CN101231460A - 灰度光罩及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种灰度光罩，包含透明基板及光线阻碍层。该光线阻碍层被配置于该透明基板上，并具有最小厚度的透光区、最大厚度的非透光区、及中间厚度的灰度区，其中该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率的大约介于5％与95％之间。

Description

灰度光罩及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种灰度光罩及其制造方法，更特别地涉及一种灰度光罩，其具有简单结构，且易于制造。
背景技术
在半导体或薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)的制造技术领域中，微影及蚀刻过程是非常重要的过程。现有的微影过程主要包含光阻覆盖、曝光及显影等步骤。首先，参考图1，将光阻12形成于工件14上。然后，来自光源的平行光16，经过光罩10后，入射在该光阻12上。由于该光罩10具有预定图案18，用以反射部分入射光，因此经过该光罩10的光线具有与该光罩10相同的图案18，并使位于该工件14上的光阻12可被选择性地曝光，因此该光罩10上的图案18可完整地传递到该工件14上的光阻14。然后，将曝光后的光阻12显影，使该光阻12图案化，以获得与该光罩10相同的图案18’，这种图案转移称为正片，如图2所示；反之，将曝光后的光阻12显影，使该光阻图案化，以获得与该光罩10互补的图案20，如图3所示。然后，将该工件14蚀刻，使该工件14的表面图案化，以获得与该光阻12相同的图案。最后，将该光阻12移除，以完成微影及蚀刻过程。
半导体或薄膜晶体管液晶显示器的制造方法通常包含多个微影及蚀刻过程，用以形成各种特定图案的多层薄膜。举例而言，在现有的微影过程中，需要通过多个二元光罩(binary mask)以执行多个曝光步骤，使待蚀刻区域获得不同的曝光量。然而，越多的曝光步骤将造成越多的过程时间及成本。目前，已公开了一种灰度光罩，用以取代二元光罩，可减少曝光步骤数量，如此可简化微影过程。
美国专利6,876,428，标题为“利用灰度光罩的液晶显示器面板的制造方法(Method of Manufacturing A Liquid Crystal Display Panel Using A Gray ToneMask)”，公开了一种显示器装置的图案的形成方法，包含下列步骤：首先，提供薄膜。然后，将感光层配置于该薄膜上。利用灰度光罩，以光线将该感光层曝光，其中该灰度光罩具有透明部分及局部透明部分，用以将该感光层图案化，该局部透明部分包含至少两部分，该两部分具有不同透光率，用以沿光线的照射方向引导该光线的不同的透光量。最后，利用已图案化的感光层，将该薄膜蚀刻。然而，美国专利6,876,428所公开的灰度光罩是狭缝式光罩(slit mask)，其局部透明部分包含多个狭缝(slit)，其彼此间隔预定间距，用以沿光线的照射方向引导该光线的不同的透光量。
另外，美国专利5,213,916，标题为“灰度光罩制造方法(Method of MakingA Gray Level Mask)”，公开了一种用于微影过程的灰度光罩，其由透明玻璃基板及多个材料层所构成，该透明玻璃基板承载该多个材料层，该多个材料层具有不同的透光率。就该灰度光罩只使用该多个材料层中的两层而言，通过以银离子取代用于玻璃中碱金属硅酸盐的金属离子，以制成局部透光性玻璃，第一层材料层可由局部透光性玻璃所构成。通过形成金属层(诸如铬)，第二层材料层可由非透光性金属层制成。该灰度光罩是利用光阻结构的协助而制造的，并通过微影及蚀刻过程而蚀刻出特定区域，亦即选择性地蚀刻出不同透光率的该多个材料层的裸露区域。然而，美国专利5,213,916所公开的灰度光罩包含配置于该透明玻璃基板上的至少两层材料层，其中该第一层材料层可由局部透光性玻璃所构成，且第二层材料层可由非透光性金属层制成。
参考图4，日本专利特开2003-156766，标题为“反射型液晶显示器装置及其制造方法(Reflection Type Liquid Crystal Display Unit And ItsManufacturing Method)”，公开了一种反射型液晶显示器装置50，包含薄膜晶体管基底60、彩色滤光片基板80、及位于该薄膜晶体管基底60与彩色滤光片基板80之间的液晶层52。该薄膜晶体管基底60包含多个像素区域，每一像素区域包含顺序形成于透明基板68上的薄膜晶体管62、绝缘层64及反射电极(reflection electrode)66。该绝缘层64是通过灰度光罩(未示出)及微影蚀刻过程而同时具有接触口72及凹凸表面74的结构，且该反射电极66具有类似凹凸表面的外形，其位于该绝缘层64的凹凸表面上，并电连接于该薄膜晶体管62。该反射电极66用于非对称性地反射外部的光线。该绝缘层64由有机材料或无机材料制成，并用以保护该薄膜晶体管62。该彩色滤光片基板80包含顺序形成于透明基板86上的彩色滤光片层82及相应的透明电极84。
虽然日本专利特开2003-156766公开的该灰度光罩具有对应于该绝缘层64的接触口72及凹凸表面74的接触口图案及凹凸表面图案，并通过控制该接触口图案的透光量大于凹凸表面图案的透光量而在后续的微影及蚀刻过程中，使该绝缘层64同时具有接触口72及凹凸表面74的结构。然而，上述日本专利并未公开该灰度光罩的元件构成，亦未公开元件材料成分及特性。
因此，便有需要提供一种灰度光罩，具有简单结构，且易于制造。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种灰度光罩，其具有简单结构，易于制造。
本发明的另一目的在于提供一种灰度光罩，其包含灰度区，其中该灰度区的透光率是约介于5％与95％之间。
为达到上述目的，本发明提供一种灰度光罩包含透明基板及光线阻碍层。该光线阻碍层被配置于该透明基板上，并具有最小厚度的透光区、最大厚度的非透光区、及中间厚度的灰度区，其中该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率介于5％与95％之间。
本发明的灰度光罩可取代现有二元光罩，可减少曝光步骤数量，如此可简化微影过程。再者，本发明的灰度光罩不同于现有狭缝式光罩，且不需包含至少两层材料层配置于该透明基板上。相比于现有灰度光罩，本发明的灰度光罩确实具有简单结构，易于制造，且完全不同于现有灰度光罩的结构。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术的微影过程的曝光步骤的剖面示意图；
图2为现有技术的微影过程的显影步骤的剖面示意图，其以正片显示图案转移；
图3为现有技术的微影过程的显影步骤的剖面示意图，其以负片显示图案转移；
图4为现有技术的反射型液晶显示器装置的剖面示意图；
图5为本发明的实施例的灰度光罩的剖面示意图；
图6为本发明的替代实施例的灰度光罩的剖面示意图；
图7至9为本发明的实施例的灰度光罩的制造方法的剖面示意图；
图10至15为利用本发明的实施例的灰度光罩的薄膜晶体管基底制造方法的剖面示意图。
主要附图标记说明
10光罩                      12光阻
14工件                      16平行光
18图案                      18’图案
20图案                         50液晶显示器装置
52液晶层                       60薄膜晶体管基底
62薄膜晶体管                   64绝缘层
66反射电极                     68透明基板
72接触口                       74凹凸表面
80彩色滤光片基板               82彩色滤光片
84透明电极                     86透明基板
100灰度光罩                    102透明基板
110光线阻碍层                  112透光区
114非透光区                    116灰度区
118凹凸表面图案                122入射光束
124入射光束                    250薄膜晶体管
252透明基板                    254栅极
256辅助电容线                  258栅极绝缘膜
262本征半导体层                262’本征半导体层
264欧姆接触层                  264’掺杂半导体层
266a源极                       266b漏极
266’第二金属层                268光阻层
270光线                        272通道区
274接触区                      276钝化层
278接触孔                      280薄膜晶体管基底
282像素电极                    T1最小厚度
T2最大厚度                     T3中间厚度
T31厚度                        T32厚度
Y透光量
具体实施方式
参考图5，其显示本发明的实施例的灰度光罩100。该灰度光罩100包含透明基板102及光线阻碍层(light blocking layer)110。该光线阻碍层110被配置于该透明基板102上，并具有最小厚度T1的透光区112、最大厚度T2的非透光区114、及中间厚度T3的灰度区116，其中该中间厚度T3介于该最小厚度T1与该最大厚度T2之间。
根据透光率的定义，透光率是穿透光束124强度与入射光束122强度的比(百分比)。由于透光量取决于该光线阻碍层110的厚度，因此控制该光线阻碍层110的局部透光量，亦即透光率，是十分重要的。在本实施例中，通过控制该最小厚度T1可使该透光区112的透光率为100％，通过控制该最大厚度T2可使该非透光区114的透光率为0％，且优选地通过控制该中间厚度T3可使该灰度区116的透光率大约介于5％与95％之间。
具体来说，当该最小厚度T1为零时，可形成完全透光，亦即该透光区112的透光率是100％。当该最大厚度T2是大于预定厚度时，可形成完全非透光，亦即该非透光区114的透光率是0％。举例而言，若该光线阻碍层110由铬(Cr)金属制成，当该最大厚度T2大于1000埃时，则该非透光区114的透光率是0％。该灰度区116是部分透光，亦即当该中间厚度T3介于该最小厚度T1及该最大厚度T2之间时，该灰度区116的透光率大约介于5％与95％之间。举例而言，若该光线阻碍层110由铬金属制成，当该中间厚度T3是490与190埃时，该灰度区116的透光率分别约为5％与95％。应注意的是，在该灰度区116的5％-95％的透光率范围以外的灰度现象无法被区别。因此，该灰度区116的0％-5％与95％-100％的透光率范围是没有利用价值的。
参考图6，在替代实施例中，该灰度区116的透光量Y取决于该光线阻碍层110的中间厚度T3。若该光线阻碍层110包含凹凸表面图案118，其位于该灰度区116上，亦即该中间厚度T3包含多个等级的厚度，诸如第一厚度T31及第二厚度T32(其中T32大于T31)，则该灰度区116的透光量Y的分布对应于凹凸表面图案118的第一厚度T31及第二厚度T32。该灰度区116包含多个等级的透光率，诸如第一及第二透光率，其中该第一及第二透光率分别对应于第一厚度T31及第二厚度T32。
再者，由于金属材料对该透明基板102(诸如玻璃基板等)具有较佳的粘贴性，因此当该光线阻碍层110由金属材料制成时，则该金属材料容易粘贴于该透明基板102。优选地，该金属材料为从铬、铝、钨、钼、镍及其化合物所组成的组中选择的一者。
由于非金属材料在该透明基板102(诸如玻璃基板等)上容易形成特定外形，因此当该光线阻碍层110为非金属材料制成时，则该非金属材料容易在该透明基板102上形成特定外形。优选地，该非金属材料是由硅或其化合物。
本发明的灰度光罩可取代二元光罩，可减少曝光步骤数量，如此可简化微影过程。再者，本发明的灰度光罩只需在该透明基板上配置一层光线阻碍层，而不需新增另一层光线阻碍层(灰度层)。
本实施例的灰度光罩的制造方法，其包含下列步骤。参考图7，首先提供透明基板102，然后将光线阻碍层110形成于该透明基板102上，其中该光线阻碍层110具有最大厚度T2。参考第8图，通过第一微影蚀刻过程，将该光线阻碍层110的一部分图案化以形成有最小厚度T1。参考图9，通过第二微影蚀刻过程，将该光线阻碍层110的其他部分形成中间厚度T3，其中该最小厚度、最大厚度及中间厚度分别界定透光区112、非透光区114及灰度区116，且该中间厚度T3介于该最小厚度T1及该最大厚度T2之间，且该灰度区116的透光率大约介于5％与95％之间。
本实施例的灰度光罩100的另一制造方法，其包含下列步骤。首先，提供透明基板102，然后将光线阻碍层110形成于该透明基板102上，如图7所示，其中该光线阻碍层110具有最大厚度T2。
然后，通过微影蚀刻过程及激光辅助过程(laser assisted process)，将该光线阻碍层110一的部分图案化以同时形成最小厚度T1及中间厚度T3，如图9所示，其中该最小厚度T1、最大厚度T2及中间厚度T3分别界定透光区112、非透光区114及灰度区116，该中间厚度T3介于该最小厚度T1及该最大厚度T2之间，且该灰度区116的透光率大约介于5％与95％之间。具体来说，在该蚀刻过程时，该激光辅助过程同时可加强位于该透光区112的光线阻碍层110的局部蚀刻速度，因此将该光线阻碍层110图案化以同时形成有该最小厚度T1及该中间厚度T3。
相比于现有灰度光罩，本发明的灰度光罩确实具有简单结构，易于制造，且完全不同于现有灰度光罩的结构。
另外，本发明提供利用本实施例的灰度光罩的液晶显示器薄膜晶体管基底制造方法，其包含下列步骤。参考图10，首先将第一金属层形成于透明基板252上，并通过第一微影蚀刻过程及二元光罩将该第一金属层图案化，以形成栅极254及辅助电容线256。
参考图11，将栅极绝缘膜258、本征半导体层262’、掺杂半导体层264’及第二金属层266’顺序形成于该透明基板252上。
参考图12及13，通过第二微影蚀刻过程及本发明的灰度光罩100，将该本征半导体层262’、该掺杂半导体层264’及该第二金属层266’图案化，以形成本征半导体层262、欧姆接触层(n+a-Si)(ohmic contact layer)264、源极266a及漏极266b，其中该栅极254、本征半导体层262、欧姆接触层264、源极266a及漏极266b构成薄膜晶体管250。
具体来说，在该第二微影蚀刻过程中，先将光阻层268形成于该第二金属层266’上，并通过合适的光线270所照射，诸如紫外光，从该灰度光罩100的外侧向该光阻层268照射，用以将该光阻层268曝光。该光阻层268(诸如正光阻)经过该光线270照射后会在显影剂中产生溶解(dissolved)。经过显影及烘烤固化后，该光阻层268是被图案化，使该光阻层268形成有零厚度、原始厚度及中间厚度，其分别对应于该灰度光罩100的透光区112、非透光区114及灰度区116，其中该中间厚度是介于零厚度及该原始厚度之间。该光阻层268的中间厚度及零厚度分别界定通道区272及接触区274。当进行等离子体化学(plasma chemistry)蚀刻步骤时，将位于该接触区274的部分该第二金属层266’、该掺杂半导体层264’及该本征半导体层262’蚀刻掉。由于位于该通道区272的该光阻层268仍具有中间厚度，因此可避免位于其下方的该第二金属层266’被蚀刻掉，如图12所示。同时，该等离子体化学蚀刻步骤将位于该通道区272的该光阻层268去除。然后，进行另一蚀刻步骤，将该第二金属层266’及该掺杂半导体层64’蚀刻，以形成该源极266a及该漏极266b，并将该光阻层268移除，如图13所示。换言之，该源极266a及该漏极266b的形成方法是一种利用灰度光罩的工件图案化的形成方法，而该本征半导体层262’、该掺杂半导体层264’及该第二金属层266’皆可视为工件。
参考图14，将钝化层(passivation layer)276配置于该栅极绝缘膜258上，并覆盖该薄膜晶体管250。通过第三微影蚀刻过程及二元光罩，将该钝化层276图案化，使该钝化层276形成有一接触孔278。
参考图15，将透明导电层，诸如铟锡氧化物(indium tin oxide；ITO)制成的透明金属层，形成于该钝化层276上，并通过第四微影蚀刻过程及二元光罩将该透明导电层图案化，以形成像素电极282，如此以完成液晶显示器薄膜晶体管基底280，其中该像素电极280是通过该接触孔278电连接于该薄膜晶体管250。
通常现有液晶显示器薄膜晶体管基底制造方法需要五个微影蚀刻过程及光罩。由于本发明的灰度光罩可取代二元光罩，可减少曝光步骤数量，以简化微影过程，因此利用本发明的灰度光罩的液晶显示器薄膜晶体管基底制造方法只须四个微影蚀刻过程及光罩。
虽然本发明已以前述实施例说明，但是其并非用以限定本发明，任何本技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的变化与修改。因此本发明的保护范围当以所附权利要求书为准。

Claims (25)

1.一种灰度光罩，包括：
透明基板；以及
光线阻碍层，该光线阻碍层被配置于该透明基板上，并具有最小厚度的透光区、最大厚度的非透光区、及中间厚度的灰度区，其中该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率介于5％与95％之间。
2.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该光线阻碍层由金属材料制成。
3.根据权利要求2所述的灰度光罩，其中该金属材料为铬、铝、钨、钼、镍及其化合物所组成的组中选择的一者。
4.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该光线阻碍层由非金属材料制成。
5.根据权利要求4所述的灰度光罩，其中该非金属材料为硅或其化合物。
6.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中当该最小厚度为零时，该透光区的透光率为100％。
7.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中当该最大厚度大于预定厚度时，该非透光区的透光率为0％。
8.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该光线阻碍层由铬金属制成，当该最大厚度大于1000埃时，则该非透光区的透光率为0％。
9.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该光线阻碍层由铬金属制成，当该中间厚度为490埃时，该灰度区的透光率为5％。
10.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该光线阻碍层由铬金属制成，当该中间厚度为190埃时，该灰度区的透光率为95％。
11.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该灰度区包含多个等级的透光率。
12.根据权利要求1所述的灰度光罩，其中该中间厚度包含多个等级的厚度。
13.一种灰度光罩的制造方法，包含下列步骤：
提供透明基板；
将光线阻碍层形成于该透明基板上，其中该光线阻碍层具有最大厚度；
通过第一微影蚀刻过程，将该光线阻碍层的一部分图案化以形成最小厚度；以及
通过第二微影蚀刻过程，将该光线阻碍层的其他部分形成中间厚度，其中该最小厚度、最大厚度及中间厚度分别界定透光区、非透光区及灰度区，且该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率介于5％与95％之间。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其中该光线阻碍层由金属材料制成。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其中该金属材料为铬、铝、钨、钼、镍及其化合物所组成的组中选择的一者。
16.根据权利要求13所述的制造方法，其中该光线阻碍层由非金属材料制成。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其中该非金属材料为硅或其化合物。
18.一种灰度光罩的制造方法，包含下列步骤：
提供透明基板；
将光线阻碍层形成于该透明基板上，其中该光线阻碍层具有最大厚度；以及
通过微影蚀刻过程及激光辅助过程，将该光线阻碍层的一部分图案化以同时形成最小厚度及中间厚度，其中该最小厚度、最大厚度及中间厚度分别界定透光区、非透光区及灰度区，该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率介于5％与95％之间。
19.根据权利要求18所述的制造方法，其中该光线阻碍层由金属材料制成。
20.根据权利要求19所述的制造方法，其中该金属材料为铬、铝、钨、钼、镍及其化合物所组成的组中选择的一者。
21.根据权利要求18所述的制造方法，其中该光线阻碍层由非金属材料制成。
22.根据权利要求21所述的制造方法，其中该非金属材料为硅或其化合物。
23.一种利用灰度光罩的工件图案化的形成方法，包含下列步骤：
提供工件；
将光阻层形成于该工件上；
利用该灰度光罩，以光线将该光阻层曝光，其中该灰度光罩包含透明基板及光线阻碍层，该光线阻碍层被配置于该透明基板上，该光线阻碍层具有最小厚度的透光区、最大厚度的非透光区、及中间厚度的灰度区，该中间厚度介于该最小厚度及该最大厚度之间，且该灰度区的透光率介于5％与95％之间；
将已曝光的光阻层显影，以图案化该光阻层；
利用已图案化的光阻层，将该工件蚀刻，以图案化该工件；以及
将已图案化的光阻层移除。
24.根据权利要求23所述的形成方法，其中该工件为薄膜。
25.根据权利要求24所述的形成方法，其中该薄膜被配置于薄膜晶体管基底上。
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