CN102292676B - 使用复杂二维交织方案的图像读取和写入 - Google Patents

使用复杂二维交织方案的图像读取和写入 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在表面上写入或读取图案，诸如，在微光刻或微光刻图案的检查中。特别地，申请人公开了通过跨越表面扫描稀疏2D点阵列或栅格来记录或读取图像的系统，例如，通过并行调制的多个光学、电子或粒子束。扫描和重复读取或写入在工件上创建了密集的像素或斑点栅格。可以通过各种阵列创建该栅格：光源阵列，例如激光器或LED阵列；通过小透镜阵列，其中每个小透镜具有其自己的调制器；通过用于粒子束的孔径板；或者近场发射器或机械探针阵列。对于读取系统，点栅格可以通过稀疏点矩阵照明和/或探测器阵列创建，其中每个探测器元件仅看到一个斑点。使用大阵列背后的想法是提高吞吐量。然而，吞吐量在阵列尺寸大于阵列的一定尺寸之后，就不再随阵列尺寸成比例变化，先前已知的方案落入了它们自身的轨迹中，并开始不断地重复相同的数据。本申请公开了利用大阵列扫描工件的方法，同时保持吞吐量与阵列尺寸成比例变化，甚至对于很大的矩阵也如此，事实上几乎没有限制。

Description

使用复杂二维交织方案的图像读取和写入
相关申请
本申请与2008年11月26日提交的题为“使用复杂二维交织方案的图像读取和写入”的美国临时专利申请No.61/118299有关，并要求其权益。
技术领域
所公开的技术涉及写入或读取表面上的图案，例如在微光刻中、或者在微光刻图案的检查中。特别地，申请人公开了通过在表面上扫描稀疏2D点阵列或栅格(grid)来记录或读取图像的系统，例如，通过并行调制的多个光、电子或粒子束。扫描以及重复的读取或写入在工件上创建密集的像素或斑点(spot)栅格。栅格可以由多种阵列创建：光源阵列，例如激光器或LED阵列；通过小透镜阵列，其中每个小透镜具有其自己的调制器；通过用于粒子束的孔径板；或者近场发射器或机械探针的阵列。对于读取系统，点栅格可以由稀疏点矩阵照明和/或探测器阵列(其中每个探测器元件仅看到一个孤立的斑点)创建。
背景技术
可以以多个不同的体系结构完成图像的读取和写入，例如多束光栅扫描、从小图像元素的组装等。在此公开中，我们将仅讨论一个特定的体系结构：利用稀疏点阵列或矩阵扫描工件。由于微电子、光子和MEMS技术的能力的提高、以及光和粒子源、调制器、近场探针和探测器元件的大阵列的可获得性的不断提高，此体系结构变得越来越重要。当前，商业可得的MEMS阵列可以以超过20kHz的帧速率并行地调制多于2百万束光束。同样地，大探测器阵列早已作为照相机芯片而存在，并且尺寸和速度不断提高。微电子、光子和MEMS技术的不断发展很可能使得可以获得其它类型的元件的大阵列，诸如近场和机械探针、电容或开尔文(Kelvin)探针、磁力计、激光器、LED和LCD、以及电光调制器。用于粒子束的带电粒子阻挡器(blanker)或者大规模并行调制器的阵列已被几个组展示。也可以使用电子束。
在具有数以百万元件的大阵列背后的根本原因在于获得高吞吐量(throughput)，但更接近的研究表明难以高效地使用这些大规模阵列。设计者必须考虑总场尺寸、基台(stage)速度和开销等问题、以及调制器/探测器和光源中的帧速度限制。结果至今仍未能完全利用已经可获得的大器件的固有速度。
图1a示出了本邻域中公知的使用扫描稀疏点阵列的一般读取/写入系统的示例。以下说明使用写入系统作为示例，并且可以通过用光源阵列取代探测器阵列来推广到替代的图像读取系统。
图1a中的图像写入系统通过点阵列103的图像的扫描运动102在基底101上创建图像100。点阵列具有光源元件104(例如VCSEL激光二极管)的稀疏矩阵或阵列，并且每个元件通过某些光学系统106投影到基底上以形成像斑105。根据要产生的图案100的输入描述(未示出)，通过数据路径108控制(即，开启或关闭)光源元件104。数据路径将发送到源阵列104的驱动信号107与如位置传感器109所测量的基底的移动102同步。
在图1的示例中，基台通过连续的运动而进行扫描，并且光源阵列在足够短以使运动定格(freeze)并产生所开启的光源的图像的时间期间打印。因为源阵列是稀疏的，所以第一个图像不是所期望的图案，而仅是孤立点的阵列。在基台移动了一定距离后，第二点图案被曝光，如此下去。在若干平移之后，所期望的图案被完全填充在100中。
可以想出或者已经想出了许多修改：图1中描绘的投影透镜可以用一个或多个透镜阵列来替换或补充，其中每个斑点一个透镜。或者，源和基底之间的距离可以如此短，以使得不需要投影系统来为源阵列上的每个斑点在基底上形成斑点。光源阵列可以是被光源照明的调制器阵列，并且所述调制器可以是二元的(开/关)或者模拟的(许多值，“灰度”)。光可以是可见光、红外光、紫外光、远紫外光、真空紫外光、极远紫外光、或者甚至为x射线。
相同的方案对于粒子束也是有用的，例如使用电子、光子、离子或中性原子。于是，源阵列可以是场或光电发射器的阵列，或者其可以是被从背面照明的阻挡器阵列(所谓的孔径板)，或者其可以是基于电压对比的用于粒子的反射调制器(例如，类似于被KLA-Tencor用在REBL中的调制器，参见US 6,870,172 B1)。对于粒子，投影系统可以是电子光学透镜(其中，许多点共用透镜，或者在透镜阵列中每个点一个透镜)、纵向磁场，或者，再次地，紧密相邻从而根本不需要投影系统。
第三个可能性为源点阵列是近场探针的阵列，例如，进行机械压印(imprint)，通过向/从表面注入/提取电荷来曝光，或者测量表面的特性(例如在表面处的静电势或磁场)。基于场浓度、等离子体和/或消逝波的近场光学探针的阵列是可能的源/探测器点阵列的另一示例。
写入头(具有源阵列和/或投影光学系统)、或基底、或两者可以物理地移动以创建相对运动，或者可以通过光学部件(例如，通过检流计或多边形(polygon))扫描源阵列的图像。在光或粒子光学系统的情况下，通过步进基底运动，以及/或者使光束在有限的距离上追踪连续的基底移动，基底的相对运动可以是连续的并且通过短暂的曝光时间被定格。在任一情况中，不同斑点的曝光可以是同时的，或者它们可以在时间上分布，在该情况中，必须考虑定时和移动对斑点在基底上的布置的影响。
在现有技术中，可以找到利用孤立点的图像填充区域的不同方案。最明显的一个是跨越扫描方向使用几行源，并交错(stagger)元件，如大量专利中所获知的，见图1b-图1g。在阵列中的每个元件一个光源和调制器的情况下，光源可以是连续的，例如连续激光器或者发射足够接近以被认为是连续的脉冲的激光器。以足够低以使调制器针对工件上的栅格中的每个像素改变状态一次的速度，扫描基台。在IMS纳米制造的最近专利(US 7,084,411 B2及其它)中，添加额外行，以为阵列中的坏元件提供冗余。更多的元件被添加在同一列中，并且小范围的扫描被用来使一个元件仅在工件上写入该列中的某些像素，从而克服调制器元件的最高实际切换(switching)速度施加的速度限制，调制器元件在这里是大规模并行粒子束写入器中的阻挡器。
图1b-图1g中显示了相关技术：Mark Davidson在1996年的论文(Proc.SPIE，Vol.3048，pp.346-355)中建议轻微旋转阵列，从而2D阵列中的每行跟踪单独的列。光源仍然是连续的，并且通过切换调制器的状态而定义像素。
Kenneth Johnsson在1996年描述了具有倾斜斑点的系统(US 6,133,986)(图1c)，正如Ted Whitney几年前所作出的(图1b)(US RE 33,931)。
DNS已经把Davidson的方案向前推进了一步，如图1d中所示(US6,903,798)。
在意图在热敏胶(thermal resist)上写入的发明中，Applied Materials的Gilad Almogy使用了简单的2D交织方案，以便使每一个像素与上一个不相邻，从而避免相邻像素的发热的影响(图1e)(US 6,897,941)。
Ball Semiconductors在2004年给出了倾斜方案的数学(US2004/0004699)，并且ASML在US7,230,677中讨论了使用六边形栅格(图1g)。
发明内容
本发明涉及在表面上写入或读取图案，诸如在微光刻或微光刻图案的检查中。特别地，申请人公开了通过在表面上扫描稀疏2D点阵列或栅格来记录或读取图像的系统，例如，通过并行调制的多个光、电子或粒子束。扫描和重复的读取或写入在工件上创建密集的像素或斑点栅格。栅格可以由多种阵列创建：光源阵列，例如激光器或LED阵列；通过小透镜阵列，其中每个小透镜具有其自己的调制器；通过用于粒子束的孔径板；或者近场发射器或机械探针的阵列。对于读取系统，点栅格可以由稀疏点矩阵照明和/或探测器阵列(其中每个探测器元件仅看到一个斑点)创建。使用大阵列背后的想法是提高吞吐量。然而，吞吐量在阵列尺寸大于阵列的一定尺寸之后，就不再随阵列尺寸成比例变化(scale)，先前已知的方案落入了它们自身的轨迹(track)中，并开始不断地重复相同的数据。本申请公开了利用大阵列扫描工件的方法，同时保持吞吐量与阵列尺寸成比例变化，甚至对于非常大的阵列也是如此，实际上，基本没有限制。具体地，本申请公开了以脉冲方式将在至少100×100个元件的阵列之间的图案信息传递(relay)至工件的表面上的斑点的方法。该方法包括在脉冲之间将阵列移动一偏移矢量，该偏移矢量在表面上的晶胞(cell)内创建预定数量的填隙(interstitial)斑点的规则分布。该晶胞可以由具有两个相同长度的垂直矢量的阵列的单元定义。在本发明的某些实施例中，晶胞具有由从第一位置中的阵列的元件投影的斑点定义的角落，其中，当大阵列在一程(pass)中扫过表面时，将特定填隙斑点的过印(over-striking)重复限制为不多于8次。
附图说明
图1a示出了本领域中公知的用于使用扫描稀疏点阵列而写入或读取图案的一般系统。
图1b-图1g示出了有潜在关系的其它技术。
图2a-图2c示出了具有如文本中所使用的相关坐标系、平移矢量以及晶格矢量的点阵列。
图3a-图3b示出了创建不同栅格的二维交织栅格的两个示例。
图4a-图4b示出了在一个单元晶胞中写入点的顺序可以如何改变、以及如何可以将每个局部图像之间的平移调整以适合调制器阵列的尺寸和速度。
图5a-图5c示出了如何可以通过交织参数改变单元晶胞中的斑点、以及这些点如何可以被写入可变次数。
图6a-图6d示出了交织参数的小变化如何导致栅格的大区别。
图7a-图7b示出了交织参数的小变化如何导致栅格的大区别。
图8a-图8b示出了具有方形栅格的实施例以及参数nskip的功能。
图9a-图9f示出了如何从对应于广泛地分布在阵列中的点的斑点建立工件上的小邻域中的图像、以及本发明使用多程(multipass)写入的实施例。
图10a-图10f示出了二元写入阵列的光栅化(rasterization)。
图11a-图11e示出了模拟写入的光栅化。
图12a-图12d示出了用于基于本发明的写入系统的数据路径的实施例。
图13示出了具有可选的追踪硬件的读取或写入设备的实施例。
图14示意性地示出了使用高功率激光的高功率优选实施例的元件。
具体实施方式
参照附图进行以下详细描述。描述优选实施例来说明本发明，而不是限制其范围，范围由权利要求限定。本邻域的普通技术人员将意识到大量对以下描述的等同变化。
使用大阵列背后的想法是提高吞吐量。然而，吞吐量在阵列尺寸大于阵列的一定尺寸之后，就不再随阵列尺寸成比例变化，先前已知的方案落入了它们自身的轨迹中，并开始不断地重复相同的数据。本申请公开了利用大阵列扫描工件的方法，同时保持吞吐量的变化与阵列尺寸成比例，甚至对于非常大的阵列也是如此，实际上基本没有限制。所公开的方法的其它优点是阵列尺寸、工件栅格以及基台参数的选择的更大灵活性、以及图像中的硬件签名的解除(dissolution)，从而产生在某些方面比现有技术更理想的图像。
本申请公开了利用大阵列扫描工件的方法，同时保持吞吐量的变化与阵列尺寸成比例，甚至对于非常大的阵列也是如此，实际上基本没有限制。具体地，本申请公开了以脉冲方式在至少100×100个元件的阵列与工件的表面上的斑点之间传递图案信息的方法。该方法包括在脉冲之间将阵列移动一偏移矢量，该偏移矢量在表面上的晶胞内创建预定数量的填隙斑点的规则分布，其中该晶胞可以由具有两个相同长度的垂直矢量的阵列的单元定义。在本发明的某些实施例中，晶胞具有由从第一位置中的阵列的元件投影的斑点定义的角落(corner)，其中，当大阵列在一次通过中扫过表面时，将特定填隙斑点的过分显著的重复限制为不多于8次。
图2公开了有用的坐标系。图2a中的主图示出了栅格201，其表示源、调制器、探测器或探针的阵列-2D点阵列。我们可以借用晶体学的术语来描述规则栅格，称它们为“晶格”，其由晶胞组成并根据它们的晶格矢量而重复。每一个二维规则栅格可以被描述为五个基本类型之一，2D布拉维(Bravais)晶格：正方形、矩形、具有中心的矩形(centered rectangular)、六边形和倾斜。每个晶格可以由两个基本矢量(晶格矢量)描述。在一般情况下，可以选择多于一组晶格矢量来描述同一栅格的点。以下描述将使用一组晶格矢量，但基于不同组的相当描述将是等同的。
阵列的一个单元将被称为晶胞。这里所示的阵列是笛卡尔阵列，并具有由两个相同长度的垂直晶格矢量(
Figure BDA0000078532420000061
和)定义的晶胞。这是通常情况，但不是必须的情况。图2c示出了倾斜点阵列的具有相同交织参数的相同图。拓扑结构保持相同，但栅格倾斜或偏斜，并且对象的光栅化将不同。比较图2a和图2c，可以看出不同阵列形状可以被用于所公开的方法和装置。除矩形阵列之外，所公开的方法还可以被推广到倾斜矩阵。因为任何2D晶格都可以被表达为倾斜晶格的特殊情况，所以我们可以将所公开的原理应用到任何阵列形状。
图2a中的阵列在两个方向上都较大。大的意思可能是相对的，但其大于100个晶胞，优选地大于300个，并且沿着较短轴绝对大于30个晶胞。在很多应用中典型的尺寸是约640x480、1024x768、1344x768、1920x1080、或者约4000x2000。阵列的轴由字母u和v表示。
插图示出阵列的角落202，并且其显示了底下的硬件，例如由每个反射镜的中心处的光斑照明的微反射镜阵列203(另参见图14及其描述)。该光斑与阵列201中的线的交叉点重合。该斑点被投影或被传递到工件，并且可以被由数据路径控制的每个微反射镜调制。在特定时刻，被开启的所有斑点打印到工件(替代地，在读取系统中，光或相当的能量落在探测器或探针的阵列上，并稍后可以被读出和分析)。结果是具有孤立斑点的采样图像，例如角落斑点204形成图像中的一个元素。我们可以将由阵列在单个位置中形成的图像称为局部图像。
例如，接着通过机械或光学扫描，将阵列(或其像)相对于工件平移205，并且形成新的经平移的局部图像。角落晶胞接着形成偏移了矢量207的新图像元素206。平移矢量可以相对于阵列晶格矢量
Figure BDA0000078532420000071
和
Figure BDA0000078532420000072
的轴歪斜(tilt)。我们可以称平移方向为q，而与其垂直的方向为p。y和q之间的角度可以为近似30度，但，如下面将显示的，p和q之间的选择具有很大的自由度。典型地，在写入系统中，p和q是机械系统的移动轴，并且可以被称为平板(flatbed)基台中的步进和扫描方向。
阵列被重复平移相同的矢量207，并形成局部图像。在下面将描述的情形中，局部图像将逐渐填充在插图中所示的均匀栅格图案208的图案中。栅格208与阵列的栅格不同，并且阵列的每个晶胞包含工件栅格208的Ncell个栅格点。在插图中，Ncell＝5(每个晶胞内部四个栅格点、和角落处的一个四分之一栅格点的四倍)。工件栅格是规则的，并沿着两个轴xi和eta重复。工件栅格轴可以或者可以不与任何其它轴重合，并且栅格可以是正方形、矩形、或者相对于基台或阵列偏斜、平行或旋转。通过改变矢量207来创建具有期望特性(例如斑点的密度和分布)的栅格具有很大的自由度。
为了清楚，插图显示每个晶胞仅五个栅格点，但主图示出了创建每个晶胞八个栅格点的情况。角落斑点在四个晶胞之间的角落处打印第一斑点，并且，通过被重复地平移和打印，其打印相对于晶胞的七个独有(unique)位置(黑点206)，直到其再次打印四个晶胞的角落处的斑点(白点)为止。为了清楚起见，白点被显示为属于该阵列。事实上，包含白点的行未被打印，并且在其上方的行也未被打印。如果该阵列被选择为在v方向上小于出现白点的位置一个晶胞，则该白点将不被打印，并且在阵列通过工件上的该位置之前，阵列中的每一个点正好打印八个斑点。
由角落斑点打印的斑点分布在工件上的一条线上，并且由阵列中的每一个点打印的斑点也是如此。很容易令人相信存在八倍于阵列中存在的点的斑点，并且它们全部在独有位置。因此，每一个晶胞被填充八个斑点，并且整个区域被填充了所打印的斑点的规则图案。在写入器中，根据每个打印的斑点相对于所期望的图案209的位置，阵列中的斑点是开启、关闭或者两者之间的状态。工件坐标系是x，y，以使其对用户透明。在适当设计的系统中，机器的操作者可能永远没有任何理由使用p、q、u、v、xi或eta、或者甚至知道它们的存在。
通过每个斑点上仅一个(或者预定数量的)局部图像而打印表面填充的栅格图案的情形是什么？打印每一个栅格点一次且仅一次向系统给出理论上的最大吞吐量。图2中给出了每个晶胞八个斑点的情形：由在到达第一个重复点之前u和v方向上的晶胞的数量给出矢量207的方向，即，nu＝9以及nv＝21。长度被设为使得9个矢量到达第一个重复点，即，存在8个非重复点或者ncell＝8。这三个整数nu、nv和ncell控制工件栅格的创建。nv与阵列在v方向上的尺寸之间的协作确定每一个斑点位置被打印一次且仅一次，或者另一整数次。
图3示出了如何由不同组的整数创建不同栅格。一组整数(2，5，4)使栅格近似为六边形(图3a)，而另一组(3，4，5)使其表面上是正方形、但相对于阵列进行了旋转(图3b)。注意，阵列的上部分(从白点向上)未被使用。因此，参数(2，5，4)(图3a)比(3，4，5)每秒打印更多的斑点。
图3中使用的整数是为了说明目的而选择的，在实际应用中这些整数可以大得多。典型阵列可以是1024x768、1920x1080、或者4096x2048个点，而不是如图3中所示的7个晶胞高的阵列。可以如何选择整数以便从给定的非常大的阵列获得最高效率？图4更详细地示出了可以如何选择整数、以及对于以最优方式使用大阵列的区域而存在的自由度。
图4a示出了同一调制器(探测器等)元件401如何沿着线404平移并打印斑点。首先，调制器401打印属于左下晶胞(晶胞(1，1))的斑点。然后，其平移到位置403并在晶胞(2，3)中打印第二个斑点，并且在再平移一次之后，其在晶胞(3，6)中打印斑点。从而，由一个调制器打印(或由一个探测器读取)的斑点属于不同的晶胞。
然而，当调制器401从第一个打印晶胞移动到下一个打印晶胞(即，从(1，1)到(2，3))时，另一调制器(未示出)移动到第一个打印晶胞并在那里打印第二个斑点(即，从(0，-2)到(1，1))。对于单元(cell)401的每次平移，新单元(cell)移动到第一个打印晶胞内，并在那里打印新斑点。因此，第一个打印晶胞(1，1)中的每个斑点被不同的调制器打印，并且，晶胞(1，1)中的斑点的数量变得与在整个阵列通过晶胞(1，1)之前平移的次数相同，即ncell。
一个晶胞中的所有斑点由不同的元件打印，但我们可以认为所有的调制器(源、探测器、探针等)是相同且可互换的。因此，可以设想单个调制器在同一晶胞内部来回移动并打印那里的所有斑点。当以u和v为单位表达平移时，控制单个晶胞内部的移动的是平移的分数部分。还存在平移的整数部分(整数个晶胞)，其确定哪个实际元件负责特定斑点，但只要数据信道知道正发生什么，我们就可以认为这不重要，并随意改变该整数部分。这可以被用于在不同尺寸的阵列之间移动打印栅格，或者用于转换打印方案，从打印每一个斑点一次转换到同一栅格中每个斑点打印两次。其还可以被用于改变平移的方向，例如用于对某些图案的误差消除。
平移矢量402(其是(1.124，2.75))可以被表达为指向下的小分数矢量406(0.125，-0.25)和整数407部分(u，v)＝(1，3)。我们已经选择该分数部分，以给出晶胞中在起点位置右下方的斑点，以便使图4b更易阅读。对于每个局部图像，晶胞内部的斑点在一条线上向右下方移动，直到其已经聚集(accumulate)了一个完全的晶胞为止，并且，我们接着任意地移除该单元(cell)，以使其回到该晶胞内。因此，其在该晶胞内形成两行斑点。这在每个晶胞中重复并形成栅格。可以改变平移矢量的整数部分，并且所写入的栅格将不改变，因为其由平移矢量的分数部分确定。例如，如果我们在使用整个阵列之前已经打印了晶胞中的所有斑点，则该平移矢量太短，并且，我们可以通过向u和v添加整数个晶胞来增加平移矢量的长度。更长的平移矢量意味着基台移动得更快、以及每秒扫描更大的面积，即吞吐量更高。
我们还可以通过对分数平移矢量乘以选择的整数值来改变斑点被写入的顺序，如下文所述。在图4b中，我们已经对原始矢量(1.125，2.75)加上了(u，v)＝(1，-1)以得到了(2.125，1.75)410，并且对分数部分乘以3(409)而得到新的平移矢量(2.375，1.25)411，其与(1.125，2.75)写同一栅格，但以不同的顺序。因为该平移矢量在方向q上，所以我们已经改变了阵列的旋转角度，并且同时使其针对每个局部图像在v方向上移动得更少，从而对于给定z尺寸的阵列打印更多的局部图像。如此，可以独立地改变栅格、阵列尺寸和旋转角度。对这些参数的独立控制使得可以优化吞吐量，同时保持其它规格，诸如分辨率或最小的地址。特别地，可以增大平移矢量以使用阵列的所有或几乎所有元件。例如，假定希望每个晶胞具有100个斑点(ncell＝100)并且阵列是1920x1080。将分数部分选择为约(u，v)＝(0.1，0.3)。如果(3，10)被加到该分数部分上，则平移矢量为(3.1，10.3)，并且在v方向上100次平移使用1030个晶胞，即阵列的区域的1030/1080＝95％或理论元件的95％对吞吐量做出贡献。
当设法发现用于最优或接近最优的吞吐量的交织参数(例如，使用多于阵列的30％、50％、80％或90％)并且具有期望的密度和分布(例如，各向异性密度、矩形、近似六边形，等等)时，我们可以使用上述过程或者使用阵列的尺寸直接作为nv。如果我们可以允许倾斜的栅格，则存在如此多的交织参数nu、nv和ncell的可能的组合，以至于我们可以立即选择nv作为符合阵列尺寸的最大整数并可以设法找到给出期望栅格的ncell和nu。
图5中的图形示出了栅格如何被整数参数的选择所影响。这些图形仅示出了分数部分，即通过加上或减去未指定的整数而将所有斑点区域的位置缩减到一个阵列晶胞。所述图形由从参数计算平移矢量的简单的Excel程序制作，移动同一点很多次，并且绘出所打印的斑点的位置的分数部分。如上所述，想法是将以相同的方式填充每一个晶胞，但对每个斑点利用不同的反射镜。计算移动的分数部分与发现将在一个晶胞中打印并绘出它们打印的位置的元件相同。所述图形用圆形标记绘出了该晶胞中所有绘出的斑点，接着覆盖具有利用方块标记的开头14个斑点的轨迹。这给出了打印斑点的顺序的指示。之后，我们将讨论局部(local)环境如何由来自阵列的不同区域的斑点组成。由打印的顺序确定阵列上的点的分布的一个要素，并且更随机的打印顺序给出在局部邻域中获得打印的更多分布的点。
在图5a中，利用参数(nu，nv，ncell)＝(7，5，19)，所打印的斑点非均匀地分布在晶胞内，并且该栅格不适于具有在方向上各向同性特性的打印。该分布不是各向同性的，并且分辨率在斑点紧密间隔的方向上更好，而在横跨它的方向上较差。将一个参数改变一个单位到(7，5，18)产生比较均匀的点的分布，如图5b中所示。栅格是倾斜的或者近似六边形。在倾斜栅格中，通常存在选择轴xi和eta的不同方式，并且此栅格可以被描述为多个倾斜栅格，或者被描述为变形的六边形栅格。图5b的令人感兴趣的特性是以表面上偶然的方式打印斑点，即，打印斑点的序列是所选择的参数的非平凡(non-trivial)结果。该结果是取决于绘图的序列的某些系统误差被隐藏并被转换为表象噪声(apparent noise)。所公开的写入策略可以隐藏硬件在多个层次(level)上的签名。
最终，利用参数(14，10，36)，图5c示出了如何将图5b中的图案转换为被绘画两次。所述点与图5b相同，但每个点是双重的(在绘图中轻微偏移，以表示其被绘画了两次)。每一点被同样绘画但绘画两次的原因是2是所有三个参数中的公分母。使每个点被打印两次可有益于冗余，或者用于在每个局部图像的剂量受限的情况下建立更高的曝光剂量。将相同的斑点绘画两次或者任意其它整数次使得可以通过将某些斑点关闭、将其它斑点开启最大次数、并且将某些斑点开启中间次数(例如每次以2为重复因子)来创建粗糙的灰度(crude gray scaling)。
所创建的工件栅格对参数值非常敏感，如图6a-图6d中所示。除了ncell逐个图形改变一个单位(从108到111)外，这四个图形示出了相同的参数。图6a示出ncell＝108。由于与结合图5a所讨论的原因相同的原因，所产生的点分布无用；斑点的分布不是各向同性的。将ncell增大到109给出了近似六边形的倾斜栅格。ncell＝110给出了平行于阵列的矩形(宽高比10∶11)栅格，并且ncell＝111给出了经旋转的几乎相同的栅格。
不容易给出选择参数的规则。已知在一维中，将每个斑点打印一次且仅一次的交织系统可以由互质的(relative prime)两个数描述(例如，IMS纳米制造专利)，但同样的规则似乎不适用于二维中。例如，图6c中的参数彼此不是互质的。
已知几个规则：
规则1：ncell＝nu*nv(nu不等于nv)给出宽高比为nu∶nv并且平行于阵列的矩形栅格。
规则2：ncell＝nu 2+nv 2给出了正方形栅格，但经旋转的(图8a)。如果nu和nv是非常大的数并且ncell变得不合理地大，则可以通过将它们改变为nu’＝nu-I*ncell以及nv’＝nv-j*ncell(其中I和j为整数)而发现更小的值。
规则3：如果nu、nv、ncell具有公分母k，则每个晶胞写入(或读出)ncell/k个斑点，并且每个斑点k次。k个斑点可用于粗糙灰度。
规则4：在图中存在第四个参数nskip，其对应于图4b的409中的因子3。ncell和nskip可能不具有任何大于1的公因子(“互质”)，或者某些斑点未被打印，并且被打印的斑点被打印了多次。
因子nskip对于改变写入或读取斑点的顺序是有用的，如图8中所示。在图8a中，nskip＝1，并且斑点被顺序地绘出。在图8b中，nskip＝19，并且，因为19与nskip＝221互质，所以将所有斑点绘画一次且仅一次，但以不同的且更复杂的顺序。
规则5：对于具有不同尺寸的晶胞的规则阵列(例如，矩形、偏斜的或六边形)，所述方案基本不变地工作。如果阵列晶胞不同且上述规则1至5被修改，则对于相同的参数，工件栅格具有不同的形状，但不增加新的复杂性。
所公开的交织方案的优点之一是创建不同栅格、使用不同尺寸和形状的阵列、以及改变斑点密度和基台速度以适合各种边界条件的高灵活性。
此灵活性的负面影响是难以理解这些参数如何相互作用、以及难以预测在具有实际阵列尺寸的系统中栅格将如何出现。简单的修补是小的计算机程序，其接受相关参数并在晶格中以及跨越矩阵绘出栅格。以下是以图8b中的栅格点被写入的顺序计算它们的伪代码片段：
Figure BDA0000078532420000121
其中，fraction(a)是指当a的整数部分被去除时的余数。可以在矩阵中绘出坐标(p，q)并在晶胞中绘出分数(p_frac，q_frac)(0＜p＜1，0＜q＜1)，以显示特定参数组的工作行为。
现在已经显示了可以如何使用小的数测试合适的栅格、以及交织方案可以如何被修改为使用阵列的大部分区域而同时保持该栅格点、或者替代地可以如何以阵列尺寸为开始并测试合适的栅格。
多程写入
在本领域中众所周知，多程读取或写入，以便抑制系统误差并提高分辨率。多程可以被实施为重复地绘画整个工件、在彼此之上运行若干个条纹(stripe)、或者使多个写入头写入覆盖的图案。如这里所公开的，可以使用具有现有技术中不存在的优点的多程写入(图9)。例如，多程方案与所描述的2D交织方案一起使工件上的局部环境901由调制器/探测器元件902写入/读取的斑点构建，所述调制器/探测器元件902散布在整个阵列903上(图9a)。不同符号(方块、圆圈等)表示不同的程中写入的斑点。在每一程中，工件栅格由阵列上沿着扫描方向上的线的元件构建，如图2所示。取决于交织参数被如何设立，对工件上的一个局部区域做出贡献的点可以在阵列上紧密间隔，或者沿着整个倾斜线散布在阵列上，大体对应于图8a和8b中的两种情况。将在阵列上间隔很远的元件引入到工件上的小邻域中的可能性是所公开的技术的益处之一。因为每个邻域具有或多或少来自整个阵列的贡献，所以将看不到阵列的图像。例如，如果阵列的一个角落产生较弱的压印/信号，则该角落将贡献于工件上各处的斑点。结果将是各处稍微更高的变化，但在任何地方都不会特别地看出该角落的影响。
图9b示出了如何打印多个局部图像，其中一系列矩阵位置部分重叠并在如图2中所定义的q坐标方向上形成条纹。从而，一系列局部图像形成条纹，并且许多条纹(未示出)在p方向上接合(stitch)在一起，以在一程中填充整个区域，该一程由图9b中的位置1表示。以同样的方式，但利用在p方向上偏移的条纹，写入标记为2的下一程。不同的程以不同的线型标记。程1和2中所使用的元件取自沿着q的线，但在p上偏移，如图9c中所示。在两程之后，沿着两条线906、907跨越阵列写入/读取的斑点构建邻域901。这些线中的某些在端906、908之间分割，以便容纳一程中的所有局部图像。图9c示出了四程的相加如何给出图9a中的元件的分布，其中由从阵列上的倾斜线获得的斑点写入局部环境。程2和4的数量仅是示例，并且图9可以被推广到任意整数个程。
多程写入的第二个结果是所组合的栅格的密度高于单程的情况，从而提高分辨率和图像逼真度。程之间的偏离(offset)是在若干层次上：在p方向上偏移条纹。在程之间，局部曝光也优选地在q方向上偏移。此外，在工件栅格中偏移程，从而创建更密集的组合工件栅格。最后，可以在晶胞内偏移程。将由这些层次中的一个或多个上的偏移组成的组合偏移编程到扫描系统中，并且还将其馈送到数据路径，使得光栅化引擎获知每个斑点被置于何处、以及其由哪个调制器/探测器元件写入/读取。
所公开的写入策略不依赖于如何实施阵列与工件的相对平移。相对平移可以被实施为具有写入行程(stroke)和非写入折回行程的往复机械移动(图9d)。图9d示出了针对单程的这种往复写入。在图9e中，针对第二(或第三、第四等)程示出了类似的往复写入方案，其除了写入行程与图9d中的相反外，其它都相同。通常认为，对于高质量打印，不仅对斑点阵列而且对任何写入引擎，都难以以迂回(meandering)的方式写入，即，一个条纹向前，下一条纹向后。存在写入方向的许多微秒的影响，诸如电子器件、伺服行为、聚焦度量等中的时延，并且迂回方案的向前和向后的条纹不是不可见地接合在一起。因此，图9d-图9e的写入方案在大多数高质量应用中是标准的，尽管其远没有迂回方案有效。
在图9f中，在多程写入的背景中，通过在两程组合写入操作中写入两程来解决该问题：利用如图9d中的向前写入行程来写入程1，并利用作为图9d中的折回行程的向后写入行程来写入程2。向前的条纹被接合至向前的条纹，并且向后的行程被接合至向后的行程。2n(n是整数)个程可以通过n个两程组合写入操作写入，或者两程组合写入操作可以被概括为2n程组合写入操作。例如，四程组合写入操作可以由条纹1程1向前、条纹1程2向后、条纹1程3向前、条纹1程4向后、条纹2程1向前、条纹2程2向后等组成。顺序可以改变，并且向前向后可以交换，但是，通过向前总是接合至向前且向后总是接合至向后而写入多程，从而每程仅具有向前或向后的条纹。此写入方案可以被有利地用于斑点栅格写入器、使用光学一维和二维SLM的写入器、以及声光或机械扫描的光栅扫描机。
二元光栅化
根据调制器是二元的(开/关)还是模拟的(多个状态)，可以以几个本质不同的方式实施光栅化。图10示出了针对具有二元调制器/源阵列的写入系统的光栅化。在图10a中，示出了工件栅格1002和要被写入的特征1001。示例中的特征是在清晰(clear)(曝光的)背景中的暗特征。根据斑点1002的中心点在特征的边界线外部1003还是内部1004，写入或不写入斑点。该光栅化方案具有诱人的特征：其简单且易于理解。乍看之下的地址分辨率(resolution)不比工件栅格的间距更好。然而，当工件栅格从图案中的特征的边缘旋转角度alpha(其典型地为20-45度))时(图10c)，并且当由圆圈1011表示的有限光学分辨率确定斑点的尺寸和模糊性时，该边缘将是相当平滑的。根据斑点的中心是在特征1007内部1009还是外部1010来写入斑点。在相当大的角度alpha的情况下，光栅化的边缘将具有高的边缘粗糙度，但沿着边缘的基本空间频率足够高，以被由有限分辨率导致的光学过滤去除。光学分辨率可以由斑点函数表示，且还可以由所述斑点的FWHM宽度表示。结果可能看起来如图10d中的特征1012一样。
可以认为边缘与栅格的行和列对齐(snap)。通过边缘和栅格之间的角度，该对齐沿着边缘非常迅速地改变，并且，取决于角度的精确值，对齐图案可以重复或不重复。具有短周期的重复的对齐图案可以导致可见的莫尔(moire)伪像或mura。利用长间隔重复相同图案(例如，在图案中的10个特征之后)不太可能被注意到。非重复的对齐不遭受所有的莫尔效应。如果角度alpha的正切不是具有小整数的有理数，则将不存在任何短重复的图案，并且莫尔波纹效应不太可能发生。如果正切是具有小整数的有理数(例如，3/5、2/7)，则边缘的不均匀将以短周期而相同地重复，从而可能产生mura。如果有理数是n/m，则边缘以周期m重复其自身，例如2/7以周期7重复。因为在7的周期内仅存在7个最接近于特征边缘的斑点，所以对于工件栅格中的每个分区(division)所写入的边缘，仅存在7个可能的平均位置。如果角度的正切是具有大整数的有理数，例如2001/7099，则存在许多可能的平均边缘位置(2099个位置，或者实际上无限小的地址栅格)。写入的特征的边缘将仍然具有随机形状(如图10d中一样)，但沿着边缘的平均将非常精确。图10d示出了局部宽度测量1013将如何给出变化的线宽值。然而，如果测量宽度而作为有限长度窗口1015上的平均，则事实值将与数据中的值接近得多，并且具有更小的统计扩散。窗口越长，平均宽度将越好。对于具有相当大的特征的图案(如TFT晶体管)，有效的设计栅格将非常小，而具有小且短的特征的图案(如半导体存储器)将受益较小。因此，对于某些图案(如LCD和OLED显示)，使用二元调制和经旋转的栅格用于虚拟栅格可非常有效地减少栅格对齐和mura，但将给出一定水平的边缘粗糙度，这在其它图案(例如半导体存储器)中可能是不希望的。
基于斑点在特征内部还是外部的简单光栅化在多程中透明地工作。每程被独立地光栅化，并且在关于图9a所讨论的偏离的情况下，更多程将给出更好的边缘和更少的栅格伪像。
通过替代的略微更复杂的光栅化方法，可以减小边缘粗糙度，如图10b中所示。每个斑点仅可以是开启或关闭。对于位于边缘上的斑点，希望将其开启一半。如果选择将其完全开启，则边缘将具有围绕斑点的位置的突起(protrusion)，但如果斑点被完全关闭，则也将存在误差。在任一情况中，都存在斑点单元一半左右的误差。在替代的略微更复杂的光栅化中，边缘上的斑点被开启(或关闭)，但通过关闭(或开启)一个或多个远离边缘的辅助斑点来补偿边缘的误差。与边缘具有距离并垂直于边缘上误差的地方的一个这样的斑点1006被示出。针对相邻斑点的影响的一半的合适距离是光学系统斑点函数的半FWHM宽度，并且对于越小的误差越远离。
图10e示出了斑点的截面以及其如何对更远离中心的位置的剂量具有更小的影响。对于多程，如果可以在所有程中的斑点之中分配辅助斑点，则该方案工作得更好。为了这么做，光栅化引擎可以一次对组合多程栅格进行光栅化，或者在每一程中对多程栅格进行光栅化并丢弃在当前程中不使用的数据。最合适的方案可以取决于处理和存储的相对成本，并且可以随着时间以及随着应用而改变。利用可获得的完整的多通数据，还可以在数学上预测边缘的位置(例如，通过斑点函数与阈值的卷积)，并且可以修改辅助非相邻斑点来校正预测的边缘误差。在数学上，这可以被设立为线性最优化问题，其中，邻域中的每个斑点对期望的边缘位置处的剂量有贡献。沿着期望的边缘的多个位置处的强度可以由方程系统描述，可以针对这些边缘位置处的光刻胶阈值剂量求解该方程系统。斑点可以被开启和关闭，直到边缘位置处的剂量的误差被最小化并且发现了最优解为止。
该解可以如图10b中所示，其中暗图内部的斑点基本被关闭，但在接近边缘但不紧挨边缘的区域中，少量的斑点被触发(toggle)或反转到相反状态。为了达到一定的边缘质量(例如低的边缘粗糙度)，可以使用相对于对图10a中的简单光栅化方案使用的栅格更粗糙的栅格。更粗糙的栅格意味着对于相同的质量具有更高的吞吐量、更便宜的写入硬件、以及/或者更少的写入程。
注意，该段落所描述的光栅化不限于正方形栅格，甚至不限于规则栅格。可以通过相同的方法光栅化具有矩形、具有中心的矩形、六边形或倾斜晶格的栅格。还可以使用相同的方法用于不规则栅格的光栅化，只要光栅化装置知道每个栅格点位于何处即可。示例是期望是规则的栅格，但由于光学变形，某些栅格点从它们期望的位置偏移。根据设计或者根据校准获知新位置。在此背景中的校准是指通过与已知基准探测器或其它已知伪像的比较，测量它们在图像中的表象位置。光栅化可以基于每个点的真实或名义位置、或者两者的组合，并被校正来统计地给出对图案的更真实的读取/写入。
当写入图案的统计混合时，通过对误差的建模来发现栅格点的校正位置。最佳位置是对于图案的实际混合而最小化由假定的误差产生的平均误差的位置。栅格点的校正位置rcorr是
rcorr＝rnominal+(ractual-rnominal)*ccorr
其中，rnominal是名义位置，ractual是经校准的实际位置，ccorr是选择来统计地最小化误差的标量常数。
模拟光栅化
最早已知的写入系统使用正方形或矩形栅格，并且公知用于针对这样的栅格的数据的光栅化的方法。如所公开的，栅格可以是偏斜和/或旋转的，并其甚至可以是不规则的。
图11示出了对于这样的栅格，可以如何光栅化数据。图11a示出了可以如何通过向每个栅格点分配作为数据中的特征与围绕该栅格点的晶胞之间的重叠的值来光栅化任何栅格，规则的或不规则的，笛卡尔的或偏斜的(示出了规则偏斜的)。可以以许多方式定义晶胞，图11a示出了如何将与下一晶胞的边界画在到下一栅格点的半途。这对于规则和不规则栅格都起作用。可以根据晶胞的顶点位置解析地计算该重叠，或者通过超采样算法计算该重叠：将更精细的栅格(采样栅格)迭加在晶胞上，并且对重叠区域中的采样栅格点的数量进行计数。更详细地，可以添加权重函数，从而以比靠近边缘的采样栅格点更高的权重对接近中心的采样栅格点进行计数。超采样栅格和权重可以存储在查找表中用于快速访问。超采样算法是精确和灵活的，并且可以在图形处理器或FPGA中编程超采样算法，但其使用相对高的计算能力。
图11b-图11c示出了可以如何通过假定正方形栅格的图形处理器对规则偏斜(倾斜)栅格进行光栅化。围绕每个栅格点定义单元晶胞，典型地对于每个栅格点而相同的形状。整个图案接着被线性地变换，即每一个(x，y)坐标被乘以变换矩阵，该变换矩阵缩放并旋转图案以产生偏斜栅格正方形和/或单元晶胞正方形。通过变换矩阵变换输入图案的坐标，并且将结果馈送给光栅化装置。假设性地，光栅化装置可以是图形处理器，例如，针对PC的视频表现(rendering)芯片，其不昂贵且具有将多边形表现为正方形位图的高能力。描述光栅化的另一方法是将图案和栅格一起变换，使得笛卡尔(x，y)坐标系和偏斜的(xi，eta)系统被转换为偏斜的(x，y)和笛卡尔(xi，eta)系统。当写入图案时，写入系统的栅格未被变换，并且使用针对每个斑点所计算的值。
图11d-图11e示出了非常偏斜的栅格的变化，正如当栅格接近六边形栅格时。于是，图11c中的单元晶胞被相当地拉长，并且写入特性(例如分辨率)在不同的方向上可变得不同。于是，通过每个栅格点两个或更多个晶胞(示出了两个晶胞1102、1103)来定义另一栅格，并且这些晶胞被变换为笛卡尔栅格。在光栅化之后，所述两个或更多个晶胞的值被相加，并被分配给栅格点1101。
数据路径的体系结构
图12a中示出了写入器的数据路径的体系结构。发送到阵列的数据的顺序很不容易理解，也不容易直观建立。本发明中所使用的所谓的“复杂二维交织方案”在一般智慧的人在没有某些计算设备的帮助下不能排列出所述交织的意义上，是复杂的。其还在不存在将工件上的斑点联系(connect)到阵列上的写入程、局部图像和地址的显式公式的意义上，是复杂的。数据路径仍然必须高速地针对每个数据进行此联系。下面参照图12描述如何解决发送正确的数据到正确的调制器(尽管缺少它们之间的显式关系)的问题。
图12a中的数据路径从存储器1202中获取输入数据1201，通过光栅化引擎1203将其光栅化为位图1204。典型地通过(x，y)系统中的矢量数据描述该输入，并且将其光栅化为(xi，eta)系统中的位图。x，y和xi，eta之间的关系可以是旋转和缩放。(xi，eta)栅格中的数据被与数据将在写入硬件中被使用的方式完全不同地排序。在位图被适配(condition)1210为信号1211以被发送到调制器/源阵列1212之前，其被重新排序为被阵列使用的顺序。这在数据重新排序模块1208中，基于查找表1218而实现。(xi，eta)中的每个点必须被转换为程、局部图像和调制器坐标。替代地，每个调制器必须到达位图内，以发现分配给它的值。这通过预先计算的地址查找表或地址转换表1218来管理。
图12a示出了如何创建该地址转换表。在定义栅格参数、程数量、阵列维度等的设置输入数据1205中描述写入工作。该数据(被合适地重新格式化1207)被发送到光栅化装置1203和重新定位计算器1214，该重新定位计算器1214具有机器的模型，仿真写入操作并对每个调制器、局部图像和程输出具有工件坐标(例如，在(xi，eta)系统中)的查找表1215。在重新排序模块1216中重新排序(典型地通过整理(sorting))该表1215，来产生作为工件栅格中的栅格位置(xi，eta)的函数的、程、局部图像和调制器坐标的新的反向查找表1217。为了高效地重新排序数据，(xi，eta)位图被掩盖或采样，并且样值被发送到对应于局部图像的存储区域。在此操作中，根据反向查找表1217重新排序数据。通过整理前向表xi，eta(u，v)1215来计算反向表u，v(xi，eta)1217的过程是实际且高效的，而反向表1217的直接计算在数学上可能是困难的。
替代地，一次一个晶胞地寻址对应于局部图像的存储区域(即，阵列的一次加载)(在算法中，通过并行地运行算法的几个实例来实施)，并且在查找表1215中发现可以取出该值的地址。(xi，eta)位图在存储器中保持可获得，并且从其取出所述值。
图12a中的体系结构可以被用于二元和模拟数据两者。图12b示出了如何可以校正阵列或光学器件中的误差。数据路径的核心与图12a中相同。在获知阵列中的误差和/或光学系统中的缺陷(例如变形)的情况下完成光栅化1203。将误差1220从误差存储器1221馈送到光栅化装置1203。可以通过从光学系统的已知特性(如变形)、从写入的伪像的测量、或者从写入器中的校准过程的预测来发现误差。对于阵列或光学系统中的缺陷，可能方便的是：以(u，v)为坐标存储误差并具有查找转换表(例如图12a中的1215)以在光栅化装置中将误差的影响分配到栅格中的栅格点。
在一般情况下，阵列1212中的调制器/源元件具有不同的特性，并且可以在数据被转换为驱动该阵列的信号1211时被校正。可以基于校准硬件和软件1227，将单独的特性存储在查找表1225中。
在图12d中，以两个步骤完成从(x，y)中的矢量输入数据1201向(xi，eta)位图的转换：首先在第一模块1229中将输入转换为(x，y)中的中间格式1228(诸如(x，y)位图)，然后将此中间格式表现或重新表现为(xi，eta)位图1204。
对于基于相同的2D交织方案的图像读取器，数据路径基本相同，但具有反向的数据流：来自阵列的信号被转换为数字值，并且通过查找表，恢复(unscramble)数据以产生(xi，eta)位图。然后将其变换为x和y中的图像。
光学直写器实施例
在此部分中，我们公开了光学直写器的实施例，其用于对具有3.5微米的光学分辨率以及5微米的最小特征尺寸的LCD底板进行写入。光刻胶具有30mJ/cm2的灵敏度。
优选实施例中的调制器阵列是德州仪器(Texas Instruments)的HDTVDLP(数字光处理)芯片，其具有1920x1080个二元反射镜以及23kHz的最大帧速率。芯片上反射镜到反射镜的间距是10.8微米。芯片取向与图2中一样，其中平移矢量沿着最短轴，但歪斜(tilt)一角度。芯片的长轴定义条纹宽度，并且可以使用整个宽度。在平移方向上，芯片的使用取决于交织参数。优选参数组是ncell＝481，nu＝9，nv＝9，nskip＝29，并且对基本分数平移矢量加上矢量(0，1)晶胞。这使得98％的反射镜贡献于吞吐量，即，像素吞吐量是98％*1920*1080*23kHz＝45Gp/s。
为了在两程之后创建0.71微米的栅格，光学系统将芯片放大2倍，并使用48mm的光场。从而，平移矢量是(u，v)＝(11.900，48.377)微米。基台速率是1054mm/s，原始写入速度为每分钟1.30m2。为了在75秒中写入G10基底(3400x2600)，六个单元应该足够，假定10％的机械开销。像平面上7W的光功率应该足够，由于实际光学损耗，其典型地需要约20W的原始功率。光源是q开关的三倍频Nd-YAG激光器，其具有355nm波长、23kHz的重复率以及40ns的脉宽。该激光器的TEM00光束被分裂为1920x1061个高斯光束，每个高斯光束被引导到DMD反射镜的中心，但实际聚焦斑点与该反射镜有一些距离。所述光束被反射镜调制，并且所调制的斑点的阵列被成像到工件上。基台是平板基台。如在图10a中的，将数据光栅化。
追踪工件
这些和类似技术中的许多都需要脉冲光束，以便使阵列的扫描移动定格。参考文献5在如下意义上是令人感兴趣的：其使用连续运动和连续照明，并且通过追踪基台的运动，仍然从一个阵列元件获得一个斑点的曝光。这是通过扫描来自调制器的光束以便跟随基底而完成的。也可以利用光束和诸如电光偏转器的短行程偏转器来完成。
图13示出了修改和改进的成像设备(读取或者写入)，与图1中的设备类似。根据以上描述，旋转阵列并修改平移，从而允许以最佳的方式使用要被使用的阵列中的元件，由此允许使用与吞吐量成比例变化的更大的阵列。
元件基本与图1中相同：要被写入的图案1300、工件1301、平移方向1302、源阵列1303(由源本身组成或者调制每个元件处的光束)、源元件1304、源元件的图像1305、系统1306(例如用于使源阵列上的光束变为工件上的斑点的投影系统)、基于工件的位置传感1309从数据路径和/或控制器1308向源阵列的数据输入1307。对于读取系统，使用探测器阵列代替源阵列，并且因果关系的方向(辐射、机械力等)相对于写入系统是反转的，即从1301至1303。
图13示出了光学写入器/读取器作为示例实施例，并且在光学系统中插入了短行程偏转器1310，例如，电光偏转器、声光偏转器、机械扫描反射镜、棱镜、或者衍射元件。上面的描述已经使用了短曝光时间来定格工件相对于阵列的图像的运动，但，利用所添加的偏转器1310，可以通过追踪工件1301来使连续地点亮的光束定格斑点。偏转器之后的两组射线示出了替代路径：早些时间的实线和稍后的虚线。追踪可以在等于或略小于上述平移矢量的距离上。这在两种类型的示例实施例中可能是重要的：使用具有连续光源的源阵列、以及使用照相机作为探测器阵列。可以通过连续激光器或其它放电照明器从背侧照明连续光源，但其也可以是LED或激光器阵列，例如半导体激光器或VCSEL。
与分离的激光器(例如，Q开关三倍频Nd-YAG激光器)不同，半导体激光器不能将大量能量存储作为反转并随后释放作为短的高强度脉冲。在半导体激光器的情况下，可以使激光脉冲化，但低于一定占空比(例如25％)，平均功率下降，事实上变得与占空比成比例。因此，半导体激光器不适于通过短脉冲使所述运动定格，并且图13中的短行程偏转器可以被用于获得对工件的相同效果，但具有保持的平均激光器功率。为了保持平均功率，可以在帧之间的时间的25％或更多(即，平移矢量的25％或超过25％)内追踪工件，或者优选地超过平移矢量或对应时间的一半。VCSEL没有与某些空间光调制器(例如微机械反射镜或LCD阵列)相同的调制频率限制，并且小阵列的VCSEL可以给出每单位时间像素的期望吞吐量。然而，使用大阵列可以在功率受限的应用中给出更高的总功率和写入速度。
读取系统可以使用相同的所描述的系统用于工件追踪来合并来自工件上的每个斑点的功率，以提高图像读取的信噪比质量。
高功率
图14示意性地示出了使用高功率激光的高功率优选实施例的元件。该图示出了如何通过由空间光调制器(SLM)1405调制并由透镜系统1408投影的激光脉冲1402将斑点阵列1400形成在工件1401上。该激光束被转换为入射在SLM的单元上并穿过SLM后的光学系统1408的大量小光束1404，以在工件上定义斑点1400。SLM可以是微反射镜器件，例如DMD，其中反射镜1406具有开关动作。激光束1402优选是脉冲化的激光，例如Q开关的、或者具有纳秒、皮秒或飞秒脉冲。通过在反射镜侧上具有热传导气体填充1411并且在背侧上具有强制液体冷却1412(例如使用水、氟里昂、碳氢化合物、空气、氢气等)，SLM可以适配于高功率。
所述反射镜可以具有高反射层堆(stack)，或者镀有金属薄膜，诸如由铝、金、铑、锇或者其它亮的和/或难熔金属制成。反射镜基于所加载的数据(未示出)，控制激光击中工件还是光束丢弃器(dump)1409。光被聚焦到反射镜的中心以避免串扰(串扰增加每个斑点中的剂量的随机性)，并且避免发送高能量光到狭缝(slit)之间的狭缝中。进入狭缝中的光束导致图像中的对比度降低、光功率的损耗，并且认为其对SLM的早期故障做出贡献。通过使用每个反射镜的中心部分来解决或避免这些问题。每个小光束具有焦点1407，但为了避免反射镜的烧坏，使聚焦斑点位于远离反射镜的表面。如此，可以使小光束在反射镜上的脚印(footprint)比聚焦斑点大，并且可以实现串扰、进入狭缝的光与聚焦斑点之间的折衷。
在优选实施例中，反射镜是13x13微米，并且期望聚焦斑点是2微米FWHM。将形成小光束的透镜阵列1403放置在距SLM一定距离，使得反射镜上的脚印约为9x9微米(因为阵列是正方形的，所以小透镜是正方形的，并且光束在失焦位置也是正方形的)。在此情况中，反射镜的约一半面积被用于调制光束。投影光学系统将经调制的斑点栅格1407投影在工件上的斑点栅格1400上，并且上述方法可用于选择写入栅格取向和密度，而投影光学系统1408的放大和缩小确定工件1401上的斑点的尺寸。
在某些高功率应用中，存在关于排气、粉尘等的问题，其可能落在透镜上并导致性能的破坏或损失，例如，当将本发明用于激光烧蚀(laser ablation)时。于是，期望具有对最后的透镜的气体净化，使得正气流保护光学表面。特别地，可以围绕最后的透镜安装罩子(hood)，并且使其净化，使得从工件发出的尘和粉末将在到达透镜表面之前遇到顶风。也可以合适地净化包括SLM的其它光学表面。
工业实用性
所公开的技术可以高效地使用大2D调制器阵列，例如DMD器件，微电子革命已使其成为可能。具有2百万个调制器以及超过20kHz的帧速率的阵列是商业可得的(例如德州仪器的DMD)。以前不能高效地使用这样的大规模阵列。典型地，大量反射镜已经导致不希望的冗余，即，工件上的每个点已被超过一个调制器或探测器元件读取或写入。如果每个点被写入两次，则结果是仅有仅写入一次的情况的一半的面积吞吐量。本公开教导了如何在工件上写入表面填充的栅格以及如何使每个栅格点仅被寻址一次。该方案具有很大的灵活性，并允许控制栅格尺寸、类型、取向和冗余。
我们还公开了适用于某些类型的照明图案的方法，例如使用用于LCD和OLED显示器的晶体管阵列创建的图案，其对系统误差极其敏感。很难将写入系统很好地控制到足以以高速写入可接受的图案，这是因为，例如1％的场上的照明变化可能在最终产品上导致不可容忍的可视条纹“mura”。所公开的技术提供了隐藏或模糊硬件的系统签名的方法，并将系统变化转换为对眼睛不透明得多的均匀噪声。
该行业一直要求用于LCD和LCD显示器的直接写入技术的发展，但不足的吞吐量和不够的写入质量阻止了该发展。我们相信本发明在这两个方面提供了显著优势，并且可以实现直写技术在显示器行业中的工业应用，并且在许多其它图像读取和写入应用中有用。
当前，大多数光刻(例如用于制造LCS显示器)都是传统地使用光刻胶而完成的，光刻胶在曝光和显影之后变为刻蚀掩模，其用于在图案制作(patterning)之前在沉积在整个区域上的均匀图案中描绘图案。此过程确保高质量，但包括许多步骤，并且在某些情况下，大多数已经被沉积了覆盖层(blanket)的昂贵材料被浪费。因此，存在对新工艺的积极探求，该新工艺绕过某些工艺步骤或者使用更少的材料。这样的工艺是通过激光烧蚀进行图案制作。所公开的方法和设备特别适合于通过激光烧蚀进行图案制作。使用图14的高功率实施例，可以使用短的高强度脉冲，其烧蚀薄的固态膜。可以针对斑点尺寸和斑点密度之间的最佳匹配来调整斑点栅格，并且如果期望，则对每个点施加指定次数的闪光，例如2、4、8或其它整数。此外，可以选择斑点的写入顺序，以使得每个斑点落入“冷”邻域中，即，周围的栅格点在前几次闪光中均未被烧蚀。利用具有相同开关斑点的密集栅格、以及仍然给出优良的地址分辨率的写入策略，与灰色调像素的较粗糙的栅格不同，可以针对所烧蚀的膜的清晰去除而优化斑点尺寸、能量和脉冲长度。替代地，可以以可控的方式使用烧蚀以在固态表面中制造凹槽或表面轮廓，其中施加到点的闪光的次数被转换为进入表面中的烧蚀深度。烧蚀薄金属膜所需要的条件的示例：0.1ns脉冲中的2J/cm2。关于图14的讨论给出了在每个反射镜上的8x8微米的脚印。如果斑点1407被投影透镜1408缩小到0.5微米FWHM，则SLM表面上的必要能量负载变小约300倍，即6mJ/cm2，这可能充分地处于在SLM处的烧蚀阈值之下。利用1920x1080个反射镜的SLM和23kHz的帧速率，机器可以以小于1微米的最小线宽，每分钟制造0.3平方米的图案。
同样地，所公开的发明的具有确定的能量的打印斑点适于非线性工艺，如热处理、熔融、熔解、相变、光分解、选择性激活等。一种类型的图案制作以载体膜上的材料开始，并且该材料被选择性地转移到工件，在工件处，其被激光辐射击中。本发明很好地用于该一般类型的方法，我们可以称该方法为“激光诱导的图案转移”。本公开可能有用的电子、光学和打印行业中使用的其它工艺对本领域的技术人员而言将是显然的。
某些特定实施例
本发明可以被实践为方法或适配于实践该方法的装置。本发明可以是诸如介质的物品，该介质印有执行计算机辅助的方法的程序指令、或者可以与硬件组合来产生计算机辅助的装置的程序指令。
一个实施例是用于在至少100乘100的元素的阵列与工件的表面上的斑点之间以脉冲的方式传递图案信息的方法。此方法包括在脉冲之间将阵列移动一偏移矢量，该偏移矢量在晶胞内创建预定数量的填隙(interstitial)斑点的规则分布(图9a-图9f)。参照晶胞定义填隙斑点，晶胞继而由晶胞角落定义。晶胞角落由从阵列的元件投影的斑点定义，其中阵列在第一位置。当大阵列在一程中扫过表面时，偏移矢量将特定填隙斑点的过印重复限制到不超过对该特定填隙斑点的8次过印。即，在由偏移矢量设置的方向上移动并覆盖其设置的距离的结果使得阵列在一程中在创建斑点的规则分布的表面曝光斑点上扫过，而在表面上的相同位置中不超过8次斑点迭加。
在此方法的扩展实施方式中，填隙斑点的分布被图形化地绘出，以在使用偏移矢量指导大阵列的移动之前验证该规则分布。
在一个实施例中，将信息从矩阵写入到斑点。在替代实施方式中，使用阵列从斑点读取信息。
可以与该方法的任意实施方式、其它方面或其它特征组合的、该方法的另一方面提出填隙斑点在晶胞内的规则分布是基本平衡的，沿着分布的主轴和副轴具有不大于3∶2的比例的失衡。我们定义此比例如下。当规则分布被检查时，沿着点的最靠近的间隔的方向选择主轴。在图6a中，例如，主轴具有-1的斜率。副轴被定义为垂直于主轴，在图6a中其将是+1。平衡比被计算为沿着主轴的斑点密度与沿着副轴的斑点密度的比。通过检查，图6a中的分布具有超过3∶2的比例的失衡。
也可以与前述任意方面组合的另一方面还包括具有沿着阵列的两个轴的分量的偏移矢量。所述分量是a/N和b/N的形式的有理数，其中，a、b和N是不相等的非零整数，a或b大于N，且N大于25。
偏移矢量可以平行于连接从第一位置中的阵列投影的两个斑点的线。
多种条件可以由偏移矢量的某些或所有参数(单独地或组合地)满足。a和b中的至少一个可以大于2N。参数N可以大于100。至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，参数a和b可以互质。类似地，至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，a和N可以互质。另一可能性是：至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，b和N互质。
阵列可以大于100乘100个元件。当此应用在1024x768个元件或1980x1080个元件的HDTV维度中时，成本高效的阵列是可获得的。所述阵列可至少包括与这些HDTV构造中的任一个一样多的元件。
在替代实施例中，公开了在阵列的元件与工件的表面上的斑点之间以脉冲方式传递图案信息的方法。在阵列中的至少100乘100的图像元件与工件的表面上的斑点之间，以投影脉冲方式传递图案数据。当阵列以相对于阵列的第一和第二轴都程角度的一般直线扫过表面时，斑点组的规则分布被填隙地构成，并被脉冲式地投影到表面上。所投影的斑点遵循连续脉冲之间的移动方向和移动距离。
此外，被填隙地脉冲式地投影的斑点组规则地分布在晶胞内，所述晶胞具有由第一位置中的阵列的图像元件的投影所定义的晶胞角落。移动方向平行于连接从第一位置中的阵列的第一和第二图像元件投影到表面上的特定斑点的线。来自连续脉冲的投影斑点之间的移动距离是特定斑点之间的跨越距离的有理分数，并且超过在移动方向上所测量的晶胞的宽度的两倍。
在一个实施方式中，移动距离大于晶胞宽度的四倍。另一可能性是移动距离大于晶胞宽度的八倍。
在另一实施方式中，该有理分数被选择来控制对关于晶胞角落而填隙地脉冲式投影的斑点组的计数。
在又一实施方式中，在使用所述移动方向和距离传递图案数据之前，被填隙地脉冲式投影的斑点组被图形化地绘出，以验证规则分布。
该方法的一个实施方式是：其中，所述斑点组的规则分布在晶胞内基本平衡，沿着分布的主轴和副轴具有不超过3∶2的比例的失衡。
在一个实施例中，公开了一种将具有笔直行进的基台方向并重复地沿着所述行进方向施加稀疏斑点阵列的实例的写入系统适配到速度和精度之间的不同折衷的方法。以一角度布置所述斑点阵列，并改变所述斑点阵列的实例之间的距离。短距离通过密集像素栅格给出低速度和高精度，而长距离给出高速度、更粗糙的栅格以及更低的精度。
在另一实施例中，公开了一种通过顺序地施加局部图案来形成图案、同时抑制来自形成所述局部图案的硬件中的场非均匀性的任何签名的方法。每个局部图案被形成为稀疏像素阵列。在复杂交织方案中添加局部图案。被写入到最终图案中的每个小邻域中的像素表示硬件的场中的许多不同位置。所述场的一个部分中的非均匀性的影响被扩散到整个最终图案上。
在一个替代实施例中，公开了一种在高度抑制的mura效应的情况下将图案快速写入在工件上的方法。在一方向上提供连续运动。利用至少一个发射短脉冲的激光源照明数字反射镜器件DMD。利用光学系统将被反射镜阵列调制的光聚焦到工件上的稀疏斑点阵列。随后将所述阵列相对于连续运动的方向旋转一角度。在每个激光脉冲之间将所述斑点阵列相对于所述工件平移一距离，选择所述方向和所述距离，使得在所述光学系统已经横穿了所述工件上的晶胞之后，所述斑点阵列中的单元晶胞被均匀地填充N个斑点的精细栅格。所述精细栅格相对于所述运动方向旋转大于6度的角度。高效地使用所述DMD的像素容量，有效地消除所述光学系统中的系统误差，并且创建了精细的地址栅格。
在一个实施例中，所述方法还包括写入多程。
在另一实施例中，公开了一种使用开关SLM创建子像素地址栅格的方法。创建相对于图案中的x、y、45度和-45度方向上旋转非零角度的密集像素栅格，开启所述图案的写入特征内的像素。所述密集像素栅格在写入光的每个FWHM中具有至少4个像素。
在一实施方式中，像素值可以接近边缘。虽然在此公开中许多描述是以方法的形式进行的，但其覆盖对应的装置和产品。此公开覆盖了执行所述方法的计算机系统、利用所述方法的计算机辅助的投影和检查机器、包括适配于执行所述方法的计算机指令的产品、通过将适配于执行所述方法的计算机指令与使用所述方法的硬件结合来制造计算机系统和计算机辅助的投影或检查系统的方法。
虽然参照上面详细描述的优选实施例和示例公开了本发明，但应理解，这些示例是意在说明性而非限制性的。计算机辅助的处理隐含在所描述的实施例中。对于本领域的技术人员来说，应想到修改和组合很容易发生，所述修改和组合将在本发明的精神和所附权利要求的范围内。
权利要求书中给出了所要求的权利。

Claims (20)

1.一种在具有至少100乘100个元件的阵列与工件的表面上的斑点之间以脉冲方式传递图案信息的方法，表面上的所述斑点定义晶胞，并形成在每个晶胞内具有预定数量N的像素的规则栅格，所述方法包括：
通过脉冲传递；
在脉冲之间将所述阵列移动一偏移矢量（a/N,b/N）；其中，a、b和N是不相等的非零整数，其特征在于：a和b中至少一个大于N并且N大于25，并且其中，选择a和b使得当大阵列在一程中扫过所述表面时，存在被限制为不超过8次的特定像素的过印重复。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在使用所述偏移矢量指导所述大阵列的移动之前，图形化地绘出像素的分布，以验证所述规则分布。
3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，还包括将来自所述阵列的信息写入到所述斑点。
4.如权利要求1-2中任一项所述的方法，还包括使用所述阵列从所述斑点读取信息。
5.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述晶胞内的所述像素的规则分布基本平衡，沿着分布的主轴和副轴具有不超过3:2的比例的失衡。
6.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述偏移矢量具有沿着所述阵列的两个轴的分量，所述分量是a/N和b/N形式的有理数。
7.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述偏移矢量平行于连接从第一位置中的阵列投影的两个斑点的线。
8.如权利要求6所述的方法，其中，a和b中的至少一个大于2N。
9.如权利要求6中任一项所述的方法，其中N大于100。
10.如权利要求6中任一项所述的方法，其中，至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，a和b互质。
11.如权利要求6中任一项所述的方法，其中，至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，a和N互质。
12.如权利要求6中任一项所述的方法，其中，至少在除去了a、b和N的所有公因子之后，b和N互质。
13.如权利要求6中任一项所述的方法，其中所述阵列包括至少1024x768个元件。
14.如权利要求6中任一项所述的方法，其中所述阵列包括至少1980x1080个元件。
15.如权利要求1所述的方法，其中来自连续脉冲的投影斑点之间的移动距离是特定斑点之间的跨越距离的有理分数，并且大于在所述移动方向上所测量的所述晶胞的宽度的两倍。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述移动距离大于所述晶胞的宽度的四倍。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述移动距离大于所述晶胞的宽度的八倍。
18.如权利要求15所述的方法，还包括选择有理分数来控制对关于所述晶胞的角落而填隙地脉冲式投影的斑点组的计数。
19.如权利要求1所述的方法，还包括将具有笔直行进的基台方向并重复地沿着行进方向施加稀疏斑点阵列的实例的写入系统适配到速度和精度之间的不同折衷，所述方法包括：
以一角度布置所述斑点阵列，并改变所述斑点阵列的实例之间的距离；
由此，短距离通过密集像素栅格给出低速度和高精度，而长距离给出高速度、较粗糙的栅格以及较低的精度。
20.如权利要求1所述的方法，还包括：形成每个局部图案作为稀疏像素阵列并在复杂交织方案中添加局部图案，其中，被写入到最终图案中的每个小邻域中的像素表示所使用的硬件的场中的多个不同位置；
由此，所述场的一个部分中的非均匀性的影响被扩散到整个最终图案上。
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