CN113841072A - 用于印刷具有变化的占宽比的周期性图案的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在光刻胶层中形成具有期望的占宽比的空间变化的表面浮雕光栅的方法，该方法包括：提供带有线性特征的高分辨率光栅（32）的第一掩模（31），将所述第一掩模布置在距衬底（33）第一距离处，提供带有具有设计的占宽比的空间变化的不透明和透明线性特征的可变透射光栅（27）的第二掩模（28），将所述第二掩模布置在第一掩模之前的一定距离处，使得可变透射光栅的线性特征与高分辨率光栅的线性特征正交，照射第二掩模，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，并且还将第二掩模相对于其线性特征以一定角度位移，使得在曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有可变透射光栅的周期的调制的分量。

Description

用于印刷具有变化的占宽比的周期性图案的方法和装置
本发明一般地涉及如用于制造微结构和纳米结构的光刻法（photolithography）的领域，并且其特别地涉及用于制造近眼显示器的光刻法的领域。
衍射光学元件（DOE）和全息光学元件（HOE）正被广泛开发用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示应用。DOE和HOE的紧凑和轻便性质为实现具有所需功能的便携式和不显眼的头戴式设备提供了明显的优势。吸引最多关注的结构是表面浮雕光栅（surface-reliefgrating），因为它们的较低制造成本的潜力，并且所需结构的周期在250-500nm的范围内。通常，所述结构首先用于将来自图像生成微显示器的光耦合到AR眼镜的透明衬底材料中；其次，将光重新分布到观看者的眼睛前面的眼镜的区域；并且最后，将光从眼镜中耦合出来，使得看到虚拟图像叠加在佩戴者对现实世界的视野上。光栅通常被称为波导光栅，因为它们引导（channel）光，使得光通过衬底的两个表面之间的多次内部反射行进。理想地，光栅的设计使得全色图像能够在广阔的视野中被看到，并在舒适的大距离处聚焦。
美国专利第6,580,529号公开了一种用于放大虚拟图像显示器的出射光瞳的方法，其中3个全息记录的衍射光栅被布置在平面的透明衬底上。参考图1，来自显示源的光入射在位于衬底的一个表面上的第一全息光学元件（HOE）H1上。H1将显示光耦合到衬底中，然后在那里通过衬底表面之间的全内反射将其捕获，并将光导向第二HOE H2。H2扩展了在x方向上的光分布的范围，并将光重定向朝向第三HOE H3。然后，H3扩展了y方向上的光分布的宽度，并将来自衬底的光朝向观察者的眼睛分离（decouple）。H2和H3对x和y方向上的光分布的扩展允许观察者看到具有大视野的显示源的虚拟图像。它描述了由H2和H3执行的扩展通过照射光在光栅和衬底的相对表面之间的多次反射而发生，其中每次光入射在相关的光栅上时，光被分别部分衍射朝向H3和观察者。它进一步公开了为了使外耦合光（out-coupled light）在H3的区域上具有均匀强度，H2和H3的衍射效率在其区域上不应该是恒定的，而应该分别在x和y方向上非线性增加。
Eisen等人的“Planar configuration for image projection”，Appl. Opt.，第45卷，第17期（2006）和Gurwich等人的“Design and experiments of planar opticallight guides for virtual image displays”，Proc. SPIE第5182卷，Wave-OpticalSystems Engineering II （2003）公开了用于设计和制造在上述出射光瞳放大方案中采用的光栅H1、H2和H3的过程。特别地，它们公开了针对光栅H1和H3所需的光栅周期是450 nm，并且针对光栅H2所需的光栅周期是318 nm。为了使衍射效率高，其公开了H2的凹槽形状应该是对称的，而对于光栅H1和H3，凹槽应该具有特定的倾斜角。对于照射波长、光栅的周期、衬底厚度等的一组特定的系统参数，计算沿着光栅H2和H3确保均匀图像亮度所需的衍射效率的非线性变化；并且严格的耦合波理论被用来确定沿着光栅所需的凹槽深度的变化，以获得这些效率变化。公开了全息记录过程，用于获得光栅H1和H3中的所需的凹槽倾斜角，以及用于获得跨光栅的所需的凹槽深度的变化。后者的过程包括表征凹槽深度对曝光剂量的依赖性，并通过曝光期间不透明掩模的逐渐位移来实现跨曝光区域的曝光剂量的变化。
美国专利申请第11/991,492号公开了一种用于获得衍射效率沿光栅的非线性变化的替代方法，该方法结合在虚拟成像设备中，用于与上述相同的目的。它公开了衍射效率的期望变化可以代之以通过表面浮雕光栅沿其长度的占宽比（duty cycle）的变化来获得，其中占宽比被定义为光栅中脊的宽度与光栅周期的比率。它公开了衍射效率对占宽比（对于特定的照射波长、光栅周期等）的依赖性是基于麦克斯韦方程来数值计算的，这然后允许确定占宽比变化，以用于获得沿着光栅的衍射效率的期望的非线性变化。它教导了具有455nm的所需周期和期望的占宽比的变化的表面浮雕光栅可以使用电子束光刻法然后是蚀刻工艺在透明衬底上制造。它还公开了沿着表面浮雕光栅的衍射效率的变化可以替代地通过沿着光栅的长度改变光栅分布（profile）的占宽比和深度两者来获得。
美国专利申请第14/447,419号描述了具有表面浮雕光栅的各种光学元件，该表面浮雕光栅由透明衬底的表面上的一系列凹槽组成，其中凹槽的线宽、深度或倾斜角之一在跨光栅的一个方向上逐渐变化，并且线宽、深度和倾斜角中的另一个在跨光栅的另一个方向上逐渐变化。相关光栅特别地用于将光耦合进和耦合出基于光导的显示系统，该显示系统将所期望的图像的光从光引擎传输到眼睛，即用于AR和VR应用。它指出光栅的周期通常在250-500 nm的范围内，并且教导了用于制造表面浮雕光栅的多种技术，使得凹槽的线宽、深度或倾斜角以期望的方式并在跨光栅的特定方向上逐渐变化。例如，首先使用传统的光刻和蚀刻技术在熔融石英衬底的表面上形成均匀的表面浮雕光栅。然后，通过将衬底缓慢降低到蚀刻流体的容器中，使得光栅的不同部分被浸入蚀刻剂中的时间跨光栅变化，以产生期望的结果，来跨光栅产生凹槽的深度和线宽的逐渐变化。在另一个示例中，首先使用传统的光刻和蚀刻技术，在熔融石英衬底的表面上的铬层中形成均匀的光栅，使得残余的未曝光的光刻胶保留在铬线的顶部上。然后以受控的速度将衬底降低到蚀刻剂的容器中，蚀刻剂蚀刻光刻胶下方的铬线，使得沿着光栅产生所需的铬线宽的变化。在此之后，去除残留的光刻胶，并且铬线之间的熔融石英衬底被均匀反应离子蚀刻，其中衬底相对于离子束的方向以合适的角度倾斜。这使得能够形成具有跨光栅变化的线宽和具有有期望的倾斜角的凹槽的表面浮雕光栅。在另一个示例中，首先使用传统的技术在熔融石英衬底上的铬层中产生均匀的光栅。然后对光栅进行离子束蚀刻，同时在光栅上方以可变速度来位移孔，使得在其期间光栅被局部曝光于蚀刻离子的时间跨光栅变化，由此产生跨光栅的期望的凹槽深度的逐渐变化。在另一个示例中，当孔以恒定的速度在光栅上方位移时，衬底的倾斜角附加地变化，使得跨光栅产生期望的凹槽倾斜角的变化。
尽管现有技术公开了多种用于实现具有亚微米周期的表面浮雕光栅的技术，所述光栅跨它们的区域具有所需的衍射效率的期望的空间变化，以使得能够实现在AR和VR虚拟现实显示器中的均匀的图像亮度，但是没有一种技术很适用于低成本批量制造。特别是，电子束光刻法对于跨光栅形成凹槽线宽或占宽比的变化来说太慢且太昂贵；全息曝光系统对环境稳定性和振动非常敏感，因此对于可靠和高产量生产来说是不切实际的；并且将衬底逐渐降低到蚀刻流体中并去除流体是麻烦的，并且导致不良的再现性。如通常被微电子行业采用来制造加工和存储芯片的光学步进机和扫描仪光刻装备具有用于AR/VR应用的分辨率能力，但是它们的曝光场的大小对于虚拟图像显示器的尺寸来说太小（通常为40-50mm）。纳米压印对大批量生产没有吸引力，因为关于该技术固有的缺陷问题。
因此，本发明的第一个目的是提供一种光刻方法和装置，用于将表面浮雕光栅图案、尤其是具有亚微米周期的表面浮雕光栅图案印刷到直接或间接涂覆在衬底上的光刻胶层中，使得光栅的占宽比根据期望的一维变化跨图案在单个方向上变化，占宽比在正交方向上跨图案是恒定的。
本发明的第二个目的是提供一种光刻方法和装置，用于将表面浮雕光栅、尤其是具有亚微米周期的表面浮雕光栅印刷到直接或间接涂覆在衬底上的光刻胶层中，使得光栅的占宽比根据期望的二维变化在两个正交方向上跨图案变化。
本发明的第三个目的是提供一种光刻方法和装置，用于将表面浮雕光栅图案、尤其是具有亚微米周期的图案印刷到直接涂覆在衬底上的光刻胶层中，或者间接涂覆有在光刻胶和衬底之间的一种或多种其他材料的多个中间层之一的光刻胶层中，使得光栅的占宽比根据期望的一维或二维变化跨图案变化，使得印刷在光刻胶层中的表面浮雕光栅可以被进一步处理，以在下面的衬底的材料中或在中间层之一的材料中形成表面浮雕光栅，由此当在虚拟现实或增强现实成像系统中照射时，因此形成的表面浮雕光栅的第1级衍射效率跨衬底具有期望的分别一维或二维变化。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的期望的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）在位移Talbot光刻系统中布置衬底和第一掩模，使得第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，该第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的线性特征正交；
e）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，并且在正交于第一可变透射光栅的线性特征的平面中具有预定的入射角的分布，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用所述光束照射第二掩模达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中第一可变透射光栅中的占宽比的空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有所述第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的；
其中相对于第一可变透射光栅的周期选择所述第二距离和入射角的所述预定分布，使得在曝光时间内曝光第一高分辨率光栅和光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量。
最优选地，第一线性可变透射光栅中的线性特征的周期在光栅的区域上是恒定的，尽管替代地它可以变化。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的期望的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）将所述第二掩模平行于第一掩模并距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的线性特征正交；
e）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用所述光束照射第二掩模达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离并位移第二掩模，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中第二掩模的位移相对于第一可变透射光栅的线性特征的周期和方向来布置，使得在曝光时间内曝光第一高分辨率光栅和光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量；
其中，第一可变透射光栅中的占宽比的空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的。
最优选地，第一线性可变透射光栅中的线性特征的周期在光栅的区域上是恒定的，尽管替代地它可以变化。
如果表面浮雕光栅中的占宽比的期望空间变化是一维的，即跨光栅在单个方向上变化，并且在正交方向上是恒定的，则可变透射或半色调光栅中设计的占宽比的空间变化相应地是一维的。如果跨表面浮雕光栅的占宽比的一维期望变化在与光栅的线性特征正交的方向上，则可变透射光栅中的线性特征的占宽比的一维变化的方向相应地平行于该图案的线性特征。替代地，如果跨表面浮雕光栅的占宽比的一维期望变化在平行于光栅的线性特征的方向上，则可变透射光栅中的线性特征的占宽比的一维变化的方向相应地与该图案的线性特征正交。另一方面，如果表面浮雕光栅中的占宽比的期望的一维变化的方向既不平行也不正交于光栅的线性特征，而是成中间角度，则可变透射光栅中的占宽比的一维变化的方向相对于该图案的线性特征成相应的中间角度。
带有交替的不透明和透明线性特征的第二掩模的功能用于向所述第一掩模递送位置相关的（即空间可变的）曝光剂量。这通过局部改变不透明和透明线性特征的宽度的比率来实现。选择该比率以提供期望的局部平均透射。这可以通过具有恒定周期和变化占宽比的一组线性特征来实现。然而，恒定周期不是该可变透射掩模的必要特征。例如，可以借助带有有恒定宽度的线性透明特征和有可变宽度的线性不透明特征的掩模，即通过改变周期（局部周期=透明特征的宽度+相邻不透明特征的宽度）来实现等效的结果。同样，可以使用这样的掩模，其中透明和不透明特征分别具有可变和恒定的宽度（再次意味着在光栅上变化的周期）。替代地，两个宽度都可以作为位置的函数而变化，同时局部地提供期望的平均透射值。然而，有利地，在本发明的第一和第二方面中（以及下面的第三和第四方面中）采用的可变透射光栅的（局部）周期在光栅区域上是恒定的，而不是变化的，因为它简化了可变透射光栅的设计，允许在光刻胶中印刷的表面浮雕光栅中获得更高分辨率的占宽比变化。恒定的周期也有助于并使得能够更好地抑制照射掩模的曝光剂量的分量，该分量是由在第一方面中使用照射光束的预定角度带宽或在第二方面中使用可变透射掩模的位移的可变透射掩模的局部周期（和二元性质）引入的。如果周期是变化的，它应该优选地缓慢地或逐渐地变化，使得它在光栅的任何基本区域上，例如在与可变透射光栅的线性特征正交的方向上比光栅的尺寸小得多（<10%）的区域上，几乎是周期性的或准周期性的（例如周期变化<10%）。太大的周期的变化率将把不期望的不均匀的分量引入到照射细光栅图案的强度分布中。
表面浮雕光栅中的占宽比的期望一维变化可以是线性的，即，随着跨光栅的恒定梯度而增加或减少，或者可以是非线性的、单调的或非单调的，在其任何一种情况下，可变透射光栅中的占宽比的一维变化相应地也基于表面浮雕光栅的占宽比对第一掩模在没有第二掩模的情况下被光束照射时曝光到其的能量密度的预定依赖性来设计。
如果表面浮雕光栅中的占宽比的期望空间变化是二维的，即，它跨光栅在正交方向上变化，则可变透射光栅中的占宽比的空间变化相应地是二维的。至于占宽比的一维变化，表面浮雕光栅的占宽比的期望二维变化可以在每个方向上具有线性、非线性、单调或非单调或者这些的任何组合的变化的分量。
优选地，可变透射光栅的尺寸大于第一周期图案的那些尺寸，使得高分辨率光栅图案的整个区域被由可变透射光栅透射的具有显著相对强度的所有衍射级照射，以便避免在第一高分辨率光栅图案的边缘附近引入曝光能量变化的不期望的分量。
衬底上的光刻胶层直接在衬底上，或者间接地具有另一种或其他材料的至少一个中间层。有利地，另一种材料（诸如金属）的中间层位于光刻胶和衬底之间，随后可以对其进行蚀刻，使得占宽比的空间变化从光刻胶中的表面浮雕光栅转移到金属层中，并且然后通过图案化的金属层的硬掩模结构蚀刻下面的衬底，以便将占宽比的空间变化转移到衬底材料中。
有利地，根据本发明的第二方面的方法附加地用于将具有多个期望周期和具有用于光栅的至少一个中的至少一个占宽比的期望的空间变化的多个表面浮雕光栅印刷到衬底上的光刻胶层中，各个光栅同时或顺序印刷。如果是前者，则第一掩模附加地带有至少第二线性特征的高分辨率光栅，其具有是至少第二表面浮雕光栅的期望周期的两倍的第二周期；第二掩模附加地带有至少第二线性特征的可变透射光栅，该可变透射光栅包括在衬底上的不透明层中的开口，具有基本上大于至少第二高分辨率光栅的周期的周期，并且具有是恒定的占宽比或者具有对应于至少第二表面浮雕光栅的占宽比的期望空间变化的设计空间变化；产生单色光束，以用于附加地照射至少第二可变透射光栅，并且使得该光束在平行于至少第二可变透射光栅的线性特征的方向的入射的平面中被良好地准直；光束附加地照射至少第二可变透射光栅达曝光时间，使得由第二掩模透射的光束附加地照射第一掩模中的至少第二高分辨率光栅，同时第一掩模和光刻胶涂覆的衬底的间隔根据位移Talbot光刻法而变化；并且在照射第一和至少第二可变透射光栅期间，第二掩模相对于第一和至少第二可变透射光栅两者的线性特征的方向以一定角度位移，使得由第一和至少第二可变透射光栅透射的光束中对应于第一和至少第二可变透射光栅的周期的强度调制的分量基本上从第一和至少第二高分辨率光栅在曝光时间中被曝光到其的能量密度分布中消除。
尽管根据本发明的第一和第二方面的方法优选地与位移Talbot光刻法结合使用，但是它们可以替代地与相关的或等效的光刻方法结合使用，特别是如在PCT/EP2005/010986和Solak等人的“Achromatic spatial frequency multiplication: A method forproduction of nanometer-scale periodic features”，J. Vac. Sci. Technol. B23（6），2005中描述的或在国际专利申请PCT/IB2012/052778中描述的消色差Talbot光刻法结合使用。
根据本发明的第三方面，提供了一种基于位移Talbot光刻法的装置，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述装置包括：
a）带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）用于将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置的装置；
c）带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）用于将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上的装置，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的那些线性特征正交；
e）用于产生用于照射第二掩模的单色光束的装置，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，并且在正交于第一可变透射光栅的线性特征的方向的平面中具有预定的入射角的分布，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；以及
f）用于用所述光束照射第二掩模达曝光时间同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离的装置，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅。
根据本发明的第四方面，提供了一种基于位移Talbot光刻法的装置，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述装置包括：
a）带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）用于将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置的装置；
c）带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）用于将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模预定的第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上的装置，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的那些线性特征正交；
e）用于产生用于照射第二掩模的单色光束的装置，使得入射在第二掩模上的光束在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用于相对于第一可变透射光栅的线性特征的周期和方向位移第二掩模同时照射第二掩模的装置，使得在用于形成所述期望的表面浮雕光栅的曝光时间中曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量；以及
g）用于根据位移Talbot光刻法改变第一距离的装置。
有利地，衬底是玻璃，优选地是具有高折射率的玻璃，并且中间层可以是金属（诸如铝或铬）的层，在印刷表面浮雕光栅之后，蚀刻该金属的层，以便将占宽比的期望的空间变化转移到金属层中，蚀刻的金属层随后被用作硬掩模，以在另一蚀刻过程中将占宽比的空间变化转移到下面的衬底中。
替代地，衬底可以是不透明材料（诸如硅）的，或者是非不透明材料的，随后使用蚀刻和/或其他工艺步骤将光刻胶中印刷的占宽比的空间变化转移到其中；并且在纳米压印工艺中、尤其是用于制造AR或VR显示器的工艺中，在不透明或非不透明材料的表面上形成的得到的占宽比的空间变化然后被用作印模（stamp）或用于形成印模。
根据本发明的第五方面，提供了一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得衍射光束被第一可变透射光栅透射；
e）在所述第二掩模和所述第一掩模之间提供光学布置，使得仅所述衍射光束的第0级或第1级光束照射第一掩模中的第一高分辨率光栅，并且使得所述第0级或第1级光束在与第一高分辨率光栅的线性特征正交的第二掩模上的入射的平面中被良好地准直；
f）用于用所述照射光束照射第一可变透射光栅达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，由此由第一高分辨率光栅透射的光场使光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中，第一可变透射光栅中的占宽比的所述空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的。
优选地，第一线性可变透射光栅中的线性特征的局部周期在光栅的区域上是恒定的，尽管替代地它可以变化。
优选地，光学布置包括在所述第二和第一掩模之间的足够大的距离，使得仅分别第0或第1衍射级照射第一掩模中的高分辨率光栅。替代地，光学布置包括4f成像系统和空间滤光器，其分别将由可变透射光栅透射的第0或第1衍射级成像到第一掩模中的高分辨率光栅上，以及阻挡其他衍射级的空间滤光器。
现在将参考附图，仅通过示例的方式进一步描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示意性地示出了现有技术的紧凑虚拟图像显示器中的光栅的布置。
图2示意性地图示了本发明的第一实施例。
图3示意性地图示了在第一实施例中采用的可变透射光栅的设计。
图4示出了绘制线宽对曝光剂量的依赖性的一组特性描述（characterisation）数据。
图5示出了在第一实施例中印刷的表面浮雕光栅中期望的占宽比的示例性线性变化。
图6示出了产生图5中绘制的占宽比的变化的所需的跨细光栅掩模的曝光剂量的变化。
图7示出了产生图6中绘制的曝光剂量变化所需的跨可变透射掩模的占宽比的变化。
图8示意性地图示了在平行于掩模的线的方向上跨可变透射掩模的占宽比的非线性变化。
图9示意性地图示了在正交于和平行于掩模的线的方向上跨可变透射掩模的占宽比的变化。
图10示意性地图示了在正交于掩模的线的方向上跨可变透射掩模的占宽比的变化。
图11示意性地图示了本发明的第二实施例。
图12a和12b分别示意性地图示了在本发明的第三实施例中采用的细光栅掩模和可变透射光栅掩模。
图13示意性地图示了用于确定可变透射掩模的位移的最佳方向和幅度的方法，以用于基本上消除由可变透射掩模中的两个可变透射光栅的周期产生的剂量调制的分量。
图14示意性地图示了用于确定可变透射掩模的位移的最佳方向和幅度的方法，以用于基本上消除由可变透射掩模中的三个可变透射光栅的周期产生的剂量调制的分量。
图15示意性地图示了本发明的第三实施例，其中来自可变透射掩模的仅第0衍射级照射细光栅掩模。
图16示意性地图示了本发明的第四实施例，其中由4f成像系统对第1和更高级进行空间滤光，使得来自可变透射掩模的仅第0衍射级照射细光栅掩模。
参考图2，其示意性地示出了本发明的第一示例性实施例，ArF准分子激光器1发射在193 nm的波长处且具有~3mm×6mm（z×y）的FWHM尺寸的准直脉冲光束。光束的强度分布在垂直短轴方向上近似为高斯分布，并且在水平长轴方向上近似为顶帽（top-hat）分布。具有这样的性质的激光器可以从例如美国Santa Clara的Coherent公司获得。光束入射在光束转换器2上，该光束转换器2包括用于在垂直方向上扩展光束的第一对柱面透镜和用于在水平方向上压缩光束的第二对柱面透镜，使得细长准直光束3的FWHM尺寸为~7mm×2mm（z×y）。转换器3的输出光束入射在衍射漫射器4上，该衍射漫射器被安装到旋转台（未示出），以用于围绕偏离细长光束的照射轴的中心正交轴旋转漫射器4。漫射器4衍射光以在相对于光轴具有~2.5°的半锥角的窄角度的范围内产生基本均匀的分布，并且旋转进一步提高了均匀化的程度。这样的衍射均匀化漫射器可从以色列Ness Ziona的HoloOr有限公司和德国Jena的Jenoptik股份有限公司获得。被漫射器散射的光被具有~2.4m的焦距的透镜5准直，以产生均匀强度且~200mm的直径的光束。尽管附图示出透镜5是单个双凸元件，但是应该理解，这仅是示意性表示，并且透镜可以具有另一种形状和/或由多于单个透镜元件组成。透镜5的功能是用于产生具有所需直径的良好准直的光束，在没有可变透射掩模7的情况下，将产生细光栅掩模9的均匀照射，其设计可以由透镜系统的标准光学设计中的技术人员容易地确定。来自透镜5的准直光束然后被反射镜6反射，使得它以垂直入射来照射可变透射掩模7。掩模7被安装在掩模卡盘（图中未示出）上，该卡盘具有中心孔，以允许由掩模7透射的光束通过。参考图3，其示意性地示出了可变透射掩模7的放大视图，可变透射光栅8具有~50mm×50mm的尺寸，并且由透明熔融石英衬底的表面上具有周期100μm的周期性交替铬线15和间隔组成。光栅8已经使用标准电子束或激光束掩模写入技术形成。尽管可变透射光栅8的线的周期在其区域上是恒定的，但是铬线15的宽度与光栅周期的比率，即占宽比，在平行于线的方向上在~0.2和0.8的值之间以近似连续但非线性的方式变化，并且在正交方向上是恒定的。因此，基本平行的铬线15的线宽沿着线15的50mm-50mm长度从20到~80μm变化。掩模7被定向成使得光栅线15平行于y轴。此外，占宽比的变化率不是恒定的，而是沿着线15变化。占宽比的近似连续或平滑变化可以通过优选地将光栅线15定义为梯形的序列来实现，每个梯形具有平行于x轴的其2个平行边和倾斜适当角度的其2个倾斜边，以用于产生y方向上所需的局部线宽的变化率。在每个梯形的2个平行边之间选择的间隔越小，梯形的序列越紧密地接近于平滑、连续的线宽的变化。
用于另一目的，特别是为了使得能够实现高分辨率光栅图案无缝拼接在一起以制造大面积偏振器，已经结合另一种DTL相关的曝光方案和其他光学布置提议了一种类似的可变透射掩模，该可变透射掩模由具有空间变化占宽比的交替不透明线和间隔的周期性图案组成。在题为“Methods and systems for printing large periodic patterns byoverlapping exposure fields”的未公布的美国临时专利申请第62/659,731号中描述了所提议的方案的细节，该申请通过引用的方式被整体地包括在本申请中。
可变透射掩模7中的光栅图案8衍射xz平面中的透射光，以产生第0级和更高的衍射级，该衍射级向位于可变透射掩模7下方~50mm的距离处的细光栅掩模9传播。因为当衍射级向细光栅掩模9传播时，它们在xz平面中空间分离，所以有利的是，可变透射光栅8在x方向上的宽度被设计得足够大于细光栅10的相应宽度，使得包括其左边缘和右边缘的整个细光栅图案10被由可变透射掩模7透射的显著相对强度的所有衍射级（优选地，所有具有>0.5%的衍射效率的那些）照射。细光栅掩模9带有具有50mm×50mm的尺寸和600nm的均匀周期的
Figure 928638DEST_PATH_IMAGE001
相移光栅10。相移光栅10使用标准技术来制造，首先使用电子束光刻法在铬掩模中制造振幅光栅，然后对熔融石英衬底材料进行RIE蚀刻至铬线之间所需的深度，并且最后通过蚀刻去除铬线。掩模9被定向成使得细光栅图案10的线平行于x轴，并且因此正交于可变透射掩模7中的光栅15的线。与可变透射掩模7中的光栅8不同，细光栅掩模9中的光栅10的占宽比是均匀的且~0.5。由细光栅图案10透射的光场入射在位于真空卡盘12上的光刻胶涂覆的玻璃晶片11上，真空卡盘12被安装到DTL曝光系统（图中未示出）的z方向位移台上。
可变透射掩模7中的光栅线15的取向被布置成与细光栅掩模中的那些取向正交，以便由可变透射掩模7衍射的级的xz平面中的角发散不会使印刷到光刻胶层11中的光栅图案的分辨率降级。如现有技术中关于位移Talbot光刻法的教导（参见例如美国专利第12/831,337号），照射掩模中的线性光栅的每个点的光束需要在正交于光栅线的方向的平面内被良好地准直，否则印刷光栅的线将被涂抹掉，并且分辨率损失。然而，如果照射光束中的光在平行于光栅线的平面中具有一定范围的入射角，则印刷图案的分辨率不会降级。因此，可变透射掩模7中的特征的直线性以及它们相对于细光栅掩模9中的相应光栅10的线的正交性是本发明的重要特征。
可变透射掩模7中的光栅8上的占宽比的空间变化f（x，y）被设计成在照射细光栅掩模9的光束中产生所需的强度的空间变化I（x，y）。跨光栅8的透射率的空间变化T（x，y）近似由下式给出：
Figure 665650DEST_PATH_IMAGE002
，
其中透射率被定义为图案的一个周期内的平均值。
因此，如果占宽比为1，即铬线15的宽度等于光栅周期，则可变透射掩模8的局部透射率为0；并且相反，如果占宽比=0，即铬线15的宽度为0，则可变透射掩模7的局部透射为1。通过布置系统参数，使得来自可变透射掩模7中特定（x，y）坐标的所有衍射级中的光照射细光栅掩模9中基本相同的坐标，在可变透射光栅的y方向上的一个周期内平均的细光栅掩模9处的强度的空间变化由下式给出：
Figure 2085DEST_PATH_IMAGE003
其中I 0 是照射可变透射掩模7的光束的强度。
有利的是，照射细光栅掩模9的衍射级的空间间隔被布置成比细光栅10在x方向上的尺寸小得多。首先，它使得能够实现照射细光栅掩模10的光束中的空间强度变化的更高的分辨率（即，强度变化可以具有更高的空间频率分量），并且其次，它减小了可变透射光栅8相对于细光栅10在x方向上所需的附加宽度，以便细光栅图案10的边缘也被来自可变透射掩模7的具有显著相对强度的所有衍射级照射。如果在细光栅和可变透射掩模7、9中包括具有不同周期和/或光栅线的取向的其他光栅，则这种附加宽度的最小化是重要的，因为它允许每个掩模中不同光栅之间的更小间隔。
照射细光栅图案的衍射级的空间间隔±Δs由下式给出：
Figure 494246DEST_PATH_IMAGE004
其中，L是可变透射和细光栅掩模7、9之间的间隔，λ是照射波长，α是可变透射光栅8中的最大占宽比，并且Λ2是光栅的周期。
用L=50mm、λ=193nm、α=0.8和Λ2=100μm对此进行估计，产生Δs≈1mm，这相对于细光栅图案10在x方向上的尺寸来说是小的。
利用照射可变透射掩模7的理想准直光束，由掩模7透射的衍射光束将在细光栅掩模9的平面处干涉，以在x方向上产生强度调制的强分量，其具有可变透射光栅8的周期（或分数周期），这在期望的印刷图案中将是不可接受的。为了消除这种不期望的不均匀性，布置照射可变透射掩模7的每个点的光的角度分布具有近似高斯分布和最小角度带宽。通过这样做，由可变透射光栅8的相邻线投射到细光栅掩模9上的空间强度分布重叠到足够的程度，使得x方向上的积分强度分布具有良好的均匀性。为此，布置在xz平面中照射可变透射掩模7的高斯角度分布Φ x 的半峰全宽（full-width half-maximum）（FWHM）值由下式给出
Figure 47456DEST_PATH_IMAGE005
其中Λ2是可变透射光栅8的周期，并且L是可变透射和细光栅掩模7、9之间的间隔。
因此，用在该实施例中选择的参数，即Λ2＝100μm和L＝50mm进行估计，产生Φ x ≥3mR。可以使用更大的角度带宽和/或通过调整可变透射和细光栅掩模7、9的间隔来实现更高的均匀性，使得可变透射光栅8的分数Talbot图像被形成在细光栅掩模上（分数Talbot图像的空间强度分布具有是可变透射光栅的周期的分数（例如1/2、1/3或1/4）的周期）。
该角度分布由照射漫射器4的强度分布和准直透镜5的焦距形成，该强度分布在z方向上是~高斯分布。照射可变透射掩模7的高斯角度分布的得到的FWHM由下式计算
Figure 322579DEST_PATH_IMAGE006
其中wz是在z方向上的照射漫射器4的细长光束的FWHM长度，并且F是准直透镜5的焦距。
用本实施例中采用的参数值（即wz=7mm和F=2.4m）来估计Φ x ，产生Φ x =3mR，因此足以满足用于从入射在细光栅掩模9上的光场消除对应于可变透射光栅8的周期性的强度调制的分量的上述要求。
如上所述，在yz平面中，照射细光栅掩模9的每个点的光束的角发散对于确保DTL印刷图案的光栅线的良好分辨率是重要的。由该实施例的照射系统产生的yz平面中的角发散由下式给出
Figure 966050DEST_PATH_IMAGE007
其中wy是在y方向上的照射漫射器的细长光束的FWHM宽度，并且F是准直透镜5的焦距。
用本实施例中采用的参数值，即wy=2mm和F=2.4m来估计Φ y ，产生Φ y ≈0.8mR，这对于使用位移Talbot光刻法以细光栅掩模9和光刻胶涂覆的晶片11之间~50μm的间隔在300nm的周期（细光栅掩模9中的光栅10的周期的一半）的光栅中印刷分辨率良好的线来说是足够小的。
用于在表面浮雕光栅中形成特定的期望的占宽比的空间变化，在细光栅掩模9上所需的曝光剂量的空间变化取决于光刻胶的性质、特定应用所需的光刻胶层的厚度、光刻胶下面的（一种或多种）其他材料的衬底和/或（一个或多个）中间层以及光刻胶显影工艺。光刻胶响应的表征最好通过使用大范围的曝光剂量并且在系统中没有可变透射掩模（因此根据标准DTL曝光）的情况下对相关的细光栅执行多次DTL曝光来凭经验确定；并且然后测量层显影后在光刻胶中形成的所得到的表面浮雕光栅的线宽。测量优选地用扫描电子显微镜（SEM）进行。图4中示出了一组典型的表征结果，该结果通过将300nm周期的光栅从600nm周期相位光栅印刷到一层标准的、商业上可获得的负性光刻胶中来获得。该图绘制了根据针对不同曝光剂量的每个线宽测量值计算的占宽比，并包括最佳拟合曲线，以便使得能够容易地确定任何占宽比的值所需的剂量。最佳拟合曲线由下式描述
DC=2.63E -0.62
其中DC是占宽比，并且E是以任意单位的曝光剂量。
如可以从图中看见的那样，所采用的曝光剂量的范围使得印刷图案的占宽比能够在从~0.2到0.7的大范围内变化。尽管上面的最佳拟合曲线的方程仅包含单个项，但是对于其他光刻胶和其他光刻胶工艺，最佳拟合曲线可以由多于一个项来描述。
例如，为了印刷具有图5中所示的占宽比的线性变化的50mm长300nm周期的表面浮雕光栅，可以根据最佳拟合曲线的方程简单地计算细光栅掩模中跨600nm周期光栅所需的曝光剂量的变化。结果在图6中示出。最后，用于产生在细光栅掩模处的剂量变化E（x，y）的在可变透射掩模中所需的占宽比变化f（x，y）通过下式计算
Figure 363534DEST_PATH_IMAGE008
。
其中E0是常数，选择该常数使得占宽比在期望的范围之间变化。
优选地，E0被设置为最大和最小剂量值的总和，使得占宽比的变化与0.5的偏差最小化。
在这样选择E0的情况下，在图7中图示了跨可变透射掩模在y方向上所需的占宽比的空间变化。发生在x=25mm处的掩模上的占宽比的最大变化率为~0.03/mm；因此，可变透射光栅的每条100μm周期线的两侧之间所需的最大倾斜角为~3mR。
尽管该第一实施例描述了用于在光刻胶中制造表面浮雕光栅的本发明的应用，其占宽比在正交于光栅线的方向上以某个线性变化跨光栅变化，但是在该实施例（以及之后的实施例）的其他变型中，表面浮雕光栅中的期望的占宽比变化可以是，例如，在正交于线的相同方向上，但代之以是非单调变化，在这种情况下，跨可变透射掩模所需的占宽比的变化可以如图8中所图示。替代地，表面浮雕光栅中的期望的占宽比变化可以在平行于光栅线的方向上，在这种情况下，可变透射掩模中的占宽比变化将如图9中示意性所示。仍然替代地，表面浮雕光栅中期望的占宽比变化可以是二维变化，在这种情况下，可变透射掩模中设计的占宽比变化可以如图10中示意性所图示，其中每个（x，y）坐标所需的占宽比被颜色编码。
此外，尽管该第一实施例描述了将具有50 mm×50 mm的尺寸的单个大表面浮雕光栅印刷到光刻胶涂覆的晶片上，但是在其他实施例中，可以代之以使用相同的大曝光光束和适当设计的可变透射和细光栅掩模在单次曝光中印刷不同大小的多个相同的光栅，每个掩模具有跨其区域适当地布置的多个分别可变透射和细光栅图案。事实上，使用第一实施例的均匀化方法，即旋转衍射漫射器，优选的是没有图案位于每个掩模的中心处，因为不完美制造的衍射漫射器可能产生未衍射的光的“第0级”分量，该分量随后被准直透镜5聚焦到细光栅掩模的中心处的小的高强度光点。在其他实施例中，可以使用光束均匀化的替代手段来克服该缺陷，诸如折射光束均匀化器，如例如通常用于传统光刻装备上的光束扩展和均匀化。
在相关实施例中，在根据第一实施例将较小的光栅图案曝光到光刻胶涂覆的晶片11上之后，晶片11在卡盘12上围绕z轴旋转一个角度，并且然后使用相同或不同的可变透射和细光栅掩模7、9执行第二次曝光，以印刷第二光栅，第二光栅的线不平行于第一次曝光中印刷的光栅的那些线。然而，在该实施例中，重要的是第二可变透射和细光栅掩模的线再次分别平行于y轴和x轴定向，以便受益于照射光束的不对称角度分布。在采用在顺序印刷图案中具有相同或不同线取向的顺序曝光的实施例的更详尽的版本中，可以附加地采用由例如对准显微镜组成的对准系统，用于观察包括在细光栅图案旁边的对准标记，以获得顺序印刷图案之间的高位置准确度。在这种情况下，晶片（或细光栅掩模）应被安装到x、y、θ定位系统，类似于标准掩模对准器光刻装备上采用的定位系统。
参考图11，其示意性地示出了本发明的第二示例性实施例，ArF准分子激光器21发射具有与第一实施例中相同特性的脉冲光束。光束入射在光束转换器22上，该光束转换器22包括用于在垂直方向上压缩光束的第一对柱面透镜和用于在水平方向上压缩光束的第二对柱面透镜，使得~方形的准直光束23的FWHM尺寸为~2mm×2mm（z×y）。转换器23的输出光束入射到被安装在机动台（未示出）的漫射器24上，机动台用于围绕偏离照射光束的光轴的中心正交轴旋转漫射器24。漫射器24在相对于光轴具有~2.5°的半锥角的窄角度的范围内均匀地散射光。由漫射器24散射的光被焦距~2.4m的透镜25准直，以产生均匀强度和直径~200 mm的光束。来自透镜25的准直光束然后被反射镜26反射，使得它以垂直入射照射安装在掩模卡盘29上的可变透射掩模27中的图案，掩模卡盘29具有中心孔，以允许由掩模27透射的光通过。掩模卡盘29被安装到平移台30，平移台30具有精细定位致动器，该致动器允许掩模27以微米准确度和可变速度在x方向上和超过1 mm的行进范围内平移。可变透射掩模28带有与在第一实施例中采用的相同的图案27，即具有~50 mm×50 mm的尺寸、100μm的周期和在平行于光栅线的方向上变化的占宽比的光栅。可变透射光栅27在xz平面中衍射透射光，以产生第0级和更高的衍射级，该衍射级向与第一实施例中采用的相同的细光栅掩模31传播，该细光栅掩模31再次位于可变透射掩模28下方~25 mm的距离处。因为当衍射级向细光栅掩模31传播时，它们在xz平面中空间分离，所以有利的是，可变透射光栅27在x方向上的宽度被设计得足够大于细光栅32的相应宽度，使得包括其左边缘和右边缘的整个细光栅图案32被来自可变透射掩模28的所有衍射级照射。细光栅掩模31带有与第一实施例中使用的相同的
Figure 92455DEST_PATH_IMAGE009
相移光栅：它具有50 mm×50 mm的尺寸、600 nm的均匀周期、~0.5的均匀占宽比，并且它的线平行于x轴定向。由细光栅图案32透射的光场入射在位于真空卡盘34上的光刻胶涂覆的玻璃晶片33上，真空卡盘34被安装到DTL曝光系统（图中未示出）的z方向位移台上。
与第一实施例中不同，由于照射漫射器24的光束23的大小和形状，照射可变透射掩模28的光束在xz和yz平面两者中都被良好地准直（<1mR）。结果，由可变透射掩模28透射的衍射光束在细光栅掩模31的平面处干涉，以在x方向上产生强度调制的强分量，其具有可变透射光栅27的周期（或分数周期），这在期望的印刷图案中将是不可接受的。
为了消除该不期望的不均匀的分量，在DTL曝光期间，可变透射掩模28在x方向上位移。这可以通过将掩模28在x方向上位移可变透射光栅27的恰好1个周期，或者替代地位移整数个周期，并且在曝光期间以恒定的位移的速度来位移，使得在曝光的结束时达到最大位移来实现。这可以替代地通过在y方向上将可变透射掩模28来回位移或扫描一个周期或整数个周期的扫描距离多次，并且在每次扫描中使用恒定的速度，使得在最终扫描的结束时完成曝光来实现。然而，这样的恒定速度位移或扫描方案要求可变透射掩模28在可变透射光栅27的一个或整数个周期的精确距离上位移，否则可能导致照射细光栅32的强度分布的不可接受的y方向调制。
因此，有利的是使用可变速位移或扫描方案，特别是产生增量曝光剂量对可变透射掩模28的y位置的依赖性的方案，该y位置具有高斯或接近高斯分布，其具有相对于可变透射光栅27的周期足够大的半峰全宽（FWHM）距离。对于一组规则间隔的重叠高斯光强分布，如果高斯分布的FWHM宽度是重叠分布之间的间隔距离的~1.5倍，则可以容易地数学示出积分强度均匀到~1%。基于此，因此，优选的是描述曝光剂量对可变透射光栅27的y位置的依赖性的高斯分布的FWHM距离S优选地由下式给出
Figure 171270DEST_PATH_IMAGE010
其中Λ2是可变透射光栅的周期。
所以，如果Λ2=100μm，则优选地S≥150μm。较大的值将产生更好的均匀性，但是将相应地减少在表面浮雕光栅中可获得的占宽比变化的最大梯度。
进一步优选的是，高斯分布的总宽度，即最大位移距离T，对应于高斯分布的FWHM距离的至少两倍，即T≥2S，并且最优选地对应于至少2.5S，以便高斯分布的截断不会在照射细光栅掩模32的y方向上将不可接受的不均匀性引入到时间积分曝光剂量中。更大的最大位移将产生更好的曝光剂量的均匀性，但也将降低表面浮雕光栅中可获得的占宽比变化的最大梯度。
上面推荐的用于抑制由（二元）可变透射光栅27的周期性性质引入的剂量调制的分量的S和T的最小值适用于可变透射掩模28和细光栅掩模31之间的任意布置的间隔的值。然而，如果两个掩模28、31之间的间隔被布置成使得可变透射光栅27的分数Talbot图像（其周期是可变透射光栅的周期的某个分数），则可以替代地用于抑制不期望的剂量调制的S和T的最小值是上述推荐值乘以某个分数。
在曝光期间可变透射掩模28在x方向上移位不是必要的。它也可以替代地相对于x轴以角度θ位移（使用不同配置的平移台30）。在这种情况下，与剂量分布的FWHM高斯宽度和位移的总距离相对应的x方向上的位移的分量遵守对S和T的上述计算要求。
为了实现增量曝光剂量随可变透射掩模28的位置的上述高斯变化，掩模28通过机动平移台30以变化的位移的速度在x方向上位移。为了实现高斯曝光分布，速度被编程为根据具有上述计算的FWHM和最大位移参数的逆高斯曲线变化，并且使得位移所花费的总时间对应于在细光栅掩模31处产生期望的曝光剂量的空间变化所需的曝光时间。
在该实施例的变型中，可变透射掩模28可以以相同的速度变化的逆高斯分布但是以是针对单次扫描的平均速度的整数倍的平均速度（假设可变透射掩模28的照射的强度相同）来回位移整数倍，以在细光栅掩模31处产生相同的期望曝光剂量的空间变化。在另一个变型中，可变透射掩模28以均匀的速度位移，并且照射掩模的光的强度被调制，以便提供增量曝光剂量随可变透射掩模28的位置的高斯变化。在其他变型中，位移速度和光强度可以被调制，以便提供所述增量曝光剂量变化。
为了避免在DTL曝光期间由在细光栅掩模31和光刻胶涂覆的晶片33的不同间隔处照射细光栅掩模31的强度分布的不完美时间积分所产生的可能的不均匀性，优选的是，可变透射掩模28的位移扫描所花费的时间比掩模-晶片间隔的DTL扫描所花费的时间长得多，或反之亦然。
在该第二实施例的其他变型中，表面浮雕光栅中占宽比的期望空间变化可以是一维的，但是在代之以平行于表面浮雕光栅的线或者相对于表面浮雕光栅的线成任意角度的方向上。替代地，表面浮雕光栅中期望的占宽比变化可以是单调的或二维的，即，在x和y方向两者上都具有占宽比变化的分量。在这些变型中，可变透射掩模28应该被适当地设计为与针对第一实施例描述并在图8-10中图示的等效变型一样。
在第一和第二实施例两者及其变型中，重要的是跨可变透射掩模28的空间变化占宽比的变化率或梯度不太大，否则yz平面中不可接受的大的去准直（decollimation）的分量被引入到照射细光栅掩模9、31的光束中（参见图2和11）。出现这是因为可变透射掩模的线特征的边缘相对于y轴的轻微倾斜，该倾斜由y方向上的变化的占宽比产生。特别地，由可变透射掩模局部引入的去准直的分量δφy可以被估计为
Figure 482296DEST_PATH_IMAGE011
其中λ是照射波长，并且α和
Figure 253943DEST_PATH_IMAGE012
分别是y方向上的局部占宽比和局部占宽比的变化率。
估计在第一和第二实施例中采用的可变透射掩模7、28的区域上引入的δφy的最大值，其占宽比变化在图7中示出，产生δφy=3μR，相对于照射可变透射掩模的在yz平面中的光束的~0.8mR发散，这是可忽略的。
在第三实施例中，采用与第二实施例中基本相同的曝光系统，除了可变透射和细光栅掩模的不同设计用于将具有不同周期、不同光栅线的取向和不同的期望的占宽比的空间变化的两个表面浮雕光栅印刷到光刻胶涂覆的晶片上。参考图12a，细光栅掩模代之以带有两个矩形细光栅图案，该两个矩形细光栅图案被标记为“a”和“b”，具有分别为Λ1a=500nm和Λ1b=700nm的周期，以及相对于x轴为ω1a=55°和ω1b=-40°的线取向。参考图12b，可变透射掩模带有两个对应的矩形光栅，其中心与细光栅掩模中的两个光栅的中心在相同的（x，y）坐标处。出于第一实施例中解释的原因，可变透射掩模中光栅的大小优选地比细光栅掩模中的那些大小稍大所需的附加宽度（以确保细光栅的边缘也被来自可变透射掩模的所有显著强度的衍射级照射）。两个可变透射光栅具有相同的恒定周期（即Λ2b=Λ2a），并且它们的线与细光栅掩模中的相应光栅的线正交定向，因此ω2a=35°并且ω2b=50°。如图中所图示，光栅中的每个中的占宽比已经被设计成在平行于相应可变透射光栅的线的方向上变化，以便印刷具有不同周期的两个表面浮雕光栅，其中两个图案中的占宽比在正交于相应图案的光栅线取向的方向上变化。
可以使用顺序曝光和与第二实施例中采用的相同方法，并使用与该实施例的基本相同的装置，分离地印刷具有它们相应的期望的占宽比的变化的两个表面浮雕光栅，除了首先平移台30附加地配备有y方向台，该y方向台允许可变透射掩模在任何方向上位移；以及其次，在可变透射掩模之前或之后，提供可移动的孔用于插入光束路径中，使得仅“a”图案或仅“b”图案可以被独立曝光。然后，两个期望的表面浮雕光栅的曝光通过布置所述孔来进行，使得在曝光期间仅照射“a”图案，并且在曝光期间以如第二实施例中教导的方式在正交于“a”可变透射光栅的线的方向上位移可变透射掩模。曝光后，孔然后被重新配置，使得仅“b”光栅可以被曝光。然后第二次曝光继续进行，其中可变透射光栅在正交于“b”可变透射光栅的线的方向上位移。然后显影曝光的光刻胶涂覆的晶片。对于两个光栅使用这样的独立曝光允许照射将是不同掩模的可变透射掩模的曝光剂量对于两次曝光不同。然而，对于工业过程来说，必须使用两次曝光可能是不期望的。
更有利的曝光方案是在单次曝光中同时印刷“a”和“b”表面浮雕光栅。这可以使用直接插入图11中所图示的第二实施例的照射系统中的图12a和1b的两个掩模来实现。如在该实施例中所解释的，可变透射掩模不必在正交于可变透射光栅的线的方向上位移，因此可以通过与可变透射掩模在理想地平分正交于两个可变透射光栅中的线的方向的方向上位移同时曝光“a”和“b”图案来获得期望的结果（因为两个可变透射光栅的周期是相同的）。这可以通过使用平移台30在x方向上位移可变透射掩模（其近似平分两个可变透射光栅的线的角度ω2a=35°和ω2b=50°）来实现。为了消除由光栅的周期（和二元）性质引入的强度调制的分量，应该执行位移，以便获得曝光剂量随位置的基本高斯变化，如第二实施例中所述。应该选择高斯分布的FWHM距离和总距离的幅度，使得对于两个可变透射光栅，正交于每个可变透射光栅的线的方向上的位移的分量满足第二实施例中描述的对S和T的要求。如果可变透射掩模的位移的方向平分垂直于两个可变透射光栅的线的方向（如果两个光栅具有相同的周期），则高斯分布的FWHM距离和总距离的幅度被最小化。
在该第三实施例中，可变透射光栅的周期不必相同，而是可以根据光栅线的取向以及根据对S和T的上述要求来选择，以便高斯位移的FWHM距离和总位移距离同时满足针对两个光栅对S和T的要求，由此最小化可变透射掩模的位移，并因此最大化表面浮雕光栅中可获得的占宽比变化的空间分辨率。
在其他实施例中，用于印刷具有不同线取向和不同（或相同）期望占宽比的变化的两个表面浮雕光栅的这种方法可以被扩展用于印刷具有不同线取向和不同（或相同）期望占宽比的变化的三个或更多个表面浮雕光栅。
在掩模上可能有一个、两个、三个或更多个光栅，所述光栅需要在DTL或等效曝光中使用，以在衬底上印刷光栅。光栅可以在顺序曝光中被分离地曝光。然而，在曝光系统中同时曝光它们可能是有利的。在后者的情况下，根据本发明的教导，可以在掩模上制备多个半色调光栅。每个可变透射或半色调光栅都是根据其用于印刷的特定表面浮雕光栅的期望的占宽比来设计的，该占宽比可以是跨该光栅的恒定占宽比，或者可以是可变占宽比。必须调整掩模上不同半色调光栅的相对透射率，使得当它们以相同的入射剂量被曝光时，每个光栅都以期望的占宽比来印刷。
为了避免由于半色调掩模上的线的存在而导致曝光场中不期望的强度变化，半色调掩模可以在垂直于半色调掩模上的线的取向的方向上位移，如先前所讨论的那样。当HT掩模上只有一个光栅时，移动可以垂直于线取向。例如，参考图7，如果HT掩模只有具有周期p1的光栅G1，则其可以移动距离s1，如在相同图中示意性指示的那样。距离s1是相对于周期p1来确定的，如先前所讨论的那样。例如，可以要求距离s1大于p1乘以常数k，即3
Figure 204582DEST_PATH_IMAGE013
[1]
如之前所讨论的那样，将移动距离限制为最小值可能是有意义的。
然而，如果在每个光栅中存在多于一个具有不同光栅线的取向的光栅（如图12a中示意性所示），则移动不能同时垂直于所有HT光栅线的方向。在这样的情况下，可能必要的是，选择移动的方向和距离，使得印刷所有光栅，而没有由半色调光栅的线引起的不期望的强度变化。出于之前讨论的原因，最小化这样的移动的幅度可能也是有意义的。为了找到所需距离的最小值，我们首先考虑针对各个HT光栅的移动要求为，
Figure 149404DEST_PATH_IMAGE014
[2]
如果移动距离为S，并且其角度为θ，我们可以将沿第i光栅的方向的移动的分量写成
Figure DEST_PATH_IMAGE015
[3]
距离S和角度为θ的值的范围可以通过一起满足关系式2和3来找到。该问题可以在计算机的帮助下解决。下面我们示出两种情况作为示例。
在情况1中，掩模上存在具有角度θ1=30°和θ2=100°的两个HT光栅。两个光栅具有相同的周期，即p1=p2=50um。在该示例中，乘法常数k的值取为6。图13中蓝色曲线上方的区域示出了针对S和θ的值的范围，对于该范围，相应的扫描满足对光栅G1的均匀性要求。同样，红色曲线上方的参数间隔满足对光栅G2的均匀性要求。为了找到满足针对两个光栅的要求的s和θ的可接受值，可以对各个光栅取上述两个区域的重叠。该区域在图13中以灰色示出。通过检查该图，我们发现所需的移动距离的最小值为366um，并且其角度θ=65°。
在情况2中，掩模上存在具有角度θ1=30°、θ2=100°和θ3=150°的三个HT光栅。所有三个光栅具有相同的周期，即p1=p2=p3=50um。在该示例中，乘法常数k的值取为6。图14中蓝色曲线上方的区域示出了针对S和θ的值的范围，对于该范围，相应的扫描满足针对光栅G1的均匀性要求。红色曲线上方的参数间隔满足针对光栅G2的均匀性要求。最后，品红色曲线上方的参数间隔满足针对光栅G3的均匀性要求。为了找到满足针对所有三个光栅的要求的针对s和θ的可接受值，可以对单个光栅取上述三个区域的重叠。该区域在图14中以灰色示出。通过检查该图，我们发现所需的移动距离的最小值为523um，并且其角度θ=155°。
图15中示意性地示出了本发明的第三示例性实施例。类似于第二实施例，ArF准分子激光器51发射脉冲光束，其尺寸由光束转换器52修改，以产生具有~2mm×2mm（z×y）的FWHM尺寸的~方形准直光束。光束入射在漫射器53上，漫射器53在具有~2.5°的半锥角的窄角度的范围内均匀地散射光。漫射器被安装到机动台（未示出）上，用于旋转漫射器，以便进一步改善角度的范围内的强度均匀化。散射光被焦距~2.4m的透镜55准直，以产生具有直径~200 mm的基本均匀强度的光束，其光线在光束中的任何点处都具有~0.8mR的FWHM角度分布。光束照射带有可变透射光栅57的掩模56，可变透射光栅57形成在熔融石英衬底上的铬层中。类似于在第二实施例中采用并在图3中图示的可变透射掩模，光栅57具有~50 mm×50mm的区域，并且包括交替的铬线15和具有恒定周期和占宽比的间隔，该占宽比在平行于光栅线的方向上跨光栅57变化。掩模56被定向成使得可变透射光栅57的线平行于图15中的y轴。光栅57的照射产生多个衍射级：无角度偏转地穿过掩模的第0级光束，以±arcsin（λ/Λ）的角度衍射的第±1级光束，其中λ是照射波长，并且Λ是光栅57的周期，以及以更大角度衍射的更高级光束。第0级光束被反射镜58反射，使得它在垂直入射时照射由卡盘（未示出）支撑的掩模60中的细光栅61。图中第0级光束的上边缘和下边缘用实线指示，而第+1级和第-1级的上边缘和下边缘分别用虚线64a、b和65a、b来指示。由细光栅61透射的光场照射位于真空卡盘上的光刻胶涂覆的玻璃晶片66，该真空卡盘被安装在DTL曝光系统（未示出）的z方向位移台上。
然而，“第0级”可变透射掩模56中的光栅57的周期比第二实施例的可变透射掩模中的周期小得多，并且是相对于照射的波长并结合可变透射掩模56和反射镜58之间以及反射镜58和细间距光栅掩模60之间的间隔来选择的，使得仅第0级衍射光束照射细间距光栅61。具体地，可变透射光栅的周期被选择为2μm，并且由第0级光束从可变透射掩模56行进到细光栅掩模61的总距离被布置为700mm，使得由可变透射掩模57衍射的193nm波长的第±1级光束的角度为~±5.5°，并且所得到的第±1级相对于第0级在细光栅掩模的平面处的横向偏离为>60mm，并且因此在x方向上大于细间距光栅61的50 mm尺寸，由此确保仅第0级照射细间距光栅61。为了便于使用传统的掩模写入技术在可变透射掩模中制造所需的占宽比的空间变化，同时使得能够实现用于DTL曝光的合理紧凑的照射系统，推荐可变透射掩模56中的光栅57的周期在1-5μm的范围内。
可变透射光栅57上的占宽比的空间变化被设计成在照射细光栅掩模60的第0级光束中产生所需的强度的空间变化，以便使用位移Talbot光刻法的曝光在光刻胶涂覆的衬底上印刷具有期望的线宽的空间变化的光栅（由DTL光刻胶曝光工艺的特性确定，如在较早的实施例中所述）。包括交替的铬线和透明间隔的光栅，即具有占宽比f的振幅光栅的第0级衍射效率η0由0给出
Figure 501888DEST_PATH_IMAGE016
因此，例如，如果占宽比是0.4，即铬线的宽度是光栅周期的0.4倍，则由可变透射掩模透射的第0级光束的强度是0.36（即36%）。
因此，在由具有均匀强度的光束I0照射的掩模56中，由占宽比的空间变化f（z，y）透射的第0级光束的强度的空间变化I（z，y）由下式给出
Figure DEST_PATH_IMAGE017
由于照射掩模的光束被良好地准直，并且对于相关应用来说，要求占宽比以其来跨掩模56变化的速率或梯度是慢的，使得可忽略的光的角发散通过来自占宽比变化的梯度的衍射效应被引入到第0级光束中，因此由可变透射掩模透射的光束的强度变化I（z，y）被准确地转移，即基本上1：1地映射到照射细间距光栅掩模60的强度分布I（x，y）。
因此，针对I（z，y）的上述表达式可以直接用于计算可变透射掩模56上所需的占宽比变化f（z，y），以用于在入射在细光栅掩模上的光束中产生特定的强度变化I（x，y），使得可以在光刻胶中获得期望的占宽比的空间变化。
尽管在较早的实施例中（其中来自可变透射掩模的基本上所有衍射级都照射细光栅掩模），重要的是，可变透射光栅的线的取向与细间距光栅的线的方向正交，但是在该实施例中，这通常是不重要的，因为第1级和更高的衍射级被阻止照射细间距光栅，因此那些其他级中的光的角度分布不能照射细光栅掩模，并且使印刷到光刻胶中的细间距光栅的分辨率降级。由于这个原因，图15中所图示的可变透射光栅的线的取向可以替代地在z或任何其他方向上。
尽管优选的是照射可变透射掩模56的光束被良好地准直，使得照射细间距光栅掩模的强度分布基本上与由可变透射掩模56透射的强度分布相同，但是这不是绝对必要的。例如，在另一个实施例中，如果照射可变透射掩模的光束具有一些显著的球面像差，则光线在从可变透射掩模到细间距掩模的第0级光束的范围上的投影应该被映射，并且在可变透射掩模56的设计中被补偿。补偿优选地还应考虑由球面像差引入到传播光束中的强度的调制。
在该实施例的变型中，可变透射掩模代之以位于准直透镜55之前，并且被设计成补偿第0级光束的光线从可变透射掩模的坐标系到细间距光栅掩模的平面的映射，并且优选地还补偿当第0级从可变透射掩模传播时引入到光束中的任何强度调制强度调制。
图16中示意性地图示了第四实施例，其也采用了“第0级”可变透射掩模。从与第三实施例（未示出）中采用的相同照射源和光束成形光学器件导出的发散光束入射在透镜70上，该透镜产生准直光束。该光束照射可变透射掩模71，该可变透射掩模71带有与第三实施例中采用的图案类似的铬线和透明间隔的周期性图案，除了图案的周期是20μm，因此大得多。由可变透射掩模71衍射的第0级、第1级和更高级光束入射在所谓的4f成像系统的第一透镜73a上，该第一透镜73a将光束聚焦到透镜73a的后焦平面中的光点的阵列。图中第0级的上限和下限处的光线由实线表示，而第+1级和第-1级的上限和下限分别由虚线75a、b和76a、b表示。在透镜的后焦平面处是以不透明屏幕中的孔的形式的空间滤光器，其以4f系统透镜73a、b的光轴为中心。孔的大小根据可变透射光栅72的周期和透镜73a的焦距来选择，使得仅第0级光束的光通过该孔，所有其他衍射级被阻挡。第0级光束然后被4f系统的第二透镜73b重新准直，光束从那里被反射镜反射，使得它以垂直入射照射掩模80中的细间距光栅81。两个透镜73a、b的焦距相同，使得由可变透射掩模71透射的第0级光束的强度分布以放大率1成像到细间距光栅81上。由细间距光栅81透射的光照射安装到DTL曝光系统（未示出）的卡盘83上的光刻胶涂覆的衬底。
因此，来自可变透射掩模的第0级光束的1∶1成像和由该实施例的4f成像透镜73a、b和空间滤光器74产生的其他衍射级的阻挡等效于第0级光束在第三实施例中产生的其他衍射级的大距离和横向间隔上的投影。因此，本实施例中采用的可变透射掩模以与第三实施例中相同的方式来设计。
应当理解，4f成像系统的两个透镜73a、b仅示意性地示出（作为单线（singlets）），并且应当使用标准光学设计原理来设计，使得由可变透射光栅72透射的第0级光束的强度的空间变化以所需的准确度成像到细光栅图案81上。尽管图16中所示的4f成像系统的两个透镜73a、b具有相同的焦距，并且在细光栅掩模上产生第0级光束的1∶1成像，但是在该实施例的其他变型中，4f成像系统的透镜的焦距比可以不同，以便在细光栅掩模上产生第0衍射级的放大（或缩小）图像。在这样的情况下，可变透射掩模内的占宽比变化的坐标系应该被适当地缩小或放大，以补偿由成像分别产生的放大或缩小。
尽管图15和16中的可变透射掩模是暗场掩模，即其中铬围绕光栅图案57，但这并不是必需的：在这些实施例的其他变型中，它们可以代之以是光场掩模，即其中没有铬围绕光栅图案。
尽管出于在光刻胶中印刷的光栅中产生期望的y方向占宽比的变化的目的，在上述第三和第四实施例中采用的可变透射掩模具有在y方向上跨掩模变化的占宽比，但是应当理解，在这些实施例的其他变型中，光刻胶中期望的占宽比的变化可以是在另一个方向上或者可以是跨光栅的二维变化，在这种情况下，应当适当地设计跨可变透射掩模的占宽比的空间变化。
尽管在上述实施例中描述的第0级可变透射掩模是振幅掩模，即光栅是以透明和不透明材料的交替线的形式的，但是在其他相关实施例中，它们可以代之以是相移掩模、部分透射铬或衰减相移掩模，其中所采用的特定材料的厚度和线宽被适当地设计用于在透射的第0级光束中获得所需的强度的空间变化。
尽管上述实施例中描述的第0级可变透射掩模带有具有变化的占宽比和恒定周期的线性光栅，但是后者不是必要的特征（尽管简化了设计），并且（局部）周期可以替代地跨图案变化。重要的是，尽管在第三实施例的情况下，这种变化的程度应该允许在细光栅掩模的平面处第1级与第0级的横向间隔，但是在第四实施例的情况下，允许第0级的透射和由空间滤光器对第1级和更高级的阻挡。在这些替代实施例中，用于在细光栅掩模处获得特定强度的变化的占宽比的空间变化可以以与针对那些实施例描述的相同的方式来设计。
尽管在第三和第四实施例中描述的可变透射光栅采用由具有变化占宽比的线和间隔组成的线性光栅，用于产生所需的第0衍射级中的强度的空间变化，但是在其他相关实施例中，第0级中的强度的变化可以代之以由二维阵列中布置的特征的大小的变化来产生，例如布置在方形或六边形网格上的特征。类似地，不必要的是，网格是完全周期性的，但周期或最近邻距离可以在至少一个方向上变化。对于周期性或非周期性网格上的这样的二维特征的阵列，特征的占宽比的空间变化（定义为特征区域的面积除以网格内局部单元的面积）应该以与线性光栅情况类似的方式来设计。至于第三和第四实施例，二维阵列的周期应该相对于光学系统来布置，使得只有第1级和更高的衍射级在细光栅掩模的平面处与第0级在空间上分离，或者被4f成像系统中的空间滤光器阻挡。
在其他实施例中，来自可变透射掩模的第1衍射级而不是第0级代之以被用来照射细光栅掩模。在这样的实施例中，采用图15中所图示的类似系统，除了反射镜58被定位和定向成反射从掩模衍射的两个第1级中的一个，使得其以垂直入射照射细光栅掩模；并且适当地设计可变透射掩模内的占宽比变化（使用对本领域技术人员而言公知的线性光栅衍射效率公式），使得在第1级光束内产生所需的强度分布。类似于第三实施例，可变透射掩模中的光栅的周期和从可变透射掩模到细光栅掩模的第1级光路的距离应该被布置成使得第1级在细光栅掩模的平面处与第0级和相邻的第2级横向分离。在另一个这样的实施例中，可以使用类似于图16中所图示的系统的系统，除了空间滤光器74被重新定位以使得仅第1级能够穿过孔，并且所有其他级被阻挡，并且反射镜78的倾斜被布置成使得被透镜73b重新准直的第1级的光被反射以便以垂直入射照射细光栅掩模。可变透射掩模内的占宽比变化被适当地设计成在照射细光栅掩模的第一级光束内产生所需的强度变化。
在“第0级”或“第1级”实施例的其他变型中，具有与4f成像系统和空间滤光器的组合相同功能的光学系统可以替代地被配置在可变透射光栅之间，用于分别仅允许第0和第1衍射级通过，使得其单独照射细周期光栅。
尽管所有上述实施例都描述了具有ArF准分子激光源的曝光系统，但是在其他实施例中，可以采用替代的照射源，最优选激光源，从而产生以另一波长（尤其是以深UV或近UV波长）的光束或辐射。对于这样的另一个波长，应该采用对该波长敏感的合适的光刻胶。还将需要针对相关波长来选择和配置光束产生光学系统的光学元件。尽管在针对上述实施例的附图中示出了反射镜，但是这是可选的，并且仅用于折叠光束，以便产生更紧凑的系统。在其他实施例中，可以替代地不使用反射镜或使用更多反射镜。
尽管上述实施例仅描述了具有期望的占宽比的变化的表面浮雕光栅被印刷到衬底的一个表面上的光刻胶中，但是在其他实施例中，在第一表面上形成表面浮雕结构之后，具有相同或另一期望的占宽比的变化的表面浮雕光栅可以随后使用另一次曝光被印刷到衬底的另一侧上的另一层光刻胶中）。为此，如果在曝光系统上包括标准的对准系统，例如一对合适的显微镜，并且在掩模图案的设计中包括合适的对准泥灰（marls），使得可以在印刷在衬底的两个表面上的图案之间实现准确的位置和旋转对准，则这是有利的。

Claims (15)

1.一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）在位移Talbot光刻系统中布置衬底和第一掩模，使得第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的线性特征正交；
e）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，并且在正交于第一可变透射光栅的线性特征的平面中具有预定的入射角的分布，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用所述光束照射第二掩模达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中第一可变透射光栅中的占宽比的空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有所述第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的；
其中相对于第一可变透射光栅的周期选择所述第二距离和入射角的所述预定分布，使得在曝光时间内曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量。
2.一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）将所述第二掩模平行于第一掩模并距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的线性特征正交；
e）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用所述光束照射第二掩模达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离并位移第二掩模，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中第二掩模的位移相对于第一可变透射光栅的线性特征的周期和方向来布置，使得在曝光时间内曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量；
其中，第一可变透射光栅中的占宽比的空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化是一维的，并且在以下各项之一的方向上：平行、正交和相对于表面浮雕光栅的线性特征的方向成中间角度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化是一维的，线性的或者非线性的，并且是单调的或者是非单调的。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化是二维的，其中变化的分量在分别平行和正交于表面浮雕光栅的线性特征的方向上。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化是二维的，其中变化的分量在分别平行和正交于期望的表面浮雕光栅的线性特征的方向上，并且其是线性、非线性、单调和非单调变化中的任何一种。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一可变透射光栅的周期在第一可变透射光栅的区域上是恒定的或者变化的
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根据权利要求1或2所述的方法，其中第一可变透射光栅的周期在第一可变透射光栅的区域上是恒定的，并且基本上大于第一高分辨率光栅的周期。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，第二掩模在正交于第一可变透射光栅的线性特征的方向上位移，并且位移了可变透射光栅的一个周期或多个周期的距离，并且在曝光时间期间以恒定的位移的速度来位移。
9.根据权利要求2所述的方法，其中，第二掩模使用恒定的位移的速度在正交于第一可变透射光栅的线性特征的方向上位移，并且位移了可变透射光栅的一个周期或多个周期的距离，并且然后使用相同或不同的恒定的位移的速度在相反方向上位移了可变透射光栅的一个周期或多个周期的距离。
10.根据权利要求2所述的方法，其中第二掩模在正交于第一可变透射光栅的线性特征的方向上并且使用可变的位移的速度来位移，这产生了第一可变透射掩模的增量曝光剂量对具有基本上高斯分布的位移的距离的依赖性。
11.根据权利要求2所述的方法，其附加地用于在光刻胶层中同时形成具有第二周期和第二占宽比的空间变化的周期性线性特征的至少第二期望的表面浮雕光栅；
其中第一掩模附加地带有至少第二线性特征的高分辨率光栅，所述第二线性特征的高分辨率光栅具有是第二期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
其中第二掩模附加地带有交替的不透明和透明线性特征的至少第二可变透射光栅，所述第二可变透射光栅具有第二周期和第二占宽比的设计的空间变化；
其中相对于第一掩模布置所述第二掩模附加地布置成至少第二可变透射光栅的线性特征与第二高分辨率光栅的线性特征正交；
其中产生用于照射第二掩模的单色光束使得入射在第二掩模上的光在平行于至少第二可变透射光栅的线性特征的入射的平面中附加地被良好地准直，由此由所述第二可变透射光栅透射的衍射光束照射第二高分辨率光栅；
其中用所述光束照射第二掩模达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离并位移第二掩模，附加地将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述第二期望的表面浮雕光栅；
并且其中第二掩模的位移相对于至少第二可变透射光栅的线性特征的周期和方向被附加地布置，使得在曝光时间中曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第二可变透射光栅的周期的调制的分量；
其中，第二可变透射光栅中的占宽比的空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的第二表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的。
12.根据权利要求12所述的方法，其中第一掩模带有线性特征的第一和第二高分辨率光栅，其中第一高分辨率光栅的线性特征的方向相对于第二高分辨率光栅的线性特征的方向成斜角；其中第二掩模带有线性特征的第一和第二可变透射光栅，其第一和第二周期相同，并且其中第一可变透射光栅的线性特征的方向相对于第二可变透射光栅的线性特征成相同的斜角；并且其中第二掩模的位移被布置成在将与相应的第一和第二可变透射光栅的线性特征垂直的方向角度平分的方向上。
13.一种基于位移Talbot光刻法的装置，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述装置包括：
a）带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）用于将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置的装置；
c）带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）用于将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上的装置，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的那些线性特征正交；
e）用于产生用于照射第二掩模的单色光束的装置，使得入射在第二掩模上的光在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，并且在正交于第一可变透射光栅的线性特征的方向的平面中具有预定的入射角的分布，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；以及
f）用于用所述光束照射第二掩模达曝光时间同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离的装置，由此由第一高分辨率光栅透射的光场将光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅。
14.一种基于位移Talbot光刻法的装置，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述装置包括：
a）带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）用于将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置的装置；
c）带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）用于将所述第二掩模平行于第一掩模并在距第一掩模预定的第二距离处布置在距衬底第一距离处的第一掩模的相对侧上的装置，并且使得第一可变透射光栅的线性特征与第一高分辨率光栅的那些线性特征正交；
e）用于产生用于照射第二掩模的单色光束的装置，使得入射在第二掩模上的光束在平行于第一可变透射光栅的线性特征的入射的平面中被良好地准直，使得由所述第一可变透射光栅透射的衍射光束照射第一高分辨率光栅；
f）用于相对于第一可变透射光栅的线性特征的周期和方向位移第二掩模同时照射第二掩模的装置，使得在用于形成所述期望的表面浮雕光栅的曝光时间中曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有第一可变透射光栅的周期的调制的分量；以及
g）用于根据位移Talbot光刻法改变第一距离的装置。
15.一种基于位移Talbot光刻法的方法，用于在衬底上的光刻胶层中形成具有占宽比的空间变化的周期性线性特征的期望的表面浮雕光栅，所述方法包括：
a）提供带有线性特征的第一高分辨率光栅的第一掩模，所述第一高分辨率光栅具有是期望的表面浮雕光栅的周期的两倍的周期；
b）将所述第一掩模平行于衬底并在距衬底第一距离处布置；
c）提供带有交替的不透明和透明线性特征的第一可变透射光栅的第二掩模，所述第一可变透射光栅具有一定的周期和占宽比的设计的空间变化；
d）产生用于照射第二掩模的单色光束，使得衍射光束被第一可变透射光栅透射；
e）在所述第二掩模和所述第一掩模之间提供光学布置，使得仅所述衍射光束的第0级或第1级光束照射第一掩模中的第一高分辨率光栅，并且使得所述第0级或第1级光束在与第一高分辨率光栅的线性特征正交的第二掩模上的入射的平面中被良好地准直；
f）用于用所述照射光束照射第一可变透射光栅达曝光时间，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，由此由第一高分辨率光栅透射的光场使光刻胶曝光到能量密度分布，以用于形成所述期望的表面浮雕光栅；
其中，第一可变透射光栅中的占宽比的所述空间变化是基于使用位移Talbot光刻法形成的表面浮雕光栅的占宽比对在没有第二掩模的情况下照射第一掩模的光束的能量密度的预定依赖性以及根据期望的表面浮雕光栅的占宽比的空间变化来设计的。
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