单元结构中沿着Z方向的各向同性层112和各向异性层114的排列位置。然而，在图4所示的多个单元110a2到110d2中的每一个的单元结构中的各向同性层112和各向异性层114的厚度等于图3所示的多个单元110a1到110d1的每一个的单元结构中的各向同性层112和各向异性层114的厚度。因此，由图4所示的多个单元110a2到110d2形成的计算机生成的全息图元件100具有与由图3所示的多个单元110a1到110d1形成的计算机生成的全息图元件相同的功能。应注意：图4是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件100的四个单元110a2到110d2的示意性截面图。
通常，非常难以通过将各向同性层112的三维表面与各向异性层114的三维表面接合来制造由图3所示的多个单元110a1到110d1形成的计算机生成的全息图元件100。此外，难以在基底中不用留下任何空间的情况下，用介质(各向同性介质或各向异性介质)来填充雕刻的三维基底表面。为了解决这一问题，如图4所示，各向同性层112的平坦表面112b和各向异性层114的平坦表面114b彼此相对地接合。换言之，沿着平面来接合各向同性层112和各向异性层114。这使得能够容易地制造由图4所示的多个单元110a2到110d2所形成的计算机生成的全息图元件100。在制造计算机生成的全息图元件100(多个单元110a2到110d2)中，可在雕刻之后接合各向同性层112和各向异性层114，或者它们可在接合之后进行雕刻。
在此解释各向异性层114的材料。在本实施例中，从折射率由于双折射材料的晶体属性而根据偏振方向改变的双折射材料来形成各向异性层114。各向异性层114的双折射材料的详细示例是晶体、镁氟化物和方解石(calcite)。因为光的行进速度取决于介质的折射率，所以从双折射材料形成各向异性层114使得能够移动偏振方向是第一方向的线性偏振光的波阵面以及偏振方向是第二方向的线性偏振光的波阵面。
例如，考虑从方解石形成各向异性层114的情况。方解石的成分是碳酸钙(CaCO3)，其相对于波长589nm具有折射率1.6584和1.4864。通过nx-n＝n-ny，折射率为n＝(nx-ny)/2＝(1.6584-1.4864)/2＝1.5724的材料被选为各向同性层112的材料。存在各种满足所述条件的材料，例如，折射率为1.5725并可从OHARA得到的S-BAL11可被选为各向同性层112的材料。该实施例仅仅例示出各向同性层112和各向异性层114的材料，以及它们能够从任何材料形成，只要所述材料的折射率满足上述条件。
各向异性层114的双折射材料包括具有本征双折射(intrinsicbirefringence)的材料。荧石(fluorite)(氟化钙)具有自然的立方体晶体结构，因此不是双折射材料，但是它的折射率根据晶轴轻微地改变。更具体地说，氟化钙相对于波阵面具有大约3.4nm/cm的本征双折射。因此，通过积极地采用所述本征双折射，将氟化钙用作材料，从而可形成各向异性层114。
在计算机生成的全息图元件100的多个单元110中，各向异性层114可具有产生结构双折射的三维结构。应注意：三维结构在此是指每个单元在内部具有三维结构，这不同于各向异性层114的多步阶结构。
例如，第2006-196715号特许公开日本专利公开了一种由石英制成并产生结构双折射的三维结构。第2006-196715号特许公开日本专利描述了：石英相对于193nm波长具有1.56的折射率，结构双折射区域中的衍射光栅具有沿着节距方向的1.19的折射率n⊥，并具有沿着垂直于节距方向的方向的1.31的折射率nII，此时，假设它的占空比是1∶1(＝0.5)。
在第2006-196715号特许公开日本专利中，使得ny和nx成为沿着节距方向的折射率n⊥和沿着垂直于节距方向的方向的折射率nII，并假设波长是193nm，从等式(3)得出：步阶高度h2大约为804nm。这一值是波长的大约4倍，这是用于计算机生成的全息图元件的实际厚度。
可通过以下表达式来计算折射率nII和n⊥：
n II = a p n 1 2 ( 1 - a p ) n 2 2
n I = 1 a / p n 1 2 + ( 1 - a / p ) n 2 2 · · · ( 4 )
其中，a/P是填充因子。
参照表达式(4)，使用多个填充因子允许得到各个折射率差异Δn＝nII-n⊥。到目前为止，通过设置用于每个单元的各向异性层114的厚度来控制X偏振光与Y偏振光的波阵面之间的相差。然而，即使当各向异性层114的厚度在所有单元之间是相同的时，也可通过设置用于每个单元的各向异性层114的填充因子来控制X偏振光与Y偏振光的波阵面之间的相差。当石英用作双折射材料时，在193nm的波长，可从0到0.122的宽范围中选择折射率差异Δn。
应注意：对折射率差异Δn的控制改变折射率nII和n⊥。这相当于参考波阵面中的移动，但是可通过控制各向同性层112的厚度来取消这种移动。
通过这种方式，可通过对于计算机生成的全息图元件100的多个单元中的每一个单元设置各向异性层114的折射率，向沿着入射光的第一和第二方向的偏振光分量的波阵面给出不同的相位分布。
还可通过使用以下两种方法来形成多个单元110(计算机生成的全息图元件100)：对于多个单元中的每一个设置各向异性层114的厚度的方法以及对于多个单元中的每一个设置各向异性层114的折射率(填充因子)的方法。这使得能够更加灵活地设计计算机生成的全息图元件100，并更加容易地制造计算机生成的全息图元件100。
将参照图5来解释各向异性层114相对于沿着第一或第二方向的线性偏振光的折射率可等于各向同性层112的折射率的原因。图5是示出沿着X-Z平面截取的图2A所示的计算机生成的全息图元件100的四个单元110a3到110d3的示意性截面图。
图5例示出多个单元110a3到110d3中的每一个的单元结构满足n＝nx＞ny的情况，其中，n是各向同性层112的折射率，nx是各向异性层114相对于X偏振光的折射率，ny是各向异性层114相对于Y偏振光的折射率。为了形成两步阶式计算机生成的全息图元件110，π相移是必需的。为了达到这种状态，大气与各向同性层112之间的边界处的步阶高度h1′仅需要满足：
h1′＝(1/2)·(π/(n-1))                        …(5)
各向同性层112与各向异性层114之间的边界处的步阶高度h2′仅需要满足：
h2′＝(1/2)·(π/(nx-n))＝(1/2)·(π/(n-ny))   …(6)
以单元110a3作为参考，则进入单元110b3的X偏振光的相位保持为与参考相同。此外，以单元110a3作为参考，则进入单元110b3的Y偏振光的相位超前π。
以单元110a3作为参考，则进入单元110c3的X偏振光的相位迟滞π。此外，以单元110a3作为参考，进入单元110d3的Y偏振光的相位迟滞π。
以单元110a3作为参考，则由于进入单元110d3的X偏振光的相位在各向同性层112迟滞π，而在各向异性层114中没有变化，所以其整体上迟滞π。此外，以单元110a3作为参考，则由于进入单元110d3的Y偏振光的相位在各向同性层112迟滞π，并在各向异性层114中超前π，所以其整体上保持与参考相同。
尽管在该实施例中所解释的是具有在X偏振光与Y偏振光之间使相位移动π的单元结构的单元110a3到110d3，但是单元110a3到110d3也可具有使相位移动(2n+1)π(即，3π，5π，....)的单元结构。在这种情况下，步阶高度h1′和h2′乘以(2n+1)，即，根据n值而为3，5，...。
通过这种方式，当各向异性层114相对于沿着一方向的线性偏振光的折射率等于各向同性层112的折射率(n＝nx＞ny)时，可将单元110a3到110d3形成为具有简单的单元结构，该单元结构具有比图2B、图3和图4所示的单元结构的多个步阶少的多个步阶。更具体地说，可通过在各向异性层114与各向同性层112之间的边界处形成两个步阶，并在大气与各向同性层112之间的边界处形成两个步阶，得到用于X偏振光和Y偏振光的波阵面的两步阶式计算机生成的全息图元件。尽管已经假设n＝nx＞ny而解释了本实施例，但是可形成单元110a3到110d3，以便即使在nx＞ny＝n时也具有简单的单元结构。
以下将参照图6A到图6F来解释对于X偏振光和Y偏振光形成不同的光强分布LI1和LI2的计算机生成的全息图元件100的设计的简单示例。图6A到图6F是用于解释计算机生成的全息图元件100的设计的示例，所述计算机生成的全息图元件100对于X偏振光和Y偏振光形成不同的光强分布LI1和LI2。
例如，图6A示出由X偏振光形成的光强分布(目标图像)，每个双头箭头指示偏振方向。图6B示出计算机生成的全息图元件100，其中，用于形成图6A所示的光强分布的计算机生成的全息图元件的两个基本图案垂直地并置。实际上，计算机生成的全息图元件100具有周期性的结构，其中，图6B所示的计算机生成的全息图元件的无穷多个基本图案垂直排列。标号AR1和AR2指示计算机生成的全息图元件100的单元的厚度。假设厚度AR1作为参考，则厚度AR2相移为π。可通过用X偏振光照射图6B所示的计算机生成的全息图元件100来形成在图6A所示的偏振状态下的光强分布。
例如，图6C示出由Y偏振光形成的光强分布(目标图像)，每个双头箭头指示偏振方向。如图6B，图6D示出计算机生成的全息图元件100，其中，用于形成图6C所示的光强分布的计算机生成的全息图元件的两个基本图案垂直地并置。可通过用Y偏振光照射图6D所示的计算机生成的全息图元件100来形成在图6D所示的偏振状态下的光强分布。
图6E示出通过重叠图6A和图6C所示的光强分布而获得的光强分布。通过组合图6B和图6D所示的计算机生成的全息图元件来形成用于形成图6E所示的光强分布的计算机生成的全息图元件100，并且，所述计算机生成的全息图元件100具有多个具有如上所述的四种单元结构的单元。图6F所示的A到D指示四种单元结构，更具体地说，它们相应于图5所示的单元110a3到110d3的单元结构。可通过用X偏振光和Y偏振光来照射图6F所示的计算机生成的全息图元件100，从而形成在图6E所示的偏振状态下的光强分布。
已经在本实施例中解释了非常简单的计算机生成的全息图元件100的设计的示例。然而，可类似地设计计算机生成的全息图元件100，其在期望的偏振状态下形成具有期望的形状的更加复杂的光强分布。更具体地说，独立地设计与由X偏振光和Y偏振光形成的光强分布相应的计算机生成的全息图元件，这两个计算机生成的全息图元件彼此重叠，以及与每个单元相应的单元结构被选择。
将参照图7来解释具有多于两个步阶的计算机生成的全息图元件100。图7是用于解释具有多于两个步阶的计算机生成的全息图元件100的示图。
为了向X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布，有必要任意地给出X偏振光与Y偏振光的波阵面之间的相差，并在给定相差和它们的参考波阵面的情况下，任意地给出X偏振光与Y偏振光的波阵面之间的相差。
参照图7，可通过改变各向异性层114沿着Z方向的厚度，在X偏振光与Y偏振光的波阵面之间任意地给出相差。同样地，可通过改变各向同性层112沿着Z方向的厚度，在给定相差和它们的参考波阵面的情况下，在X偏振光与Y偏振光的波阵面之间任意地给出相差。
可通过在X偏振光与Y偏振光的波阵面之间给出多步阶相差，并在给定相差和它们的参考波阵面的情况下，在X偏振光和Y偏振光的波阵面之间给出多步阶相差，从而在X偏振光与Y偏振光之间给出多于两种类型的不同相差。这使得能够形成具有多于两个步阶的计算机生成的全息图元件100。此外，通过连续地改变各向同性层112与各向异性层114的厚度，能够连续地改变X偏振光和Y偏振光的波阵面之间的相差，以及在给定相差和它们的参考波阵面的情况下，连续地改变X偏振光与Y偏振光的波阵面之间的相差。
为了描述的简便，本实施例使用限制nx-n＝n-ny＞0或n＝nx＞ny。然而，当通过形成各向同性层112和各向异性层114的步阶而获得与该实施例相同的效果时，可任意地选择折射率nx、ny，和n。
将在此解释制造计算机生成的全息图元件100的方法的示例。这是一种制造计算机生成的全息图元件100的方法，其中，对于每个单元设置各向同性层112和各向异性层114的厚度，三维结构产生结构双折射。
首先，通过使用涂覆设备，使得计算机生成的全息图元件100的各向同性层112或各向异性层114均匀地涂覆有感光树脂(光致抗蚀剂)。
接着，使用曝光设备将预定的计算机生成的全息图元件的图案转印到光致抗蚀剂上，然后，使用显影设备对光致抗蚀剂进行显影，从而在光致抗蚀剂上形成周期性的三维光栅图案。
最后，通过使用反应离子蚀刻设备以及作为用于形成预定深度的槽的蚀刻掩模的周期性三维光栅图案来执行干法蚀刻。此后，通过使用溶剂或气体进行灰化(ashing)以去除光致抗蚀剂。
可通过这些处理来制造上述的计算机生成的全息图元件100。在本实施例中解释的制造计算机生成的全息图元件100的方法仅仅是示例，可使用其它的微型图案化技术(诸如纳米印刷)，只要能够形成期望的计算机生成的全息图元件100。
以下将参照图8来解释应用根据本发明的计算机生成的全息图元件100的曝光设备。图8是示出根据本发明一方面的曝光设备1的布置的示图。
在该实施例中，曝光设备1是投影曝光设备，其按照步阶和扫描方案将中间掩模20的图案转印到晶片40上。然而，曝光设备1可采用步阶/重复方案或另一曝光方案。
如图8所示，曝光设备1包括：照明设备10、用于支撑中间掩模20的中间掩模架(未示出)、投影光学系统30和用于支撑晶片40的晶片架(未示出)。
照明设备10对中间掩模20进行照射，并包括光源16和照明光学系统18，其中，中间掩模上形成有将被转印的电路图案。
例如，光源16是受激准分子激光器，诸如波长大约193nm的ArF受激准分子激光器或波长大约248nm的KrF受激准分子激光器。然而，光源16并非特别受限于受激准分子激光器，例如，其可以是波长大约157nm的F2激光器。
照明光学系统18用来自光源16的光对中间掩模20进行照射，并在确保本实施例中的预定照明的同时，在预定的偏振状态下对中间掩模20执行变形照明。在本实施例中，照明光学系统18包括：光牵引(light extension)光学系统181、波束成形光学系统182、偏振控制器183、相位控制器184、出射角保存光学部件185、中继光学系统186、多波束产生部件187和计算机生成的全息图元件100。照明光学系统18还包括：中继光学系统188、孔径189、变焦光学系统190、多波束产生部件191、孔径光阑192和照射部件193。
光牵引光学系统181将来自光源16的光偏转，以将其导向波束成形光学系统182。波束成形光学系统182通过将来自光源16的光的截面的水平垂直比转换为期望的值(例如，通过将截面的形状从矩形改为方形)将来自所述光源16的光的截面成形为期望的形状。波束成形光学系统182形成具有照射多波束产生部件187所需的发散大小和角度的光波束。
例如，偏振控制器183包括线性偏振器，并具有去除不必要的偏振光分量的功能。可通过将由偏振控制器183去除(遮蔽)的偏振光分量最小化来有效地将来自光源16的光转换为期望的线性偏振光。
相位控制器184通过向由偏振控制器183获得的线性偏振光给出λ/4相差而将其转换为圆偏振光。
例如，出射角保存光学部件185包括光学积分器(例如，包括多个微透镜的蝇眼(fly-eye)透镜或光学纤维束)，并以预定的发散角使光射出。
中继光学系统186在多波束产生部件187上会聚从出射角保存光学部件185射出的光。中继光学系统186调整出射角保存光学部件185的出射表面以及多波束产生部件187的入射表面，以具有傅立叶变换关系(物面与光瞳面之间的关系或光瞳面与像面之间的关系)。
多波束产生部件187包括光学积分器(例如，包括多个微透镜的蝇眼透镜或光学纤维束)，用于均匀地照射计算机生成的全息图元件100。多波束产生部件187的出射表面形成包括多个点光源的光源表面。从多波束产生部件187射出的光作为圆偏振光进入计算机生成的全息图元件100。
计算机生成的全息图元件100经由中继光学系统188在孔径189的位置形成光强分布LI(由X偏振光和Y偏振光形成的光强分布LI1和LI2)。计算机生成的全息图元件100可采取任何上述形式，在此不再给出其详细描述。
使用传统计算机生成的全息图元件1100的曝光设备1000无法独立地控制如图9所示的X偏振光和Y偏振光，所以必须将λ/4波片1200插入变焦光学系统190与多波束产生部件191之间。当对于每个偏振方向划分由计算机生成的全息图元件1100形成的光强分布时，可在计算机生成的全息图元件1100之前或紧接着之后插入λ/4波片1200。应注意：图9是示出传统的曝光设备1000的布置的示图。
相反，由于根据本实施例的曝光设备1使用能够独立地控制由X偏振光和Y偏振光形成的光强分布的计算机生成的全息图元件100，所以不需要λ/4波片1200。将计算机生成的全息图元件100应用于曝光设备使得能够比现有技术更加简单地形成曝光设备1和照明光学系统18。
孔径189具有仅使由计算机生成的全息图元件100形成的光强分布通过的功能。将计算机生成的全息图元件100和孔径189设置为具有傅立叶变换关系。
变焦光学系统190以预定的放大倍率来放大由计算机生成的全息图元件100形成的光强分布，并将其投射到多波束产生部件191上。
多波束产生部件191被插入照明光学系统18的光瞳面，并在它的出射表面上形成与在孔径189的位置形成的光强分布相应的光源图像(有效光源分布)。在本实施例中，多波束产生部件191包括光学积分器，诸如蝇眼透镜或圆柱透镜阵列。孔径光阑192被插入多波束产生部件191的出射表面的附近。
例如，照射部件193包括聚光器光学系统，并用在多波束产生部件191的出射表面形成的有效光源分布来照射中间掩模20。
中间掩模20具有电路图案，并由中间掩模架(未示出)来支撑和驱动。由中间掩模20产生的衍射光经由投影光学系统30被投射到晶片40。由于曝光设备1遵循步阶和扫描方案，其通过对它们进行扫描将中间掩模20的图案转印到晶片40。
投影光学系统30将中间掩模20的图案投射到晶片40。投影光学系统30可以是折射光系统、反射折射光系统或反射系统。
晶片40是中间掩模20的图案被投射(转印)到其上的基底，并由晶片架(未示出)来支撑和驱动。然而，还可使用玻璃板或其它基底来代替晶片40。晶片40涂覆有抗蚀剂。
尽管进入计算机生成的全息图元件100的光在根据本实施例的曝光设备1中进行圆形偏振，但是它也可以是非偏振的。更具体地说，用于将来自光源16的光转换为非偏振光的消偏振器被设置为将从消偏振器射出的非偏振光导向计算机生成的全息图元件100。例如，第2004-198348号特许公开日本专利公开了一种消偏振器。可使用消偏振器代替相位控制器184，以将非偏振光导向计算机生成的全息图元件100。
如图10所示，曝光设备1可包括用作偏振状态调整部件的λ/4波片194，其调整进入计算机生成的全息图元件100的光的偏振状态。应注意：图10是示出根据本发明一方面的曝光设备1的布置的示图。
用作偏振状态调整部件的λ/4波片194调整沿着进入计算机生成的全息图元件100的光的第一方向和第二方向的线性偏振光分量之间的强度比率。这使得能够调整由计算机生成的全息图元件100形成的第一光强分布LI1和第二光强分布LI2的光强之间的比率。尽管以上例示的是圆偏振光或非偏振光进入计算机生成的全息图元件100的情况，但是线性偏振光可进入计算机生成的全息图元件100。调整进入计算机生成的全息图元件100的线性偏振光的角度使得能够改变X偏振光与Y偏振光之间的强度比率。
如图11所示，就在计算机生成的全息图元件100之前插入用作偏振状态调整部件的λ/4波片194。沿着光学轴(Z轴)旋转λ/4波片194使得能够获得线性偏振光PL相对于计算机生成的全息图元件100的期望方向。由角PA来指示线性偏振方向。应注意：图11是示出计算机生成的全息图元件100和λ/4波片194的附近的示意性透视图。
改变角度PA使得能够改变X偏振光与Y偏振光之间的强度比率。例如，如果角度PA为0°，则X偏振光单独进入计算机生成的全息图元件100，因此，只形成光强分布LI1。如果角度PA为90°，则Y偏振光单独进入计算机生成的全息图元件100，因此，只形成光强分布LI2。如果角度PA为45°，则形成作为圆偏振光或非偏振光的、在X偏振光和Y偏振光之间具有相同强度比率的光强分布LI1和LI2，即，1∶1的强度比率。
曝光设备1必须根据转印到晶片40的电路图案来改变X偏振光与Y偏振光之间的平衡。当如图1所示，计算机生成的全息图元件100形成四极光强分布LI时，可优选地通过设置λ/4波片194来改变光强分布LI1与LI2之间的平衡(极点平衡)。
如上所述，计算机生成的全息图元件100向不是沿着一个偏振方向而是沿着所有偏振方向的X偏振光和Y偏振光的波阵面给出不同的相位分布。这使得能够形成光强分布LI，而几乎不产生任何光量损失。即使进入计算机生成的全息图元件100的光的偏振方向被改变，光强分布LI的总能量仍保持不变。结果，当期望的光强分布(重构图像)LI的能量被指定时，可在不考虑角度PA的情况下确定入射光量。
在曝光中，由光源16发出的光通过照明光学系统18来照射中间掩模20。反映中间掩模20的图案的光分量通过投影光学系统30在晶片40上形成图像。用于曝光设备1的照明光学系统18可抑制任何照明变化以及光量损失，并通过计算机生成的全息图元件100在期望的偏振状态下形成具有期望的形状的光强分布。因此，曝光设备1可向器件(例如，半导体器件、LCD器件、图像感测器件(例如，CCD)和薄膜磁头)提供高吞吐量、高质量和良好的经济效益。通过以下步骤来制造所述器件：使用曝光设备1来曝光涂覆有光致抗蚀剂(感光剂)的基底(例如，晶片或玻璃板)的步骤、对曝光的基底进行显影的步骤和其它已知步骤。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应理解：本发明并不受限于所公开的示例性实施例。权利要求的范围将被赋予最宽泛的解释，以便包含所有的所述变形以及等同的结构和功能。

Claims (14)

1、一种计算机生成的全息图元件，其通过对入射光的波阵面给出相位分布而在预定平面上形成光强分布，所述计算机生成的全息图元件包括：
各向异性层，该各向异性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率不同于该各向异性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率，其中，第二方向上的线性偏振光与第一方向上的线性偏振光垂直，以及
各向同性层，该各向同性层相对于第一方向上的线性偏振光的折射率等于该各向同性层相对于第二方向上的线性偏振光的折射率，
其中，通过向入射光的第一方向上的线性偏振光分量的波阵面以及入射光的第二方向上的线性偏振光分量的波阵面给出不同相位分布，使得由入射光的第一方向上的线性偏振光分量在预定平面上形成的第一光强分布不同于由入射光的第二方向上的线性偏振光分量在预定平面上形成的第二光强分布。
2、如权利要求1所述的全息图元件，其中，通过对于多个单元中的每一个设置各向异性层的厚度，向入射光的第一方向上的线性偏振光分量的波阵面以及入射光的第二方向上的线性偏振光分量的波阵面给出不同相位分布。
3、如权利要求1所述的全息图元件，其中，通过对于多个单元中的每一个设置各向异性层的折射率，向入射光的第一方向上的线性偏振光分量的波阵面以及入射光的第二方向上的线性偏振光分量的波阵面给出不同相位分布。
4、如权利要求2所述的全息图元件，其中，对于多个单元中的每一个设置各向异性层的厚度和各向同性层的厚度。
5、如权利要求4所述的全息图元件，其中，沿着平面来接合各向异性层和各向同性层。
6、如权利要求4所述的全息图元件，其中，各向异性层的厚度的个数小于各向同性层的厚度的个数。
7、如权利要求4所述的全息图元件，其中，各向异性层相对于沿第一方向与第二方向之一的线性偏振光的折射率等于各向同性层的折射率。
8、如权利要求1所述的全息图元件，其中，各向异性层由双折射材料制成。
9、如权利要求8所述的全息图元件，其中，双折射材料具有本征双折射。
10、如权利要求1所述的全息图元件，其中，各向异性层具有产生结构双折射的三维结构。
11、一种曝光设备，包括：
照明光学系统，被配置为用来自光源的光对中间掩模进行照射；以及
投影光学系统，被配置为将中间掩模的图案投射到基底上，
其中，所述照明光学系统包括根据权利要求1到10中的任何一个的计算机生成的全息图元件。
12、如权利要求11所述的设备，其中，所述照明光学系统包括被配置为将进入计算机生成的全息图元件的光转换为非偏振光的光学部件。
13、如权利要求11所述的设备，其中：
所述照明光学系统包括偏振状态调整部件，该偏振状态调整部件被配置为调整进入计算机生成的全息图元件的光的偏振状态，以及
所述偏振状态调整部件调整进入计算机生成的全息图元件的光的第一方向上的线性偏振光分量与第二方向上的线性偏振光分量之间的强度比率，从而调整第一光强分布与第二光强分布的光强之间的比率。
14、一种器件制造方法，包括以下步骤：
使用根据权利要求11的曝光设备对基底进行曝光；以及
对被曝光的基底执行显影处理。
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