CN103370654B - 用于印刷高分辨率二维周期性图案的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将具有第一对称和第一周期的周期性图案印刷到光敏层中的方法，包括：提供承载至少两个重叠子图案的图案的掩模，所述至少两个重叠子图案具有第二对称和第二周期，每个子图案的特征被形成在透射材料中；提供承载该层的衬底；将所述掩模布置为与所述衬底具有间隔；提供具有用于照射掩模的中心波长的光，以生成光场，在所述光场中，所述中心波长的光形成塔尔博特平面之间的强度分布的范围；在维持所述间隔或将所述间隔改变距离的同时，利用所述光来照射所述掩模图案，从而将所述光敏层曝光于强度分布的范围的平均，其中，由每个子图案透射的光在相位上相对于由另一子图案透射的光偏移。

Description

用于印刷高分辨率二维周期性图案的方法和装置
本发明总体涉及如针对微观结构和纳米结构的制造而采用的光刻法的领域，并且本发明特别涉及基于塔尔博特（Talbot）效应或自成像的光刻法的领域。
光刻制造实现了微观图案和纳米图案在表面上的形成。光刻技术通过以下操作来实现这一点：将光敏表面曝光于具有与期望图案相对应的强度分布的光场。光敏表面通常是在衬底表面上直接涂覆或在其他材料的中间层之上间接涂覆的敏感材料（诸如，光致抗蚀剂）的薄层。在后续过程中使用由于曝光而在光敏层中发生的化学或物理改变来获得衬底的材料中或另一材料的中间层中的期望图案。在最常用的光刻技术中，使用光学系统将掩模中定义的图案的图像投影到衬底表面上。在这种传统系统中一般采用的掩模是下述振幅掩模：其中，图案特征被定义为透明衬底上的不透明材料（通常是铬）的层中的开口区域。可替换地，使用相移掩模（PSM），其中，使用材料的特定厚度或进入材料中的凹陷的深度来定义图案特征，使得传播通过这些特征的光在相位上相对于其他传播光偏移，然后，其在图像平面中相互干涉以形成期望的图案。在投影、接触、接近或传统塔尔博特光刻中采用的PSM的情况下，通过考虑由掩模透射的所有衍射阶之间的干涉来设计掩模。在一维图案的情况下，相对于振幅掩模，PSM可以将最小可印刷时段减小至1/2。这主要通过下述操作加以实现：抑制第0阶衍射光束，从而消除由其与第1阶衍射光束的干涉产生的强度调制。
对于许多应用而言，需要包括以一维或二维重复的图案特征的小区（即，周期性图案）的图案。用于将这种图案从掩模转移至衬底上的专门的光刻技术基于塔尔博特效应。当利用单色光的准直光束来照射掩模中定义的周期性图案时，透射光场中的衍射阶以与所谓的塔尔博特平面中的掩模相距正则距离（regular distance）来重构图案的“自图像”。通过下式将自图像的间隔S（其被称作塔尔博特距离）与照射波长λ和图案周期p相关：
                           等式（1）
然而，当p >> λ时（即，当以相对较小的角度衍射光时），该公式具有良好的精度，随着p的幅度逼近λ，其近似得不太好。将光致抗蚀剂涂覆的衬底定位于这些平面之一处导致掩模图案被印刷到光致抗蚀剂中（参见例如C. Zanke, et al., "Large area patterning for photonic crystals via coherent diffraction lithography", J. Vac. Sci. Technol. B 22, 3352 (2004)）。此外，在自图像平面之间的中间距离处，形成具有比掩模中的图案更高的空间频率的塔尔博特子图像，塔尔博特子图像可以通过将光致抗蚀剂涂覆的衬底放置在这些部分的塔尔博特平面之一处而被印刷。当掩模图案的占空比（即，作为特征周期的一小部分的特征的尺寸）被选择为在塔尔博特或部分塔尔博特平面中产生强度分布的高对比度时，改进了使用这些技术实现的印刷结果（参见美国专利No. 4,360,586）。在现有技术中还已知的是，可以通过使用相移材料在掩模中制造周期性图案来进一步增强塔尔博特图像的对比度。鉴于传统的投影型光刻系统针对这种图案的高成本，使用塔尔博特成像的光刻法对印刷高分辨率周期性图案来说尤其有利。
然而，塔尔博特技术的主要缺点是：自图像和子图像的强度分布对与掩模的距离非常敏感，即，其具有非常窄的景深。这意味着：需要相对于掩模非常精确地定位衬底，以正确地印刷图案。随着格栅周期减小，这变得越来越困难，这是由于自图像和子图像的景深依赖于图案周期的平方。此外，如果需要将图案印刷到不是非常平坦的衬底表面上，或者如果在其表面上存在地形结构或需要将图案印刷到光致抗蚀剂的厚层中，则可能不能实现期望的结果。
消色差塔尔博特光刻近来已经被引入作为用于以有成本效益的方式印刷高分辨率周期性图案的新方法（参见H. H. Solak, et al., "Achromatic Spatial Frequency Multiplication: A Method for Production of Nanometer-Scale Periodic Structures", J. Vac. Sci. Technol., 23, pp. 2705-2710 (2005)和美国专利申请No. 2008/0186579）。其提供了针对光刻应用的两个显著优势：首先，其克服了使用经典塔尔博特方法遇到的景深问题；以及其次，对于许多图案类型，其执行空间-频率乘法，即，相对于掩模中的图案的分辨率，其提高了印刷特征的分辨率。在消色差塔尔博特光刻（ATL）中，利用来自具有宽光谱带宽的光源的准直光束来照射掩模，并且在与掩模相距特定距离之外，透射光场形成了其强度分布不变的所谓静止图像，以在距离上进一步增大。通过下式将与该情况在其处发生的掩模相距的最小距离d-min同掩模中的图案周期p和照射的光谱带宽Δλ相关：
                          等式（2）
在该距离外，随着与掩模相距的距离增大，不同波长的塔尔博特图像平面以连续方式分布，这生成了静止图像。因此，通过将光致抗蚀剂涂覆的衬底放置在该区域中，将衬底曝光于在特定波长的接续的塔尔博特平面之间形成的横向强度分布的整个范围。因此，被印刷到衬底上的图案是横向强度分布的该范围的平均或整合，其对衬底相对于掩模的纵向位移基本上不敏感。因此，该技术实现了比在标准塔尔博特成像的情况下大得多的景深，以及比在传统投影、接近或接触印刷的情况下大得多的景深。
可以使用对电磁波通过掩模和在掩模之后的传播进行仿真的建模软件来确定来自特定掩模图案的ATL图像中的强度分布。这种仿真工具可以用于优化掩模中的图案的设计以在衬底表面处获得特定印刷图案。
已经开发了主要用于印刷包括沿至少一个方向以恒定周期重复的单元小区的周期性图案的ATL方法。然而，该技术还可以被成功地应用于下述图案：其周期跨越掩模以足够“慢”的渐进方式空间地变化，使得形成静止图像的特定部分的衍射阶由掩模的其中周期基本上恒定的部分生成。这种图案可以被描述为是准周期性的。
ATL的缺陷是：其需要具有显著光谱带宽的光源，以便在掩模与衬底之间需要的间隔不会不利地较大。从掩模传播的不同衍射阶的角发散产生了衬底表面处的不同阶之间的空间偏移，从而导致图案边缘处的不完美图像重构，这随着间隔的增大而变得更差。衍射阶的边缘处的菲涅耳衍射也使印刷图案的边缘降级，并且这同样随着间隔的增大而变得更差。出于这些原因，在大多数情况下，具有相对较小光谱带宽的激光源不适于ATL。
将诸如孤光灯或发光二极管之类的非激光源应用于ATL的困难是获得曝光光束中的高功率（用于确保生产过程中的高吞吐量）和良好光束准直（用于确保高对比度成像并最小化特征分辨率的损失）的组合。获得来自这些源的良好准直需要输出光束的空间滤波，这一般导致较大的功率损耗。
可以使用在美国专利申请no. 2008/0186579中公开的不同但相关的技术来获得ATL技术的优势。在该方案中，掩模中的周期性图案由单色光的准直光束照射，并且在曝光期间，衬底与掩模的距离在与接续的塔尔博特图像平面之间的间隔的整数倍相对应的范围内变化，以便在衬底上印刷塔尔博特平面之间的强度分布的平均。因此，可采用的最小位移等于接续的塔尔博特平面的间隔（当整数=1时）。在曝光期间该位移的情况下，被印刷到衬底上的图案与使用ATL技术印刷的图案基本上相同。公开了下述内容：可以通过在该范围内的多个离散位置处曝光衬底来连续地或以离散方式执行位移。使用连续位移，位移的速度不必恒定，以便获得横向强度分布的期望平均，并且使用离散或步进的位移，每个离散位置处的曝光剂量应当有必要出于相同原因而相同。该一般技术可以被称作位移塔尔博特光刻（DTL）。
使用ATL和DTL技术在衬底处生成的平均强度分布实质上等效，并且这两者均针对印刷图案实现了较大景深和空间-频率乘法。可以使用DTL方案，其中衬底和掩模的间隔比ATL方案小得多。这减小了图案边缘的降级，并允许对来自光源的输出的更高效利用，这是由于对准直的要求较不严格。此外，DTL技术使得能够使用对生产过程来说可能是优选的激光源。可以将来自这种源的光形成为良好准直的光束，其中功率损耗可忽略不计，从而最小化了特征分辨率的损失并最大化了图像对比度。
理论上，还可以使用仿真软件来确定使用DTL从特定掩模图案印刷的图案的结构。
在美国专利申请no. 2008/0186579中描述的DTL技术需要：在曝光期间衬底相对于掩模的纵向位移精确地对应于塔尔博特距离的整数倍。当该位移精确地为整数倍时，曝光衬底的平均强度分布与衬底和掩模的初始间隔无关，并因此产生衬底上的图案特征的均匀曝光，即使掩模和衬底不是精确地平坦和平行亦如此。如果另一方面，由于例如位移促动器的机械迟滞或有限步进分辨率或者由于照射系统的曝光和衬底的位移的持续时间之间的不精确同步，位移不是塔尔博特距离的精确整数倍，那么平均强度分布依赖于初始间隔。在这种情况下，如果掩模和衬底不是精确地平坦和平行的，则将特征大小的空间变化引入到印刷图案中；或者，如果掩模和衬底是精确地平坦和平行的但其间隔针对不同衬底而不同，则印刷特征的大小从衬底至衬底变化；这两种情况均可能是特定应用的问题。可以通过使衬底相对于掩模纵向位移大量的塔尔博特距离来减小特征大小的这些变化，但是，这可能引入其他问题，诸如特征分辨率的降级（如果照射光束不是良好准直的）、特征形状的扭曲（如果位移的方向不是精确地纵向的）、图案边缘的降级（如果间隙变得太大），并不利地需要机械系统中的更大行进范围。
未公开的美国申请no. 12/903,389教导了对DTL技术的修改，以克服该限制，以便使得能够均匀地且可再现地印刷周期性或准周期性图案，而无需在曝光期间衬底相对于掩模的纵向位移精确地对应于塔尔博特距离的整数倍。
未公开的美国申请no. 12/706,081教导了对ATL和DTL技术的增强，其中，取而代之，利用具有照射的角分布的光束来照射掩模中的特征的周期性或准周期性图案，从而照射光束的角分量中的每一个将光致抗蚀剂曝光于在接续的塔尔博特图像平面之间发生的横向强度分布的范围，使得曝光光致抗蚀剂的所得到的强度分布对应于照射光束的角分布与使用准直照射产生的平均强度分布的卷积。该方法允许印刷特征的形状的更大灵活性，并且还实现了周期性图案的每个单元小区内的印刷特征的数目的增值（multiplication）以及图案周期在至少一个方向上的减小。然而，后者针对掩模中的透明特征需要相对较小的占空比，这在掩模需要具有高透射以实现制造过程的较短印刷时间的情况下可能是不期望的。
上述未公开的美国专利申请据此通过引用而被并入。
在现有技术中描述的ATL和DTL技术以及在上述未公开的美国专利申请中描述的其修改方面的限制是可使用其光谱带宽被集中于特定波长上的照射、针对特定阵列类型印刷的二维图案的最小周期。在其特征被布置在六边形网格上的周期性图案的情况下，可利用DTL技术、使用具有波长λ的光印刷的最小的最近相邻距离（即，相邻特征的中心之间的距离）amin由 = 1.15λ给出。在具有被布置在正方形网格上的特征的图案的情况下，可印刷的最小周期pmin由给出。
现有技术的ATL和DTL技术的进一步限制是可使用掩模的准直照射印刷的阵列和图案类型的范围或种类。
因此，本发明的第一目的是：提供一种用于从掩模中的图案印刷特征的二维周期性或准周期性图案的方法和装置，该方法和装置基于ATL和DTL的技术，并使得使用具有集中于给定波长上的光谱带宽的照射印刷的图案的周期能够小于可能使用所述现有技术的技术的周期。
本发明的第二目的是：提供一种附加地实现掩模的相对较高透明度以便对特征的图案进行印刷所需的时间相对较短的方法。
本发明的第三目的是：提供一种用于从掩模中的图案印刷特征的二维周期性或准周期性图案的方法和装置，该方法和装置基于ATL和DTL的技术，并使得能够印刷将不可能使用所述现有技术的技术的阵列类型，例如蜂窝阵列或连续网格或者网状结构。
本发明的第四目的是：提供一种用于从掩模中的图案印刷特征的二维周期性或准周期性图案的方法和装置，该方法和装置基于ATL和DTL的技术，并使得能够从将不可能使用所述现有技术的技术的不同阵列类型（诸如，蜂窝阵列）印刷阵列类型（诸如，六边形阵列），从而赋予特定优势，诸如便于掩模的制造。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将具有第一晶格对称和第一最近相邻距离的特征的期望的二维周期性图案印刷到光敏层中的方法，包括：
a）提供承载由特征的至少两个重叠周期性子图案组成的掩模图案的掩模，所述至少两个重叠周期性子图案中的每一个具有第二晶格对称和第二最近相邻距离，每个子图案的特征被形成在至少一个透射材料中或上；
b）提供承载所述光敏层的衬底；
c）将所述掩模布置为与所述衬底基本上平行且与所述衬底具有间隔；
d）提供具有用于照射所述掩模图案的中心波长和光谱带宽的基本上准直的光，以生成透射光场，在所述透射光场中，所述中心波长的光形成塔尔博特平面之间的横向强度分布的范围；
d）在维持所述间隔和将所述间隔改变位移距离之一的同时，利用所述光来照射所述掩模图案，从而将所述光敏层基本上曝光于横向强度分布的范围的平均，这印刷了期望图案；
其中，所述间隔被根据所述光谱带宽和所述第二最近相邻距离加以布置并在照射期间被维持，或者在照射期间被改变与所述中心波长和所述第二最近相邻距离相关的位移距离；其中，所述子图案被形成为使得由每个子图案透射的光在相位上相对于由至少一个其他子图案透射的光偏移；以及其中，与所述中心波长相关地选择所述第二最近相邻距离，使得在所述透射光场中形成第一衍射阶。
由于ATL和DTL技术的光学原理与投影和接近光学系统的光学原理非常不同，因此使用PSM与ATL或DTL导致意料不到和/或有利的结果。例如，如果使用传统投影系统来对线性格栅的无铬PSM和具有相同周期的格栅的振幅掩模进行成像，则利用PSM印刷的格栅具有利用振幅掩模印刷的格栅的周期的一半。另一方面，使用DTL或ATL，利用PSM和振幅掩模印刷的图案的周期相同，这两者均为掩模中的格栅的周期的一半。一般地，与ATL或DTL一起采用二维图案的PSM需要不同的设计和优化方法，并使得能够印刷具有与使用标准光刻系统印刷的图案相比有利且出乎意料的特性的高分辨率图案。
以下参照附图来描述本发明的优选示例：
图1示出了在第一实施例中采用的相移掩模中的特征的六边形图案的设计。
图2示出了第一实施例的相移掩模的横截面。
图3示出了第一实施例的曝光系统。
图4a示出了使用第一实施例的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图4b示出了跨越图4a的分布沿x方向的强度变化。
图5a示出了由在第一实施例中采用的具有与设计值偏差的相移的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图5b示出了跨越图5a的分布沿x方向的强度变化。
图6示出了在第一实施例中采用的具有更大特征的相移掩模的修改后的设计。
图7a示出了使用图6的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图7b示出了跨越图7a的分布沿x方向的强度变化。
图8a示出了由在第二实施例中采用的具有与理想设计值稍微偏差的相移的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图8b示出了跨越图8a的分布沿x方向的强度变化。
图9示出了在第三实施例中采用的相移掩模中的特征的蜂窝图案的设计。
图10a示出了使用第三实施例的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图10b示出了跨越图10a的分布沿x方向的强度变化。
图11a示出了由在第三实施例中采用的具有与设计值偏差的相移的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图11b示出了跨越图11a的分布沿x方向的强度变化。
图12a示出了使用在第四实施例中采用的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图12b示出了跨越图12a的分布沿x方向的强度变化。
图13示出了在第五实施例中采用的相移掩模中的特征的正方形网格图案的设计。
图14a示出了使用第五实施例的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图14b示出了跨越图14a的分布沿x方向的强度变化。
图15示出了由在第五实施例中采用的具有与设计值偏差的相移的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图16示出了在第六实施例中采用的相移掩模中的具有小占空比的特征的正方形网格图案的设计。
图17a示出了由第六实施例的掩模以及ATL或DTL曝光产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图17b示出了跨越图17a的分布沿x方向的强度变化。
图18示出了在第七实施例中采用的3级相移掩模中的特征的正方形网格图案的设计。
图19a示出了由第七实施例的掩模以及ATL或DTL曝光产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图19b示出了跨越图19a的分布的沿x方向的强度变化。
图20示出了由在第七实施例中采用的其相移与设计值偏差的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图21示出了在第七实施例中采用的具有更大特征的相移掩模的修改后的设计。
图22a示出了使用图21的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图22b示出了跨越图22a的分布沿x方向的强度变化。
图23示出了第八实施例中的完全透明相移掩模中的特征的正方形网格图案的设计。
图24a示出了由第八实施例的掩模以及ATL或DTL曝光产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图24b示出了跨越图24a的分布沿x方向的强度变化。
图25示出了在第九实施例中采用的3级相移掩模中的特征的蜂窝图案的设计。
图26a示出了使用第九实施例的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图26b示出了跨越图26a的分布沿x方向的强度变化。
图27示意了在第十实施例中采用的相移掩模中的特征的图案的设计。
图28示出了第十实施例的相移掩模的横截面。
图29a示出了使用第十实施例的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图29b示出了跨越图29a的强度峰值沿x方向的强度变化。
图30a示出了由在第一实施例中采用的其相移与设计值偏差的掩模产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图30b示出了跨越图30a的强度峰值沿x方向的强度变化。
图31a示出了由在第一实施例中采用但具有更大孔的掩模的相同设计产生的曝光光致抗蚀剂的所仿真的平均强度分布。
图31b示出了跨越图31a的强度峰值沿x方向的强度变化。
图32示意了在其中透明特征是正方形而非圆形的另一实施例中的相移掩模的设计。
图33a示出了使用图32的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图33b示出了跨越图33a的强度峰值沿x方向的强度变化。
图34示意了在其中图案周期大得多的另一实施例中的相移掩模的设计。
图35a示出了使用图34的掩模以及ATL或DTL曝光对光致抗蚀剂进行曝光的所仿真的平均强度分布。
图35b示出了跨越图35a的强度峰值沿x方向的强度变化。
在本发明的第一实施例中，参照图1和2，掩模中的组成图案包括具有直径150nm的孔1的阵列，其被布置在具有最近相邻距离a=250nm的六边形网格上，孔1的阵列已经被形成在熔融石英衬底3上的铬2的不透明层中。该图案由孔的三个重叠且相互偏移的子图案组成，每个子图案内的孔被布置在具有最近相邻距离的六边形网格上。图1描绘了组成图案的重复小区（cell），其在总掩模图案的大区域之上以重复小区的二维阵列加以重复。已经基本上均匀地蚀刻第二子图案的孔内的熔融石英衬底的表面至116nm的深度，并且在第三子图案的孔内，已经蚀刻该表面至232nm的更大深度，使得这三个子图案中的孔的所得到的横截面轮廓如图2中所示。已经使用如用于制造相移掩模的微电子工业采用的标准掩模制造技术来制造掩模。其细节将对本领域技术人员来说是已知的可能的制造策略将包括：首先，使用电子束光刻工艺来在铬层中限定和打开所有孔；利用抗蚀剂来重新涂覆掩模并执行进一步的电子束写入步骤，以在第二子图案的孔之上清除该抗蚀剂；以及随后，蚀刻这些孔至所需深度；紧接着是第三子图案的孔的类似的重新涂覆、抗蚀剂清除和蚀刻序列。参照图3，根据DTL的技术，将该掩模5引入到曝光系统中，该曝光系统被设计为将图案印刷到利用光致抗蚀剂13的层在其上表面上涂覆的衬底12上。掩模5由已被光学系统10准直的具有从氩离子激光器8导出的波长364nm的单色光束7在法线入射下照射。光学系统10包括圆偏振器，该圆偏振器用于将来自激光器8的平面偏振光束转换为圆偏振后的光束。这对确保不将非对称引入到从该实施例的掩模5印刷的高分辨率二维阵列的特征中来说是重要的。在这些照射条件和所选的孔深度的情况下（以及在熔融石英的折射率为1.47的情况下），使由第二和第三子图案的孔透射的光在相位上相对于由第一子图案透射的光分别偏移54°和108°。如果掩模5中的组成图案的孔被简单地形成在衬底上的铬层中而在子图案之间没有不同的孔深度（即，根据现有技术的教导），则组成图案中的孔的子波长最近相邻距离将仅允许第0衍射阶传播，并由此防止周期性图案被印刷到衬底12上。然而，取而代之使用具有相移的第二和第三子图案的掩模5允许六个第1衍射阶传播，这六个第1衍射阶与第0阶光束发生干涉，以生成以塔尔博特距离纵向间隔的一系列塔尔博特平面。通过下式将第1阶光束的极角分量与六边形子图案阵列的最近相邻距离b相关：
                    等式（3）
可以使用下式，根据第1衍射阶的极角来计算将所得到的光场中的自图像平面分离的塔尔博特距离LT：
                等式（4）
其中，是第0阶光束的极角。在掩模的法线入射照射的情况下，= 0。
因此，通过在曝光期间将衬底12相对于掩模5纵向位移至少塔尔博特距离的距离，使用DTL技术将光致抗蚀剂涂覆的衬底12曝光于该光场导致周期性强度分布被印刷到光致抗蚀剂层13中。最优选地，根据12/903,389的教导，执行在曝光期间衬底相对于掩模的位移。具体地，最优选的是，在曝光期间以变化的速度将光致抗蚀剂涂覆的衬底相对于掩模纵向位移，使得通过随位移平滑地变化的间隔的每增量改变的能量密度来照射掩模，以使得其对应于例如基本上高斯分布。对DTL技术的这种修改改进了印刷图案的均匀性和可再现性。可替换地，可以通过以恒定速度改变间隔并使照射光束的强度在曝光期间变化来获得对印刷图案的均匀性和可再现性的类似改进，如同样在12/903,389中更详细地描述的那样。在图3中未指示用于相对于掩模纵向定位和位移衬底的机械装置，这是由于在上述应用中明确描述了这些机械装置并且基于该教导，这些机械装置可以被用于光刻系统（尤其用于邻近印刷系统）的精密机械定位的领域中的技术人员容易地认识到。借助于具有已知厚度的一个或多个分隔部或者使用干涉计间隙测量器材（诸如基于白光干涉量度法的干涉计间隙测量器材），可以将在纵向位移之前光致抗蚀剂涂覆的衬底与掩模之间的初始间隔设置为例如50μm的值。
可以通过使用标准计算技术（特别地，基于高精度方法（诸如有限差时域（FDTD）和严格耦合波分析（RCWA））的那些标准计算技术）对由掩模5透射的光场的传播进行仿真来确定曝光衬底12的所得到的强度分布，尽管也可以采用诸如基于标量理论和角谱法的应用的较不精确的方法。利用后者方法获得的仿真结果示出了强度分布的一般特性和将被印刷到衬底上的图案的形式。光致抗蚀剂层中的实际剂量分布依赖于包括光致抗蚀剂的光偏振、衬底反射率和折射率的其他参数。这些也可以在使用本领域技术人员公知的数学处理的仿真中被考虑。
使用基于标量理论的方案，将曝光光致抗蚀剂13的平均强度分布计算为在具有与掩模中的组成图案的最近相邻距离（即，250nm）相同的最近相邻距离的蜂窝图案中布置的强度峰值的周期性阵列，如图4a中所示。该值显著地小于可能使用现有技术和该照射波长的值。图4b描绘了跨越4a的分布的中心沿x方向的强度变化，其指示了强度分布的高对比度以及其对生产光刻过程的适用性。清楚地，如果使用正性光致抗蚀剂，则孔的阵列将被印刷到层13中，而在负性光致抗蚀剂的情况下，将印刷杆（post）的阵列。使用根据现有技术的教导的振幅掩模和DTL或ATL，不可能在364nm的曝光波长下印刷具有该较小的最近相邻距离的蜂窝强度分布。因此，该实施例演示了用于印刷在蜂窝网格上布置的特征的周期性图案的本发明的显著优势。
尽管在该实施例中，以上针对第二和第三子图案指示了特定孔深度和相关联的相移，但是根据计算机仿真确定：当第二和第三子图案中的深度（和相关联的所得到的相移）的比率是1:2时，平均强度分布的形式和曝光光致抗蚀剂的峰值的对比度具有对孔深度从这些值的偏离的较低的敏感度。根据依赖性的分析，当满足该比率时，尽管优选的是，由第二子图案引入的相对相移处于范围25°至85°内，并且由第三子图案引入的相对相移处于范围50°至170°内，但最优选的是，由第二子图案引入的相对相移处于范围35°至75°内，并且由第三子图案引入的相对相移处于范围70°至150°内。然而，当平均分布将第二和第三子图案的比率从1:2改变时，平均分布对孔深度的改变更不容忍。例如，当由第二和第三子图案引入的相移是36°和88°（与比率~2.4相对应）时，曝光光致抗蚀剂的平均分布中的峰值的强度不是均匀的，而是跨越图案以周期性方式变化，如图5a中所示。图5b中描绘的跨越该分布的中心沿x方向的强度轮廓示出了峰值强度的~20%变化。根据峰值强度的可变化性对相位偏差的依赖性的分析，优选的是，由第二和第三子图案引入的相移的比率处于范围1:1.6至1:2.4内，并且最优选的是，其处于范围1:1.8至1:2.2内，尽管根据特定应用的光刻要求，也可能容忍前者范围外的比率。
此外，尽管在上述掩模设计中指示了孔的特定直径，但是根据计算机仿真确定：使用该实施例曝光光致抗蚀剂的所得到的平均强度分布的形式基本上与孔的直径无关。例如，使用与图1中相同但在所有子图案中具有240nm孔直径的基本掩模设计以使得相邻孔的边缘几乎触碰（参见图6）在光致抗蚀剂处产生了基本上相同形式的强度分布，该强度分布具有跨越该分布的中心沿x方向的强度变化（参见图7a和7b）的基本上相同的对比度。由于具有更大孔的掩模的透射更高，因此分布的峰值强度在这种情况下基本上更高，这对减少正确地曝光光致抗蚀剂所需的时间来说有利。通过推断，可以期望，具有子图案和相关联相位的相同配置但具有完全透明的六边形区域而不是不透明层中的孔的无铬掩模将印刷类似图案并实现更短的曝光时间。
在用于从具有被布置在六边形网格上的特征的掩模中的组成图案印刷特征的蜂窝图案的该第一实施例中，必要的是，组成图案中的孔的最近相邻距离a满足。在第二类似实施例中，图1的设计中的第二和第三子图案的孔的深度被更深地蚀刻，使得由那些子图案透射的光的相位分别相对于由第一子图案透射的光偏移120°和240°。由该掩模透射的光场主要包括三个第1衍射阶，这三个第1衍射阶相互干涉以产生具有与掩模中的组成图案相同的最近相邻距离（即，250nm）的强度峰值的六边形阵列。在理想掩模的情况下，来自子图案的相移的这种组合将不产生第0衍射阶。然而，掩模的结构内的光的衍射会得到沿远离掩模的方向对干涉图案进行调制的一些第0阶光，从而限制横向分布的聚焦深度。该调制在实践中更大，这是由于掩模制造过程中的不精确产生了由第二和第三子图案透射的光的非理想相移，这放大了第0阶光束的强度。因此，使用DTL或ATL技术使得能够利用250nm的最近相邻距离和利用较大的聚焦深度来印刷特征的六边形图案，使用ATL和DTL的现有技术的技术，这在该波长下将是不可能的。利用掩模的这种设计曝光光致抗蚀剂的整合强度分布的仿真确认了高对比度图像的形成。然而，在相移与理想值有偏差的情况下，所得到的分布中的强度峰值不是跨越图案均匀的，而是以周期性方式变化。例如，如果由第二和第三子图案产生的相移分别是126°和252°，则将使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的所得到的平均强度分布计算为如图8a中所示。在图8b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化，其示出了峰值强度中的~20%非均匀性。使用精确地产生来自第二和第三子图案的120°和240°相移的掩模得到相等的强度峰值。因此，根据依赖性的分析，可以指定由第二和第三子图案产生的相移的最大可接受偏差，以便印刷图案满足特定应用的要求。
可以通过以多个不同入射角度、利用每个角度处优选地相同的曝光剂量、顺序地或同时地照射掩模来降低或消除使用ATL或DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均分布中的峰值强度的该周期性可变化性。照射光束的较小角偏移使照射光致抗蚀剂层的强度分布在包含角偏移的平面中横向位移由L给定的距离，其中，L是该层与掩模的间隔（如在美国专利申请no. 12/706,081中更详细地描述的那样，针对该美国专利申请，出于不同的目的采用该内容）。因此，通过以被选择为使得照射光致抗蚀剂的相应强度分布之间的偏移的距离和方向对应于印刷图案的周期和阵列轴的两个或更多个入射角度顺序地或同时地照射掩模，则在光致抗蚀剂处叠加不同强度分布的强度峰值，从而在整合的分布中实现峰值强度的更高均匀性。关于第二实施例的特定掩模设计，通过以三个入射角度照射掩模以使得通过第二和第三角度在光致抗蚀剂处产生的平均强度分布相对于通过第一角度产生的平均强度分布分别沿印刷图案的第一和第二阵列轴的方向偏移印刷图案的一个最近相邻距离，则使整合的分布中的强度峰值均匀，即使第二和第三子图案中蚀刻的特征的深度与理想值偏差亦如此。尽管在该方案中采用的不同照射角度减小了印刷图案的聚焦深度，但是可以通过使用衬底和掩模的更大间隔来减轻该聚焦深度。
可以通过可替换地使用单个照射角度执行顺序ATL或DTL曝光的集合以及附加地在曝光之间将光致抗蚀剂涂覆的衬底相对于掩模横向位移，来从相同的非理想掩模印刷强度峰值的均匀图案。通过在曝光之间沿阵列轴的方向将衬底位移印刷阵列的一个周期的距离，可以叠加两次曝光的平均分布中的强度峰值。因此，对于第二实施例的特定掩模设计，通过执行三次曝光并将衬底相对于掩模位移以使得相应曝光之间的偏移的距离和方向对应于使用上述方案中的三个照射角度实现的那些距离和方向，则还使整合的强度分布中的峰值强度均匀。由于该可替换过程仅需要单个照射角度，因此有利地，整合的强度分布具有与DTL和ATL技术承受得起的聚焦深度相同的大聚焦深度。其实现需要在用于沿x和y方向这两者将光致抗蚀剂涂覆的衬底相对于掩模位移（或者反之亦然）的曝光系统中结合高精度促动器（诸如压电换能器），并且优选地，还需要用于精确地测量并确保执行位移至所需精度的传感器。
这些辅助曝光方案允许从非理想PSM印刷均匀图案，并因此对于利用DTL或ATL技术的PSM的实际实现来说是重要的。
在用于从具有被布置在六边形网格上的特征的掩模中的组成周期性图案印刷特征的周期性图案的该第二实施例中，必要的是，组成图案中的孔的最近相邻距离a满足a > 2λ/3。
在本发明的第三实施例中，参照图9，掩模中的特征的组成图案包括具有直径150nm的孔的阵列，这些孔被布置在具有最近相邻距离a=250nm的蜂窝网格上，孔的阵列已经被形成在熔融石英衬底上的铬的不透明层中（图9仅示出了组成图案的重复小区）。该图案由两个重叠但相互偏移的子图案组成，每个子图案内的孔被布置在具有最近相邻距离的六边形网格上。已经基本上均匀地蚀刻第二子图案的孔内的熔融石英衬底的表面至116nm的深度，使得当由具有波长364nm的光以法线入射照射掩模时，由第二子图案透射的光在相位上相对于由第一子图案透射的光偏移60°。在没有相移的情况下，由掩模透射的光场将包括第0和第1衍射阶，因此将能够使用DTL类型曝光来印刷周期性图案；然而，计算机仿真示出：曝光光致抗蚀剂的平均强度分布包括被布置在具有最近相邻距离433nm的六边形网格上的强度峰值，这意味着掩模图案的更高分辨率分量实际上已经丢失。取而代之使用具有相移的第二子图案的掩模曝光光致抗蚀剂的平均强度分布的计算机仿真产生图10a中所示的结果，并且在图10b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化。尽管该分布还包括被布置在六边形网格上的强度峰值，但是最近相邻距离与掩模中的组成图案的最近相邻距离相同，即，250nm。这显著地小于可能使用根据现有技术的DTL和该照射波长的最近相邻距离，从而表示分辨率方面的显著增益。因此，该实施例演示了用于印刷被布置在六边形网格上的特征的周期性图案的本发明的显著优势。
然而，计算机仿真示出：与在第一实施例的掩模设计的情况下相比，曝光光致抗蚀剂的所得到的强度分布的形式具有对孔深度和相关联相移与以上指示的值的偏差的某些灵敏度。例如，如果第二子图案中的孔的深度取而代之产生相移54°，则计算出：使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布如图11a中所示。在图11b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化，从图11b中可以看出，峰值的强度不是均匀的，而是跨越图案以周期性方式变化~15%。因此，最优选的是，第二子图案中的孔的深度引入范围55°至65°内的相移，尽管根据特定应用的光刻要求，可以容忍更大的范围。该实施例具有仅需要单相蚀刻步骤和浅蚀刻深度的优势。
在第四类似实施例中，图9的设计中的第二子图案的孔的深度被更深地蚀刻，使得由该子图案透射的光的相位相对于由第一子图案透射的光偏移180°。当将衬底相对于掩模纵向位移产生了具有最近相邻距离250nm的强度峰值的蜂窝阵列时，平均强度分布的计算机仿真照射光致抗蚀剂涂覆的衬底，如图12a中所示。使用振幅掩模和该曝光波长，这将是不可能的。在图12b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化，图12b示出：强度峰值具有高对比度，因此适用于生产过程。计算机仿真示出：用于利用DTL技术印刷强度峰值的蜂窝阵列的相位掩模的这种设计对相移与由第二子图案产生的180°的偏差相对不敏感。根据依赖性的分析，确定：为了使用该实施例的掩模图案类型来印刷蜂窝图案，优选的是，由第二子图案产生的相移处于范围90°至270°内，并且最优选的是，其处于范围120°至240°内。
尽管在该实施例的掩模设计中指示了孔的特定直径，但是计算机仿真示出：使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的所得到的平均强度分布的形式基本上对孔直径不敏感。更大的孔直径实现光经过掩模的更大透射，这对减少将图案印刷到光致抗蚀剂中所需的时间来说有利。
在用于从其特征被布置在蜂窝网格上的掩模中的组成周期性图案印刷特征的周期性图案的这些实施例中，必要的是，掩模中的组成图案中的孔的最近相邻距离a满足a > 2λ/3。
在本发明的第五实施例中，参照图13，掩模中的特征的组成图案包括直径100nm的孔的阵列，这些孔被沿x和y方向这两者布置在具有最近相邻距离（即，周期）a = 200nm的正方形网格上，孔的阵列已经被形成在熔融石英衬底上的铬的不透明层中（图13仅示出了组成图案的重复小区）。该图案由孔的四个重叠但相互偏移的子图案组成，每个子图案的孔被沿x和y方向这两者布置在具有最近相邻距离（即，周期）b = 2a = 400nm的正方形网格上。已经在第二子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面至深度194nm，在第三子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面至深度387nm，并在第四子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面至深度581nm。当在图3的曝光系统中引入该掩模并且以与第一实施例中相同的方式照射该掩模时，第二、第三和第四子图案中的蚀刻的特征的深度使由这些子图案透射的光的相位相对于由第一子图案的特征透射的光分别偏移90°、180°和270°。如果掩模中的组成图案的孔被简单地形成在衬底上的铬层中而在子图案中没有不同的特征深度（即，根据现有技术的教导），则孔的子波长周期将仅允许第0衍射阶传播，并且因此，将不可能将周期性图案印刷到衬底上。然而，在上述相移的情况下，透射光场包括相互干涉以生成一系列塔尔博特平面的第0阶和第1阶。在该实施例中，通过下式将第1衍射阶的极角与子图案中的特征的周期b相关：
                          等式（5）
可以再次使用等式（4）来确定塔尔博特距离。
在根据DTL技术将衬底相对于掩模位移时被印刷到光致抗蚀剂中的平均强度分布的计算机仿真产生被布置在具有最近相邻距离（即，周期）200 nm的正方形网格上的强度峰值的阵列，如图14a中所示。图14b描绘了跨越图14a的分布的中心沿x方向的强度变化，其指示了强度峰值的高对比度。使用根据现有技术的教导的振幅掩模和DTL或ATL，将不可能使用曝光波长364nm来印刷具有这种较小的最近相邻距离的正方形网格强度分布。因此，该实施例演示了用于印刷被布置在正方形网格上的特征的周期性图案的本发明的显著优势。
然而，计算机仿真示出：对于该掩模设计，曝光光致抗蚀剂的平均强度分布具有对孔深度与以上指示的值的偏差的一些灵敏度。例如，如果深度使得由第三和第四子图案透射的光的相位取而代之分别偏移200°和300°，则将使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布确定为如图15中所示。如可以看出的那样，相位的偏差已经将一些椭圆形引入到强度峰值的横截面形状中。此外，在由第二和第三子图案产生的相移与所需值的非对称偏差的情况下，计算机仿真示出：附加地将峰值强度的非均匀性引入到周期性平均强度分布的每个单元小区中。根据依赖性的分析，可以推断出：优选的是，第二、第三和第四子图案中的孔的深度引入相对于第一子图案分别处于范围80°至100°、170°至190°和260°至280°内的相移，尽管根据特定应用的光刻要求，可以容忍更大的范围。
在第六相关实施例中，参照图16，掩模中的特征的组成图案包括直径100nm的孔的阵列，这些孔被沿x和y方向这两者布置在具有最近相邻距离（即，周期）a = 1μm的正方形网格上，孔的阵列已经被形成在熔融石英衬底上的铬的不透明层中（图16仅示出了组成图案的重复小区）。该图案由孔的四个重叠且相互偏移的子图案组成，每个子图案的孔被布置在具有最近相邻距离（即，周期）b = 2a = 2μm的正方形网格上。对于该实施例，取而代之，照射系统采用ArF准分子激光器作为以波长193nm发射的光源。在第二、第三和第四子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面分别至深度86nm、172nm和258nm。当在已被修改为以波长193nm提供准直的照射光束的图3的曝光系统中引入该掩模时，第二、第三和第四子图案中的蚀刻的特征的深度将由这些子图案透射的光的相位分别相对于由第一子图案透射的光偏移90°、180°和270°。使用该掩模和DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布的计算机仿真产生具有周期1 μm的窄高强度线的正方形网状，如图17a中所示。在图17b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化。这些结果演示：可以与ATL或DTL一起采用相移掩模的这种设计，以将具有如~100nm那么窄的线宽的连续网格或网状结构印刷到光致抗蚀剂层中。可替换地，可以使用分布的中心处的强度最小值、利用例如负性光致抗蚀剂工艺来印刷高分辨率图案。
在第七相关实施例中，参照图18，掩模中的特征的组成图案包括直径100nm的孔的阵列，这些孔被沿x和y方向布置在具有最近相邻距离（即，周期）a = 200nm的正方形网格上，孔的阵列已经被形成在熔融石英衬底上的铬的不透明层中（图18仅示出了组成图案的重复小区）。特征的图案可以被视为由孔的四个重叠但相互偏移的子图案组成，每个子图案的孔被沿x和y方向这两者布置在具有最近相邻距离（即，周期）b = 2a = 400nm的正方形网格上。已经在第二和第三子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面至深度194nm，并在第四子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面至深度387nm。当在图3的曝光系统中引入该掩模并且以与第一实施例中相同的方式照射该掩模时，子图案中的蚀刻的特征的深度使由第二和第三子图案透射的光的相位相对于由第一子图案的特征透射的光分别偏移90°，而由第四子图案透射的光的相位偏移180°。如果掩模中的组成图案的孔被简单地形成在衬底上的铬层中而在子图案中没有不同的特征深度（即，根据现有技术的教导），则孔的子波长周期将仅允许第0衍射阶传播，并且因此，将不可能将周期性图案印刷到衬底上。然而，在上述相移的情况下，透射光场包括相互干涉以生成一系列塔尔博特平面的第0阶和第1阶。在根据DTL技术将衬底相对于掩模位移时被印刷到光致抗蚀剂中的平均强度分布的计算机仿真产生被布置在具有最近相邻距离（即，周期）200 nm的正方形网格上的强度峰值的阵列，如图19a中所示。图19b描绘了跨越图19a的分布的中心沿x方向的强度变化，其指示了强度峰值的高对比度。因此，该实施例演示了用于印刷被布置在正方形网格上的特征的周期性图案的本发明的显著优势。与前述实施例相比，该掩模设计仅具有三个相位级，从而简化了制造过程，并且此外，周期性图案的相邻扇区之间的最大相变是180°，这减小了由掩模内的衍射效应引起的印刷图案的扰动。
计算机仿真示出：对于该掩模设计，曝光光致抗蚀剂的平均强度分布还具有对孔深度与以上指示的值的偏差的一些灵敏度。例如，如果深度使得由第二和第三子图案透射的光的相位取而代之偏移82°并且由第四子图案透射的光的相位偏移164°，则将使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布确定为如图20中所示。如可以看出的那样，相位的改变已经将一些椭圆形引入到强度峰值的横截面形状中。此外，在由第二和第三子图案产生的相移与所需值的非对称偏差的情况下，计算机仿真示出：附加地将峰值强度的非均匀性引入到周期性平均强度分布的每个单元小区中。根据依赖性的分析，可以推断出：优选地，第二和第三子图案中的孔的深度引入处于范围85°至95°内的相移，并且优选地，第四子图案中的孔引入处于范围170°至190°内的相移，尽管根据特定应用的光刻要求，可以容忍更大的范围。
根据计算机仿真进一步确定：从该实施例的掩模获得的平均强度分布中的峰值的横截面形状基本上与掩模中的孔的直径无关，并且分布中的峰值的对比度随孔尺寸更大而减小。例如，通过将孔的直径从100nm增大至160nm以使得掩模设计如图21中所示，使用DTL技术曝光光致抗蚀剂的所得到的平均强度分布如图22a中所示，在图22b中示出了跨越分布的中心沿x方向的其强度轮廓。
此外，根据计算机仿真确定：在第八实施例中采用的具有与第七实施例的掩模相同的阵列几何结构和相位分布但在重复小区的每四分之一内具有完全开口区域（如图23中所示）而不是铬层内的孔的无铬掩模在利用DTL或ATL技术曝光时在光致抗蚀剂处产生基本上相同形式的平均强度分布（参见图24a）。在图24b中描绘了跨越图24a的中心沿x方向的强度变化，其示出：然而，强度分布的对比度更小。明显地，无铬掩模具有非常高的透射，这对最小化将图案印刷到光致抗蚀剂中所需的时间来说有利。
在用于从具有被布置在正方形网格上的特征的掩模中的组成周期性图案印刷特征的周期性图案的这些实施例中，必要的是，掩模中的组成图案中的特征的最近相邻周期a满足a > λ/2。
在本发明的第九实施例中，参照图25，掩模中的特征的组成图案包括直径130nm的孔的阵列，这些孔被布置在具有最近相邻距离a = 250nm的三角形-六边形蜂窝网格上，孔的阵列已经被形成在熔融石英衬底上的铬的不透明层中（图25仅示出了组成图案的重复小区）。该图案由孔的三个重叠且相互偏移的子图案组成，每个子图案的孔还被布置在三角形-六边形蜂窝网格上但具有最近相邻距离==433nm。已经在第二和第三子图案的孔内蚀刻熔融石英衬底的表面分别至深度258nm和516nm。当在图3的曝光系统中引入该掩模并且以与第一实施例中相同的方式照射该掩模时，第二和第三子图案中的蚀刻的特征的深度将由这些子图案透射的光的相位相对于由第一子图案透射的光分别偏移120°和240°。使用该掩模和DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布的计算机仿真产生具有最近相邻距离250nm的强度峰值的六边形阵列，如图26a中所示。在图26b中描绘了跨越该分布的中心沿x方向的强度变化，其示出了强度峰值的高对比度。对该分布中的强度峰值的仔细检查揭示了在~10%调制的情况下其强度的一些变化，这对特定应用来说是可接受的。
在本发明的第十实施例中，参照图27和28，掩模中的组成图案包括具有直径140nm的孔15的阵列，孔15被沿x和y方向分别布置在具有最近相邻距离（即，周期）ax = 380nm和ay = 190nm的矩形网格上，孔15的阵列已经被形成在熔融石英衬底17上的铬16的不透明层中。该图案由孔的两个重叠且相互偏移的子图案组成，这两个子图案内的孔被布置在具有最近相邻距离（即，周期）b = 380nm的正方形网格上。图27描绘了组成图案的重复小区，其以总掩模图案的大区域之上的重复小区的二维阵列加以重复。已经基本上均匀地蚀刻第二子图案的孔内的熔融石英衬底的表面至194nm的深度，使得重复小区中的孔的沿y方向的所得到的横截面轮廓如图28中所示。在该孔深度的情况下，由第二子图案的孔透射的光的相位相对于由第一子图案透射的光偏移90°。如果组成图案的孔被简单地形成在衬底上的铬层中而没有不同的孔深度（即，根据现有技术的教导），则由掩模透射的光场将仅包含由图案的沿x方向的周期性分量衍射的第0衍射阶和两个第1阶——图案的沿y方向的子波长周期将防止光在该平面中被衍射；并且因此，将导致光致抗蚀剂处的一维干涉图案而在y方向上没有任何强度调制。使用具有相移子图案的图27的掩模在y平面中产生在以塔尔博特距离分离的平面中重构二维塔尔博特图像的两个附加衍射阶。使用DTL技术、使用图3的装置、通过在曝光期间将衬底12相对于掩模5纵向位移塔尔博特图像平面的至少所述间隔的距离来将光致抗蚀剂涂覆的衬底12曝光于该光场，因而导致周期性强度分布被印刷到光致抗蚀剂层13中。将曝光光致抗蚀剂13的平均强度分布计算为具有最近相邻距离（即，周期）190nm的强度峰值的正方形阵列，如图29a中所示，这意味着：图案的周期在x方向上已经相对于掩模中的图案的周期减小至1/2，而在y方向上不变。图29b描绘了y坐标95nm处跨越图29a的分布沿x方向的强度变化，其指示了所获得的强度分布的高对比度及其对生产光刻过程的适用性。清楚地，如果该强度分布被印刷到正性光致抗蚀剂的层中，则孔的阵列将产生，而如果使用了负性光致抗蚀剂，则将印刷杆的阵列。在振幅掩模的情况下，将不可能在该照射波长下使用DTL或ATL技术来印刷该图案，从而演示用于印刷被布置在正方形网格上的特征的高分辨率周期性图案的本发明的显著优势。
根据附加计算机仿真确定：如本发明的其他实施例中可能出现的与由第二子图案产生的90°相移的偏差将一些椭圆形引入到强度峰值的横截面形状中。例如，如果第二子图案的孔稍微更深以产生100°相移，则将曝光光致抗蚀剂的平均强度分布计算为如图30a中所示，在图30b中描绘了y坐标95nm处沿x方向的其变化。相移的更大偏差导致强度峰值的逐步更大的扭曲，使得在150°相移的情况下，曝光光致抗蚀剂的平均强度分布基本上对应于亮和暗平行线的一维图案。根据强度峰值的横截面形状对相移的幅度的依赖性的分析，推断出：在需要圆形横截面的情况下，优选地，相移应当处于范围80°至100°内，并且最优选地，处于范围85°至95°内，尽管根据特定应用的光刻要求，可以容忍更大的范围。
根据计算机仿真进一步确定：从该实施例的掩模获得的平均强度分布中的峰值的横截面形状基本上与掩模中的孔的直径无关（其中，所有其他设计参数保持相同），并且分布中的峰值的对比度也基本上与孔尺寸无关。因此，可替换地，在本发明的其他实施例中，可以采用有着类似效果的具有其他孔直径的掩模设计。例如，如果所示的设计中的孔直径取而代之为160nm，则将曝光光致抗蚀剂的平均强度分布计算为如图31a中所示，在图31b中描绘了y坐标95nm处沿x方向的其变化。更大的孔直径实现光经过掩模的更大透射，这对减少将图案印刷到光致抗蚀剂中所需的时间来说有利。
在本发明的另一实施例中，可以推断孔直径的这种增大，使得小区设计如图32中所示，其包括在每一侧上与铬通道19接界的两个透明正方形区域18。已经附加地蚀刻这两个正方形区域中上面的区域中的衬底的表面，使得传播通过该区域的光相对于传播通过这两个正方形区域中下面的区域的光在相位上偏移90°。根据计算机仿真计算出：利用DTL或ATL技术、使用掩模的该设计曝光光致抗蚀剂的平均强度分布如图33a中所示，在图33b中描绘了y坐标95nm处沿x方向的其变化。如可以看出的那样，所得到的分布的形式和对比度类似于使用在铬层中具有圆形孔的前述实施例的掩模获得的形式和对比度。可是，具有大正方形区域的该设计具有更高的透射，因此有利地在光致抗蚀剂处实现更高强度，并因此实现更短的曝光。对于前述设计中的一些，掩模的该设计还有利地允许使用仅两个光刻写入步骤来制造掩模。
当图27的组合掩模图案中的孔的周期处于范围λ < ax < 2λ和λ/2 < ay < λ（其中，ax=2ay）内时，获得可使用本发明印刷的强度峰值的正方形阵列的更小周期（与可能使用根据现有技术的振幅掩模、ATL或DTL以及相同照射波长的周期相关）。尽管当px > 2λ且py > λ时，更小周期的这种优势不会出现，但是本发明也可以适用于具有这种更大周期的掩模设计。图34示意了这种设计的示例，其中，组成图案包括具有直径300nm的孔的阵列，这些孔被布置在具有最近相邻距离（即，周期）ax = 1μm和ay = 500nm的矩形网格上，被形成在熔融石英衬底上的铬层中；以及组成图案由每一个都被布置在具有最近相邻距离（即，周期）1μm的正方形网格上的孔的两个重叠且相互偏移的子图案组成。如第一实施例中那样，已经在第二子图案的孔内蚀刻衬底的表面，使得由孔透射的光的相位相对于由第一子图案透射的光偏移90°。根据DTL或ATL技术对掩模的该设计的应用的计算机仿真计算出：曝光光致抗蚀剂的平均强度分布是被布置在具有周期500nm的正方形网格上的强度峰值的正方形阵列，如图35a中所示。在图35b中描绘了在y坐标0nm处跨越该分布沿x方向的强度变化。强度峰值的高对比度以及峰值之间的背景照射的高均匀性和低强度演示了本发明的该实施例相对于根据现有技术的振幅掩模和DTL或ATL的显著优势。强度峰值可以用于将孔的阵列印刷到正性光致抗蚀剂中或者用于将杆或点的阵列形成在负性光致抗蚀剂中。
尽管在上述实施例中采用了基于DTL技术的特定曝光系统以清楚地描述本发明的特定实施例，但是应当理解，这仅作为示例。可替换地，在本发明的其他实施例中，可以采用使用例如其他照射源或其他照射波长的其他基于DTL的曝光系统。此外，在不确定的情况下，可替换地，在取而代之基于ATL技术的本发明的上述实施例中，可以采用以上公开的不同类型的掩模设计。事实上，可替换地，可以将在上述示例性实施例中提出的特定设计和仿真结果应用于下述ATL曝光系统：该ATL曝光系统的照射系统是给准直的照射光束提供集中于波长365nm的光谱带宽的水银灯。应当根据如ATL的现有技术中教导的掩模中的图案的周期和光的带宽来布置这种实施例中的在曝光期间衬底和掩模的分离。可以根据来自所关注的周期性图案的光的如可使用现有技术计算出的衍射角来确定所需的间隔。在本发明的其他实施例中，可以采用使用例如具有其他光谱带宽的其他照射源和其他照射波长的其他基于ATL的曝光系统。清楚地，在本发明的这些不同实施例中，掩模的设计应当考虑照射波长、期望的印刷图案以及优选地考虑使用ATL或DTL技术曝光光致抗蚀剂的平均强度分布的精确计算机仿真的结果。
在其他实施例中，可以在光致抗蚀剂层上方或下方包括AR涂层，以增强光场的高角分量至光致抗蚀剂中的耦合效率。
尽管上述实施例已经涉及采用通过相移掩模、使用DTL或ATL技术产生的平均强度分布中的强度峰值，但是在本发明的其他实施例中，可替换地，特别是当还采用负性光致抗蚀剂时，可以将分布中的强度最小值用于印刷特征的所需周期性图案。
尽管上述各个实施例中的掩模设计中的孔特征是圆形的，但是在本发明的其他实施例中，可替换地，可以采用其他特征形状，诸如正方形或六边形。
尽管以上使掩模材料的特定结构和掩模制造的特定策略相关以实现在本发明的不同实施例中设计和采用的不同类型的相移掩模，但是应当理解，在得到相同或等效的相移和/或光透射结构的本发明的其他实施例中，可替换地，可以使用其他制造序列和过程。例如，取而代之，可以在被沉积在衬底的表面上的材料的一个或多个层中形成相移特征，或者可以在处于限定孔的图案的不透明层之上的层中形成相移特征。
更一般地，尽管上述实施例当前可以被视为本发明的优选实施例，但是当然应当理解的是，在不脱离本发明的精神的前提下，可以容易地进行形式或细节上的各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种用于将具有第一晶格对称和第一最近相邻距离的特征的期望的二维周期性图案印刷到光敏层中的方法，包括：
a）提供承载由特征的至少两个重叠周期性子图案组成的掩模图案的掩模，所述至少两个重叠周期性子图案中的每一个具有第二晶格对称和第二最近相邻距离，每个子图案的特征被形成在至少一个透射材料中或上；
b）提供承载所述光敏层的衬底；
c）将所述掩模布置为与所述衬底基本上平行且与所述衬底具有间隔；
d）提供具有用于照射所述掩模图案的中心波长和光谱带宽的基本上准直的光，以生成透射光场，在所述透射光场中，所述中心波长的光形成塔尔博特平面之间的横向强度分布的范围；
d）在维持所述间隔和将所述间隔改变位移距离之一的同时，利用所述光来照射所述掩模图案，从而将所述光敏层基本上曝光于横向强度分布的范围的平均，这印刷了期望的图案；
其中，所述间隔被根据所述光谱带宽和所述第二最近相邻距离加以布置并在照射期间被维持，或者在照射期间被改变与所述中心波长和所述第二最近相邻距离相关的位移距离；其中，所述子图案被形成为使得由每个子图案透射的光在相位上相对于由至少一个其他子图案透射的光偏移；其中，与所述中心波长相关地选择所述第二最近相邻距离，使得在所述透射光场中形成第一衍射阶；以及其中，不能取而代之使用其中振幅掩模由所述光照射的ATL或DTL印刷所述期望的二维周期性图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有蜂窝第一晶格对称和小于所述中心波长的第一最近相邻距离的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案和第三子图案组成，其中每一个子图案具有六边形第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的 倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案和所述第三子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移54°和108°。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有六边形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案和第三子图案组成，其中每一个子图案具有六边形第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的 倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案和所述第三子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移120°和240°。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有六边形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案和第二子图案组成，其中每一个子图案具有蜂窝第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的 倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案透射的光在相位上相对于由所述第一子图案透射的光偏移60°。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有蜂窝第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案和第二子图案组成，其中每一个子图案具有蜂窝第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的 倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案透射的光在相位上相对于由所述第一子图案透射的光偏移180°。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有正方形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案、第三子图案和第四子图案组成，其中每一个子图案具有正方形第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的两倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案、所述第三子图案和所述第四子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移90°、180°和270°。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有正方形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案、第三子图案和第四子图案组成，其中每一个子图案具有正方形第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的两倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案、所述第三子图案和所述第四子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移90°、90°和180°。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是包括具有正方形第一晶格的连续线的网状的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案、第三子图案和第四子图案组成，其中每一个子图案具有正方形第二晶格对称和与所述第一最近相邻距离的两倍相对应的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案、所述第三子图案和所述第四子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移90°、180°和270°。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有六边形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案、第二子图案和第三子图案组成，其中每一个子图案具有三角形-六边形蜂窝第二晶格对称和为所述第一最近相邻距离的 倍的第二最近相邻距离，以及其中，由所述第二子图案和所述第三子图案透射的光在相位上分别相对于由所述第一子图案透射的光偏移120°和240°。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的图案是具有正方形第一晶格对称的强度峰值的周期性图案，其中，所述掩模图案由第一子图案和第二子图案组成，其中每一个子图案具有正方形第二晶格对称，并被相互偏移以使得所述第一子图案和所述第二子图案的组合特征被布置在具有宽高比2:1的矩形网格上，其中，所述第二最近相邻距离与所述第一最近相邻距离的两倍相对应，以及其中，由所述第二子图案透射的光在相位上相对于由所述第一子图案透射的光偏移90°。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，子图案的特征被附加地形成为基本上不透明的材料的层中的开口。
12.一种用于将具有第一晶格对称和第一最近相邻距离的特征的期望的二维周期性图案印刷到光敏层中的装置，包括：
a）承载由特征的至少两个重叠周期性子图案组成的掩模图案的掩模，所述至少两个重叠周期性子图案中的每一个具有第二晶格对称和第二最近相邻距离，每个子图案的特征被形成在至少一个透射材料中或上；
b）承载所述光敏层的衬底；
c）用于将所述掩模布置为与所述衬底基本上平行且与所述衬底具有间隔的装置；
d）用于提供具有用于照射所述掩模图案的中心波长和光谱带宽的基本上准直的光以生成透射光场的装置，在所述透射光场中，所述中心波长的光形成塔尔博特平面之间的横向强度分布的范围；
d）用于在维持所述间隔和将所述间隔改变位移距离之一的同时，利用所述光来照射所述掩模图案，从而将所述光敏层基本上曝光于横向强度分布的范围的平均的装置，这印刷了期望的图案；
其中，所述间隔被根据所述光谱带宽和所述第二最近相邻距离加以布置并在照射期间被维持，或者在照射期间被改变与所述中心波长和所述第二最近相邻距离相关的位移距离；其中，所述子图案被形成为使得由每个子图案透射的光在相位上相对于由至少一个其他子图案透射的光偏移；以及其中，与所述中心波长相关地选择所述第二最近相邻距离，使得在所述透射光场中形成第一衍射阶；以及其中，不能取而代之使用其中振幅掩模由所述光照射的ATL或DTL印刷所述期望的二维周期性图案。
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