专利名称：数字光刻技术的相位控制和补偿方法
技术领域：
本发明涉及光刻技术领域，具体的说，涉及在晶片，印刷电路板、掩膜板、平板显示器、生物晶片、微机械电子晶片、光学玻璃平板等衬底上印刷构图的方法。
背景技术：
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。这样的衬底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器(例如液晶显示器)、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的基片。经常使用的基片为表面图有光敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。
在光刻过程中，晶片放置在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。尽管在光刻过程中使用了投影光学装置，还可依据具体应用，使用不同的类型曝光装置。例如X射线、离子、电子或光子光刻的不同曝光装置，这已为本领域技术人员所熟知。
半导体行业使用的传统分步重复式或分步扫描式光刻工具，将分划板的特征构图在各个场一次性的投影或扫描到晶片上，一次曝光或扫描一个场。然后通过移动晶片来对下一个场进行重复性的曝光过程。传统的光刻系统通过重复性曝光或扫描过程，实现高产出额的精确特征构图的印刷。
为了在晶片上制造器件，需要多个分划板。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差需求的原因，这些分划板对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使利用分划板的传统晶片光刻制造成本越来越高，非常昂贵。
无掩膜(如直接写或数字式等)光刻系统相对于使用传统分划板的方法，在光刻方面提供了许多益处。无掩膜系统使用空间图形发生器(SLM)来代替分划板。SLM包括数字微镜系统(DMD)或液晶显示器(LCD)，SLM包括一个可独立寻址和控制的象素阵列，每个象素可以对透射、反射或衍射的光线产生包括相位、灰度方向或开关状态的调制。
传统的光刻图象的制造使用以特定的图象编码的分划板，产生一定的空间光强和相位的调制，聚焦光然后通过分划板投射到光敏感元件上。每一个分划板配置成一个单一的图象。
在无掩膜的光刻系统中，特征图形由空间微反射镜阵列产生，这些微小镜面可以独立寻找址单独受控以不同的倾斜方向反射照射的光束，以产生空间光强调制。通过光学投影元件，这些空间微镜阵列以一定的放大倍率M(通常M＜1)投影到光敏感元件的衬底上，产生特征的构图。
无掩膜光刻相对于使用常规分划板的传统光刻方式有许多的优点。无掩膜光刻系统的最大好处之一是使用可独立寻址编程的掩膜来实现多重光刻图形的能力。如在本领域中已知的无掩膜分划板包括一个空间微反射镜阵列，例如US6,133,986中记载的一种采用微透镜阵列的显微镜和光刻系统。更多的反射镜阵列的信息还可以从例如美国专利US5,296,891，美国专利US5,523,193中获得，这些文献在这里引入作为参照。
这些系统中，由于相邻微反射镜之间的空气间隙，或者微透镜阵列产生的二次成像光点的间距，在光敏感元件上难以一次性地曝光产生连续无缝隙的特征图形。为了产生连续光滑的图形，这些直写光刻系统需要做连续扫描，或者重复性的重叠曝光的方式。这带来了一些问题，例如增加了扫描或曝光的时间，对于精密平移平台的小距离移动控制和连续移动的控制难度要求加大。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种采用空间微反射镜阵列的数字光刻技术的相位控制和补偿方法，以产生无间隙的连续曝光图形，而避免了直写光刻系统需要做的连续扫描，或者重复性的重叠曝光的方式，从而提高了曝光效率，减小了精密平移平台的小距离移动控制和连续移动的控制难度。
本发明的技术方案如下数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于是通过一种提供入射光束的光源，经过光学集光系统将一束倾斜平行光照射到空间微反射镜阵列上，空间微反射镜阵列由计算机控制，使其上的各个微反射镜产生不同的对应倾斜，当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入远心结构的投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离远心结构的投影光学系统；通过对反射光进行相位调制，使投影光学系统产生一定的空间调制图形，在位于移动平台上光敏感元件衬底上进行曝光，实施光刻时无间隙连续曝光图形；所述的通过对反射光进行相位调制是指设定光源的入射角度为θ，是空间微反射镜阵列上的微反射镜的倾斜角的二倍，相邻的微反射镜的反射光之间存在一个相位差ΔΦ，ΔΦ＝Psinθ/λ；其中P是微反射镜阵列沿照射光源方向的空间排列周期，λ是入射光束的波长；通过设置和/或改变微反射镜阵列照射光源方向的相应的入射角度和光源波长，使得所述的相位差ΔΦ为整数，相邻微反射镜的反射光之间为同相位，相邻微反射镜的反射光之间相互叠加。
所述的空间微反射镜阵列由可编程图形发生器、或者具有可独立寻址的单独切换的元件、或者空间光调制器代替。
数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于是通过一种提供入射光束的光源，经过光学集光系统将一束倾斜的平行光照射到空间微反射镜阵列上，空间微反射镜阵列由计算机控制，使其上的各个微反射镜产生不同的对应倾斜，当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入远心结构的第一投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离远心结构的第一投影光学系统；从第一投影光学系统出射的光经过空间相位调制器进行相位补偿后，再经过远心结构的第二投影光学系统，产生一定的空间调制图形，在位于移动平台上光敏感元件衬底上进行曝光，实施光刻时无间隙连续曝光图形；微反射镜阵列上的每一个象素与空间相位调制器上的每一个象素形成一对一的对应关系。
所述的光学集光系统是一个凸透镜，或者能产生平行光的一个或多个反射和/或折射的光学器件。
所述的空间反射微镜阵列，它具有可寻址的独立转换控制单元，形成空间光调制器；光学投影系统将图象阵列投射到光敏感元件衬底上。
微反射镜阵列、空间相位调制器使用不同种产品时，其象素对应的关系还是一对一的成象关系，微反射镜阵列上的每一个象素通过第一投影光学系统都成象到空间相位调制器上对应的象素的位置上。微反射镜阵列、空间相位调制器的象素大小对应关系，由第一投影光学系统的放大倍率来匹配。
照射光源将基本上准直的照射光来发送到形成空间光调制器的微反射镜阵列上。微反射镜阵列是一个可编程控制的独立寻址的数字反射镜器件(例如得州仪器的DMD)，上面每一个微反射镜有两种工作状态，正反向各倾斜12度或10度(取决于DMD器件的型号)。当微反射镜正向倾斜12度时，照射到该微反射镜的光线被反射进入光学投影系统，投影到光敏感元件表面相对应的成像位置进行曝光。由于照射光源的入射角度θ(24度)要求和微反射镜的倾斜角(12度)成两倍的关系，相邻的微反射镜的反射光之间将存在一个相位差ΔΦ，ΔΦ＝Psinθ/λ；其中P是微反射镜阵列沿照射光源方向的空间排列周期，θ是照射光源的入射角度，λ是入射光源的波长。相对于不同的微反射镜阵列具有不同的沿照射光源方向的空间排列周期，通过设置和/或改变相应的入射角度和光源波长，使得相邻微反射镜的反射光之间的相位关系可以被控制和改变。当相邻微反射镜的反射光之间的相位差ΔΦ是整数时，相邻微反射镜的反射光之间是同相位，相邻微反射镜的反射光之间可以相互叠加，即实现无间隙连续曝光图形。
在相邻微反射镜的反射光之间的相位差ΔΦ不是整数时，相邻微反射镜的反射光之间是异相位，相邻微反射镜的反射光之间将会相互抵消，产生不连续的曝光图形。在这种情形下，可以采用下述方法以达到发明目的微反射镜阵列上的空间调制光被首先投影到第一、第二光学投影系统之间的空间相位调制器上。微反射镜阵列上的每一个象素与空间相位调制器上的每一个象素形成一对一的对应关系。空间相位调制器是空间相位分布的象素阵列，它可以是一个固定的常规分划版，对每一个象素产生所设计的一个固定相位变化。空间相位调制器还可以是一个数字式相位调制器，例如空间反射式微机械器件，或者液晶相位调制器，更多的空间相位调制器信息还可以从例如专利99803477.0等文献中获得。当微反射镜阵列上的空间调制光被首先投影到第一、第二光学投影系统之间的空间相位调制器上，相邻的微反射镜的反射光之间将存在原来在微反射镜阵列上固有的一个相位差ΔΦ，空间相位调制器上相对应的相邻的象素可以被设计或数字式地被调制为一个负相位差-ΔΦ，使得透过空间相位调制器上的图形被相位补偿，相邻的象素上的透射光相位差为零。然后再被第二光学投影系统投射到所述的光敏感元件上，实现无间隙连续曝光图形。
图1所示具有空间微反射镜阵列的数字光刻技术装置的示意图。
图2所示具有第二光学投影系统的具有空间相位调制器的光刻技术装置的示意图。
图3图3(a)示出一个示意性的1x8微反射镜阵列；图3(b)为在光学敏感元件衬底上形成的无间隙连续曝光图形；图3(c)为在光学敏感元件衬底上形成的不连续曝光图形。
具体实施例方式实施例1图1示出了一种具有空间微反射镜阵列的数字光刻装置。该装置包括●一个用于提供照射光束的光源1，优选为发光二极管的照射光源，●一个用于提供照射光束的光学集光系统2，图中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。同样的理解适用于所有的图片中所示的光学器件。
●一个可编程的图形发生器3，优选为空间微反射镜阵列，他具有可独立寻址的单独切换的元件。
●一个采用远心结构的投影光学系统4，5，图中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。
●一个精密移动平台7，用以承载光敏感元件6。
光源1产生的照射光束，经过光学集光系统2的聚光，均匀后投射到空间微反射镜阵列3上。光源1和光学集光系统2可以包括用于收集照射光础的聚光器，还包括用于设置光束强度分布的调整装置，例如积分器，复眼。通过这种方式，入射到空间微反射镜阵列上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。
图1示意性的示出照射光束以设定的入射角直接照射到空间微反射镜阵列上，但是本领域的技术人员应理解，照射光束也可以被一个或多个的反射和/或折射光学器件发生偏转，然后再投射到空间微反射镜阵列3上，例如使用全反射棱镜(TIR)，以改变光路的几何结构，节省几何分布的空间，同时满足入射到空间微反射镜阵列上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。
空间微反射镜阵列3由计算机控制，使各个微反射镜产生不同的对应倾斜。当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离投影光学系统。通过对反射光进行调制，使投影光学系统产生一定的空间调制图形。
空间调制图形经过投影光学系统以一定的放大倍率M投射到光敏感元件表面。图1所示的放大倍率M＜1，但本领域的技术人员也理解放大倍率M可以在不同的应用中采取M＞1的选择。为了在光敏感元件6表面产生连续的无间隙图形，投影光学系统产生的光敏感元件表面投影分辩率于空间微反射镜阵列的象素投影图形有相当的大小，从而模糊空间微反射镜阵列的象素之间的间隙的影响。
由于照射光源的入射角度θ要求和微反射镜的倾斜角成两倍的关系，相邻的微反射镜的反射光之间将存在一个相位差ΔΦ，ΔΦ＝P sinθ/λ；其中P是微反射镜阵列沿照射光源方向的空间排列周期，θ是照射光源的入射角度，λ是入射光源的波长。
相对于不同的微反射镜阵列具有不同的沿照射光源方向的空间排列周期，通过设置和/或改变相应的入射角度和光源波长，相邻微反射镜的反射光之间的相位关系可以被控制和改变。在相邻微反射镜的反射光之间的相位差ΔΦ是整数时，相邻微反射镜的反射光之间是同相位，相邻微反射镜的反射光之间相互叠加，以实现无间隙连续曝光图形，如附图3-3(b)所示。例如使用395纳米的发光二极管，对应于得州仪器的一例微反射镜阵列(DMD)，照射光源的入射角度θ＝24度，沿照射光源方向的空间排列周期P＝9。67微米，相位差ΔΦ是整数，相邻微反射镜的反射光之间是同相位，相邻微反射镜的反射光之间相互叠加，产生连续的曝光图形。
附图3(a)示出一个示意性的1x8微反射镜阵列，分别用0/1表示了微反射镜的倾斜状态。0表示微反射镜的反向倾斜状态，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离投影光学系统，投影到光敏感元件表面的象素投影位置没有曝光能量。1表示微反射镜的正向倾斜状态，照射到对应的微反射镜上的光束被反射进入投影光学系统，投影到光敏感元件表面的象素投影位置产生曝光能量。
相邻微反射镜的反射光之间的相位差ΔΦ是整数时，相邻微反射镜的反射光之间是同相位，相邻微反射镜的反射光之间相互叠加，以实现无间隙连续曝光图形，如附图3(b)所示。
相邻微反射镜的反射光之间的相位差ΔΦ不是整数时，相邻微反射镜的反射光之间是异相位，相邻微反射镜的反射光之间相互抵消，产生不连续的曝光图形，如附图3(c)所示。例如在上例的微反射镜阵列(DMD)，照射光源的入射角度θ＝24度，沿照射光源方向的空间排列周期P＝9。67微米，如果对照射光源的波长调整为405纳米，对应的相位差ΔΦ不是整数，相邻微反射镜的反射光之间是异相位，相邻微反射镜的反射光之间相互抵消，产生不连续的曝光图形。
实施例2图2示出了本发明的具有第二光学投影系统的带有空间相位调制器的数字光刻装置。该装置包括●一个用于提供照射光束的光源1，优选为发光二极管的照射光源，●一个用于提供照射光束的光学集光系统2，图中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。同样的理解适用于所有的图片中所示的光学器件。
●一个可编程的图形发生器3，优选为空间微反射镜阵列，它具有可独立寻址的单独切换的元件。
●第二个空间相位调制器10，它可以是一个固定的常规相位分划版，也可以是一个数字式相位调制器，例如空间反射式微机械器件，或者反射或透射式的液晶相位调制器。
●一个采用远心结构的投影光学系统4，5，图中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。
●一个采用远心结构的第二光学投影系统8，9，图中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。
●一个精密移动平台7，用以承载光敏感元件6。
光源1产生的照射光束，经过光学集光系统2的聚光，均匀后投射到图形发生器3上。光学集光系统2和光源1可以包括用于收集照射光础的聚光器，还包括用于设置光束强度分布的调整装置，例如积分器，复眼。通过这种方式，入射到图形发生器上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。
本领域的技术人员应理解，照射光束也可以被一个或多个的反射和/或折射光学器件发生偏转，然后再投射到图形发生器3上，例如使用全反射棱镜(TIR)，以改变光路的几何结构，节省几何分布的空间，同时满足入射到图形发生器上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。
可编程的图形发生器3(空间微反射镜阵列)由计算机控制，使各个微反射镜产生不同的对应倾斜。当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离投影光学系统。通过对反射光进行调制，使投影光学系统产生一定的空间调制图形。可编程的图形发生器3也可以使用具有同样功能的空间光调制器，例如液晶显示器(LCD)。
空间调制图形经过第二投影光学系统8，9以一定的放大倍率投影到第二个空间相位调制器上。微反射镜阵列上的每一个象素与第二个空间相位调制器上的每一个象素形成一对一的对应关系。第二个空间相位调制器的对图形发生器3产生的图形进行相位补偿以后，再被光学投影系统4，5以一定的放大倍率M投射到所述的光敏感元件上，实现无间隙连续曝光图形。图2所示的放大倍率M＜1，但本领域的技术人员也理解放大倍率M可以在不同的应用中采取M＞1的选择。
权利要求
1.数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于是通过一种提供入射光束的光源，经过光学集光系统将一束倾斜平行光照射到空间微反射镜阵列上，空间微反射镜阵列由计算机控制，使其上的各个微反射镜产生不同的对应倾斜，当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入远心结构的投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离远心结构的投影光学系统；通过对反射光进行相位调制，使投影光学系统产生一定的空间调制图形，在位于移动平台上光敏感元件衬底上进行曝光，实施光刻时无间隙连续曝光图形；所述的通过对反射光进行相位调制是指设定光源的入射角度为θ，是空间微反射镜阵列上的微反射镜的倾斜角的二倍，相邻的微反射镜的反射光之间存在一个相位差ΔΦ，ΔΦ＝P sinθ/λ；其中P是微反射镜阵列沿照射光源方向的空间排列周期，λ是入射光束的波长；通过设置和/或改变微反射镜阵列照射光源方向的相应的入射角度和光源波长，使得所述的相位差ΔΦ为整数，相邻微反射镜的反射光之间为同相位，相邻微反射镜的反射光之间相互叠加。
2.根据权利要求1所述的数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于所述的空间微反射镜阵列由可编程图形发生器、或者具有可独立寻址的单独切换的元件、或者空间光调制器代替。
3.数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于是通过一种提供入射光束的光源，经过光学集光系统将一束倾斜的平行光照射到空间微反射镜阵列上，空间微反射镜阵列由计算机控制，使其上的各个微反射镜产生不同的对应倾斜，当微反射镜处于正向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并进入远心结构的第一投影光学系统；当微反射镜处于反向倾斜时，照射到对应的微反射镜上的光束被反射并以大角度偏离远心结构的第一投影光学系统；从第一投影光学系统出射的光经过空间相位调制器进行相位补偿后，再经过远心结构的第二投影光学系统，产生一定的空间调制图形，在位于移动平台上光敏感元件衬底上进行曝光，实施光刻时无间隙连续曝光图形；微反射镜阵列上的每一个象素与空间相位调制器上的每一个象素形成一对一的对应关系。
4.根据权利要求3所述的数字光刻技术的相位控制和补偿方法，其特征在于所述的光学集光系统是一个凸透镜，或者能产生平行光的一个或多个反射和/或折射的光学器件。
全文摘要
本发明涉及到一种用来在空间微反射镜阵列(DMD)数字光刻技术中的相位控制和补偿技术，具体是一种数字光刻技术的相位控制和补偿方法，该技术通过对相邻微反射镜的光信号相位的控制和补偿来实现无间隙的投影图形。该技术包含照射光源，至少一个的空间微反射镜阵列，一个光学投影器件和光敏感元件。它还包含将驱动信号传送到空间微镜阵列的电子数据处理和发送系统，用来移动所述工件的精密机械系统，以及对相位进行补偿的相位调制阵列和相关的控制系统。
文档编号G03F7/20GK101093360SQ20071002275
公开日2007年12月26日 申请日期2007年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者刘文海, 刘军, 胡亦宁, 杨丹宁 申请人:芯硕半导体(合肥)有限公司