TWI463250B - 灰階光罩與其製作方法以及利用灰階光罩形成溝渠的方法 - Google Patents

Description

灰階光罩與其製作方法以及利用灰階光罩形成溝渠的方法

本發明係關於一種光罩的結構與其形成方法，特別來說，係關於一種準分子雷射灰階光罩的結構與其形成方法。

在現代的資訊社會中，由積體電路(integrated circuit,IC)所構成的微處理系統早已被普遍運用在生活的各個層面，例如自動控制的家電用品、行動通訊設備、電子計算機等，都有積體電路的使用。而隨著科技的日益精進，以及人類社會對電子產品的各種想像，使得積體電路也往更多元、更精密、更小型的方向發展。

在半導體製程上，為了將積體電路(integrated circuits)的圖案順利地轉移到半導體晶片上，必須先將電路圖案設計於一光罩佈局圖上，之後依據光罩佈局圖所輸出的光罩圖案(photomask pattern)來製作一光罩，再透過微影製程將光罩上的圖案轉移到該半導體晶片上。目前發展出一種嶄新的圖案化技術，稱為準分子雷射。準分子雷射的英文是Excimer Laser，而Excimer這個字是Excited Dimer的合併，即是被激發的二聚物。準分子雷射的原理是以高壓電流施加在混合氣體中，以短暫的激發混合氣體中的元素，使之形成高能的不穩定二聚物。這個二聚物隨即放出雷射光，此雷射光即可在半導體元件燒蝕出圖案化的元件。

在習知的準分子雷射中，仍有許多問題需要克服，其中最顯著的是「折射角極限(refractive angle limitation)」以及「煙柱效應(plume effect)」。請參考第1圖，所繪示為習知技術中折射角極限影響燒蝕深度的示意圖。如第1圖所示，雷射光100在穿過光罩102時會產生一折射現象，然後在基板104聚焦進行燒蝕。而隨著目標線路越來越細(第1圖中越左邊代表線寬越細)，其形成的溝渠形狀也會由U型溝渠逐漸變成V型溝渠。在一些較細線路的圖形中，當燒蝕深度在雷射光100兩側相交點以下時(如第1圖的A點)，雷射光100難以聚焦而造成燒蝕速度緩慢，常需要增加燒蝕時間才可以達到預定的深度，但這往往會影響其他粗線路圖形的深度。

另一方面，在較大尺寸的線路中，圖形深度常常會被煙柱效應所影響。煙柱效應是指在大面積或者粗線路的圖形中，進行燒蝕時在介面上會產生大量的微粉屑，這些微粉屑會吸收一部份的雷射能量，使得燒蝕的速率降低，因此造成圖形深度不足。

因此，無論是「煙柱效應」或者是「折射角極限」都會使得產生的燒蝕深度不符合原先的設計，故會降低元件的品質，而成了一個亟欲解決的問題。

本發明於是提出了一種灰階光罩以及其形成方法。利用本發明 的灰階光罩，可以形成深度一致的圖形線路。

根據本發明的一個實施方式，本發明提供了一種灰階光罩，包含有一第一圖案以及一第二圖案。第一圖案具有一第一線寬，第二圖案具有一第二線寬，其中第二圖案具有一灰階密度。

根據本發明的另外一個實施方式，本發明提供了一種灰階光罩的形成方法。首先提供一基底，並提供一光罩，光罩具有一第一圖案具有一第一線寬，以及一第二圖案具有一第二線寬。接著以光罩進行一直接雷射燒蝕製程，以在基底中形成一第一溝渠對應第一圖案並具有一第一深度，以及一第二溝渠對應第二圖案並具有一第二深度。最後提供一灰階光罩，灰階光罩具有第一圖案以及第二圖案，其中第二圖案具有一灰階密度。

根據本發明的另外一個實施方式，本發明還提供了一種在基底上形成溝渠的方法。首先以前述方法形成一灰階光罩後，接著以灰階光罩進行另一直接雷射燒蝕製程，以在另一基底中形成一第四溝渠對應第一圖案，以及一第五溝渠對應第二圖案，其中第四溝渠以及第五溝渠都具有一預定深度。

本發明提出的灰階光罩與其形成方法，是藉由量測形成溝渠深度來進行灰階圖形的補償，可以有效排除煙柱效應、折射角極限，或其他因子的影響。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

本發明的主要特徵是提出一種灰階光罩的結構與其形成方法，特別是一種適合用於準分子雷射燒蝕製程的灰階光罩。本發明所稱準分子雷射燒蝕製程，是一種直接雷射燒蝕(laser direct ablation,LDA)製程，是指以準分子雷射(如KrF的準分子雷射)在半導體基底、玻璃基板、電路板或其他種類的基板上直接進行如鑽孔、圖案化等製程，以形成各種雷射形成嵌入電路(laser embedded circuit)。

請參考第2圖至第5圖，所繪示為本發明一種製作灰階光罩的步驟示意圖，其中第2圖至第4圖為剖面示意圖，而第5圖則為灰階光罩的平面示意圖。如第2圖所示，首先提供一基底300以及一光罩302。基底300的表面上可以具有任何適合作為準分子雷射燒蝕的材料，例如是ABF(Ajinomoto Build-up Film)、苯環丁烯(benzocyclobutene,BCB)、液晶分子聚合物(liquid crystal polymer,LCP)、聚亞醯胺(polyimide,PI)、聚酚醚(polyphenylene ether,PPE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)等感光或非感光有機樹脂，或亦可混合各種環氧樹脂與玻璃纖維等材料。於本發明較佳實施例中，基底300表面上的材質是ABF，其可以獲得最佳的燒蝕效果。光罩302上包含有一第一圖案304、一第二圖案306以及一第 三圖案308，其依序具有一第一線寬w1、一第二線寬w2以及一第三線寬w3。於本發明一實施例中，第一圖案304是細線路的圖案，其第一線寬w1介於3微米(μm)至8微米之間，例如是5微米；第二圖案306具有中線路的圖案，其第二線寬w2介於8微米至40微米，例如是15微米；第三圖案308具有粗線路的圖案，其第三線寬w3是大於40微米，例如是150微米。

如第3圖所示，利用此光罩302進行一直接雷射燒蝕製程，使得雷射光316穿過光罩302透光處(即第一圖案304、第二圖案306與第三圖案308的地方)而在基底300表面上進行燒蝕，即可會在基底300中形成一第一溝渠310、一第二溝渠312以及一第三溝渠314。其中，第一溝渠310對應第一圖案304且具有一第一深度d1，第二溝渠312對應第二圖案306且具有一第二深度d2，第三溝渠314對應第三圖案308且具有一第三深度d3。如前文所述，由於細線路的圖案進行燒蝕時容易有折射角極限的現象，故產生的深度會較中線路的圖案來的淺，舉例來說，通過第一圖案304所產生的第一溝渠310，其深度會小於通過第二圖案306所產生的第二溝渠312，即d1<d2。另一方面，由於粗線路的圖案進行燒蝕時容易有煙柱效應的現象，故產生的深度會較中線路的圖案來的淺，通過第三圖案308所產生的第一溝渠314，其深度會小於通過第二圖案306所產生的第二溝渠312，即d3<d2。然而，第一深度d1和第三深度d3彼此間的大小關係則不一定。下文為了方便說明，以第三深度d3大於第一深度d1為示例，即d1<d3<d2。第一深度d1例如是8微米，第 二深度d2例如是16微米，第三深度d3例如是12微米。

如第4圖與第5圖所示，根據第一深度d1、第二深度d2與第三深度d3之間的關係來形成一灰階光罩320a。灰階光罩320a與光罩302所具有的圖形大致相同，也就是同樣具有第一圖案304、第二圖案306以及第三圖案308，但特別的是，這些圖形的其中至少一者是具有灰階密度。本實施例的灰階密度是透過第一深度d1、第二深度d2與第三深度d3之間的關係來決定。於本發明的一個實施方式，灰階密度是以下列公式來決定：灰階密度=(1-預定深度/量測深度)

舉例來說，本實施例中是以最深的第二深度d2為預定深度，然後計算其他圖形的灰階密度。例如第二圖案306的期望透光率為d1/d2，即8/16=0.5，而得到1-0.5=0.5，即50%的灰階密度。同理，第三圖案308的期望透光率為d1/d3，即8/12=0.75，而得到1-0.75=0.25，即25%的灰階密度。而第一圖案304則維持100%的透光率，即0%的灰階密度。如此一來，雷射光316通過第二圖案306後僅具有50%的強度，雷射光316通過第三圖案308後僅具有75%的強度。最後，如第4圖所示，即可利用此灰階光罩320a同樣進行另一直接雷射燒蝕製程，即可以在同樣材質的基底300上形成一第四溝渠310a、一第五溝渠312a以及一第六溝渠314a，第四溝渠310a對應第一圖案304，第五溝渠312a對應第二圖案306，第六 溝渠314a對應第三圖案308，且第四溝渠310a、第五溝渠312a與第六溝渠314a的溝渠深度都相同，即都是d1。透過前述的步驟，即可以有效排除煙柱效應、折射角極限，或其他因子的影響，即便光罩上圖形線寬大小不同，也可在基底中形成深度相同的圖案。

請參考第6圖，所繪示為根據本發明另一實施例中灰階光罩的示意圖。如第6圖所示，前述實施例是以第一深度d1為預定深度，於其他實施例中，亦可選定小於第一深度d1的一期望深度d’為基準，例如期望深度d’為4微米。同理，第一圖案304的灰階密度為1-4/8，即25%；第二圖案306的灰階密度為1-4/16，即75%；第三圖案308階密度為1-4/12，即67%，而形成例如第6圖的灰階光罩312b。同樣的，利用此灰階光罩320b可以形成第七溝渠310b、第八溝渠312b以及第九溝渠314b，且三者的溝渠深度都為d’。

請參考第7圖，所繪示為本發明又一實施例中利用灰階光罩來形成溝渠的步驟示意圖。前述實施例是以選定一預定深度而使形成的溝渠都具有相同的深度。而在本實施例中，也可使形成的溝渠各自具有不同的深度。舉例而言，若希望在另一基底上形成一第十溝渠310c對應第一圖案304時，假設第十溝渠310c的預定深度為d10，則灰階光罩320c上的第一圖案304的灰階密度為1-(d10/d1)；若第十一溝渠312c的預定深度為d11，則灰階光罩320c上的第二圖案304的灰階密度為1-(d11/d1)；若第十二溝渠314c的預定深度為d12，則灰階光罩320c上的第三圖案308的灰階密度為 1-(d12/d1)。然後，透過此灰階光罩320c，即可在另一基底上經由直接燒蝕製程形成具有d10深度的第十溝渠310c，具有d11深度的第十一溝渠312c，以及具有d12深度的第十二溝渠314c。

值得注意的是，本發明的灰階光罩320a,320b,320c並不同於習知以不同厚度或以不同材質來形成不同透光率區域的灰階光罩。如第5圖所示，本發明的準分子雷射灰階光罩320a包含有一透明基板321以及設置在其上的不透光材料323。在第一圖案304、第二圖案306以及第三圖案308以外的區域，基底321完全被不透光材料323所覆蓋，而在第一圖案304、第二圖案306以及第三圖案308中，則是均勻分佈有不透光網點322，其中全部不透光網點322面積與圖形的比值決定了圖形的透光率。舉例來說，在第三圖案308中，如第5圖右半的放大區域所示，網點322處是完全不透光，而在第三圖案308中網點322以外的其他區域則是100%透光，而全部網點322在第三圖案308中所佔的面積為25%。藉由改變網點322在光罩上的密度，可以改變光罩上不同區域的透光率。於本發明的較佳實施例中，透明基板321可以包含各種透光的無機材料或有機材料，例如玻璃、石英、塑膠、樹脂、壓克力、其它合適的材料、或前述材料之組合，但不限於此，組成網點322的不透光材料323例如是金屬鉻、不透光的樹脂或是石墨等材質。網點322可以包含任何簡單的幾何形狀，例如圓形、矩形、菱形或者是上述的組合。形成網點322的方法例如可以使用微影暨蝕刻製程(photo-etching-process,PEP)製程、噴墨塗佈(ink jet printing)製程 或是雷射製程等，也可以是其他適合用來形成光罩的製程。

於本發明另一實施例中，本發明形成準分子雷射灰階光罩320a,320b,320c的方法還可以包含一回歸步驟。請參考第8圖，所繪示為本發明回歸步驟的表示圖。如第8圖所示，若光罩302上的圖形過多且所形成的溝渠深度無法一一進行量測，可以僅選擇數個不同線寬的圖形來進行量測。舉例來說，可以選定5個或5個以上的圖形，量測燒蝕後的溝渠深度，以x軸為寬度，以y軸為燒蝕深度，而得到如第8圖的分布。接著例如這些數據進行一回歸步驟，可以得到例如是開口向下的二次曲線的回歸線(y=ax² +bx+c)。後續在設計準分子雷射灰階光罩320a,320b,320c的灰階密度時，即可利用此方程式來求得到不同線寬圖形的一計算深度，並如前文所述，選定一預定深度作為基準，並配合公式：灰階密度=(1-預定深度/量測深度)

即可求得不同圖形的灰階密度，如此一來，可省略大量量測溝渠深度的時間。

另外必須要說明的是，本發明的準分子雷射灰階光罩特別是用在準分子雷射的圖案化製程中，例如是KrF準分子雷射(248nm)的圖案化製程。在其他類型的光罩上，由於不是以雷射光穿過光罩直接燒蝕基底，故不會有折射角極限以及煙柱效應的問題，其原理以及 實施態樣和本發明並不相同。

綜上所述，本發明提的準分子雷射灰階光罩與其形成方法，是藉由量測形成溝渠深度來進行灰階圖形的補償，可以有效排除了煙柱效應或折射角極限，甚至是其他因子的影響。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧雷射光

102‧‧‧光罩

104‧‧‧基板

300‧‧‧基底

302‧‧‧光罩

304‧‧‧第一圖案

310c‧‧‧第十溝渠

312c‧‧‧第十一溝渠

314c‧‧‧第十二溝渠

316‧‧‧雷射光

320a‧‧‧灰階光罩

321‧‧‧透明基板

306‧‧‧第二圖案

308‧‧‧第三圖案

310‧‧‧第一溝渠

312‧‧‧第二溝渠

314‧‧‧第三溝渠

310a‧‧‧第四溝渠

312a‧‧‧第五溝渠

314a‧‧‧第六溝渠

310b‧‧‧第七溝渠

312b‧‧‧第八溝渠

314b‧‧‧第九溝渠

320b‧‧‧灰階光罩

320c‧‧‧灰階光罩

322‧‧‧網點

323‧‧‧不透光材料

w1‧‧‧第一寬度

w2‧‧‧第二寬度

w3‧‧‧第三寬度

d1‧‧‧第一深度

d2‧‧‧第二深度

d3‧‧‧第三深度

d’‧‧‧期望深度

第1圖繪示了習知技術中折射角極限影響燒蝕深度的示意圖。

第2圖至第5圖繪示了本發明一種製作灰階光罩的步驟示意圖。

第6圖繪示了本發明另一實施例中灰階光罩的示意圖。

第7圖繪示了本發明又一實施例中灰階光罩的示意圖。

第8圖繪示了本發明回歸步驟的表示圖。

300‧‧‧基底

304‧‧‧第一圖案

306‧‧‧第二圖案

308‧‧‧第三圖案

320a‧‧‧灰階光罩

310a‧‧‧第四溝渠

312a‧‧‧第五溝渠

314a‧‧‧第六溝渠

316‧‧‧雷射光

w1‧‧‧第一寬度

w2‧‧‧第二寬度

w3‧‧‧第三寬度

d1‧‧‧第一深度

d2‧‧‧第二深度

d3‧‧‧第三深度

Claims (15)

1. 一種灰階光罩，包含：一第一圖案，具有一第一線寬；以及一第二圖案，具有一第二線寬，其中該第二圖案具有複數個網點的一灰階密度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之灰階光罩，其中該第二圖案均勻地覆蓋有複數個網點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之灰階光罩，其中該等網點包含不透光材質。
4. 如申請專利範圍第1項所述之灰階光罩，其中該第二圖案的透光率小於100%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之灰階光罩，其中該第一線寬不等於該第二線寬。
6. 一種在基底中形成溝渠的方法，包含：以如申請專利範圍第1至第5項任一項所述之該灰階光罩進行一直接燒蝕製程，以在一基底中形成一第四溝渠對應該第一圖案，以及一第五溝渠對應該第二圖案，其中該第四溝渠以及該第五溝渠的深度相同。
7. 一種在基底中形成溝渠的方法，包含：以如申請專利範圍第1至第5項任一項所述之該灰階光罩進行一直接燒蝕製程，以在一基底中形成一第十溝渠對應該第一圖案，以及一第十一溝渠對應該第二圖案，其中該第十溝渠以及該第十一溝渠的深度不同。
8. 一種灰階光罩的製作方法，包含：提供一基底；提供一光罩，該光罩具有一第一圖案具有一第一線寬，以及一第二圖案具有一第二線寬；以該光罩進行一直接雷射燒蝕製程，以在該基底中形成一第一溝渠對應該第一圖案並具有一第一深度，以及一第二溝渠對應該第二圖案並具有一第二深度；以及形成一灰階光罩，該灰階光罩具有該第一圖案以及該第二圖案，其中該第二圖案具有複數個網點的一第二灰階密度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之灰階光罩的製作方法，其中該第二灰階密度=(1-一第二預定深度/該第二深度)。
10. 如申請專利範圍第9項所述之灰階光罩的製作方法，其中該灰階光罩的該第一圖案具有一第一灰階密度，且該第一灰階密度=(1-一第一預定深度/該第一深度)。
11. 如申請專利範圍第8項所述之灰階光罩的製作方法，還包含一回歸步驟。
12. 一種在基底中形成溝渠的方法，包含：以如申請專利範圍第10項所述之灰階光罩的製作方法形成該灰階光罩；以該灰階光罩進行另一直接雷射燒蝕製程，以在另一基底中形成一第四溝渠對應該第一圖案，以及一第五溝渠對應該第二圖案。
13. 如申請專利範圍第12項所述之在基底中形成溝渠的方法，其中該第一預定深度等於該第二預定深度。
14. 如申請專利範圍第13項所述之在基底中形成溝渠的方法，其中該第一預定深度等於該第二預定深度等於該第一深度。
15. 如申請專利範圍第12項所述之在基底中形成溝渠的方法，其中該第一預定深度不等於該第二預定深度。