二進位半色調光掩模和微型三維裝置及其製作方法

2023-06-05 17:29:21 4

專利名稱：二進位半色調光掩模和微型三維裝置及其製作方法
技術領域：
本發明一般涉及改進的二進位半色調(binary half tone，「BHT」)光掩模和三維微型結構(如微機電系統(「MEM」)、微光學、光子學、微結構、壓印光刻應用、和其他裝置)，及其設計與製作方法。
背景技術：
近來的技術進展，已經可以在各個領域，包括光子學、通信、和集成電路中使用三維的MEM、微光學裝置、和其他的微結構。過去，這些微小裝置是用雷射微加工設備製作的。但是，這種方法費時又昂貴，因此對製造商來說，該方法通常難以在性能價格比方面滿足產品要求。就此而言，因為設計的每一像素必須用新的算法重寫，所以這種技術不能在製造集成電路方面，與一般的應用技術很好結合，因為用新的算法重寫是吃力和費時的任務，所以許多人都避免使用微加工設備。
有鑑於客觀上需要使用小尺度的三維結構，已經發展其他的製作技術，試圖避免與雷射微加工設備有關的問題。特別是，用於製作集成電路的傳統光刻技術，已經適合製作三維微結構。在傳統的光刻技術中，把完全已分辨的圖形蝕刻成二進位光掩模，並通過曝光設備(如分檔器)使晶片曝光而轉印到晶片上。更具體說，二進位光掩模一般包括基本透明的基片(如石英)和蝕刻要轉印的圖形的不透明層(如鉻)。同樣周知的是，在光掩模上也可以包括其他的層，例如包括增透層(如氧化鉻)。然後，把處理的集成電路上基片中的光刻膠顯影，或者除去已曝光部分，或者除去未曝光的部分。之後，在除去光刻膠的區域，蝕刻基片上的材料。有關製作傳統二進位光掩模(如石英上敷鉻)技術的例子，和它在製作集成電路中的使用，例如公開在美國專利號No.6,406,818中。
這些已知的製作二進位光掩模及半導體裝置的處理過程，已經改進，用於製作三維微型裝置。在這方面，已知在光掩模(如在玻璃上的鉻)上使用連續色調圖形代替二進位的、全分辨的掩模圖形，在像的形成過程中，產生通過光掩模的連續色調的強度。一種連續色調的、可變的透射式光掩模，一般稱為二進位半色調(「BHT」)光掩模。BHT光掩模使用兩級的灰度色調(如0％透射和100％透射)。另一種連續色調的、可變的透射式光掩模，稱為灰度色標光掩模，它使用通過光掩模透射光的變化的級(如0％、50％、100％等等)。藉助使用這些可變透射的光掩模類型，通過連續色調圖形的使用，能夠在晶片上的光刻膠中形成三維結構。
BHT光掩模通常被設計成有亞解析度特徵，即基於寬度和間距中的特徵調節，部分地透射曝光光源的光強。在這方面，本領域熟知，要設計用於微型表面的BHT光掩模布局，需把光掩模有圖形的區域，分為像素和子像素(一般稱為「子像素化(sub-pixelation)」)，這些像素和子像素定義掩模上光透射的面積，如圖1和2所示。設計定義BHT光掩模圖形的子像素，使之小於使用的曝光設備的解析度，以便能夠在最終得到的晶片上建立灰度色標像。子像素大小的邊界，通常由如下的Rayleigh方程(1)定義(1) R＝kλ/NA這裡R是晶片最小可分辨半間距特徵，λ是曝光設備波長，NA是被使用的曝光設備光學系統的數值孔徑，和k(k因子)是無單位的常數，其值與處理過程的能力有關(例如，k因子越小，低反差的空間像看得越清楚)。一般說來，灰度色標設計要求的子像素，必須在成像系統中是不被分辨的，因此，k因子最好小於0.5。但是，實際上，k因子可以稍稍大於0.5，對某些曝光設備仍然不被總的處理過程分辨。光掩模設計者已經使用校準模擬工具，例如KLA-Tensor生產的Prolith/2，專門針對優化不可分辨特徵的大小。遺憾的是，有許多其他工具不能滿足方程(1)的要求，從而，光掩模的設計常常受設計者可用的設計工具能力的限制。此外，因為光掩模的設計，除三維裝置外(例如光子學應用)，通常包括其他結構(例如，兩維的二進位部件，諸如集成電路圖形)，這個問題甚至比上述方程蘊涵的問題更複雜。在這種情況下，某些BHT基元的設計，可能涉及掩模上鉻中孤立的空間，或叫鉻島，因而半間距概念是沒有定義的。
正如本領域熟練人員所知，可容許的表面粗糙度，影響製作的裝置中最小特徵的大小。例如，方程(1)中k因子是0.7時(即最小特徵大小可被光學系統分辨時)，試圖構建有階梯狀斜坡布局的BHT光掩模，將在斜坡圖形每一階梯內產生子波紋，如圖3所示。在裝置說明書允許的某些應用中，波紋效應儘管不希望有，卻可以接受。但是，在許多應用中，因為製作的裝置的最佳性能，需要平滑的輪廓，所以子波紋效應是不可接受的。因為現有技術的BHT光掩模設計，要求使用小的k因子，以獲得平滑的輪廓，所以掩模設計者被限制於能滿足該要求的裝備。
除了k因子外，BHT光掩模布局的設計，受使用的光刻裝備的其他規格支配，其中例如包括裝備的解析度、放大率、波長、等等。在這方面，已知的灰度色標應用，例如微光學表面的產生，要求數據有比通常大多數掩模圖形發生器更高的解析度。結果是，掩模設計者被限制於某些寫入設備，只有這些設備有能力使灰度級與這些設備的坐標網格設計匹配。例如，具有20nm寫入坐標網格的MEBES 4500電子束寫入設備，不能適當地重現子像素變化為10nm的BHT設計。相反，如ALTA 3500的雷射束寫入設備，有5nm的寫入地址，則能夠重現該設計。
此外，一種在掩模上要求定製材料的成像方案，由於通常與把新材料結合進光掩模有關的困難，往往在整個製造過程中增加成本和複雜性。例如，本領域周知，可以不用BHT光掩模而用可變衰減膜(「VAF」)來製作三維裝置。但是，VAF通常是昂貴的，並生產出不太理想的結果。
一旦完成了掩模設計，那些用於處理常規二進位掩模相同的光刻方法，被用來把該設計轉印到光掩模上，如圖4所示。更具體說，有光刻膠51、鉻53、和石英55各層的二進位光掩模，被放在光掩模圖形發生器下面。光刻膠層51在光學的、雷射的、電子束的、或其他寫入設備下，按照定義該BHT光掩模的數據文件曝光。光刻膠層51的曝光部分被顯影(即除去)，露出下面鉻層53的鉻部分。然後，露出的鉻部分被蝕刻除去(例如通過乾式等離子蝕刻或溼式蝕刻技術)。之後，除去剩餘的光刻膠51，形成與BHT光掩模布局一致的已完成的BHT光掩模。
然後，把掩模定義的可變強度灰度色調圖形，用晶片分檔器或其他光光刻設備，轉印到塗布光刻膠的晶片上。更具體說，按BHT光掩模中開孔定義的變化的光強，對晶片上光刻膠部分曝光。接著，光刻膠按光密度出現變化，並在其上建立灰度色標輪廓。但是應當指出，光刻膠的處理過程常常受使用的可變輻射劑量圖形發生器的限制。然後，除去已曝光的光刻膠，而剩餘的光刻膠形成與掩模設計對應的灰度色標圖形。然後，把光刻膠和晶片蝕刻至預定的與灰度色標圖形一致的深度。得到的是晶片上的三維微結構。
在已知的上述方法中，適合需要的應用(例如三維微結構)的最小特徵大小，藉助實驗或其他方法，通過已知的模擬技術確定。一旦確定了最小特徵大小，可以產生定義掩模尺寸的像素。已經應用各種方法來排列灰度色標設計(例如，正方形、用可變間距的像素或點、和可變子像素化方法)。但是，這些方法有它們的限制。就此而言，已經知道，接觸孔和點的特徵，比線和間隔特徵更難控制。結果是，設計的拐彎處和直線度兩者都要兼顧。同樣，可變間距方法，因為要求對每一像素位置用不同的算法，以便細心定義BHT光掩模中正確的開孔，所以也有麻煩。當考慮到布局的動態範圍時，因為接觸面積的大小是變化的，導致正方形像素非線性地變化。這一點能夠限制掩模設計者為校正過程的非線性而進行細緻改變的能力。這些方法因為要求對整個設計進行大量調整，因此在掩模製備中加大成本和處理時間。
設計BHT光掩模已知方法的一個例子，在美國專利No.5,310,623(簡稱「′623專利」)中說明。′623專利教導一種用於製作微透鏡的方法，該方法通過用單個曝光掩模，用精確定位及大小的透過開孔的光，能在光刻膠材料中產生像的重現，並最終轉印到基片上。如在該專利中公開的，光掩模的設計，是用三維模型軟體產生的，其中單個像素定義微透鏡的形狀。該單個像素被細分為「子像素」，子像素又細分為灰度色標解析度單元。每一子像素和灰度色標解析度單元，被設計成在每一側「[按]大小相等」。(第6欄，第30行)。換句話說，每一子像素和灰度色標解析度單元，是完全的正方形。
美國專利No.6,335,151公開一種製作微型的、三維物體的方法，該方法通過建立包括像素和定義物體表面輪廓線的「超像素」的掩模，把掩模的圖形成像到光刻膠膜上，並把三維表面從光刻膠轉印到基片。
雖然有用，但現有技術使用的常規正方形像素排列方法，有它們的缺點。在這方面，現有技術公開的使用大小小於光學系統最小可分辨的特徵大小的正方形像素。然後把每一像素分為其相應面積沿x軸和y軸變化的子像素，如在′151和′623專利所公開的。結果是，每一子像素在面積中的變化，是振幅的平方，從而使每一灰度級之間的光強變化是非線性且常常是不定的。因此，光的透射受正方形子像素大小及掩模圖形發生器允許的最小尺寸的限制。因此，現有技術方法製作的三維物體，趨於有鋸齒狀的表面，特別是當物體是斜坡形時。因為這些方法產生勉強合格的結果，所以許多人放棄使用BHT光掩模來製作三維微型裝置。
因此，長久以來，感到需要新的設計規則和布局選擇來製作BHT光掩模，克服這些與現有技術有關的缺點。
雖然現有技術是值得注意的，但現有技術的已知方法和設備給出若干限制，這些限制是本發明要克服的。
具體說，本發明的一個目的，是提供一種設計有平滑輪廓的BHT光掩模布局的方法。
本發明還有一個目的，是提供一種設計滿足光學系統廣泛規格的BHT光掩模布局的方法。
本發明的另一個目的，是設計一種BHT光掩模，其中每一灰度級之間的光強變化，既是線性的，也是限定的。
本發明的另一個目的，是解決現有技術的缺點。
其他的目的可從前面的說明看出。

發明內容
現在已經發現，本發明的上述和有關目的，是以BHT光掩模和微型三維結構的形式及其設計和製作方法獲得的。設計BHT布局或灰度色標光掩模的方法，受特定設計規則支配，該設計規則是在電子資料庫內計算的。
更準確地說，本發明針對二進位半色調光掩模，該二進位半色調光掩模包括基本透明的基片和有圖形形成在其中的不透明層。該圖形至少由一個像素定義，其中每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。在本發明的一個實施例中，該像素是正方形的，該子像素有高度和長度，其中每一子像素的高度，約為像素間距的一半，而每一子像素的長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。在另一個實施例中，該像素是圓形的，該子像素有半徑和弧線長度，其中每一子像素的半徑，約為像素間距的一半，而每一子像素的弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
本發明還針對一種設計二進位半色調光掩模圖形布局的方法，該二進位半色調光掩模圖形用於製作三維結構。本方法包括下述步驟產生至少兩個像素；把每一像素分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；和把像素排列成圖形，使光通過像素透射，以便形成連續色調的、空間光的像。在一個優選實施例中，該子像素麵積小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
另外，本發明針對一種製作二進位半色調光掩模的方法。本方法包括如下步驟在光刻設備中提供包括光刻膠層、不透明層、和基本透明層的二進位光掩模。此外，把光刻膠層按照光掩模上的二進位半色調光掩模圖形，在光刻設備中曝光，其中，該圖形至少由一個像素定義。每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。其次，蝕刻光刻膠的不需要部分和在除去了光刻膠部分下面的不透明層部分。之後，除去光刻膠層的剩餘部分。這裡再次指出，每一子像素麵積最好小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
本發明還針對按照上述說明的方法製作的微型三維結構。在這方面，該三維結構包括有連續色調的、基本直線並平滑的表面的晶片，其中，該晶片表面與二進位半色調光掩模產生的光空間像的形狀對應。該二進位半色調光掩模包括在其中形成的至少由一個像素定義的圖形，其中每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。這裡再次指出，每一子像素麵積最好小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
本發明還針對按照上述說明的方法製作微型三維結構的方法。就此而言，製作三維微型結構的方法，包括在曝光設備與塗布光刻膠層的晶片之間，提供二進位半色調光掩模的步驟。該二進位半色調光掩模包括基本透明的基片和有圖形形成其中的不透明層。該圖形至少由一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。各子像素麵積最好小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。下一步，把晶片的光刻膠層按照二進位半色調光掩模上的圖形，在光刻設備中曝光。之後，除去不需要的光刻膠，在沒有被除去的光刻膠中形成三維輪廓。下一步，蝕刻晶片至預定的與形成在剩餘光刻膠中三維輪廓對應的深度。之後，除去剩餘的光刻膠。
在本發明的另一個實施例中，提供一種製作一步和閃印(step andflash)的模板的方法。本方法包括在光刻設備中提供有光刻膠層、不透明層、和基本透明層的二進位光掩模的步驟。光刻膠層在光刻設備中，按照至少由一個像素定義的二進位半色調光掩模圖形曝光，其中每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。各子像素麵積最好小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。下一步，從光掩模中除去不需要的光刻膠部分，並把除去光刻膠部分下面的鉻層部分蝕刻掉。之後，除去光刻膠的剩餘部分，並把二進位半色調光掩模中的圖形轉印到第二基片上，產生由光掩模上定義的連續色調圖形。該第二基片最好由堅固的材料構成，其中包括，但不限於，熔融石英、玻璃、金屬、結晶結構、塑料、或其他類似的材料。然後，把第二基片用作壓印或模壓板，用於製作壓印的光刻應用。
本發明的另一個實施例，針對按照本文說明方法製作的灰度色標光掩模。該灰度色標光掩模包括基本透明層和有圖形形成其中的不透明層。該圖形至少由一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。各子像素麵積最好小於計劃與該二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。


本發明上述的及有關目的、特徵、及優點，當結合附圖參照下面對本發明優選的、然而屬示例性的實施例的詳細說明後，將會有更完整的了解，其中圖1和2畫出本領域熟知的BHT光掩模圖形例子；圖3畫出波紋效應，它是按照現有技術的子像素化方法，例如圖1和2所示的那些方法設計的階梯斜坡布局產生的；圖4畫出用常規光刻技術製作BHT光掩模圖形的處理過程；圖5a和5b表明按照本發明的方法，把正方形像素分為半間距子像素，子像素的面積只沿一個軸變化；圖6a和6b表明按照本發明的方法，把圓形像素分為半間距子像素，子像素的面積只沿一個軸變化；圖7表明三維裝置的表面粗糙度，它與光刻膠厚度和裝置的臨界尺寸有關；圖8表明作為光刻膠反差函數的BHT灰度級像素大小的動態範圍；圖9表明按照圖5a和5b所示本發明的方法，製成的BHT光掩模的線性斜坡設計；圖10是晶片上印製的BHT設計的SEM截面；圖11表明圖9和10所示斜坡設計的光刻膠斜率的AFM輪廓；圖12表明根據圖9和13的設計模擬的光刻膠輪廓；圖13表明按照圖6a和6b所示本發明的方法，製成的BHT光掩模的圓形斜坡設計；圖14表明圖13所示斜坡設計印製的透鏡陣列的AFM像；圖15表明圖14所示圓錐截面之一的側視圖；和圖16畫出有多個子像素排列其中的像素。
具體實施例方式
本發明一般涉及改進的BHT光掩模和由該種光掩模製作的微型三維結構。本發明還針對設計及製作BHT光掩模的方法，用於建立這種微型三維結構(如MEM、微光學、光子學、微結構、和其他三維的微型裝置)。更準確地說，本發明提供一種方法，該方法用於設計BHT光掩模布局、把該布局轉印到BHT光掩模上、和用本發明方法設計的BHT光掩模，製作三維微型結構。從下面的說明可見，本發明的方法，能讓光掩模的設計者設計有連續灰度級的光掩模，使該光掩模在每一灰度級之間的光強變化，既是限定的，也是線性的。結果是，當用該BHT光掩模製作三維微型結構時，能夠在製作的物體上產生更平滑和更線性的輪廓。同樣，已經發現，按照本發明方法設計的BHT光掩模，能滿足雖然不是全部，但也是大多數光學設備的亞解析度要求。現在說明本發明的每一方面。
本發明的第一方面，是提供一種產生BHT光掩模設計的方法。更準確地說，本發明的方法實施專門的設計規則，該設計規則是在電子資料庫內計算的，用於產生光掩模圖形，當光通過光掩模透射時，該光掩模圖形能在可變光強中獲得基本線性的變化。
更準確地說，本發明的BHT光掩模設計方法，使用一系列像素，最好是正方形或圓形，像素麵積是按一定方式變化的，以避免受使用的掩模圖形發生器的解析度限制。(雖然推薦正方形或圓形像素，但本發明不受此限制，並可用於其他形狀的像素，例如橢圓形、矩形、等等)。在一個優選實施例中，像素19是按它的面積大於使用的掩模圖形發生器的最小解析度產生的。之後，每一像素19被分為兩個半個像素，如子像素21a和21b，如圖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，見圖5a-b)或半徑r(在圓形像素的情形，見圖6a-b)，其中，每一子像素21a和21b的高度h或半徑r是固定長度的。在一個實施例中，每一子像素21a和21b的高度h或半徑r，視情況而定，約等於像素19間距p的一半。但是應當指出，每一子像素21a和21b的高度h或半徑r(視情況而定)，能夠分為其他固定的長度，其中包括，但不限於，下面的安排子像素21a的高度h是像素19間距的三分之一，而子像素21b的高度h是像素19間距的三分之二，或反過來；子像素21a的高度h是像素19間距的四分之一，而子像素21b的高度h是像素19間距的四分之三，或反過來；等等。就此而言，每一子像素21a和21b的高度h或半徑r，可以按如下方式分割，即把它們的總間距加在一起，等於它們分為子像素前的像素19的間距。其次，與產生的特定圖形設計有關，每一子像素的長度l(正方形像素的情形)或弧度θ(圓形像素的情形)，交錯地排列，以使整個像素總面積增加或縮減的方式，僅沿一個軸以相對方向變化，分別如圖5a-b和6a-b所示。就這一點來說，每一子像素21a和21b的面積線性地變化，達到等於或小於被使用的曝光設備光學系統最小可分辨間距的量值。此外，在只排列少數子像素以形成BHT光掩模設計的情形，最好使像素19的大小符合使用的曝光系統的最小解析度，確保子像素21a和21b在像寫入過程中不被分辨，從而避免現有技術出現的子波紋效應。每一已修改的像素19，本文此後稱為半間距伸延基元(Half-Pitch Expansion Cell，「HPEC」)。重複這一過程，使一系列HPEC按表現要製作的三維裝置設計的方式排列。藉助這種方式排列HPEC，建立連續的灰度級，使每一灰度級(即振幅)之間光強的變化，既是線性的，也是限定的。在這方面，因為形成圖形的陣列中，可能的灰度級數由於此方法而增加，BHT掩模設計從最大開孔到最小開孔，獲得基本連續的、可變的像素大小，產生100％到0％通過掩模的透射率。結果，在用該BHT光掩模形成的三維物體上，建立更平滑的表面。
排列的設計是作為寫入計算機輔助設計(「CAD」)系統中的分層的、兩維的像而建立的。任何有全角度多面體能力的CAD工具，都可以為本發明寫入像素19。一個適合寫入像素的掩模發生器例子，是Tanner EA的L-Edit CAD工具。
用本發明的方法建立的分層的設計，把每一灰度級與一層結合，並使每一HPEC能相對於其他灰度級被唯一地排列。使用這種分層的設計來編譯掩模圖形發生器的文件，用於把BHT圖形以該文件中維持的分層寫入光掩模。通過使用本方法，掩模圖形發生器文件大小，比已經平坦化的文件小得多，該種平坦化文件把所有灰度級寫入單一層內，現有技術使用的方法就是這種情形。因此，能夠得到更快速的寫入時間，從而降低製作光掩模的成本。還有，已經發現，本發明方法設計的BHT布局，更容易以重複的對稱性排列，該對稱性十分適合極坐標和正交坐標的排列，各個像素之間不會發生幹擾。就此而言，與現有技術不同，現有技術在每一次把圖形轉印到晶片時要求圖形重寫，本發明的方法允許圖形以順序方式轉印，只需把圖形排列一次。這一點也導致製作最終裝置時更快的處理時間，因而有更高的生產量。
再有，按照本發明的方法形成的HPEC，子像素21a和21b都在大多數曝光設備光學系統最小解析度以下。因此，與現有技術不同，按照本發明作出的BHT設計，僅受CAD工具設計的坐標網格和使用的CAD工具限制，該坐標網格被選擇用來排列掩模圖形(它通常是1nm，但需要時也可以是其他大小)。此外，從前面的說明可見，子像素21a和21b是作為設計中的單個基元建立的，該設計對每一灰度級有可調整的寬度，同時對該灰度級保持恆定的間距。因此，當對一層排列每一子像素21a和21b，而每一灰度級有指定的層時，在光刻膠處理過程中當需要校正過程的非線性時，容易改變該單個基元敞開的面積。
在本發明的第二個有關方面，是把掩模圖形發生器文件轉印到光掩模上。在這方面，空白的光掩模用標準的二進位(例如石英上敷鉻)光掩模和常規光刻技術製作，如圖4所示。最好是，空白二進位光掩模是塗敷光刻膠層51的、標準的石英上敷鉻的光掩模。但是應當指出，如有必要或需要，光掩模可以有其他層(例如，CrO增透層)。為處理該光掩模，把光掩模上的光敏材料部分，按照掩模圖形發生器文件存儲的BHT光掩模設計，在掩模圖形發生器中曝光，然後除去光刻膠已曝光部分，使鉻部分53不再被光刻膠51覆蓋。下一步，用標準的技術(例如溼式或乾式蝕刻)，把未覆蓋的鉻部分53蝕刻掉，從而在已除去鉻53的面積下面，露出石英部分55。之後，除去剩餘的光刻膠(即未曝光的光刻膠)。結果得到有BHT設計蝕刻在其上的BHT光掩模。BHT光掩模的不透明部分53，使通過掩模的光能通道變細，於是，透射光的強度將被光掩模設計支配而變化。
在本發明的第三個有關方面，是把三維微型結構的設計，從BHT光掩模轉印到晶片上，形成需要的三維結構。在這方面，把按照本發明的方法設計的BHT光掩模，放在晶片曝光設備(如分檔器)或其他光刻攝像機與有光刻膠(如AZ 4400)澱積其上的晶片之間。光然後從晶片曝光設備通過BHT光掩模開孔以均勻的、基本線性的方式透射，產生三維的光空間像。晶片上的光刻膠接著暴露在該三維的光空間像中，然後顯影，除去已曝光的光刻膠。結果在光刻膠中形成與該空間像對應的三維表面。下一步，把晶片蝕刻到與顯影的光刻膠形狀對應的預定深度。結果，在晶片上形成由BHT光掩模定義的三維像。
為了在按照本發明設計的BHT光掩模中獲得最佳結果，有若干設計和處理設想，光掩模設計者在設計BHT光掩模布局時應當考慮。具體說，設計者應當考慮使用的CAD工具和寫入工具的限制，以及用於製作三維裝置的晶片裝置的限制。每一個這些設想將在下面討論。但是應當指出，光掩模設計者應當考慮的，可能還有與使用的BHT處理過程及製作的裝置有關的其他設計設想(例如，有效的裝置的容限、和精確再現該有效裝置必需的系統解析度)。
本文已經指出，可以使用各種不同的CAD工具，只要該CAD工具有全角度能力。因此，隨使用的CAD工具的變化，設計的坐標網格大小可能變化。同樣，與使用的掩模圖形發生器有關，寫入的坐標網格大小也可能變化。例如，目前常規的掩模寫入坐標網格值，通常是設計的坐標網格的偶數倍，兩者一般在5nm到200nm範圍。但是應當指出，設計和寫入坐標網格值也可以是其他的值(例如，0.1nm、1.5nm、等等)，例如可以包括非整數、百分比、等等。在這種情形下，設計的坐標網格和灰度級像素大小的變化，必須調整，以適應寫入工具的坐標網格，以便使坐標網格的不銜接(snap-to-grid)最小，這種不銜接當把設計數據轉換為寫入工具的坐標網格格式時出現。因此，本發明不受本文說明的寫入工具和寫入坐標網格的限制，因為這些工具僅僅作為例子說明。在一個優選實施例中，當BHT光掩模設計在光掩模基片上形成圖形時，應當調整設計，以適應掩模圖形發生器的寫入坐標網格。就此而言，最好是令寫入坐標網格的大小等於設計的坐標網格大小。設計中可能的灰度級數，受下述方程(2)支配(2) #BHT光掩模設計的灰度級＝Dy/Wg這裡Wg是寫入坐標網格值，Dy是子像素大小。參考下面的表1，表中對按照本發明的方法設計的HPEC，和現有技術的常規正方形像素布局兩者，列出寫入工具地址的面積變化中的差值、某一設計的可能灰度級數、和在10％面積上的最小能量閾值Eo。在本例中，每一情況下的像素大小都是2.5微米。
表1

從表可見，當HPEC只沿一個軸變化時，面積中的變化是地址單元倍數的線性函數。當正方形像素在兩個軸上變化時，面積中的變化是以地址單元為指數的指數函數。結果，使用正方形像素的方法，存在非線性的變化。此外，當HPEC的面積如本文說明那樣變化時，對給定的動態範圍，可能的灰度級數是用正方形像素方法的兩倍。除此之外，最小能量閾值Eo上的光強足夠低，使光刻膠曝光時是不可分辨的。
除在一種設計中考慮可能的灰度級數外，掩模設計者也應考慮，對BHT設計所設計的晶片，是否能真正把這些灰度級轉印到晶片裝置上。就這一點而言，掩模設計者應確定能夠真正印到晶片裝置的動態範圍(如像的灰度級總數)，該動態範圍是由下面的方程(3)支配的(3) #印製在晶片上的灰度級＝X/GW這裡X是裝置的長度，GW是個別灰度色標區域的寬度。因為對CAD和寫入工具的設計和寫入坐標網格，是以納米測量的，子像素到子像素的變化及可能灰度級數，只受晶片裝置長度X的限制，而不受坐標網格大小Wg的限制。例如，如果要求微反射鏡的長度是X微米，高度也是X微米，則用按照本發明適當設計的BHT光掩模，在光刻膠曝光後得到的反射鏡角度將是45度。
光掩模設計者還應考慮製作的微光學裝置表面的規格。在這方面，在光學部件的光學效率中，表面粗糙度是關鍵元素。因此，如果在光掩模設計中的灰度級數，足夠跨越設計的面積，則光的強度像將呈現離散的階梯，這些離散的階梯對該應用可能是不容許的。這個問題，特別常見於用厚的光刻膠、且在短的面積上裝置設計包括快速變化的應用中，如在圖7說明那樣。因此，光掩模設計者在制訂BHT設計中，應考慮晶片上使用的光刻膠類型。就這一點而言，每種光刻膠的處理過程對某一光學曝光設備表現唯一的響應。例如，光刻膠厚度的各種變化、烘烤條件、染色、和吸收係數，能夠改變光刻膠的反差或BHT光掩模輪廓線的坡度。
因此，根據本發明的一個優選實施例，掩模設計者應確定使用的光刻膠處理過程的動態範圍。光刻膠處理過程的動態範圍是子像素21a和21b的大小範圍。光刻膠處理過程的動態範圍，最好從最小子像素開孔變化到最大子像素開孔，該最小子像素開孔是為在光刻膠中獲得最小能量閾值Eo要求的，該最大子像素開孔是為在光刻膠中獲得最大能量閾值Ef(即擦除的輻射劑量(dose-to-clear))要求的。在該動態範圍Eo-Ef內，可以實施灰度色標變化。
在許多情形中，對動態範圍Eo-Ef的響應將不能實現，直到使用BHT光掩模和用特定的設計觀察校準響應之後。因此，與BHT光掩模的設計及光掩模設計者的經驗有關，可能需要製作測試的BHT光掩模並測量它的響應。之後，可以用控制設計把光刻膠歸一化成線性響應，該歸一化過程在全部灰度級上計算像素大小的變化，使之等於透射光強的變化。該過程與通過設計獲得的初始線性有關，可能要求一次或多次反覆。但是應當指出，隨著設計者對本方法變得更有經驗，並學會某種光刻膠材料在響應某種設計中如何反應，不一定把控制設計歸一化，因為更精確的結果能夠從初始設計獲得。在要求測量和校準響應，以便精細調節BHT光掩模設計的地方，掩模設計者應當認識到，通過亞解析度開孔(如子像素21a和21b)透射的光的振幅，是與開孔面積成正比的。因此，由於通過開孔透射的光強與振幅的平方成正比(即I∝|A|2)，所以，晶片平面強度的線性變化，通過如下方程(4)計算
(4) |A|∝I1/2這裡A是掩模平面上的光振幅，而I是晶片平面上光的強度。因此，當子像素沿一個軸變化時，將在強度上發生線性變化。應當指出，在同一光掩模中需要把三維特徵與兩維特徵對準的情形，可能有必要進一步校準。光刻膠的校準完成之後，測量與期望響應的偏差。然後用這些值改變BHT光掩模設計，這裡，在設計的每一灰度級中每一子像素的大小，按照公開的方法，只沿一個軸使面積加大或縮減，以便建立需要的光刻膠輪廓。如圖8所示，隨著光刻膠反差的下降，光刻膠處理過程的動態範圍變得更寬。就是說，光刻膠處理過程的動態範圍Eo-Ef隨光刻膠反差的變化而變化，也隨使用的光學系統最小解析度的變化而變化。因此，動態範圍越寬，BHT設計中可能的灰度級數也越大。
另外，光掩模製作者應當考慮用於製作三維裝置的曝光設備中光學系統的類型。就這一點來說，最好使用有高縮小比的光學系統，以便使掩模製作者能在整個動態範圍上並在光掩模製作過程的感光度範圍中印製子像素。另外，隨著設計的像素大小的下降，可以要求寫入工具和處理過程有更高解析度，但這樣能夠拉高處理過程的成本。因此，為避免這種問題，使用的光刻膠處理過程，最好有儘可能大動態範圍、相對低反差的光刻膠(例如，可以用AZ 4400光刻膠在單模包層/纖心/包層聚合物波導中製作反射鏡和透鏡)、和有相對低數值孔徑及高放大率的光學系統。相反，如果晶片需要形成非常小結構的圖形，那麼應當用更高的NA和/或更低過程解析度變化K1，還應修改BHT光掩模設計，以便在這些條件下完成。另外，如有必要，晶片設計者可以使用倍增掩模級(multiple mask level)和不同NA的雙曝光技術，以獲得最佳結果。
已經證明，AZ-4400光刻膠在365nm上，表現出合乎需要的透明度和光敏性。參考表2，表中出示了使用AZ-4400光刻膠的一般流程
表2

應當指出，在顯影光刻膠塗層的處理過程中要小心，避免突然照射輝紋圖形(sunburst striation pattern)，該圖形一般出現在厚光刻膠塗層中。還有，在光刻膠輝紋中存在的小厚度變化，將在三維結構中再現。此外，光刻膠的烘烤不足，能夠降低過程的反差。已經發現，曝光後的烘烤很好地擴散光刻膠顯影抑制劑，使二進位半色調階梯躍遷的圖形降至最小。
已經說明了設計和製作BHT光掩模的整個方法，以及有關的設計設想，現在說明本發明方法的應用的具體例子。
現在參考圖9，圖上畫出按照本發明的方法，進行BHT光掩模設計的一個實施例。更準確地說，圖9設計中的灰度級，給出45度微反射鏡的、排列成波導的斜坡布局。當使用圖9的BHT光掩模設計和圖5a和5b的HPEC設計，和有0.4NA和0.7西格瑪(sigma)的365nm的光學系統時，該BHT光掩模通過它的開孔，以連續的、線性的方式透射光。相應地，晶片上的光刻膠曝光時，得到基本平滑的和線性的輪廓，如圖10的SEM所示。然後，蝕刻晶片至與該光刻膠輪廓對應的預定深度。如圖11所示，45度±2度(實際測量角度約為46.5度)的斜坡，被印製在該特定光子學應用的晶片上。另外，晶片上得到的表面，對該特定光子學應用是足夠平滑的，因為表面粗糙度小於20nm，如圖11所示。此外，在本實施例中，平均斜率(46度)曲率及缺口，已通過BHT光掩模設計的模擬，精確地預測，如圖12所示。更準確地說，如圖12所示，本實施例的模擬預測如下本設計的輪廓在線71和73a之間的角度是89.74度，在這裡，輪廓中水平和豎直變化，分別是166nm和7.214；本設計的輪廓在線73a和73b之間的角度是46.5度，在這裡，輪廓中水平和豎直變化，分別是3.689μm和3.501μm；和本設計的輪廓在線75a和75b之間的角度是88.52度，在這裡，輪廓中水平和豎直變化，分別是196nm和5.050nm。
圖13畫出按照本發明的方法，從極坐標陣列進行BHT掩模設計的另一個實施例。該掩模設計可以用於，例如製作微光學部件，諸如微透鏡或圓錐截面。在本實施例中，用圖13的圓形BHT光掩模設計和圖6a和6b所示本發明方法的HPEC設計，印製透鏡。該特定的BHT光掩模與有0.4NA和0.7西格瑪(sigma)的365nm的光學設備一起使用。用本設計形成的基本平滑和線性的光刻膠輪廓，如圖14和15的AFM像所示。從圖可見，製作了圓錐截面的物體，且裝置中沒有出現子波紋效應。
在另一個實施例中，用本發明的HPEC方法，印製光子學應用的特殊斜坡結構。在本實施例中，按5nm的寫入坐標網格，使用AppliedMaterial ALTA 3500雷射記錄器。該ALTA 3500雷射記錄器對本實施例是最好的選擇，因為它在晶片尺寸上有像素到像素的臨界尺寸線性，該臨界尺寸類似於寫入工具坐標網格的大小。但是應當指出，在其他的應用中，也可以使用更為先進的電子束和雷射掩模圖形發生器(如，CORE 2564、MEBES 4500電子束設備、等等)，該種雷射掩模圖形發生器有更小的坐標網格大小(如，1.5nm-2.5nm)，只要該BHT掩模設計能夠與寫入工具坐標網格相符，且能達到需要的灰度級。另外，在本實施例中，是用乾式等離子鉻蝕刻處理該BHT光掩模。但是應當指出，也可以改用溼式蝕刻。在本情形中，響應衰落與灰度色標性能將受寫入工具坐標網格的限制，並由掩模偏置來綜合平衡。不論使用何種蝕刻技術和掩模寫入工具，在設計的臨界尺寸中必須保持線性。因此，在設計表現出非線性的範圍上，在晶片處理過程完成之後，還應當校正該設計，並對BHT設計進行補償。通過使用該種處理過程，用ALTA 3500寫入工具，對從0.4μm到整個像素大小2.5μm範圍中小的子像素大小，能夠以線性方式控制掩模尺寸。
在另一個實施例中，把本發明的HPEC方法，對一步和閃印模板進行顯影。就該實施例而言，是按照本發明的HPEC設計方法製作BHT光掩模。之後，把光掩模定義的三維像，在縮圖光刻系統中，轉印到第二基片，以連續色調(即灰度色標)產生第二個光掩模圖形。該第二個光掩模用作壓印或模壓板，用於壓印的光刻應用。該第二個光掩模最好由堅固的材料構成，能進行模壓操作。例如，該第二個光掩模可以由各種不同的堅固材料構成，其中包括，但不限於，熔融石英、玻璃、金屬、結晶結構、塑料、或任何目前已知或今後研發的其他堅固材料。在本實施例中，該第二個光掩模用於模壓或模鑄三維結構。這一過程可以用壓印分檔器實施，例如用Molecular Imprints分檔器，或其他已知的或今後研發的設備實施。
到此為止，已經詳細出示並說明本發明的優選實施例，它們的各種修改和改進，對本領域熟練人員將變得顯而易見。例如，除設計BHT光掩模外，也可以修改本發明的HPEC方法，用於設計灰度色標光掩模(如0％、50％、100％等等透射率)，供製作三維微型結構使用。另外，應當指出，每一像素可以分為各三分之一、各四分之一、各五分之一等等，分別形成三個、四個、五個等等子像素。在這種情形下，每一子像素的面積，應按照本文說明的方法，沿一個軸變化。例如，如圖16所示，像素19可以再分為4個子像素21a、21b、21c、和21d。在本例中，每一子像素21a-d沿第一軸再分為像素19間距的一半，每一子像素21a-d的寬度沿第二軸變化。此外，應當指出，按照本發明的方法設計的HPEC，可以在光掩模上與其他裝置設計組合(如，兩維二進位結構，諸如集成電路)。因此，應當認為，這些實施例在所有方面都是示例性的，而不是限制性的，本發明覆蓋的範圍由後面所附權利要求書指出，而所有在意義上和範圍上與權利要求書等價的改變，都涵蓋其中。
權利要求
1.一種二進位半色調光掩模，包括基本透明的基片；有圖形形成其中的不透明層，所述圖形由至少一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。
2.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
3.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述像素是正方形的。
4.按照權利要求3的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
5.按照權利要求3的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
6.按照權利要求4的二進位半色調光掩模，其中所述像素被排列成光子學應用的斜坡形布局。
7.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述像素是圓形的。
8.按照權利要求7的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
9.按照權利要求7的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
10.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述像素是橢圓形的。
11.按照權利要求10的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
12.按照權利要求10的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
13.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述至少一個像素是矩形的。
14.按照權利要求13的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
15.按照權利要求13的二進位半色調光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
16.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，其中所述不透明層是鉻，而所述基本透明層是石英。
17.按照權利要求1的二進位半色調光掩模，在所述不透明和基本透明層中，還包括二進位的、已分辨的圖形。
18.按照權利要求17的二進位半色調光掩模，其中所述二進位的、已分辨的圖形，定義兩維集成電路設計的形狀。
19.一種設計二進位半色調光掩模圖形的布局的方法，該半色調光掩模圖形用於製作三維結構，本方法包括的步驟有產生至少兩個像素；把所述至少兩個像素的每一個，分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；和排列所述至少兩個像素，對通過所述至少兩個像素的透射光形成圖形，以便形成連續色調的、空間光像。
20.按照權利要求19的方法，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
21.按照權利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一個，是正方形的。
22.按照權利要求21的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
23.按照權利要求21的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
24.按照權利要求19的方法，其中至少一個所述像素是圓形的。
25.按照權利要求24的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
26.按照權利要求24的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
27.按照權利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一個，是橢圓形的。
28.按照權利要求27的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
29.按照權利要求27的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
30.按照權利要求19的方法，其中所述像素的所述至少一個，是矩形的。
31.按照權利要求30的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
32.按照權利要求30的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
33.按照權利要求19的方法，還包括，使用掩模圖形發生器寫入所述至少一個像素和子像素的步驟。
34.按照權利要求33的方法，其中所述掩模圖形，是從具有全角度能力的計算機輔助設計系統產生的。
35.按照權利要求33的方法，其中所述排列步驟還包括，在所述設計中，把每一灰度級與一層結合的步驟。
36.按照權利要求32的方法，還包括編譯掩模圖形發生器文件的步驟。
37.按照權利要求36的方法，其中，在所述文件中保持所述設計的灰度級分層。
38.按照權利要求37的方法，還包括確定能夠供所述二進位半色調光掩模設計寫入的最大灰度級數的步驟。
39.按照權利要求38的方法，其中的所述最大灰度級數，是把所述掩模發生器記錄器的坐標網格，除以所述子像素大小計算的。
40.按照權利要求19的方法，還包括確定用所述二進位半色調光掩模設計，能夠在晶片裝置上印製的可能灰度級數的步驟。
41.按照權利要求40的方法，其中所述可能灰度級數，是把所述晶片長度，除以個別灰度色標區域寬度計算的。
42.按照權利要求19的方法，還包括在用所述二進位半色調光掩模設計製作三維裝置時，確定使用的光刻膠處理過程的動態範圍的步驟。
43.按照權利要求42的方法，其中所述動態範圍，從所述子像素最小開孔大小到所述子像素最大開孔大小變化。
44.按照權利要求42的方法，還包括把灰度色標變化應用於所述動態範圍內的所述設計的步驟。
45.按照權利要求42的方法，還包括按照所述設計，產生一測試光掩模的步驟。
46.按照權利要求45的方法，還包括使其上有光刻膠的晶片在曝光設備中曝光，觀察所述測試光掩模動態範圍的步驟。
47.按照權利要求46的方法，還包括把所述光刻膠響應對所述測試掩模歸一化，以便在通過該光掩模的透射光中獲得線性響應的步驟。
48.按照權利要求47的方法，還包括如下步驟對所述設計，遍及每一灰度級，計算與透射光強中的變化相等的所述像素大小的變化。
49.按照權利要求47的方法，其中所述線性響應，是當光振幅與所述光強的平方根成正比時達到的。
50.按照權利要求48的方法，還包括把所述光刻膠的響應與期望結果比較的步驟。
51.一種製作二進位半色調光掩模的方法，包括的步驟有在光刻設備中提供包括光刻膠層、不透明層、和基本透明層的二進位光掩模；把光刻膠層在所述光刻設備中按照所述光掩模上的二進位半色調光掩模圖形曝光，其中，所述圖形至少由一個像素定義，其中所述至少一個像素的每一個，被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；除去所述光刻膠中不需要的部分；蝕刻在所述被除去光刻膠部分下面的所述不透明層部分；和除去光刻膠層的剩餘部分。
52.按照權利要求51的方法，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
53.按照權利要求51的方法，其中所述至少一個像素是正方形的。
54.按照權利要求53的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
55.按照權利要求53的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
56.按照權利要求51的方法，其中所述像素是圓形的。
57.按照權利要求56的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
58.按照權利要求56的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
59.按照權利要求51的方法，其中所述蝕刻步驟是用等離子乾式蝕刻技術進行的。
60.按照權利要求51的方法，其中所述蝕刻步驟是用溼式蝕刻技術進行的。
61.一種微型三維結構，包括有連續色調、基本直線形、和平滑表面的晶片，所述晶片的所述表面，與二進位半色調光掩模產生的光空間像的形狀對應，所述光掩模包括了在其中形成的圖形，所述圖形由至少一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。
62.按照權利要求61的微型三維結構，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
63.按照權利要求61的微型三維結構，其中所述至少一個像素是正方形的。
64.按照權利要求63的微型三維結構，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
65.按照權利要求63的微型三維結構，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
66.按照權利要求63的微型三維結構，其中所述正方形像素被排列成光子學應用的布局。
67.按照權利要求64的微型三維結構，其中所述布局是斜坡形布局。
68.按照權利要求64的微型三維結構，其中使用的曝光設備，發射365nm的光、有0.4的NA和0.7的西格瑪(sigma)。
69.按照權利要求61的微型三維結構，其中所述像素是圓形的。
70.按照權利要求69的微型三維結構，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
71.按照權利要求69的微型三維結構，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
72.按照權利要求70的微型三維結構，其中所述圓形像素被排列成圓錐形斜坡布局。
73.按照權利要求70的微型三維結構，其中使用的曝光設備，發射365nm的光、有0.4的NA和0.7的西格瑪(sigma)。
74.一種製作三維微型結構的方法，包括的步驟有在曝光設備和塗布光刻膠層的晶片之間提供二進位半色調光掩模，所述二進位半色調光掩模包括基本透明的基片，有圖形形成其中的不透明層，所述圖形由至少一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；和把所述晶片的光刻膠層，在曝光設備中按照二進位半色調光掩模上的圖形曝光。
75.按照權利要求74的方法，還包括除去不需要的光刻膠的步驟，使沒有除去的光刻膠中形成三維輪廓。
76.按照權利要求75的方法，還包括把所述晶片蝕刻到預定深度的步驟，該深度在形狀上與所述剩餘光刻膠中形成的三維輪廓對應。
77.按照權利要求74的方法，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
78.按照權利要求74的方法，其中所述像素是正方形的。
79.按照權利要求78的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
80.按照權利要求79的方法，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
81.按照權利要求74的方法，其中所述像素是圓形的。
82.按照權利要求81的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
83.按照權利要求81的方法，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
84.一種製作一步和閃印的模板的方法，包括的步驟有在光刻設備中提供有光刻膠層、不透明層、和基本透明層的二進位光掩模；把光刻膠層在光刻設備中按照二進位半色調光掩模的圖形曝光，其中，所述圖形至少由一個像素定義，其中每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；除去所述光刻膠中不需要的部分；蝕刻在所述被除去光刻膠部分下面的所述鉻層部分；除去光刻膠層不需要的部分；把所述二進位半色調光掩模中的圖形，轉印到第二基片，產生由其上的光掩模定義的連續色調圖形。
85.按照權利要求84的方法，其中所述轉印步驟是用縮圖光刻系統進行的。
86.按照權利要求84的方法，其中所述第二基片是由堅固的材料製成的。
87.按照權利要求85的方法，其中所述第二基片是由下面一組材料製成的，該組包括熔融石英、玻璃、金屬、結晶結構、和塑料。
88.按照權利要求84的方法，還包括使用所述第二基片，作為壓印或模壓板，用於製作壓印的光刻應用。
89.一種二進位半色調光掩模的設計布局，包括至少兩個像素，其中所述像素的每一個，還由沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素定義；由所述至少兩個像素的陣列，對通過所述光掩模透射的光形成的圖形，以便形成連續色調的空間光像。
90.按照權利要求89的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
91.按照權利要求89的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述像素的所述至少一個，是正方形的。
92.按照權利要求91的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
93.按照權利要求91的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
94.按照權利要求89的二進位半色調光掩模設計布局，其中至少一個所述像素，是圓形的。
95.按照權利要求94的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
96.按照權利要求94的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
97.按照權利要求89的二進位半色調光掩模設計布局，其中至少一個所述像素，是橢圓形的。
98.按照權利要求97的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
99.按照權利要求97的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
100.按照權利要求89的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述像素的所述至少一個，是矩形的。
101.按照權利要求100的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
102.按照權利要求100的二進位半色調光掩模設計布局，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
103.一種灰度色標光掩模，包括基本透明的基片；有圖形形成在其中的不透明層，所述圖形由至少一個像素定義，其中，每一像素被分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素。
104.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述子像素的面積，小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。
105.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述像素是正方形的。
106.按照權利要求105的灰度色標光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
107.按照權利要求105的灰度色標光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
108.按照權利要求105的灰度色標光掩模，其中所述像素被排列成光子學應用的斜坡形布局。
109.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述像素是圓形的。
110.按照權利要求109的灰度色標光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
111.按照權利要求109的灰度色標光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
112.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述像素是橢圓形的。
113.按照權利要求112的灰度色標光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
114.按照權利要求112的灰度色標光掩模，其中所述子像素有半徑和弧線長度，每一所述子像素的所述半徑，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述弧線長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
115.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述至少一個像素是矩形的。
116.按照權利要求115的灰度色標光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的一半，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
117.按照權利要求115的灰度色標光掩模，其中所述子像素有高度和長度，每一所述子像素的所述高度，約為所述像素間距的三分之一、四分之一、或五分之一，而每一子像素的所述長度，僅沿一個軸以相對方向線性地變化。
118.按照權利要求103的灰度色標光掩模，其中所述不透明層是鉻，而所述基本透明層是石英。
119.按照權利要求103的灰度色標光掩模，在所述不透明和基本透明層中，還包括二進位的、已分辨的圖形。
120.按照權利要求119的灰度色標光掩模，其中所述二進位的、已分辨的圖形，定義兩維集成電路設計的形狀。
全文摘要
本發明一般涉及改進的二進位半色調(「BHT」)光掩模，和由該種BHT光掩模製作的微型三維結構(如MEM、微光學、光子學、微結構、和其他三維微型裝置)。更具體說，本發明提供一種方法，用於設計BHT光掩模布局、把該布局轉印到BHT光掩模上、和用本發明方法設計的BHT光掩模製作三維微型結構。就此而言，設計BHT光掩模布局的方法，包括的步驟有產生至少兩個像素；把每一像素分為沿第一軸有可變長度而沿第二軸有固定長度的子像素；和排列這些像素，使通過這些像素的透射光形成圖形，以便形成連續色調的、空間的像。這些子像素的面積，應小於計劃與所述二進位半色調光掩模一起使用的曝光設備光學系統的最小解析度。通過使用本方法，能夠設計有連續灰度級的BHT光掩模，使在各灰度級之間的光強的變化，既是限定的也是線性的。結果是，當用該種BHT光掩模來製造三維微型結構時，能夠在被製作的物體上產生更平滑又更線性的輪廓。
文檔編號G03F1/14GK1705915SQ200480001226
公開日2005年12月7日 申請日期2004年1月22日 優先權日2003年1月23日
發明者克里斯多福·J.·普洛格勒, 彼德·萊因斯 申請人:美商福昌公司