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CN1602451A - 无掩膜光子电子点格栅阵列光刻机 - Google Patents

无掩膜光子电子点格栅阵列光刻机 Download PDF

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CN1602451A
CN1602451A CNA028246373A CN02824637A CN1602451A CN 1602451 A CN1602451 A CN 1602451A CN A028246373 A CNA028246373 A CN A028246373A CN 02824637 A CN02824637 A CN 02824637A CN 1602451 A CN1602451 A CN 1602451A
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Abstract

本发明提供了一种高分辨率、高数据速率点格栅阵列光刻机系统，其中通过利用电子束扫描衬底形成表示待记录到初缩掩膜版或半导体晶片层上的图形的图像。实施例包括光刻机，该光刻机包括利用基本平行的光束照射光子电子变换器的光辐射源，单独调制该光束以对应于要记录到衬底上的图像。光子电子变换器产生由对应于调制光束的电子束阵列构成的中间图像。缩微器插在光子电子变换器与衬底之间，用于减小中间图像的大小。可运动工作台在衬底与光子电子变换器之间实现相对运动，以致利用电子束扫描衬底。

Description

无掩膜光子电子点格栅阵列光刻机
技术领域
本发明涉及一种无掩膜光子电子点格栅阵列光刻系统。本发明尤其可以应用于对半导体衬底进行成像的光刻技术。
要求临时专利申请的优先权
本专利申请要求第60/331,035号美国临时专利申请的优先权。
背景技术
光刻技术是一种用于在半导体衬底上产生图像的技术。通常，如果曝光涂布在该衬底上的抗蚀剂，则将在掩膜或“初缩掩膜版(reticle)”形成的图像转印到半导体衬底上。要求在半导体衬底上图形化越来越小的特征图形，这样就要求在成像该图形时使用越来越短波长的光。使用远紫外线(UV)波长光线的光刻系统以约0.25微米的分辨率产生图形。进一步将波长降低到193nm可以以0.18微米和0.13微米的分辨率成像图形。为了进一步提高分辨率，需要使用更短的波长，而且为了以0.1微米或者低于0.1微米的分辨率成像图形，人们已经提出了许多使用更短波长电子束的系统。
例如SCALPEL(L.R.Harriott，S.D.Berger，J.A.Liddle，G.P.Watson，和M.M.Mkrtchyan，J.Vac.Sci.Technology，B12，3533(1994))内的电子束掩膜投影使用被电子照射的散射掩膜图形化衬底。尽管这种系统的分辨率高，但是它们受到要求制造多个特殊掩膜、要求包括多个电子透镜以及波束中各粒子之间的随机库仑相互作用的极限的制约。
在High throughput electron lithography with multiple aperturepixel by pixel enhancement of resolution concept，Journal of VacuumScience and Technology B 16(6)，Nov/Dec 1998，p.3177描述了一种基于传统远紫外线缩微扫描仪-步进器、使用4X掩膜的混合光子电子阵列光刻机。在该建议中，利用微透镜阵列形成的106-108子光束照射4X掩膜。在缩微后，这些子光束在光子电子变换板上聚焦。子光子束触发发出窄电子束。该电子束单独聚焦在晶片上。利用许多波束扫描掩膜和晶片，从而曝光整个晶片。使用光学成像系统简化成像过程，而使用最终电子图形化过程提供改进的分辨率。此外，这种理论克服了SCALPEL系统内存在的库仑相互作用的相干问题。
不幸的是，因为缺少设计规则而且广泛使用诸如OPC(近光校正(Optical Proximity Correction))和PSM(移相掩膜)的RET(分辨率增强技术)，所以用于图像投影系统的掩膜越来越困难，而且制造昂贵。掩膜重复的电子投影系统还极端困难，而且制造昂贵。由于形成制造集成电路所需的多个图形，需要许多掩膜，所以制造掩膜的时间延迟和掩膜本身的花费是半导体制造过程中的显著成本。对于其中不能将掩膜的成本分摊到大量器件的小批量器件的情况，尤其如此。因此，最好提供一种不需要昂贵掩膜制造半导体芯片的快速光刻设备。此外，最好提高光刻技术可实现的分辨率。此外，这种装备最好用于直接图形化少量衬底，例如运行原型装备，而且用于制造掩膜。
因此，最好开发一种具有高分辨率电子成像系统、简化、快速光学系统以及大吞吐量掩膜或大规模并行写系统，但是这样做又不需要掩膜的混合光子电子系统。
发明内容
本发明提供了一种无掩膜光子电子点格栅阵列光刻系统。根据本发明，由空间光线调制器(SLM)阵列调制的光束的大型阵列产生图形。光束聚焦在光子电子变换器上，这样形成相应电子束阵列。将电子束阵列聚焦到衬底上，以在涂布了电子敏感抗蚀剂的衬底上曝光要求的图形。
根据本发明，利用用于光刻(printing)的方法，可以部分地实现上述以及其他优点，该方法包括步骤：产生基本平行的光束阵列；根据要记录到衬底上的图像的采样，调制各光束，以形成点格栅图形；将调制的光束变换为电子束，以提供相应电子束点格栅图形；以及在执行产生、调制、变换以及扫描步骤时相对于电子束，扫描衬底，以致将图像记录到衬底上。
本发明的另一个优点是对可运动工作台的机械不精确性进行补偿的步骤。
根据下面的详细说明，本技术领域内的熟练技术人员容易理解本发明的其他优点，其中通过仅描述为了实现本发明而设想的最佳方式，只对本发明的优选实施例进行了描述和说明。正如所实现的那样，本发明可以有其他不同实施例，而且可以在各显而易见的方面，对其许多细节进行修改，这些修改均属于本发明范围。因此，附图和描述均被认为是说明性的，而非限制性的。
附图说明
参考附图，在附图中，具有同样参考编号表示类似的单元，附图包括：
图1示出根据本发明实施例的光刻机。
图1A示出图1所示电子光学器件155的一个实施例。
图1B示出光子电子变换器145的变换实施例。
图1C示出电子光学器件155的另一个实施例。
图1D示出电子光学器件155的另一个实施例。
图1E示出图1D所示电子偏转器阵列。
图2是根据本发明另一个实施例的光刻机的剖视图。
图3示出倾斜扫描图形的一个例子。
图4是根据本发明另一个实施例的光刻机的剖视图。
图5A示出针孔阵列限幅器。
图5B示出光孔阵列。
具体实施方式
本发明提供了一种包括无掩膜直接写混合光学/电子成像系统的光刻机。可编程光学系统形成被分别聚焦到光子电子变换器上的大规模光束阵列。将由聚焦光束形成的点格栅图形变换为聚焦到被涂布了电子敏感抗蚀剂的半导体衬底上的电子束的相应点格栅图形，以利用点格栅阵列图形使该抗蚀剂曝光。然后，在将后续图形聚焦到衬底上时，利用可运动工作台使衬底相对于电子束阵列位移，以在衬底上建立最终全像。
在本发明的特定实施例中，本发明光刻机的光学辐射源包括：光源，用于产生基本平行的光束阵列；以及可编程空间光线调制器，选择性地调制光束阵列中的光束。设置微透镜阵列，用于对从光源进入光子电子变换器的光学进行聚焦。可以在空间光线调制器和微透镜阵列之间使用诸如光学缩微器的中继光学器件，以减小光学图像的尺寸，从而使各像素从空间光线调制器映射到微透镜阵列的相应单元。微透镜可以是二维阵列的衍射或折射微透镜。光子电子变换器产生对应于入射到其上的光学图像、但是显著减小了点尺寸的点格栅阵列电子图像。然后，利用适当电子透镜，将该电子图像聚焦到衬底上。
可运动工作台使衬底在相对于电子束的一个轴线稍许倾斜的基本线性扫描方向相对于电子束阵列运动，以致在倾斜电子束阵列扫描衬底时，使衬底表面完全曝光。在本发明的各种实施例中，可运动工作台和阵列结构提供替换扫描图形，包括：重叠的图形、不重叠的图形、提供冗余度的图形以及提供各种程度的隔行扫描的图形。在电子束阵列扫描衬底时，对光学和电子系统产生的图形进行编程，以在衬底上建立最终全像。
图1示出根据本发明实施例的光刻机。参考图1，光源105可以是连续波激光器或脉冲激光器，它提供光辐射，准直透镜110使该光辐射准直，然后，射束分裂器115将它反射到二维空间光线调制器(SLM)120。
空间光线调制器120对该光线进行调制，以产生对应于要求图形的平行阵列调制光束。在本发明的一个实施例中，SLM 120包括微透镜阵列，例如可以从美国德克萨斯州的达拉斯市的德州仪器公司(TexasInstruments)获得的Model DMD。SLM 120的各微反射镜响应输入图形数据信号100，以致每个SLM单元(还被称为像素)选择性地反射光线，从而产生要求图形的平行光束。通过射束分裂器115，该平行光束返回中继光学器件125。
中继光学器件125使每个SLM单元成像到微透镜阵列(MLA)130内的相应微透镜上。中继光学器件125优先保证减小光学图形的总体尺寸，以便与相对于SLM 120具有较小优选尺寸的微透镜阵列130对应。然而，通常，中继光学器件125的功能是使SLM 120产生的光学点格栅图形(被称为“第一中间图形”)映射到微透镜阵列135上。因此，正如以下所作的详细说明。正如SLM 120和微透镜阵列135的相对尺寸所要求的那样，中继光学器件可以进行1X或者更大倍数的放大。
微透镜阵列130包括微透镜阵列，其中一个微透镜与SLM 120的每个单元对应。每个微透镜将入射到其的光束聚焦到光子电子变换器145上的光点140上。这样，在光子电子变换器145的表面上形成的光学点格栅图形(被称为“第二中间图形”)与第一中间图形对应，只是其总体尺寸被中继光学器件125放大(或者缩微)，而各光束的尺寸被微透镜阵列130的聚焦效应缩小为较小的点。
聚焦在光子电子变换器145上的点140互相良好分离，以防止各光束之间发生串音或干扰。在优选实施例中，光子电子变换器145包括光电阴极，响应入射光束，该光电阴极产生阵列电子源150。因此，光子电子变换器145产生的电子源的点格栅图形(被称为第三中间图形)与聚焦在光子电子变换器145上的第二中间图形对应。
电子光学器件155将从光子电子变换器145的各电子源出来的电子聚焦到衬底160上的点。结果，将点格栅图形成像在衬底160上(被称为第四中间图形)。在下面描述的各实施例中提供了电子光学器件155的不同替换件，它们在第三中间图形与第四中间图形之间实现各种程度的缩微。(参考图1A-1D和相应的讨论)然而，就一切情况而论，相对于SLM 120产生的第一中间图形，显著减小第四中间图形的点的尺寸。在优选实施例中，利用电子成像在程度160上的点165的大小具有25纳米的典型尺寸。显著减小点的尺寸导致本发明的分辨率提高。
图1A示出电子光学器件155的变换实施例。在图1A所示的变换实施例中，电子光学器件155包括光孔阵列170和Einzel透镜阵列172。作为用于聚焦电子束的静电透镜，Einzel透镜众所周知。如图1A所示，Einzel透镜包括3块平行板，其中上板和下板(172A和172C)具有同样电位。电子束分别通过3块板上的通孔，然后，聚焦到衬底160上的点。在该实施例中，衬底160上相邻点之间的间距低于入射到光子电子变换器145的光点之间的间距，但是各点的尺寸被显著减小，从而显著提高分辨率。
图1B示出光子电子变换器145的变换实施例。在该变换实施例中，将微透镜阵列130产生的第二中间图形聚焦到相应微尖端(microtip)阵列174上。任选激活的微尖端，例如电子显微镜使用的微尖端是物理尺寸小的尖锐电子源。响应入射光照度，每个微尖端产生电子，并由微尖端的物理尺寸确定电子源的尺寸。这些电子源的“尖端的尖端(tip ofthe tip)”在显微镜下小，而且微尖端的电子发射尖端的物理尺寸比入射到微尖端的光点的尺寸小得多。因此，第四中间图形的点尺寸比第二中间图形的点尺寸小得多。因此，在该实施例中，微尖端保证显著减小点尺寸，并相应地提高分辨率。电子光学器件156将微尖端源阵列174发出的电子聚焦为电子束阵列176，这样就在衬底160上形成第四中间图形。电子光学器件156必须对各微尖端发出的电子进行聚焦，并使它们加速到达衬底160。这种电子光学器件众所周知，它可以包括例如与静电场组合在一起的均匀磁场，它们二者均对准z轴(垂直于衬底的表面)。
图1C示出电子光学器件155的另一个实施例。在该实施例中，电子光学器件155包括在电子显微技术领域公知的缩微透镜180。在该实施例中，缩微过程可以减小第四中间图形的总体尺寸、相邻点之间的距离以及各点的尺寸。减小各点的尺寸提高分辨率。然而，该实施例需要设计宽视野(wide field)光学物镜，这种宽视野光学物镜可能发生变形。
图1D示出电子光学器件155的另一个实施例。图1D所示实施例与微电子透镜阵列192组合使用电子偏转器阵列190。图1E进一步示出电子偏转器阵列190，它包括用于将每条电子束偏转到点“f”的四极(quadrapole)偏转器阵列。如图所示，电子偏转器阵列190包括用于通过各电子束光孔阵列以及4个围绕每个光孔设置的静电板193a、193b、193c以及193d。对每块静电板施加电压信号，以通过点f偏转电子束。每个微电子透镜阵列192的结构均与图1A所示Einzel透镜阵列的结构类似，定位微电子透镜阵列192以重新准直用于形成缩微图像的电子束。即，与第三中间图形相比，第四中间图形的总体尺寸小，而且其各点的尺寸较小。因此，使用偏转器阵列可以减小点尺寸以及各点之间的距离(总体图像尺寸)，而无需像在图1C中那样设计宽视野物镜。
图1示出支承衬底160的机械工作台167。机械工作台167在y方向移动衬底160，y方向导致平行于第四中间图形的电子束阵列的轴线y之一。选择从平行位置偏移，以致衬底160相对于射束阵列位移，而且在调制该射束阵列以形成顺序点格栅图形时，该点格栅图形交织或交错，以便在机械交叉扫描方向(x方向)不留间隙。这样，该全像被扫描到衬底160上。有多种方式可以实现这种倾斜扫描。例如，波束可以跟踪与中心隔离开像素宽度的轨迹，或者它们可以跟踪与中心隔离开二分之一像素宽度的轨迹，而且扫迹上的点可以沿y轴偏移二分之一像素宽度，导致衬底上更紧密容纳点阵列。此外，可以使其扫描线之间的间距小于1个像素宽度的扫描图形交错。
现在，将参考图2说明本发明的另一个实施例。图2所示的光刻机包括图1所示光刻机的上述部件，图1所示光刻机包括光源105和准直透镜110。在该实施例中，SLM 220是选择性透射空间光线调制器，与SLM 120类似，它响应图形数据信号100调制平行光束阵列。即，根据该像素的接通或断开状态，选择性地透射或者阻断入射到每个单元或像素的光。在“A proposal for maskless，zone-plate-arry nanolithography”，Smith，Henry I.，J.Vac.Sci Techno.B 14(6)，Nov/Dec 1996和1999年5月4日授予Henry I.Smith的第5,900,637号美国专利“MasklessLithography Using a Multiplexed Array of Fresnel Zone Plates”中，对适于这种功能的微型快门阵列进行了描述。
仍参考图2，SLM 220发出的光束225被射束成形器230整形，在该光束传输到聚焦光学器件235之前，射束成形器230使它们变窄。聚焦光学器件235包括用于使每条光束聚焦到光学缩微器240上的微透镜。聚焦光学器件235将调制光束225聚焦为其大小基本等于SLM 220产生的原始图像，然而各点尺寸被显著减小的图像。
光学缩微器240使SLM 220产生的图形的总图像尺寸减小，并进一步减小各点的尺寸。光学缩微器240将缩微图像聚焦到光子电子变换器145的表面上。
图2所示的配置可以使用较低成本的聚焦光学器件235，例如具有较小数值孔径(NA)的微透镜。聚焦光学器件235可以使用几种透镜，例如折射型或衍射型的标准透镜或微透镜。对于较小NA和较大视场(FOV)，可以采用塑料衍射单元。这样可以实现几十厘米宽甚或更宽的FOV。对于大NA应用，可以使用微透镜阵列(通常10微米宽)。如果使用衍射透镜单元，则该透镜阵列可以进一步包括光孔阵列(即，针孔阵列)，以截断衍射单元产生的高阶散射。在结合短波长光线，例如约13nm的极远紫外线(EUV)使用时，衍射透镜尤其适合实现本发明。
文献中对微透镜阵列的例子进行了充分说明，文献包括“Microlensarray with spatial varitions of the optical functions”，Hessler et al，PureAppl.Opt.6(1997)673-681和“A Microlens Direct-Write Concept forLithography”，Davidson，Mark，SPIE VOL.3048，PP.346。
此外，在此所称微透镜阵列，例如微透镜阵列130和聚焦光学器件235可以是根据传统光学技术的一个透镜阵列，或串行排列的多个阵列，因此单独阵列中的各透镜单元的光程形成复合透镜。这种排列可以产生其数值孔径比单个透镜的阵列获得的数值孔径大的复合透镜阵列。通过层叠各透镜阵列，可以利用机械方法组装这种复合微透镜阵列，或者利用例如众所周知的MEMS(微电子机械系统)制造技术制造这种复合微透镜阵列。
衍射光学元件阵列的例子是非涅耳区板。它们可以在任何波长下工作，而且在被称为区板阵列光刻(ZPAL)的处理过程中，非涅耳区板阵列已经用于光刻。在“Lithographic patterning and confocal imagingwith zone plates，”Gil et al，Vac.Sci.Technol.B 18(6)，Nov/Dec 2000和“Maskless，parallel patterning with zone-plate array lithography，”Carter et al，J.Vac.Sci.Technol.B 17(6)，Nov/Dec 1999中对这些阵列及其用法进行了描述。通常，这些衍射区板阵列适合替换折射光学微透镜阵列。
在图4所示的本发明的变换实施例中，将单独控制的激光器阵列用作光源400，以产生入射到SLM 405的光束阵列。在本发明的该实施例中，可以将各激光调制到要求的强度(即，灰度级)，以便更精细控制图像写过程。光源400可以包括可以从Band Gap Engineering ofColorado获得的垂直空腔表面发光激光器(VCSEL)的阵列。VCSEL是从芯片的顶部、向上发光的半导体激光器。
图3示出扫描图形的一个例子。如图所示，点阵列(第四中间图形)入射到衬底160。为了简洁起见，图3示出8宽(a-h)×6深(1-6)的点阵列。在实现本发明时，点阵列通常包括数百、数千甚或更多的电子束。在机械交叉扫描x方向，相邻行上各点中心之间的偏移确定x方向上的像素尺寸(即，第一行e1上第e个点与第二行e2上第e个点之间的距离的x轴上的投影px)。为了连续覆盖衬底160，列d6上的最后一个点必须跟踪只有一个像素在交叉扫描的x方向离开相邻列(c1)上的第一点的切线的轨迹。利用在两次连续照射衬底160之间，给定点的点中心之间的横跨距离，即，时间0时点f4的中心(“f4t0”)与一个照射间隔之后同一个点的中心(“f4t1”)之间的距离确定机械扫描y方向py(未示出)上的像素尺寸。通过将工作台的速度乘以照射间隔，可以确定该距离。
在本发明的又一个实施例中，衬底160相对于射束阵列位移，以形成交错图形，因为在利用脉冲激光器光源(例如准分子激光器或Q激光器)作为光源105时，在连续照射衬底160期间，每个点移动的距离比两个相邻点之间的间距大。
利用确保精确、线性运动的任何装置，可以使衬底160运动，例如可以由Anorad Corporation of New York市售的采用线性马达和空气轴承的传统干涉仪控制工作台使衬底160运动。此外，在本发明的变换实施例中，可以使衬底保持静止，而使产生射束阵列的光学器件相对于衬底位移、相对于晶片位移。
为了对任何残余不精确性，例如工作台的机械振动产生的不精确性进行校正，引入用于对工作台移动中的不精确性进行补偿的补偿器。参考图2，将或者作为工作台的一部分或者作为附加部件的二维干涉仪器件235安装到工作台上，以检测其位置，并产生位置误差信号。利用大量替换件可以补偿这些误差。首先，可以将补偿器250连接到射束成形器230和聚焦光学器件235，以使它们移动足以对工作台位置误差进行补偿的量。其次，可以将补偿器260连接到缩微器240，以使它移动可以补偿工作台位置误差的量。再次，可以将补偿器连接到可以在两个轴线上运动的反射镜，用于改变从光源到光刻机(printer)的光学元件之一的入射角，以对工作台位置误差进行补偿。例如，如果在射束成形器230与聚焦光学器件235之间将光路弯曲90度，而且定位可运动反射镜以使射束成形器230发出的光照射聚焦光学器件235，则改变反射镜的角度可以改变光线在聚焦光学器件235上的入射角，从而使聚焦图像位移。
在本发明的又一个实施例中，本发明的光刻机包括位于光子电子变换器145之前的限幅器。该限幅器防止或者显著减小因为与反射的光束、不平行光束、旁瓣等相互作用对光子电子变换器145产生的写错误。参考图5a，限幅器500包括针孔阵列，其中针孔501与所产生的光束阵列中的光束对应，以便照射光子电子变换器145。在图5b所示的本发明的另一个实施例中，限幅器510包括光孔511的阵列，光孔511与光束阵列中的光束对应，每个光孔511的宽度w至少是每条光束的波长的一半。
本发明的一个优点是不需要高阶缩小透镜。更具体地说，具有掩膜的光刻系统通常采用其尺寸是要求的最终图形尺寸的4倍或5倍(4X或5X)的掩膜。这样就需要使用通常被称为“步进器透镜(stepper lens)”的缩微透镜，“步进器透镜(stepper lens)”通常非常昂贵。即使在例如“High throughput electron lithography with multiple aperture pixel bypixel enhancement of resolution concept”，Kruit，P.，J.Vac.Sci.Technol.B 16(6)，Nov/Dec 1998描述的、当前基于掩膜的混合光子电子系统中，情况也如此。相反，当象在本发明的各实施例中那样，使用可编程无掩膜源时，源图形与衬底之间的放大率不受这种限制，而且对于光子光学器件和电子光学器件，该放大率均为1。更容易设计低放大率的低变形光学器件。因此，可以设计低变形光学器件，并可以相应地装载输入数据信号图形。即，由于利用点尺寸确定该系统的分辨率，所以根据对光子光学器件、电子光学器件选择的配置以及写策略，在适当时间，不需要将图像缩微，而需要将要映射到衬底的图形数据装载到可编程源阵列。
写策略和其他设计配置对设计选择放大率产生影响。例如，如果采用稍许转动扫描的简单线性扫描，其中格栅包括间距为D的N×N像素，而且晶片上的地址单元的大小是d，则缩微率M为M＝D/(d*N)。在某些情况下，这样可能产生小放大率。例如，如果D＝15微米、N＝1000，d＝25nm，则M＝0.6(小缩微率)。然而，对应于这种小缩微率的成本和变形明显小于4X和5X步进器透镜的成本和变形。
这样就产生了更简单、更无变形的光学器件。实际上，使用与最终图像具有同样尺寸的SLM图像，即1X放大率可以获得最佳光学器件。在其掩膜比要求的最终图像大得多的掩膜系统中需要这种缩小单元，但是这种缩小单元或“步进器透镜(stepper lens)”通常非常昂贵。然而，在本发明的优选实施例中，这种单元有利。
下面的计算将说明根据本发明实施例的光刻机的吞吐量。
定义：
FOV-衬底上的视场(微米)(假定是正方形)
D-衬底上的点间距(微米)
p-衬底上的像素尺寸(微米)
ny和nx-分别是阵列内的行数和列数
N-阵列内的总点数
DR-数据速率要求(像素/秒/阵列)
FR-帧速率要求(读的阵列/秒)
V-y方向上的工作台速度(微米/秒)
由于FOV＝D*nx，而且如果没有交错，ny＝D/p，则总点数N是：
N＝nx*ny＝(FOV/D)*(D/p)＝FOV/p
对于给定的数据速率要求(DR)，则要求帧速率(FR)，并因此要求工作台速度为：
FR＝DR/N＝DR*p/FOV以及
V＝FR*p＝DR*p2/FOV
例子：
FOV＝10mm＝10000微米
DR＝10万亿像素/秒＝1012像素/秒
P＝10nm＝0.01微米
N＝10000/0.01＝1,000,000＝＞100*100阵列
FR＝1010/104＝106＝1兆帧/秒
V＝106*0.01微米＝10mm/秒
本发明适用于制造各种类型的半导体器件，特别是采用约0.18□及以下设计规则的高密度半导体器件。
利用传统材料、方法和装置，可以实现本发明。因此，在此不详细说明这种材料、装置和方法的细节。在上面的描述中，为了有助于全面理解本发明，对许多特定细节进行了说明，例如特定材料、结构、化学物质、处理过程等。然而，应该认为，不采用以上具体说明的细节，仍可以实现本发明。在其他例子中，为了不使本发明不必要地模糊不清，所以未对众所周知的处理过程进行了详细描述。
在本说明书中仅对本发明的典型实施例及其变型的几个例子进行了描述。应该明白，本发明可以用于各种其他组合和环境，而且可以在在此描述的本发明原理范围内对其进行变更和修改。此外，本说明书是说明性的，而非限制性的。例如，关于光线和光图像，本发明的说明书引用光源(light source)并对光学光源(optical source)和光辐射进行了讨论。然而，在本发明人引用“光线(light)”时，本发明人包括所有波长的电磁辐射，而并不局限于可见波长。例如，可以认为被称为紫外线、远紫外线、极远紫外线、X射线等的所有短波长光线均包括在“光线(light)”范围内，因为它们均指光子和电磁辐射，而且仅以辐射波长来区别它们。

Claims (35)

1、一种利用电子束阵列形成的图像使衬底曝光的无掩膜光刻设备，该系统包括：
可编程光辐射源，用于提供响应输入数据信号调制的光束阵列并形成一系列光学图形；
光子电子变换器，用于将光束变换为电子束，并形成一系列电子束图形；
电子光学器件，用于使电子束聚焦到衬底上；以及
移位器，用于在衬底与电子束之间实现相对运动，以致利用形成图像的一系列电子束图形使该衬底曝光。
2、根据权利要求1所述的设备，其中电子光学器件缩微电子束图形。
3、根据权利要求1所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列。
4、根据权利要求1所述的设备，其中可编程光辐射源包括单独调制的激光器阵列。
5、根据权利要求1所述的设备，其中光辐射源包括：
光源；以及
可编程空间光线调制器，用于提供响应输入数据信号单独调制的光束阵列。
6、根据权利要求4所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列，其被定位为使得在光束与微透镜阵列的单元之间存在一一对应的关系。
7、根据权利要求5所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列，这样定位该光学微透镜阵列，以致在光束与微透镜阵列的单元之间存在一一对应的关系。
8、根据权利要求3所述的设备，其中微透镜是衍射型的。
9、根据权利要求1所述的设备，其中移位器使衬底沿相对于电子束图形的一个轴线倾斜的轴线移动。
10、根据权利要求9所述的设备，其中可运动工作台这样移动衬底，以致在扫描方向上，衬底移动的距离基本等于电子束阵列的长度，在机械交叉扫描方向，电子束在衬底上跟踪基本连续的轨迹。
11、根据权利要求3所述的设备，其中光束阵列是二维的。
12、根据权利要求9所述的设备，该设备进一步包括用于对可运动工作台运动的不精确性进行补偿的补偿器。
13、根据权利要求12所述的设备，其中补偿器包括用于移动电子束阵列以对工作台运动的机械不精确性进行补偿的伺服机构。
14、根据权利要求12所述的设备，该设备进一步包括选自可运动反射镜、电光元件以及声光元件的补偿器，以改变从光源入射到透镜阵列上的入射角，从而补偿可运动工作台的机械不精确性。
15、根据权利要求10所述的设备，其中可运动工作台这样移动衬底，以致电子束在跟踪衬底表面上的连续轨迹时相互重叠。
16、根据权利要求1所述的设备，该设备进一步包括插在光辐射源与光子电子变换器之间、用于减小对光子电子变换器的写错误的限幅器。
17、根据权利要求16所述的设备，其中限幅器包括具有对应于光辐射源发出的光束阵列的针孔的针孔阵列。
18、根据权利要求16所述的设备，其中对应于光辐射源发出的光束阵列的光孔阵列，每个光孔的宽度至少是每条光束的波长的一半。
19、一种利用图像使衬底曝光的方法，该方法包括步骤：
产生光束阵列；
响应输入数据信号，单独调制该光束；
将光束变换为电子束，以提供中间电子束阵列；
使电子束聚焦在衬底上，以用电子束图形对衬底曝光；以及
在执行产生、调制、变换以及聚焦步骤时，相对于电子束移动衬底，以利用包括一系列电子束图形的图像使衬底曝光。
20、根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括对移动步骤中的机械不精确性进行补偿。
21、一种无掩膜光刻设备，该无掩膜光刻设备包括：
光源；
空间光线调制器，其被定位为从光源接收光线，用于提供响应输入数据信号单独调制的光束阵列；
透镜阵列，用于聚焦每条光束；
光子电子变换器，将该光子电子变换器定位在光束的焦点位置，用于将每条光束变换为电子束；
光学器件，插在空间光线调制器与透镜阵列之间，用于以一一对应方式，将射束映射到透镜上；
电子透镜，插在光子电子变换器与衬底之间，用于使各电子束聚焦到衬底上；以及
工作台，用于在衬底与光子电子变换器之间实现相对运动，以致利用电子束阵列将图像记录到衬底上。
22、根据权利要求21所述的设备，其中可运动工作台使衬底沿相对于电子束阵列的一个轴线稍许倾斜的方向移动。
23、一种无掩膜光刻设备，其中包括：
光源；
空间光线调制器，其被定位为从光源接收光线，用于响应输入信号提供单独调制的光束阵列；
透镜阵列，用于聚焦每条调制光束；
光子电子变换器，将该光子电子变换器定位在调制光束的焦点位置，用于将每条调制光束变换为电子束；
电子缩微器，其插在光子电子变换器与衬底之间；以及
可运动工作台，用于支承衬底，并用于在衬底与光子电子变换器之间实现相对运动，以致利用电子束阵列将图像记录到衬底上。
24、根据权利要求23所述的设备，其中可运动工作台使衬底沿相对于电子束阵列的一个轴线稍许倾斜的方向移动。
25、根据权利要求24所述的设备，其中空间光线调制器是微反射镜阵列。
26、一种利用电子束阵列形成的图像使衬底曝光的无掩膜光刻设备，该系统包括：
可编程光辐射源，用于提供响应输入数据信号调制的光束阵列并形成一系列光学图形；
光子电子变换器，包括光敏微尖端阵列，用于将光束变换为电子点，并形成一系列电子束图形；
电子光学器件，用于使电子点发出的电子束聚焦到衬底上；以及
移位器，用于在衬底与聚焦的电子束之间实现相对运动，以致利用形成图像的一系列电子束图形使该衬底曝光。
27、根据权利要求26所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列。
28、根据权利要求26所述的设备，其中可编程光辐射源包括单独调制的激光器阵列。
29、根据权利要求26所述的设备，其中光辐射源包括：
光源；以及
可编程空间光线调制器，用于提供响应输入数据信号单独调制的光束阵列。
30、根据权利要求28所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列，这样定位该光学微透镜阵列，以致在光束与微透镜阵列的单元之间存在一一对应的关系。
31、根据权利要求29所述的设备，该设备进一步包括插在可编程光辐射源与光子电子变换器之间的光学微透镜阵列，这样定位该光学微透镜阵列，以致在光束与微透镜阵列的单元之间存在一一对应的关系。
32、根据权利要求27所述的设备，其中微透镜是衍射型的。
33、根据权利要求26所述的设备，其中移位器使衬底沿相对于电子束图形的一个轴线倾斜的轴线移动。
34、根据权利要求27所述的设备，其中光束阵列是二维的。
35、根据权利要求3所述的设备，该设备进一步包括插在光学微透镜阵列与光子电子变换器之间的光学缩微器。
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