TW201629619A - 多灰階幅度光罩 - Google Patents
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Abstract
一種製造多灰階幅度光罩的方法包含提供遮罩基板。該方法包含在該遮罩基板的表面上的至少一層材料中提供步階圖案。該步階圖案包含至少兩步階及至少三級。當光源照射在該步階圖案上時，每一級步階圖案提供不同的光強度。
Description
本案主張申請於2015年1月5日的美國臨時申請案62/100,062”多灰階幅度光罩”的優先權，在此併入作為參考。
本專利案大致有關於提供多灰階光罩的方式。明確地說，其有關於製造具有多層級光學密度的光罩的方案。更明確地說，其有關於製造光罩的方案，光罩在工件上提供具有幾個不同高度光阻的圖案。
多層結構已經以多遮罩步驟被形成在基板上。各個遮罩級已經被對準前一遮罩級，引入對準誤差。因此，各個晶圓可能與其他晶圓有略微不同的對準。因此，形成在不同晶圓上的產品將具有不同的失準並將彼此不同。另外，各個遮罩步驟需要相當大量的時間，多遮罩步驟有需要多倍的此處理時間，用以製造該等產品。另外，
各個遮罩與各個遮罩步驟有相當大費用。申請人認知有需要較現行為佳的方案，因此，此等解決方案係為以下說明所提供。
本專利申請案的一態樣為製造多灰階幅度光罩的方法。該方法包含提供遮罩基板。該方法也包含在該遮罩基板的表面上的至少一材料層中，提供一步階圖案。該步階圖案包含至少兩步階及至少三級。當光源以光照射在該步階圖案時，每一級步階圖案提供不同的光強度。
20a‧‧‧頂層
20b‧‧‧底層
24‧‧‧遮罩基板
26‧‧‧第一層阻劑
28‧‧‧第一開口
30‧‧‧頂層開口
36‧‧‧第二層阻劑
38‧‧‧第二開口
40‧‧‧底層開口
42‧‧‧區域
44‧‧‧區域
46‧‧‧區域
48‧‧‧圖案
60‧‧‧工件
61‧‧‧光阻
62‧‧‧光阻區
64‧‧‧光阻區
66‧‧‧光阻區
68‧‧‧圖案
70a‧‧‧頂層
70b‧‧‧中間層
70c‧‧‧底層
74‧‧‧遮罩基板
76‧‧‧第一層阻劑
78‧‧‧第一開口
80‧‧‧頂層開口
86‧‧‧第二層阻劑
96‧‧‧第三層阻劑
102‧‧‧區域
104‧‧‧區域
106‧‧‧區域
108‧‧‧區域
110‧‧‧步階圖案
120‧‧‧3層多灰階幅度光罩
130‧‧‧工件
131‧‧‧工件光阻
142‧‧‧高度
144‧‧‧高度
146‧‧‧高度
148‧‧‧高度
120’‧‧‧5層多灰階幅度光罩
70a’‧‧‧頂金屬層
70b’-70e’‧‧‧後續層
154‧‧‧繞射透鏡
155‧‧‧繞射光柵
156‧‧‧光阻
157‧‧‧每一步階
158‧‧‧工件
160a‧‧‧頂層
160b‧‧‧底層
163‧‧‧蝕刻停止層
164‧‧‧基板
166‧‧‧第一層阻劑
168‧‧‧第一開口
170‧‧‧頂層開口
176‧‧‧第二層阻劑
178‧‧‧第二開口
180‧‧‧開口
190‧‧‧多灰階幅度光罩
192‧‧‧區域
194‧‧‧區域
196‧‧‧區域
198‧‧‧階梯圖案
220‧‧‧工件
222‧‧‧電鍍種層
224‧‧‧全面光阻層
226‧‧‧4步階光阻階梯結構
228‧‧‧空腔
230‧‧‧微噴嘴
250‧‧‧工件
254‧‧‧全面光阻層
254’‧‧‧3步階圓錐結構
254”‧‧‧光阻
256‧‧‧微透鏡
如附圖所示，由以下的詳細說明可以看出前述者，圖式中：圖1a-1f為剖面圖，顯示用以製造本專利申請案的具有2層材料及3級的多灰階幅度光罩的製程的一實施例；圖2a為圖表，分別顯示用於各種厚度的鎳與鉻的透明度對波長；圖2b為圖表，顯示顯影光阻深度對曝光能量；圖3a-3b為使用圖1f的多灰階幅度光罩以曝光及顯影於工件上的光阻以提供三維圖案的製程的剖面圖，該三維圖案例如光阻中具有三層的階梯、步階角錐或步階
圓錐圖案；圖4a-4e為顯示一製程實施例的剖面圖，以用來製造本專利申請案的具有3層材料及四級的多灰階幅度光罩；圖5a-5b為顯示使用圖4e的多灰階幅度光罩，以曝光及顯示於工件上的光阻以提供三維圖案的製程的剖面圖，該三維圖案例如光阻中具有四級的階梯、步驟角錐或步階圓錐圖案；圖6a為多灰階幅度光罩的三維圖，具有以步階圓錐圖案表示的本專利申請案製程所形成的6級，及使用此光罩，以步階圓錐圖案表示形成在基板上的光阻中的6級；圖6b為多灰階幅度光罩的三維圖，具有以繞射透鏡圖案表示的本專利申請案製程所形成的4級，及使用此光罩以繞射透鏡圖案表示的在基板上的光阻中形成的4級；圖6c為多灰階幅度光罩的三維圖，具有以繞射光柵圖案表示的本專利申請案製程所形成的7級，及使用此光罩以繞射光柵圖案表示的在基板上的光阻中形成的7級；圖7a-7g顯示用以製造本專利申請案的多灰階幅度光罩的製程實施例的剖面圖，其中頂及底層係為相同材料，其間有蝕刻停止層；圖8a-8d顯示使用本專利申請案的多灰階幅度
光罩以製造一陣列氣溶膠噴嘴的剖面圖；及圖9a-9d顯示使用本專利申請案的多灰階幅度光罩以製造一陣列微透鏡的剖面圖。
本案申請人建立方法，用以製造及使用多灰階幅度光罩。多灰階幅度光罩具有多級的光密度。在使用遮罩曝光之後，在工件上顯影光阻造成具有三維結構的圖案化光阻，該三維結構為在工件上，具有幾個不同高度的光阻的圖案。
在一實施例中，為了製造一多灰階幅度光罩，一遮罩基板被提供，及在該遮罩基板的表面上的至少一層材料中，提供步階圖案。該步階圖案包含至少兩步階及至少三級。當光源以光照射在該步階圖案時，當在該遮罩量測時，每一級步階圖案提供不同級的光強度。
在一實施例中，在該多灰階幅度光罩上的不同層級的光密度係藉由提供多層光衰減材料而產生。每一層係被個別地圖案化。取決於該材料特徵與厚度，每一層具有一衰減或光學密度。具有兩層光衰減材料的光罩將產生曝光用入射光的3層級衰減：無衰減，其中兩層均被蝕刻；衰減該底層的光密度，在該頂層已經被蝕刻的區域；及衰減該兩層組合的光密度，因為兩層均未被蝕刻。
更多層的光衰減材料可以提供及在基板上提供更多層的光衰減材料將允許更多層級衰減，以及，在工件
上的更多不同高度的曝光與顯影光阻。
在一實施例中，包含至少一層的部份透明材料的兩層結構係被全面沈積在透明基板上，以開始製造如圖1a所示之2層多灰階幅度光罩。在此實施例中，底層20b為與頂層20a不同的材料並具有不同蝕刻化學性質，使得當頂層20a被蝕刻，而底層20b未被蝕刻。在一實施例中，頂層20a為鎳及底層20b為鉻。遮罩基板24為透明材料，例如玻璃、石英或熔融矽石。雖然對反射遮罩係以部份透明的用語加以描述，但可以了解的是，用以製造透射與用以製造反射遮罩的製程係相同，及在反射遮罩中，至少一層係為部份反射材料。
透過層20a與20b而到達工件上的光阻之光劑量係取決於層20a及20b的厚度。在一實施例中，底層20b係約5nm厚，以提供比在只有單獨底層放在遮罩基板24上時，穿透底層20b的施加UV劑量的約一半。取決於頂層20a的厚度，穿透過具有頂層20a及底層20b的區域的UV光遠遠較少。例如，如果頂層20a也是5nm厚，如在圖2a所示，行經過兩層之光的透通度被降低至約30%。頂層20a可以更厚，以允許較少的光通過兩層並降低在這兩層下的區域中的光阻的曝光。例如，頂層可以範圍由5奈米至100奈米厚。鎳及鉻的其他厚度可以使用以調整在使用此遮罩曝光工件的顯影後，光阻的垂直尺寸。例如，頂層可以範圍由5奈米至300奈米。
除了薄金屬層外，例如二氧化矽及氮化矽的介
電材料、二氧化鈦、氧化鉿、及五氧化二鉭可以與厚度調整一起使用，以對將予以與遮罩一起使用的光的預定波長，提供部份透通度或部份反射度。為了改良透射度或反射度，可以使用高與低指數材料的多數層。例如，雖然厚度等於材料的四分之一波將提供穿過介電層的最大透射度及雖然厚度等於材料的半波將提供最大反射度，但在四分之一波與半波間的厚度調整將提供部份透射與部份反射。除了金屬與介電質外，也可以使用部份透明材料，例如染色聚合物。
頂及底金屬或介電層20a、20b可以藉由例如蒸鍍、化學氣相沈積、濺鍍、及物理氣相沈積的技術加以沈積。對於染色材料，較厚層可以沈積，並且也可以使用旋塗、噴塗、或捲著(roll-on)沈積法。
一旦頂及底層20a、20b被沈積，第一層阻劑26被沈積，如圖1b所示，並被作出圖案，以在有圖案的第一層阻劑26中形成第一開口28，如圖1c所示。在一實施例中，第一層阻劑26係為光阻及圖案係以UV光透過遮罩隨後顯影以形成第一開口28。例如在第一層阻劑26中，雷射寫入或電子束寫入圖案的其他技術也可以使用以曝光。也可以使用以遮罩對光阻26作X射線曝光。或者，也可以使用以光束消熔阻劑至想要深度的雷射寫入。在另一方式中，也可以使用例如模板網印或捲著遮罩材料的製程，以提供在沈積時之有圖案的第一層阻劑。
同時，如圖1c所示，頂層20a材料係被以符合
第一層阻劑26中的第一開口28的方式被蝕去。在一實施例中，頂層20a的材料為鎳，並以崔氏(Transene)鎳蝕刻(TFG)方式蝕去在第一層阻劑26的第一開口28中的部份，以形成在頂層20a材料中的頂層開口30。因為崔氏鎳蝕刻(TFG)並不會蝕刻在鎳以下的底層20b的鉻材料，所以，底層20b的材料保持完全不變，如於圖1c所示。
第一層阻劑26現被剝離並且第二層阻劑被沈積並作出圖案，以在有圖案第二層阻劑36中形成第二開口38，如圖1d所示。在此實施例中，在有圖案第二層阻劑36中的第二開口38係在頂層20a的材料中的頂層開口30內，也如圖1d所示。在一實施例中，第二層阻劑36為光阻及形成第二開口38的圖案化包含對準多數對準標並以UV光曝光穿過遮罩，隨後顯影。例如，在第二層阻劑36中以雷射寫入或電子束寫入圖案的其他技術也可以使用以曝光。也可以使用遮罩以作光阻36的X射線曝光。或者，也可以使用以束雷射寫入消熔阻劑至想要深度。在另一實施法中，例如模板網印、捲著遮罩材料及噴墨印刷的製程也可以使用，以提供對準第一層的有圖案的第二層阻劑。
如於圖1e所示，底層20b的材料現在以符合在第二層阻劑36中的第二開口38的方式被蝕刻。在一實施例中，底層20b的材料為鉻並被以崔氏鉻蝕刻(TFE)的方式蝕去在第二層阻劑36的第二開口38中的部份，以在底層20b的材料中形成底層開口40。由於崔氏鉻蝕刻(TFE)
並不會蝕刻頂層20a的材料中的鎳，並且在此實施例中，鎳頂層20a也為第二層阻劑36所保護，所以，如圖1e所示，在第一開口30外的頂層20a材料完全保持不變。
最後，當第二光阻36被剝離時，2層的多灰階幅度光罩50被完成，留下三個區域的遮罩基板24。如圖1f所示，遮罩基板24的區域42並未有底層20b材料或頂層20a材料；遮罩基板24的區域44具有底層20b的材料，但並未有頂層20a的材料，及遮罩基板24的區域46具有底層20b的材料與頂層20a的材料。在一些區域中，底層20b的材料與頂層20a的材料在遮罩基板24上被排列為階梯狀、步階角錐狀或步階圓錐形狀圖案，而在其他區域中，則底層20b為單獨。
在多灰階幅度光罩50中的階梯狀、步階角錐或步階圓錐狀圖案48係被以遮罩曝光重製於工件60的光阻上，如圖3a至3b所示。首先，例如半導體晶圓的工件60係被塗覆以工件光阻61，如圖3a所示，並透過多灰階幅度光罩50曝照UV光。光阻61的厚度具有很多倍大於多階幅度光罩50的階梯、步階角錐或步階圓錐狀圖案48的厚度。在一實施例中，光阻61係約1微米厚，其係約100倍於在光罩50上的多數金屬層的整個厚度。光阻61典型具有範圍由0.5至3微米的厚度並也可以在範圍由0.1至100微米的厚度，甚至可達毫米厚。
例如接觸印刷或在投影對準機、步進機或投影掃描器中提供多灰階幅度光罩50的技術係被使用以光罩
50曝光在工件60上的光阻層61。
因為透射度與反射度均相關於在光罩50上的金屬厚度，所以，在工件60上的光阻層61可以以透射或反射模式被曝光。如果在光罩50上，使用介電質塗層或介電質塗層或具有不同固有反射度的不同金屬的堆疊，則也可以使用反射模式。
除了用以曝光光阻的UV光外，也可以使用其他波長，包含有X-射線、可見光與紅外光，以光罩50來曝光在工件上的光敏層。例如水銀或氙氣燈、雷射或X射線機的光源也可以使用。
如果雷射或電子束寫入被使用以在多灰階幅度光罩中提供有圖案的多層材料，則遮罩產生可能花用好幾小時。但是，一旦產生的多灰階幅度光罩則可以被使用很多次，以在很多工件上快速曝光光阻，因而，節省很多用以在工件的光阻中，建立想要3維圖案的處理時間。申請人發現以多灰階幅度光罩，曝光在各個工件上的光阻的處理時間係於分鐘的範圍內，相較於先前製程在各個工件上雷射寫入光阻，以在光阻中建立3維圖案，則花用很多小時。
在遮罩基板24上的沒有底層20b材料與頂層20a材料之區域42允許用於多灰階幅度光罩曝光的UV光無礙地碰撞在工件60上的光阻61。遮罩基板24的具有底層20b材料但沒有頂層20a材料的區域44允許足夠光穿過底層20b材料，以足夠曝光在工件60上的光阻61的
頂部份。遮罩基板24的具有底層20b材料與頂層20a材料的區域46則並不允許足夠光穿過頂層20a、底層20b的材料層，曝光在工件60上的任何部份的光阻61。
因此，在顯影後，以遮罩基板24上的區域42、44、46中的三個不同高度的材料，在工件60上的光阻61中，複製遮罩50中的圖案，成為例如具有其三個高度的階梯、步階角錐或步階圓錐狀圖案68的光阻區62、64及66，如圖3b所示：在區域62中，零光阻；在區域64中，殘留約一半光阻；及在區域66中，全高度的光阻。
在一實驗中，美國紐澤西州的Somerville的Clariant公司AZ電子材料的AZ4330光阻係被旋塗施加至半導體晶圓工件上。具有3微米光阻的工件係被預曝光烘烤於105℃持續15分鐘。工件被透過多灰階幅度光罩曝光持續約30秒，使用具有400瓦水銀燈的Oriel遮罩對準機，以完成約100mJ/cm2。工件在以3：1稀釋的AZ400K中顯影持續60秒。所得光阻拓樸係在KLA/Tencor P-2尖筆測面器上測量。
在這些烘烤、曝光及顯影條件下，顯示使用AZ4330光阻的顯影光阻深度成為曝光能量的函數的圖表係如圖2b所示。該圖表顯示當劑量為約38mJ/cm2時，頂0.5微米阻劑係被顯影；當能量劑量為約50mJ/cm2時，頂1.0微米阻劑被顯影；當能量劑量為約60mJ/cm2時，頂1.5微米阻劑被顯影；當能量劑量為約72mJ/cm2時，頂2.0微米阻劑被顯影；當能量劑量為約84mJ/cm2時，頂
2.5微米阻劑被顯影；及當能量劑量為約100mJ/cm2時，頂3.0微米阻劑被顯影。
在另一實施例中，3層材料被形成在透明基板上，例如圖4a-4e所示，及所得四曝光級係被類似地以遮罩曝光被轉移至工件上的光阻，如圖5a-5b所示，以在光阻中完成4級的3維結構。在此實施例中，3層結構包含至少兩層部份透明材料或至少兩層部份反射材料。部份透明或部份反射的3層材料係被沈積在透明遮罩基板上作為全面層，以開始該多灰階幅度光罩的製造，如於圖4a所示。在一例子中，頂層70a為銅，中間層70b為鎳，底層70c為鉻，及遮罩基板74為玻璃、石英或熔融矽石。底層70c為2或3奈米厚，以當單獨底層在遮罩基板74上時，對UV光提供部份透明度。中間層也是2或3奈米厚，以當中間層70b及底層70c均在遮罩基板74上時，仍對UV光提供部份透明度。
在反射模式中，相同結構的金屬層將操作於相反的方式，使基板反射最少光至工件上並在其上的多數層反射最多光。也有可能使塗層堆疊被吸收並被置放於例如，鋁或塗鋁熔融矽石基板的反射基板上，使得最大反射將來自基板層上，及其上的各依序層吸收更多的光，因此，反射較少的光。
頂層足夠厚，使得在具有所有三層的區域，很少的UV光可通過，或不足夠的光通過所有這三層，到達為在工件上所用的光阻所需之臨限曝光，供任何光阻顯
影。例如，頂層70a為10或20奈米厚。頂層70a可以更厚。銅、鎳及鉻的其他厚度也可以使用，以調整使用此遮罩曝光工件上的光阻之垂直尺寸，以在光阻中提供想要的3維結構。
如以上所述，也可以使用其他部份吸收材料，例如介電層或含染料聚合物層。頂、中間及底部份透射層70a、70b及70c可以各個以例如蒸鍍、化學氣相沈積、濺鍍、及物理氣相沈積的技術，被沈積於遮罩基板74上。
一旦頂、中間及底層70a、70b及70c被沈積於遮罩基板74上，則第一層的阻劑76被沈積並作出圖案，以在有圖案第一層阻劑76中形成第一開口78，如圖4b所示。在一實施例中，第一層阻劑76為光阻及在第一層阻劑76中形成第一開口78的圖案係以UV光穿過遮罩隨後顯影完成。也可以使用例如雷射或電子束寫入曝光或X-射線曝光阻劑的其他曝光技術。或者，例如模板網印或捲著遮罩材料的製程被使用以在其沈積時，提供有圖案第一層的阻劑。
頂層70a材料係被符合第一層阻劑76中的第一開口78地蝕去，也如圖4b所示。在該實施例中，其中頂層70a的材料為銅，其可以以由美國麻州的Danvers之崔氏(Transene)有限公司所購得崔氏銅蝕刻APS-100蝕去。因此，在頂層70a的材料中的頂層開口80係被形成，同時，銅蝕刻劑並不影響在銅以下的中間層70b材料中的鎳，使得中間層70b的材料及底層70c的材料完全保持不
變，如圖3b所示。
第一層阻劑76現被剝離及第二層阻劑86係被沈積並作出圖案，以在有圖案的第二層阻劑86中形成第二開口88，如圖4c所示。在第二層阻劑86中形成第二開口88的圖案係以UV光穿過遮罩，使用雷射或電子束入寫入曝光或X-射線曝光第二層阻劑86加以完成。或者，例如模板網印或捲著遮罩材料的製程被使用，以在其沈積時，提供圖案化第二層阻劑。在此實施例中，在有圖案的第二層阻劑86中的第二開口88係在頂層70a材料中的頂層開口80內，也如圖3c所示。
中間層70b材料係以符合在第二層阻劑86中的第二開口88的方式蝕刻，也如圖4c所示。在該實施例中，其中中間層70b材料為鎳，並以崔氏鎳蝕刻TFG蝕去在第二層阻劑86中的第二開口88內的部份，以在中間層70b材料中形成中間層開口90。因為崔氏鎳蝕刻劑並不會蝕刻底層70c材料中的鉻，及因為銅層70a係為第二層阻劑86所保護，所以在第一開口80外的頂層70a材料完全保持不變，及底層70c的材料保持完全不變，如圖4c所示。
第二層阻劑86現被剝離並且第三層阻劑96係被沈積並作出圖案以在有圖案的第三層阻劑96中形成第三開口98，如圖4d所示。在第三層阻劑96中形成第三開口98的圖案化係以UV光透過遮罩，使用雷射或電子束寫入曝光或X-射線曝光第二層阻劑96加以完成。或
者，例如模板網印或捲著遮罩材料的製程係被使用以在其沈積時提供有圖案的第二層阻劑。在此實施例中，在有圖案第三層阻劑96中的第三開口98係在中間層70b材料中的中間層開口88內，也如圖4d所示。
底層70c材料係符合在第三層阻劑96中的第三開口98的方式被蝕刻，也如圖4d及4e所示。在實施例中，其中底層70c材料為鎳，其被以崔氏鉻蝕刻TFE蝕去在第三層阻劑96中的第三開口98，以在底層70c的材料中形成延伸至遮罩基板74的表層開口100。
最後，當第三光阻96被剝離並在遮罩基板74上留下四個區域時，也如圖4e所示，完成多灰階幅度光罩101。在遮罩基板74上的區域102並沒有底，中間或頂層70a、70b、70c材料；在遮罩基板74上的區域104則只有底層70c材料；在遮罩基板74上的區域106只有底層70c材料及中間層70b材料；及在遮罩基板74上的區域108則有所有底層、中間層及頂層70a、70b、70c，如圖4e所示。在某些區域中，三層材料20b係被安排為在遮罩基板74上的步階圖案110。當以三維看時，步階圖案110可以為階梯、步階角錐或步階圓錐。
在3層多灰階幅度光罩120中所提供的步階圖案110係被重製於工件130上的光阻中，如圖5a-5b所示。首先，例如半導體晶圓的工件130係被塗覆以工件光阻131，如圖5a所示，並透過3層多灰階幅度光罩120照射被曝露至UV光。例如，接觸印刷或在投影對準機或
掃描器中提供3層多灰階幅度光罩120的技術係被使用以作曝光。
在沒有底層、中間層或頂層70c、70b、70c的材料之遮罩基板74上的區域102許曝光光線，例如UV光無礙地碰撞在工件130上的光阻131。遮罩基板74上具有底層70c材料但沒有中間或頂層70b、70a材料的區域104允許足夠光通過底層70c材料，以足夠地曝光在工件130上的光阻131的頂部份。在遮罩基板74上的有底層與中間層70c、70b的區域106允許較少光通過，但仍允許較少光穿過但仍允許足夠曝光接近光阻131的頂面。遮罩基板74中具有所有三層底層、中間層及頂層70c、70b、70a材料的區域108具有足夠材料擋光，以防止在工件60上的光阻61的任何部份受到足夠曝光，因此，顯影器並未移除材料。因此，於顯影時，具有四個不同高度142、144、146及148的圖案係被形成在工件130的光阻131中，如圖5b所示，以建立3維結構：在區域142中零光阻；在區域144中約有三分之一高度的光阻；在區域146中，約三分之二高度光阻；及在區域148中，約全高度光阻。
也可以在透明遮罩基板74上形成更薄金屬層，如圖6a所示之三維圖中的具有5層多灰階幅度光罩120’。在一實施例中，當層70a、70b、70c、70d、70e的數量增加時，每一層的厚度降低，使得一些光可以透過其中的下面四層。在一實施例中，組合所有層70a、70b、
70c、70d及70e的整個厚度係足以有效地阻擋在工件上的光阻的曝光，同時，例如具有層70d及70e的環形區域的具有步階狀更少層的區域允許對應較大的光劑量。以圖5b中的3層多灰階幅度光罩120，這造成在遮罩基板74上的光阻131中的較深曝光，以足夠顯影更深的3維圖案。類似地，對於5層灰階幅度光罩120’也是如此。因此，在曝光與顯影後，多灰階幅度光罩120、120’中的位置及層的數量係被重製於光阻中。
在圖6a中，在光阻中的開口為圓的，及在阻劑中的最大圓開口係用以蝕刻頂金屬層70a’。對於以下的每一後續層70b’、70c’、70d’、70e’，阻劑的對應層中的開口愈來愈小，以留下金屬層具有對準的愈來愈增加之直徑。此一維的方案也被顯示於圖4b-4e的剖面圖中，用於3層多灰階幅度光罩製程。
其他實施例也可以具有例如在圖6b中的用於繞射透鏡154及在圖6c中的用於繞射光柵155的多層多灰階幅度光罩的金屬層的不同圖案。
在一實施例中，用以製造繞射透鏡的光阻156係為3微米高及在光阻156中的每一步階157係為1微米高，用於對焦在紅外光範圍內的光。在另一實施例中，一陣列的400個這些繞射透鏡係被形成，整個陣列直徑為20mm。在陣列中的各個光阻微透鏡為500微米寬及1.7微米高，用以聚焦近紅外波長(即.85微米)的光。為了製造繞射透鏡，在熔融矽石工件158的光阻156上，使用指
向反應離子蝕刻，以在以下的熔融矽石中複製光阻圖案。在一實施例中，蝕刻化學品係被調整以提供蝕刻率大約與光阻與熔融矽石者相同。此等控制的參數包含氧與氟前驅物氣體流率與壓力。
為了製造用於具有如圖6c所示之階梯狀的繞射光柵的多層多灰階幅度光罩155，在各個後續阻劑層中的矩形開口係被用於其製造中。所應用在第一阻劑中的最大矩形開口沿其寬度只留下阻劑塗層的頂金屬層70a”，允許蝕刻所有其他預期步階上的頂層70a”。一旦除了第一阻劑下的頂層70a”被蝕刻，該阻劑被剝離及第二層阻劑被沈積，用以塗覆頂金屬層70a”及第二金屬層70b”，並允許蝕刻於所有其他預測步階上的第二金屬層70b”。該製程以具有增加塗覆面積及降低開口大小並依據蝕刻金屬層70c”、70d”、70e”、70f”的多數阻劑層持續進行，以建立階梯狀遮罩155。如上所述，具有不同蝕刻特性與不同蝕刻劑的不同金屬係被使用以用於不同層。或者，不同介電質或染色聚合物與不同蝕刻劑係被使用用於不同層。
如同繞射透鏡，形成在光阻中的繞射光柵圖案被使用反應離子蝕刻，複製於熔融矽石工件中。如此形成之繞射光柵將以一角度碰撞的光散開成為彩色分色。一種應用為用於光譜儀。在一實施例中，各個階梯圖案的高度係於由幾百奈米至幾十微米的範圍內，該高度係與所使用的光波長有關。申請人發現於此所述之製程完成了對每一階梯的寬度、階梯的角度、在階梯中的層數目、及在階梯
中的寬對深的比例上的控制。
另一實施例包含在多灰階幅度光罩中的蝕刻停止層，允許頂及底層為相同材料，如圖7a-7g所示。在此實施例中，頂及底層材料160a、160b係為全面沈積，並在透明基板164上包夾蝕刻停止層163，以開始多灰階幅度光罩的製造，如圖7a所示。在一例子中，頂及底層160a、160b均為鉻，蝕刻停止層163為二氧化矽，及基板164為玻璃、石英或熔融矽石。底層160b為約5奈米厚，以當此底層單獨在基板164上時，對UV光提供部份的透明度。如果頂層160a為至少10奈米厚，則在具有頂層160a與底層160b的區域，將只有很少的UV光穿過。頂層160a可以更厚。也可以使用其他厚度的鉻，用以調整使用此光罩曝光在工件上的光阻的垂直尺寸。其他部份吸收材料也可以使用，例如鎳或銅。頂及底層160a、160b可以為例如蒸鍍、化學氣相沈積、濺鍍及物理氣相沈積的技術加以沈積，蝕刻停止層163可以使用化學氣相沈積加以沈積。
當顯示如圖7a-7d的2層結構時，也可以在各個金屬層間有一蝕刻停止層的方式，重覆地使用此製程來製造具有更多層的結構。申請人發現4奈米厚的二氧化矽層係足以提供蝕刻停止。
一旦沈積頂及底層160a、160b與蝕刻停止層163，第一層阻劑166係被沈積，如圖7b所示，並被作出圖案以在第一層阻劑166中形成第一開口168，如圖7c
所示。在一實施例中，第一層阻劑166為光阻。圖案化以在第一層阻劑166中形成第一開口168係以UV光透過遮罩、使用雷射或電子束寫入曝光或X-射線曝光，隨後跟著顯影加以進行。或者，例如模板網印或捲著遮罩材料的製程係被使用以在其沈積期間提供有圖案化第一層阻劑166。
頂層材料160a以符合在第一層阻劑166中的第一開口168的方式被蝕去，也如圖7c所示。在一實施例中，頂層160a材料為鉻，並被以崔氏鉻蝕刻(TFE)蝕去在第一層阻劑166中的第一開口168的部份，以在頂層160a材料中形成頂層開口170。因為崔氏鉻蝕刻TFE將不會蝕刻到蝕刻停止層163的二氧化矽，所以，蝕刻停止層163與底層160b材料將完全不變，也如圖7c所示。
第一層阻劑166現被剝離及第二層阻劑被沈積並作出圖案，以在第二層阻劑176中形成第二開口178，如圖7d所示。在圖案化第二層阻劑176中的第二開口178係為在頂層160a材料中的頂層開口170內，如圖7c、7d所示。在一實施例中，第二層阻劑176係為光阻。圖案化以在第二層阻劑176中形成第二開口178係使用雷射或電子束寫入曝光或X-射線曝光以UV光穿過遮罩，隨後顯影加以進行。或者，例如模板網印或捲著遮罩材料的製程係被使用以在沈積時提供有圖案的第二層阻劑176。
蝕刻停止層163現被蝕刻以符合在第二層阻劑
176中的第二開口178，如圖5e所示。在一實施例中，蝕刻停止層163為二氧化矽並被以氫氟酸蝕去在第二層阻劑176中的第二開口178內的部份，以在蝕刻停止層163中形成開口180。因為氫氟酸不會蝕刻底層160b材料中的鉻，以及，因為鉻層160a也為第二層阻劑176所保護，所以，兩層的鉻均不會為氧化物蝕刻所影響，如圖7e所示。
底層160b現被蝕刻以符合在第二層阻劑176中的第二開口178，如圖7f所示。在一實施例中，底層160b為鉻及被以崔氏鉻蝕刻(TFE)蝕刻去在第二層阻劑176中的第二開口178內的部份，以在蝕刻停止層163中形成開口180。由於崔氏鉻蝕刻TFE將不會蝕刻基板164的玻璃及鉻層160a也為第二層阻劑176所保護，所以，其他部份也不會為崔氏鉻蝕刻TFE所影響，如圖7f所示。
最後，多灰階幅度光罩190係被完成並被準備於第二光阻176被剝離以留下基板164的三個區域時使用。基板164的區域192沒有兩層160a、160b材料也沒有蝕刻停止層163；基板164的區域194有底層160b材料及蝕刻停止層163，但並沒有頂層160a材料；及基板164的區域196有兩層160a、160b材料與蝕刻停止層163，如圖7g所示。在某些區域中，底層160b材料具有蝕刻停止層163與頂層160a的材料係被在基板164上排列為階梯圖案198。
多灰階幅度光罩50、120、120’、190係被用以製造具有分層或彎曲形狀的裝置。在一實施例中，3層多灰階幅度光罩120係被用以製造氣溶膠噴嘴陣列，如圖8a-8d所示。在另一實施例中，3層多灰階幅度光罩120係被用以製造如圖9a-9d所示之微透鏡陣列。
為了製造氣溶膠噴嘴陣列，被塗覆有電鍍種層222並設有全面光阻層224的工件220透過3層多灰階幅度光罩120被曝露至紫外光，如圖8a所示。在顯影後，光阻224具有4步階階梯結構226，其間具有空腔228，如於圖8b所示。在一實施例中，在4步階光阻階梯結構226中的最低步階為0.5微米厚，第二步階為0.5微米厚，及最高步階為4微米厚。最高步階具有成為噴嘴的開孔的直徑。在一實施例中，電鍍種層222係為濺鍍鎳，具有範圍由約5奈米至約500奈米的厚度在濺鍍鉻上，該濺鍍鉻具有範圍由約1至2奈米的厚度。種層被允許氧化，以形成鈍化層，其允許隨後自種層222釋放被電鍍之材料。種層也可以用蒸鍍、離子束沈積、物理氣相沈積及雷射沈積被提供於工件220上。
工件220現被電連接，以透過電鍍種層222電鍍，並如圖8c所示之為4步階光阻結構226所遮罩，並且，電鍍鈀鎳合金填入於4步階階梯光阻結構226間的空腔228中。也可以使用其他貴金屬及包含該等貴金屬的合金。
光阻224、226現例如在丙酮中被移除，留下
電鍍鈀鎳合金微噴嘴230陣列，其係藉由機械性剝離來將該微噴嘴230由基板220釋出，如於圖8d所示。該程序允許該陣列噴嘴的每一噴嘴具有為光阻結構226中的最高步階所界定的開孔，具有範圍由約2.5至4.5微米的直徑。
為了製造該陣列微透鏡，工件250係被提供有全面光阻層254，並透過3層多灰階幅度光罩120曝光至紫外光，如於圖9a所示。對於透鏡，工件250係例如由熔融矽石的材料製造。在顯影後，光阻254具有3步階圓錐結構254’，如於圖9b所示。
具有其光阻3步階圓錐結構254’的工件250現受到150℃烘烤，以熔化光阻3步階圓錐結構254’，如於圖9c所示，在熔融矽石工件250上建立光阻254”的透鏡狀區域。
具有具光阻254”的透鏡狀區域的工件250現受到反應離子蝕刻，其將光阻254”的透鏡狀區轉入熔融矽石工件250中，如於圖9d所示，在熔融矽石工件250上建立微透鏡256陣列。反應離子蝕刻的條件為300瓦，在每分有45標準立方公分的CF4，每分5標準立方公分的O2，使用由美國佛羅里達州Clearwater的Trion科技公司所購得之Phantom II反應離子蝕刻工具，200毫托持續40分鐘。
在另一實施例中，3-D印表機係被使用以沈積每一層染色聚合物作為光罩，如於圖6a所示。在此時，
層7a’-7e’各個係於範圍由1微米至幾十微米厚。在一實施例中，所有層具有相同厚度及相同透射度，因此，具有多層的區取決於曝光光束行進穿過的層數量而有對應減少的透射度。在另一實施例中，取決於光進出高度反射遮罩基板的兩次通過的吸光之染色聚合物厚度，不同層造成由高度反射遮罩基板反射的不同反射度。
該3-D印表機可以為標準噴墨印表機，其中連續墨水層係一層接著一層地沈積。在一例子中，在墨水或聚合物黏合劑中的染料或顏料濃度係被選擇，使得被沈積的每一層墨水具有例如80%的透射度。在另一實施例中，每一層具有65%的透射度，使得穿透過5層的光將使其強度被減少到入射強度的5%。在另一實施例中，噴墨印表機的不同列表頭可以被使用，以不同透射度來列印墨水，使得每一層可以具有其本身透射度。
例如透過遮罩或在遮罩基板上的先前沈積圖案前驅物層的化學氣相沈積的其他加成製造方法也可以使用以製作多灰階幅度光罩。也可以使用其他金屬、介電或聚合物材料、二維材料，例如石墨烯、及具有想要透射度或反射度的其他材料。
雖然在此已詳述並如附圖所例示幾個實施例與其修改，但明顯地，各種進一步修改仍可以在不脫離附隨申請專利範圍所界定的本發明範圍下加以完成。上述說明並不是想要將本發明限定至較隨申請專利範圍為小的範圍。所給的例子只作例示性非限定性。
70a”‧‧‧頂金屬層
70b”‧‧‧第二金屬層
70c”、70d”、70e”、70f”‧‧‧蝕刻金屬層
155‧‧‧繞射光柵
Claims (23)
- 一種製造多灰階幅度光罩的方法，包含：a.提供遮罩基板；及b.在該遮罩基板的表面上的至少一材料層中提供一步階圖案，其中該步階圖案包含至少兩步階及至少三級，其中該步階圖案的每一級於光源將光照射在該步階圖案上時，提供不同的光強度。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該在該遮罩基板的該表面上的該至少一材料層中提供步階圖案包含在該遮罩基板上提供聚合物層並消熔或蝕刻該聚合物層，以在該聚合物中形成圖案，其中在該聚合物中的該圖案包含具有第一厚度的第一部份及具有第二厚度的第二部份。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中該消熔包含以掃描雷射的雷射消熔。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中該消熔包含以由光罩及全像光罩構成的群組中的至少之一進行消熔。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中該蝕刻包含電漿蝕刻或透過遮罩的反應離子蝕刻。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該在該遮罩基板的表面上的至少一材料層中提供步階圖案包含在該遮罩基板上加成地提供圖案化聚合物層，以提供該步階圖案。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該在該遮罩基板的表面上的至少一材料層中提供步階圖案包含：a.在該遮罩基板上提供第一全面材料層； b.在該第一全面材料層上提供第二全面材料層；及c.蝕刻該第一全面材料層與該第二全面材料層，以形成該步階圖案，其在該第一層中包含第一圖案及在該第二層中包含第二圖案，其中該步階圖案包含沒有該第一層與該第二層的第一區、有該第一層但沒有該第二層的第二區、及有該第一層與該第二層的第三區。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該在該遮罩基板的該表面上提供該步階圖案包含：a.在該遮罩基板的該表面上，提供至少一材料；b.在該至少一材料上，提供第一阻劑，其中在該阻劑中的第一開口整個延伸穿過該第一阻劑及其中該第一開口包含沿著該表面的第一區；c.蝕刻該至少一材料中為該第一開口所界定的第一蝕刻圖案，其中該第一蝕刻圖案只延伸穿過該至少一材料的一部份並留下該至少一材料的剩餘部份；d.在該至少一材料上提供第二阻劑，其中在該第二阻劑中的第二開口整個延伸穿過該第二阻劑，其中該第二開口延伸於該第一區之上；及e.蝕刻該至少一材料中為該第二開口所界定的第二蝕刻圖案，其中該第二蝕刻圖案至少部份延伸穿過該至少一材料的該剩餘部份，以在該遮罩基板上的該至少一材料中提供該步階圖案。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中該至少一材料包含第一材料與第二材料，其中該第一材料具有第一蝕刻 特徵及該第二材料具有第二蝕刻特徵；其中該第一蝕刻特徵係與該第二蝕刻特徵不同，其中該第一與該第二蝕刻特徵允許在蝕刻中(c)整個蝕刻穿過該第一材料而完全不會蝕刻該第二材料，及整個蝕刻穿過該第一材料而完全不會蝕刻該第二材料。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中該蝕刻(e)涉及整個蝕刻穿過該第二材料，而不蝕刻該遮罩基板。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中該第一材料包含第一金屬及該第二材料包含第二金屬，其中該第二金屬係足夠地薄，以在該遮罩基板的該表面上，提供一步階一步階地，由連續增加該步階圖案透明度與連續增加該步階圖案反射度所構成的群組的至少之一。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中該第二金屬具有低於300奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第二材料包含犧牲蝕刻停止材枓。
- 如申請專利範圍第13項之方法，其中該第一材料延伸於該犧牲蝕刻停止材料之上及其中該第一材料延伸於該犧牲蝕刻停止材料之下。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中該至少一材料更包含第三材料，其中該第三材料具有第三蝕刻特徵，其中該第二蝕刻特徵係與該第三蝕刻特徵不同，其中該第二與第三蝕刻特徵在蝕刻中允許：(e)整個蝕刻穿過該第二材料，完全不會蝕刻該第三材料，及更包含整個蝕刻穿過 該第二材料，完全不會蝕刻該第三材料，更包含：a.在(e)之後，在該至少一材料上提供第三阻劑，其中在該第三阻劑中的第三開口整個延伸穿過該第三阻劑，其中該第三開口延伸於該第二區之上及其中該第三開口包含沿著該表面的第三區；及b.蝕刻該至少一材料中為該第三開口所界定的第三蝕刻圖案，其中該第三蝕刻圖案至少部份延伸穿過該至少一材料的剩餘部份。
- 如申請專利範圍第9項之方法，更包含：a.提供工件；b.在該工件上提供光阻；c.對在該遮罩基板的該表面上的該步階圖案提供一劑量的光，以曝光在該工件上的該光阻；d.根據當該在該遮罩量測時的不同程度的光強度與以光照射在該步階圖案上的光源時的不同程度的光強度顯影，以在該工件上的該光阻中形成步階圖案，其中在該顯影後，在該工件表面上的該第二蝕刻圖案中並沒有任何光阻存在，其中第一厚度的光阻在該工件表面上並在該第二蝕刻圖案與該第一蝕刻圖案之間延伸，及其中第二厚度的光阻在該工件表面之上延伸超出該第一蝕刻圖案，其中該第二厚度係大於該第一厚度。
- 如申請專利範圍第16項之方法，更包含將在該工件上的該光阻中的該步階圖案轉移至一裝置。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其中該轉移在該 光阻中的該步階圖案包含電鍍金屬。
- 如申請專利範圍第18項之方法，更包含移除該阻劑以形成一陣列噴嘴。
- 如申請專利範圍第19項之方法，其中該金屬包含貴金屬。
- 如申請專利範圍第19項之方法，其中該陣列的噴嘴各個具有一開孔，其中該開孔具有範圍由2.5至4.5微米的直徑。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其中該轉移該光阻中的該步階圖案包含烘烤該阻劑，以形成透鏡形狀及反應離子蝕刻，以形成一陣列透鏡。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其中該轉移該光阻中的該步階圖案包含反應離子蝕刻，以形成一陣列的繞射光學元件。
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