CN1705915A - 二进制半色调光掩模和微型三维装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及改进的二进制半色调(“BHT”)光掩模，和由该种BHT光掩模制作的微型三维结构(如MEM、微光学、光子学、微结构、和其他三维微型装置)。更具体说，本发明提供一种方法，用于设计BHT光掩模布局、把该布局转印到BHT光掩模上、和用本发明方法设计的BHT光掩模制作三维微型结构。就此而言，设计BHT光掩模布局的方法，包括的步骤有：产生至少两个像素；把每一像素分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；和排列这些像素，使通过这些像素的透射光形成图形，以便形成连续色调的、空间的像。这些子像素的面积，应小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。通过使用本方法，能够设计有连续灰度级的BHT光掩模，使在各灰度级之间的光强的变化，既是限定的也是线性的。结果是，当用该种BHT光掩模来制造三维微型结构时，能够在被制作的物体上产生更平滑又更线性的轮廓。

Description

二进制半色调光掩模和 微型三维装置及其制作方法
技术领域
本发明一般涉及改进的二进制半色调(binary half tone，“BHT”)光掩模和三维微型结构(如微机电系统(“MEM”)、微光学、光子学、微结构、压印光刻应用、和其他装置)，及其设计与制作方法。
背景技术
近来的技术进展，已经可以在各个领域，包括光子学、通信、和集成电路中使用三维的MEM、微光学装置、和其他的微结构。过去，这些微小装置是用激光微加工设备制作的。但是，这种方法费时又昂贵，因此对制造商来说，该方法通常难以在性能价格比方面满足产品要求。就此而言，因为设计的每一像素必须用新的算法重写，所以这种技术不能在制造集成电路方面，与一般的应用技术很好结合，因为用新的算法重写是吃力和费时的任务，所以许多人都避免使用微加工设备。
有鉴于客观上需要使用小尺度的三维结构，已经发展其他的制作技术，试图避免与激光微加工设备有关的问题。特别是，用于制作集成电路的传统光刻技术，已经适合制作三维微结构。在传统的光刻技术中，把完全已分辨的图形蚀刻成二进制光掩模，并通过曝光设备(如分档器)使晶片曝光而转印到晶片上。更具体说，二进制光掩模一般包括基本透明的基片(如石英)和蚀刻要转印的图形的不透明层(如铬)。同样周知的是，在光掩模上也可以包括其他的层，例如包括增透层(如氧化铬)。然后，把处理的集成电路上基片中的光刻胶显影，或者除去已曝光部分，或者除去未曝光的部分。之后，在除去光刻胶的区域，蚀刻基片上的材料。有关制作传统二进制光掩模(如石英上敷铬)技术的例子，和它在制作集成电路中的使用，例如公开在美国专利号No.6,406,818中。
这些已知的制作二进制光掩模及半导体装置的处理过程，已经改进，用于制作三维微型装置。在这方面，已知在光掩模(如在玻璃上的铬)上使用连续色调图形代替二进制的、全分辨的掩模图形，在像的形成过程中，产生通过光掩模的连续色调的强度。一种连续色调的、可变的透射式光掩模，一般称为二进制半色调(“BHT”)光掩模。BHT光掩模使用两级的灰度色调(如0％透射和100％透射)。另一种连续色调的、可变的透射式光掩模，称为灰度色标光掩模，它使用通过光掩模透射光的变化的级(如0％、50％、100％等等)。借助使用这些可变透射的光掩模类型，通过连续色调图形的使用，能够在晶片上的光刻胶中形成三维结构。
BHT光掩模通常被设计成有亚分辨率特征，即基于宽度和间距中的特征调节，部分地透射曝光光源的光强。在这方面，本领域熟知，要设计用于微型表面的BHT光掩模布局，需把光掩模有图形的区域，分为像素和子像素(一般称为“子像素化(sub-pixelation)”)，这些像素和子像素定义掩模上光透射的面积，如图1和2所示。设计定义BHT光掩模图形的子像素，使之小于使用的曝光设备的分辨率，以便能够在最终得到的晶片上建立灰度色标像。子像素大小的边界，通常由如下的Rayleigh方程(1)定义：
(1)                 R＝kλ/NA
这里R是晶片最小可分辨半间距特征，λ是曝光设备波长，NA是被使用的曝光设备光学系统的数值孔径，和k(k因子)是无单位的常数，其值与处理过程的能力有关(例如，k因子越小，低反差的空间像看得越清楚)。一般说来，灰度色标设计要求的子像素，必须在成像系统中是不被分辨的，因此，k因子最好小于0.5。但是，实际上，k因子可以稍稍大于0.5，对某些曝光设备仍然不被总的处理过程分辨。光掩模设计者已经使用校准模拟工具，例如KLA-Tensor生产的Prolith/2，专门针对优化不可分辨特征的大小。遗憾的是，有许多其他工具不能满足方程(1)的要求，从而，光掩模的设计常常受设计者可用的设计工具能力的限制。此外，因为光掩模的设计，除三维装置外(例如光子学应用)，通常包括其他结构(例如，两维的二进制部件，诸如集成电路图形)，这个问题甚至比上述方程蕴涵的问题更复杂。在这种情况下，某些BHT基元的设计，可能涉及掩模上铬中孤立的空间，或叫铬岛，因而半间距概念是没有定义的。
正如本领域熟练人员所知，可容许的表面粗糙度，影响制作的装置中最小特征的大小。例如，方程(1)中k因子是0.7时(即最小特征大小可被光学系统分辨时)，试图构建有阶梯状斜坡布局的BHT光掩模，将在斜坡图形每一阶梯内产生子波纹，如图3所示。在装置说明书允许的某些应用中，波纹效应尽管不希望有，却可以接受。但是，在许多应用中，因为制作的装置的最佳性能，需要平滑的轮廓，所以子波纹效应是不可接受的。因为现有技术的BHT光掩模设计，要求使用小的k因子，以获得平滑的轮廓，所以掩模设计者被限制于能满足该要求的装备。
除了k因子外，BHT光掩模布局的设计，受使用的光刻装备的其他规格支配，其中例如包括装备的分辨率、放大率、波长、等等。在这方面，已知的灰度色标应用，例如微光学表面的产生，要求数据有比通常大多数掩模图形发生器更高的分辨率。结果是，掩模设计者被限制于某些写入设备，只有这些设备有能力使灰度级与这些设备的坐标网格设计匹配。例如，具有20nm写入坐标网格的MEBES 4500电子束写入设备，不能适当地重现子像素变化为10nm的BHT设计。相反，如ALTA 3500的激光束写入设备，有5nm的写入地址，则能够重现该设计。
此外，一种在掩模上要求定制材料的成像方案，由于通常与把新材料结合进光掩模有关的困难，往往在整个制造过程中增加成本和复杂性。例如，本领域周知，可以不用BHT光掩模而用可变衰减膜(“VAF”)来制作三维装置。但是，VAF通常是昂贵的，并生产出不太理想的结果。
一旦完成了掩模设计，那些用于处理常规二进制掩模相同的光刻方法，被用来把该设计转印到光掩模上，如图4所示。更具体说，有光刻胶51、铬53、和石英55各层的二进制光掩模，被放在光掩模图形发生器下面。光刻胶层51在光学的、激光的、电子束的、或其他写入设备下，按照定义该BHT光掩模的数据文件曝光。光刻胶层51的曝光部分被显影(即除去)，露出下面铬层53的铬部分。然后，露出的铬部分被蚀刻除去(例如通过干式等离子蚀刻或湿式蚀刻技术)。之后，除去剩余的光刻胶51，形成与BHT光掩模布局一致的已完成的BHT光掩模。
然后，把掩模定义的可变强度灰度色调图形，用晶片分档器或其他光光刻设备，转印到涂布光刻胶的晶片上。更具体说，按BHT光掩模中开孔定义的变化的光强，对晶片上光刻胶部分曝光。接着，光刻胶按光密度出现变化，并在其上建立灰度色标轮廓。但是应当指出，光刻胶的处理过程常常受使用的可变辐射剂量图形发生器的限制。然后，除去已曝光的光刻胶，而剩余的光刻胶形成与掩模设计对应的灰度色标图形。然后，把光刻胶和晶片蚀刻至预定的与灰度色标图形一致的深度。得到的是晶片上的三维微结构。
在已知的上述方法中，适合需要的应用(例如三维微结构)的最小特征大小，借助实验或其他方法，通过已知的模拟技术确定。一旦确定了最小特征大小，可以产生定义掩模尺寸的像素。已经应用各种方法来排列灰度色标设计(例如，正方形、用可变间距的像素或点、和可变子像素化方法)。但是，这些方法有它们的限制。就此而言，已经知道，接触孔和点的特征，比线和间隔特征更难控制。结果是，设计的拐弯处和直线度两者都要兼顾。同样，可变间距方法，因为要求对每一像素位置用不同的算法，以便细心定义BHT光掩模中正确的开孔，所以也有麻烦。当考虑到布局的动态范围时，因为接触面积的大小是变化的，导致正方形像素非线性地变化。这一点能够限制掩模设计者为校正过程的非线性而进行细致改变的能力。这些方法因为要求对整个设计进行大量调整，因此在掩模制备中加大成本和处理时间。
设计BHT光掩模已知方法的一个例子，在美国专利No.5,310,623(简称“′623专利”)中说明。′623专利教导一种用于制作微透镜的方法，该方法通过用单个曝光掩模，用精确定位及大小的透过开孔的光，能在光刻胶材料中产生像的重现，并最终转印到基片上。如在该专利中公开的，光掩模的设计，是用三维模型软件产生的，其中单个像素定义微透镜的形状。该单个像素被细分为“子像素”，子像素又细分为灰度色标分辨率单元。每一子像素和灰度色标分辨率单元，被设计成在每一侧“[按]大小相等”。(第6栏，第30行)。换句话说，每一子像素和灰度色标分辨率单元，是完全的正方形。
美国专利No.6,335,151公开一种制作微型的、三维物体的方法，该方法通过建立包括像素和定义物体表面轮廓线的“超像素”的掩模，把掩模的图形成像到光刻胶膜上，并把三维表面从光刻胶转印到基片。
虽然有用，但现有技术使用的常规正方形像素排列方法，有它们的缺点。在这方面，现有技术公开的使用大小小于光学系统最小可分辨的特征大小的正方形像素。然后把每一像素分为其相应面积沿x轴和y轴变化的子像素，如在′151和′623专利所公开的。结果是，每一子像素在面积中的变化，是振幅的平方，从而使每一灰度级之间的光强变化是非线性且常常是不定的。因此，光的透射受正方形子像素大小及掩模图形发生器允许的最小尺寸的限制。因此，现有技术方法制作的三维物体，趋于有锯齿状的表面，特别是当物体是斜坡形时。因为这些方法产生勉强合格的结果，所以许多人放弃使用BHT光掩模来制作三维微型装置。
因此，长久以来，感到需要新的设计规则和布局选择来制作BHT光掩模，克服这些与现有技术有关的缺点。
虽然现有技术是值得注意的，但现有技术的已知方法和设备给出若干限制，这些限制是本发明要克服的。
具体说，本发明的一个目的，是提供一种设计有平滑轮廓的BHT光掩模布局的方法。
本发明还有一个目的，是提供一种设计满足光学系统广泛规格的BHT光掩模布局的方法。
本发明的另一个目的，是设计一种BHT光掩模，其中每一灰度级之间的光强变化，既是线性的，也是限定的。
本发明的另一个目的，是解决现有技术的缺点。
其他的目的可从前面的说明看出。
发明内容
现在已经发现，本发明的上述和有关目的，是以BHT光掩模和微型三维结构的形式及其设计和制作方法获得的。设计BHT布局或灰度色标光掩模的方法，受特定设计规则支配，该设计规则是在电子数据库内计算的。
更准确地说，本发明针对二进制半色调光掩模，该二进制半色调光掩模包括基本透明的基片和有图形形成在其中的不透明层。该图形至少由一个像素定义，其中每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。在本发明的一个实施例中，该像素是正方形的，该子像素有高度和长度，其中每一子像素的高度，约为像素间距的一半，而每一子像素的长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。在另一个实施例中，该像素是圆形的，该子像素有半径和弧线长度，其中每一子像素的半径，约为像素间距的一半，而每一子像素的弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
本发明还针对一种设计二进制半色调光掩模图形布局的方法，该二进制半色调光掩模图形用于制作三维结构。本方法包括下述步骤：产生至少两个像素；把每一像素分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；和把像素排列成图形，使光通过像素透射，以便形成连续色调的、空间光的像。在一个优选实施例中，该子像素面积小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
另外，本发明针对一种制作二进制半色调光掩模的方法。本方法包括如下步骤：在光刻设备中提供包括光刻胶层、不透明层、和基本透明层的二进制光掩模。此外，把光刻胶层按照光掩模上的二进制半色调光掩模图形，在光刻设备中曝光，其中，该图形至少由一个像素定义。每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。其次，蚀刻光刻胶的不需要部分和在除去了光刻胶部分下面的不透明层部分。之后，除去光刻胶层的剩余部分。这里再次指出，每一子像素面积最好小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
本发明还针对按照上述说明的方法制作的微型三维结构。在这方面，该三维结构包括有连续色调的、基本直线并平滑的表面的晶片，其中，该晶片表面与二进制半色调光掩模产生的光空间像的形状对应。该二进制半色调光掩模包括在其中形成的至少由一个像素定义的图形，其中每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。这里再次指出，每一子像素面积最好小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
本发明还针对按照上述说明的方法制作微型三维结构的方法。就此而言，制作三维微型结构的方法，包括在曝光设备与涂布光刻胶层的晶片之间，提供二进制半色调光掩模的步骤。该二进制半色调光掩模包括基本透明的基片和有图形形成其中的不透明层。该图形至少由一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。各子像素面积最好小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。下一步，把晶片的光刻胶层按照二进制半色调光掩模上的图形，在光刻设备中曝光。之后，除去不需要的光刻胶，在没有被除去的光刻胶中形成三维轮廓。下一步，蚀刻晶片至预定的与形成在剩余光刻胶中三维轮廓对应的深度。之后，除去剩余的光刻胶。
在本发明的另一个实施例中，提供一种制作一步和闪印(step andflash)的模板的方法。本方法包括在光刻设备中提供有光刻胶层、不透明层、和基本透明层的二进制光掩模的步骤。光刻胶层在光刻设备中，按照至少由一个像素定义的二进制半色调光掩模图形曝光，其中每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。各子像素面积最好小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。下一步，从光掩模中除去不需要的光刻胶部分，并把除去光刻胶部分下面的铬层部分蚀刻掉。之后，除去光刻胶的剩余部分，并把二进制半色调光掩模中的图形转印到第二基片上，产生由光掩模上定义的连续色调图形。该第二基片最好由坚固的材料构成，其中包括，但不限于，熔融石英、玻璃、金属、结晶结构、塑料、或其他类似的材料。然后，把第二基片用作压印或模压板，用于制作压印的光刻应用。
本发明的另一个实施例，针对按照本文说明方法制作的灰度色标光掩模。该灰度色标光掩模包括基本透明层和有图形形成其中的不透明层。该图形至少由一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。各子像素面积最好小于计划与该二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
附图说明
本发明上述的及有关目的、特征、及优点，当结合附图参照下面对本发明优选的、然而属示例性的实施例的详细说明后，将会有更完整的了解，其中：
图1和2画出本领域熟知的BHT光掩模图形例子；
图3画出波纹效应，它是按照现有技术的子像素化方法，例如图1和2所示的那些方法设计的阶梯斜坡布局产生的；
图4画出用常规光刻技术制作BHT光掩模图形的处理过程；
图5a和5b表明按照本发明的方法，把正方形像素分为半间距子像素，子像素的面积只沿一个轴变化；
图6a和6b表明按照本发明的方法，把圆形像素分为半间距子像素，子像素的面积只沿一个轴变化；
图7表明三维装置的表面粗糙度，它与光刻胶厚度和装置的临界尺寸有关；
图8表明作为光刻胶反差函数的BHT灰度级像素大小的动态范围；
图9表明按照图5a和5b所示本发明的方法，制成的BHT光掩模的线性斜坡设计；
图10是晶片上印制的BHT设计的SEM截面；
图11表明图9和10所示斜坡设计的光刻胶斜率的AFM轮廓；
图12表明根据图9和13的设计模拟的光刻胶轮廓；
图13表明按照图6a和6b所示本发明的方法，制成的BHT光掩模的圆形斜坡设计；
图14表明图13所示斜坡设计印制的透镜阵列的AFM像；
图15表明图14所示圆锥截面之一的侧视图；和
图16画出有多个子像素排列其中的像素。
具体实施方式
本发明一般涉及改进的BHT光掩模和由该种光掩模制作的微型三维结构。本发明还针对设计及制作BHT光掩模的方法，用于建立这种微型三维结构(如MEM、微光学、光子学、微结构、和其他三维的微型装置)。更准确地说，本发明提供一种方法，该方法用于设计BHT光掩模布局、把该布局转印到BHT光掩模上、和用本发明方法设计的BHT光掩模，制作三维微型结构。从下面的说明可见，本发明的方法，能让光掩模的设计者设计有连续灰度级的光掩模，使该光掩模在每一灰度级之间的光强变化，既是限定的，也是线性的。结果是，当用该BHT光掩模制作三维微型结构时，能够在制作的物体上产生更平滑和更线性的轮廓。同样，已经发现，按照本发明方法设计的BHT光掩模，能满足虽然不是全部，但也是大多数光学设备的亚分辨率要求。现在说明本发明的每一方面。
本发明的第一方面，是提供一种产生BHT光掩模设计的方法。更准确地说，本发明的方法实施专门的设计规则，该设计规则是在电子数据库内计算的，用于产生光掩模图形，当光通过光掩模透射时，该光掩模图形能在可变光强中获得基本线性的变化。
更准确地说，本发明的BHT光掩模设计方法，使用一系列像素，最好是正方形或圆形，像素面积是按一定方式变化的，以避免受使用的掩模图形发生器的分辨率限制。(虽然推荐正方形或圆形像素，但本发明不受此限制，并可用于其他形状的像素，例如椭圆形、矩形、等等)。在一个优选实施例中，像素19是按它的面积大于使用的掩模图形发生器的最小分辨率产生的。之后，每一像素19被分为两个半个像素，如子像素21a和21b，如图5a-b和6a-b所示。每一子像素21a和21b有高度h(在正方形像素的情形，见图5a-b)或半径r(在圆形像素的情形，见图6a-b)，其中，每一子像素21a和21b的高度h或半径r是固定长度的。在一个实施例中，每一子像素21a和21b的高度h或半径r，视情况而定，约等于像素19间距p的一半。但是应当指出，每一子像素21a和21b的高度h或半径r(视情况而定)，能够分为其他固定的长度，其中包括，但不限于，下面的安排：子像素21a的高度h是像素19间距的三分之一，而子像素21b的高度h是像素19间距的三分之二，或反过来；子像素21a的高度h是像素19间距的四分之一，而子像素21b的高度h是像素19间距的四分之三，或反过来；等等。就此而言，每一子像素21a和21b的高度h或半径r，可以按如下方式分割，即把它们的总间距加在一起，等于它们分为子像素前的像素19的间距。其次，与产生的特定图形设计有关，每一子像素的长度l(正方形像素的情形)或弧度θ(圆形像素的情形)，交错地排列，以使整个像素总面积增加或缩减的方式，仅沿一个轴以相对方向变化，分别如图5a-b和6a-b所示。就这一点来说，每一子像素21a和21b的面积线性地变化，达到等于或小于被使用的曝光设备光学系统最小可分辨间距的量值。此外，在只排列少数子像素以形成BHT光掩模设计的情形，最好使像素19的大小符合使用的曝光系统的最小分辨率，确保子像素21a和21b在像写入过程中不被分辨，从而避免现有技术出现的子波纹效应。每一已修改的像素19，本文此后称为半间距伸延基元(Half-Pitch Expansion Cell，“HPEC”)。重复这一过程，使一系列HPEC按表现要制作的三维装置设计的方式排列。借助这种方式排列HPEC，建立连续的灰度级，使每一灰度级(即振幅)之间光强的变化，既是线性的，也是限定的。在这方面，因为形成图形的阵列中，可能的灰度级数由于此方法而增加，BHT掩模设计从最大开孔到最小开孔，获得基本连续的、可变的像素大小，产生100％到0％通过掩模的透射率。结果，在用该BHT光掩模形成的三维物体上，建立更平滑的表面。
排列的设计是作为写入计算机辅助设计(“CAD”)系统中的分层的、两维的像而建立的。任何有全角度多面体能力的CAD工具，都可以为本发明写入像素19。一个适合写入像素的掩模发生器例子，是Tanner EA的L-Edit CAD工具。
用本发明的方法建立的分层的设计，把每一灰度级与一层结合，并使每一HPEC能相对于其他灰度级被唯一地排列。使用这种分层的设计来编译掩模图形发生器的文件，用于把BHT图形以该文件中维持的分层写入光掩模。通过使用本方法，掩模图形发生器文件大小，比已经平坦化的文件小得多，该种平坦化文件把所有灰度级写入单一层内，现有技术使用的方法就是这种情形。因此，能够得到更快速的写入时间，从而降低制作光掩模的成本。还有，已经发现，本发明方法设计的BHT布局，更容易以重复的对称性排列，该对称性十分适合极坐标和正交坐标的排列，各个像素之间不会发生干扰。就此而言，与现有技术不同，现有技术在每一次把图形转印到晶片时要求图形重写，本发明的方法允许图形以顺序方式转印，只需把图形排列一次。这一点也导致制作最终装置时更快的处理时间，因而有更高的生产量。
再有，按照本发明的方法形成的HPEC，子像素21a和21b都在大多数曝光设备光学系统最小分辨率以下。因此，与现有技术不同，按照本发明作出的BHT设计，仅受CAD工具设计的坐标网格和使用的CAD工具限制，该坐标网格被选择用来排列掩模图形(它通常是1nm，但需要时也可以是其他大小)。此外，从前面的说明可见，子像素21a和21b是作为设计中的单个基元建立的，该设计对每一灰度级有可调整的宽度，同时对该灰度级保持恒定的间距。因此，当对一层排列每一子像素21a和21b，而每一灰度级有指定的层时，在光刻胶处理过程中当需要校正过程的非线性时，容易改变该单个基元敞开的面积。
在本发明的第二个有关方面，是把掩模图形发生器文件转印到光掩模上。在这方面，空白的光掩模用标准的二进制(例如石英上敷铬)光掩模和常规光刻技术制作，如图4所示。最好是，空白二进制光掩模是涂敷光刻胶层51的、标准的石英上敷铬的光掩模。但是应当指出，如有必要或需要，光掩模可以有其他层(例如，CrO增透层)。为处理该光掩模，把光掩模上的光敏材料部分，按照掩模图形发生器文件存储的BHT光掩模设计，在掩模图形发生器中曝光，然后除去光刻胶已曝光部分，使铬部分53不再被光刻胶51覆盖。下一步，用标准的技术(例如湿式或干式蚀刻)，把未覆盖的铬部分53蚀刻掉，从而在已除去铬53的面积下面，露出石英部分55。之后，除去剩余的光刻胶(即未曝光的光刻胶)。结果得到有BHT设计蚀刻在其上的BHT光掩模。BHT光掩模的不透明部分53，使通过掩模的光能通道变细，于是，透射光的强度将被光掩模设计支配而变化。
在本发明的第三个有关方面，是把三维微型结构的设计，从BHT光掩模转印到晶片上，形成需要的三维结构。在这方面，把按照本发明的方法设计的BHT光掩模，放在晶片曝光设备(如分档器)或其他光刻摄像机与有光刻胶(如AZ 4400)淀积其上的晶片之间。光然后从晶片曝光设备通过BHT光掩模开孔以均匀的、基本线性的方式透射，产生三维的光空间像。晶片上的光刻胶接着暴露在该三维的光空间像中，然后显影，除去已曝光的光刻胶。结果在光刻胶中形成与该空间像对应的三维表面。下一步，把晶片蚀刻到与显影的光刻胶形状对应的预定深度。结果，在晶片上形成由BHT光掩模定义的三维像。
为了在按照本发明设计的BHT光掩模中获得最佳结果，有若干设计和处理设想，光掩模设计者在设计BHT光掩模布局时应当考虑。具体说，设计者应当考虑使用的CAD工具和写入工具的限制，以及用于制作三维装置的晶片装置的限制。每一个这些设想将在下面讨论。但是应当指出，光掩模设计者应当考虑的，可能还有与使用的BHT处理过程及制作的装置有关的其他设计设想(例如，有效的装置的容限、和精确再现该有效装置必需的系统分辨率)。
本文已经指出，可以使用各种不同的CAD工具，只要该CAD工具有全角度能力。因此，随使用的CAD工具的变化，设计的坐标网格大小可能变化。同样，与使用的掩模图形发生器有关，写入的坐标网格大小也可能变化。例如，目前常规的掩模写入坐标网格值，通常是设计的坐标网格的偶数倍，两者一般在5nm到200nm范围。但是应当指出，设计和写入坐标网格值也可以是其他的值(例如，0.1nm、1.5nm、等等)，例如可以包括非整数、百分比、等等。在这种情形下，设计的坐标网格和灰度级像素大小的变化，必须调整，以适应写入工具的坐标网格，以便使坐标网格的不衔接(snap-to-grid)最小，这种不衔接当把设计数据转换为写入工具的坐标网格格式时出现。因此，本发明不受本文说明的写入工具和写入坐标网格的限制，因为这些工具仅仅作为例子说明。在一个优选实施例中，当BHT光掩模设计在光掩模基片上形成图形时，应当调整设计，以适应掩模图形发生器的写入坐标网格。就此而言，最好是令写入坐标网格的大小等于设计的坐标网格大小。设计中可能的灰度级数，受下述方程(2)支配：
(2)     #BHT光掩模设计的灰度级＝Dy/Wg
这里Wg是写入坐标网格值，Dy是子像素大小。参考下面的表1，表中对按照本发明的方法设计的HPEC，和现有技术的常规正方形像素布局两者，列出写入工具地址的面积变化中的差值、某一设计的可能灰度级数、和在10％面积上的最小能量阈值Eo。在本例中，每一情况下的像素大小都是2.5微米。
      表1
  1个地址单元定出的像素面积变化                灰度级最大数     Eo上的像素CD
               写入工具地址，nm               写入工具地址，nm       10％面积
  5   25   100   200   5   25   100   200   x   y
  半间距   0.20％   1.00％   4.00％   8.00％   400   80   20   10   500   1250
  正方形   0.80％   3.96％   15.36％   29.44％   200   40   10   5   791   791
从表可见，当HPEC只沿一个轴变化时，面积中的变化是地址单元倍数的线性函数。当正方形像素在两个轴上变化时，面积中的变化是以地址单元为指数的指数函数。结果，使用正方形像素的方法，存在非线性的变化。此外，当HPEC的面积如本文说明那样变化时，对给定的动态范围，可能的灰度级数是用正方形像素方法的两倍。除此之外，最小能量阈值Eo上的光强足够低，使光刻胶曝光时是不可分辨的。
除在一种设计中考虑可能的灰度级数外，掩模设计者也应考虑，对BHT设计所设计的晶片，是否能真正把这些灰度级转印到晶片装置上。就这一点而言，掩模设计者应确定能够真正印到晶片装置的动态范围(如像的灰度级总数)，该动态范围是由下面的方程(3)支配的：
(3)              #印制在晶片上的灰度级＝X/GW
这里X是装置的长度，GW是个别灰度色标区域的宽度。因为对CAD和写入工具的设计和写入坐标网格，是以纳米测量的，子像素到子像素的变化及可能灰度级数，只受晶片装置长度X的限制，而不受坐标网格大小Wg的限制。例如，如果要求微反射镜的长度是X微米，高度也是X微米，则用按照本发明适当设计的BHT光掩模，在光刻胶曝光后得到的反射镜角度将是45度。
光掩模设计者还应考虑制作的微光学装置表面的规格。在这方面，在光学部件的光学效率中，表面粗糙度是关键元素。因此，如果在光掩模设计中的灰度级数，足够跨越设计的面积，则光的强度像将呈现离散的阶梯，这些离散的阶梯对该应用可能是不容许的。这个问题，特别常见于用厚的光刻胶、且在短的面积上装置设计包括快速变化的应用中，如在图7说明那样。因此，光掩模设计者在制订BHT设计中，应考虑晶片上使用的光刻胶类型。就这一点而言，每种光刻胶的处理过程对某一光学曝光设备表现唯一的响应。例如，光刻胶厚度的各种变化、烘烤条件、染色、和吸收系数，能够改变光刻胶的反差或BHT光掩模轮廓线的坡度。
因此，根据本发明的一个优选实施例，掩模设计者应确定使用的光刻胶处理过程的动态范围。光刻胶处理过程的动态范围是子像素21a和21b的大小范围。光刻胶处理过程的动态范围，最好从最小子像素开孔变化到最大子像素开孔，该最小子像素开孔是为在光刻胶中获得最小能量阈值Eo要求的，该最大子像素开孔是为在光刻胶中获得最大能量阈值Ef(即擦除的辐射剂量(dose-to-clear))要求的。在该动态范围Eo-Ef内，可以实施灰度色标变化。
在许多情形中，对动态范围Eo-Ef的响应将不能实现，直到使用BHT光掩模和用特定的设计观察校准响应之后。因此，与BHT光掩模的设计及光掩模设计者的经验有关，可能需要制作测试的BHT光掩模并测量它的响应。之后，可以用控制设计把光刻胶归一化成线性响应，该归一化过程在全部灰度级上计算像素大小的变化，使之等于透射光强的变化。该过程与通过设计获得的初始线性有关，可能要求一次或多次反复。但是应当指出，随着设计者对本方法变得更有经验，并学会某种光刻胶材料在响应某种设计中如何反应，不一定把控制设计归一化，因为更精确的结果能够从初始设计获得。在要求测量和校准响应，以便精细调节BHT光掩模设计的地方，掩模设计者应当认识到，通过亚分辨率开孔(如子像素21a和21b)透射的光的振幅，是与开孔面积成正比的。因此，由于通过开孔透射的光强与振幅的平方成正比(即I∝|A|2)，所以，晶片平面强度的线性变化，通过如下方程(4)计算：
(4)                     |A|∝I1/2
这里A是掩模平面上的光振幅，而I是晶片平面上光的强度。因此，当子像素沿一个轴变化时，将在强度上发生线性变化。应当指出，在同一光掩模中需要把三维特征与两维特征对准的情形，可能有必要进一步校准。光刻胶的校准完成之后，测量与期望响应的偏差。然后用这些值改变BHT光掩模设计，这里，在设计的每一灰度级中每一子像素的大小，按照公开的方法，只沿一个轴使面积加大或缩减，以便建立需要的光刻胶轮廓。如图8所示，随着光刻胶反差的下降，光刻胶处理过程的动态范围变得更宽。就是说，光刻胶处理过程的动态范围Eo-Ef随光刻胶反差的变化而变化，也随使用的光学系统最小分辨率的变化而变化。因此，动态范围越宽，BHT设计中可能的灰度级数也越大。
另外，光掩模制作者应当考虑用于制作三维装置的曝光设备中光学系统的类型。就这一点来说，最好使用有高缩小比的光学系统，以便使掩模制作者能在整个动态范围上并在光掩模制作过程的感光度范围中印制子像素。另外，随着设计的像素大小的下降，可以要求写入工具和处理过程有更高分辨率，但这样能够拉高处理过程的成本。因此，为避免这种问题，使用的光刻胶处理过程，最好有尽可能大动态范围、相对低反差的光刻胶(例如，可以用AZ 4400光刻胶在单模包层/纤心/包层聚合物波导中制作反射镜和透镜)、和有相对低数值孔径及高放大率的光学系统。相反，如果晶片需要形成非常小结构的图形，那么应当用更高的NA和/或更低过程分辨率变化K1，还应修改BHT光掩模设计，以便在这些条件下完成。另外，如有必要，晶片设计者可以使用倍增掩模级(multiple mask level)和不同NA的双曝光技术，以获得最佳结果。
已经证明，AZ-4400光刻胶在365nm上，表现出合乎需要的透明度和光敏性。参考表2，表中出示了使用AZ-4400光刻胶的一般流程：
表2
  旋转涂布   温和烘烤   曝光   PEB   显影   清洗   旋转干燥
  Temp   RT   90C   240mj   110C   20C   柔和地   RT
  时间   按需要   60sec   60sec   3min   按需要
  速度   按需要   浴   按需要
  化学   AZ-4400   AZ-300MIF   DiH20
应当指出，在显影光刻胶涂层的处理过程中要小心，避免突然照射辉纹图形(sunburst striation pattern)，该图形一般出现在厚光刻胶涂层中。还有，在光刻胶辉纹中存在的小厚度变化，将在三维结构中再现。此外，光刻胶的烘烤不足，能够降低过程的反差。已经发现，曝光后的烘烤很好地扩散光刻胶显影抑制剂，使二进制半色调阶梯跃迁的图形降至最小。
已经说明了设计和制作BHT光掩模的整个方法，以及有关的设计设想，现在说明本发明方法的应用的具体例子。
现在参考图9，图上画出按照本发明的方法，进行BHT光掩模设计的一个实施例。更准确地说，图9设计中的灰度级，给出45度微反射镜的、排列成波导的斜坡布局。当使用图9的BHT光掩模设计和图5a和5b的HPEC设计，和有0.4NA和0.7西格玛(sigma)的365nm的光学系统时，该BHT光掩模通过它的开孔，以连续的、线性的方式透射光。相应地，晶片上的光刻胶曝光时，得到基本平滑的和线性的轮廓，如图10的SEM所示。然后，蚀刻晶片至与该光刻胶轮廓对应的预定深度。如图11所示，45度±2度(实际测量角度约为46.5度)的斜坡，被印制在该特定光子学应用的晶片上。另外，晶片上得到的表面，对该特定光子学应用是足够平滑的，因为表面粗糙度小于20nm，如图11所示。此外，在本实施例中，平均斜率(46度)曲率及缺口，已通过BHT光掩模设计的模拟，精确地预测，如图12所示。更准确地说，如图12所示，本实施例的模拟预测如下：本设计的轮廓在线71和73a之间的角度是89.74度，在这里，轮廓中水平和竖直变化，分别是166nm和7.214；本设计的轮廓在线73a和73b之间的角度是46.5度，在这里，轮廓中水平和竖直变化，分别是3.689μm和3.501μm；和本设计的轮廓在线75a和75b之间的角度是88.52度，在这里，轮廓中水平和竖直变化，分别是196nm和5.050nm。
图13画出按照本发明的方法，从极坐标阵列进行BHT掩模设计的另一个实施例。该掩模设计可以用于，例如制作微光学部件，诸如微透镜或圆锥截面。在本实施例中，用图13的圆形BHT光掩模设计和图6a和6b所示本发明方法的HPEC设计，印制透镜。该特定的BHT光掩模与有0.4NA和0.7西格玛(sigma)的365nm的光学设备一起使用。用本设计形成的基本平滑和线性的光刻胶轮廓，如图14和15的AFM像所示。从图可见，制作了圆锥截面的物体，且装置中没有出现子波纹效应。
在另一个实施例中，用本发明的HPEC方法，印制光子学应用的特殊斜坡结构。在本实施例中，按5nm的写入坐标网格，使用AppliedMaterial ALTA 3500激光记录器。该ALTA 3500激光记录器对本实施例是最好的选择，因为它在晶片尺寸上有像素到像素的临界尺寸线性，该临界尺寸类似于写入工具坐标网格的大小。但是应当指出，在其他的应用中，也可以使用更为先进的电子束和激光掩模图形发生器(如，CORE 2564、MEBES 4500电子束设备、等等)，该种激光掩模图形发生器有更小的坐标网格大小(如，1.5nm-2.5nm)，只要该BHT掩模设计能够与写入工具坐标网格相符，且能达到需要的灰度级。另外，在本实施例中，是用干式等离子铬蚀刻处理该BHT光掩模。但是应当指出，也可以改用湿式蚀刻。在本情形中，响应衰落与灰度色标性能将受写入工具坐标网格的限制，并由掩模偏置来综合平衡。不论使用何种蚀刻技术和掩模写入工具，在设计的临界尺寸中必须保持线性。因此，在设计表现出非线性的范围上，在晶片处理过程完成之后，还应当校正该设计，并对BHT设计进行补偿。通过使用该种处理过程，用ALTA 3500写入工具，对从0.4μm到整个像素大小2.5μm范围中小的子像素大小，能够以线性方式控制掩模尺寸。
在另一个实施例中，把本发明的HPEC方法，对一步和闪印模板进行显影。就该实施例而言，是按照本发明的HPEC设计方法制作BHT光掩模。之后，把光掩模定义的三维像，在缩图光刻系统中，转印到第二基片，以连续色调(即灰度色标)产生第二个光掩模图形。该第二个光掩模用作压印或模压板，用于压印的光刻应用。该第二个光掩模最好由坚固的材料构成，能进行模压操作。例如，该第二个光掩模可以由各种不同的坚固材料构成，其中包括，但不限于，熔融石英、玻璃、金属、结晶结构、塑料、或任何目前已知或今后研发的其他坚固材料。在本实施例中，该第二个光掩模用于模压或模铸三维结构。这一过程可以用压印分档器实施，例如用Molecular Imprints分档器，或其他已知的或今后研发的设备实施。
到此为止，已经详细出示并说明本发明的优选实施例，它们的各种修改和改进，对本领域熟练人员将变得显而易见。例如，除设计BHT光掩模外，也可以修改本发明的HPEC方法，用于设计灰度色标光掩模(如0％、50％、100％等等透射率)，供制作三维微型结构使用。另外，应当指出，每一像素可以分为各三分之一、各四分之一、各五分之一等等，分别形成三个、四个、五个等等子像素。在这种情形下，每一子像素的面积，应按照本文说明的方法，沿一个轴变化。例如，如图16所示，像素19可以再分为4个子像素21a、21b、21c、和21d。在本例中，每一子像素21a-d沿第一轴再分为像素19间距的一半，每一子像素21a-d的宽度沿第二轴变化。此外，应当指出，按照本发明的方法设计的HPEC，可以在光掩模上与其他装置设计组合(如，两维二进制结构，诸如集成电路)。因此，应当认为，这些实施例在所有方面都是示例性的，而不是限制性的，本发明覆盖的范围由后面所附权利要求书指出，而所有在意义上和范围上与权利要求书等价的改变，都涵盖其中。

Claims (120)

1.一种二进制半色调光掩模，包括：
基本透明的基片；
有图形形成其中的不透明层，所述图形由至少一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。
2.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
3.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述像素是正方形的。
4.按照权利要求3的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
5.按照权利要求3的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
6.按照权利要求4的二进制半色调光掩模，其中所述像素被排列成光子学应用的斜坡形布局。
7.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述像素是圆形的。
8.按照权利要求7的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
9.按照权利要求7的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
10.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述像素是椭圆形的。
11.按照权利要求10的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
12.按照权利要求10的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
13.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述至少一个像素是矩形的。
14.按照权利要求13的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
15.按照权利要求13的二进制半色调光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
16.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，其中所述不透明层是铬，而所述基本透明层是石英。
17.按照权利要求1的二进制半色调光掩模，在所述不透明和基本透明层中，还包括二进制的、已分辨的图形。
18.按照权利要求17的二进制半色调光掩模，其中所述二进制的、已分辨的图形，定义两维集成电路设计的形状。
19.一种设计二进制半色调光掩模图形的布局的方法，该半色调光掩模图形用于制作三维结构，本方法包括的步骤有：
产生至少两个像素；
把所述至少两个像素的每一个，分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；和
排列所述至少两个像素，对通过所述至少两个像素的透射光形成图形，以便形成连续色调的、空间光像。
20.按照权利要求19的方法，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
21.按照权利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一个，是正方形的。
22.按照权利要求21的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
23.按照权利要求21的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
24.按照权利要求19的方法，其中至少一个所述像素是圆形的。
25.按照权利要求24的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
26.按照权利要求24的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
27.按照权利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一个，是椭圆形的。
28.按照权利要求27的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
29.按照权利要求27的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
30.按照权利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一个，是矩形的。
31.按照权利要求30的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
32.按照权利要求30的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
33.按照权利要求19的方法，还包括，使用掩模图形发生器写入所述至少一个像素和子像素的步骤。
34.按照权利要求33的方法，其中所述掩模图形，是从具有全角度能力的计算机辅助设计系统产生的。
35.按照权利要求33的方法，其中所述排列步骤还包括，在所述设计中，把每一灰度级与一层结合的步骤。
36.按照权利要求32的方法，还包括编译掩模图形发生器文件的步骤。
37.按照权利要求36的方法，其中，在所述文件中保持所述设计的灰度级分层。
38.按照权利要求37的方法，还包括确定能够供所述二进制半色调光掩模设计写入的最大灰度级数的步骤。
39.按照权利要求38的方法，其中的所述最大灰度级数，是把所述掩模发生器记录器的坐标网格，除以所述子像素大小计算的。
40.按照权利要求19的方法，还包括确定用所述二进制半色调光掩模设计，能够在晶片装置上印制的可能灰度级数的步骤。
41.按照权利要求40的方法，其中所述可能灰度级数，是把所述晶片长度，除以个别灰度色标区域宽度计算的。
42.按照权利要求19的方法，还包括：在用所述二进制半色调光掩模设计制作三维装置时，确定使用的光刻胶处理过程的动态范围的步骤。
43.按照权利要求42的方法，其中所述动态范围，从所述子像素最小开孔大小到所述子像素最大开孔大小变化。
44.按照权利要求42的方法，还包括把灰度色标变化应用于所述动态范围内的所述设计的步骤。
45.按照权利要求42的方法，还包括按照所述设计，产生一测试光掩模的步骤。
46.按照权利要求45的方法，还包括使其上有光刻胶的晶片在曝光设备中曝光，观察所述测试光掩模动态范围的步骤。
47.按照权利要求46的方法，还包括把所述光刻胶响应对所述测试掩模归一化，以便在通过该光掩模的透射光中获得线性响应的步骤。
48.按照权利要求47的方法，还包括如下步骤：对所述设计，遍及每一灰度级，计算与透射光强中的变化相等的所述像素大小的变化。
49.按照权利要求47的方法，其中所述线性响应，是当光振幅与所述光强的平方根成正比时达到的。
50.按照权利要求48的方法，还包括把所述光刻胶的响应与期望结果比较的步骤。
51.一种制作二进制半色调光掩模的方法，包括的步骤有：
在光刻设备中提供包括光刻胶层、不透明层、和基本透明层的二进制光掩模；
把光刻胶层在所述光刻设备中按照所述光掩模上的二进制半色调光掩模图形曝光，其中，所述图形至少由一个像素定义，其中所述至少一个像素的每一个，被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；
除去所述光刻胶中不需要的部分；
蚀刻在所述被除去光刻胶部分下面的所述不透明层部分；和
除去光刻胶层的剩余部分。
52.按照权利要求51的方法，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
53.按照权利要求51的方法，其中所述至少一个像素是正方形的。
54.按照权利要求53的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
55.按照权利要求53的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
56.按照权利要求51的方法，其中所述像素是圆形的。
57.按照权利要求56的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
58.按照权利要求56的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
59.按照权利要求51的方法，其中所述蚀刻步骤是用等离子干式蚀刻技术进行的。
60.按照权利要求51的方法，其中所述蚀刻步骤是用湿式蚀刻技术进行的。
61.一种微型三维结构，包括：
有连续色调、基本直线形、和平滑表面的晶片，所述晶片的所述表面，与二进制半色调光掩模产生的光空间像的形状对应，所述光掩模包括了在其中形成的图形，所述图形由至少一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。
62.按照权利要求61的微型三维结构，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
63.按照权利要求61的微型三维结构，其中所述至少一个像素是正方形的。
64.按照权利要求63的微型三维结构，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
65.按照权利要求63的微型三维结构，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
66.按照权利要求63的微型三维结构，其中所述正方形像素被排列成光子学应用的布局。
67.按照权利要求64的微型三维结构，其中所述布局是斜坡形布局。
68.按照权利要求64的微型三维结构，其中使用的曝光设备，发射365nm的光、有0.4的NA和0.7的西格玛(sigma)。
69.按照权利要求61的微型三维结构，其中所述像素是圆形的。
70.按照权利要求69的微型三维结构，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
71.按照权利要求69的微型三维结构，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
72.按照权利要求70的微型三维结构，其中所述圆形像素被排列成圆锥形斜坡布局。
73.按照权利要求70的微型三维结构，其中使用的曝光设备，发射365nm的光、有0.4的NA和0.7的西格玛(sigma)。
74.一种制作三维微型结构的方法，包括的步骤有：
在曝光设备和涂布光刻胶层的晶片之间提供二进制半色调光掩模，所述二进制半色调光掩模包括
基本透明的基片，
有图形形成其中的不透明层，所述图形由至少一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；和
把所述晶片的光刻胶层，在曝光设备中按照二进制半色调光掩模上的图形曝光。
75.按照权利要求74的方法，还包括除去不需要的光刻胶的步骤，使没有除去的光刻胶中形成三维轮廓。
76.按照权利要求75的方法，还包括把所述晶片蚀刻到预定深度的步骤，该深度在形状上与所述剩余光刻胶中形成的三维轮廓对应。
77.按照权利要求74的方法，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
78.按照权利要求74的方法，其中所述像素是正方形的。
79.按照权利要求78的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
80.按照权利要求79的方法，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
81.按照权利要求74的方法，其中所述像素是圆形的。
82.按照权利要求81的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
83.按照权利要求81的方法，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
84.一种制作一步和闪印的模板的方法，包括的步骤有：
在光刻设备中提供有光刻胶层、不透明层、和基本透明层的二进制光掩模；
把光刻胶层在光刻设备中按照二进制半色调光掩模的图形曝光，其中，所述图形至少由一个像素定义，其中每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素；
除去所述光刻胶中不需要的部分；
蚀刻在所述被除去光刻胶部分下面的所述铬层部分；
除去光刻胶层不需要的部分；
把所述二进制半色调光掩模中的图形，转印到第二基片，产生由其上的光掩模定义的连续色调图形。
85.按照权利要求84的方法，其中所述转印步骤是用缩图光刻系统进行的。
86.按照权利要求84的方法，其中所述第二基片是由坚固的材料制成的。
87.按照权利要求85的方法，其中所述第二基片是由下面一组材料制成的，该组包括：熔融石英、玻璃、金属、结晶结构、和塑料。
88.按照权利要求84的方法，还包括使用所述第二基片，作为压印或模压板，用于制作压印的光刻应用。
89.一种二进制半色调光掩模的设计布局，包括：
至少两个像素，其中所述像素的每一个，还由沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素定义；
由所述至少两个像素的阵列，对通过所述光掩模透射的光形成的图形，以便形成连续色调的空间光像。
90.按照权利要求89的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
91.按照权利要求89的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述像素的所述至少一个，是正方形的。
92.按照权利要求91的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
93.按照权利要求91的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
94.按照权利要求89的二进制半色调光掩模设计布局，其中至少一个所述像素，是圆形的。
95.按照权利要求94的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
96.按照权利要求94的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
97.按照权利要求89的二进制半色调光掩模设计布局，其中至少一个所述像素，是椭圆形的。
98.按照权利要求97的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
99.按照权利要求97的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
100.按照权利要求89的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述像素的所述至少一个，是矩形的。
101.按照权利要求100的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
102.按照权利要求100的二进制半色调光掩模设计布局，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
103.一种灰度色标光掩模，包括：
基本透明的基片；
有图形形成在其中的不透明层，所述图形由至少一个像素定义，其中，每一像素被分为沿第一轴有可变长度而沿第二轴有固定长度的子像素。
104.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述子像素的面积，小于计划与所述二进制半色调光掩模一起使用的曝光设备光学系统的最小分辨率。
105.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述像素是正方形的。
106.按照权利要求105的灰度色标光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
107.按照权利要求105的灰度色标光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
108.按照权利要求105的灰度色标光掩模，其中所述像素被排列成光子学应用的斜坡形布局。
109.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述像素是圆形的。
110.按照权利要求109的灰度色标光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
111.按照权利要求109的灰度色标光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
112.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述像素是椭圆形的。
113.按照权利要求112的灰度色标光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
114.按照权利要求112的灰度色标光掩模，其中所述子像素有半径和弧线长度，每一所述子像素的所述半径，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧线长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
115.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述至少一个像素是矩形的。
116.按照权利要求115的灰度色标光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的一半，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
117.按照权利要求115的灰度色标光掩模，其中所述子像素有高度和长度，每一所述子像素的所述高度，约为所述像素间距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述长度，仅沿一个轴以相对方向线性地变化。
118.按照权利要求103的灰度色标光掩模，其中所述不透明层是铬，而所述基本透明层是石英。
119.按照权利要求103的灰度色标光掩模，在所述不透明和基本透明层中，还包括二进制的、已分辨的图形。
120.按照权利要求119的灰度色标光掩模，其中所述二进制的、已分辨的图形，定义两维集成电路设计的形状。
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