CN103969941A - 掩膜版及其制备方法和图形化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掩膜版及其制备方法和图形化方法，其中掩膜版包括：掩膜衬底；形成于所述掩膜衬底上的若干纳米凸起，所述若干纳米凸起之间具有间距；覆盖于所述若干纳米凸起表面的遮挡层。本发明的掩膜版的优点有：(1)遮挡层超薄，用原来厚度三分之一的遮挡层厚度就达到3级以上光学密度，减少了遮挡层中物料的使用量。(2)吸收率高，大部分反射光能陷于纳米凸起，有利于光刻线条形貌品质的提升。(3)工艺过程与传统掩膜兼容，制作成本低。(4)图形化去除遮挡层后露出的透光部分，纳米凸起具有减反增透作用，而且由于其超小结构，将不影响入射波面的传输，对接近式和投影式光刻均能适用。(5)具有大带宽和角度不敏感的吸波特性。

Description

掩膜版及其制备方法和图形化方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种掩膜版，及掩膜版的制备方法和图形化方法。

背景技术

近几十年来，人们已经开发出许多基于物理、化学乃至仿生学原理的微纳制造技术。然而，基于掩膜(Photomask)的光学曝光技术仍然是最主流、最经济和最可靠的微纳结构批量化制造技术。光掩膜技术在微纳加工领域，如半导体芯片及印刷电路板制造、封装、微光机电系统(Microelectronic systems,MEMS)、显示与照明、微光学元件和柔性印刷电子等行业都有着极为广泛的应用。例如，仅在平板显示行业，全球每年用于制造液晶面板和彩色滤光片的掩膜版产值就达到30亿元以上。

在半导体光刻工艺中，光源技术的进步和性能优异的光致抗蚀材料的出现为新型器件的研发提供了条件。掩膜版是光刻工艺中一种重要部件，掩膜其相当于照相的底片，最终的图形化微纳结构相当于冲洗后的照片。通过曝光的方式可把掩膜版上的图形拷贝转移，因此作为母版的掩膜版的质量在很大程度上决定了最终器件的品质。

传统的光刻掩模版结构为透明衬底(一般为玻璃或者熔融石英)、其上有遮挡层。未做图形化的掩膜版上还有一层光致抗蚀剂层。其中，遮挡层一般为溅射得到的金属铬(Chromium,Cr)平面膜层。为了满足i线(365nm波长)和g线(436nm波长)光刻的3级光学密度要求，它的层厚要达到100nm左右。然而，传统掩膜版存在固有缺点影响了线条质量。使用低光学密度(3级)的掩膜版，在光致抗蚀剂上得到线条会出现边缘严不齐整的现象。使用高光学密度(4级)的掩膜版能够改善，但是它的铬层厚度增加了20％以上。

如图1所示，对于对准曝光工艺，平面铬遮挡层掩膜版光学曝光时，透光部分中透明掩膜衬底4上下表面会有约10％左右的反射损失；光致抗蚀层2及基底1的反射光6被铬遮挡层3再次反射回光致抗蚀层2，导致曝光线条边缘质量下降和光刻分辨率下降；低光学密度遮光层3会有漏光。

因此，基于上述问题，降低平面铬遮挡层的表面反射率，将会改善光刻线条品质。目前，普遍采用的方法是，在铬表面再沉积一层几十纳米的三氧化二铬，反射率从50％减少至10％左右，但这又增加了遮挡层厚度。在深/极紫外波段应用的掩膜版，使用钽氮化硼薄膜或者多层钼硅膜系减反，为国际半导体发展路线图中45nm以下节点提供支持，但是它从材料和成本两方面都不适用于i线和g线的光刻掩膜。

因此，针对上述问题，有必要提出一种进一步的改进方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种掩膜版，及掩膜版的制备方法和图形化方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种掩膜版，其包括：

掩膜衬底；

形成于所述掩膜衬底上的若干纳米凸起，所述若干纳米凸起之间具有间距；

覆盖于所述若干纳米凸起表面的遮挡层。

作为本发明的进一步改进，所述掩膜衬底为硬质材料或柔性材料。

作为本发明的进一步改进，所述硬质材料为白冕玻璃、硼硅玻璃、或石英玻璃。

作为本发明的进一步改进，所述柔性材料为聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、或聚碳酸酯。

作为本发明的进一步改进，所述纳米凸起为纳米圆柱、纳米方柱、纳米锥、纳米半球、纳米椭球、纳米梯台中的一种或两种以上。

作为本发明的进一步改进，所述若干纳米凸起之间的间距的范围为50nm～300nm，若干纳米凸起中任一纳米凸起的高度范围为80nm～500nm，基底口径范围为50nm～300nm。

作为本发明的进一步改进，所述若干纳米凸起在所述掩膜衬底上的占空比大于60％。

作为本发明的进一步改进，所述遮挡层为铬、铝、或钨。

作为本发明的进一步改进，所述遮挡层的厚度范围为10nm～50nm。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种制备如上所述的掩膜版的方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1.提供掩膜衬底，对其进行清洗并吹干；

S2.在掩膜衬底上制备若干纳米凸起；

S3.在若干纳米凸起的部分表面上沉积遮挡层。

作为本发明的进一步改进，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过紫外干涉光刻法在光致抗蚀剂上形成若干纳米凸起。

作为本发明的进一步改进，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过自组装方法形成若干纳米粒子，以形成的若干纳米粒子为掩膜，通入反应气体，对掩膜衬底进行刻蚀，形成若干纳米凸起。

作为本发明的进一步改进，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆透明材料，利用模具对透明材料进行纳米压印；

S22.对压印后的透明材料进行紫外辐照、固化和脱模，获得与模具压印面结构相反的若干纳米凸起。

作为本发明的进一步改进，所述S3中，沉积遮挡层的方法包括：热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、或原子层沉积发。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种如上所述的掩膜版的图形化方法，所述图形化方法包括如下步骤：

S1.在掩膜版上涂覆一层光致刻蚀剂层；

S2.利用紫外激光直写方法在掩膜版的光致抗蚀剂层上形成所需要的图形区域；

S3.对光致抗蚀剂层上形成的图形区域进行曝光显影，暴露出与图形区域相对应的遮挡层；

S4.利用湿法或者干法刻蚀去除暴露出的遮挡层，形成透光区域；

S5.通过显影或者等离子体轰击法去除剩余的光致刻蚀剂层，获得图形化后的掩膜版。

与现有技术相比，本发明的掩膜版的优点有：

(1)遮挡层超薄，用原来厚度三分之一的遮挡层厚度就达到3级以上光学密度，减少了遮挡层中物料的使用量。

(2)吸收率高，大部分反射光能陷于纳米凸起，有利于光刻线条形貌品质的提升。

(3)工艺过程与传统掩膜兼容，制作成本低。

(4)图形化去除遮挡层后露出的透光部分，纳米凸起具有减反增透作用，而且由于其超小结构，将不影响入射波面的传输，对接近式和投影式光刻均能适用。

(5)具有大带宽和角度不敏感的吸波特性。因此，是一种性质非常理想的掩模版。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的掩膜版的一具体实施方式的平面示意图；

图2为本发明的掩膜版中若干纳米凸起以矩阵形式排布的平面示意图；

图3为本发明的掩膜版中若干纳米凸起以蜂窝形式排布的平面示意图；

图4为本发明的掩膜版中若干纳米凸起以随机形式排布的平面示意图；

图5为本发明的掩膜版图形化后的平面示意图；

图6为图5中遮光区域的侧视图；

图7为图5中透光区域的侧视图；

图8为利用本发明的图形化后的掩膜版进行光刻时的示意图；

图9为本发明的掩膜版使用时遮光区域的光学密度曲线、及透光区域的透过率曲线；

图10为本发明的掩膜版在曝光时的反射率和吸收率曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的掩膜版100包括：掩膜衬底10、若干纳米凸起20、以及遮挡层30。其中，若干纳米凸起形成于所述掩膜衬底上，所述若干纳米凸起之间具有间距，遮挡层覆盖于所述若干纳米凸起的表面。

上述掩膜衬底为硬质材料或柔性材料。硬质材料可以为白冕玻璃、硼硅玻璃、或石英玻璃。柔性材料可以为聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、或聚碳酸酯。

上述纳米凸起可以为纳米圆柱、纳米方柱、纳米锥、纳米半球、纳米椭球、纳米梯台中的一种或两种以上。若干纳米凸起之间的间距的范围为50nm～300nm，若干纳米凸起中任一纳米凸起的高度范围为80nm～500nm，基底口径范围为50nm～300nm。若干纳米凸起在掩膜衬底上的占空比大于60％。该处占空比是指若干纳米凸起所占面积，与所在的掩膜衬底的表面面积之比。

如图2～4所示，进一步地，若干纳米凸起在掩膜衬底上的排列可以是矩阵形式排列、蜂窝形式排列、或随机形式排列等。其中，以矩阵形式排列时，矩阵排列中占空比为78.5％；以蜂窝形式排列时，蜂窝排列中占空比为90.7％。以随机形式排列时，可进一步提高占空比，获得更好的使用效果。

上述遮挡层可以为铬、铝、或钨等。遮挡层的厚度范围为10nm～50nm。

如图5～7所示，对于已经进行了图形化处理的掩膜版具有遮光区域31和透光区域32，其中遮光区域31是通过遮光层来实现遮光的，遮光层对入射光具有吸收作用。具体地，遮光区域31处具有掩膜衬底、纳米凸起和覆盖于纳米凸起表面的遮光层；透光区域32具有掩膜衬底、和形成于其上的纳米凸起。

如图8所示，当利用图形化处理的掩膜版进行曝光时，可将掩膜版上承载的图形化信息转移到相应的芯片上。曝光时，采用接触式或者接近式曝光方式，曝光光源50照明，在透光区域90，透过的光波60与下面光致抗蚀剂层40作用，发生光化学反应。对于遮光区域80，则没有光波透过掩膜版，下面的光致抗蚀剂层40不会发生光化学反应。通过上述步骤实现了将图形从掩膜转移至光致抗蚀剂层40。透射光波60在光致抗蚀剂层40表面的反射光70，被纳米凸起20吸收，而不会如现有的掩膜版一样，形成反射，返回至光致抗蚀剂40，导致二次曝光。因此，本发明的掩膜版将能够改善光刻线条的质量和分辨率。

如图9所示，为本发明的掩膜版使用时遮光区域的光学密度曲线、及透光区域的透过率曲线，以对本发明的掩膜版的光学特性进行表征。

图9中，掩膜版的纳米凸起高300nm，各纳米凸起之间的间距为100nm，并呈蜂窝状排列。选取金属铬作为遮挡层，在曝光光源波长365nm时的光学密度达到3.3。此处，光学密度的定义为以10为底的透射能量与入射能量比值的对数再乘以10。传统掩模版要达到3以上的光学密度，其铬层厚度要在100nm以上。

在本发明的掩膜版的透光区域，铬层被去除，由于纳米结构的减反增透作用，它又具有很高的透射率，该透射率具体大于99％，从而能够充分利用入射光能量进行曝光。

如图10所示，为本发明的掩膜版在曝光时的反射率和吸收率曲线。

图10中，掩膜版的纳米凸起的结构与排布与图8中的相同。在曝光时，由于光致抗蚀剂层形成的反射光，掩膜版的纳米凸起对反射光具有超低的反射率(<0.6％)。进一步的计算表明反射光被纳米凸起吸收，在光刻i线(波长365nm)吸收率接近99％(如图中虚线所示)。如此，避免了反射光对光致抗蚀剂层的二次曝光，导致曝光品质和线条分辨率下降的弊端。

针对上述掩膜版，本发明还提供一种制备方法，该制备方法包括如下步骤：

S1.提供掩膜衬底，对其进行清洗并吹干；

S2.在掩膜衬底上制备若干纳米凸起；

S3.在若干纳米凸起的部分表面上沉积遮挡层。

其中，S2中制备纳米凸起时，可以采用刻蚀的方法或非刻蚀的方法。具体地，作为一种实施方式，S2包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过紫外干涉光刻法在光致抗蚀剂上形成若干纳米凸起。

作为另一种实施方式，S2包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过自组装方法形成若干纳米粒子，以形成的若干纳米粒子为掩膜，通入反应气体，对掩膜衬底进行刻蚀，形成若干纳米凸起。

本实施方式中，利用自组装发明形成的纳米粒子可以是银、镍等金属纳米粒子、二氧化硅、聚苯乙烯纳米球等。对掩膜衬底进行刻蚀时，以刻蚀石英材料为例，通入的反应气体可以是六氟化硫和三氟甲烷的混合气体、或者是四氟化碳和氢气的混合气体。

本实施方式以及上一实施方式中，均属于采用刻蚀的方法制备纳米凸起。这一类方法的好处是纳米凸起形成在掩膜衬底材料上，抵抗环境污染能力强。

作为一种非刻蚀的方法的实施方式，S2包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆透明材料，利用模具对透明材料进行纳米压印；

S22.对压印后的透明材料进行紫外辐照、固化和脱模，获得与模具压印面结构相反的若干纳米凸起。

本实施方式中，透明材料可以是可光固化的光阻剂，如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、全氟聚醚(perfluoropolyether,PFPE)，聚氨酯(polyurethane acrylate，PUA)。

本实施方式的非刻蚀的方法制备纳米凸起的好处是不需要刻蚀工艺，流程简单便捷。

进一步地，上述S3中，沉积遮挡层的方法包括：热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、或原子层沉积发。

针对上述掩膜版，本发明还提供一种图形化方法，通过图形化处理，可在掩膜版上形成需要转移的图形。该图形化方法具体包括如下步骤：

S1.在掩膜版上涂覆一层光致刻蚀剂层。

S2.利用紫外激光直写方法在掩膜版的光致抗蚀剂层上形成所需要的图形区域。其中，形成的图形的线宽在1um～数百微米之间。

S3.对光致抗蚀剂层上形成的图形区域进行曝光显影，暴露出与图形区域相对应的遮挡层。

S4.利用湿法或者干法刻蚀去除暴露出的遮挡层，形成透光区域。此时，被剩余光致抗蚀剂层覆盖的遮挡层，由于光致抗蚀剂层的保护不会被去除。从而，掩膜版上形成透光区域和遮光区域。

S5.通过显影或者等离子体轰击法去除剩余的光致刻蚀剂层，获得图形化后的掩膜版。

与现有技术相比，本发明的掩膜版的优点有：

(1)遮挡层超薄，用原来厚度三分之一的遮挡层厚度就达到3级以上光学密度，减少了遮挡层中物料的使用量。

(2)吸收率高，大部分反射光能陷于纳米凸起，有利于光刻线条形貌品质的提升。

(3)工艺过程与传统掩膜兼容，制作成本低。

(4)图形化去除遮挡层后露出的透光部分，纳米凸起具有减反增透作用，而且由于其超小结构，将不影响入射波面的传输，对接近式和投影式光刻均能适用。

(5)具有大带宽和角度不敏感的吸波特性。因此，是一种性质非常理想的掩模版。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (15)

1.一种掩膜版，其特征在于，所述掩膜版包括：

掩膜衬底；

形成于所述掩膜衬底上的若干纳米凸起，所述若干纳米凸起之间具有间距；

覆盖于所述若干纳米凸起表面的遮挡层。

2.根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述掩膜衬底为硬质材料或柔性材料。

3.根据权利要求2所述的掩膜版，其特征在于，所述硬质材料为白冕玻璃、硼硅玻璃、或石英玻璃。

4.根据权利要求2或3所述的掩膜版，其特征在于，所述柔性材料为聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、或聚碳酸酯。

5.根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述纳米凸起为纳米圆柱、纳米方柱、纳米锥、纳米半球、纳米椭球、纳米梯台中的一种或两种以上。

6.根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述若干纳米凸起之间的间距的范围为50nm～300nm，若干纳米凸起中任一纳米凸起的高度范围为80nm～500nm，基底口径范围为50nm～300nm。

7.根据权利要求1或6所述的掩膜版，其特征在于，所述若干纳米凸起在所述掩膜衬底上的占空比大于60％。

8.根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述遮挡层为铬、铝、或钨。

9.根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述遮挡层的厚度范围为10nm～50nm。

10.一种制备权利要求1～9任一项所述的掩膜版的方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S1.提供掩膜衬底，对其进行清洗并吹干；

S2.在掩膜衬底上制备若干纳米凸起；

S3.在若干纳米凸起的部分表面上沉积遮挡层。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过紫外干涉光刻法在光致抗蚀剂上形成若干纳米凸起。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆光致抗蚀剂；

S22.在涂覆的光致抗蚀剂上通过自组装方法形成若干纳米粒子，以形成的若干纳米粒子为掩膜，通入反应气体，对掩膜衬底进行刻蚀，形成若干纳米凸起。

13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21.在掩膜衬底上涂覆透明材料，利用模具对透明材料进行纳米压印；

S22.对压印后的透明材料进行紫外辐照、固化和脱模，获得与模具压印面结构相反的若干纳米凸起。

14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述S3中，沉积遮挡层的方法包括：热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、或原子层沉积发。

15.一种根据权利要求1～9任一项所述的掩膜版的图形化方法，其特征在于，所述图形化方法包括如下步骤：

S1.在掩膜版上涂覆一层光致刻蚀剂层；

S2.利用紫外激光直写方法在掩膜版的光致抗蚀剂层上形成所需要的图形区域；

S3.对光致抗蚀剂层上形成的图形区域进行曝光显影，暴露出与图形区域相对应的遮挡层；

S4.利用湿法或者干法刻蚀去除暴露出的遮挡层，形成透光区域；

S5.通过显影或者等离子体轰击法去除剩余的光致刻蚀剂层，获得图形化后的掩膜版。