CN1292310C - 形成光学图像的方法、本方法用的衍射部件、实行所述方法的设备 - Google Patents

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Abstract

通过若干子照射在抗蚀剂层(5)上形成光学图像，在每个子照射中，光阀阵列(21-25)和对应的衍射单元阵列(91-95)用以按照子图像在抗蚀剂层上形成光点图案(111-115)。在各子照射之间，所述抗蚀剂层相对于所述阵列移动。利用具有至少两个振幅电平和至少三个相位等级的衍射单元获得了明亮的边缘清晰的光点。

Description

形成光学图像的方法、本方法用的衍射部件、 实行所述方法的设备
本发明涉及在抗蚀剂层上形成光学图像的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供辐射光源；
-形成抗蚀剂层；
-在辐射源和抗蚀剂层之间设置逐一受控的光阀的二维阵列；
-在光阀阵列和抗蚀剂层之间设置衍射透镜的二维阵列，使得每个衍射透镜对应于一个不同的光阀；
-通过依次的子照射，依次照射抗蚀剂层的不同部分，每次子照射包括以下步骤：接通光阀选择；接通辐射源；断开光阀和辐射光源；以及彼此相对地移动抗蚀剂层和所述阵列，使得要照射的下一个抗蚀剂层部分与所述阵列对齐。
本发明还涉及供本方法使用的包括衍射单元阵列的衍射部件、实行本方法的设备和用于利用本方法制造器件的方法。
光阀或光闸阵列是指可在两种状态之间切换的可控元件的阵列。在一种状态下，入射在这样的元件上的辐射被隔断，而在另一状态下，入射的辐射被透射或反射，沿着所述阵列构成其一部分的设备中规定的光路行进。
这样的阵列可以是透射或反射液晶显示器(LCD)或数字反射镜器件(DMD)。抗蚀剂层是一种对光刻所用的辐射敏感的材料层。
本方法和装置还可以用在诸如液晶显示(LCD)面板、用户化IC(集成电路)和印刷电路板(PCB)等器件的制造。目前，在这样的器件的制造中采用接近式曝光。接近式曝光是在器件基片上的辐射敏感层上形成图像的快速而廉价的方法，所述图像包括与要在基片层上形成的器件特征对应的特征。采用设置在离基片短距离(称作接近隙)的大型光掩模，用例如，紫外线(UV)辐射透过所述光掩模照射基片。所述方法的一个重要的优点是成像场大，使得可以在一次成像步骤中将大型器件的图案成像。用于接近式曝光的传统光掩模的图案是基片上所需图像的真实的、一对一的拷贝，就是说，所述图像的每个像素与掩模图案中的相应像素是相同的。
接近式曝光的分辨率，亦即复制作为基片上抗蚀剂层中的独立实体的掩模图案中的点、线等一般特征的能力有限。这是由于当所述特征尺寸相对于成像所用的辐射波长缩小时出现的衍射效应的缘故。例如，对于近UV范围的波长和100μm的接近隙宽度，分辨率是10μm，这意味着彼此相距10μm的图案特征可以作为独立元素成像。
要提高光刻的分辨率，必须采用实像投影设备，亦即具有象透镜投影系统或反射镜投影系统那样的实像投影系统的设备。这样的设备的实例是圆片分档器或圆片逐级扫描器。在圆片分档器中，通过透镜投影系统一次将整个掩模图案，例如IC图案成像在基片的第一IC区域上。然后，彼此相对地移动(分档)掩模和基片，直至把第二IC区域定位在投影透镜下面。然后在第二IC区域将掩模图案成像。重复这些步骤直至基片的所有IC区域都形成有掩模图案的图像为止。由于移动、对准和照射的子步骤的缘故，这是一个很费时间的过程。在逐级扫描器中，一次只照射掩模图案的一小部分。在照射过程中，掩模和基片都要相对于照射光束同步移动，直至照射整个掩模图案并且在基片的IC区域上形成这个图案的整个图像为止。然后掩模和基片彼此相对运动直至下一个IC定位在投影透镜下，再次对掩模图案进行扫描照射，使在下一个IC区域上形成掩模图案的整个图像。重复这些步骤，直至基片的所有IC区域都形成有掩模图案的整个图像。逐级扫描过程甚至比分档过程更费时间。
若用1∶1的分档器，亦即放大倍数为1的分档器来印制IC图案，则可以获得3μm的分辨率，但是，其代价是成像花费很长时间。另外，若图案大又必须分成单独成像的子图案，则会出现打补丁的问题，这意味着相邻子场不能准确地装配在一起。
光掩模的制造是一个费时间又麻烦的过程，结果这样的掩模成本高昂。若必须对光掩模进行多次重复设计或在用户化的特定器件，亦即须要制造同一器件数目相对较少的情况下，则利用光掩模的光刻制造方法是一种昂贵的方法。
D.Gil等人发表在J.Vac.Sci.Technology B 18(6)，Nov/Dec2000，2881-2885页上的”使用区板的光刻图案形成和聚焦成像”一文中描述一种光刻方法，其中不用光掩模，而用DMD阵列和区板阵列的组合。若照射区板阵列(亦称Fresnel透镜)，则在所述文章所描述的试验中，会在基片上产生辐射光点阵列：3X3 X射线光点阵列。光点的尺寸大致等于区板的最小特征尺寸，亦即外区宽度。用DMD的微型机械装置接通和断开对每一块区板的照射并通过区板的单位单元对基片进行光栅扫描，即可写出任何图案。这样，无掩模光刻的好处便与利用光点阵列进行的并行写入带来的高产量结合起来。所述阵列的区板是传统的相位区板，就是说，它们包括交变的第一环和第二环，所有的第一环和第二环都分别处在恒定的第一水平和恒定的第二水平。通过第一环的辐射相对于通过第二环的辐射发生了180°的相移。在所述文章中指出，必须用级次分离孔径来减小非聚焦衍射级次造成的背景辐射。
本发明的一个目的是提供一种准确的辐射效率高的光刻成像方法。所述方法的特征在于，使用具有至少两个透射电平和至少三个相位等级的相同的衍射单元形式的衍射透镜。
衍射单元一般是相同的，但并不必须是相同的。衍射单元的振幅电平和相位等级分别用衍射单元改变入射到所述单元的光束部分的振幅和相位的程度来量度。衍射单元一个区域的相位等级，例如由所述区域相对于总阵列表面的高度或深度来确定。
利用每个单元的两个以上的相位等级，衍射效率，亦即在所需衍射级次上，例如第一级上衍射的入射辐射的百分比增大。这意味着，可用的辐射最佳地用于抗蚀剂层中的成像，而且背景辐射，例如零级或非衍射辐射的量小到无需用级次滤光器来阻断所述辐射。
单元的衍射效率和由这些单元形成的光点的清晰度随着单元中相位阶梯数增加而提高。用有限的相位阶梯数，例如，彼此相差90°的4步可以得出合理的结果。一般，每个衍射单元有两个振幅电平就够。单元的主要部分是”白色的”，而且只在单元边界是黑色的，以便区分两个相邻的单元。”白色”是指把入射的辐射透射或反射到抗蚀剂层，而”黑色”是指不让入射的辐射透射或反射到所述层。所有衍射单元的黑色部分都可以由一个例如铬金属层构成，所述层具有相对较宽的开孔，以便适应具有所述相位结构的白色部分。铬已经广泛用于光刻。可以利用离子束技术把所述相位结构蚀刻到例如石英的衍射单元中。
本方法的第一实施例的特征在于，采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元呈现一系列上升的相位阶梯和一系列下降的相位阶梯。
本方法的第二实施例的特征在于，采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构包括从基准级上升到顶级然后从顶级下降到基准级的若干个相位阶梯。
本方法的第三实施例的特征在于，采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从顶级到基准级的突然下降。
这些实施例的特征还在于，采用这样的阵列，所述阵列包括衍射单元的若干集合，所述集合彼此的差异在于：每个集合的衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
本方法允许在基片的不同平面上进行印刷。
本方法的特征还在于，在顺序的子照射之间，辐射敏感层和所述阵列彼此相对移动一段最多等于抗蚀剂层上形成的光点的尺寸的距离。
这样，可以横跨整个特征以恒定的强度写入图像(亦即图案)、特征。光点可以具有圆形、正方形、菱形或矩形的形状，取决于衍射单元的设计。光点的尺寸是所述光点内最大线度的尺寸。
若要写入的图像特征彼此非常接近，则这些特征会变宽或彼此合并，这种现象称为接近效应。所述方法的一个防止出现接近效应的实施例，其特征在于，图像特征边界处的光点强度适应所述特征边界和相邻特征之间的距离。
本方法最好具有以下特征：所述照射步骤包括用单色辐射照射所述阵列。
单色辐射只有一个波长并且非常适用于衍射单元，所述衍射单元的衍射特性与波长有关。激光器可以用来产生单色辐射。
本方法的特征还在于，光阀阵列设置成直接面向衍射单元阵列。
所述两个阵列设置成彼此靠近，它们之间不设置成像装置，所以所述方法可以用紧凑的装置来执行。若光阀阵列是调制入射辐射偏振的LCD单元阵列，则在所述LCD和衍射单元阵列之间设置偏振分析器。
另一方面，本方法的特征在于，光阀阵列成像在衍射单元阵列上。
通过投影透镜把一个阵列成像在另一个阵列上，会在稳定性、热效应和串扰方面提供优点。
本发明还涉及供上述方法使用并包括衍射单元阵列的衍射部件。所述衍射部件的特征在于，衍射单元具有至少两个振幅电平和至少三个相位等级。
所述衍射部件的比较简单的实施例的特征在于，每个衍射单元具有一系列上升相位阶梯和一系列下降相位阶梯。
所述实施例的特征还在于，衍射单元具有彼此相差90°的4个相位阶梯。
用这样的衍射部件可以获得满意的结果。
采用以下衍射部件的实施例可以获得甚至更好的结果，所述衍射部件的特征在于，每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构包括若干个从基准级上升到顶级然后从顶级下降到基准级的相位阶梯。
衍射部件的一个替代的实施例的特征在于，每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从顶级到基准级的突然下降。
所述实施例与前一个相比不那么容易制造，但提供较好的结果。
所述衍射部件的特征还可以在于，它包括衍射单元的若干个集合，这些集合彼此的差异在于，每个集合的衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
若要在抗蚀剂层上形成的光点不是非常小，则可以使用所述衍射部件，所述衍射部件允许同时在抗蚀剂层的不同高度上同时将图案特征成像，从而可以节省时间。
本发明还涉及执行上述方法的设备。所述设备包括：
-辐射源；
-基片支架，用以夹紧设置有抗蚀剂层的基片；
-设置在光源和基片支架之间的可逐一控制的光阀的二维阵列；和
-衍射部件，它包括设置在光阀阵列和基片支架之间的衍射透镜的二维阵列，使得每个衍射单元对应于一个不同的光阀，而且其特征在于，衍射透镜是具有至少两个振幅电平和至少三个相位等级的衍射单元。
采用所述设备可以通过同时用若干个清晰的光点扫描抗蚀剂层来写入任意图案，其中可用辐射得到了高效率的利用。
所述设备第一实施例的特征在于，每个衍射单元具有一系列的上升相位阶梯和一系列下降相位阶梯。
所述实施例的特征还在于，衍射单元具有四个彼此相差90°的相位等级。
用这样的衍射部件可以获得满意的结果。
所述设备的第二实施例的特征在于，每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构包括若干个从基准级上升到顶级然后从顶级下降到基准级的相位阶梯。
每个单元中这样的相位分布允许在所需的级次中获得最大的衍射和最大的光点清晰度。
所述设备的第三个实施例的特征在于，每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从顶级到基准级的突然下降。
上述所有实施例的特征还在于，衍射部件包括衍射单元的若干个集合，每个集合彼此的差异在于，每个集合的衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
所述设备最好还具有以下特征：所述辐射源是一种单色辐射源。
在某些情况下，也可以采用诸如发射几个波长带的传统汞弧灯的其他光源。
所述设备的特征还在于，所述衍射部件设置在光阀阵列的后面，中间不插入成像装置。
例如气隙的间隙可以非常小，因此所述实施例具有分层结构形式。若光阀阵列是LCD，则在光阀阵列和衍射单元阵列之间设置偏振分析器。
所述设备的替代分层结构实施例的实施例，其特征在于，在光阀阵列和衍射单元之间设置投影透镜。
在衍射部件中，投影透镜把每一个光阀成像在其相应的衍射单元上，使串扰、光学像差和温度效应得以消除。此外，衍射部件的基片可以相对较厚，从而使所述设备比较稳定。
本发明还涉及在基片的至少一个工艺层上制造器件的方法，所述方法包括以下步骤：
-在设置于所述工艺层上的抗蚀剂层中形成包括与待配置在所述工艺层上的器件特征对应的特征的图像；
-从工艺层的各区域去除材料或加上材料，所述各区域是由抗蚀剂层内形成的图像来描绘轮廓的。所述方法的特征在于，借助于上述方法来形成所述图像。
可以用所述方法制造的器件是液晶显示器件、用户化特种IC、电子模块、印刷电路板等。这样的器件的实例是微型光电机械模块(MOEM)和集成光学远程通信器件，包括激光二极管和/或检测器、光波导，也可能是光波导和激光二极管或检测器之间的透镜。
通过非限制性实例，并参考下面将要描述的实施例，本发明的诸多方面将得到阐述，使其显而易见，附图中：
图1简要地表示传统的接近式曝光设备；
图2表示按照本发明的成像设备实施例；
图3a表示本发明的衍射部件的实施例的一部分的振幅结构；
图3b表示所述实施例的相位结构；
图3c表示借助于所述实施例形成的光点；
图4表示本发明的衍射部件的深度结构的第一实施例；
图5表示这样的深度结构的第二实施例；
图6a-6c以抗蚀剂层的剖面图表示曝光(printing)过程的不同时刻；
图7a-7c以抗蚀剂层的顶视图表示曝光(printing)过程的不同时刻；
图8a-8c表示以衍射部件和抗蚀剂层之间不同间隙宽度形成的光点阵列；
图9表示包括光阀阵列和衍射部件之间的透射透镜的成像设备的实施例。
图1非常简要地表示用于制造例如LCD装置的传统的接近式曝光设备。所述设备包括基片支架1，用以承载要在其上制造器件的基片3。基片上涂敷有对辐射敏感的涂层或抗蚀剂层5，其中的图像具有与要形成的器件特征对应的特征。图像信息被包含在设置在掩模支架7上的掩模8中。掩模包括透明的基片9，其下表面设置透明和不透明的带条和区域的代表图像信息的图案10。具有约100μm间隙宽度w的小气隙把图案10与抗蚀剂层5隔开。所述设备还包括辐射源12。所述辐射源包括例如汞弧灯的灯13和反射器15。所述反射器反射向后并侧向地朝向掩模发射的灯辐射。反射器可以是抛物面反射器，而灯可以设置在所述反射器的焦点上，使得从辐射源发出的辐射光束17基本上是准直光束。其他和附加的光学元件，像一个或多个透镜，可以设置在辐射源中，以便保证光束17基本上是准直的。所述光束相当宽，照射其尺寸从7.5×7.5cm2到40×40cm2的整个掩模图案10。照射步骤，例如，长约10秒。在抗蚀剂层上形成掩模图案的图像后，用众所周知的方法处理，亦即对所述层显影和蚀刻，使光学图像转移到要处理的基片层的表面结构上。
图1的设备具有相对简单的结构，而且非常适合于在抗蚀剂层上一步形成大面积的掩模图案的图像。但是，光掩模是昂贵的组件，只有制造大量同一器件时，用这样的掩模制造的器件价格才能保持合理的低价。掩模制造是一种专门技术，掌握在相对少数的掩模制造公司手中。器件制造商制造一种新器件或修改现有器件所需的时间严重依赖于掩模制造商的供货时间。尤其是在一种器件的研制阶段上，往往需要经常重新设计掩模，掩模便成了限制能力的要素。对于小批量客户专用器件，情况也是如此。
直接把图案写在抗蚀剂层中，例如，通过电子束写入器或激光写入器，本来可以提供所需的灵活性，但是由于这个过程太花时间，故并非现实的替代方案。
图2表示无掩模方法的原理和设备，借助于该无掩模方法可以在抗蚀剂层上在合理的时间内形成任意的可轻易改变的图像图案。图2非常简要地用垂直剖面图表示用来完成所述方法并构成所述设备一部分的装置的一小部分。所述设备包括基片支架1，用以承载涂敷有抗蚀剂层5的基片。标号20表示光阀器件，例如，液晶显示器(LCD)，所述液晶显示器目前用以显示或者直接观看或者投影的信息。器件20包括大量光阀，亦称像素(图像元素)，图2中只显示其中一小部分，21-26。光阀器件由计算机配置30控制，其中要在基片层上配置的图案用软件引入。于是，计算机在写入过程的任何时刻针对每个光阀决定该光阀是断开(亦即阻断照射光束17的一部分)，还是让这部分光束透射到抗蚀剂层。衍射部件40设置在光阀阵列20和抗蚀剂层5之间，该衍射部件包括透明基片41和衍射结构42。所述衍射结构包括与光阀的数目相对应的大量的衍射单。衍射单元阵列与光阀阵列对齐，使得每一个衍射单元属于一个不同的光阀。
因为辐射源、基片支架和掩模支架对理解这个新的方法关系不大，图2中没有示出这些元件。
按照本发明，衍射单元具有两个振幅电平和4个相位等级。图3a表示16个单元的振幅结构50，而图3b表示它们的相位结构55。振幅结构是黑和白的结构；每个衍射单元的中心主要部分52都是白色的或透明的并让入射辐射透过，而所述单元的边缘部分54是黑色的或辐射被阻断。如图3a所示，单元的边缘部分与相邻单元的边缘部分溶合。所有单元的边缘部分可以由辐射吸收或反射层构成，所述辐射吸收或反射层配备有相对较大的开孔，所述开孔中容纳图3b所示的相位结构。所述单元的相位结构57应该在通过所述单元的光束部分的子部分之间引入相位差，使得在通过所述单元的光束部分出现相长和相消干涉，结果在抗蚀剂层上形成小光点。衍射单元的利用使光点的形状能够适应所需的用途。通过修改所述单元中相位结构的轮廓线，例如，可以产生圆形、矩形、正方形或菱形形状的光点。抗蚀剂层中光点的尺寸是由所述单元的相位结构决定的。衍射单元的振幅结构适合于光阀阵列的几何结构，而衍射部件设置在离所述阵列一段距离的地方，使得来自光阀的辐射尽可能多地通过相关衍射单元的透明部分52。以这样的方式设置衍射单元的相位结构57，即，使入射在一个单元上的辐射最大量地集中在由所述单元产生的光点上，而且出现最小数量的背景辐射。
若光阀阵列的相应部分用波长为365nm的辐射照射、衍射结构42和抗蚀剂层5之间是距离44为50μm而且全部光阀断开，则图3c表示由一个具有4个相位等级的图3a，3b的衍射结构的实施例获得的光点62的阵列60。光点尺寸约为1μm2。
衍射单元的相位结构可以是任何一种在相关光束部分引入所需的相位差的相位结构。从制造的观点看，相位结构最好是深度或水平结构。
图4用垂直剖面图表示四相位等级结构的这种深度结构。图4表示衍射单元之一和它相邻的两个单元的一部分。水平轴代表衍射部件的长度或宽度方向，而沿着垂直轴画出给定位置上相对于所述单元的表面的所述各相位等级的深度或高度。每个单元有四个不同的几何层次70-73，它们分别引入0°、90°、180°和270°4个不同的相移φ。360°相移的作用与0°的相移相同。用具有这样的相位结构的单元的衍射部件获得图3a所示的质量良好的光点。
图5a也以垂直剖面图表示具有4个相位等级的衍射单元的另一个推荐的实施例。所述单元具有相对较宽的中心部分80和中心部分左侧的两个侧部81、82和中心部分右侧的两个侧部83，84。所有部分80-84都具有不同的几何层次85-88。若衍射单元须要产生圆形光点，则中心部分80的层次88的区域是圆的，而该中心部分的层次85-87和侧部分81-84的层次85-87的区域是环形的。单元的厚度d1可以约为0.5μm。实际上，图5a所示类型的单元可以具有若干部分，所述部分的数目可以大于图中所示的5部分(80-84)。这将提高由所述单元产生的光点的质量。
衍射单元的相位阶梯数越多，所述单元产生的光点就越细越亮。对阶梯数的限制可能是由具有这样的单元的衍射部件的可制造性产生的。图5的衍射单元的相位结构已经接近图5a所示的Fresnel透镜的相位结构。与Fresnel透镜的相似性随着单元中相位等级的数目增加而增加。若所述单元具有无限多个相位阶梯，亦即单元的侧翼部分从0°到360°连续增大，则可以获得理想的光点。鉴于相对于成像辐射的波长，其小到约为1μm的外尺寸和甚至更小的部分区域尺寸，这样的单元仍旧是衍射单元。
在某些情况下，衍射单元中的相位阶梯数可以小于4，例如，3。在大多数情况下，一个衍射单元有两个振幅电平便足够，但在某些特殊情况下，衍射单元可以配备有3个或更多的振幅电平。
借助于已知的光刻技术可以制造具有多等级相位结构的衍射部件。例如，借助于电子束图案发生器，可以把单元的图案写入对电子敏感的抗蚀剂中，而借助于选择性离子蚀刻技术，可以实现不同的高度。也可以采用所谓Canyon技术。按照这种技术，采用对电子束敏感的玻璃，该玻璃随电子束强度而定地改变其透射率。单元图案作为灰度图案，亦即振幅图案写入这种玻璃。然后，利用所述灰度图案作为掩模，在覆盖于石英基片上的抗蚀剂层中形成三维单元图案。利用反应性离子蚀刻技术，把抗蚀剂图案转移到石英基片上。掩模基片表面70已经设有多级相位结构之后，选择性地用铬覆盖所述表面，使所述掩模具有所需的振幅结构。
可以采用其他非透明材料代替铬，用作掩模的选择性涂层。掩模可以采用不同的振幅电平，而不是100％透射率和0％透射率。
正如上面举例说明的，用具有两个振幅电平和4个相位等级的衍射掩模结构和尺寸为1×1μm2的衍射单元，获得了良好的结果。但是，上述掩模结构和其他应用，可以具有三个或4个以上相位等级和/或两个以上的振幅电平和/或不同尺寸的衍射单元区域。一般说来，随着单元区域尺寸的缩小和振幅和相位阶梯数的增大，印制的图像质量提高。
如图3c所示，每个光点62只占据属于决定所述光点存在与否的光阀的抗蚀剂层区域的针尖般的小部分。在下文中，针尖般的抗蚀剂区域被称为光点区域，而属于光阀的抗蚀剂区域被称作光阀区域。为了获得与要产生的器件特征对应的图像图案的全部特征，亦即线和区域，带有抗蚀剂层的基片和所述两阵列应该彼此相对位移。换句话说，每个光点应该在其相应的光阀区域内移动，以便完全地扫描所述区域并在规定的，亦即特征所决定的位置上照射。最实际的是，这可以通过按网格似的图案逐步移动基片来实现。位移步距约为光点的尺寸，例如，约为1μm或更小。以闪光的方式照射属于给定光点的被指定给图像特征或其一部分的光阀区域部分。为了以1μm或更小的步距，以所需的精度移动基片支架，可以使用光刻投影设备用的伺服控制基片平台，它以远低于1μm，例如，100nm的精度工作。
图6a-6c中举例说明闪光和分级的照射过程，所述图示出光阀阵列的一小部分、衍射单元和抗蚀剂层。在这些附图中，标号17表示入射到光阀21-25的照射光束。标号101-105表示通过打开的光阀的并被相应的衍射单元91-95会聚的子光束。图6a表示在全部光阀打开的情况下进行了第一次子光束照射之后的状态。已经照射了第一组光点区域111-115(每个光阀区域一个光点区域)。图6b表示基片向右移动一步并在全部光阀打开的情况下进行了第二次子光束照射之后的状态。已经照射了第二组光点区域121-125。图3c表示基片移动5步并进行了6次子光束照射之后的状态。在第四次子照射过程中，光阀23和25关闭，使得光点区域133和135不被照射。在第五次子照射过程中，光阀24和25关闭，使得光点区域144和145不被照射。其他所有的区域均被照射。
图7a-7c表示在后续的各子照射步骤过程中抗蚀剂层的顶视图。在这些附图中，暗的光点区域已经在以前的照射步骤中照射了，而亮的光点区域要在本次照射步骤中照射。正在照射的抗蚀剂层部分包括5个光阀区域的两行。在图7a所描述的状态下，上行的较多的光点区域数和下行较少的光点区域数已经照射。在第一子照射过程中，属于上行的光阀区域的5个光阀中的4个打开，而第五个，最右的一个关闭，使得光点区域151-154被瞬间照射，而光点区域155不被照射。属于下行光阀区域的所有5个光阀都打开，使得光点区域156-160被瞬间照射。图7b表示基片移动一步并正在进行第二次子照射之后的状态，再次属于上行的5个光阀中的4个打开，而所述行的第五个光阀关闭，使得光点区域161-164被瞬间照射，而光点165不被照射。下行所有5个光阀都打开，使得光点区域166-170被瞬间照射。图7c表示在第六子照射过程中(故在基片移动了5步之后)的状态。在6次子照射过程中，上行的第五个光阀关闭。在第四子照射过程中，上行的第三个光阀和下行的第三和第四光阀关闭，使得光点区域181、182和183都没有照射。在第五子照射过程中，下行的第五和第六光阀关闭，使得光点区域184和185没有被照射。在第六子照射过程中，除上行的第六个光阀关闭外，所有光阀都打开，使得除光点区域195外，所有光点区域191-200都被瞬间照射。
图6a-6c和7a-7c表示抗蚀剂层上的10个光阀区域如何在顺序的移动抗蚀剂层的步骤中同时被照射，并打开和关闭10个对应的光阀。所述阵列的全部光阀的光阀区域用同一方法同时被照射。如图7a的右上部所示，可以以螺旋线方式利用光点62进行对光阀区域150的扫描。所述区域的第一条线从右向左扫描，第二条线从左向右扫描，第三条线再次从右向左扫描等等。
图6a-6c和7a-7c举例说明可以不用分步方式，而采用扫描方式来产生所需的图像图案。在扫描方式下，抗蚀剂层和光阀及衍射单元的阵列彼此相对地连续移动，当光阀面对抗蚀剂层上的预定位置时闪光。闪光时间，亦即光阀的打开时间，应该小于相关光阀面对所述位置的时间。结果，照射光束的强度和扫描方式下光阀阵列的切换频率应该大于分步方式。
在图2所示的接近式曝光设备的实际实施例中，几个参数具有以下数值：
照射场                    10×10mm2；
辐射源：                  汞弧灯；
照射光束强度              20mW/cm2；
光束准直角                0.5度
光阀透射率                50％；
光阀的快门速度            1ms；
抗蚀剂层中光点的尺寸      1×1μm2；
光点到光点的距离          100μm；
光阀数                    1,000,000；
光点强度                  100W/cm2；
曝光剂量                  100mJ/cm2；
总曝光时间                10sec；
间隙宽度                  100μm；
扫描速度                  1mm/sec；
曝光剂量是抗蚀剂光点区域中照射辐射能量的数量。照射光束的强度和光阀的打开时间决定所述剂量。
汞弧放电灯发出的辐射，40％具有365nm的波长，20％具有405nm的波长，而40％具有436nm的波长。由于抗蚀剂层的吸收，所述灯辐射对图像形成的贡献，60％由365nm分量形成，15％由405nm分量形成，而25％由436nm分量形成。衍射部件的一般问题是性能与波长有关。对于本方法和设备，这意味着，具有不同波长的汞弧灯的光束分量会聚焦在不同的平面上。但是，在某些允许采用较宽的光点的情况下，仍旧保留衍射单元的某些设计自由度。这个自由度可以用来校正对波长的依赖关系，并以这样的方式设计衍射单元，使得具有不同波长的光束分量将会聚焦在同一平面上。这允许采用汞弧灯，它被证明对传统的接近式曝光，也对新的方法和设备是有利的。
尽管如此，最好采用单色光源，例如，钇铝石榴石(YAG)激光器发出的波长为350nm的辐射，因为不必校正波长。
本发明还可以用其他辐射源实现，最好是激光器，特别是在圆片分档器和圆片逐级扫描器上目前使用的激光器，或不久将来要使用的激光器，分别在248、193和157nm波长下发出辐射。激光器提供的好处是：它们发出被准直到所需角度的光束。对于本成像方法重要的是，照射光束是一个基本上准直的光束。用完全准直的光束，亦即孔径角度为0°的光束得到了最好的结果。但是，用孔径角度小于1°的光束也可以获得令人满意的结果。
一方面是抗蚀剂层，另一方面是光阀和衍射部件的阵列，所需的彼此相对移动最实际是用基片平台移动完成。在圆片分档器上目前采用的基片平台非常适用于这个目的，因为它们的精度绰绰有余。很清楚，不论对于分步方式，还是对于扫描方式，基片平台的移动都应该与光阀的开关同步。为此，平台的移动可以受图2的计算机30(控制光阀阵列的计算机)的控制。
可以通过用软件把图案分割为子图案并依次把子图案转移到相邻的具有图像场尺寸的抗蚀剂区域来产生大于一个光阀阵列和一个衍射单元阵列的照射场的图像图案。利用精确的基片平台，可以把子图像图案准确地放在一起，以便获得一个无中断的大图像。
大图像图案还可以利用复合光阀阵列和复合衍射单元阵列产生。复合光阀阵列包括，例如，5个LCD，每个具有1000×1000个光阀。LCD排列成一列，覆盖例如要产生的图像图案的宽度。复合衍射部件以相应的方式构造，以便适合于复合光阀阵列。图像图案由第一次扫描并照射具有由单个光阀阵列覆盖的长度和由一系列光阀阵列覆盖的宽度。随后，使带有抗蚀剂层的基片和所述系列的阵列纵向彼此相对移动一个由单个阵列覆盖的距离。对现在面对复合阵列的第二抗蚀剂区域进行扫描和照射等，直至产生整个图像图案为止。
成像过程的一个重要参数是间隙宽度44(图2)。间隙宽度对计算衍射部件结构而言是一个输入参数，并由所需的图像分辨率决定。若衍射部件结构是针对一个给定的间隙宽度和分辨率计算和制造的，则所述分辨率只能在所述给定的间隙宽度下获得。在实际情况下，若间隙宽度偏离所述给定的间隙宽度，则无法达到所需的分辨率。这举例示于图8a，8b和8c。这些附图表示用针对50μm间隙宽度设计的相同的衍射部件在相同的照射条件下，但以不同的间隙宽度在抗蚀剂层中形成的。图8a表示以40μm间隙宽度获得的光点62’的图案210，图8b表示以50μm间隙宽度获得的光点62的图案220，图8c表示以60μm间隙宽度获得的光点62”的图案230。从这些附图可以清楚看出，只有以等于设计间隙宽度的间隙宽度获得的光点才具有所需的清晰度和强度。
对于具有较大设计间隙宽度，例如，250μm的设备，对实际间隙宽度的要求可以放宽。采用增大的间隙宽度，从衍射单元发出的子光束的数值孔径(NA)(图6a的101-105)减小。由于焦深与正方形NA成反比，所以焦深随着设计间隙宽度增大而增大。这意味着，对于较大的设计间隙宽度，与比较小的设计间隙宽度相比，允许较大的间隙宽度偏差。从允许误差的观点看，与较小的间隙宽度，例如，50μm相比，宁可采用较大的间隙宽度，例如，250μm。
光点的最小尺寸也与间隙宽度相关。若间隙宽度缩小，则所述尺寸可以缩小，例如，小于1μm。较小的间隙宽度要求较好的间隙宽度控制。
本衍射部件的特征在于，它允许在单一图像场中建立多个焦平面。所述衍射部件的轮廓允许它在逐单元进行设计或计算，其中衍射部件和抗蚀剂层之间的距离或焦距可以作为输入参数读入。这允许其中一个或多个区域包括若干衍射单元的衍射部件的设计，准备针对不同于衍射部件其余部分的不同焦距。这种多重焦点衍射部件可以用于包括定位于不同层次上的子器件的器件的制造。这样的器件可以是纯电子器件或包含来自若干种电气、机械或光学系统的两个或多个不同类型的特征。这样的系统的一个实例是微型光学-电气-机械(MOEM)组件或包含二极管激光器和光波导的器件，可能还有透镜装置把来自激光器或光波导的光耦合到检测器。透镜装置可以是平面衍射装置。为了制造多层器件，使用带有淀积在不同层次上的抗蚀剂层的基片。利用多焦点衍射部件，所有子图像都可以同时印制在相关的层次上，从而得以节省许多时间。
多重衍射部件只可以用于呈现与衍射部件的多焦点结构对应的多层结构的器件的生产。但是，成像装置可以设计成使衍射部件可以轻易地放入或从所述设备移走。这允许用不同的适当的多焦点衍射部件生产不同的多层器件。
多层器件也可以用一般的单焦点衍射部件生产。用软件把总的图像图案分成若干个子图像，每一个都属于要生产的器件的不同层次。在第一子成像过程中，用在第一层次上的抗蚀剂层生产第一子图像。第一子成像过程按照扫描或分步方法并用上述装置完成。然后，把抗蚀剂层定位在第二层次，在第二子成像过程中生产属于第二层次的子图像。在Z方向上移动抗蚀剂层，并重复所述子成像过程，直至多层器件的所有子图像都转移到抗蚀剂层为止。
本发明的方法可以用健壮的设备进行，此外，与分档器或分步扫描光刻投影设备相比，所述设备还相当简单。
在所述设备中，图2简要地示出光快门21-25阵列，亦即LCD，设置在尽可能靠近包括衍射单元阵列91-95的衍射部件的位置上。所述LCD的光阀或像素的尺寸可以相对较大，例如，100×100μm2。在LCD器件中，需要用偏振分析器，亦称分析器把由光阀引入的偏振状态转换成强度。若采用商售的目前以可见光工作于视频投影器的LCD面板，则应从所述面板摘除所述可见光分析器，并在光阀和衍射部件之间设置单独的紫外线(UV)或远紫外线(DUV)分析器。此外，衍射部件40的基片41有一定的厚度。结果，在光阀和衍射部件的衍射单元之间有一定的距离。当设计所述设备以便防止在衍射单元上形成光阀的不清晰的图像和在光阀之间由于所述距离和衍射效应而出现串扰时，对这个距离应该加以考虑。
为了缩小光阀和衍射单元之间的距离并防止烦人的串扰，衍射部件可以设置在偏振器下表面上和/或所述偏振器可以设置在光阀结构上。
图9表示所述设备的一个替代方案，鉴于上述问题这是有吸引力的。所述设备包括把光阀成像在衍射部件阵列上的投影透镜，其中每个光阀与相应的衍射单元配对。使用投影透镜可以使设计具有比图2设备的多层结构设计有更多的自由。
图9的左侧表示也可以用在图2设备上的照射系统。所述照射系统包括辐射源，例如，汞灯13和可以具有半球形的反射器15。可以相对于灯这样设置所述反射器，使得照射光束不出现中心遮断。灯13和反射器15可以用激光器代替。来自辐射源13、15的光束入射到对波长敏感的反射器或衍射镜246，后者只反射所需的波长，例如UV或DUV辐射的光束分量，去除其他波长，例如，IR(红外线)或可见辐射。若辐射源是激光器，则不必用选择性反射器，任何中性反射器都可以设置在反射器246的位置上，或可以把激光器与光路的其他部分设置在一条直线上。第一聚光透镜系统，例如包括分别设置在反射器246前面的第一聚光透镜247和第二聚光透镜248，把照射光束17会聚在辐射快门252上。所述快门设置了光阑253，其形状决定了在抗蚀剂层5上形成的光点的形状。第二聚光透镜系统254、255把通过光瞳261中的光阑253或投影透镜260的光阑的辐射集中，亦即它把光阑253成像在投影透镜260的光瞳平面上。通过聚光透镜255的光束照射LCD 20，后者设置在聚光透镜255和投影透镜260之间。所述透镜把LCD成像在上述衍射部件40上，使得LCD的每个光阀(像素)与衍射部件对应的衍射单元配对。若光阀打开，则来自所述光阀的辐射只入射到配对的衍射单元。衍射部件可以设置在离LCD 600nm的距离上。衍射部件和抗蚀剂层1之间的距离可以约为100-300μm。
LCD 20可以具有20μm的像素尺寸，而投影透镜可以把LCD的像素结构以5倍的放大倍数成像在衍射部件上。为了进行这样的成像，投影透镜不必使用大的数字孔径(NA)。为了做到使入射衍射部件的照射光束是平行光束，在所述衍射部件前面设置准直透镜262。例如，1mm的光阑开孔将由投影透镜和衍射单元成像为尺寸1μm的光点。由于LCD的操作是基于入射辐射偏振状态的改变，所以需要给予所述辐射要求初始偏振状态的偏振器和把偏振状态转换为强度的偏振分析器。所述偏振器和偏振分析器分别用标号250和258表示。所述偏振器和偏振分析器适合于照射光束的波长。它们在图2中没有示出，但是所述偏振器和偏振分析器也存在于按照所述图的设备中出现。
因为LCD像素结构聚焦在衍射部件上，实际上在带有投影j透镜的设备上不出现串扰。此外，衍射部件可以包括厚基片，使其更稳定。使用时，LCD快门吸收辐射并产生热，这会在所述设备内引起热效应。用投影透镜在所述设备内显著减小这样的效应，因为LCD设置在离开衍射部件相对较大的距离上。此外，所述设计允许单独冷却LCD。LCD光阀阵列可以包括采取小的，例如，4μm聚合材料球形式的填隙器。这种球可能产生光扰动。在具有投影透镜的设备中，由于NA相对较小的投影透镜对高频干扰起空间滤波器的作用，这种球的影响会减小。
当使用投影透镜时，很容易用诸如反射式LCD或数字反射镜器件的反射阵列代替透射光阀阵列。
图9的装置只是带有投影透镜的设备的一个示例而已。图9设备可以有许多变形。
实际上，本方法和设备可以作为制造在基片至少一个工艺层中具有器件特征的器件的过程的一个步骤。把图像印制在所述工艺层顶部的抗蚀剂层之后，从工艺层的区域去除材料，或添加材料，所述区域的轮廓由印制的图像勾画出来。对所有的工艺层重复成像的这些工艺层和材料去除或添加，直至整个器件完成为止。在子器件要在不同的层次上形成并利用多层基片的这些情况下，多焦点衍射部件可以用于图像印制。
本发明可以用于印制象LCD、等离子显示面板和PolyLed显示器的显示器件、印刷电路板(PCB)和微型多功能系统(MOEM)的图案，因而可以用于象LCD、等离子显示面板和PolyLed显示器的显示器件、印刷电路板(PCB)和微型多功能系统(MOEM)的制造。

Claims (27)

1.一种在抗蚀剂层内形成光学图像的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供辐射源；
-形成抗蚀剂层；
-在所述辐射源和所述抗蚀剂层之间设置可逐一控制的光阀的一个二维阵列；
-在所述光阀阵列和所述抗蚀剂层之间设置衍射透镜的一个二维阵列，使得每个衍射透镜对应于一个不同的光阀；
-通过顺序的子照射，依次照射所述抗蚀剂层的不同部分，每个子照射包括以下步骤：接通光阀选择；接通所述辐射源；断开所述光阀和所述辐射源；以及使所述抗蚀剂层和上述两个阵列彼此相对移动，使得要照射的下一个抗蚀剂层部分与上述两个阵列对齐；
其特征在于：使用具有至少两个振幅电平和至少三个相位等级的相同的衍射单元形式的衍射透镜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元呈现一系列上升的相位阶梯和一系列下降的相位阶梯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个所述相位结构包括从基准级上升到顶级然后从顶级下降到基准级的若干个相位阶梯，。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用这样的衍射单元阵列，其中每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从顶级到基准级的突然下降。
5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：采用包括衍射单元的若干集合的一个阵列，所述集合的彼此差异在于：每个集合衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在顺序的子照射之间，所述抗蚀剂层和上述两个阵列彼此相对移动一段最多等于所述抗蚀剂层上形成的光点的大小的距离。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：图像特征边界处的光点强度适应所述特征边界处和相邻特征之间的距离。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述照射步骤包括用单色辐射照射所述阵列。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光阀阵列设置成直接面向所述衍射单元阵列。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述光阀阵列成像在所述衍射单元阵列上。
11.一种供权利要求1中所述的方法使用并包括衍射单元阵列的衍射部件，其特征在于：所述衍射单元具有至少两个振幅电平和三个相位等级。
12.如权利要求11所述的衍射部件，其特征在于：每个衍射单元具有一系列上升的相位阶梯和一系列下降的相位阶梯。
13.如权利要求12所述的衍射部件，其特征在于：所述衍射单元具有彼此相差90°的4个相位等级。
14.如权利要求12所述的衍射部件，其特征在于：每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构包括从基准级上升到顶级然后从顶级下降到基准级的若干个相位阶梯。
15.如权利要求11所述的衍射部件，其特征在于：每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从所述顶级到所述基准级的突然下降。
16.如权利要求11至15中任何一个所述的衍射部件，其特征在于：所述衍射部件包括衍射单元的若干集合，所述集合的彼此差异在于：每个集合的衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
17.一种执行权利要求1中所述的方法的设备，所述设备包括：
-辐射源；
-基片支架，用以夹紧设置有抗蚀剂层的基片；
-设置在所述光源和所述基片支架之间的可逐一控制的光阀的二维阵列；和
-衍射部件，它包括设置在所述光阀阵列和所述基片支架之间的衍射透镜的二维阵列，使得每个衍射单元对应于一个不同的光阀，
其特征在于：所述衍射透镜是具有至少两个振幅电平和至少三个相位等级的衍射单元。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于：每个所述衍射单元具有一系列上升的相位阶梯和一系列下降的相位阶梯。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述衍射单元具有彼此相差90°的4个相位等级。
20.如权利要求17所述的设备，其特征在于：每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构包括从基准级上升到顶级然后从所述顶级下降到所述基准级的若干个相位阶梯。
21.如权利要求17所述的设备，其特征在于：每个衍射单元包括若干个顺序的相位结构，每个相位结构呈现从基准级到顶级的连续上升和从所述顶级到所述基准级的突然下降。
22.如权利要求17至21中任何一个所述的设备，其特征在于：所述衍射部件包括衍射单元的若干集合，所述集合的彼此差异在于：每个集合的衍射单元的焦平面不同于其他集合的焦平面。
23.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述辐射源是一种单色辐射源。
24.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述衍射部件设置在所述光阀阵列的后面，中间不插入成像部件。
25.如权利要求17所述的设备，其特征在于：在所述光阀阵列和所述衍射部件之间设置投影透镜。
26.如权利要求24所述的设备，其特征在于：带有衍射结构的衍射部件的表面和所述抗蚀剂层之间的距离为大约250μm。
27.一种在基片的至少一个工艺层上制造器件的方法，所述方法包括以下步骤：
-在设置于所述工艺层上的抗蚀剂层中形成包括与待配置在所述工艺层上的器件特征对应的特征的图像；和
-从所述工艺层的区域去除材料或加上材料，所述区域由所述抗蚀剂层内形成的所述图像描绘轮廓，
其特征在于：借助于权利要求1至10中任何一个所述的方法来形成所述图像。
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