空间光调制方法和装置的制作方法
专利名称：空间光调制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生高精度图像的微反射镜空间光调制器(SLMs)，如微光刻工艺的图形发生器，但不限于此。如果要用电视或计算机显示的话，广义上的其他形式的光学印片，如计算机平版印花、证券印刷、照片局部切除、材料处理等等，也可以采用本发明。还可以用于基于微反射镜SLMs的光学计算、晶片检验、自适应光学、和光学十字开关。
背景技术：
微反射镜空间光调制器可以用于制造投影显示器和图形发生器。这些SLMs可以建立在微机械反射镜的矩阵寻址阵列基础上，阵列可以用静电力驱动，如由Texas Instruments公司的DMD和Fraunhofer Institute的微电子电路及FhG至IMS系统构成的阵列；或者用如daewoo制造的压电驱动器。本申请人的专利申请和公开的材料进一步表述了SLMs的应用。
图1用简化的形式表示了GhG至IMS的微反射镜阵列。表示了一个六行(columns)五列(rows)的像素网格。单元和像素101包括角柱102。X图形103将这个像素分成四个反射镜元件。一个静电驱动器负责偏转所有四个反射镜元件。
图1还表示了反射镜阵列，其中一些元件被寻址(如110)，而另一些没有(如101)。未被寻址的元件是平的，被寻址的元件呈倒棱锥状向X图形的中心拉起。图中没有表示出该平面在支撑柱附近如何按设计的曲率弯曲。
发明内容
本发明包括一种采用相位调制微反射镜阵列经聚焦和良好的X-Y对称而产生一纯强度图像(an intensity only image)的方法，该图像具有高的图像保真度，良好的稳定性。该方法采用了包括至少一个倾斜反射镜元件的像素和不同方式倾斜的相邻像素，但是在布图中这些像素被设计成在不同倾斜像素之间能产生有效的平均。布图的方式是，即使单个像素产生了相对于特定方向非对称的反射或散射图形，但每个相邻像素在一起构成的图形是对称的。本发明可以用单反射镜像素代替多反射镜像素，从而使设计和制造更为简单，也可使像素尺寸更小。权利要求书，说明书及附图更具体地描述了本发明。
图1以简化的形式表示了FhG至IMS的微反射镜阵列；图2表示了有中心枢轴的单反射镜元件，图3是图2的横截面图；图5和6表示了Daewoo和Texas Instruments所用反射镜的变形或枢轴图形；图4和9至12表示了本发明的反射镜图形；图7至8分别表示了一个和四个反射镜区段的矢量和矢量和；图13和14表示了用反向倾斜的多个反射镜元件产生的阻挡像(resistimages)模型；图15是从反射镜到像平面的投影中采用傅立叶滤波器的示意图；图16和17是单个反射镜和反射镜阵列的示意图。
具体实施例方式
下面将参考附图进行详细说明。优选的实施方式用于解释本发明，但不限制其范围，其范围由权利要求书限定。所属领域的普通技术人员能够针对下面的方案作出许多等同改变。
在一些应用中，倾斜或绕中心轴转动的反射镜元件优选地可以是如图1所示的弯曲或一端铰接的反射镜元件。这种中心枢轴式元件表示在图4，5和6中。
图4表示了两个反射镜的布局情况，其中每个地址有四个枢轴支撑的元件。单元或像素401包括枢轴支柱402。X图形403将该像素分成四个反射镜元件。每个元件都沿点划线404所示的轴呈中央枢轴型。单个静电驱动器偏转该中心的所有四个反射镜元件。多个计数电极可以从X图形403中心跨过枢轴404设置在该单元的角落处。该图形的成象特性包括焦距范围内的x-y对称和良好的图像稳定性。
图2和3分别表示了一个单元401的顶视图和横截面图。横截面图3表示出在反射镜元件301与埋设在反射镜下方表面中的电极302和计数电极303之间的电场力的作用下该反射镜是如何偏转的。
图5是Daewoo所用的微反射镜图形。图6是Texas Instruments所用的图形。在图5和6中，所有的反射镜元件均向一个方向倾斜。例如在图5中，假如单元501采用静电驱动器，将其设置在505处，这将引起反射镜向下弯曲或绕枢轴转动。在该图中，所有的反射镜元件均朝着右侧向下倾斜。在图6中的单元601中，静电驱动器被设置在605处，由此引起反射镜向下弯曲或绕枢轴转动。在该图中，所有的反射镜元件均朝着单元的右上角向下倾斜。
本发明采用的是图7至8示例的反射镜阵列原理。在此例中，每个可单独寻址的像素具有一个反射镜元件701。法线711垂直于未被驱动的未倾斜元件701。单位矢量721垂直于受到驱动倾斜的元件701。单位矢量721的方向矢量731由从法线711连到单位矢量721的末端而求得。将单位矢量的长度定义为1，则方向矢量的长度等于法线711与单位矢量721之间角度取正弦值。方向矢量731的取向在x-y平面内垂直于反射镜元件701的倾斜轴。
在图8中，相邻的反射镜元件(701，802，803，804)沿两个或多个不同方向倾斜。在本图中，所用标号与图7中的相同。反射镜元件803有一法线813，一单位矢量823和一方向矢量833。插图810仅限于用方向矢量731B和833B标号表示的主视图，它们与731A和833B对应。该插图810显示出四个反射镜元件701，802，803和804的四个方向矢量的矢量和基本为零。
图9表示出本发明第一实施方式的实施情况，其中反射镜元件阵列由多列反射镜元件构成，且所述反射镜元件按列交替地在相反方向上枢轴支撑。包括901和904的一列反射镜元件在右侧下方枢轴支撑，而包括902和903的另一列反射镜元件在左侧下方枢轴支撑。当激励反射元件901和902时，它们的方向矢量之和基本为零。相似地，当激励所有的四个反射镜元件时，反射镜元件901，902，903和904的方向矢量之和基本为零。严格地讲，只在水平方向是对称的，但是细部仿真显示在实际应用中，非对称性是极小的。在一个计算机模型中，沿水平和沿垂直方向的列和行(liness)由SLM建立，并用248nm的发射光以NA＝0.72将其投影到光致抗蚀剂上。行宽(linewidth)为0.4微米，且各方向之间行宽的差值仅为0.004微米。而且，水平和垂直行列的加工窗口非常接近。因此，第一实施方式的SLM在各轴之间提供了良好的对称性。
图10表示本发明第二实施方式，其中具有按照规则图形在四个方向倾斜的反射镜元件。当四个反射镜元件1001，1002，1003和1004全部受到激励时，它们的方向矢量之和基本为零。这种反射镜元件的图形是四向对称的。由于分辨率有限，投影光学系统中需要做某些平衡，所以所有四个主要方向的边缘都有相同的特性，且横向位移或非对称性通过聚焦将大大减小。
图11和12表示了本发明的第三和第四实施方式。每一实施方式中，当反射镜元件***1，***2，***3和***4均衡地受到激励时，它们的方向矢量之和基本为零。
为了评价某些应用场合下不同的反射镜元件图形，可以借助于图像模拟程序来模拟投影特性。其数学方法是公知的，而且可以在许多光学和光刻技术的教科书中找到，所以可以用C语言或者象MATLAB之类的数学分析编码直接对模型进行编程。用光刻模拟程序，如市售的Finle Engineering公司(Texas，USA.)的Prolith/3D程序和Sigma-C公司(Munich，Germany)的Solid-C程序，可以很方便地分析图像。加更多限制的分析还可以用如GLAD和Code-V等光学程序进行。
图13和14表示了沿着x和y取向的两条短线(0.4×0.8微米)的Solid-C模拟抗蚀剂图像。模拟输入值为248nm，NA＝0.72，而且按照实施方式1的微反射镜阵列为缩小160倍的16×16个微米像素。微反射镜有4×8和8×4个像素分别被设定为黑色的，以在明亮的背景下形成未照亮区。抗蚀剂是Shipley公司的UV5，剂量为12mJ/sq.cm。除了旋转之外，优选的图像应当看上去相同；应当有对称的转角和平滑的边缘。两次模拟得到相应的图像应当呈现出曲线图右侧所示的样子。经对结果进行比较，水平线宽了0.004微米。X-Y对称到这个程度是可以接受的。在操作图形发生器的过程中，可以通过微调软件的特征尺寸校正此对称程度。
虽然按照反射镜元件被激励与否以二进制的方式描述了前面的例子，但是本发明也可使用将反射镜元件的枢轴假设为模拟枢轴转角的模拟光调制的方式。模拟调制可以消除部分地接通某些元件而引起的相位效应。而且也适用于衍射空间光调制器的情况，通过衍射而不是特定的反射更好地控制光的调制，且反射元件各列之间相位效应的影响更大。
本发明的实施所述方面的一种方法的实施方式包括一个用于写出宽度小于0.25微米的线的激光图形发生器。图15表示了有物面1531的装置。第一透镜1533将物面1531反射的光1532变换到傅立叶平面内。光1532透过傅立叶滤波器1534。设计该滤波器的尺寸和形状，使反射光近似均分为2×2的反射镜元件网格。所述傅立叶滤波器基本上透过来自反射镜元件的有强度但无相位效应的光。适合的照明光源是波长为248nm的准分子激光器。本实施方式中的最后一个透镜的NA为0.72。微反射镜阵列具有2048×512个可单独寻址的反射镜元件。每个反射镜元件都单个枢轴支撑在中心轴上。所述反射镜阵列形成在用于驱动芯片的高压CMOS顶部上，该芯片上有寻址逻辑电路和为每个像素配置的带有存储电容的开关晶体管。所述寻址逻辑电路类似于图3的逻辑电路。在反射镜301的一侧下方，设置与存储电容311相连接的电极302。该反射镜与外部电压源312相连。在反射镜301相反另一侧的下方是一个用于提供已知电位的反电极303，且该已知电位也由外部电压源提供。寻址逻辑电路按列扫描该阵列，并且与施加到连接着晶体管源极的纵向导线316上的模拟电压同步地用晶体管栅极信号315导通每个像素单元的晶体管314。该电路类似于TFT-LCD面板的电路。
所述微反射镜阵列具有图16所示的布局。反射镜元件是被单独编号的。所示出的受激励的反射镜元件的枢轴转动操作(pivoting action)，用“+++”表示反射镜元件突出于图面的部分，而用“---”表示反射镜元件伸入图面内的部分。各列反射镜元件的枢轴转动操作彼此相反。如，元件1622的右侧向图面外突出，而下一列相邻的元件1632的右侧就向图面内伸去。投影光学的分辨率近似为两个像素，且2×2个像素上的相位基本是图像中平均值。这体现了分辨率与剩余相位效应之间的一种折衷关系。沿反射镜元件1626至1662画出的对角线是由具有相反枢轴转动操作的反射镜元件形成的。计算机模拟显示，通过聚焦可预测印制保真度，且对称角不复杂，x线和y线之间对称，图像尺寸和位置稳定。这是对微反射镜图形进行布局的结果。用诸如所有反射镜均向一个方向倾斜的布局进行模拟，给出的结果较差。
用准分子激光器发出的每秒1000次闪光照射微反射镜阵列。在闪光之间加载用于控制反射镜元件的电压，相邻图形被压合在一起。通过移动微反射镜，图形被印在四个重叠通道中，其中两个通道有相同的像素位置，使得第二通道中的向右倾斜的反射镜印在了向左倾斜反射镜在第一通道中印制的地方。图17表示了这种印制图形。一个通道用曝光网格1710表示，另一个通道用曝光网格1720表示。这些网格的图形落在图像平面的相同位置处。将两个曝光网格垂直移动一列反射镜元件。曝光单元1762A印在通向平面上与曝光单元1762B相同的位置处。不同的反射元件用于印制曝光元件1762A和1762B。其相应的反射镜元件有相反的枢轴转动操作。因此，进一步消除了剩余的相位效应。在第一次两个通道完成之后，用在x方向移动半个网格单元和在y方向移动半个网格单元来定位像素，更多的两个通道被印制出来。也可以移动四个通道来印制，使得压合边界落在每个通道的不同位置上。在另一实施方式中，反射镜元件可以有四种不同的枢轴转动操作，如图10至12所示那样，且四个通道可以用具有不同枢轴转动操作的反射镜进行曝光单元的曝光。对本发明而言，单列或半个网格单元的位移不重要，实际上任何位移都可以实现在不同反射镜枢轴转动操作下的曝光。
本发明还可以有许多实例，但不局限于这些实例。尤其可以用六角形像素网格结构，其用于图像处理和光学计算的场合是有利的。采用六角形网格，反射镜也可以是六角形的或者也可以是其他形状。本发明教导了使用布局图形，其中的像素具有不同的倾斜特性，但在每个相邻区域的小范围内是均衡的。更为特别的是，所述图形可以通过三个一组地重复三个相邻像素而得到。另一种变化是采用排列成直列的方形像素，而相邻列之间错开。
空间光调制器和更为具体的微反射镜阵列是比较新的光学器件，其新的用途正在逐步开发。目前应用在自适应光学、光学计算、光学图像滤波和信号分析、光通信中的光学十字开关、计量、显示和图像及印制阵列方面。本发明教导了如何用相位调制SLM产生精确的纯强度图像。它可以用于许多光学系统中。例如在相干图像处理过程中，可以用于图像输入、图像倍增、图像卷积(image convolution)和自动校正(autocorrelation)，以及自适应傅立叶滤波。也可以用于使不均匀照明的图形均匀化，或产生所需的照明图形，如提高光学计量的信噪比。可以用为3D计量或娱乐显示场合而设计的光束照射物体。在需要千分之一秒或更短时间内变化的所需强度调制的场合下，可以采用本发明的微反射镜。
上述讨论的特征可以按用途组合在一起。在权利要求书中提出了这些有用组合中的一些。
尽管上文给出了许多方法的例子，但采用该方法的装置和系统也是很容易推测的。包括可以控制器件的程序以实现权利要求所述方法的磁存储器即为这样的装置。载有器件的程序指令以实现权利要求所述方法的存储器的计算机是这种装置的另一类。
尽管上面已经参考优选实施方式和具体实例描述了本发明，但是不难理解，这些实例只是说明性的而不是一种限制。落入本发明的构思和权利要求书范围内的各种变型和组合对所属领域的普通技术人员而言都是显而易见的。
权利要求
1.一种用于光学投影系统中的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得第一反射镜元件具有与相邻第二反射镜元件基本上不同的枢轴转动操作；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，每组具有在四个不同方向上的像素枢轴，且每组所有方向的矢量和基本为零。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格由反射镜元件的多个相同组构成，其中每一组中的反射镜元件有四种不同的枢轴转动操作，而且该组中受到相同激励的反射镜元件的方向矢量之矢量和基本为零。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述的投影操作包括用傅立叶滤波器处理投影光。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
17.一种用于光学投影系统的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得由受到相同激励的相邻反射镜元件构成的组的方向矢量之矢量和基本为零；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述组的尺寸为2×2个像素。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，其中每组具有在四个不同方向倾斜的像素，且每组中所有方向的矢量和基本为零。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
24.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四个像素的组构成，其中每一组中具有四种不同方向枢轴支撑的像素，而且每组中所有方向的矢量和基本为零。
25.根据权利要求17所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述的投影步骤包括用傅立叶滤波器处理投影光。
27.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
29.根据权利要求17所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
30.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
31.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
32.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
33.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
34.根据权利要求17所述的方法，其中所述的组包括三个最接近的相邻反射镜元件。
35.一种用于光学投影系统的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得第一反射镜元件具有与相邻第二反射镜元件基本不同的枢轴转动操作；和由受到相同激励的相邻反射镜元件构成的组的方向矢量之矢量和基本为零；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述组的尺寸为2×2个像素。
39根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
40.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，其中每组具有在四个不同方向倾斜的像素，且每组中所有方向的矢量和基本为零。
41.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
42.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四个像素的组构成，其中每一组中具有四种不同方向枢轴支撑的像素，而且每组中所有方向的矢量和基本为零。
43.根据权利要求35所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
44.根据权利要求35所述的方法，其中所述的投影操作包括用傅立叶滤波器处理投影光。
45.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
47.根据权利要求35所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
48.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
49.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
50.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
51.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
52.根据权利要求35所述的方法，其中所述的组包括三个最接近的相邻反射镜元件。
全文摘要
本发明公开了一种采用相位调制微反射镜阵列、经聚焦和X－Y对称而产生纯强度图像的方法，该图像具有高的图像保真度，良好的稳定性。该方法采用了包括至少一个倾斜反射镜元件的像素和不同方式倾斜的相邻像素，但是在布图中这些像素被设计成在不同倾斜像素之间能产生有效的平均。所述布图是这样的，即使单个像素产生了相对于特定方向非对称的反射或散射图形，但每个相邻像素在一起构成的图形是对称的。本发明可以用单反射镜像素代替多反射镜像素，从而使设计和制造更为简单，还可以减小像素尺寸。权利要求书，说明书及附图更具体描述了本发明的各方面的内容。
文档编号G09G3/20GK1494665SQ02805809
公开日2004年5月5日 申请日期2002年2月26日 优先权日2001年3月1日
发明者乌尔里克·扬布莱德, 彼得·达尔, 托布乔恩·桑德斯特罗姆, 乌尔里克 扬布莱德, 恩 桑德斯特罗姆, 达尔 申请人:麦克罗尼克激光系统公司, 弗朗霍弗应用研究促进协会
技术领域：
本发明涉及一种用于产生高精度图像的微反射镜空间光调制器(SLMs)，如微光刻工艺的图形发生器，但不限于此。如果要用电视或计算机显示的话，广义上的其他形式的光学印片，如计算机平版印花、证券印刷、照片局部切除、材料处理等等，也可以采用本发明。还可以用于基于微反射镜SLMs的光学计算、晶片检验、自适应光学、和光学十字开关。
背景技术：
微反射镜空间光调制器可以用于制造投影显示器和图形发生器。这些SLMs可以建立在微机械反射镜的矩阵寻址阵列基础上，阵列可以用静电力驱动，如由Texas Instruments公司的DMD和Fraunhofer Institute的微电子电路及FhG至IMS系统构成的阵列；或者用如daewoo制造的压电驱动器。本申请人的专利申请和公开的材料进一步表述了SLMs的应用。
图1用简化的形式表示了GhG至IMS的微反射镜阵列。表示了一个六行(columns)五列(rows)的像素网格。单元和像素101包括角柱102。X图形103将这个像素分成四个反射镜元件。一个静电驱动器负责偏转所有四个反射镜元件。
图1还表示了反射镜阵列，其中一些元件被寻址(如110)，而另一些没有(如101)。未被寻址的元件是平的，被寻址的元件呈倒棱锥状向X图形的中心拉起。图中没有表示出该平面在支撑柱附近如何按设计的曲率弯曲。
发明内容
本发明包括一种采用相位调制微反射镜阵列经聚焦和良好的X-Y对称而产生一纯强度图像(an intensity only image)的方法，该图像具有高的图像保真度，良好的稳定性。该方法采用了包括至少一个倾斜反射镜元件的像素和不同方式倾斜的相邻像素，但是在布图中这些像素被设计成在不同倾斜像素之间能产生有效的平均。布图的方式是，即使单个像素产生了相对于特定方向非对称的反射或散射图形，但每个相邻像素在一起构成的图形是对称的。本发明可以用单反射镜像素代替多反射镜像素，从而使设计和制造更为简单，也可使像素尺寸更小。权利要求书，说明书及附图更具体地描述了本发明。
图1以简化的形式表示了FhG至IMS的微反射镜阵列；图2表示了有中心枢轴的单反射镜元件，图3是图2的横截面图；图5和6表示了Daewoo和Texas Instruments所用反射镜的变形或枢轴图形；图4和9至12表示了本发明的反射镜图形；图7至8分别表示了一个和四个反射镜区段的矢量和矢量和；图13和14表示了用反向倾斜的多个反射镜元件产生的阻挡像(resistimages)模型；图15是从反射镜到像平面的投影中采用傅立叶滤波器的示意图；图16和17是单个反射镜和反射镜阵列的示意图。
具体实施例方式
下面将参考附图进行详细说明。优选的实施方式用于解释本发明，但不限制其范围，其范围由权利要求书限定。所属领域的普通技术人员能够针对下面的方案作出许多等同改变。
在一些应用中，倾斜或绕中心轴转动的反射镜元件优选地可以是如图1所示的弯曲或一端铰接的反射镜元件。这种中心枢轴式元件表示在图4，5和6中。
图4表示了两个反射镜的布局情况，其中每个地址有四个枢轴支撑的元件。单元或像素401包括枢轴支柱402。X图形403将该像素分成四个反射镜元件。每个元件都沿点划线404所示的轴呈中央枢轴型。单个静电驱动器偏转该中心的所有四个反射镜元件。多个计数电极可以从X图形403中心跨过枢轴404设置在该单元的角落处。该图形的成象特性包括焦距范围内的x-y对称和良好的图像稳定性。
图2和3分别表示了一个单元401的顶视图和横截面图。横截面图3表示出在反射镜元件301与埋设在反射镜下方表面中的电极302和计数电极303之间的电场力的作用下该反射镜是如何偏转的。
图5是Daewoo所用的微反射镜图形。图6是Texas Instruments所用的图形。在图5和6中，所有的反射镜元件均向一个方向倾斜。例如在图5中，假如单元501采用静电驱动器，将其设置在505处，这将引起反射镜向下弯曲或绕枢轴转动。在该图中，所有的反射镜元件均朝着右侧向下倾斜。在图6中的单元601中，静电驱动器被设置在605处，由此引起反射镜向下弯曲或绕枢轴转动。在该图中，所有的反射镜元件均朝着单元的右上角向下倾斜。
本发明采用的是图7至8示例的反射镜阵列原理。在此例中，每个可单独寻址的像素具有一个反射镜元件701。法线711垂直于未被驱动的未倾斜元件701。单位矢量721垂直于受到驱动倾斜的元件701。单位矢量721的方向矢量731由从法线711连到单位矢量721的末端而求得。将单位矢量的长度定义为1，则方向矢量的长度等于法线711与单位矢量721之间角度取正弦值。方向矢量731的取向在x-y平面内垂直于反射镜元件701的倾斜轴。
在图8中，相邻的反射镜元件(701，802，803，804)沿两个或多个不同方向倾斜。在本图中，所用标号与图7中的相同。反射镜元件803有一法线813，一单位矢量823和一方向矢量833。插图810仅限于用方向矢量731B和833B标号表示的主视图，它们与731A和833B对应。该插图810显示出四个反射镜元件701，802，803和804的四个方向矢量的矢量和基本为零。
图9表示出本发明第一实施方式的实施情况，其中反射镜元件阵列由多列反射镜元件构成，且所述反射镜元件按列交替地在相反方向上枢轴支撑。包括901和904的一列反射镜元件在右侧下方枢轴支撑，而包括902和903的另一列反射镜元件在左侧下方枢轴支撑。当激励反射元件901和902时，它们的方向矢量之和基本为零。相似地，当激励所有的四个反射镜元件时，反射镜元件901，902，903和904的方向矢量之和基本为零。严格地讲，只在水平方向是对称的，但是细部仿真显示在实际应用中，非对称性是极小的。在一个计算机模型中，沿水平和沿垂直方向的列和行(liness)由SLM建立，并用248nm的发射光以NA＝0.72将其投影到光致抗蚀剂上。行宽(linewidth)为0.4微米，且各方向之间行宽的差值仅为0.004微米。而且，水平和垂直行列的加工窗口非常接近。因此，第一实施方式的SLM在各轴之间提供了良好的对称性。
图10表示本发明第二实施方式，其中具有按照规则图形在四个方向倾斜的反射镜元件。当四个反射镜元件1001，1002，1003和1004全部受到激励时，它们的方向矢量之和基本为零。这种反射镜元件的图形是四向对称的。由于分辨率有限，投影光学系统中需要做某些平衡，所以所有四个主要方向的边缘都有相同的特性，且横向位移或非对称性通过聚焦将大大减小。
图11和12表示了本发明的第三和第四实施方式。每一实施方式中，当反射镜元件***1，***2，***3和***4均衡地受到激励时，它们的方向矢量之和基本为零。
为了评价某些应用场合下不同的反射镜元件图形，可以借助于图像模拟程序来模拟投影特性。其数学方法是公知的，而且可以在许多光学和光刻技术的教科书中找到，所以可以用C语言或者象MATLAB之类的数学分析编码直接对模型进行编程。用光刻模拟程序，如市售的Finle Engineering公司(Texas，USA.)的Prolith/3D程序和Sigma-C公司(Munich，Germany)的Solid-C程序，可以很方便地分析图像。加更多限制的分析还可以用如GLAD和Code-V等光学程序进行。
图13和14表示了沿着x和y取向的两条短线(0.4×0.8微米)的Solid-C模拟抗蚀剂图像。模拟输入值为248nm，NA＝0.72，而且按照实施方式1的微反射镜阵列为缩小160倍的16×16个微米像素。微反射镜有4×8和8×4个像素分别被设定为黑色的，以在明亮的背景下形成未照亮区。抗蚀剂是Shipley公司的UV5，剂量为12mJ/sq.cm。除了旋转之外，优选的图像应当看上去相同；应当有对称的转角和平滑的边缘。两次模拟得到相应的图像应当呈现出曲线图右侧所示的样子。经对结果进行比较，水平线宽了0.004微米。X-Y对称到这个程度是可以接受的。在操作图形发生器的过程中，可以通过微调软件的特征尺寸校正此对称程度。
虽然按照反射镜元件被激励与否以二进制的方式描述了前面的例子，但是本发明也可使用将反射镜元件的枢轴假设为模拟枢轴转角的模拟光调制的方式。模拟调制可以消除部分地接通某些元件而引起的相位效应。而且也适用于衍射空间光调制器的情况，通过衍射而不是特定的反射更好地控制光的调制，且反射元件各列之间相位效应的影响更大。
本发明的实施所述方面的一种方法的实施方式包括一个用于写出宽度小于0.25微米的线的激光图形发生器。图15表示了有物面1531的装置。第一透镜1533将物面1531反射的光1532变换到傅立叶平面内。光1532透过傅立叶滤波器1534。设计该滤波器的尺寸和形状，使反射光近似均分为2×2的反射镜元件网格。所述傅立叶滤波器基本上透过来自反射镜元件的有强度但无相位效应的光。适合的照明光源是波长为248nm的准分子激光器。本实施方式中的最后一个透镜的NA为0.72。微反射镜阵列具有2048×512个可单独寻址的反射镜元件。每个反射镜元件都单个枢轴支撑在中心轴上。所述反射镜阵列形成在用于驱动芯片的高压CMOS顶部上，该芯片上有寻址逻辑电路和为每个像素配置的带有存储电容的开关晶体管。所述寻址逻辑电路类似于图3的逻辑电路。在反射镜301的一侧下方，设置与存储电容311相连接的电极302。该反射镜与外部电压源312相连。在反射镜301相反另一侧的下方是一个用于提供已知电位的反电极303，且该已知电位也由外部电压源提供。寻址逻辑电路按列扫描该阵列，并且与施加到连接着晶体管源极的纵向导线316上的模拟电压同步地用晶体管栅极信号315导通每个像素单元的晶体管314。该电路类似于TFT-LCD面板的电路。
所述微反射镜阵列具有图16所示的布局。反射镜元件是被单独编号的。所示出的受激励的反射镜元件的枢轴转动操作(pivoting action)，用“+++”表示反射镜元件突出于图面的部分，而用“---”表示反射镜元件伸入图面内的部分。各列反射镜元件的枢轴转动操作彼此相反。如，元件1622的右侧向图面外突出，而下一列相邻的元件1632的右侧就向图面内伸去。投影光学的分辨率近似为两个像素，且2×2个像素上的相位基本是图像中平均值。这体现了分辨率与剩余相位效应之间的一种折衷关系。沿反射镜元件1626至1662画出的对角线是由具有相反枢轴转动操作的反射镜元件形成的。计算机模拟显示，通过聚焦可预测印制保真度，且对称角不复杂，x线和y线之间对称，图像尺寸和位置稳定。这是对微反射镜图形进行布局的结果。用诸如所有反射镜均向一个方向倾斜的布局进行模拟，给出的结果较差。
用准分子激光器发出的每秒1000次闪光照射微反射镜阵列。在闪光之间加载用于控制反射镜元件的电压，相邻图形被压合在一起。通过移动微反射镜，图形被印在四个重叠通道中，其中两个通道有相同的像素位置，使得第二通道中的向右倾斜的反射镜印在了向左倾斜反射镜在第一通道中印制的地方。图17表示了这种印制图形。一个通道用曝光网格1710表示，另一个通道用曝光网格1720表示。这些网格的图形落在图像平面的相同位置处。将两个曝光网格垂直移动一列反射镜元件。曝光单元1762A印在通向平面上与曝光单元1762B相同的位置处。不同的反射元件用于印制曝光元件1762A和1762B。其相应的反射镜元件有相反的枢轴转动操作。因此，进一步消除了剩余的相位效应。在第一次两个通道完成之后，用在x方向移动半个网格单元和在y方向移动半个网格单元来定位像素，更多的两个通道被印制出来。也可以移动四个通道来印制，使得压合边界落在每个通道的不同位置上。在另一实施方式中，反射镜元件可以有四种不同的枢轴转动操作，如图10至12所示那样，且四个通道可以用具有不同枢轴转动操作的反射镜进行曝光单元的曝光。对本发明而言，单列或半个网格单元的位移不重要，实际上任何位移都可以实现在不同反射镜枢轴转动操作下的曝光。
本发明还可以有许多实例，但不局限于这些实例。尤其可以用六角形像素网格结构，其用于图像处理和光学计算的场合是有利的。采用六角形网格，反射镜也可以是六角形的或者也可以是其他形状。本发明教导了使用布局图形，其中的像素具有不同的倾斜特性，但在每个相邻区域的小范围内是均衡的。更为特别的是，所述图形可以通过三个一组地重复三个相邻像素而得到。另一种变化是采用排列成直列的方形像素，而相邻列之间错开。
空间光调制器和更为具体的微反射镜阵列是比较新的光学器件，其新的用途正在逐步开发。目前应用在自适应光学、光学计算、光学图像滤波和信号分析、光通信中的光学十字开关、计量、显示和图像及印制阵列方面。本发明教导了如何用相位调制SLM产生精确的纯强度图像。它可以用于许多光学系统中。例如在相干图像处理过程中，可以用于图像输入、图像倍增、图像卷积(image convolution)和自动校正(autocorrelation)，以及自适应傅立叶滤波。也可以用于使不均匀照明的图形均匀化，或产生所需的照明图形，如提高光学计量的信噪比。可以用为3D计量或娱乐显示场合而设计的光束照射物体。在需要千分之一秒或更短时间内变化的所需强度调制的场合下，可以采用本发明的微反射镜。
上述讨论的特征可以按用途组合在一起。在权利要求书中提出了这些有用组合中的一些。
尽管上文给出了许多方法的例子，但采用该方法的装置和系统也是很容易推测的。包括可以控制器件的程序以实现权利要求所述方法的磁存储器即为这样的装置。载有器件的程序指令以实现权利要求所述方法的存储器的计算机是这种装置的另一类。
尽管上面已经参考优选实施方式和具体实例描述了本发明，但是不难理解，这些实例只是说明性的而不是一种限制。落入本发明的构思和权利要求书范围内的各种变型和组合对所属领域的普通技术人员而言都是显而易见的。
权利要求
1.一种用于光学投影系统中的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得第一反射镜元件具有与相邻第二反射镜元件基本上不同的枢轴转动操作；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，每组具有在四个不同方向上的像素枢轴，且每组所有方向的矢量和基本为零。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述的网格由反射镜元件的多个相同组构成，其中每一组中的反射镜元件有四种不同的枢轴转动操作，而且该组中受到相同激励的反射镜元件的方向矢量之矢量和基本为零。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述的投影操作包括用傅立叶滤波器处理投影光。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
17.一种用于光学投影系统的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得由受到相同激励的相邻反射镜元件构成的组的方向矢量之矢量和基本为零；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述组的尺寸为2×2个像素。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，其中每组具有在四个不同方向倾斜的像素，且每组中所有方向的矢量和基本为零。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
24.根据权利要求17所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四个像素的组构成，其中每一组中具有四种不同方向枢轴支撑的像素，而且每组中所有方向的矢量和基本为零。
25.根据权利要求17所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述的投影步骤包括用傅立叶滤波器处理投影光。
27.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
29.根据权利要求17所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
30.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
31.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
32.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
33.根据权利要求17所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
34.根据权利要求17所述的方法，其中所述的组包括三个最接近的相邻反射镜元件。
35.一种用于光学投影系统的空间光强度调制方法，包括提供独立寻址反射镜元件的规则网格，所述的反射镜元件具有枢轴转动操作，其中布置网格中的反射镜元件，使得第一反射镜元件具有与相邻第二反射镜元件基本不同的枢轴转动操作；和由受到相同激励的相邻反射镜元件构成的组的方向矢量之矢量和基本为零；激励所述反射镜元件以形成图形；以及将来自所述反射镜元件的光投影到像平面上。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格是笛卡尔网格。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述的反射镜元件通过施加模拟电压而变形。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述组的尺寸为2×2个像素。
39根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格具有多列像素，且一列中的反射镜元件在同一方向的枢轴上，而相邻列的反射元件枢轴支撑方向相反。
40.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四像素的组构成，其中每组具有在四个不同方向倾斜的像素，且每组中所有方向的矢量和基本为零。
41.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格是六角形网格。
42.根据权利要求35所述的方法，其中所述的网格由一些相同的四个像素的组构成，其中每一组中具有四种不同方向枢轴支撑的像素，而且每组中所有方向的矢量和基本为零。
43.根据权利要求35所述的方法，其中所述的反射镜网格形成在集成电路的顶部上。
44.根据权利要求35所述的方法，其中所述的投影操作包括用傅立叶滤波器处理投影光。
45.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于在光敏层上印制图形。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述的光敏层是光致抗蚀剂。
47.根据权利要求35所述的方法，其中所述的图形是包括小于0.5微米线宽的光刻图形。
48.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于在热敏材料上印制图形。
49.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于光学计算。
50.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于二维信号处理。
51.根据权利要求35所述的方法，其中所述的方法用于可视显示。
52.根据权利要求35所述的方法，其中所述的组包括三个最接近的相邻反射镜元件。
全文摘要
本发明公开了一种采用相位调制微反射镜阵列、经聚焦和X－Y对称而产生纯强度图像的方法，该图像具有高的图像保真度，良好的稳定性。该方法采用了包括至少一个倾斜反射镜元件的像素和不同方式倾斜的相邻像素，但是在布图中这些像素被设计成在不同倾斜像素之间能产生有效的平均。所述布图是这样的，即使单个像素产生了相对于特定方向非对称的反射或散射图形，但每个相邻像素在一起构成的图形是对称的。本发明可以用单反射镜像素代替多反射镜像素，从而使设计和制造更为简单，还可以减小像素尺寸。权利要求书，说明书及附图更具体描述了本发明的各方面的内容。
文档编号G09G3/20GK1494665SQ02805809
公开日2004年5月5日 申请日期2002年2月26日 优先权日2001年3月1日
发明者乌尔里克·扬布莱德, 彼得·达尔, 托布乔恩·桑德斯特罗姆, 乌尔里克 扬布莱德, 恩 桑德斯特罗姆, 达尔 申请人:麦克罗尼克激光系统公司, 弗朗霍弗应用研究促进协会
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