CN101713919B - 多级灰度光掩模及其制造方法 - Google Patents

多级灰度光掩模及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供多级灰度光掩模及其制造方法,所述多级灰度光掩模具有转印图案,该转印图案带有透光区域、遮光区域以及半透光区域。所述转印图案中的半透光区域具有第1半透光部(具有第1有效透光率)和第2半透光部(具有不同于所述第1有效透光率的第2有效透光率)。所述转印图案的所述第1有效透光率和第2有效透光率被设定成:使用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。

Description

多级灰度光掩模及其制造方法
技术领域
本发明涉及光刻工序中使用的多级灰度光掩模及其制造方法。
背景技术
以往,在液晶显示装置等电子器件的制造中,利用光刻工序,使用具有预定图案的光掩模,在预定的曝光条件下对在被蚀刻的被加工层上形成的抗蚀剂膜进行曝光而转印图案,通过对该抗蚀剂膜进行显影来形成抗蚀剂图案。然后,以该抗蚀剂图案作为掩模对被加工层进行蚀刻。
光掩模中有多级灰度光掩模,其具有遮住曝光光的遮光区域、透过曝光光的透光区域和透过部分曝光光的半透光区域。使用这样的含有遮光区域、半透光区域和透光区域的多级灰度光掩模将所期望的图案转印到作为被转印体的抗蚀剂膜(正型光致抗蚀剂)的情况下,透过多级灰度光掩模的透光区域和半透光区域照射曝光光。此时,透过半透光区域照射的光量比透过透光区域照射的光量少。因此,对经如此照射曝光光的抗蚀剂膜进行显影时,抗蚀剂膜的残膜值会根据照射的光量而不同。即,曝光光经多级灰度光掩模的半透光区域所照射的范围的抗蚀剂残膜值比对应遮光区域的抗蚀剂残膜值小。如此地,使用多级灰度光掩模进行曝光、显影时,能够形成具有至少3种厚度的抗蚀剂残膜值(包括零残膜值)的抗蚀剂图案。
如此使用含有抗蚀剂残膜值不同的区域的抗蚀剂膜,对形成有抗蚀剂膜的被处理体进行蚀刻的情况下,首先,对零残膜值的区域(露出被处理体的区域:对应多级灰度光掩模的透光区域的区域)进行蚀刻,其后,通过灰化减少抗蚀剂膜的厚度。由此,除去厚度相对较薄的抗蚀剂膜的区域(对应多级灰度光掩模的半透光区域的区域),露出该部分的被处理体。然后,对该露出的被处理体进行蚀刻。因此,实现具有2个以上的不同的抗蚀剂残膜值的抗蚀剂图案的多级灰度光掩模减少了所使用的光掩模的片数,由此提高了光刻工序的效率,因此是非常有用的。
使用这样的多级灰度光掩模进行图案化的例子有专利文献1(日本特开2000-111958号公报)公开的方法。该方法以使用4片光掩模的蚀刻工序制造以往通过使用5片或6片光掩模的蚀刻工序制造的薄膜晶体管。该方法中,记载了使用具有3种以上的透光率的光掩模的内容。
发明内容
使用多级灰度光掩模的被处理体的加工中,为了像上述那样在加工中以预定量减少抗蚀剂膜的厚度,精确控制抗蚀剂残膜值是重要的。抗蚀剂残膜值没有得到如此精确的控制时,加工工序变得非常复杂,导致生产效率下降。
本发明是鉴于此点提出的,其目的是提供一种多级灰度光掩模及其制造方法,以便在使用多级灰度光掩模的被处理体的加工中,能够精确控制抗蚀剂残膜值。
本发明的多级灰度光掩模具有转印图案,通过设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜和使所述曝光光部分透过的半透光膜,所述转印图案具有透光区域、遮光区域以及半透光区域,所述多级灰度光掩模的特征在于,所述转印图案中的半透光区域包括具有第1有效透光率的第1半透光部和具有与所述第1有效透光率不同的第2有效透光率的第2半透光部,所述转印图案的所述第1有效透光率和第2有效透光率被设定成:使用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。
本发明的多级灰度光掩模中,所述第1有效透光率和所述第2有效透光率优选使用所述第1半透光部和所述第2半透光部的线宽、形状以及半透光膜的膜透光率中的至少一个条件进行确定。这种情况下,优选所述第1半透光部和所述第2半透光部分别由膜透光率不同的半透光膜构成。另外,优选所述第1半透光部和所述第2半透光部的膜透光率通过各自的半透光膜的层积构成的不同而不同。另外,优选所述第1半透光部和所述第2半透光部的膜透光率通过各自的半透光膜的膜厚的不同而不同。
本发明的多级灰度光掩模中,优选所述第1半透光部具有单元图案重复排列的部分,所述第2半透光部具有不同于所述第1半透光部的单元图案重复排列的部分。例如,优选前者的部分对应液晶显示装置的像素图案,后者的部分对应液晶显示装置的周边电路图案。
本发明的多级灰度光掩模中,优选所述半透光区域是夹在邻接的2个以上的遮光膜间的区域。
本发明的多级灰度光掩模中,优选所述多级灰度光掩模的所述半透光区域由图像分辨极限以下的微细图案构成。
本发明的多级灰度光掩模的制造方法中,对设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜和使所述曝光光部分透过的半透光膜进行图案化,形成带有透光区域、遮光区域以及半透光区域的转印图案,所述制造方法的特征在于,在所述转印图案中形成具有第1有效透光率的第1半透光部和具有与所述第1有效透光率不同的第2有效透光率的第2半透光部,使得用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和对应所述第2半透光部的各部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。
本发明的多级灰度光掩模的制造方法中,优选使用所述第1半透光部和所述第2半透光部的线宽、形状以及半透光膜的膜透光率中的至少一个来确定所述第1有效透光率和所述第2有效透光率。这种情况下,优选使用膜透光率各不相同的半透光膜形成所述第1半透光部和所述第2半透光部。另外,优选使用层积构成各不相同的半透光膜形成膜透光率不同的所述第1半透光部和所述第2半透光部。另外,优选使用膜厚各不相同的半透光膜形成膜透光率不同的所述第1半透光部和所述第2半透光部。
本发明的多级灰度光掩模的制造方法中,所述多级灰度光掩模的所述半透光区域优选由图像分辨极限以下的微细图案构成。
本发明的图案转印方法的特征在于,使用上述多级灰度光掩模,将所述转印图案转印于设在被处理体上的抗蚀剂膜。
由于本发明的多级灰度光掩模是如下的多级灰度光掩模,因而在使用多级灰度光掩模的被处理体的加工中,能够精确控制抗蚀剂残膜值。本发明的多级灰度光掩模具有转印图案,由于设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜和使所述曝光光部分透过的半透光膜,所述转印图案具有透光区域、遮光区域以及半透光区域,所述转印图案中的半透光区域包括具有第1有效透光率的第1半透光部和具有不同于所述第1有效透光率的第2有效透光率的第2半透光部,所述转印图案的所述第1有效透光率和第2有效透光率被设定成:使用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。
附图说明
图1是说明光掩模中的半透光区域的光透过曲线的图。
图2是说明重现曝光机的曝光条件的装置的一例的图。
图3(a)是说明TFT图案的平面图,图3(b)是沿图3(a)中的IIIB-IIIB线的截面图。
图4是图1所示的光透过曲线的放大图。
图5是说明槽幅度和有效透光率之间的关系的图。
图6是说明曝光量和抗蚀剂残膜值之间的关系的图。
图7是说明有效曝光量和抗蚀剂残膜值之间的关系的图。
图8(a)~图8(d)是说明本发明的实施方式的多级灰度光掩模的膜构成的图。
图9(a)~图9(d)是说明本发明的实施方式的多级灰度光掩模的图案构成的图。
图10是说明液晶显示装置用TFT制造用转印图案的图。
图11(a)~图11(e)是说明形成图10所示的图案时的工序的图。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明人注意到,为了在被转印体上得到所期望的抗蚀剂残膜值,仅对用于多级灰度掩模的半透光部的半透光膜的膜透光率进行控制是不够的,并且发现,要在被转印体上得到所期望的抗蚀剂残膜值的部分时,决定该抗蚀剂残膜值的不仅是作为用于掩模的半透光膜的膜的曝光光透光率,还必须考虑由形成在掩模上的图案的形状、曝光所用的光源的光学特性等所产生的光的衍射现象。因此,本发明人率先提出了规定透过掩模的有效的光透光率(有效透光率)TA代替半透光膜的膜透光率Tf并对该有效透光率进行控制的方案。
本发明人研究了能够通过进行更精确的控制来制作优异的光掩模的方法,其对掩模用户来说容易加工。下面进行说明。
如上所述,以往,使用多级灰度光掩模进行被处理体的加工时,基于在被处理体上的抗蚀剂膜形成带有所期望的残膜值的抗蚀剂残膜的目的,所使用的光掩模所具有的半透光区域具有特定的曝光光透光率。例如考虑具有透光区域、遮光区域之外还具有半透光区域的3灰度光掩模。此时,优选被处理体上由半透光区域形成的抗蚀剂残膜值在面内是均匀的。在面内的某个位置该抗蚀剂残膜值不在规定的允许范围内时,至少使用该抗蚀剂残膜作为光掩模进行蚀刻加工时是不合适的。因此,优选对形成在光掩模上的转印图案中的半透光区域的有效透光率TA进行管理,使得在全部的半透光区域中得到实效相等的曝光光透光率。此外,该有效透光率TA可以看做实际采用的曝光条件下该光掩模的例如半透光区域透过曝光光的透光率。实际上可以将如图1所示那样的半透光区域的光透过曲线的峰值作为有效透光率。
另外,还发现了下述的现象:使用这样的多级灰度光掩模对作为被转印体的抗蚀剂膜进行曝光,在被处理体上形成抗蚀剂图案时,对应上述半透光区域的区域的抗蚀剂残膜值不一定是定值。
例如,光掩模是液晶显示装置制造用光掩模时,有时转印图案上同时存在对应像素的像素图案和对应转印图案的外周附近的电路的周边电路用图案。这种情况下,像素图案和周边电路用图案均含有半透光区域。即使预先将光掩模设计成各自的有效透光率相同,使用该光掩模对被处理体上的抗蚀剂膜进行曝光时,有时在像素图案中的半透光区域和在周边电路图案中的半透光区域各自对应的抗蚀剂残膜值也是不同的。
像素图案和周边电路图案的图案形状互不相同,对应半透光区域的部分的线宽(CD(临界尺寸,Critical Dimension))、包括周边图案在内的透光区域/遮光区域/半透光区域的面积比等也互不相同。所以,即使使光掩模的有效透光率一定,由于光掩模以外的因素,对应半透光区域的抗蚀剂残膜值还是会受到影响。另一方面,还发现了这样的光掩模以外的因素具有某种规则性、重现性,另外,作为其他因素,还可以考虑例如曝光机的个体差所引起的曝光量存在面内分布的可能性。
对于掩模用户来说,从被转印体的加工的方便性方面考虑,最希望的是残膜值是所期望的数值,并且残膜值的偏差小。即,为了得到预定的抗蚀剂残膜值(RT),在反映实际曝光条件、显影条件等抗蚀剂加工工艺的基础上,设计适当的光掩模即可。所以,对应光掩模的某个半透光区域的TA不必一定是定值,为了使RT一定,控制TA即可。基于该观点,不必一定将导致RT不均匀的原因分开研究,为了得到结果优异的抗蚀剂图案,只需进行光掩模的设计即可。
此外,此处是以具有透光区域、遮光区域、半透光区域的3灰度光掩模为例进行说明的,而除了透光区域、遮光区域之外还具有2个以上具有不同有效透光率的半透光区域的4灰度以上的光掩模在具有预定的有效透光率的半透光区域中也会产生相同的问题。因此,需要同样地解决问题。
即,本发明的多级灰度光掩模的特征在于,转印图案中的半透光区域具有使抗蚀剂残膜值RT一定的第1半透光部和第2半透光部,所述第1半透光部具有第1有效透光率,所述第2半透光部具有不同于所述第1有效透光率的第2有效透光率,且与所述第1半透光部的形状不同,转印图案的所述第1有效透光率和第2有效透光率被设计成:使用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分形成实质相同的抗蚀剂残膜值。
根据这样的构成,使用多级灰度光掩模的被处理体的加工中,能够精确地控制抗蚀剂残膜值,由此能够提高液晶显示装置等制造工序的生产率和成品率。
本发明中的多级灰度光掩模是指包括遮光区域、透光区域、半透光区域的3灰度以上的光掩模。即,该多级灰度光掩模中,除了遮光区域、透光区域之外还具有半透光区域,因此在被处理体上形成的抗蚀剂图案上形成了具有2种以上膜厚的区域。遮光区域实质地遮住曝光光,透光区域能使透明基板这样的透明区域露出。半透光区域是透光率比透光区域小的部分,是在被处理体上形成所期望的抗蚀剂残膜的区域,该半透光区域例如可以通过在透明基板上进行具有预定的膜透光率的半透光膜的成膜来形成。以透光区域的透光率为100%时,半透光膜的膜透光率为10%~70%,更有用的是20%~60%。此外,还可以在透明基板上形成的遮光膜上形成曝光机的图像分辨极限以下的线宽的图案,由此形成半透光区域。另外,本发明同样可以用于所具有的抗蚀剂图案具有3个以上的抗蚀剂残膜值的4灰度以上的光掩模。
膜透光率Tf是指在透明基板上形成半透光膜而形成半透光区域时,相对曝光条件的图像分辨极限足够大的面积的该半透光区域的透光率。另一方面,实际透光率受图案的线宽等的影响,所以,实际的图案中的半透光区域的曝光光透光率通过有效透光率TA来定义是有用的。
有效透光率是考虑了膜固有的透光率和光学条件、图案设计的指标,所以其是正确反映残膜值的状况的指标,适合作为用作残膜值管理的指标。此外,可以以透光区域的曝光光透光率为100%时,采用透过半透光区域的光强度分布中具有最大值的部分的透光率作为有效透光率。这是因为,例如使用该光掩模,在被转印体上形成正相抗蚀剂的抗蚀剂图案时,其与在半透光区域产生的抗蚀剂残膜值的最小值相关。对于这样的范围管理,例如薄膜晶体管的槽区域的宽为5μm以下时是特别有效的。
如上所述,作为用于测定有效透光率的装置,可以举出例如图2所示的装置。该装置主要由光源1、将来自光源1的光向光掩模3照射的照射光学系2、将透过光掩模3的光成像的物镜系4、拍摄经过物镜系4得到的像的拍摄单元5构成。
光源1用来发射预定波长的光束,例如可以使用卤素灯、金属卤化物灯、UHP灯(超高压水银灯)等。
照射光学系2引导来自光源1的光,将光向光掩模3照射。该照射光学系2具有光阑机构(孔径光阑7),以使数值孔径(NA)可变。该照射光学系2优选具有用于调整光掩模3处的光的照射范围的视野光阑6。经过该照射光学系2的光被照射到用掩模保持具3a保持的光掩模3。该照射光学系2设置在框体13内。
光掩模3用掩模保持具3a来保持。该掩模保持具3a将光掩模3保持在其主平面大致铅直的状态,支撑该光掩模3的下端部和侧边部附近,倾斜固定该光掩模3。对于光掩模3,该掩模保持具3a能够保持大型(例如主平面为1220mm×1400mm、厚13mm的大型光掩模)以及各种尺寸的光掩模3。此外,大致铅直表示图2中θ所示的偏离铅直的角度约10度以内。照射到光掩模3的光透过该光掩模3,入射到物镜系4。
物镜系4例如由第1组(模拟透镜)4a和第2组(成像透镜)4b构成,其中,透过光掩模3的光入射到所述第1组,对该光束进行无限远校正,使其成为平行光,所述第2组使经过该第1组的光束成像。模拟透镜4a具有光阑机构(孔径光阑7),数值孔径(NA)可变。经过物镜系4的光束由拍摄单元5接受。该物镜系4被设置在框体13内。
该拍摄单元5拍摄光掩模3的像。作为该拍摄单元5,可以使用例如CCD等拍摄元件。
该装置中,照射光学系2的数值孔径和物镜系4的数值孔径均是可变的,所以可以改变照射光学系2的数值孔径相对于物镜系4的数值孔径之比(即,Sigma值(σ:相干性))。通过适当选择上述条件,能够重现或近似曝光时的光学条件。
另外,该装置中设置有演算单元11、控制单元14和移动操作单元15,所述演算单元11对由拍摄单元5得到的拍摄图像进行图像处理、演算、与预定的阈值比较和显示等,所述控制单元14具有显示单元12,所述移动操作单元15改变框体13的位置。因此,使用得到的拍摄图像或者基于此得到的光强度分布,通过控制单元进行预定的演算,能够求出在使用其他曝光光的条件下拍摄的图像、或者光强度分布、透光率。
具有这样的构成的图2所示的装置的NA和σ值是可变的,光源的线源也是可变的,所以,能够重现各种的曝光机的曝光条件。
另外,对于有效透光率TA,此处,以半透光区域的光强度分布曲线的最大值(其相当于抗蚀剂残膜的底(ボトム))处的透光率作为有效透光率TA。即,对于夹在相邻的遮光膜间的半透光区域,透过光的光强度分布曲线是吊钟型的曲线,将对应其峰的透光率作为有效透光率TA。该有效透光率取决于实际的曝光条件(光学参数、照射光的分光特性)和现实的光掩模图案。但是,为了简单化,可以根据模型条件代替曝光条件。该条件可以采用例如使用数值孔径为0.08、相干性为0.8的光学系,使用g线、h线、i线各自的强度为1∶1∶1的照射光的曝光条件。
本发明的多级灰度光掩模具有转印图案,通过设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜、使所述曝光光部分透过的半透光膜,所述转印图案构成了透光区域、遮光区域以及半透光区域。
作为透明基板,可以举出玻璃基板等。另外,作为遮住曝光光的遮光膜,可以举出铬膜等金属膜、硅膜、金属氧化膜、硅化钼膜等金属硅化物膜等。另外,该遮光膜优选在表面具有防反射膜,作为该防反射膜的材料,可以举出铬的氧化物、氮化物、碳化物、氟化物等。作为使曝光光部分透过的半透光膜,可以使用铬的氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、氧氮碳化物、或者、金属硅化物等。特别优选氧化铬膜、氮化铬膜、硅化钼膜等金属硅化物膜、其氧化物、氮化物、氮氧化合物、碳化物等。
本发明的多级灰度光掩模中,优选第1有效透光率和第2有效透光率被设定成使用所述光掩模对被处理体上的抗蚀剂膜进行曝光、显影时具有实质相同的抗蚀剂残膜值。此处,实质相同的抗蚀剂残膜值是指以抗蚀剂图案为掩模对被处理体(例如薄膜)进行蚀刻时,在一定的条件下,加工条件能够在整个面内决定的程度。例如,由光掩模的夹在相邻的遮光区域间的半透光区域形成预定的抗蚀剂残膜的情况下,抗蚀剂膜上形成了与该半透光区域的光透过曲线(图1中的四边内的形状)相关的抗蚀剂图案,比如图1中的四边内的形状上下反转那样的抗蚀剂图案。例如,光透过曲线中的峰部分(即抗蚀剂残膜中的底部分)的膜厚为20nm以内,更优选为10nm以内时,可以认为是实质相同的抗蚀剂残膜值。
本发明的多级灰度光掩模中,转印图案中的半透光区域具有使抗蚀剂残膜值RT一定的第1半透光部和第2半透光部,所述第1半透光部具有第1有效透光率,所述第2半透光部具有不同于所述第1有效透光率的第2有效透光率,且其形状(例如图案)与所述第1半透光部不同。下面对这种情况的第1半透光部和第2半透光部进行说明。
实际的光掩模(例如液晶显示装置用薄膜晶体管制造用掩模)中排列着对应像素的重复图案。大多情况下,在各个单元图案形成了图3(a)所示的TFT图案。下面使用图3(a)所示设计的图案,对考虑了有效透光率TA的掩模设计进行说明。图3(a)中的Ab对应TFT的源极/漏极区域,图3(a)中的Aa对应槽区域。转印图案中含有这样的图案的3灰度光掩模中,如图3(b)所示,Aa区域由遮光膜23构成,Ab区域由半透光膜22构成。此外,图中的附图标记21表示透明基板。
但是,实际的TFT制造用光掩模中,存在排列了多个图3(a)那样的单元图案的像素图案区域的同时,在该像素图案区域的外周常设置有排列了多个与图3(a)相同形状的单元图案、或者不同的形状的单元图案的周边电路图案区域。即,该图案包括对应液晶显示装置的像素图案(具有单元图案重复排列的部分)的图案和与该图案不同的对应液晶显示装置的周边电路图案(具有单元图案重复排列的部分)的图案。该2个区域中,多数情况下,图案的排列密度不同,图案的尺寸也不同,并且,根据图案的配置,遮光区域、透光区域、半透光区域的面积比也常不同。另外,像素内有时存在不同的2个以上的槽图案或在外周部等存在不同的周边电路图案。这种情况下,2个以上的槽图案之间或2个以上的周边电路图案的尺寸、形状、排列密度等有时是不同的。
使用曝光机的实际曝光条件下对图3(a)所示的掩模图案进行曝光时,在被转印体上产生的转印像对应沿图3(a)的IIIB-IIIB线的部分的光强度分布如图1所示。此处,曝光条件如下。
曝光机的NA(数值孔径):0.085
σ(相干性):0.9
曝光波长:i线~g线
强度比:g/h/i=1.0/0.8/0.95
另外,在透明基板上进行MoSi膜的成膜而形成半透光区域,并且其的组成和膜厚按该半透光区域的透光率在g线上是44%进行调整。此外,该半透光区域的透过光和透明基板中的透光区域的透过光之间的位相差小于30度。所述半透光区域的透过光和所述透明基板中的透光区域的透过光之间的位相差小于30度时,在所述被转印体上实现了用于形成合适的抗蚀剂图案的光强度分布。另外,上述图案的槽幅度(也成槽长度)(半透光区域的宽)的标准尺寸设定在3.7μm。使该槽幅度以0.1μm单位增加、减少时的透光率曲线是图1所示的曲线。另外,图4是图1中的四边围起的部分的放大图。图1、图4中,纵轴是有效透光率TA
由图1、图4可知,通过改变半透光区域的宽,光强度分布曲线的极大值上下变化。即,利用该光掩模进行曝光,所形成的抗蚀剂图案的极小值(残膜形状的底)也发生变化。即使使用曝光透光率在g线上为44%这样相同的半透光膜,残膜值也随着图案形状(线宽)发生变化。光强度分布的极大值(峰)如下述表1所示。
[表1]
  槽幅度   3.2   3.3   3.4   3.5   3.6   3.7   3.8   3.9   4   4.1   4.2
  峰的透光率(有效透光率TA)   33.50%   34.30%   35.10%   35.90%   36.60%   37.20%   37.80%   38.40%   38.80%   39.30%   39.70%
上述光强度分布曲线也可以如下得到:使用实际使用的曝光机对实际制成的模型掩模进行曝光,在被转印体面设置拍摄单元进行拍摄,从而得到光强度分布曲线(硬件模拟)。或者,也可以指定光学条件,利用软件进行模拟(软件模拟)。
由上述结果观察到的槽幅度和有效透光率TA的相关性如图5所示。
在槽幅度3.0μm~4.4μm的范围,该曲线大致可以用下述的二项式(1)进行近似。
y=-0.0250x2+0.2471x-0.2003                      (1)
通过利用该式(1)来得到预定的有效透光率的情况下,如果使用上述的半透光膜,可以求出设定成什么样的槽幅度(半透光区域的线宽)较好。例如,要使有效透光率TA比现行设计(CD=3.7μm)低2%(即加厚残膜)的情况下,将有效透光率TA从37.2%改为35.2%即可。由此,根据图5和式(1),作为接近TA=35.2%的CD,将3.4μm作为欲加厚的残膜部分的设计值即可。相反,要使有效透光率TA比现行设计高2%(即减少残膜厚度)的情况下,使TA=39.2%即可,因而,同理可知,以CD=4.1μm为设计值即可。通过这样的考虑,与仅利用膜透光率Tf来规定多级灰度光掩模的透光率相比,用有效透光率TA进行规定时,考虑对得到的抗蚀剂残膜值的控制性时是非常有利的。作为调整有效透光率TA的单元,除了CD调整之外,还存在后述的其他的方法。
另外,如上述所言及的那样,实际的光掩模中存在不同的图案区域。图案区域即使不同,抗蚀剂残膜量是一定的这一点都是有利的。因此,采用上述得到的有效透光率与线宽之间的关系,在各图案区域中,使用有效透光率相同的图案线宽进行曝光。但是,不同的图案区域之间,所形成的抗蚀剂残膜值不会一定。研究表明,由于掩模以外的影响在被转印体上形成的抗蚀剂残膜值的因素有下述因素。
1)曝光机的光学特性以及照明的光学特性
2)曝光光照射量的面内不均
3)图案的差异引起的抗蚀剂加工特性(特别显影特性)的差异
其中,1)可以反映在有效透光率方面。但是,对于2)、3)来说,常在实际使用光掩模形成抗蚀剂图案后表现出来,所以以往没有将这些因素反映到掩模的设计中。例如,多数情况下,像素图案区域和周边电路图案区域的图案的排列密度不同,图案的尺寸也不同,并且,根据图案的配置,遮光区域、透光区域、半透光区域的面积比也常不同。因此,两区域中,对应上述的差异,显影行为、显影效率也不同,得到的抗蚀剂图案的残膜值也因该影响而不同。
假设,图3(a)所示的图案分别被配置在光掩模的像素图案区域和周边电路图案区域(槽幅度即半透光区域的基准设计线宽3.7μm)。但是,两区域中,图案的排列密度不同,并且其导致遮光区域、透光区域、半透光区域的面积比也不同。此处,研究如何改良掩模设计以使在该条件下两区域的抗蚀剂残膜值为同等。即,需要考虑的是,对于两区域,各自带有什么样的有效透光率TA时能够使抗蚀剂残膜值RT一定(此处,抗蚀剂残膜值RT是半透光区域的抗蚀剂图案形状之中的极小值(底)的厚度)。
本发明人实际使用预定的曝光装置,在涂布有抗蚀剂膜的被处理体上用测试掩模进行曝光试验。对该抗蚀剂膜显影,测定形状时,得到了图6和表2所示的结果。此外,实验的目的是求出有效透光率TA和抗蚀剂残膜值RT之间的相关性,作为用于计算改变有效透光率TA时的抗蚀剂残膜值RT的方法,改变曝光机光量(以下也称放射线量),测定与此相伴的抗蚀剂残膜值RT的变化。由此可知,像素图案区域和周边电路图案区域之间的残膜行为明显不同。
[表2]
  放射线量mJ/cm2   平均残膜值RT(像素)nm   平均残膜值RT(周边)nm
  70   911.2   831.2
  74   834.2   739.1
  78   777.7   673.8
  82   696.9   606.5
  86   620.6   565.8
此处,抗蚀剂实际受到的曝光量DA是放射线量×有效透光率(TA),因此,将横轴转换为有效曝光量(DA)。其结果见图7和表3。此处,线宽为3.7μm,所以有效透光率TA为37.2%(参见表1)。
[表3]
  有效曝光量DAmJ/cm2   平均残膜值RT(像素)nm   平均残膜值RT(周边)nm
  26   911.2   831.2
  27.5   834.2   739.1
  29   777.7   673.8
  30.5   696.9   606.5
  32   620.6   565.8
如图7所示,像素图案区域以及周边电路图案区域中的抗蚀剂残膜值RT可以用下述的式(2)、式(3)近似。
像素图案区域y=-482.8x+21690.1       (2)
周边电路图案区域y=-445.8x+19769.2  (3)
使用该近似式,于表4给出相对于要得到的抗蚀剂残膜值的有效曝光量DA
[表4]                                             (mJ/cm2)
  目标残膜值nm   有效曝光量DA(像素)   有效曝光量DA(周边)   有效曝光量DA差(像素-周边)
  1000   24.21   21.91   2.3
  900   26.28   24.16   2.12
  800   28.36   26.4   1.96
  700   30.43   28.64   1.79
  600   32.5   30.89   1.61
  500   34.57   33.13   1.44
在此,将放射线量固定在80mJ/cm2时,如表5所示,得到了抗蚀剂残膜值RT和有效透光率TA的关系。即,即使要得到的抗蚀剂残膜值相同,上述的例中,像素图案区域的半透光区域和周边电路图案区域的半透光区域也必须进行有效透光率有2%左右的差的掩模设计。当然,该调整量根据要得到的抗蚀剂残膜值而变化,而且,根据图案的设计、图案的排列,该调整量也不同。但是,确定了某曝光条件、图案设计时,该现象的重现性好,所以上述方法的应用确实是有利的。即,考虑被处理体的加工工艺产生的负载效应等由图案及其配置的差异所引起的显影速度的变化、由曝光机引起的曝光光量的面内分布等,进行光掩模的设计,以便消除这些的影响,确实地在预定条件进行被处理体的蚀刻加工。
[表5]                                                                    (mJ/cm2)
  目标残膜值nm   有效曝光量DA(像素)(mJ/cm2)   TA(像素)   有效曝光量DA(周边)(mJ/cm2)   TA(周边)   TA(像素)-(周边)
  1000   24.21   30.27%   21.91   27.39%   2.88%
  900   26.28   32.86%   24.16   30.20%   2.66%
  800   28.36   35.44%   26.4   33.00%   2.44%
  700   30.43   38.03%   28.64   35.80%   2.23%
  600   32.5   40.62%   30.89   38.61%   2.01%
  500   34.57   43.21%   33.13   41.41%   1.80%
此外,本发明中的前提是,使用测试掩模的光刻处理和使用要得到的光掩模的光刻处理的曝光条件、处理条件相同。
根据上述的研究可知,可以调整有效透光率TA以得到所期望的抗蚀剂残膜值。下面对如何制作带有该有效透光率TA的掩模图案进行说明。例如,因为要使分别对应像素图案区域和周边电路图案区域的第1半透光部和第2半透光部具有相同的抗蚀剂残膜值,因此,使有效透光率TA不同。
要使第1半透光部和第2半透光部的有效透光率TA不同的情况下,可以使用第1半透光部和第2半透光部的线宽、图案形状以及半透光膜的膜透光率的至少一个来确定。第1半透光部和第2半透光部的有效透光率TA之差按照对抗蚀剂膜进行曝光/显影时的残膜轮廓中的底部分相同(即第1半透光部和第2半透光部的残膜值相同)来设计。
首先,如图8(a)、图8(b)所示,第1半透光部和第2半透光部中,可以通过各自不同的半透光膜的层积构成来使膜透光率不同。例如,将其一制成层积构成,将另一个制成单层。图8(a)所示的构成中,第1半透光部B(暗的半透光区域)使用第1半透光膜84和第2半透光膜35,第2半透光部C(亮的半透光区域)使用第2半透光膜35。作为第2半透光膜35的材料,可以举出以硅化钼(MoSi)为主成分的MoSi(MoSi2)、MoSiN、MoSiON、MoSiCON等或者以铬为主成分的氮化铬、氧化铬、氧氮化铬、氟化铬等。
图8(b)所示的构成中,第1半透光部B(暗的半透光区域)使用第1半透光膜34和第2半透光膜35,第2半透光部C(亮的半透光区域)使用第2半透光膜35。作为第2半透光膜35的材料,可以举出以硅化钼(MoSi)为主成分的MoSi(MoSi2)、MoSiN、MoSiON、MoSiCON等。另外,作为第1半透光膜34的材料,优选氮化铬、氧化铬、氧氮化铬、氟化铬等。
图8(a)、图8(b)所示的构成中,作为第1半透光膜34的材料,可以使用从与上述第2半透光膜35相同的材料中选出的材料。第1半透光部B的透光率根据第1半透光膜34和第2半透光膜35各自的膜材质和膜厚的选定来设定,第2半透光部C的透光率根据第1半透光膜34的膜材质和膜厚的选定来设定。此外,图8(a)~图8(d)中,附图标记31表示透明基板,附图标记32表示遮光膜,附图标记33表示防反射膜。
其次,如图8(c)所示,可以用膜透光率各自不同的半透光膜构成第1半透光部B和第2半透光部C。图8(c)所示的构成中,第1半透光部B(暗的半透光区域)使用第1半透光膜34,第2半透光部C(亮的半透光区域)使用第2半透光膜35,各个半透光区域由单层构成。作为第1半透光膜34的材料,例如可以举出以硅化钼(MoSi)为主成分的MoSi(MoSi2)、MoSiN、MoSiON、MoSiCON等。另外,作为第2半透光膜35的材料,优选氮化铬、氧化铬、氧氮化铬、氟化铬等。
再次,如图8(d)所示,第1半透光部B和第2半透光部C中,可以利用各半透光膜的膜厚的不同来使膜透光率不同。图8(d)所示的构成中,第1半透光部B和第2半透光部C上形成半透光膜34,使第1半透光部B的半透光膜34的厚度厚,使第2半透光部C的半透光膜34的厚度薄。对于这样的构成,例如可以通过使用光致抗蚀层的二次光刻处理,利用试剂对半透光膜进行部分蚀刻,形成膜厚的不同的部分。此外,作为半透光膜,可以使用铬的氧化物、氮化物、碳化物、氧化氮化物、氧化氮化碳化物、或者金属硅化物等。特别优选硅化钼(MoSix)膜等金属硅化物膜等。
如图9(a)~图9(d)所示,第1半透光部和第2半透光部中,可以通过各自不同的线宽(CD)来使有效透光率TA不同。图9(a)所示的构成中,通过使遮光膜32和防反射膜33的图案的线宽不同(线宽小:Wc、线宽大:Wd)来使半透光区域的有效透光率TA不同。另外,图9(b)所示的构成中,通过改变半透光膜34的图案(单层膜:Pc、图像分辨极限以下的图案:Pd)来使半透光区域的有效透光率TA不同。
另外,如图9(c)、图9(d)所示,还可以不使用半透光膜34,利用遮光膜32(和防反射膜33)来形成有效透光率TA各不相同的第1半透光部c和第2半透光部d。这种情况下,如图9(c)所示,可以将所有的图案都做成图像分辨极限以下的微细图案(例如微细的线、点),也可以如图9(d)所示,同时存在图像分辨极限以下的微细图案和能图像分辨的线宽的图案。
所以,能够通过上述的方法掌握抗蚀剂残膜值的变化,基于该结果,进行具有第1半透光部和第2半透光部(两者最终的有效透光率TA不同)的掩模设计。
制造这样的多级灰度光掩模(对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影所形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分形成了实质相同的抗蚀剂残膜值的多级灰度光掩模)的情况下,可以使用形成了具有半透光区域的测试转印图案的测试掩模,对设置在测试用被处理体上的抗蚀剂膜进行曝光、显影,对所形成的测试抗蚀剂图案的抗蚀剂残膜值进行测定,从而基于半透光区域的有效透光率和残膜值之间的相关性,形成具有第1半透光部(具有第1有效透光率)和第2半透光部(具有与第1有效透光率不同的第2有效透光率)的转印图案。
即,使用具有测试转印图案(具有半透光部)的测试掩模,在测试用被转印体上进行曝光,将所述测试图案转印到所述测试用被转印体上的抗蚀剂膜上后,测定显影所形成的测试抗蚀剂图案的抗蚀剂残膜值,由此掌握半透光部的线宽、半透光部的形状以及半透光部使用的半透光膜的膜透光率中的至少任意一个与所形成的抗蚀剂残膜值的相关性,基于所述相关性,形成具有互不相同的第1有效透光率和第2有效透光率的第1半透光部和第2半透光部。如此,也可以使用另外获得的参数,形成具有互不相同的第1有效透光率和第2有效透光率的所述第1半透光部和第2半透光部。
或者,使用形成了测试转印图案(具有半透光部)的测试掩模,在测试用被转印体上进行曝光,将所述测试图案转印到所述测试用被转印体上的抗蚀剂膜上后,测定显影所形成的测试抗蚀剂图案的抗蚀剂残膜值,由此掌握带有半透光部的有效透光率和由此形成的抗蚀剂残膜值的相关性,基于所述相关性,形成具有互不相同的第1有效透光率和第2有效透光率的第1半透光部和第2半透光部。如此也可以通过有效透光率获得所述相关性。这种情况下,优选基于所述相关性,通过确定第1半透光部和第2半透光部的线宽、半透光部的图案形状以及半透光部使用的半透光膜的膜透光率中的至少任意一个,形成具有第1有效透光率和第2有效透光率的第1半透光部和第2半透光部。
基于这样的技术事项,掌握预定的曝光条件下的有效透光率或有效曝光量与由此在被转印体上形成的抗蚀剂图案的抗蚀剂残膜值的相关性,基于所述相关性,求出用于得到所期望的抗蚀剂残膜值的有效透光率或有效曝光量,确定用于提供所述有效透光率或有效曝光量的光掩模图案,由此能够设计出带有用于通过曝光在被转印体上的抗蚀剂膜上形成抗蚀剂残膜值得到控制的抗蚀剂图案的光掩模图案的光掩模。这种情况下,优选预先求出有效透光率或有效曝光量与光掩模图案的预定部分的线宽、膜透光率以及图案形状中的至少一个的相关性,进而求出用于得到所述所期望的抗蚀剂残膜值的有效透光率或有效曝光量后,确定用于提供所述有效透光率或有效曝光量的光掩模图案的预定部分的线宽、膜透光率以及图案形状的至少一个。
此处,测试掩模是为了对要得到的实际掩模进行精确设计的预备掩模。优选形成有以设计上的微调为前提的近似实际掩模的图案(测试转印图案)。将其在要对实际掩模应用的曝光条件下进行曝光。并且,对使用测试掩模在被处理体上形成的抗蚀剂图案进行测定的情况下,采用与使用实际掩模在被处理体上形成的抗蚀剂图案的处理工艺相同的工艺条件。
接着,对为了明确本发明的效果而进行的实施例进行说明。
首先,准备如图10所示的形成有液晶显示装置用TFT制造用转印图案42的多级灰度光掩模41。该图案在中央具有像素图案区域42a,在其外周具有周边电路图案区域42b。
该多级灰度光掩模41是通过图11(a)~图11(e)所示的工序制造的。首先,准备掩模半成品,其如图11(a)所示,在玻璃基板51上依次形成有半透光膜52和遮光膜53。在该掩模半成品上涂布激光描画用的正型抗蚀剂,进行烘焙,形成抗蚀剂膜54。需要说明的是,描画数据是对应图3(a)所示的源极/漏极的图案的图案数据。
此处,作为遮光膜53的材质,优选用薄膜能够获得高的遮光性的材质,例如可以举出Cr、Si、W、Al等。此处使用的是铬。另外,作为半透光膜52的材质,优选在以透光区域的透光率为100%时能够得到透光率为20%~70%左右的半透光性的材质,例如可以举出Cr化合物(Cr的氧化物、氮化物、氮氧化合物、氟化物等)、MoSi、Si、W、Al等。此处使用的是硅化钼。此外,半透光膜52的膜厚按膜透光率Tf在g线为44%来调整。
接下来,进行激光描画后,对其显影,如图11(b)所示,在掩模半成品上形成对应遮光区域的抗蚀剂图案54a。接下来,以形成的抗蚀剂图案54a作为掩模,对遮光膜53进行干蚀刻,如图11(c)所示,形成对应遮光区域的图案53a。此时,对应遮光区域的区域以外是基底的半透光膜52因遮光膜53的蚀刻而露出了的状态。残存的抗蚀剂图案54a利用基于氧的灰化或浓硫酸等除去。
接下来,再次全面涂布所述抗蚀剂,形成抗蚀剂膜54,进行第2次的描画。此时的描画数据是至少含有对应图3(a)所示的源极和漏极之间的槽部的半透光区域的图案数据。描画后,对抗蚀剂膜54进行显影,如图11(d)所示,形成至少对应半透光区域的抗蚀剂图案。需要说明的是,该转印图案中,像素图案和周边电路图案的槽幅度为3.7μm。
接下来,以所形成的抗蚀剂图案54为掩模,通过湿式蚀刻除去形成透光区域的区域的半透光膜52。由此,如图11(e)所示,半透光区域与透光区域分开,形成了半透光区域和透光区域。此处,遮光膜的图案53a上未形成抗蚀剂图案,但本实施方式中,所使用的掩模半成品的遮光膜53和半透光膜52是由蚀刻特性互不相同的材质形成的,在蚀刻半透光膜52的环境中,遮光膜53几乎不被蚀刻。此时,遮光膜的图案53a成为蚀刻掩模(抗蚀剂),被蚀刻的是半透光膜52。但是,为了确实地防止对遮光膜53的损害,也可以在包括遮光膜53的图案53a的区域形成上述抗蚀剂图案。此外,残存的抗蚀剂图案利用氧灰化等除去。
如此得到的多级灰度光掩模具有对应图3(a)所示的TFT基板用图案的源极和漏极的遮光膜的图案和对应槽部的半透光膜的图案,其周边有透明基板露出,形成了透光区域。
此外,进行图案设计,使得预先像素图案区域的半透光区域(第1图案部)和周边电路图案区域的半透光区域(第2图案部)的有效透光率相等(为37.2%)。使用上述的多级灰度光掩模,实际使用大型掩模用曝光机对涂布有抗蚀剂膜的被处理体进行曝光,其后对抗蚀剂膜显影,得到抗蚀剂图案。曝光条件与上述的解释说明中采用的相同:曝光机的NA(数值孔径)设为0.085、σ(相干性)设为0.9、曝光波长使用i~g线,其强度比设为g/h/i=1.0/0.8/0.95。另外,使用MoSi膜作为构成半透光区域的半透光膜,调整组成和膜厚,使得该膜的透光率在g线为44%。
对于像素图案区域和周边电路图案区域,分别测定相当于该抗蚀剂图案的槽部的部分的抗蚀剂残膜值,结果各平均值之间存在70nm以上的差。因此,考察改变曝光机的曝光光量时抗蚀剂残膜值变化并进行作图,得到了图6所示的相关性。其后,对其进行换算,得到了表5所示的有效透光率TA和抗蚀剂残膜值之间的相关性关系。使用得到的相关性关系,求出对应所期望的抗蚀剂残膜值(600nm)的像素图案和周边电路图案各自的有效透光率TA为40.6%(像素图案)、38.6%(周边电路图案)。
接下来,为了实现这样的有效透光率TA,进行像素图案和周边电路图案的设计调整。具体地说,就是改变各自的线宽(槽幅度)。由于表1中已经预先掌握了槽幅度与有效透光率TA之间的相关性,所以,基于此改变掩模的图案数据。即,使像素图案区域的槽部比周边电路图案区域的槽部大。
使用如此进行设计变更后的多级灰度光掩模,使用与上述相同的曝光机,对被处理体进行相同的显影工序,此时,像素图案区域、周边电路图案区域以及对应半透光区域的部分的抗蚀剂残膜值大致为600nm,其平均值的差小于20nm。
如此,本发明的多级灰度光掩模在转印图案的半透光区域具有第1半透光部(具有第1有效透光率)和第2半透光部(具有不同于所述第1有效透光率的第2有效透光率),所以在使用多级灰度光掩模的被处理体的加工中能够精确地控制抗蚀剂残膜值。
本发明并不限于上述实施方式,实施时可以适当变化。例如,上述实施方式中的材质、膜构成、图案构成、部件的个数、尺寸、处理过程等都是例子,在发挥本发明的效果的范围内,实施时可以进行各种变化。此外,在不脱离本发明的目的的范围的条件下,实施时可以进行适当的变化。

Claims (15)

1.一种多级灰度光掩模,其具有转印图案,通过设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜和使所述曝光光部分透过的半透光膜,所述转印图案具有透光区域、遮光区域以及半透光区域,
所述多级灰度光掩模的特征在于,以所述透光区域的曝光光透光率为100%,采用在曝光条件下透过所述半透光区域的光强度分布中具有最大值的部分的透光率作为有效透光率时,所述转印图案中的半透光区域包括具有第1有效透光率的第1半透光部和具有与所述第1有效透光率不同的第2有效透光率的第2半透光部,
所述转印图案的所述第1有效透光率和第2有效透光率被设定成:使用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和所述第2半透光部的部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。
2.如权利要求1所述的多级灰度光掩模,其特征在于,所述第1有效透光率和所述第2有效透光率是使用所述第1半透光部和所述第2半透光部的线宽、图案形状以及半透光膜的膜透光率中的至少一个确定的。
3.如权利要求2所述的多级灰度光掩模,其特征在于,所述第1半透光部和所述第2半透光部分别由膜透光率不同的半透光膜构成。
4.如权利要求2所述的多级灰度光掩模,其特征在于,通过各自的半透光膜的层积构成的不同,所述第1半透光部和所述第2半透光部的膜透光率不同。
5.如权利要求2所述的多级灰度光掩模,其特征在于,通过各自的半透光膜的膜厚的不同,所述第1半透光部和所述第2半透光部的膜透光率不同。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的多级灰度光掩模,其特征在于,所述第1半透光部具有单元图案重复排列的部分,所述第2半透光部具有不同于所述第1半透光部的单元图案重复排列的部分。
7.如权利要求1~5中任意一项所述的多级灰度光掩模,其特征在于,所述半透光区域被夹在2个遮光区域之间,并且与所述遮光区域邻接。
8.如权利要求1~5中任意一项所述的多级灰度光掩模,其特征在于,所述多级灰度光掩模的所述半透光区域由图像分辨极限以下的微细图案构成。
9.一种多级灰度光掩模的制造方法,其中,对设置在透明基板上的遮住曝光光的遮光膜和使所述曝光光部分透过的半透光膜进行图案化,形成带有透光区域、遮光区域以及半透光区域的转印图案,
所述制造方法的特征在于,以所述透光区域的曝光光透光率为100%,采用在曝光条件下透过所述半透光区域的光强度分布中具有最大值的部分的透光率作为有效透光率时,在所述转印图案中形成具有第1有效透光率的第1半透光部和具有与所述第1有效透光率不同的第2有效透光率的第2半透光部,使得用所述光掩模对被转印体上的抗蚀剂膜进行曝光而转印所述转印图案后,对所述抗蚀剂膜显影,由此形成的抗蚀剂图案上对应所述第1半透光部的部分和对应所述第2半透光部的部分具有实质相同的抗蚀剂残膜值。
10.如权利要求9所述的多级灰度光掩模的制造方法,其特征在于,使用所述第1半透光部和所述第2半透光部的线宽、图案形状以及半透光膜的膜透光率中的至少一个来确定所述第1有效透光率和所述第2有效透光率。
11.如权利要求10所述的多级灰度光掩模的制造方法,其特征在于,使用膜透光率各不相同的半透光膜形成所述第1半透光部和所述第2半透光部。
12.如权利要求10所述的多级灰度光掩模的制造方法,其特征在于,使用层积构成各不相同的半透光膜形成膜透光率不同的所述第1半透光部和所述第2半透光部。
13.如权利要求10所述的多级灰度光掩模的制造方法,其特征在于,使用膜厚各不相同的半透光膜形成膜透光率不同的所述第1半透光部和所述第2半透光部。
14.如权利要求9~13中任意一项所述的多级灰度光掩模的制造方法,其特征在于,所述多级灰度光掩模的所述半透光区域由图像分辨极限以下的微细图案构成。
15.一种图案转印方法,其特征在于,使用权利要求1~5中任意一项所述的多级灰度光掩模,将所述转印图案转印于设在被处理体上的抗蚀剂膜。
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