用于使用耗尽光束形成亚微米特征结构的反应物的光子活化

摘要

精细特征结构的形成方法和装置在小于STED耗尽激光光束的直径或横截面的区域中提供光子诱发的沉积、蚀刻及基于热或光子的处理。至少两个STED耗尽光束被导引到基板上的反应位置，其中形成面积小于光束的激发部分的光束重叠区域。被引导到反应区域的反应物被两个光束的激发部分的组合能量激发，但未在所述光束的两个激发部分的重叠区域外部被激发。使反应物只在所述重叠区域中出现。所述重叠区域可以小于20nm宽，并且宽度小于1nm，以能够以小的面积形成基板特征结构或在基板中进行改变。

说明书

技术领域

本公开内容关于亚微米(sub-micron)大小的材料特征结构的形成，所述亚微米大 小的材料特征结构例如亚微米大小的沟槽或线、亚微米大小的柱或孔、及类似物，其中所述 亚微米大小的特征结构被直接使用沉积材料原位形成或被原位形成在先前形成的薄膜中， 而不需要传统光刻处理(其中光刻胶被曝光和显影，并且产生的图案被转入下材料层)。特 别是，提供了能量束，所述能量束具有足以在纳米尺寸的区域中活化蚀刻或沉积反应物的 能量，而且被引入所述纳米尺寸的区域的沉积或蚀刻反应物被活化而在所述区域中从沉积 材料或蚀刻剂物种。可以使光束逐行扫描(raster)过工件，诸如通过将工件相对于光束移 动，以实现线的写入或沟槽的蚀刻，并因此可以形成纳米大小尺寸的沉积和蚀刻特征结构。

现有技术

在集成电路上不断追求越来越小的特征结构正接近传统光刻技术的极限。在这些 技术中，光刻胶被涂布在基板上，而且掩模图案被穿过掩模的电磁辐射投影到抗蚀剂上而 使抗蚀剂变成曝露于对应掩模特征结构的图案。然后抗蚀剂被“显影”并在溶剂中清洗，以 去除一部分的抗蚀剂并在基板的表面上或在位于基板上的膜层(诸如硬掩模层)上留下具 有产生的投影掩模图案的光刻胶。蚀刻光刻胶下面的材料，通常是在基于下膜选择性蚀刻 化学品的各向异性等离子体中进行，以将光刻胶的图案转入下层。之后，将光刻胶通过灰化 或其它去除技术去除，并且将基板进行湿式清洁，以将其准备用于下一个工艺。然而，特征 结构尺寸已经缩小到小于使用这些传统的平版印刷术所能成像(分辨)的特征结构尺寸，而 且为了延长形成这些特征结构的传统平版印刷术的使用，已采用了消减技术(subtractive technique)，例如双重和三重图案化。在这些工艺中，为了实现在40纳米等级或更小等级上 的更小特征结构尺寸，硬掩模可以被图案化并用于蚀刻下图案化层，然后去除所述硬掩模 及使用另外的硬掩模取代所述硬掩模，而且涂布抗蚀剂、通过掩模曝光、蚀刻硬掩模、并且 接着蚀刻图案化层的工艺可以被重复一次或更多次，以在图案化最终的材料层之前图案化 所述图案化层，所述最终的材料层中形成了亚40nm的特征结构。然而，尽管有这些进步，但 目前的平版印刷术将还是不足以满足未来的半导体技术中需要的缩小尺寸。

现代的光刻术依赖的是牺牲“光”曝露抗蚀剂的概念，其中曝光的抗蚀剂区域在行 为上与未曝光的抗蚀剂区域不同。因为这些技术依赖电磁辐射，故衍射(diffraction)限制 了可以被成像或分辨的最小特征结构尺寸。此外，即使特征结构尺寸可以被成像，但进入光 刻胶的能量也可能在其中被散射，从而导致横跨抗蚀剂深度的不规则抗蚀剂曝光。结果，被 曝光的特征结构尺寸实际上将比最小可分辨的图像更大，而且将有不均匀的侧壁或其它的 不规则。

目前，大量的制造商正利用深紫(DUV)光子(诸如波长193nm的光子)来曝光光刻胶 材料。制造商也正使用液体沉浸技术(liquidimmersiontechnique)及诸如前述多重图案 化之类的技术来在基板上形成小尺寸的图案化特征结构。

近来，激光光束平版印刷术已再次被研究作为在光刻胶中曝光非常小的特征结构 并由此通过形成小截面、高功率激光光束来打破基于光刻技术的传统掩模的分辨率限制。 Fischer和Wegoner在激光与光子学评论(LaserandPhotonicsReviews,7,No.1,22-44 (2013))中讨论了利用受激发射耗尽(STED)光束来三维地(即以柱状的方式)使抗蚀剂曝光 的想法，并因此将特征结构直接激光写入通过抗蚀剂的整个深度。为了缩小被曝露于足够 能量从而被聚合的抗蚀剂的有效横截面，使用两个激光光束(“正常”光束和耗尽光束)来形 成STED光束。激发光束激发光刻胶中的聚合物而使光刻胶聚合，而耗尽光束在光刻胶聚合 之前降低光刻胶中的能量，从而保持光刻胶免于聚合，其中耗尽光束的能量和激发光束的 能量重叠。在正常光束的激发曲线(excitationprofile)的空间最大值与耗尽光束的耗尽 曲线之局部零值对应时出现改进的分辨率，即耗尽光束被设置为在空间上围绕所述激发光 束，并从产生的光刻胶曝光区域剔除高斯光束的裙部区域的聚合效应。结果，激发光束中聚 合反应未被耗尽光束抵消的部分横跨宽度具有急变的、接近矩形的能量曲线，并在曲线的 边缘迅速降低到低于抗蚀剂的聚合能量的能量水平，使得光束中形成清晰界定的高能量区 域，而非传统的高斯分布光束。然而，即使使用了这种直接激光光束曝光系统，但仍难以实 现小于20至30nm的可重复且清晰界定的特征结构，光束这有部分是由于光束的清晰界定区 域的尺寸限制，并且有部分是由于曝光的光刻胶中的聚合从光束进入光刻胶的位置内在迁 移进入相邻的位置。

发明内容

在本文的实施方式中，两个不同的光子源被导引到(但只有部分重叠)待处理基板 上的特征结构位置，所述光子源例如激光、软x射线及类似物，其中每种光子可以具有相似 的或不同的光子能级(photonicenergylevel)。光束重叠的程度界定特征结构位置的大 小，两个不同光束的光子被接收于基板上的所述特征结构位置。同时，前驱物材料存在于所 述特征结构位置，使得两个光束的光子可以被前驱物的分子或原子吸收，从而提高前驱物 的反应性并使反应只在两个光束的有限重叠区域中发生。在邻近所述两个光束的重叠区域 处，单一光束的能量并不足以引发前驱物的活化。

在一个方面中，为了能够产生其中重叠的光束能量足以使反应发生的高清晰度区 域，将两个激光光束(其中至少一个由激发光束和耗尽光束形成)导引到基板上的反应位 置，使得所述光束的中心在所述反应位置偏移，但所述光束的轮廓重叠，使得在所需的区域 中所述光束重叠，从而形成其中两个光束的光子能量足以使反应物具有所需反应的区域， 但在直接围绕所述反应位置的区域中，两个光束的组合光子能量不足以使反应物反应，因 此可以形成局部的反应区域。当两个光束皆为具有激发源和耗尽源的激光光束时，每个光 束的光束直径可以远小于100nm、低至20nm的等级，在所述光束直径间两个光束的最终组合 能量足以引发反应物的反应。结果，当光束具有圆形的横截面时，可以可靠地形成双凸的卵 形图案，所述双凸的卵形图案具有在小于20nm等级的宽度，具体上是单一位数到十分之一 纳米的大小，以控制反应空间的大小，在所述反应空间中可以发生加成或消减的反应工艺。

在一个方面中，所述前驱物为引入足够的能量下将反应形成可用于在基板上产生 膜层的材料的前驱物，或用于通过去除所述膜层材料的反应去除所述膜层(即蚀刻)的前驱 物。然而，在两个光束的重叠区域外部，仅一个光束的高能量中央区域中的光子被前驱物接 收，因此未引入足够的能量来使反应发生。

作为示例，习知硅烷、三氯硅烷、三硅烷等的活化是为了反应而沉积硅。然而，两种 气体需要引入能量来驱使反应发生，所述能量例如通过灯泡或等离子体提供。在这些系统 中，每当灯泡或等离子体的能量足以驱使反应发生时则反应发生，所述反应发生于大面积 的基板上，时常是基板的整个表面。通过使用具有两种不同光子能量的重叠光束，如本文所 述，只有光束重叠处将存在足够的能量用于发生反应，因此硅将只被沉积在重叠区域中。

在进一步的实施方式中，两个不同的激光配置为作为STED激光，使得光束轮廓周 边的区域是能量耗尽的，进而缩短高于所需临界光子能量的光束的直径，从而甚至进一步 缩短两个光束的重叠大小，所述重叠处于基于两个光子的反应可以发生的能量范围中。

附图说明

通过参考实施方式(一些实施方式在附图中说明)，可获得在上文中简要总结的本 发明的更具体的说明，而能详细了解上述的本发明的特征。然而应注意，附图仅说明本发明 的典型实施方式，因而不应将这些附图视为限制本发明的范围，因为本发明可容许其它等 效实施方式。

图1A和图1B图示电磁光束的特征，并且图1C图示使图1A和图1B的两个光束重叠的 结果。

图2A和图2B为用于与图1A和图1B的光束组合的耗尽光束的表示图。

图3A和图3B以图形图示将图1A和图1B的光束与图2A和2B图的耗尽光束组合的效 果。

图4A和图4B图示重叠图3A和图3B的两个光束。

图5图示用于将图1A和图1B的光束与图2A和图2B的耗尽光束组合的光束组合器 (beamcombiner)的结构。

图6为可用于光子沉积的腔室的示意图，所述光子沉积使用部分重叠的耗尽光束 结合沉积前驱物。

图7展示在基板的相邻区域中的连续光子沉积的效果。

图8展示使用连续的光子沉积以在基板上形成一条线。

图9为可用于光子沉积或蚀刻的腔室的示意图，所述光子沉积或蚀刻使用部分重 叠的耗尽光束结合沉积或蚀刻前驱物。

图10为两个重叠的平行耗尽光束的表示图。

图11为膜层中部分蚀刻的特征结构的示意图，所述部分蚀刻使用图10的重叠光束 结合蚀刻前驱物。

图12为膜层中两个部分蚀刻的特征结构的示意图，所述部分蚀刻使用图10的重叠 光束结合蚀刻前驱物。

图13为膜层中完全蚀刻和部分蚀刻的特征结构的示意图，所述蚀刻使用图10的重 叠光束结合蚀刻前驱物。

图14为施加于蚀刻和沉积工艺的几何形状限制的示意图，其中两个耗尽光束在基 板会聚。

图15A至图15D为用于同时提供多个重叠子束到基板的各种装置的示意图。

图15E为使用图15A至图15D中一个装置进行处理的基板的示意图。

图16为可用于控制子束(beamlet)方向的微镜阵列的部分前视图，所述子束方向 到达或偏离基板上的位置或基板上的重叠位置。

图17为图15A至图16的微镜阵列的部分放大剖视图。

图18A至图18F展示在基板上写出不同尺寸的多个特征结构的一个方法的结果。

图19为用于同时提供多个平行配置和重叠的子束到基板的分束和控制装置的示 意图。

图20为采用片光束源的用于工件的光子处理系统的示意图。

图21为图20的光子处理系统的微镜阵列的放大图。

图22为图21的微镜阵列的剖视图。

图23为腔室中进行光子处理的工件的平面图。

图24为图23的晶圆和腔室的平面图，其中工件正进行进一步的光子处理。

图25为前驱物的电子能量图。

具体实施方式

本文中描述的是光子沉积或蚀刻系统的几种结构，通过所述系统由两个或更多个 具有不同波长的光束提供的光子组合被接收于反应物存在的小目标区域中，其中没有光子 能量足以致使所希望的反应发生，而是两个光子或光子群在时间上和实体上的存在与反应 物一起致使所希望的反应发生。

首先参照图1A至图1C，图示出激光光束的标准光束轮廓10及两个这种光束的重叠 作用。在图1A和图1B图示的轮廓10中，光束具有峰值能量12，峰值能量12随着高斯分布逐渐 往两侧降低。光束的半宽完全最大能量水平14为图1A中图示的轮廓。在图1C中，将通过重叠 两个具有相同能量分布的高斯光束所组合的效果图示于虚线的轮廓中。

现在参照图2A和图2B，图示将耗尽光束20与作为激发光束10的标准光束10组合使 用，以形成图3A的STED光束30。如2A图所示，与激发光束10相比，耗尽光束20被红移(red shifted)了并具有耗尽中央区域22，耗尽中央区域22具有强度峰24，强度峰24围绕耗尽中 央区域22，也就是说，耗尽光束20具有通过使耗尽光束通过顶点相位掩模所形成的圆环状 强度分布。红移的光束能量使先前激发物种的激发能量降低，其中耗尽光束20与激发光束 10重叠。当图1和图2的光束在同一直线上被组合时，如图3所图示，就形成了耗尽激发光束 30，耗尽激发光束30具有比图1A的光束宽度实质更小的高强度中心区域32及光束能量明显 递减的光束裙部区域34，裙部区域34紧邻中心区域32。基本上，横跨宽度的光束能量分布接 近矩形的形状。此外，耗尽光束20的功率越大，则所产生的耗尽激发光束30轮廓越尖锐或更 接近矩形，也就是说，当激光在没有重叠第二光束30之下具有300nm的分辨率时，则能够通 过施加500Mw/cm²等级的耗尽光束功率来实现20nm(即在焦点位置的光点直径)的分辨率。 对于10至100纳秒(nsec)的脉冲，使用1E7W/cm²等级的耗尽光束。

在操作中，耗尽光束20的尖峰强度与激发光束的周边重叠，而且在所述区域中，耗 尽光束的红移能量使存在于所述区域中由高斯光束裙部中的较低能量激发的反应物去激 发(de-excite)，从而产生具有足以使反应物的原子和分子只在圆环区域的周边内光束的 中心区域中保持激发的能量的光束。

现在参照图4A和图4B，图示使用两个这样的STED耗尽光束40、50来形成重叠区域 60，重叠区域60包含一部分的第一STED光束40和第二STED光束50。在图4B中图示出重叠耗 尽光束40、50的效应，与如图1C所图示重叠两个高斯分布的光束相比有清晰的对比。具体的 是，裙部区域是其中被激发光束的裙部区域中的能量激发的反应物被红移耗尽光束去激发 的区域，使得整体的能量尖峰出现在区域60，因此有明显的重叠区域，其中界定出从高能量 到几乎没有光束激发物种的下降。在图4B中，与两个光束的裙部区域68、70相比，高度界定 出存在于重叠区域60中的高能量激发能力(如虚线轮廓中所图示)。如图4A所图示，光束40、 50都被聚焦在基板64(仅图示出一部分)的有限区域62上，并且每个皆具有图3的STED光束 30的光束能量分布。在图4A的实施方式中，光束40的耗尽裙部区域68和光束50的耗尽裙部 区域70相交于基板64的区域72，使得形成两个光束40、50的非耗尽高能量中央区域32(图3) 的卵形(ovoid)重叠区域60。光束能量被配置为使得在卵形重叠区域内，来自一个光束(例 如光束40)的光子不足以致使紧接位于基板64上方及卵形重叠区域60内的反应物达到反应 状态，使得当第二光束50供应光子时，当所述光子被由于与第一光子相互作用的结果而处 于激发态的分子吸收时，即足以驱动反应物的沉积或蚀刻反应。选择反应物，使得当在空间 和时间上对齐时，两个光束的高能量区域32的组合能量足以使所希望的沉积或蚀刻反应发 生，但其中两个光束40、50重叠，而两个高能量区域32并未重叠，例如在位置74，光束50的高 能量区域与光束40的裙部86重叠，所组合的能量并不足以致使反应物反应出沉积物或蚀刻 材料。因此，因为这两个光束(光子)能量在空间上只存在于卵形重叠区域60中，故反应只发 生在卵形重叠区域中，因此可以沉积或蚀刻出非常小的特征结构。

还如图4A中图示的，虽然完全重叠两个STED光束40和50的完整轮廓可能是明显 的，但其中将存在足以反应的能量的实际重叠是非常小的，如尺寸66所示。例如，光束50遍 及裙部70边缘的全宽(3个标准差)是在40nm的等级上，卵形区域的宽度66可能在小于10nm、 甚至小于5nm的等级上。结果，非常小的光点尺寸可被形成，其中直接光子写入膜层一个分 子的厚度(由于接收两个光束40、50的两个不同能量光子而从分子或原子的反应所产生)或 通过卵形区域中的个别蚀刻剂反应分子进行蚀刻是可能的。所沉积的膜厚度或下层膜的蚀 刻深度是每个前驱物在光子波长的吸收截面、在两个光束开启并重叠的持续期间到达重叠 位置的光子数量、以及在相同时间段沉积或蚀刻反应物在重叠位点的可用度 (availability)的函数。因此，使用非常低浓度的反应前驱物的极短脉冲可以产生在一个 原子厚的等级上的非常薄的特征结构。更长的重叠时间和更高的前驱物浓度将产生更厚的 特征结构。当在原子层沉积或蚀刻工艺中使用重叠的STED光束来活化反应的(最终的)前驱 物时，可以形成单原子厚的特征结构。因此，可以使用两个耗尽光束(例如两个STED耗尽光 束)的系统来取代传统的光刻膜形成、掩模曝光、显影及剥离步骤，以通过在一位数纳米尺 度上添加的或消减的原子和分子尺度光子反应来形成特征结构，从而大量减少步骤数目及 基板的传送，以形成这样的特征结构。

为了确保第一和第二光束的光子在时间上重叠，在沉积期间可以将两个光束40、 50皆保持在恒定开启的状态。此外，而且优选的是，可以将第一光束20保持在恒定开启的状 态，以将反应物的分子和原子连续激发到激发的、但尚未在高能量区域32的跨度内的反应 状态，并且可以将第二光束50脉冲化，使得在卵形重叠区域60中，由光束50提供并在与由光 束40提供的光子相同或不同的能量下的第二光子被反应物吸收，从而在卵形区域60内产生 沉积或蚀刻反应。

此外，可以构思的是，第一和第二光束40、50皆可以被脉冲化。因为由第一光束的 光子所提供的激发态是暂时的，故与第一光束40的脉冲相比，第二光束50的脉冲时机将决 定反应是否发生。

现在参照图5，示意性图示出形成耗尽光束的配置。在这个示例中，示意性地说明 两个激光光束(激发和耗尽光束)的组合。如图5所图示，光束组合腔室被耦接到第一激发光 束源102A和第二耗尽光束源102B，使得两个光束的组合共线输出238可以产生。具体来说， 腔室299包括与源自激发源102A的光束224A的投射对准的第一窗202A及与源自耗尽光束源 102B的耗尽光束224B对准的第二窗202B。在这个方面中，光束224A通过窗202A进入腔室并 被镜204反射90度，然后通过分辨板(resolvingplate)206A中的分辨孔205A，并再次被半 银镜(分束器)209反射90度到达平行于进入腔室299的进入路径的路径并与耗尽光束224共 同延伸。

耗尽光束224通过第二窗202B进入腔室299，然后在通过半银镜209之前通过分辨 板206B中的分辨孔205B，在半银镜209耗尽光束224变成与激发光束224A共同延伸并轴向对 齐。然后组合的光束238通过第二半银镜，其中光束的一部分232被送到能量分析站，而主光 束则通过消隐快门(blankingshutter)220并经由出口窗222射出而形成光束50。通过致动 快门220，源自腔室299的光束50可以在腔室299中被周期性地消隐，使得第二光束50可以只 被周期性地定位来重叠在意图使反应发生的目标位置表面上。

现在参照图6，图示出用以在工件表面上进行基于光子的反应的工艺腔室的示意 图，以展现沉积或蚀刻工艺的基本特征。在此图中，工件是基板，诸如可用于制造集成电路 元件的半导体基板。

如图6所图示，腔室300中包括平台310，在平台310上可以放置基板320以进行处 理。此外，腔室300包括接入口330，诸如闸门或流量阀，通过接入口330基板320可以被载入 腔室300并从腔室300被移出，例如通过具有终端受动器(endeffector)的机器人，所述终 端受动器配置为将基板320放到平台310上并从平台310移出基板320，如半导体元件制造技 术领域中众所周知的。此外，在本实施方式中，平台310配置为在X方向(平行于图6的页面平 面)、Y方向(进出图6的页面平面)、以及Z方向(相对于腔室200的基座302向上和向下)上移 动。平台310还可配置为围绕其中心旋转。

腔室300进一步包括第一腔室窗350和第二腔室窗352，在本实施方式中第一腔室 窗350和第二腔室窗352位于腔室300的盖部304上。所述窗配置为能够密封腔室盖部304，但 也可透射由本文先前相对于图4所描述的光束40、50所提供的光能量。此外，设置有多个反 应物进入口360，在本案例中为口632和364、背景气体口366、以及排气口368。

光束40和50是由能量源340产生的，每个能量源340可以具有第一发射器342和第 二发射器344。第一发射器342可以是激发光束源，而第二发射器344可以是耗尽光束源。能 量源340可以包括本文其它部分描述的用于组合激发和耗尽光束而形成STED光束40和50的 光学元件。每一个能量源340可以包括触发控制模块346，触发控制模块346控制从发射器 344和342释放的能量脉冲。电子计时盒348可被耦接到每个触发控制模块346，用以同步两 个STED光束40和50的脉冲化或发射。以这种方式，可以实施脉冲和工作周期时间的精确控 制，以执行本文所述的方法。

在本实施方式中，光束40通过窗350进入腔室300，而光束50通过窗352进入腔室 300。在本实施方式中，光束40、50是固定的，即电磁能量的路径是固定的，使得光束配置为 以图4的方式在反应区域370相交。反应区域370具有图4图示的卵形横截面，并在腔室300 内、在x、y及z方向上被三维固定。

为了进行工艺以在腔室的反应区域370中引发反应，通过阀330将基板320装载到 平台310上，并将阀330关闭。对腔室300的排气或抽吸将腔室压力降低到低于环境的压力， 例如在毫托的范围中，并使背景气体(诸如惰性气体氩气)通过背景气体口366流入腔室，直 到在氩的进入流动和通过排气口368的排气流动的基础上达到了稳定的压力。一旦达到了 稳定的压力，则使反应气体流过反应气体口362、364，以在基板320的表面上方(特别是在反 应区域370中)分别地或以混合物提供一种或更多种活性气体。或者，在一些反应中，只需要 通过仅口364、362中的一个口供应一种反应物。通过窗350供应光束40到腔室300，并且通过 窗352供应第二光束50以在反应区域370相交。结果，在卵形反应区域370中光束40、50的组 合光子能量足以使反应物发生反应，并在卵形反应区域370中引发局部沉积或蚀刻反应。

为了使反应发生于基板320上的不同位置，可以在x和y方向上移动平台310(上面 固定基板320)，由此移动卵形反应区域370在基板320上的相对位置。此外，当光束相交于如 图6所示的沉积区域时，也可以在z方向上移动基板320，以确保卵形重叠区域370的大小不 会在材料被沉积于所述区域并且从所沉积材料的顶部到光束源的距离缩短时发生变化。

参照图7，其中图示使用图6的腔室300横跨基板320的表面光子写入宽度W等级在5 至10微米的线。如图7所图示，第一卵形区域400被形成在基板上，并且通过图6的反应气体 口362、364中的一个提供沉积反应物(例如硅烷)，从而在整个卵形区域的跨度间形成约一 个或更多个原子厚的薄硅层，以形成第一卵形沉积区域402。然后将所述基板逐渐移动小于 卵形的一半长度D，并重复沉积工艺，以形成第二卵形区域406，留下所述第一卵形区域的第 一区域402具有约一个或更多个原子厚的沉积Si层，而第一卵形区域400的第二部分404具 有的厚度为所形成的第一沉积厚度的约两倍，第一和第二卵形区域400、406在第二部分404 重叠。将基板310再次沿同一方向移动相同的距离，并形成与第一和第二卵形区域402、406 部分重叠的第三卵形区域410，从而在一部分的第一卵形区域402中提供了三倍厚度层，并 在一部分的第二卵形区域406中提供了两倍厚度层。以这种方式重复移动基板，可以将线 420直接光子沉积在基板320上，并具有三个或更多个硅原子层等级的厚度。为了增加线420 的厚度，可以将上面固定基板320的平台310降低线420厚度的等级，并在线420的长度上重 复进行光子沉积工艺一次或更多次，或是增加光束重叠时段的持续时间。结果，可以在基板 的表面上将具有卵形反应区域370的宽度的线420形成到所需的厚度。

参照图8，其中图示所产生的线。如在图8可以看到的，线的侧壁包括数个“扇形”或 弧形区域，使得线在垂直于其长度的方向上向外延伸或凸出。这些扇形与线宽度和线深度 相比的相对尺寸是可以通过在线的沉积过程中调整形成的每个卵形区域的重叠来调整的。 例如，如果图7的第二卵形区域406是通过将卵形的中心沿着线的长度移动1/5卵形的长度D 所形成的，则每个卵形区域长度将会产生10个扇形。假使形成第二卵形区域，使得第二卵形 区域的中心与第一卵形区域402的端部重叠，则在每个卵形区域的长度D的线中扇形的数量 是两个。同样地，在后面的情形中，除了在起端和末端(第一个和最后一个卵形)之外，线的 深度将是两个或更多个沉积层的厚度，而在第一种情形中，线的深度将是10个或更多个沉 积层的厚度，其中每个层可以薄至一个原子。因此，为了使用卵形投射来进行反应以形成较 平滑的侧壁，卵形的长度调整必须是较小的，并且所产生的线将会较厚，但写入时间将较 长。然而，由于可能需要的线厚度可能比10个或更多个原子的厚度明显更厚，故其中需要覆 写(overwrite)多条线的整体产量将不会受到影响。

此外，如本文中将进一步描述的，在线420的写入过程中，光束40、50中可以只有一 个被脉冲化或两个皆被脉冲化，即被间歇地导引到线的写入区域。例如，一个光束40可以保 持开启，并沿着基板在线420的路径上移动，并且可以在第一光束40已到达与先前沉积的卵 形区域适当的重叠位置的时候间歇地提供第二光束50。可以通过使光束50离开被写入的线 420而消隐到基板未被另一个光束占据的另一个区域、或完全离开晶圆、甚至通过在光束源 的快门来脉冲化光束50。或者，可以将两个光束皆脉冲化，使得当支座310横向或在z方向上 移动基板310时，光束40、50都“离开”，直到到达下一个用于沉积卵形区域的写入位置，然后 在写入位置脉冲化光束40、50。再次地，离开包括在腔室内将光束消隐到基板上的非重叠位 置或使用在光束源的快门。

现在参照图9和图10，其中图示出另外的实施方式，其中图8的装置被修改用于蚀 刻或“光子”去除工艺。在本实施方式中，两个光束40、50是重叠的，使得这两个光束的中心 线平行并彼此偏离，使得重叠区域1000(图10)形成，光束40、50的重叠区域1000在重叠区域 中共线延伸，以形成图4所图示的两个光束40、50的卵形重叠区域。相对于图6的实施方式， 在本实施方式中，重叠区域在腔室的高度延伸，因此蚀刻剂反应物的反应将沿着重叠区域 的长度发生。

现在参照图11至图13，其中图示使用重叠光束40、50的蚀刻反应的效应。在这种情 况下，光束40以宽度40a在基板上延伸，并且光束50以宽度50a在基板上延伸，从而具有作为 卵形柱从基板310延伸的重叠区域52及具有图4图示的横截面。如图11所图示，基板320的局 部视图包括形成在基板320上的氧化硅层322，特征结构324(图13)需要穿过氧化硅层322来 形成。将要被蚀刻出的特征结构324具有在小于20nm宽的等级上(例如5nm宽)的宽度326。为 了蚀刻出此特征结构，通过排气口368将图9的腔室300抽空到毫托的范围，并通过气口366 引入氩气或另一种惰性背景气体，直到达到稳定的压力。然后将对氧化硅有选择性的蚀刻 剂通过口362引入，使得气态反应物覆盖在基板320上。然后启动光束40和50，以蚀刻层322。

在第一蚀刻步骤之后，氧化硅层322中形成有小凹部328，小凹部328在重叠区域52 中延伸到等于在两个光束皆开启的时段期间可以使用被重叠光束的能量活化的蚀刻剂数 量蚀刻的SiO₂分子数量的深度。可以使用诸如CF₄的反应物来蚀刻下方的氧化硅。因为CF₄将 接收足够的能量而仅在光束重叠区域52被活化，故使用来自CF₄的活化F蚀刻氧化硅也将只 在(或非常靠近)卵形区域中发生，其中重叠的卵形与氧化硅层323接触，因此凹部358将具 有与重叠区域52相同的尺寸和轮廓。

参照图11，在图11的蚀刻工艺已被重复多次之后，凹部352被加深了，而且凹部352 具有大体上垂直于氧化硅层352的曝露表面326延伸的侧壁358a及基部358d。然后，随着处 理继续进行，凹部358最终延伸穿过氧化硅层而形成特征结构324。为了形成宽度为图6的长 尺寸D的圆形凹部，可以围绕蚀刻特征结构的中心旋转基板或光束。或者，为了提供更圆的 特征结构，可以以在纳米尺寸等级的小圆形、梯形、五边形等图案移动基板，以使蚀刻特征 结构变圆。

优选的是，在本文的蚀刻实施方式中，将两个光束中的至少一个脉冲化，使得例如 光束40被保持在基板320“上”，并且第二光束50被脉冲化开启和关闭。第二光束50的脉冲使 蚀刻的副产物在下一个脉冲形成更多的活化蚀刻物种以进一步蚀刻氧化硅或其它待蚀刻 的层之前清理蚀刻特征结构。此外，第一光束40可以通过使基板支座310在x方向和y方向上 移动而光栅扫描(rasterscan)基板，而且基板310上的此多个位置可以被蚀刻。例如，可以 邻接初始位置蚀刻出第二特征结构，所述初始位置例如图11中以虚线图示的凹部328所在 的位置。相邻的特征结构可以通过在两个不同的位置之间来回移动光束40、并在光束40位 于工艺位置时脉冲化第二光束50来形成。

在图9中将光束40和50图示为相邻的、重叠的、平行的关系，所以可以完成特征结 构324的定向蚀刻，并且侧壁大致垂直于氧化硅或其它蚀刻层的面。如果光束40、50只相交 于被蚀刻的层330，如图14所图示，则光束40、50会被被蚀刻的层所遮蔽而无法到达凹部 358d的基部，并且产生的光束重叠区域374将被膜层的相邻区域372缩小，从而产生圆锥形 轮廓的蚀刻特征结构。因此，除非将要蚀刻很浅的特征结构，否则应以图9的平行、相邻重叠 结构提供两个光束40、50。

在图9至图13中图示的蚀刻示例系就蚀刻具有两个光束的重叠区域截面的三维凹 部方面来描述。为了蚀刻一条线，可以遵循如关于图6至图8所述用于写入/沉积线的相同程 序，且提醒的是使用平行的相邻重叠光束。同样地，为了写入/沉积具有两个光束的重叠轮 廓的柱状物，重叠的光束可以保持在基板上的单个点，并且基板可以在z方向上移动，以在 基板上依序形成原子尺寸的沉积材料层。

图15A图示用于获得大量的个别耗尽子束(而非图6的个别光束40、50)的系统的示 意性配置。个别耗尽子束是由激发和耗尽源激光直接供应。在本实施方式中，基板320被图 示出，并且基板320被固定，而且可以在至少x、y及z方向(如关于图6所述)上移动。在本实施 方式中，每个耗尽源光束1500和耗尽源光束1502(每个皆如本文关于图3至图5所述通过组 合激发光束和耗尽光束来提供)皆被分成个别的子束1500a-n和1502a-n，图15只各图示出 两个。在本实施方式中，子束1500a-n和1502a-n衍生自耗尽光束，使得每个子束具有图3和 图4B的光束32的轮廓，每个子束1500a-n具有相同的光子能量，并且每个子束1502a-n具有 相同的光子能量。同时，个别的子束对(其中所述对中的一个来自子束1500a-n，并且所述对 中的一个选自子束1502a-n)被组合，以形成如图4图示的重叠卵形区域。在本实施方式中， 子束1500a-n的数目等于子束1502a-n的数目，使得子束的卵形重叠区域的数目为n。

为了形成子束，给出形成子束1500n的描述，而且使用相同的构造来形成子束 1502a-n。光束1500被导引至通过二维的傅立叶光栅系统1504，多个子束元件被从傅立叶光 栅系统1504发射出。可以使每个子束元件通过附加的二维傅立叶光栅，并使每个后续的光 束通过另外的二维傅立叶光栅，直到达1000等级左右的大量子束形成。个别子束彼此成无 穷平行。每个产生的子束1500a-n(图15仅图示1502a和1502n)在微镜阵列1510被导引，微镜 阵列1510具有多个微镜1500a-n，多个微镜1500a-n的数目等于或大于子束1500a-n，而且经 由控制器1520个别控制每个微镜1500a-n，以反射子束并由此反射到一个位置以在基板320 上与源自光束1502的子束1502a-n形成重叠区域，或反射到离开基板320的位置，或在基板 上但不与另一个子束处于重叠的关系。

现在参照图16和图17，其中图示微镜阵列1510的进一步细节。如图16所图示，各个 镜1510a以及以下的等等被配置成矩形阵列，并且每个镜1510a-n被个别控制而如图17所图 示围绕z方向致动，以定位镜1510a-n，而将个别的子束1500a-n导引到特定位置来与子束 1502a-n重叠，或镜1510a-n在第二位置以将个别的子束1500a-n导引离开基板。如图17所图 示，微镜1510d、f及g被定位来在基板310(图15A)的方向上导引光束，而镜1510e被相对于镜 1510d、f及g的位置移动，以使子束1500e的位置离开基板320。

如先前所讨论的，光束1502被此处专用的傅立叶光栅系统1504中的一个或更多个 傅立叶光栅分离，并且产生的各个子束1502a-n在微镜阵列1510的各个微镜被导引到不连 续的、与子束1500a-n的专用子束重叠的位置。当需要系统以沉积模式运作时，即当诸如硅 烷的沉积前驱物气体被引入腔室而在通过重叠成对的子束1500和1502所形成的卵形重叠 区域中形成硅沉积物时，第二微镜阵列1510及与子束1502a-n相关的控制器1520可以被去 除并使用单独的镜取代，而且在整个沉积工艺中子束1502a-n可以保持被定向于基板320的 方向。

为了在基板表面上形成特征结构(例如通过沉积)，每对子束(例如子束1500a和 1502a)配置为在腔室300的x、y及z坐标中的特定坐标位置形成重叠区域，即空间中的重叠 区域，当基板被正确地定位在z方向上时，所述重叠区域会被投射到基板320上。

图15B为可用于产生具有单一纳米尺寸的重叠耗尽子束图案的光学系统15000的 示意图。所述图案可以是规则重复的图案，或是所述图案可以是选择性的图案，并且个别的 重叠耗尽子束被切换到“开”表示具有足够的能量来活化化学反应，或被切换到“关”表示不 具有足够的能量来活化化学反应。光学系统15000可与本文它处所述的任何装置一起使用 于执行沉积或蚀刻工艺。图15B大致图示三个子束来表示可以具有数千、数百万、或甚至数 十亿个子束的子束阵列。

使用光学系统15000处理基板320，光学系统15000包含两个光学子系统15501和 15502。每个光学子系统15501和15502产生耗尽子束的阵列。第一光学子系统15501产生第 一耗尽子束阵列15901，并且第二光学子系统15502产生第二耗尽子束阵列15902。使用分束 器15921组合或重叠第一和第二耗尽子束阵列15901和15902，以形成重叠的耗尽子束阵列 15941。重叠的耗尽子束阵列15941被第一成像元件15961(可以是第一透镜)和第二成像元 件15981(可以是第二透镜)聚焦、放大、或缩小，以形成重叠的耗尽子束的图像阵列15991， 图像阵列15991被导引到基板320。取决于由两个光学子系统15501和15502产生的子束在分 束器15921的精确对准，子束可以部分重叠，意思是每个子束的能量场边界(例如每个子束 的1/e强度边界)相交；子束可以完全重叠，意思是一个子束的能量场边界完全在另一个子 束的能量场边界内部；或是子束可以被组合，意思是两个子束的光轴重叠，并且在任何合理 的测量精度内是平行的。

第一耗尽子束阵列15901是通过将选定波长和强度的第一入射辐射光束15521导 引到第一衍射光学元件15561所产生的。第一耗尽光束15541也被导引到第二衍射光学元件 15581。第一入射辐射光束15521被第一衍射光学元件15561分成第一子束阵列15601，而第 一耗尽光束15541被第二衍射光学元件15581分成第一耗尽子束阵列15621。子束阵列15601 和15621被配置成在第一分束器15641上或内的点重叠，以形成第一耗尽子束阵列15561，其 中大致上阵列15601的所有子束皆被与来自阵列15621的耗尽子束组合。第一耗尽子束阵列 15661从第一分束器15641射出，并被导引到第一准直元件15681，以产生第一准直耗尽子束 阵列15701。一些电磁辐射也可能在第一分束器15641传播出光学系统15000。第一准直耗尽 子束阵列15701通过聚焦元件15721而形成聚焦的耗尽子束阵列15741，聚焦的耗尽子束阵 列15741被导引通过第二分束器15761和第二准直元件15861而到达第一可寻址的微镜阵列 15841，大致如上关于图15A、图16及图17所述。一些电磁辐射也可能在第二分束器15761传 播出光学系统15000。取决于阵列15841的各个反射元件的方向，第一可寻址的微镜阵列 15841选择性地反射耗尽子束返回通过第二准直元件15861，如通过配置为个别寻址和调整 每个反射元件的控制器来决定。第二准直元件15861聚焦反射的子束返回第二分束器 15761。反射自第二分束器15761的子束形成耗尽子束的图案化阵列15871，反射出第一可寻 址微镜阵列15841的配置。反射自第一可寻址微镜阵列15841的子束给予耗尽子束的图案化 阵列15871附加的能量，使得耗尽子束的图案化阵列15871可以含有第一能量的耗尽子束及 第二能量的耗尽子束，且所述第二能量与所述第一能量不同。耗尽子束的图案化阵列15871 被导引通过第三准直元件15881，以形成带有能量图案的第一耗尽子束阵列15901，所述能 量图案系由可寻址微镜阵列15841所界定。

进行类似的工艺，以使用第二光学子系统15502形成第二耗尽子束阵列15902，第 二光学子系统15502与第一光学子系统15501类似或相同。可以使用第二可寻址的微镜阵列 15842来图案化第二耗尽子束阵列15902。阵列15901和15902中至少一个具有子束能量图 案，所述子束能量图案可以具有两个不同能量值的耗尽子束。假使子束阵列15901和15902 皆依据能量被图案化，则这两个图案可以是相同或不同的。因此，重叠耗尽子束的图像阵列 15991可配置为在基板320的表面具有重叠的能量场，所述重叠的能量场具有一个、两个、或 四个不同的能量。应当注意的是，光学系统15000使用的分束器可能会导致系统损失一些功 率，所以选择原始入射光束和耗尽光束的功率电平来补偿这些损失。

取决于能量场中存在的前驱物，这种光学系统可被用来在一个基板上的不同位置 同时进行沉积和蚀刻工艺。例如，重叠耗尽子束的图像阵列15991可以通过操作可寻址的微 镜阵列15841和15842来配置，以递送多个具有四种不同能量的重叠能量场到基板320，使得 第一部分的重叠能量场具有活化沉积前驱物(以气体混合物提供到基板)的能量，第二部分 的重叠能量场具有活化蚀刻前驱物(以气体混合物提供到基板)的能量，以及第三部分的重 叠能量场具有不活化任何前驱物的能量。以这种方式，基板320上的多个第一位置进行沉积 工艺，基板320上的多个第二位置进行并行的蚀刻工艺，以及基板320上的第三多个位置不 被处理。例如，如果包含硅烷和CF₄的气体混合物被提供到具有图15B的光学系统15000的腔 室，则可以通过在基板上的多个第一位置使用选择来只活化硅烷的能量来进行数以千计的 单一纳米尺寸沉积工艺并同时在基板上的多个第二位置(不同于所述多个第一位置)使用 选择来只活化CF₄的能量来进行数以千计的纳米尺寸蚀刻工艺而处理基板，而且所有用于 活化前驱物的能量系同时由四个辐射源发射通过光学系统15000。以这种方式，可以在基板 上的纳米尺寸位置进行沉积工艺，同时并行地而且在只距离约40nm处，在同一基板上的另 一个纳米尺寸位置进行蚀刻工艺。

可以使用类似的方法和装置来从半导体基板选择性地去除材料。半导体基板可以 被放置在处理腔室中，其中重叠耗尽光束或子束的图案被导引到基板。同时，诸如HCl或Cl₂的选择性去除气体可以被提供到处理腔室中邻近基板的区域。选择光束或子束辐射的波 长、强度及持续时间来将所述选择性去除气体活化到活性的状态，使得所述选择性去除气 体的活化物种与基板上将被去除的物种反应。

图15C为依据另一个实施方式可被用于产生具有单一纳米尺寸的重叠耗尽子束图 案的光学系统15001的示意图。光学系统15001利用辐射的性质来共线地组合或重叠电磁辐 射的光束，从而减少使用图15B的光学系统15000可能遇到的功率损失。使第一入射光束或 脉冲15523通过第一衍射光学元件15563而形成第一子束阵列15603，使第一子束阵列15603 通过第一准直元件15683而形成第一准直子束阵列15703。第一偏振器15703偏振第一准直 子束阵列15703的子束，以形成第一偏振子束阵列15763。

同样地使第二入射光束15543通过第二衍射光学元件15583，以形成第二子束阵列 15623，使第二子束阵列15623通过第二准直元件15693，以形成第二准直子束阵列15713。使 第二准直子束阵列15713通过第二偏振器15743，以形成第二偏振子束阵列15783。

第一偏振子束阵列15763和第二偏振子束阵列15783具有的偏振状态系以可以被 第一偏振光束组合器15803共线组合的方式相关。第一偏振子束阵列15763的偏振状态可以 与第二偏振子束阵列15783的偏振状态正交。通过尽可能接近地对准来自每个阵列的每个 对应子束以准确地撞击偏振光束组合器15803的光学活性表面15813上的同一点来对准第 一偏振子束阵列15763和第二偏振子束阵列15783，使得当两个子束阵列离开第一偏振光束 组合器15803时，第一偏振子束阵列15763的每个子束大致上与第二偏振子束阵列15783的 对应子束同轴且平行。因此产生的组合子束阵列15823包含多个子束，其中每一个子束可以 具有类似于关于图1B所描述的高斯能量分布。或者，两个子束阵列可以被对齐，使得一个子 束阵列的每个子束与另一个子束阵列的对应子束重叠，而形成重叠的子束阵列，其中每一 个重叠的子束可以具有类似于关于图1C所描述的每个分布。为了形成具有如图4所图示的 重叠图案的重叠耗尽子束阵列，可以使第一和第二偏振子束阵列15763和15783在第一偏振 光束组合器15803稍微不对准。

可以使用光学子系统15504以大致上类似的方式形成耗尽子束阵列15824，光学子 系统15504与光学子系统15503类似或相同。第一耗尽光束15524和第二耗尽光束15544分别 被第三衍射光学元件15564和第四衍射光学元件15584分成子束。将所述子束准直和偏振， 使得第二偏振光束组合器15804组合所述子束而形成耗尽子束阵列15824，其中每个子束具 有类似于关于图2B所描述的能量分布。为了形成具有如图4所图示的重叠图案的重叠耗尽 子束阵列，可以按照与第一和第二偏振子束阵列15763和15783的不对准相同的图案来使第 一和第二偏振耗尽子束阵列15764和15784稍微不对准。然后，将产生的耗尽子束阵列15824 与稍微不对准的子束阵列15823对准，使得每个耗尽子束与来自阵列15823的对应子束重 叠，如关于图3A所描述的。当以这种方式组合时，在上述耗尽子束和正常子束中的重叠产生 了重叠的耗尽子束。

可以通过使用波长选择反射镜15922将子束阵列15823与耗尽子束阵列15824共线 组合。这样的反射镜反射一个波长或窄带波长的电磁辐射，同时透射其它波长的电磁辐射。 这种反射镜是本技术领域中习知的，并且可以通过形成具有不同折射率的交替材料层来制 作。可以选择所述材料，并且可以决定层的厚度，以提供几乎任何所需程度的波长选择性。 在图15C的实施方式中，耗尽光束15544/15524可以具有与入射光束15523/15543不同的波 长。波长选择反射镜15922配置为反射在耗尽光束15544/15524波长的电磁辐射。在波长选 择反射镜15922上对准耗尽子束阵列15824与子束阵列15823产生了共线组合的耗尽子束阵 列15942。阵列15942最终可以被成像光学元件15962和15982(可以是成像透镜)聚焦、放大、 或缩小，以在基板320形成重叠、耗尽子束的图像。此处应当注意的是，光学系统15001也可 以设置有反射入射光束15523/15543的波长同时透射耗尽光束15524/15544的波长的波长 选择反射镜15922。

图15D为依据另一个实施方式可被用于产生具有单一纳米尺寸的重叠耗尽子束图 案的光学系统15002的示意图。光学系统15002在大多数方面类似于图15C的光学系统 15001，不同之处在于包括关于图15B描述的可寻址的微镜阵列15841/15842。偏振器15743/ 15744被移动到各自的偏振光束组合器15803/15804的相对侧，使得各子束阵列15783/ 15784将先通过偏振分束器15803/15804、被偏振器15743/15744偏振、以及反射自可寻址的 微镜阵列15841/15842。

在替代的实施方式中，15543和15524可以是入射光束，而15523和15544可以是耗 尽光束。在这样的实施方式中，两个被分成子束阵列15713/15714的入射光束15543/15524 可以被可寻址的微镜阵列15841/15842数字化(即个别子束被切换开或关)，并且产生的图 案化子束阵列利用偏振与耗尽子束阵列组合。然后可以使用波长选择反射镜15922使所产 生的数字化的耗尽子束阵列15823/15824组合或共线重叠。在这样的实施方式中，波长选择 反射镜15922可以选择性地反射入射光束15524和耗尽光束15544的两个波长。在这样的实 施方式中，入射光束15543/15524的波长优选是不同的，并且耗尽光束15523/15544的波长 优选是不同的，以有助于在波长选择反射镜15922的组合或重叠。这样的反射镜是本技术领 域中习知的，并且可以通过施加两个布拉格涂层(Braggcoating)到基板来制作，每个涂层 对一个波长有选择性。因此，第一波长被第一涂层反射，并且第二波长被第二涂层反射，两 个波长对应于入射和耗尽光束15524/15544。注意到的是，由于进入波长选择反射镜15922 的不同穿透深度，两个光束的不同路径长度可以通过调整子束阵列15714和15764的对准来 解决。

如以上关于图15B所描述的，这样的结构可以被用于在基板320的表面制作具有各 种子束能量的重叠耗尽子束阵列15992。图15E为基板320具有重叠耗尽子束阵列15992的部 分15900的视图，重叠耗尽子束阵列15992照射基板320的表面。阵列15992包含多个具有第 一能量的第一重叠子束15902及多个具有第二能量的第二重叠子束15904，所述第二能量与 所述第一能量不同。所述第一能量可以是活化第一前驱物的能量，以在基板320的表面上被 多个第一重叠子束15902照射的区域进行第一工艺。所述第二能量可以是活化第二前驱物 的能量，以在基板320的表面上被多个第二重叠子束15904照射的区域进行第二工艺。

这两个不同的能量可以通过操作可寻址的微镜阵列15841使得来自阵列15783的 选择子束不返回通过偏振器15743来实现。在晶圆320上对应位置的结果是基板的照射区域 被只来自入射光束15523的辐射照射而没有任何来自于入射光束15543的贡献，从而产生能 量比两个入射光束15523/15543组合更低的辐射。以这种方式，基板320上的相邻位置可以 被来自一个入射光束或来自两个重叠的入射光束的辐射照射。

前驱物可以被以单一气体混合物提供到基板320，使得每当气体混合物遇到第一 能量，则第一前驱物被活化，并且每当气体混合物遇到第二能量，则第二前驱物被活化。第 一和第二前驱物中每一个皆可以独立地成为沉积前驱物或蚀刻前驱物，使得第一工艺可以 是沉积工艺或蚀刻工艺，并且第二工艺可以是沉积工艺或蚀刻工艺。以这种方式，尺寸小于 10nm的子束可以被以大致垂直和准直的方式导引到基板320的表面，以进行精确的材料工 艺并避免关于图14描述的遮蔽现象。

在一些实施方式中，第二能量可以活化第一和第二前驱物两者。在这种实施方式 中，第一和第二前驱物在气体混合物中的浓度可以决定由组合的活化第一和第二前驱物进 行的工艺的性质。假使第一前驱物是沉积前驱物而第二前驱物是对于由第一前驱物沉积的 物种有选择性的蚀刻前驱物，则等量的第一和第二前驱物决定由第二能量活化的工艺是否 为蚀刻工艺或修改的沉积工艺。如果蚀刻前驱物处于实质上过量，则可能导致蚀刻工艺。假 使蚀刻前驱物不是处于实质上过量，则可能会产生修改的沉积工艺，例如选择性沉积工艺 (例如其中活化的蚀刻前驱物的蚀刻速度在一些区域比其它区域更快的工艺)。

在一些实施方式中，可以基于以气体混合物提供到腔室的两种前驱物的吸收截面 来选择图15D的入射光束15543和15524的波长。在这样的实施方式中，具有三种不同能量的 重叠耗尽子束可以被导引到基板。第一能量可以具有第一波长，第二能量可以具有第二波 长，以及第三能量可以具有第一和第二波长的组合。第一波长可以被第一前驱物优先吸收， 并且第二波长可以被第二前驱物优先吸收。可以进一步选择各激光的通量以及前驱物的浓 度，以在基板上的特定位置实现每种前驱物的特定活化水平，从而在小于10nm(在一些情况 下为小于1nm)并相距20nm或更短的区域中同时进行高选择性的材料处理。在这样的实施方 式中，波长选择反射镜15922可以对超过一种波长具有选择性。这种反射镜可以通过在透光 基板上形成双波长选择性反射层来制作，所述层包含对第一波长具有选择性的第一层及对 第二波长具有选择性的第二层，不同的波长由沉积在基板上的层的折射率和厚度来决定。

参照图18A至图18F，其中图示在基板320表面的部分1530上沉积两条线和一个柱。 首先参照图18A，其中图示没有线或柱的基板320表面1530。然后，如图18B所图示，三个卵形 重叠区域1532、1534及1536被形成在基板表面上，对应于表面1530上的位置1542、1544及 1546。然后，通过施加如先前所述的硅烷前驱物，在卵形区域的轮廓和尺寸中形成了硅沉积 层。卵形重叠区域1532-1536是腔室300中三维固定的位置，而位置1542-1546是基板320的 表面1530上固定的位置。

现在参照图18C，其中图示在图18B的位置1542-1546沉积的沉积卵形特征结构，但 只有卵形区域1532被形成在基板320上、在位置1542的先前沉积材料上方，使得另外的材料 层被形成于在位置1542的先前形成材料上方。不存在在位置1544和1546形成沉积材料的卵 形区域，此情况的发生是因为被用于在位置1544和1546形成重叠区域的子束1502及或1500 被微镜阵列1510中的相关微镜改向。

现在参照图18D，将基板图示为在位置1542具有多个堆叠在另一个层的顶部上的 沉积层，所述沉积层是通过重复关于图18C描述的工艺所形成，并且图示重叠区域1534被投 射到基板320上邻接先前在位置1544形成的层。此系通过移动基板到图式的左侧来完成，使 得在腔室中具有固定座标的卵形区域出现在先前在位置1544沉积的卵形层的右侧。在此时 间点反应物气体被引入或已经存在，以在邻接且重叠位置1544的位置1544a形成沉积层。然 后，如在图18E中可以看到的，基板320的移动和专用于卵形区域1534的子束1500a-n、 1502a-n中的一个或两个的脉冲化在基板表面1530上产生了多个从位置1544延伸到位置 1544n的卵形沉积区域，以形成一条在图式中从右延伸到左的线。

现在参照图18F，现在基板320已在Y方向上被移动，Y方向垂直于基板320被移动以 形成线1534的方向，并且只有卵形区域1536被投射到表面1530上，使得卵形投射区域1536 叠置于形成在位置1546的膜层，并从所述膜层在Y方向上延伸。如虚线箭头1540所表示的， 可以通过基板320在Y方向上进一步增加的移动量接着形成卵形区域1536以在先前形成的 层1536a上形成又进一步部分重叠、部分延伸的卵形沉积层......，直到一条所需厚度的线 被写出而在Y方向上写出线1536。为了在图6的Z方向上延长线1544和1546的高度，使用如所 述的相同操作程序来覆写线1546和1544。

为了能够选择性地投射子束以形成柱和线，控制器1520包括配置为遵照指示图案 来改变微镜阵列1510的每个或任何微镜的方向的可编程微处理器和接口软件，以在基板 320的整个表面1530上写出柱和线。可以同时写出多条线和多个柱，从而通过所述系统在在 线书写中产生显著产量。此外，通过适当同步的x和y方向移动，可以写出在平行于x或y方向 以外的方向上延伸的线。此外，为了在基板上维持一致的卵形区域投射尺寸，也可以在z方 向上移动基板，其中材料层被沉积在预沉积的膜层上方。

现在参照图17和图19，其中图示用于投射两个耗尽光束的重叠区域的第二种结 构。在本实施方式中，使两个个别的耗尽光束1500和1502通过傅立叶光栅系统1504，以形成 多个衍生子束1400a-n和1502a-n，而且如关于图15所述，通过控制器1520控制镜的位置，这 些子束被导向并选择性地在第一方向或第二方向上被个别反射。然而，与图15的实施方式 相反的是，在本实施方式中，用以在基板320上形成重叠区域的个别子束1500和1502对被以 部分重叠并以几乎共线对准递送到晶圆，其中每个子束的轴无穷(或接近无穷)平行(光束 间距沿着子束的长度保持不变)。为了提供这种对准，提供了光束组合器1560，其中子束 1502a-n通过组合器1560，而子束1500a-n在组合器1560被反射到基板的方向并几乎共线对 准，而且平行于子束1502a-n，使得每对子束(例如子束1500a和1502a)具有关于本文图10的 光束40、50所图示和描述的对准。

在此结构中，在基板320表面上蚀刻或沉积物种是被容许的。因为光束被彼此平行 并部分重叠地导引，故重叠区域从腔室300中的基板320延伸到窗350，并且所述组合器位于 腔室300外部。

以如关于图18A至图18F所述相同的方式，利用选择性反射子束到腔室300中的特 定位置或选择性反射来自腔室300中特定位置的子束，可以使用所述子束在基板表面上沉 积特征结构。然而，由于每对子束的重叠区域在基板上方腔室300的高度上延伸，故可以将 重叠区域的位置视为只在基板的x和y方向上固定，因为基板在Z方向(图6)上的移动将不会 导致基板上的重叠区域的尺寸改变或完全损失。此外，本实施方式对于蚀刻工艺是高度理 想的，因为重叠区域是柱状的，而且将不会像图15的子束会发生的遮蔽被蚀刻特征结构的 基部。

现在参照图20，将描述用于光子处理工件的片光束配置。本实施方式的片光束投 影仪1600取代了关于图15至图17图示和描述的先前实施方式的二维傅立叶光栅1504。在本 实施方式中，具有高能光子激发区域(具有独特的裙部或废弃)的耗尽光束1602被耗尽(此 亦如关于本文的图3A和图3B所图示和描述的)、被导引通过第一平-凸透镜1604和第一平- 凹透镜1606以形成扩展的片1608、以及之后再经由通过第二平凹透镜1612和第二平-凸透 镜1612而被导引成片光束1610。线性或线设置的多个微镜阵列1620位于片光束1610的线中 并相对成45度角，使得片光束1610被转置(transpose)并反射90度，并因此在腔室300的方 向上。除了所指出的之外腔室300具有腔室300的相同基本结构，所以将不再重复腔室300的 描述。单一窗350(具有比片光束的整个宽度更长的长度)被配置在腔室盖304中。因此，片光 束被投射进入腔室300，所述片光束具有高能光子的中央激发区域和在任一侧的耗尽裙部 或废弃区域。

如关于本文图15至图17的傅立叶光栅1504和微镜1510实施方式所描述的，在本实 施方式中提供第二片光束投影仪1600及微镜阵列1620，并且由此投射的片光束同样被以平 行、部分重叠的状态导引到工件320，使得在非常窄的线中两个片光束的激发光束部分的重 叠在基板上重叠。如同先前的实施方式，其中可以构思的是，具有激发光束部分(具有高能 光子)的片光束可以在50纳米宽或更小、并小至20纳米宽的等级上，而且其中被引入或保持 在工件上方的反应物将发生反应的重叠区域可以被保持在小于20nm宽，例如5nm至小于1nm 宽。

此外，在本实施方式中，如还关于图15至图17中图示的实施方式描述的，片光束 1600中的一个可以被单一镜(即非微镜阵列1620)导引到工件320。因为反应发生需要两个 光束一起存在于工件上，故只有其中一个光束需要被再导引或脉冲化，以有效地启动和停 止反应。此外，一个光束可配置为作为耗尽光束，而第二个作为耗尽片光束。因此，通过在基 板上的线上的不连续位置由投射的片光束相对部分地重叠点光束，可以在投射片光束的线 的整个长度上的不连续位置形成个别的特征结构。

现在参照图21和图22，其中图示微镜阵列1620的配置。与前面实施方式的微镜阵 列相反，微镜阵列1620只包括单排的镜1620a-n，并且每个镜可个别由控制器1630寻址，控 制器1630通过通讯线1632连接到每个微镜1620a-n上的致动器。微镜阵列1620的每个镜的 定位与图17的微镜阵列中图示的相同，其中镜可以被保持与入射光束成45度角、或倾斜或 围绕z轴旋转(图21)，以偏转片光束1610被各个微镜320a-n反射远离工件320的部分。

现在参照图23和图24，其中图示两个线光束310的重叠激发部分的用途。在图23 中，工件320被放在支座310上，支座310凸出到腔室300的底部上方。两个片光束的重叠区域 1640横跨工件呈细线延伸，并在支座310的面上方从工件向外延伸。重叠区域1640的最大长 度需要是工件的宽度，并且线性重叠区域1640的长度可以通过使用在微镜阵列1620的相对 端的微镜来消隐部分的片光束而进行调整。然后，通过引入(或保持先前引入的)反应物种 到线性重叠区域1640，由反应物的作用所形成的特征结构1650被形成在重叠区域1640上 方，如图24所图示，其中所述工件已被围绕其中心380旋转90度。特征结构1650可以是沉积 的特征结构、被蚀刻的特征结构、或其它的材料特征结构，如本文中先前描述的。

所述工件可以在x、y、z及图23图示的θ方向上移动。因此，形成特征结构1650之后， 可以在x方向上移动基板，同时两个片光束1610中至少一个通过微镜阵列1620被消隐到非 重叠的状态，然后所述两个片光束再被导引而在重叠区域1640重叠，以使用反应物在工件 上或中形成特征结构。因此，通过移动工件，并选择性地消隐或不消隐部分的片光束，可以 在工件上形成连续或不连续的线性特征结构，例如图24中的特征结构1650、1650a及1650b。

形成线性特征结构之后，工件可以被旋转，并在反应物存在下再次使两个片光束 在工件重叠，以横跨重叠区域形成另外的连续或不连续线性特征结构，并通过控制器1630 选择性地消隐微镜1620a-n中的个别微镜来提供不连续性。如图24所图示，由于消隐部分的 微镜1620a-n的结果，在工件上形成了具有不连续重叠区域1640a-h的不连续线性重叠区 域。在重叠区域中，微镜阵列1620的非消隐微镜投射每个片光束部分到工件，但在图23的线 性配置重叠区域1640a-h的间隙中，至少一个片光束1620的一部分被微镜阵列1620的一个 或更多个微镜消隐。可以作为重叠而被不连续形成的最小长度区段因此是在各个镜的尺寸 等级上。当用于一个片光束的一组微镜的位置偏移了各个微镜1620a-n的一半长度时，则所 述最小长度会是各个微镜的1/2长度，其中两个阵列1620中的微镜都是相同的。

仍然参照图23，形成重叠子区域1640a-h的区域将有反应物的发生反应。因此，假 使例如特征结构1650、1650a及1650b是由前驱物的沉积所形成的线，则可以在工件310上写 出或沉积另外的线，其中存在重叠区域的区段1640a-h。例如，可以在线1650和1650a之间的 重叠区域1640f中写出一条线。或者，假使用于先前沉积的线1650、1650a及1650b的蚀刻反 应物被引入作为反应物，则线1650可以被蚀刻掉，其中重叠区域1640g延伸穿过。因此，这表 示通过使用片光束来形成连续或不连续的线性重叠区域。特征结构可以被沉积和蚀刻，以 形成线、柱、及类似者，而且材料也可被选择性地蚀刻以在其中形成孔和沟槽。

现在参照图25，其中图示用以在两个耗尽光束(例如两个STED耗尽光束)的重叠区 域中致能反应的前驱物的电子能量图。在本发明的耗尽光束系统的操作中有用的前驱物具 有图25图示的特性，即在接收到第一光束E₁后，前驱物的原子或分子中的电子移动到中间 态，而且在两个重叠光束的裙部区域中，前驱物的电子通过曝露于裙部区域中的STED(耗 尽)光束E_1D而从中间状态向下移动。然后，当相同的原子或分子被曝露于第二耗尽光束E₂时，一直保持在中间状态的激发电子移到反键态，而且在反键态中被曝露于第二耗尽光束 E_2D(在光束的裙部区域)的任何电子从反键态向下移动。一旦在反键态中，则原子和分子高 度易于分离或反应，以形成沉积物或蚀刻相邻的材料。

如本文所述，部分重叠的光束可被用于沉积和蚀刻工艺。传统的沉积反应(例如其 中两种或更多种前驱物结合而产生沉积材料的那些沉积反应)将会发生在重叠区域，以在 光束重叠的区域内沉积反应产物。也可以使用这里的重叠耗尽光束来活化原子层沉积 (ALD)工艺。在那些反应中，任何或所有用于形成沉积材料的前驱物可被活化，以在基板上 仅在重叠区域中沉积。因此，多前驱物ALD工艺的初始(或中间)前驱物可以通过活化来沉 积，并且随后引入来反应的前驱物无需活化，而且沉积将只发生在初始(或中间)前驱物沉 积的位点。这可以被重复，以形成所需尺寸的线、柱等。在初始前驱物需要活化之处则不需 要从非反应的位点去除初始(和中间，若需要的话)前驱物，因为没有反应在那些位点被活 化。

此相同的范例可被用于下方基板材料的原子层蚀刻。在一个方面中，第一反应物 前驱物可以被“毯覆(blanket)”沉积在基板的整个表面上，并且最后的反应前驱物可以被 重叠光束活化，从而只在重叠区域中产生沉积或蚀刻的特征结构。可以使重叠的光束光栅 扫描从第一前驱物沉积的整个毯覆材料，以在所需的位置形成特征结构。

如本文中所描述的，在一个位置提供两个不同的光子束，使得重叠区域中的能量 是两个光束的光子能量的组合，所述重叠区域的尺寸可以被选择为等于(完全重叠)或明显 小于任一光束的横截面，并且通过将前驱物引入所述重叠区域可以使沉积或蚀刻反应只在 所述重叠区域中或直接邻接所述重叠区域处发生。此外，通过采用耗尽区域，其中，对光束 的高斯分布的裙部中的光子的作用被耗尽光束抵消，在一个方面中，STED耗尽光束围绕激 发光束，防止了光束的非耗尽中心区域的重叠区域外部出现反应。因此，因为可以形成具有 小至20纳米的非耗尽直径的光束，所以可以形成小至单纳米位数或小于1纳米的重叠区域， 使得基板上非常小的特征结构可以形成在其中。

再者，本文的实施方式构思使用圆形光束，当部分重叠时，所述圆形光束形成了卵 形区域。其它的光束形状，例如椭圆形耗尽光束(当端对端重叠时将会形成更圆的重叠区 域)及矩形耗尽光束(当角对角重叠时将会形成矩形的重叠区域)也是本文具体构思的。此 外，可以组合和重叠超过两个光束来形成反应区域。在这种情况下，图18的卵形区域可以被 修改，以使用三个部分重叠的光束提供三个三叶形轮廓的区域。在这种情况下，选择三个 (而不是任两个)光束的总能量来引发三叶形区域轮廓内的沉积或蚀刻反应。

此外，可以选择光束能量和反应物(前驱物)，使得光束的组合能量足以使反应物 为了沉积或蚀刻的目的而进行反应，但在光束的非耗尽激发核心与另一光束的耗尽区域重 叠处的能量将不会导致沉积，从而产生高清晰度的、对应于重叠区域的尺寸和轮廓的沉积 或蚀刻生成特征结构。

一般来说，对于本文所述的工艺，激发光束及/或耗尽光束可以是连续波或脉冲光 束。如果光束被脉冲化，则激发光束和耗尽光束皆被激发并发射辐射持续一段足以激发工 艺气体中的物种的时间，通常从约500纳秒至约1毫秒，例如约100微秒至约800微秒。此外， 在脉冲化的实施方式中，光束通常在脉冲之间被断开(de-energize)持续一段短于衰减时 间的时间，所述衰减时间例如工艺气体中的激发物种的半衰期。因此，激发及/或耗尽光束 通常将具有约500Hz至约20MHz的脉冲频率，例如10kHz至50kHz。脉冲的持续时间和频率取 决于被活化的气体的组成、密度及温度。在给定的密度和温度下，较小的分子在方向上具有 较大的离子化可能性，并且进行失活碰撞的可能性较小。较高的密度使得失活碰撞的可能 性较高。较高的温度提供潜热能量来补充光束的活化能量，从而导致较低的激发临界值。

在重叠的实施方式中，两个激发光束和两个耗尽光束可以同时全被脉冲化，或者 耗尽光束可以在包含激发光束的脉冲的时候被脉冲化，使得每当激发光束被激发时耗尽光 束即被激发。在另一个实施方式中，耗尽光束可以是连续波，而激发光束被脉冲化。实施方 式中耗尽光束被激发基本上较长的时间。

另外，虽然已经就加成和去除工艺等方面描述了本文中的实施方式，但亦具体构 思了其它需要在材料中界定或形成非常微细特征结构的工艺。例如，可以使用适当能量的 组合能量来使光刻胶曝露于较小的、远小于单个耗尽光束的20nm横截面的特征结构尺寸。 同样地，组合的光束可以被用来活化材料，使得之后流过的气体或液体流动在写入区域中 引发反应。组合的光束可被用于细微特征结构的退火，并用于形成半导体元件特征结构以 外的细微特征结构物体，例如衬有非常薄的细髓的光栅(finepithverythinlined gratings)及类似物。

尽管以上针对本发明的实施方式，但可在并未背离本发明的基本范畴的情况下设 计本发明的其它及进一步的实施方式。且本发明的范围由以下专利申请范围确定。