专利名称：在无掩模微影术系统中产生灰度调整的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及微影术。更具体地说，本发明涉及无掩模微影术。
背景技术：
微影术是用来在衬底的表面上产生特征的过程。这类衬底能包括用在制造平板显示器(例如液晶显示器)、电路板、各种集成电路等等中的那些衬底。用于这类应用的频繁使用的衬底是半导体晶片或玻璃衬底。尽管为示例目的，根据半导体晶片来书写本说明书，本领域的技术人员将意识到本说明书也可以应用于本领域技术人员已知的其他类型的衬底。
在微影术期间，通过位于微影术装置内的曝光器件(exposureoptics)，使得放在晶片台上的晶片暴露于在晶片的表面上投影的图象。尽管在光微影术的情况下使用曝光器件，根据特定应用，能使用不同类型的暴露装置。例如，如本领域的技术人员所公知的，X-射线、离子、电子或光子微影术的每一种会要求不同暴露装置。仅为示例目的，在此论述光微影术的特定例子。
投影的图象在位于晶片的表面上的层，例如光致抗蚀剂的特性方面产生变化。这些变化对应于在暴露期间投影在晶片上的特征。在暴露后，能蚀刻层以便产生成形层。该图形对应于在暴露期间，投影在晶片上的那些特征。然后使用这一成形层来移出或进一步处理晶片内基础结构层的暴露部分，诸如导电、半导电或绝缘层。然后结合其他步骤重复这一过程，直到已经在晶片的表面上，或在不同层中形成所需特征为止。
步进和扫描技术协同具有窄的成象槽(imaging slot)的投影光学系统工作。与同时暴露整个晶片不同，每次将各个场(field)的一个场扫描到晶片上。这是通过同时移动晶片和中间掩模以便在扫描期间，使成象槽移过场来实现。然后，必须在场暴露期间异步地移动晶片台以便多次复制在晶片表面上暴露的多个中间掩模图形。用这种方式，使投影到晶片上的图象的质量最佳化。
传统的微影术系统和方法在半导体晶片上形成图象。该系统通常具有被设计成容纳在半导体晶片上执行图象形成过程的装置的微影室。该室能被设计成根据所使用的光的波长，具有不同气体混合物和/或真空等级。中间掩模位于该室内。在与半导体晶片相互作用前，光束通过光学系统、中间掩模上的图象外形以及第二光学系统，从照明源(位于该系统外)通过。
需要多个中间掩模来在衬底上制作器件。这些中间掩模由于特征大小以及小特征大小所需的严格容差，正变得日益昂贵和制作耗时。同时，中间掩模在磨损之前，仅能用于某一时间周期。如果中间掩模还在某一容差内或当损坏中间掩模时，通常会导致另外的费用。因此，使用中间掩模制造晶片正变得日益并且可能不敢问津的昂贵。
为克服这些缺陷，已经开发了无掩模(例如直接写、数字等等)微影术系统。无掩模微影术用空间光调制器(SLM)(例如，数字微镜器件)、液晶显示器(LCD)等等)代替中间掩模。SLM包括为开或关的有源区域阵列(例如反射或透射区域)以便形成所需图形。使用基于所需暴露图形预定和先前存储的算法来接通或关闭有源区域。
传统的基于SLM的写入系统(例如，Micronics的Sigma7000系列工具)将一个SLM用作图形发生器。为实现线宽和线路布局规格，使用灰度调整。对模拟SLM，通过控制反射镜倾斜角度(例如，Micronic SLM)，或极化角(例如LCD)来实现灰度调整。对数字SLM(例如，TI DMD)，通过多次穿过(pass)或脉冲，实现灰度调整，其中对每次穿过或脉冲，根据所需灰度级，接通或切断像素。因为将印刷的衬底上的总面积，有源面积间的间隔、光脉冲的时间，以及衬底的移动，要求几次穿过衬底以便暴露所有所需区域。这导致低生产量(进入单个光场中的像素的数量/在衬底所需的重复穿过的数量)并增加了制作器件的时间。此外，仅使用一个SLM要求更多光脉冲或更多曝光时间来增加灰度级。这也导致不能接受的低生产量水平。
因此，所需要的是对每个特征，使用相对低的脉冲量(例如2～4个脉冲)，具有增加的灰度级的无掩模微影术系统和方法。
发明内容
本发明提供在无掩模微影术期间，用于在物体上产生灰度级图形的方法。该方法包括将光照射到空间光调制器阵列(SLM)上，通过所述SLM，使所述光成形以便产生具有空间可变强度的曝光图形，以及将成形光写到所述物体上，以便基于所述空间可变光强度，在所述物体上产生灰度调整的图形。
本发明还提供一种用于在物体上产生灰度级图形的无掩模微影术系统。该系统包括照明源，包括曝光区阵列的物体，空间光调制器阵列和控制器。空间光调制器阵列使来自照明源的光成形和引导到所述物体上。所述空间光调制器的每一个具有分别对应于所述物体上的曝光区中的一个的有源区。控制器控制所述空间光调制器阵列，以便所述光的图形具有空间可变强度。
在下文中，参考附图，更详细地描述本发明的另外的实施例、特征和优点，以及本发明的各个实施例的结构和操作。
在此包含并形成说明书的一部分的附图示例说明本发明，并且结合说明书，进一步解释本发明的原理以及使得所属领域的技术人员制造和使用本发明。
图1表示根据本发明的实施例，具有反射空间光调制器的无掩模微影术系统。
图2表示根据本发明的实施例，具有透射空间光调制器的无掩模微影术系统。
图3表示根据本发明的实施例的空间光调制器。
图4表示图3中的空间光调制器的更多细节。
图5表示根据本发明的实施例的组件。
图6表示根据本发明的实施例，当使用连续光源时，无掩模微影术系统的一部分；图7表示根据本发明的实施例，SLM上的有源区和物体上的曝光区间的相互关系。
图8表示描述根据本发明的实施例的方法800的流程图。
现在，将参考附图，描述本发明。在这些图中，相同的标记可以表示相同或功能上相似的元件。另外，标记的最左数字可以表示标记首次出现的图。
具体实施例方式
概述尽管论述特定的配置和装置，应理解到这仅是用于示例目的。所属领域的技术人员将意识到在不背离本发明的精神和范围的情况下，也可以使用其他配置和装置。对所属领域的技术人员来说，也可以在各种其他应用中采用本发明是显而易见的。
本发明提供用于在物体上产生灰度级图形的无掩模微影术系统和方法。该系统包括照明源(例如脉冲或有源连接)、包括曝光区阵列的物体、空间光调制器的阵列(例如数字、二进制或模拟)和控制器。空间光调制器阵列成形和将光从照明源引导到物体上。每个空间光调制器具有分别与物体上的曝光区的一个对应的有源区。控制器控制空间光调制器阵列，以便光的图形具有空间变化的强度。
无掩模微影术系统图1表示根据本发明的实施例的无掩模微影术系统100。系统100包括经分束器106和SLM光学器件108，将光传送到反射空间光调制器104(例如数字微镜器件(DMD)、反射液晶显示器(LCD)等等)的照明系统102。使用SLM104代替传统微影术系统中的中间掩模来成形光。从SLM104反射的成形光穿过分束器106和投影光学器件110并写在物体112(例如衬底、半导体晶片、用于平板显示器的玻璃衬底等等)上。
应意识到能将照明光学器件容纳在照明系统102中，如在相关技术中所公知的。还应意识到SLM光学器件108和投影光学器件110能包括用来将光引导到SLM104和/或物体112上的所需区域所需的的光学元件的任意组合，如相关领域中所公知的。
在另一实施例中，能将照明系统102和SLM104的任何一个或两者分别连接到综合控制器114和116或具有综合控制器114和116。能使用控制器114来基于来自系统100的反馈来调整照明源102或执行校准。控制器116还能用于调整和/或校准。另外，控制器116能用于接通和关闭SLM104上的有源器件302(例如像素、反射镜、位置等等)(见图3)，如上所述，以便生成用来暴露物体112的图形。控制器116能具有包含用来生成图形或多个图形的预定信息和/或算法的综合存储器或连接到存储元件(未示出)上。
图2表示根据本发明的另一实施例的无掩模微影术系统200。系统200包括通过SLM204(例如透射LCD等等)传输光以便成形光的照明源202。通过投影光学器件210传输成形光以便将图形写在物体212的表面上。在这一实施例中，SLM204是透射SLM，诸如液晶显示器等等。与上述类似，能将照明源202和SLM204的一个或两者分别连接到控制器214和216或分别与其集成。控制器214和216能执行如上所述并且本领域所公知的控制器114和116的类似功能。
能在系统100或200中使用的示例的SLM由Sweden的MicronicLaser Systems AB、Texas的Texas Instruments，USA，以及Germany的Fraunhofer Institute for Circuits and Systems制造。
仅为简洁起见，下面将仅参考系统100。然而，下面论述的所有概念也能应用于系统200，对相关领域中的一些技术人员来说是公知的。
图3示例说明SLM104的有源区300的详细情况。有源区300包括有源器件302阵列(用该图中的点图形表示)。有源器件302能是DMD上的反射镜或LCD上的位置。应意识到有源器件302也能称为像素，如相关领域中所公知的。通过调整有源器件的物理特性，它们能被看作开或关。能使用基于所需图形的数字或模拟输入信号来接通和关闭各个有源器件302。在一些实施例中，能检测正写到物体112上的实际图形以及能确定图形是否在可接受容差外。如果是的话，能使用控制器116来实时生成模拟或数字控制信号以便微调(例如校准、调整等等)正由SLM104生成的图形。
图4表示SLM104的另外的详细情况。SLM104能包括环绕有源区300的无源封装(inactive packaging)。同时，在另外的实施例中，能将主控制器402连接到每个SLM控制器116以便监视和控制SLM阵列(见下述论述)。如下所述，在其他实施例中，相邻的SLM能相对于彼此偏移或交错。
空间光调制器阵列配置图5表示包括容纳SLM104阵列的配套器件502的组件500。在各个实施例中，如下面更详细的描述，SLM104的阵列基于每个脉冲所需曝光数，或用户的其他标准，能具有变动列、行数、每列的SLM、每行的SLM等等。能将SLM104连接到配套器件502上。配套器件502能具有热控制区504(例如水或空气通道等等)、用于控制逻辑和相关电路的区域(例如，见图4，表示元件116和元件402，其能是ASIC、A/D转换器、D/A转换器、用于流式数据的光纤等等)，以及容纳SLM104的窗口506，如相关技术中所公知的。配套器件502、SLM104和所有外围冷却或控制设备能被称为组件。组件500能允许所需步长来产生所需接合(stitching)(例如连接物体112上的特征的相邻元件)以及覆盖前沿和后沿SLM104。例如，配套器件502能是250mm×250mm(12in×12in)或300mm×300(10in×10in)。配套器件502能被用于基于正由热稳定材料制造的热管理。
配套器件502能被用作机械构架以便确保SLM104的空间控制以及用于嵌入电路和热控制区504。能将任何电子设备安装在配套器件502的后面和前面的任何一个或两个上。例如，当使用基于模拟的SLM或电子设备时，能将导线从控制或连接系统504耦合到有源区300。基于安装在配套器件502上，这些导线相对较短，与电路远离配套器件502相比，降低了模拟信号的误差。同时，电路和有源区300间具有短的链路能增加通信速度，从而实时增加图形重调整速度。
在一些实施例中，当电路中的SLM104或电子器件磨损时，能容易替换组件500。尽管替换组件500比仅替换组件500上的芯片更昂贵是显而易见的，但实际上，替换整个组件500更容易和更快速，能节省生产成本。同时，能整修组件500，如果终端用户正希望使用所整修的组件500，允许减小替换部件。只要替换组件500，在继续制作前，仅需要整体对齐。
本发明使用无掩模微影术系统，提供在物体上灰度调整成形区。灰度调整是基于使用空间光调制器(SLM)阵列。物体上的每个曝光区与每个SLM上的一个有源区有关。因此。通过每个SLM，根据具体情况而定，写到或不写到每个曝光区。因此，根据在阵列中使用的SLM的数量，确定灰度调整级。照明系统能包括脉冲光源或基本上等效的连续光源。
时间调制的灰度调整图6表示当使用连续光源时，系统100或200的部分600。部分600包括能在任何方向中旋转、位于SLM104和投影光学元件110之间的旋转光学元件602(例如，棱镜、或圆、球形或圆锥形光学反射元件等等)。用1、2和3标号的箭头表示基于物体112的扫描位置，离开旋转元件602，以及依次离开投影光学元件110的可能光束方向，如下面将更详细地论述。如下所述，这一系统能使用数字SLM或模拟SLM。
图7表示SLM104上的有源区300和物体112上的曝光区700间的相互关系。基本上，能指定每个曝光区700的X，Y坐标(例如，曝光区700-1，1)，其对应于所有SLM104上的一个有源区300(例如，300-1，1)。因此，根据有源区300是开还是关，从每个SLM的300-1，1将光写入或不写入曝光区700-1，1。
应意识到有源区300和曝光区700也能被称为像素，如相关领域所公知的。
至少有两种配置和方法能用来通过无掩模微影术来在物体12上产生灰度调整，而基本上不会增加所需脉冲和/或使物体112上的每个曝光区的曝光时间量超出最佳时间量。这将保持相当高的生产量。第一实施例使用脉冲光源以及第二实施例使用连续光源，或其等效。
在第一实施例中，脉冲光源(未示出)(例如以1KHz至4KHz)操作)能用在照明系统102中。另外，能使用稍微彼此异步的平行脉冲光源组来由照明系统102增加有效重复率。每个SLM104具有有源区300阵列，其中每个有源区与物体112上的特定曝光区有关(例如，使用与每个SLM104上的X，Y坐标格有关的物体112上的X，Y坐标格)。将脉冲光信号引导到SLM104。基于由SLM104从控制器116接收的图形，通过空间可变光强度，生成光图形。可变光强度基于对那个特定的时间周期，多少通过SLM阵列500的类似放置的有源区300为接通或关闭。例如，如果SLM阵列具有等效的32个有源区，那么能实现32个灰度调整级。在这一例子中，所有32个均是开，所有32个均是关，或32个的一些混合能是开或关，其产生32个灰度级。因此，与每个SLM104上的相同有源区300有关的曝光区能从所有SLM104、不能从任何一个SLM，或用于每个光脉冲的SLM104的一些混合接收光。在另一例子中，如果两个光脉冲通常用于每个曝光区，那么将导致64个灰度级。在另一例子中，能实现128、256等等个灰度级。
应意识到通过模拟SLM，也能实现上述类似的结果。在多个SLM和/或多个脉冲上，能结合使用在每个脉冲上，由SLM实现的中间灰度级设置以便实现更出色的灰度分辨率。因此，这能增加已经机械上可用的灰度级数量。
在第二实施例中，能使用连续或等效/有效(在下文中，等效或有效将称为“有效”)连续光源(未示出)。有效连续是指光源的频率大于有源区300的反应时间，使得光源对有源区300看起来是连续的。例如，数字SLM104能以约50KHz更新，以便当使用约100KHz的光源时，光源对SLM104来说似乎是连续的。如另一个例子，模拟SLM能以约4KHz更新，以便基本上通常高于4KHz操作的大多数光源能被视为有效连续光源。在本发明的范围内，也能考虑其他类型。当使用连续光源时，将很可能使用旋转光学元件602来由成形光产生运动图象。因此，当物体112正移动时，图象也正移动。为实现此，当物体112移动时，同时地旋转旋转光学元件602，跟踪物体112的运动。这允许系统100将每个有源区图形印刷在位于特定曝光区的物体112上。因此，如果物体112正连续地移动，使用旋转光学元件602来移动图象。如上述实施例中，来自每个SLM104的相同的有源区300将图形从那个有源区300印刷到物体112的特定曝光区上。在这一实施例中，灰度级基于移动图象周期开或关的时间。
在另一实施例中，能使用具有离开每个有源区300的可变光强度级的模拟SLM104。这一模拟SLM104能用在有效连续照明系统中，如上所述。
图8表示描述根据本发明的方法800的流程图。在步骤802，将光照射到SLM阵列上。在步骤804，用SLM成形光以便产生具有空间可变强度的曝光图形。在步骤806，将成形光写到物体上以便基于空间可变光强度，在物体上产生灰度调整的图形。
因此，对数字SLM来说，上述方法和系统允许增加灰度级而不增加通过所做的穿过和/或脉冲的传统数量。同时，对模拟SLM来说，上述方法和系统允许增加超出机械上已经可行的灰度级的数量，而不增加传统的穿过或脉冲数。
结论尽管上面已经描述了本发明的各个实施例，应理解到仅是通过举例来展示它们，而不是限定。对相关领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出各种改变。因此，不应当由上述示例性的实施例的任何一个来限制本发明的宽度和范围，而应当仅根据下述权利要求书及其等效来限定。
权利要求
1.一种用于在无掩模微影术期间，在物体上产生灰度级图形的方法，包括将光照射到空间光调制器(SLM)阵列上；通过所述空间光调制器使所述光成形，以便产生具有空间可变强度的曝光图形；以及将所述成形光写到所述物体上，以便基于所述空间可变光强度，在所述物体上产生灰度调整的图形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照明包括脉冲照明。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照明与基本上连续的照明等效。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体包括图形区阵列，所述空间光调制器的每一个包含对应于各个所述图形区的有源区。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过控制所述有源区的光引导属性，产生所述空间可变强度。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，每个有源区是开或关，以及灰度级图形基于基本上同时在单个空间光调制器上有多少相同的各个有源区是开和关。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括当有源区为开时，将光从所述有源区反射到所述物体上，以及当所述有源区为关时，使光从所述有源区远离所述物体反射。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括当有源区为开时，通过所述有源区透射所述光，以及当有源区为关时，使所述光从所述有源区反射。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括产生包括32个灰度级的灰度级图形。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述照明包括基本上连续的照明，其中，旋转光学元件将所述成形光反射到所述物体上。
11.一种用于在物体上产生灰度级图形的无掩模微影术系统，包括照明源；包括曝光区阵列的物体；空间光调制器阵列，使来自照明源的光成形和引导到所述物体上，所述空间光调制器的每一个具有分别对应于所述物体上的曝光区中的一个的有源区；以及控制器，控制所述空间光调制器阵列，以便所述光的图形具有空间可变强度。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述照明源是脉冲照明源。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述照明源与基本上连续的照明源等效。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括将所述光从所述空间光调制器反射到所述物体上的旋转光学元件。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，通过控制器接通或关闭每个有源区。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于当接通所述有源区时，光从所述有源区反射到所述物体上；以及当关闭所述有源区时，光从所述有源区远离所述物体反射。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于当接通所述有源区时，通过所述有源区将光透射到所述物体上；以及当关闭所述有源区时，使光从所述有源区远离所述物体反射。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，可变强度基于接通和关闭多少与特定一个曝光区有关的有源区。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于照明系统产生脉冲光信号；以及通过正被接通或关闭的有源区，产生可变强度，其在用于每一个脉冲光信号的曝光区处，产生灰度调整。
20.如权利要求15所述的系统，其特征在于，进一步包括旋转光学元件，将光从所述空间光调制器引导到所述物体上，其中，所述照明系统产生有效的基本上连续的光信号，所述光信号基于从所述旋转光学元件反射的光，在所述曝光区产生灰度调整。
21.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有效连续光源以高于空间光调制器刷新率的频率操作。
22.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有效连续光源以高于4KHz的频率操作。
23.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述有效连续光源以高于空间光调制器刷新率的频率操作。
24.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述有效连续光源以高于4KHz的频率操作。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括提供数字空间光调制器作为所述空间光调制器。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括提供二进制空间光调制器作为所述空间光调制器。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括提供模拟空间光调制器作为所述空间光调制器。
28.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括提供数字空间光调制器作为所述空间光调制器。
29.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括提供二进制空间光调制器作为所述空间光调制器。
30.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括提供模拟空间光调制器作为所述空间光调制器。
31.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括产生包括64个灰度级的灰度级图形。
32.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括产生包括128个灰度级的灰度级图形。
33.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括产生包括256个灰度级的灰度级图形。
34.如权利要求27所述的系统，其特征在于，增加灰度级的数量。
35.如权利要求30所述的系统，其特征在于，进一步包括使用所述模拟空间光调制器来增加灰度级的数量。
全文摘要
无掩模微影术系统和方法在物体上产生灰度级图形。系统包括照明源(例如脉冲或有效连续)、包括曝光区阵列的物体、空间光调制器(例如数字、二进制或模拟)阵列以及控制器。空间光调制器阵列使来自照明源的光成形和引导到物体。每个空间光调制器具有分别对应于物体上的曝光区的有源区。控制器控制空间光调制器阵列，以便光图形具有空间可变强度。
文档编号G03F7/20GK1573562SQ200410047668
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月29日
发明者所罗门·S·沃瑟曼, 温斯莱奥·A.·切布海尔, 贾森·D·亨特斯坦, 杰拉尔德·T·沃尔皮 申请人:Asml控股股份有限公司