用于印制周期图案的方法和设备

摘要

一种用于印制特征的图案的方法包括下列步骤：提供其上设置了记录层的衬底；提供具有特征的周期图案的掩模；将衬底排列成平行于掩模并且带有具有初始值的间隔；提供用于以单色光的强度来照射掩模以生成用于对记录层进行曝光的透射光场并且在通过具有预期值的距离和以间隔变化率来改变间隔的同时将掩模照射某个曝光时间的照射系统，其中间隔变化率和光线强度中的至少一个在间隔变化期间改变，由此掩模通过随所述距离而改变的间隔每一递增变化上的能量密度来照射。

权利要求

1.一种用于印制特征的图案的方法，包括下列步骤：

a)提供其上设置了记录层的衬底；

b)提供具有特征的周期图案和特征的准周期图案中的至少一个的掩模；

c)将所述衬底排列成与所述掩模基本上平行并且具有第一预期值的初始间隔；

d)提供用于采用基本上单色并且基本上准直的光线来照射所述掩模的照射系统，所述光线具有某个强度，使得由所述掩模所透射的光场对所述记录层进行曝光；以及e)将所述掩模照射某个曝光时间，同时以间隔变化率来将所述间隔改变第二预期值，其中所述间隔变化率和所述光线强度中的至少一个随间隔变化而改变，使得所述掩模通过随变化间隔而改变的间隔每一递增变化上的能量密度来照射；

由此，在所述记录层中印制的所述图案对所述初始间隔与所述第一预期值的偏差以及对所述间隔变化与所述第二预期值的偏差具有低敏感性。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔每一递增变化上的能量密度随所述间隔变化而改变至少50％。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述透射光场形成分隔塔尔博特距离的多个自映像平面，以及所述间隔变化大于所述塔尔博特距离。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述透射光场形成间隔塔尔博特距离的多个自映像平面，以及随所述间隔变化的所述间隔每一递增变化上的能量密度的变化具有大于所述塔尔博特距离的一半的半峰全宽。

5.如权利要求1所述的方法，其中，随所述间隔变化的所述间隔每一递增变化上的能量密度的变化基本上对应于截取高斯分布、截取正弦分布和三角分布其中之一。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔连续改变，以及所述间隔变化率表示所述掩模或衬底的位移速度。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔通过一系列步骤以某个步进距离和步进频率来改变，并且在改变所述间隔变化率的情况下，所述步进距离和步进频率中的至少一个随所述间隔变化而改变。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述光线强度随所述间隔变化而连续改变。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔变化率基本上是恒定的，以及所述光线的瞬时强度按上限值与下限值之间的间隔递增变化来改变多次，并且其中每个间隔递增变化期间的强度对应于所述时间平均值。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔在所述照射期间随所述间隔变化而改变多次，以及所述间隔变化率和所述光线强度中的至少一个在每个所述间隔变化期间改变。

11.如权利要求1所述的方法，其中，还采用计算机模拟来确定随变化间隔的间隔每一递增变化上的能量密度的所需变化。

12.一种用于印制特征的图案的设备，包括：

a)衬底，其上设置了记录层；

b)掩模，具有特征的周期图案和特征的准周期图案中的至少一个；

c)用于将所述衬底排列成与所述掩模基本上平行并且具有第一预期值的初始间隔的部件；

d)照射系统，用于采用基本上单色并且基本上准直的光线来照射所述掩模某个曝光时间，所述光线具有某个强度，使得由所述掩模所透射的光场对所述记录层进行曝光；

e)用于以间隔变化率来将所述间隔改变第二预期值的部件；以及

f)用于在所述掩模的照射期间改变所述间隔变化率和所述光线强度中的至少一个以使得所述掩模通过随变化间隔以基本上渐进的方式而改变的间隔每一递增变化上的能量密度来照射的部件；

由此，在所述记录层中印制的所述图案对所述初始间隔与所述第一预期值的偏差以及对所述间隔变化与所述第二预期值的偏差具有低敏感性。

13.如权利要求12所述的设备，其中，改变部件包括用于以可变速度或者通过一系列步骤以随所述变化间隔而改变的步骤间时间间隔来改变所述间隔的致动器。

14.如权利要求12所述的设备，其中，所述照射系统包括发射具有功率的输出射束的光源，以及改变部件改变所述输出射束的功率。

15.如权利要求12所述的设备，其中，所述照射系统包括用于改变照射所述掩模的所述光线强度的可变衰减器。

16.如权利要求12所述的设备，其中，所述掩模中的特征的周期和准周期图案中的至少一个在透明衬底上的不透明材料层和相移材料层的至少一个中形成。

17.如权利要求12所述的设备，其中，特征的周期和准周期图案中的至少一个沿至少一个方向是周期性的。

18.如权利要求12所述的设备，其中，所述掩模具有多个周期子图案，其中的至少一个具有第一周期，以及其中的至少一个具有第二不同周期。

19.如权利要求12所述的设备，其中，所述掩模中的所述周期图案具有沿第一方向定向的光栅矢量，以及所述掩模具有至少一个附加周期图案，所述至少一个附加周期图案具有沿第二不同方向所定向的光栅矢量。

20.如权利要求12所述的设备，其中，所述照射系统产生光束，并且包括用于跨所述掩模扫描所述光束的扫描系统。

说明书

用于印制周期图案的方法和设备

技术领域

[0001] 一般来说，本发明涉及如用于制作微结构和纳米结构的光刻的领域，以及具体来说，涉及基于塔尔博特效应的光刻的领域。

背景技术

[0002] 光刻制作实现表面上的微图案和纳米图案的形成。光刻技术通过以对应于预期图案的强度分布将光敏表面暴露于光场来实现这个方面。光敏表面通常是直接涂敷在衬底表面上或者间接涂敷在其它材料的中间层之上的诸如光致抗蚀剂之类的感光材料薄层。光敏层中因曝光而发生的化学或物理变化在后续过程中用于得到衬底的材料中或者另一种材料的中间层中的预期图案。在最常用的光刻技术中，掩模中定义的图案的图像使用光学系统来投影到衬底表面上。

[0003] 对于许多应用，要求包括在一维或二维中重复的图案特征的单胞的图案，即周期图案。一种用于将这类图案从掩模转移到衬底的专用光刻技术基于塔尔博特效应。当掩模中定义的周期图案采用准直单色光束来照射时，透射光场中的衍射级在所谓的塔尔博特平面中以离掩模的规则的距离来重构图案的“自映像”。对于线性光栅，称作塔尔博特距离的自映像的间隔S通过下式与照射波长λ以及图案的周期p相关

[0004] S≈2p2/λ 等式(1)

[0005] 虽然这个公式在p>>λ时(即，当光线以较小角度衍射时)具有良好精度，但是其近似程度在p的幅度接近λ时不太好。将涂敷光致抗蚀剂的衬底定位在这些平面之一导致掩模图案印制到光致抗蚀剂中(参见例如C.Zanke等人的“Large area patterning for photonic crystals via coherent diffraction lithography”(J.Vac.Sci.Technol.B 22，3352(2004)))。此外，在自映像平面之间的中间距离，形成具有比掩模中的图案更高的空间频率的塔尔博特子图像，它们可通过将涂敷光致抗蚀剂的衬底放置在这些分数塔尔博特平面之一来印制。当掩模图案的占空比(即，作为特征周期的分数的特征的维度)选择成产生塔尔博特或分数塔尔博特平面中的强度分布的高对比度时，使用这些技术所实现的印制结果得到改进(参见美国专利No.4360586)。在现有技术中还已知，塔尔博特图像的对比度能够通过使用相移材料制作掩模中的周期图案来进一步增强。鉴于常规投影类型光刻系统对于这类图案的高成本，使用塔尔博特成像的光刻对于印制高分辨率周期图案是特别有利的。

[0006] 但是，塔尔博特技术的一个主要缺点在于，自映像和子图像的强度分布对于离掩模的距离极为敏感，即，它们具有极窄的景深。这意味着，衬底需要相对掩模极准确地定位，以便正确印制光栅。这随着光栅周期降低而变得越来越困难，因为自映像和子图像的景深取决于图案周期的平方。此外，如果图案需要印制到不是非常平坦的衬底表面上，或者如果其表面上存在地形结构或者图案需要印制到厚光致抗蚀剂层中，则也许不能取得预期结果。

[0007] 无色塔尔博特光刻最近作为用于以节省成本的方式来印制高分辨率周期图案的改进方法而引入(参见H.H.Solak等人的“Achromatic Spatial Frequency Multiplication：A Method for Production of Nanometer-Scale Periodic Structures”(J.Vac.Sci.Technol.，23，第2705-2710页(2005))以及美国专利申请no.2008/0186579)。它为光刻应用提供两个显著优点：首先，它克服了使用传统塔尔博特方法所遭遇的景深问题；以及其次，对于许多图案类型，它执行空间频率乘法，也就是说，它相对掩模中的图案的分辨率来增加印制特征的分辨率。在无色塔尔博特光刻(ATL)中，掩模采用来自光源的具有宽谱带宽的准直射束来照射，以及在离掩模的某个距离之外，透射光场形成所谓的静止图像，其强度分布随距离的进一步增加而保持不变。在线性光栅的情况下，这会发生的离掩模的最小距离dmin通过下式与掩模中的图案的周期p以及与照射的谱带宽Δλ相关：

[0008] dmin≈2p2/Δλ 等式(2)

[0009] 在这个距离之外，不同波长的塔尔博特图像平面随着离掩模的距离增加按照连续方式来分布，这生成静止图像。因此，通过将涂敷光致抗蚀剂的衬底放在这个区域中使衬底暴露于特定波长的连续塔尔博特平面之间所形成的整个范围的横向强度分布。因此，印制到衬底上的图案是这个范围的横向强度分布的平均或积分，这对衬底相对掩模的纵向位移基本上不敏感。因此，该技术实现比标准塔尔博特成像要大得多的景深以及比采用常规投影接近或接触印刷要大得多的景深。

[0010] 来自特定掩模图案的ATL图像中的强度分布可使用模拟通过掩模和掩模之后的电磁波的传播的建模软件来确定。这类模拟工具可用于优化掩模中的图案的设计，以用于在衬底表面得到特定印制的图案。

[0011] ATL方法主要开发用于印制包括沿至少一个方向以恒定周期重复的单胞的周期图案。但是，该技术也可成功地应用于其周期在空间上以充分“缓慢”的渐进方式跨掩模而改变的图案，使得形成静止图像的特定部分的衍射级由掩模中周期基本上是恒定的一部分来生成。这类图案可描述为准周期性的。

[0012] ATL的缺点在于，它要求具有相当大的谱带宽的光源，以便掩模与衬底之间所需的间隔不会不利地大。从掩模传播的不同衍射级的角偏向在衬底表面产生不同级之间的空间偏移，从而引起在图案边缘的不完善图像重构，这随着增加的间隔而变得更糟。在衍射级的边缘的菲涅耳衍射还使印制图案的边缘劣化，并且这同样随着增加的间隔而变得更糟。由于这些原因，具有较小谱带宽的激光源在大多数情况下不适合于ATL。

[0013] 将诸如弧光灯或发光二极管之类的非激光源应用于ATL的困难之处在于得到用于确保生产过程的高吞吐量的曝光射束中的高功率以及用于确保高对比度成像并且使特征分辨率的损失为最小的良好射束准直的组合。得到来自非激光源的良好准直要求输出射束的空间过滤，这一般引起大的功率损耗。

[0014] ATL技术的优点可使用在美国专利申请no.2008/0186579中公开的不同但相关的技术来得到。在这个方案中，掩模中的周期图案通过准直单色光束来照射，以及在曝光期间，衬底离掩模的距离随着与连续塔尔博特图像平面之间的间隔的整数倍对应的范围而改变，以便在衬底上印制塔尔博特平面之间的强度分布的平均。因此，可采用的最小位移等于连续塔尔博特平面的间隔(当整数＝1时)。在曝光期间采用这个位移，在衬底上印制的图案基本上与使用ATL技术所印制的相同。公开了可通过对该范围在多个离散位置对衬底曝光以连续或离散方式来执行位移。使用连续位移，位移的速度必然是恒定的，以便得到横向强度分布的预期平均，并且使用离散或步进位移，在每个离散位置的曝光剂量由于相同原因而应当必然相同。该一般技术可称作位移塔尔博特光刻(DTL)。

[0015] 虽然在衬底使用ATL和DTL技术所生成的积分强度分布基本上是等效的，并且两者均实现印制图案的大景深和空间频率乘法，但是DTL方案具有能够与衬底和掩模的小得多的间隔配合使用的优点。这降低图案边缘的劣化，并且由于对准直的不太严格要求而允许更有效利用来自光源的输出。此外，DTL技术实现激光源的使用，这可优选用于生产过程。来自这类源的光线能够形成为具有可忽略功率损失的完全准直射束，因此使特征分辨率的损失为最小并且使图像对比度为最大。

[0016] 使用DTL从特定掩模图案所印制的图案的结构在理论上也可使用模拟软件来确定。

[0017] 现有技术还提到，DTL、如同ATL一样可应用于准周期图案，尽管没有公开其细节、限制和缺点。

[0018] DTL技术的缺陷在于，在曝光期间衬底相对于掩模的纵向位移必须准确地对应于塔尔博特距离的整数倍。当位移正好是整数倍时，对衬底进行曝光的积分强度分布与衬底和掩模的初始间隔无关，并且因此产生衬底上的图案特征的均匀曝光，即使掩模和衬底不是完全平坦和平行的。另一方面，如果位移由于例如位移致动器的机械滞后或者有限步进分辨率或者由于照射系统的曝光的时长与衬底的位移之间的不精确同步而不是塔尔博特距离的正好整数倍，则积分强度分布取决于初始间隔。在这种情况下，如果掩模和衬底不是准确平坦和并行的，则将特征大小的空间变化引入印制图案中；或者如果掩模和衬底是准确平坦和平行但其间隔对于不同衬底是不同的，则印制特征的大小随衬底不同而有所不同；两者对于某些应用均可能成问题。印制特征大小对掩模和衬底的间隔的这些敏感性可通过将衬底相对于掩模纵向位移大量塔尔博特距离来降低，但是这会引入其它问题，例如特征分辨率的劣化(如果照射束没有完全准直)、特征形状的失真(如果位移方向不是准确纵向)、图案边缘的劣化(如果间隙变得过大)，并且不利地要求用于将衬底进行移位的机械子系统的较大行程范围以及对于给定曝光时间的较高位移速度。

[0019] 在安排纵向位移准确地对应于塔尔博特距离的整数倍的方面的另一个困难在于，在一般情况下，透射光场沿垂直于掩模的方向不是完全周期性的，如下面对于一维和二维图案的两个特定示例所述。在一维周期图案、即线性光栅的情况下，如果光栅周期相对照射波长使得只有第零和第一衍射级在透射光场中传播，则所产生干扰图案沿垂直于掩模的方向是完全周期性的(忽略在掩模图案的边缘的效应)，并且自映像平面是明确定义的并且间隔正好塔尔博特距离。但是，如果光栅的周期相对波长使得第二以及可能更高衍射级也传播，则在自映像平面更高级的相位(如第零和第一级所定义)与掩模的平面中不完全相同，以及因此自映像没有准确形成，并且透射光场沿垂直于掩模的方向不是完全周期性的。对于更高衍射级，因此不可能采用现有技术的DTL教导来避免积分强度分布对衬底与掩模之间的间隔的初始值的某种相关性，这使得难以均匀且可再现地印制图案。在二维周期图案的情况下，在沿垂直于掩模的方向得到完全周期光场方面存在其它困难。例如，如果沿垂直方向的图案分量的周期是不同的，则与相应组件相关的塔尔博特距离也是不同的，并且因此在一般情况下，透射光场随传播方向的任一个塔尔博特距离不会是周期性的。在另一个示例中，如果图案特征排列在正方网格上(使得两个方向的图案分量的周期相同)，并且图案周期选择成使得只有包括对角线衍射(±1,±1)级的第一衍射级在透射光场中传播，则与对角线衍射级关联的不同塔尔博特距离也使沿垂直于掩模的方向的光场的周期性劣化。

[0020] 现有技术的位移塔尔博特光刻教导的又一些困难在于它对其周期不是均匀的而是对图案区域缓慢改变的准周期图案以及对由具有多个不同子图案周期的子图案组成的掩模图案的应用。对于这类图案，不可能照射完整图案并且将衬底相对于掩模移位同时满足不同周期的塔尔博特距离的正好整数倍；以及因此，由于先前所述的原因，不可能均匀地印制这类图案。

发明内容

[0021] 因此，本发明的第一目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于在无需衬底相对于掩模移位与塔尔博特距离的整数倍准确对应的距离的情况下从掩模中的图案将特征的周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备。

[0022] 本发明的第二目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于从掩模中的图案将特征的周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备，该方法和设备不要求衬底相对掩模的比塔尔博特距离要大某个大因子的相对位移以便不会不可接受地使印制特征的分辨率、印制特征的形状和图案边缘的清晰度中的任一个劣化。

[0023] 本发明的第三目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于从其周期相对于照射的波长使得第二或更高衍射级在掩模所透射的光场中生成的一维掩模图案将特征的一维周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备。

[0024] 本发明的第四目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于从其不同方向的周期不相同或者生成对角线衍射级的二维掩模图案将特征的二维周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备。

[0025] 本发明的第五目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于从其周期跨掩模连续或逐步改变的掩模图案将特征的周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备。

[0026] 本发明的第六目的是提供与位移塔尔博特光刻相关的用于从掩模图案将特征的周期图案均匀且可再现地印制到衬底上的方法和设备，该方法和设备不要求照射系统进行的曝光与衬底或掩模的位移之间的精确同步。

[0027] 按照本发明的第一方面，提供一种用于印制特征的第一周期图案和特征的第一准周期图案中的至少一个的方法，包括下列步骤：

[0028] a)提供其上设置了记录层的衬底；

[0029] b)提供具有特征的第二周期图案和特征的第二准周期图案中的至少一个的掩模；

[0030] c)将衬底排列成与掩模基本上平行并且具有第一预期值的初始间隔；

[0031] d)提供用于采用具有使得由掩模所透射的光场对记录层进行曝光的强度的基本上单色并且基本上准直的光线来照射掩模的照射系统；以及

[0032] e)将掩模照射某个曝光时间，同时以间隔变化率来将间隔改变第二预期值，其中间隔变化率和光线强度中的至少一个在间隔变化期间改变，使得掩模通过随变化间隔而改变的间隔每一递增变化上的能量密度来照射；

[0033] 由此，在记录层中印制的图案对初始间隔与第一预期值的偏差以及对间隔变化与第二预期值的偏差具有低敏感性。

[0034] 最优选地，间隔每一递增变化上的曝光密度按照基本上渐进的方式随位移距离而改变。

[0035] 优选地，间隔每一递增变化上的曝光密度随间隔变化而改变至少50％，以及最优选地改变至少80％。

[0036] 最优选地，间隔每一递增变化上的曝光能量密度随间隔变化的变化具有是塔尔博特距离的至少0.8倍的半峰全宽(FWHM)，但是备选地可使用下至塔尔博特距离的一半的较小值，特别是在对于所涉及的特定应用能够容许印制图案的均匀性和可再现性的某种劣化时。又最优选地，变化的全宽度应当是两倍塔尔博特距离的至少0.8倍，但是类似地，下至塔尔博特距离的较小值备选地可用于要求不高的应用。

[0037] 有利地，间隔每一递增变化上的能量密度随间隔变化的变化基本上对应于截取高斯分布、截取正弦分布和三角分布其中之一，但是备选地可采用与所述分布的至少一个相似的分布。

[0038] 有利地，掩模和晶圆的间隔随间隔变化而以恒定速度连续地改变，或者在间隔变化率在间隔变化期间改变的情况下，通过改变掩模和晶圆中的至少一个的位移速度来改变。

[0039] 备选地，掩模和晶圆的间隔可通过按照对间隔变化的一系列较小步骤改变间隔，以离散方式来改变，其中间隔对于连续步骤之间的时间周期保持恒定。对于这种步进方案，间隔每一递增变化上的能量密度表示每步的能量密度。在间隔变化率随变化间隔而改变的情况下，它可通过使用恒定步进距离并且改变步骤的频率或者通过使用恒定步进频率并且改变步进距离来得到。

[0040] 在照射强度在变化间隔期间改变的情况下，它可通过改变射束的瞬时强度或者在采用脉冲曝光时通过调制脉冲的频率和/或占空比来得到。在后一种情况下，射束的强度而是表示对至少一个脉冲周期的时间平均值。

[0041] 有利地，间隔可在完整曝光期间对所述间隔变化改变多次，其中间隔变化率和照射强度中的至少一个在所述间隔变化的每个期间改变。

[0042] 按照本发明的第二方面，提供一种用于印制特征的第一周期图案和特征的第一准周期图案中的至少一个的设备，包括：

[0043] a)衬底，其上设置了记录层；

[0044] b)掩模，具有特征的第二周期图案和特征的第二准周期图案中的至少一个；

[0045] c)用于将衬底排列成与掩模基本上平行并且具有第一预期值的初始间隔的部件；

[0046] d)照射系统，用于采用使得由掩模所透射的光场对记录层进行曝光的基本上单色并且基本上准直的光线的强度来照射掩模；

[0047] e)用于以间隔变化率来将间隔改变第二预期值的部件；以及

[0048] f)用于在掩模的照射期间改变间隔变化率和光线强度中的至少一个以使得掩模通过随间隔变化而改变的间隔每一递增变化上的能量密度来照射的部件；

[0049] 由此，在记录层中印制的图案对初始间隔与第一预期值的偏差以及对间隔的变化与第二预期值的偏差具有低敏感性。

[0050] 优选地，改变部件以可变速度使致动器移位或者调制照射掩模的光线的强度。

[0051] 在后一种情况下，改变部件有利地包括照射系统的光源之后的照射束的路径中包含的可变衰减器，该可变衰减器最优选地在计算机控制下调制照射掩模的射束的强度。备选地，强度改变部件最优选地在计算机控制下将对光源的电输入调制成使得改变其输出射束的功率。

[0052] 优选地，掩模中的图案的特征包括透明衬底上形成的诸如铬之类的不透明材料层中的透明空间。备选地，它们可包括在透明衬底上形成的、将相对相移引入局部透射光中的透明或部分透明材料层中的透明空间。

[0053] 掩模中的周期图案和印制图案可以是一维图案(即，线性光栅)或者二维图案(具有排列在例如正方形、矩形或六边形网格上的特征)或者一维和二维周期图案的混合。在掩模中存在多个周期图案的情况下，图案可具有相同周期或者可具有不同周期，并且其光栅矢量可处于相同方向或者可处于不同方向。

[0054] 有利地，照射系统生成在曝光期间是均匀的并且相对掩模是静止的照射束。备选地，照射系统能够跨掩模来扫描射束，使得时间积分曝光密度跨图案是均匀的。在这种情况下，间隔每一递增变化上的能量密度随距离的变化在曝光期间应当以充分高的频率重复进行，使得掩模图案的每个点受到间隔每一递增变化上的能量密度随位移距离的相同变化。

附图说明

[0055] 通过以下结合附图描述的一些示范实施例，本发明的上述和/或其它方面将变得显而易见并且更易于理解，附图包括：

[0056] 图1是用于将周期图案印制到晶圆上的本发明的第一实施例的示意表示，其中晶圆相对掩模的纵向位移速度在掩模的照射期间改变。

[0057] 图2示出在第一实施例中采用的掩模所透射的光场的计算机模拟。

[0058] 图3示出使用第一实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光来印制晶圆的时间平均分布中的强度的横向变化。

[0059] 图4示出使用第一实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对晶圆和掩模的平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0060] 图5示出使用第一实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0061] 图6示出本发明的不同实施例中采用的每递增位移的曝光能量密度随晶圆与掩模之间的变化间隔的变化。

[0062] 图7示出使用第一实施例的掩模以及按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0063] 图8示出使用第一实施例的掩模以及按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0064] 图9示出使用第一实施例的掩模以及按照截取正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0065] 图10示出使用第一实施例的掩模以及按照截取正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0066] 图11示出使用第一实施例的掩模以及按照三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0067] 图12示出使用第一实施例的掩模以及按照三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0068] 图13是用于将周期图案印制到晶圆上的本发明的第二实施例的示意表示，其中照射掩模的射束强度在晶圆相对掩模的纵向位移期间改变。

[0069] 图14示出使用第二实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光来对晶圆进行曝光的时间平均强度分布。

[0070] 图15示出使用第二实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对晶圆和掩模的平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0071] 图16示出使用第二实施例的掩模和按照现有技术的DTL曝光、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0072] 图17示出使用第二实施例的掩模以及按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0073] 图18示出使用第二实施例的掩模以及按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0074] 图19示出使用第二实施例的掩模以及按照截取正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0075] 图20示出使用第二实施例的掩模以及按照截取正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

[0076] 图21示出使用第二实施例的掩模以及按照三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、对晶圆进行曝光的时间平均分布中的峰值强度对平均间隔以及对位移距离的敏感性。

[0077] 图22示出使用第二实施例的掩模以及按照三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光剂量、在晶圆上与积分分布中的峰值对应的横向位置处的时间平均强度与位移距离的相关性。

具体实施方式

[0078] 参照示出本发明的第一示范实施例的图1，氩离子激光器1发射具有波长363.8nm和直径～2mm的基本上单色的光束2，该光束处于单横模(因此具有高斯强度曲线)和多纵模中。光线经过平面偏振，偏振矢量与图平面正交。这种激光器可从例如Newport Corporation(具体来说是其BeamLok激光器系列)或者从Coherent Inc.(具体来说是其Innova Sabre激光器系列)得到。在经过电子操作快门3之后，射束2的直径由包括一对透镜的扩束器4放大，使得所产生射束的强度曲线可以更易于使用射束变换器6从高斯分布转换为跨射束的中心部分是基本上均匀的曲线。适当射束变换器可向例如Moltech GmbH(具体来说是其piShaper产品系列)购买。射束变换器6的输出射束经过第二扩束器8，第二扩束器8形成其中心均匀部分具有比待印制图案的大小要大的直径的准直射束。这个射束由反射镜10反射到掩模12，以使得掩模12中的图案13由准直射束11以法向入射、基本上均匀地照射。在掩模的下表面是具有由不透明线条和透明空间所组成的800nm的周期的一维周期图案13(即，线性光栅)。使用标准电子束掩模制造技术在厚(例如0.25”)熔凝硅石衬底上的铬层中制作了图案13。虽然图中仅示出掩模图案13中的五个线条和空间，但是应当理解，许多数量级的更多线条可存在，并且掩模图案13通常具有按照厘米所测量的尺寸。掩模12刚性安装到支承框(图中未示出)。

[0079] 在掩模12之下是晶圆14，晶圆14的上表面旋涂有～1μm厚的标准i线敏感光致抗蚀剂层15。晶圆14安装到真空吸盘16，真空吸盘16附连到机械定位系统17，机械定位系统17结合了致动器，致动器配置成将晶圆14定位成基本上平行于并且接近掩模12中的图案13。使用控制系统18使致动器移位。致动器优选地包括三个压电换能器(PZT)，其中的每个具有集成应变仪或电容传感器来实现其相应位移的闭环控制以便使滞后和漂移所引起的位移误差为最小，并且优选地具有较长行程范围、例如100μm。使用例如引入晶圆14的不同侧的已知和相等厚度的参考隔离片，晶圆14调整成平行于掩模12并且接近掩模
12。晶圆14与掩模12之间的间隔最初通常可设置为20μm的值。对于位移塔尔博特光刻，这个参数不是关键，但是应当足够小以使得因不完全局部准直引起的照射束中的角的范围没有不可接受地使印制图案的分辨率劣化。定位系统17最优选地应当还结合了导杆或等效机构(如标准精度定位系统领域的技术人员众所周知的)，目的在于在曝光操作期间所要求的晶圆14的纵向位移准确地与晶圆14表面正交，以致曝光期间的位移的任何横向分量相对所印制图案的周期比较小。控制系统18还使晶圆14能够以按照预定曲线在位移期间改变的速度纵向地移位，这在曝光操作期间也是要求的。可通过还将用于产生晶圆14相对掩模12的粗分辨率纵向位移的手动或自动部件(例如步进电动机)集成到机械定位系统17中，来促进用于排列晶圆14与掩模12之间的平行性和间隔的操作。

[0080] 以波长363.8nm的准直射束11照射周期800nm的光栅图案13产生第零和第一衍射级，它们进行干涉以形成透射光场中的一系列自映像平面，其间隔S01表示为[0081] S01＝λ/(cosθ0-cosθ1) 等式(3)

[0082] 其中，θ0和θ1分别是第零和第一级的衍射角。

[0083] 使用等式(3)，S01≈3.3μm。但是，由于第一和第二级射束的高衍射角(分别为～27°和～66°)，第二衍射级没有准确地与这些平面中的第零和第一级射束同相，以及因此掩模图案13的自映像既没有准确地形成也没有准确地位于不同塔尔博特平面中。因此，如果这个掩模图案13使用位移塔尔博特光刻的现有技术以这个照射波长来曝光，则会很难将图案均匀地印制到晶圆14上。印制图案的线宽对掩模12和晶圆14的间隔的变化的敏感性可通过曝光过程的计算机模拟来评估。优选地将诸如有限差时域(FTDT)或严格耦合波分析(RCWA)之类的标准理论方法用于计算电磁波通过周期微结构以及通过均匀介质的传播，来执行这种计算机模拟。可使用市场销售或免费得到的软件，例如GSolver(在RCWA的情况下，由公司Grating Solver Development Co.生产)或MEEP(在FTDT的情况下，由麻省理工学院生产)。模拟在这个实施例中采用的、由具有波长363.8nm的射束11以法向入射所照射的掩模图案13所透射的衍射光场，以及在图2中示出结果，图2示出在光栅图案13的一个周期的宽度上并且从掩模12延伸高达8μm的距离的光场的一段。如能够观察到，以～3.3μm的常规间隔形成掩模12中的图案13的自映像，尽管强度分布因自映像平面的第二级射束的变化相对相位而不是随增加距离完全周期性的。将DTL方法应用于这个照射光栅13的效果可通过将光场在与连续自映像平面的间隔的整数倍对应的距离范围上求积分来确定。对于离掩模12的20μm的初始距离的晶圆14以及在两倍于塔尔博特距离的范围上(即，在6.6μm上)求积分的光场，对光致抗蚀剂15进行曝光的时间平均强度分布是亮线的周期图案，其周期是掩模中的图案的一半，如将DTL应用于一维掩模图案时一般得到的那样。跨这个分布(沿与线条正交的方向)的强度变化在图3中示出，图3示出对于与掩模图案13的一个周期对应的距离的变化。为了即使在掩模12和晶圆14不是准确平坦或平行时也能够从掩模12均匀并且可再现地将图案印制到晶圆14上，必要的是，积分分布中的峰值的强度对晶圆14和掩模12的初始局部间隔不敏感或者对晶圆的实际位移与预期值的偏差不敏感。峰值强度与初始间隔以及与位移距离的相关性可通过计算机模拟来评估。所涉及的照射图案的这种评估的结果在图4中示出，图4示出作为曝光期间对于晶圆14的不同位移距离的晶圆14和掩模12的平均间隔的函数所绘制的强度峰值的幅值。如能够看到，当位移距离为6.6μm(即，两倍于塔尔博特距离)时，峰值强度随变化平均间隔而强烈波动高达～7％，而对于6.7和6.8μm的位移距离，强度波动分别为4.5％和
4％。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分或时间平均强度与位移的相关性来进一步评估。图5示出结果，由图5能够看到，积分强度在位移为～4μm时达到最大数，随位移距离的进一步增加而继续强烈波动(高达±13％)，并且随位移>30μm而最终达到相当稳定值。这些结果证明在跨印制图案以及从晶圆到晶圆要求线宽的高度均匀性和高度可再现性时将DTL技术应用于所涉及图案的困难和限制。

[0084] 在本发明的这个实施例中，晶圆14不是在曝光期间以恒定速度相对于掩模12移位以使得塔尔博特平面之间的强度分布的范围在光致抗蚀剂层15中均匀地记录，但是位移的速度改为在位移期间来调制，以使得每递增位移(其中递增位移相对整个位移比较小)的曝光剂量EG按照截取高斯分布随晶圆14和掩模12的间隔d而改变。

[0085] EG(d)＝E0exp{-(d-d0)2/2σ2}其中|d-d0|≤tσ 等式(4)

[0086] 其中，E0是常数，exp{}表示指数函数，d0是位移期间的平均间隔，σ是高斯分布的标准偏差，t表示高斯函数的截取参数，以及|x|表示x的幅值。

[0087] 使用图1的设备，可通过对控制系统18进行编程以使得致动器使晶圆14在曝光期间以相对等式(4)所述的能量密度变化而反向改变的速度vG朝向或离开掩模12移位，来实现随变化间隔的递增剂量变化的这个曲线：

[0088] vG(d)＝kexp{(d-d0)2/2σ2)其中|d-d0|≤tσ 等式(5)

[0089] 其中，k是常数。

[0090] 描述作为时间的函数的对各致动器所要求的位置的函数可直接以数学方式从等式(5)导出。

[0091] 为了得到期望曝光结果，推荐t≈2，对此EG(d)在间隔范围的极值处下降到其最大值的～13％，但是可根据应用的要求来使用其它值。还推荐σ选择成使得它基本上对应于塔尔博特平面的间隔的一半，但是这个值也可按照应用的具体要求来调整。对于t＝2以及σ＝T/2(T是塔尔博特平面的间隔)，描述EG(d)的所产生曲线在图6示出(通过“高斯”表示)。为了将光致抗蚀剂15在上面等式(4)所定义的曝光期间仅暴露于掩模12所透射的光场，优选的是，由控制系统18分别在曝光开始和结束时所激活的快门3的开启和闭合与致动器的位移同步。常数k只是应当与照射束的强度结合选择的比例因子，以便照射光致抗蚀剂层15的总曝光剂量在显影之后在光致抗蚀剂15中产生预期结构。曝光剂量优选地通过以不同剂量印制多个晶圆并且评估印制结果以实验方式来优化。

[0092] 在曝光期间以等式(5)所述的可变速度使晶圆14移位对于对光致抗蚀剂15进行曝光的时间平均强度分布的影响、具体来说是对分布的峰值强度与晶圆14和掩模12的平均间隔的相关性以及对峰值强度与实际位移相对于预期值的偏差的相关性的影响可通过计算机模拟来评估。图7中示出对15与25μm之间的平均间隔、对σ＝1.65、1.675和1.7μm并且使用t＝2以使得晶圆的位移距离分别为6.6、6.7和6.8μm所涉及的照射图案的这类模拟的结果。随变化平均间隔的峰值强度的波动由此对于三个位移值分别估计为～2.5％、～2％和～1.5％，因此比先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值明显要低，并且经由实验检验。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图8示出结果，从结果能够看到，曝光期间的平均强度在与大约两倍于塔尔博特距离对应的距离(即，
6.6μm)达到最大数，并且随距离的进一步增加而以小于±1.5％的幅度振荡。如果必需，则通过调整截取高斯分布的参数，可进一步降低这些残余波动。从这些结果显而易见，采用按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使图案能够以比使用按照现有技术的DTL能够得到的要高得多的均匀性和可再现性来印制。

[0093] 对印制图案的均匀性和可再现性的显著改进可使用这个实施例的相同设备来得到，但是其中控制系统18编程为调制曝光期间的致动器的位移速度，使得每递增位移的曝光剂量Es按照截取正弦函数随晶圆14和掩模12的变化间隔d而改变：

[0094] ES(d)＝E0cos2{π(d-d0)/2L}其中|d-d0|≤tL 等式(6)

[0095] 其中，d0是曝光期间的平均间隔，2L是正弦变化的周期，以及t定义正弦分布的截取并且因而确定曝光期间的晶圆14的全位移。

[0096] 随变化间隔的递增剂量变化的这个曲线可通过按照下式调制晶圆的位移速度vs来得到

[0097] vS(d)＝ksecz{π(d-d0)/2L}其中|d-d0|≤tL 等式(7)

[0098] 其中，k是常数。

[0099] 推荐L对于照射图案选择成对应于塔尔博特距离T，以及t接近但小于1、例如0.9，以便限制对致动器所要求位移的最大速度。对于L＝T并且t＝1，描述ES(d)的曲线的形式在图6中示出(通过“正弦”表示)。对于这些值，随晶圆14的增加(或减小)间隔的每递增位移的曝光剂量的所产生变化接近前一个截取高斯分布。控制系统18还应当优选地在致动器的位移期间自动开启和闭合快门3，使得光致抗蚀剂仅暴露于掩模在所需位移距离期间所透射的光场；以及比例因子k应当与照射束的强度结合来选择，以便照射光致抗蚀剂15的总曝光剂量在显影之后在光致抗蚀剂15中产生预期结构。曝光剂量优选地通过以不同剂量印制多个晶圆并且评估印制结果以实验方式来优化。

[0100] 类似地执行计算机模拟，以便确定对光致抗蚀剂15进行曝光的积分或时间平均分布中的峰值强度对晶圆14和掩模12的平均间隔的变化的敏感性以及对晶圆14的位移距离与最佳值的偏差的敏感性。对于L＝3.3、3.35和3.4μm以及t＝1以使得晶圆的位移距离分别为6.6、6.7和6.8μm，所涉及的掩模图案的结果在图9中示出。峰值强度的波动由此对于三个位移值分别估计为～0.03、～0.6和～0.1％，因此比先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值明显要低。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图10示出结果，从结果能够看到，积分强度在位移近似为塔尔博特距离的两倍(即，6.6μm)时达到最大数，并且随距离的进一步增加而以小于±1％的幅度波动。从这些结果显而易见，采用按照正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使一维图案能够以比使用按照现有技术的DTL能够得到的要高得多的均匀性和可再现性来印制。

[0101] 可通过将曝光期间的致动器的位移速度调制成使得每递增位移的曝光剂量ET按照截取三角函数随变化间隔d而改变，来得到印刷图案的均匀性和可再现性的类似改进：

[0102] ET(d)＝E0(L-|d-d0|)其中|d-d0|≤tL 等式(8)

[0103] 其中，d0是平均间隔，2L是(未截取)三角函数的宽度，以及t定义三角函数的截取并且因而确定曝光期间的晶圆14的位移距离。

[0104] 随变化间隔的递增剂量变化的这个曲线可通过按照下式调制晶圆的位移速度vT来得到

[0105] vT(d)＝k/(L-|d-d0|)其中|d-d0|≤tL 等式(9)

[0106] 其中，k是常数。

[0107] 推荐L对于照射图案选择成对应于塔尔博特距离T，以及t接近但小于1、例如0.9，以便限制对致动器所要求位移的最大速度。对于L＝T并且t＝1，描述ES(d)的曲线的形式在图6中示出(通过“三角”表示)。对于这些值，随增加(或减小)间隔的每递增位移的曝光密度的所产生变化再次接近前一个截取高斯分布。控制系统18还应当优选地在致动器的位移期间自动开启和闭合快门3，使得光致抗蚀剂15仅暴露于掩模12在所需位移范围期间所透射的光场；以及比例因子k应当与照射束的强度结合来选择，以便照射光致抗蚀剂15的总曝光剂量在显影之后在光致抗蚀剂15中产生预期结构。曝光剂量优选地通过以不同剂量印制多个晶圆并且评估印制结果以实验方式来优化。

[0108] 类似地执行计算机模拟，以便评估对光致抗蚀剂15进行曝光的所产生积分、时间平均分布中的峰值强度对晶圆14和掩模12的平均间隔的变化的敏感性以及对晶圆14的位移距离与预期值的偏差的敏感性。对于L＝3.3、3.35和3.4μm以及t＝1以使得晶圆的位移分别为6.6、6.7和6.8μm，对所涉及图案所生成的结果在图11中示出。随变化平均间隔的峰值强度的波动由此对于全部三个位移值估计为～1％，因此比先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值明显要低。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分或时间平均强度与位移的相关性来进一步评估。图12示出结果，从结果能够看到，平均强度在位移接近塔尔博特距离的两倍(即，6.6μm)时达到最大数，并且随距离的进一步增加而以小于±1％的幅度振荡。从这些结果显而易见，采用按照截取三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使一维图案能够以比使用按照现有技术的DTL可取得的要高得多的均匀性和可再现性来印制。

[0109] 从图6能够看到，随这个实施例中所述的变化间隔的递增能量密度的截取高斯、截取正弦和截取三角变化是相似的：在每种情况下，曲线的全宽度大约为塔尔博特距离的两倍，以及曲线的半峰全宽(FWHM)近似为塔尔博特距离。在所有情况下，递增能量密度对位移距离以基本上渐进的方式发生变化；以及在间隔的初始和最终值处的最小值比最大值要小超过80％。因此，应当理解，可使用具有与所示的相似特性、例如适当梯形分布的递增剂量变化的曲线来得到印制图案的均匀性和可再现性的类似改进。此外，理论和实验结果表明，通过增加来自图6所示值的FWHM和全宽度(相对于所涉及周期图案的塔尔博特距离)来得到印制图案的更高均匀性和可再现性。但是，曝光期间的晶圆14相对掩模12的较大位移要求晶圆的位移相对其平面的正交性的更大准确性(以便不使印制分辨率劣化)，并且还要求具有较大行程范围的致动器，因此不一定合乎需要。

[0110] 一般来说，为了得到印制结果的极好均匀性和可再现性，描述随位移距离的间隔每一递增变化上的曝光能量密度的变化的曲线的FWHM应当是塔尔博特距离的至少0.8倍，但是备选地可以使用下至塔尔博特距离的一半的较小值，结果是获得较小均匀性和较小可再现性结果；以及分布的全宽度应当优选地为两倍塔尔博特距离的至少0.8倍，但是同样，下至塔尔博特距离的较小值可备选地用于满足要求不高的应用。

[0111] 优选但并非必要的是，描述随间隔变化的每递增的能量密度的变化的曲线对称于出现每递增位移的能量密度的最大值处的间隔，或者至少基本上如此(如对于图6所示的所有曲线的情况)。因此，优选的是，出现每递增位移的能量密度的最大值处的间隔处于间隔的初始与最终值之间的中点或者至少基本上如此。

[0112] 另外最优选的是，在掩模12和晶圆14的间隔的初始与最终值处的每递增位移的能量密度的值比在间隔范围上每递增位移的能量密度的最大值要小至少80％。然而，也可使用在位移距离上的每递增位移的能量密度的较小变化，但是结果是获得较小均匀性和较小可再现性的印制结果(但是仍然比使用按照现有技术的DTL曝光所印制的图案的均匀性和可再现性要明显更好)。

[0113] 尽管在上述实施例中，通过改变晶圆14的位移速度来取得晶圆14的位移速度相对掩模12的变化，但是在本发明的其它实施例中，可通过等效改变掩模12的位移速度来取得相同效果和结果。在这种情况下，应当提供结合了致动器或多个致动器和关联控制系统的适当机械系统，以用于使掩模12在曝光期间以可变速度纵向移位。

[0114] 采用随位移距离而改变的间隔每一递增变化上的能量密度对掩模进行曝光以使得在范围边沿的递增曝光密度相对范围中心处的递增曝光密度小，从而分别提供降低曝光的开始与结束(例如通过快门的开启和闭合来定义)以及位移的开始与结束之间所需的同步精度的附加有益效果。另一方面，使用按照现有技术的DTL，在扫描范围两端的每递增位移的能量密度与中心处相同，并且因此印制图案对曝光与位移机构之间的同步误差要敏感许多。

[0115] 虽然在上述实施例中，曝光期间的晶圆相对于掩模的位移对于所需范围是沿单个方向以所需速度变化进行，但是在本发明的其它实施例中，晶圆对该范围的多次位移备选地可在曝光期间执行，其中每次位移符合上述教导，并且优选地，位移方向在连续位移之间反转。显然，曝光期间的相同位移运动的重复进行将产生晶圆上相同的印制图案。通过使用曝光期间对扫描范围的位移的重复，印制图案对照射系统所定义的总曝光时间与晶圆进行移位的总时间之间的同步误差的敏感性进一步降低，因此是有利的。

[0116] 在使用与第一实施例中采用的相同设备或者使用等效设备的本发明的其它实施例中，晶圆在曝光期间相对于掩模移位基本上相同的最终距离，但是使用步进运动，其中晶圆通过一系列步骤并且以步骤之间的变化延迟时间来移位。通过将步长选择成相对最终位移距离来说为小并且通过将延迟时间选择成按照递增曝光剂量随变化间隔的所需变化来改变，将会理解，对晶圆进行曝光的积分强度分布与第一实施例所产生的积分强度分布接近，并且因此印制结果基本上相同。

[0117] 参照示出本发明的第二示范实施例的图13，氩离子激光器21发射具有波长363.8nm和直径～2mm的基本上单色的光束22，并且该光束处于单横模(因此具有高斯强度曲线)和多纵模中。光线经过平面偏振。在经过电子操作快门23之后，射束22入射到与控制系统46链接的电动可变衰减器24，控制系统46使透射束的强度在曝光操作期间连续地或者以步进准连续方式(即，数字化为例如16级)改变。电动可变衰减器可向诸如Metrolux Optische Messtechnik GmbH(具体来说是其可变介电激光束衰减器系列)和Del Mar Photonics Inc.(具体来说是其衍射可变衰减器系列)之类的公司购买。来自可变衰减器24的透射束则入射到产生圆形偏振束的四分之一波板26。这个射束的直径由包括一对透镜的扩束器28放大，使得所产生射束的强度曲线可以更易于使用射束变换器30从高斯分布转换为跨射束的中心部分是基本上均匀的分布。适当射束变换器可向例如Moltech GmbH(具体来说是其piShaper产品系列)购买。射束变换器30的输出射束经过第二扩束器32，第二扩束器32形成其中心均匀部分具有比待印制图案的大小要大的直径的准直射束。这个射束由反射镜34反射到掩模38，以使得掩模38中的图案39由准直射束35以法向入射均匀地照射。在掩模的下表面是不透明层中以520nm的最近相邻距离排列在六边形网格上的孔39的二维周期图案。虽然图中仅示出掩模图案13中的五个孔，但是应当理解，许多数量级的更多孔存在，并且掩模图案13通常具有按照厘米所测量的尺寸。使用标准电子束掩模制造技术在厚熔凝硅石衬底上的铬层中形成了图案39。掩模38刚性安装到支承框(图中未示出)。在掩模38之下是晶圆40，晶圆40旋涂有～1μm厚的标准i线敏感光致抗蚀剂层41。晶圆40安装到与机械定位系统44附连的真空吸盘42，其中机械定位系统
44结合了致动器以用于将晶圆40定位成基本上平行于并且接近掩模38中的图案39。致动器优选地包括3个压电换能器(PZT)，其中的每个具有集成应变仪或电容传感器来实现其相应位移的闭环控制以便使滞后和漂移所引起的位移误差为最小，并且优选地具有较长行程范围、例如50μm。致动器的关联控制系统46允许各致动器单独移位或者以恒定速度平行地移位。致动器配置成使晶圆40能够在正交平面中倾斜。又使用例如引入晶圆40的不同侧的已知和相等厚度的参考隔离片，晶圆40调整成平行于并且接近掩模38。晶圆40与掩模38之间的初始间隔通常可设置为20μm的值。

[0118] 以波长363.8nm的光线照射掩模38中的特征39的六边形图案产生由第零级非衍射束和六个第一衍射级所组成的透射光场，它们进行干涉以形成分隔～0.88μm的塔尔博特距离的自映像。由于不存在第二或更高衍射级，所以透射光场沿与掩模正交的方向是完全周期性的(忽略图案的边缘)。由于照射束35经过圆形偏振，所以正交平面中的偏振分量相等，由此实现衍射级的对称分布以及自映像中的对称特征。通过使晶圆40经由光场纵向移位与连续塔尔博特平面的间隔的整数倍对应的距离，使用DTL的现有技术会从掩模38记录到涂敷光致抗蚀剂的晶圆40上的时间平均强度分布可通过计算机模拟来确定。图14中示出结果，图14示出其最近相邻距离与掩模38中的图案39相同的强度峰值的六边形阵列的单胞。由于掩模38之后的光场在与掩模正交的方向是完全周期性的，所以这个分布中的峰值的强度与DTL曝光期间的晶圆40和掩模38的平均间隔无关。另一方面，如果位移距离不是塔尔博特平面之间的间隔的正好整数倍(由于例如机械滞后)，则分布的峰值强度不再对平均间隔不敏感。分别对于1.75、1.85和1.95μm的位移距离通过计算机模拟来评估这种相关性，并且结果在图15中示出。根据结果，当位移是离两倍塔尔博特距离～0.01μm时，峰值强度随变化平均间隔的波动为<1％，但是对于仅离两倍塔尔博特距离0.09μm和0.19μm的位移，峰值强度分别随变化平均间隔波动～9％和～16％，这对于一些应用是不可接受得大。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图16示出结果，从结果能够看到，积分强度在位移为～1.25μm时达到最大数，并且随位移距离的进一步增加而继续强烈波动(～±14％)。

[0119] 在本发明的这个第二实施例中，晶圆40在曝光期间以按照DTL的现有技术教导的方式相对于掩模38以恒定速度纵向移位。但是，与那个现有技术形成对比，照射束35的强度在曝光期间不是恒定的以便记录塔尔博特平面之间的横向强度分布的平均，而是改变成使得晶圆40与掩模38之间的间隔每一递增变化上的照射的能量密度跨间隔范围改变。晶圆40的位移期间的射束35的强度由控制系统46来调节，控制系统46按照表示跨间隔范围的间隔每一递增变化上的能量密度的预期变化的预先编程函数来调整可变衰减器24的透射。控制系统46优选地还分别在曝光的开始和结束时开启和闭合快门23，以便确保没有另外对光致抗蚀剂41进行曝光。优选地，该函数基本上对应于截取高斯分布，如等式(4)所述。如同第一实施例中一样，推荐指配给这个函数的标准偏差σ的值为透射光场中的塔尔博特平面的间隔T的一半，并且曝光期间的晶圆40的最大位移设置为两倍于塔尔博特距离(即，t＝2)，但是根据所涉及应用的具体要求也可采用其它值。对于σ＝T/2和t＝2，随位移距离的间隔每一递增变化上的曝光剂量的变化通过图6中的“高斯”曲线来描述。对于暴露于掩模38与晶圆40之间的间隔每一递增变化上的能量密度的高斯分布的晶圆40，积分、时间平均分布中的峰值强度对曝光期间的平均间隔的变化的敏感性以及对晶圆的位移距离与预期值的偏差的敏感性可通过计算机模拟来评估。对于σ＝0.4375、0.4625和0.4875μm以及t＝2以使得晶圆的位移分别为1.75、1.85和1.95μm，对所涉及图案所生成的结果在图17中示出。随变化平均间隔的峰值强度的波动由此对于三个位移分别估计为～2、～0.6和～0.9％，因此比先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值明显要低。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图18示出结果，从结果能够看到，平均强度在位移距离接近塔尔博特距离的两倍(即，1.8μm)时达到最大数，并且随距离的进一步增加而以<±1.5％的幅度波动。如果必需，则通过调整截取高斯分布的参数，可进一步降低这些残余波动。从这些结果显而易见，采用按照截取高斯分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使图案能够以比使用按照现有技术的DTL能够取得的明显要高的均匀性和可再现性来印制。

[0120] 对于这个实施例的设备，备选地可以采用曝光期间的照射束的强度变化的其它曲线来获得类似有益结果。例如，可采用截取正弦曲线，以使得随位移距离的晶圆40的每递增位移的所产生曝光能量密度的变化具有截取正弦分布，如等式(6)对于第一实施例所述。对于那个实施例，推荐曝光期间的晶圆40的位移距离对应于透射光场中的塔尔博特平面的间隔的两倍。对于L＝T和t＝1，随位移距离的间隔每一递增变化上的曝光剂量的所产生变化通过图6中的“正弦”曲线来描述。类似地执行计算机模拟，以便评估对晶圆40进行曝光的所产生积分、时间平均分布中的峰值强度对晶圆40和掩模38的平均间隔的变化的敏感性以及对晶圆40的位移距离与预期值的偏差的敏感性。对于等式(6)中L＝0.875、0.925和0.975μm以及t＝1以使得晶圆的位移距离分别为1.75、1.85和1.95μm，对所涉及掩模图案所生成的结果在图19中示出。随变化平均间隔的峰值强度的波动由此对于三个位移值分别估计为～0.3、～2.5和～4％，因此比先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值明显要低。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图20示出结果，从结果能够看到，平均强度在位移距离接近塔尔博特距离的两倍(即，1.8μm)时达到最大数，并且随距离的进一步增加而以<±1.5％的幅度波动。从这些结果显而易见，采用按照正弦分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使图案能够以比使用按照现有技术的DTL能够得到的明显要高的均匀性和可再现性来印制。

[0121] 可使用的强度变化的另一个曲线是三角变化，以使得随位移距离的晶圆40的每递增位移的所产生曝光能量密度具有三角分布，如等式(8)对于第一实施例所述。对于那个实施例，推荐曝光期间的晶圆40的最大位移对应于透射光场中的塔尔博特平面的间隔的两倍。对于L＝T和t＝1，随位移距离的间隔每一递增变化上的曝光剂量的所产生变化通过图6中的“三角”曲线来描述。类似地执行计算机模拟，以便评估对晶圆40进行曝光的所产生积分、时间平均分布中的峰值强度对晶圆40和掩模38的平均间隔的变化的敏感性以及对晶圆40的位移距离与预期值的偏差的敏感性。对于等式(8)中L＝0.875、0.925和0.975μm以及t＝1以使得晶圆的位移距离分别为1.75、1.85和1.95μm，对所涉及掩模图案所生成的结果在图21中示出。随变化平均间隔的峰值强度的波动由此对于三个位移值分别估计为～0.3、～0.6和～1.7％，因此基本上低于先前对于按照现有技术的DTL曝光所确定的对应值。印制图案对位移的幅值的敏感性可通过确定在其横向位置对应于积分分布中的强度峰值的点处的积分强度与位移的相关性来进一步评估。图22示出结果，从结果能够看到，强度在位移距离接近塔尔博特距离的两倍(即，1.8μm)时达到最大数，并且随距离的进一步增加而以<±1.5％的幅度波动。从这些结果显而易见，采用按照三角分布随变化间隔而改变的每递增位移的曝光密度对掩模进行曝光使图案能够以比使用按照现有技术的DTL能够得到的基本上更高均匀性和可再现性来印制。

[0122] 从图6能够看到，这个实施例中所述的随变化间隔的递增能量密度的截取高斯、截取正弦和截取三角变化是相似的：在每种情况下，曲线的全宽度大约为塔尔博特距离的两倍，以及曲线的半峰全宽(FWHM)近似为塔尔博特距离。在所有情况下，递增能量密度对位移距离以基本上渐进的方式发生变化；以及在间隔的初始和最终值处的最小值比最大值要小超过80％。因此，应当理解，可使用具有与所示的相似特性、例如适当梯形分布的递增剂量变化的曲线来得到印制图案的均匀性和可再现性的类似改进。此外，理论和实验结果表明，通过增加来自图6所示值的FWHM和全宽度(相对于所涉及周期图案的塔尔博特距离)来得到印制图案的更高均匀性和可再现性。但是，曝光期间的晶圆40相对掩模38的较大位移要求晶圆的位移相对其平面的正交性的更大准确性(以便不使印制分辨率劣化)，并且要求具有较大行程范围的致动器，因此可能会不合乎需要。

[0123] 一般来说，为了得到印制结果的极好均匀性和可再现性，描述随位移距离的间隔每一递增变化上的曝光能量密度的变化的曲线的FWHM应当是塔尔博特距离的至少0.8倍，但是备选地可以使用下至塔尔博特距离的一半的较小值，结果是获得较小均匀性和较小可再现性结果；以及分布的全宽度应当优选地为两倍塔尔博特距离的至少0.8倍，但是同样，下至塔尔博特距离的较小值可备选地用于满足要求不高的应用。

[0124] 优选的是，描述随间隔变化的每递增的能量密度的变化的曲线对称于出现每递增位移的能量密度的最大值处的间隔，或者至少基本上如此(如对于图6所示的所有曲线的情况)。因此，优选的是，出现每递增位移的能量密度的最大值处的间隔处于间隔的初始与最终值之间的中点或者至少基本上如此。

[0125] 另外最优选的是，在掩模38和晶圆40的间隔的初始与最终值处的每递增位移的能量密度的值比随间隔范围的每递增位移的能量密度的最大值要小至少80％。然而，也可使用随位移距离的每递增位移的能量密度的较小变化，但是结果是获得较小均匀性和较小可再现性的印制结果(但是仍然比使用按照现有技术的DTL曝光所印制的图案的均匀性和可再现性要明显更好)。

[0126] 在本发明的另一个实施例中，将晶圆与掩模之间的间隔改变图6所示的距离的双倍(即，塔尔博特距离的大约四倍)，以及在位移期间，每递增位移的能量密度按照图6所示的相同截取高斯/截取正弦/三角曲线来改变(即，具有塔尔博特距离的大约两倍的全宽度)，但是在曝光期间随较大位移距离依次改变两次；因此它实际上对应于同一印制图案的双倍曝光但是具有两次曝光之间的间隔变化。显然，这个曝光策略可扩展到三次或更多这类依次曝光。

[0127] 在掩模包含准周期图案、即其周期跨图案区域“缓慢地”改变的图案、例如线性调频脉冲光栅的情况下，用于对图案进行曝光的每递增位移的曝光能量密度的变化优选地应当基于图案中的最大周期。

[0128] 对于其分量沿不同轴具有不同周期的二维周期图案(这可称作“不对称”图案)、例如沿正交方向以不同周期排列在矩形网格上的孔阵列，掩模所透射的光场一般没有生成规则的自映像平面，并且因此规则的塔尔博特距离一般无法定义(当一个图案分量的塔尔博特距离为另一个的塔尔博特距离的倍数时出现例外)。一般来说，尽管自映像平面不存在并且周期图案在纵向不存在，但DTL技术的应用允许2D周期图案的创建。但是，由于衍射图案的非周期变化，一般可能难以在没有使用比对于它们单独存在时所涉及的周期所需的范围明显要大的DTL范围的情况下取得静止分布。对于这些情况，推荐间隔变化期间所采用的能量密度变化的曲线通过在所涉及特定掩模图案的不同曝光条件下在晶圆处形成的积分强度分布的计算机模拟来确定。一般来说，对于周期、准周期或不对称图案，通过采用随位移距离以基本上渐进方式改变并且优选地改变至少50％的每递增位移的曝光能量密度，由此在记录层中印制的图案与使用按照现有技术的DTL所印制的图案相比具有对距离与预期值的偏差以及对间隔的初始值明显要低的敏感性。

[0129] 虽然在上述第一示范实施例中，一维周期图案使用晶圆40的可变位移速度来曝光，以及在第二示范实施例中，二维图案使用可变照射强度来曝光，但是当然应当理解，所采用的曝光策略不取决于阵列类型：可变位移速度方案可同样顺利地应用于二维图案，以及可变强度方案可同样顺利地应用于一维图案。

[0130] 虽然在第二实施例中，晶圆40相对掩模38的位移通过使晶圆40移位来实现，但是应当理解，在本发明的其它实施例中可通过备选地在曝光期间使掩模38纵向移位来实现相同效果和印制结果。为此，结合了用于使掩模38移位的致动器或者多个致动器以及关联控制系统的适当机械系统应当集成在设备中。

[0131] 在本发明的另一个实施例中，采用与第二实施例中相同(或等效)但是没有可变衰减器24的设备。当晶圆40以恒定速度相对于掩模38移位时，照射系统改为将掩模38在具有子曝光频率的一系列“子曝光”中暴露于射束，在一系列“子曝光”中射束的瞬时强度对于每个子曝光是相同的，但是每个子曝光的曝光时间随该系列而改变(即，脉冲曝光的占空比改变)，以便生成随变化间隔而改变的有效强度(即，对包括至少一个脉冲周期的单位时间所测量的时间平均值)，以使得产生随位移距离的间隔每一递增变化上的能量密度的所需变化。子曝光的频率相对掩模的位移速度应当充分高，以便产生预期效果。通过这样做，照射涂敷光致抗蚀剂的晶圆的时间平均(对完整曝光)强度分布与第二实施例中产生的分布接近，并且因此印制结果基本上相同。每个子曝光的开始和结束时间可使用第二实施例的快门23和控制系统46来限定。

[0132] 在一个相关实施例中，阻挡射束的快门的部分改为选择为部分透射材料，以使得射束的强度在快门闭合时没有下降为零，而是降低到较低值，而当快门开启时具有较高值。通过选择其它曝光参数以使得间隔每一递增变化上的能量密度随位移距离的所需变化基本上得到，在光致抗蚀剂处可得到基本上相同的时间平均强度分布(显然，如果快门是完全不透明的并且较低值等于零，则得到前一个实施例)。

[0133] 在另一个相关实施例中，可通过对于每个子曝光使用相同曝光时间并且改为随子曝光的系列而改变射束的强度以使得产生随位移距离的间隔每一递增变化上的能量密度的所需变化，来取得基本上相同的印制结果。

[0134] 这些变体等效于第二实施例，因为如果光强度根据每i单位时间的曝光能量密度来定义，其中时间单位定义为子曝光的周期，则它们产生与第二实施例的设备所产生的相同的随变化间隔的强度的变化。

[0135] 在另一个相关实施例中，脉冲激光器用作照射源，以及通过改变脉冲的频率(并且使用每个脉冲基本上恒定的能量)来改变射束强度(如对与多个脉冲对应的单位时间所测量)，以便得到随位移距离的间隔每一递增变化上的能量密度的所需变化。虽然第一和第二示范实施例中采用的激光源是工作在363.8的特定波长的发射连续波(CW)束的氩激光器，但是在本发明的其它实施例中，可使用以不同波长来发射射束的备选激光源，例如固态激光器、激光二极管和准分子激光器。优选地，输出射束具有UV波长，以使得可采用常规UV敏感光致抗蚀剂，但是备选地可使用具有电磁谱的其它部分的波长的射束。激光器还可通过脉冲来输送光，优选地以高频率(例如≥kHz)而不是CW，如一般对于固态二极管泵浦激光器的情况。此外，在其它实施例中可采用用于生成基本上单色的光束的其它类型的光源，例如与隔离所需谱分量的滤波器以及用于生成完全准直光束的适当光学元件相结合的弧光灯(例如汞灯)。

[0136] 虽然第一和第二示范实施例将衍射束变换器用于从具有高斯曲线的输出激光束来生成具有基本上均匀强度的射束，但是在本发明的其它实施例中，其它部件可用于实现掩模的基本上均匀照射。例如，如果激光束具有高斯强度曲线，则它可被扩大并且然后跨掩模在光栅图案中扫描，以使得使时间积分能量密度对图案是均匀的。使用这种扫描策略，掩模和晶圆的间隔需要随位移距离而重复改变，同时在每次变化期间改变每递增位移的能量密度，以及间隔变化频率相对光栅图案中的扫描线的频率需要较高，以使得掩模图案的每个部分按照基本上相同的方式来曝光。

[0137] 虽然在第二实施例中，照射束中的强度的变化由激光器之后的射束路径中引入的可变衰减器来产生，但是在本发明的其它实施例中，射束强度的变化可通过其它手段、例如通过调制激光源的驱动电流以使得改变来自源的输出射束的功率来实现。

[0138] 在本发明的其它实施例中，诸如水之类的浸液可包含在衬底与掩模之间的间隔中，以便降低可采用使用特定照射波长的技术来印制的图案的最小周期。

[0139] 虽然上述实施例可被认为是本发明的优选实施例，但是当然应当理解，可易于进行形式和细节上的各种修改和变更，而没有背离本发明的精神。因此，意图是本发明不应当局限于所述和所示的准确形式，而是应当理解成涵盖可落入所附权利要求书的范围之内的所有修改。