TWI453534B - 具輔助相區之相偏移光罩、使用該相偏移光罩之圖案化半導體基板的方法與使用該相偏移光罩形成發光二極體的方法 - Google Patents

Description

具輔助相區之相偏移光罩、使用該相偏移光罩之圖案化半導體基板的方法與使用該相偏移光罩形成發光二極體的方法

本發明係關於一種用於微影製程之相偏移光罩，特別是一種具有輔助相區之相偏移光罩、使用該相偏移光罩之圖案化半導體基板的方法與使用該相偏移光罩形成發光二極體的方法。

相偏移光罩係被廣泛地用在微影製程以形成半導體積體電路與發光二極體。相偏移光罩與傳統鉻玻璃光罩的不同之處在於相偏移光罩之透明區域具有一相對相位差，而鉻玻璃光罩之透明區域的相對相位則是一致的。相偏移光罩之透明區域具有選擇的相位差之優點在於透明區域可以被調置，因而電場振福在某種程度上被增加，進而得到銳利的影像強度(影像對比)。當印刷圖案於光阻上時，上述效應也使影像解析度得以提升。

一種相偏移光罩可包含交替的相偏移區域，亦即具有0°以及180°(π)之相區域之一周期圖案。此種相偏移光罩在加強重複圖案之特徵解析度上相當有用。然而，改良的影像對比在曝光區之邊緣(perimeter)上卻無法展現，原因在於重複的圖案在此必須中止。因此，除了有用的相位干涉外，形成於相鄰曝光場邊緣之特徵圖案往往傾向於扭曲變形。上述問題在過去已被解決，其係透過設置相偏移光罩以及成像範圍，使扭曲 的特徵不會轉印在晶圓最終用以形成裝置的區域上。然而，並非所有製造上的應用均具有此種彈性，導致傳統交替式相偏移光罩無法被使用。

在一應用範例中，於曝光區邊緣的變形特徵可能會產生問題係發生在發光二極體的製造上。由於一連的製程與設計改良，發光二極體變得更有效率。然而，發光二極體發光效率的通常限制係因為發生在發光二極體內的全內反射。例如，在一氮化鎵(GaN)發光二極體中，負摻雜氮化鎵層和正摻雜氮化鎵層係被具有一表面之半導體基板(例：藍寶石)所支撐。負摻雜氮化鎵層和正摻雜氮化鎵層之間夾一主動層，且其中一氮化鎵層具有與空氣交界之一表面。光係在主動層中產生，並且朝各方向等量的發射。然而，氮化鎵具有十分高的折射率，其反射率約為3。因此，在光離開正摻雜氮化鎵-空氣介面內，於氮化鎵-空氣介面存在一最大入射角錐(”出口角錐”)。但在前述入射角錐之範圍外，依據Snell’s Law光線將反射回氮化鎵結構內。

為了改善發光二極體的發光效率，某些發光二極體具有粗糙化基板表面。所述粗糙化基板表面會散射內反射之光線，使部分光線落進出口角錐內而離開發光二極體，藉以改善發光二極體的發光效率。

在製造環境中，具有一種可控制且一致的方法以形成粗糙化基板表面以使發光二極體具有一致的結構與性能是需要 的。為了這個目的，形成一不具有前述扭曲圖案之粗糙化基板表面係有需要的。

本發明之其中一概念係一相偏移光罩，用於具有一解析極限之微影製程系統中。相偏移光罩具有相偏移區R之棋盤陣列，相偏移區R的尺寸係等於或大於解析極限。相鄰相偏移區R具有180°之相對相位差，且所述陣列具有一周緣。相偏移光罩也具有複數輔助相區R’。輔助相區R’係緊鄰設置於所述周緣之至少一部分，每一輔助相區R’的尺寸係低於所述解析極限，且每一輔助相區R’相較於相鄰的相偏移區域R具有180°之相對相偏移相位差。

本發明所提出之相偏移光罩，其周緣較佳地包含四個邊。相偏移區較佳地係鄰設於四個邊中的每一個邊。

本發明所提出之相偏移光罩，其周緣較佳地包含由所述四個邊所定義之四個角隅。輔助相區R’係個別地鄰設於所述四個角隅。

本發明所提出之相偏移光罩，輔助相區R’較佳地係緊鄰整個棋盤陣列的周緣。

相偏移光罩較佳地具有一不透明層，所述不透明層係緊鄰於所述輔助相區R’所定義之周緣。

本發明之另一概念係提出一相偏移光罩，其適用於具有一檢析極限以及一波長之一微影製程系統。相偏移光罩具有一光 罩本體。光罩本體具有一表面，且光罩本體對於微影製程系統之波長而言是透明的。相偏移光罩包含相偏移區之棋盤陣列，其被光罩本體之表面所支撐，其尺寸係等於或大於解析極限，相鄰相偏移區之間的相位差係為180°。棋盤陣列具有一周緣，所述周緣包含複數邊以及四個角隅。相偏移光罩也包含複數輔助相區R’，其被基板之表面所支撐。各輔助相區R’之尺寸係低於解析極限。輔助相區R’係緊鄰於所述複數邊以及所述四個角隅以環繞所述周緣。各輔助相區R’與相鄰之相偏移區R之間具有180°之相位差，相鄰的輔助相區R’之間也具有180°之相位差。

相偏移光罩較佳地更包含一不透明層，其緊鄰於所述輔助相區R’所定義之一周緣。

本發明所提出之另一概念係以微影製程圖案化半導體基板之方法。所述方法包含提供具有一表面之一半導體基板，半導體基板之表面支撐一光阻層。所述方法也包含以微影成像一相偏移光罩圖案於所述光阻層上。相偏移光罩圖案包含相偏移區R之棋盤陣列，相鄰相偏移區R之間具有180°之相位差。棋盤陣列具有一周緣。複數輔助相區R’的每一個的尺寸係低於解析極限。輔助相區R’係緊鄰設置於所述周緣之至少一部分。各輔助相區R’與其相鄰之相偏移區R之間具有180°之相位差。所述方法更包含加工所述光阻層以形成一光阻特徵之週期陣列。

所述方法較佳地更包含加工所述光阻特徵以創造一基板柱體陣列，以定義一粗糙化基板表面。所述方法較佳地也更包含於所述粗糙化基板表面上形成一p-n接面多層結構。

在所述方法中，半導體基板較佳地係由藍寶石所製成。

在所述方法中，微影製程具有365nm之一標稱波長以及一等大放大率(unit magnification)。

在所述方法中，所述基板柱體較佳地具有1μm或更低的尺寸。

在所述方法中，相偏移光罩較佳地更包含一不透明層，所述不透明層緊鄰於所述輔助相區R’所定義之一周緣。

在所述方法中，微影製程較佳地包含將曝光區縫合(stitching)以在實質整個基板上的光阻層中創造一實質連續的光阻柱體陣列。

本發明另一概念為形成一發光二極體之方法。所述方法包含對半導體基板所支撐之光阻施以微影製程曝光手段，以於所述光阻中形成一光阻柱體陣列。包含將光線穿過具有棋盤格相偏移圖案之相偏移光罩，所述棋盤格相偏移圖案具有被次解析輔助相區陣列所環繞之一周緣。所述方法也包含加工光阻柱體陣列以形成一基板柱體陣列，所述基板柱體陣列定義一粗糙化基板表面。所述方法也包含於所述粗糙化基板表面上形成p-n多層結構以形成發光二極體。相較於不具粗糙化基板表面之發光二極體，所述粗糙化基板表面散射p-n多層結構所產生的 光，而增加發光二極體之總發光量。

在所述方法中，相偏移光罩較佳地更具有一不透明層，所述不透明層係緊鄰於次解析輔助相區所定義之一周緣。

在所述方法中，對光阻施以微影製程曝光較佳地係在0.5或更小的數值光圈下進行。

在所述方法中，對光阻施以微影製程曝光較佳地係在365nm之標稱波長以及等大放大率(unit magnification)下進行。

在所述方法中，對光阻施以微影製程曝光較佳地包含縫合曝光區以在實質整個基板上創造一實質連續的光阻柱體陣列。

所述方法較佳地更包含將曝光區的一部份予以疊合，所述曝光區的一部份係對應於相偏移光罩之輔助相區。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本創作相關之目的及優點。

前開的大體描述以及以下的詳細說明係用以使申請專利範圍的內容更容易被了解。所附圖式係用以使本發明更易被理解，並且構成本發明說明的一部分。附圖說明了本發明之不同實施例，並且與發明說明結合以闡述本發明的原理與操作。

茲以不同實施例與圖式詳細地說明本發明。各圖式中，相同或相似的標號係用以指相同或相似的元件。圖式並非必然按照真正比例繪製，所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易理解圖式僅在說明發明的關鍵概念。以本說明書之相偏移光罩為例，此種光罩可包含數千個相區，而在圖式中則僅繪製有限數量的相區。

本發明中，具有輔助相區之相偏移光罩的概念係根據圖式而與發光二極體的製造一起討論。因此，有關發光二極體結構及使用微影製程製造發光二極體的資訊也在下述中提出。

發光二極體結構實施例

第1圖為一實施例中，氮化鎵發光二極體10的剖面圖。氮化鎵發光二極體係記載於美國專利US6455877以及US7259399中，所述專利係被本案所引用。本發明並非僅限於氮化鎵發光二極體，而是各種使用微影製程所製造之發光二極體。透過柱體陣列所形成之粗糙化基板表面可使本發明之發光二極體之發光量增加，所述柱體陣列將在本說明書中描述。

發光二極體10包含基板20，基板20具有表面22。基板20的材料包含藍寶石、碳化矽、氮化鎵、矽等。設置於基板20上的是氮化鎵多層結構30，其包含負摻雜氮化鎵層40(n型氮化鎵層)以及具有表面52之正摻雜氮化鎵層50(p型氮化鎵層)。n型氮化鎵層40與p型氮化鎵層50夾一主動層60， 且n型氮化鎵層40係相鄰於基板20。在其他鎵基底之發光二極體實施例中，氮化鎵多層結構30係相反的，亦即p型氮化鎵層50係相鄰於基板20。主動層60包含，舉例而言，一多重量子井(MQW)結構，如未摻雜之GaInN/GaN超晶格。GaN多層結構30因此定義一p-n接面，且在此係泛稱為p-n接面多層結構。在實施例中，表面52可被粗糙化以增加發光二極體自該處所發出的光線量。

基板20的表面22包含柱體72的陣列70，其定義基板20之表面22的粗糙度。在具體描述之一實施例中，柱體72的陣列70係被蝕刻入基板20的表面22，因此柱體72係由基板材料所構成。為了增加發光二極體發光效率，柱體72較佳地具有2倍至10倍於發光二極體發光波長λ_LED 的尺寸(例如直徑或寬度D)。需特別強調的是，發光二極體的發光波長可能在400 and 700nm之間，發光二極體的波長在氮化鎵層40與50中大約會縮短2.5倍，原因在於氮化鎵的折射率n 會使在氮化鎵層40及50中的發光波長大約在150nm至250nm之間(亦即λ_LED /n )。在一實施態樣中，為了有效地散射n型氮化鎵層40內的光線，柱體72的尺寸約在0.5μm到3μm之間。在一實施態樣中，柱體72的邊對邊間距S可在0.5μm至3μm之範圍中，柱體高度H最高可達約3μm(請參照第3圖與第4圖)。

發光二極體10係如第1圖所示，具有傾斜部80，其形成於 氮化鎵多層結構30中。傾斜部80在n型氮化鎵層40形成無遮蔽表面部分42，其作為支撐二電極90之其中一者的支架，亦即n型接觸90n。在一實施態樣中，n型接觸的材料可以是Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al或其組合。另一電接觸90係為p型接觸90p，其係設置在p型氮化鎵層50之表面52上。

增加發光二極體效率

第2圖為根據第1圖之發光二極體10所測量之發光率增加(%)對柱體尺寸(μm)的曲線圖，其中發光二極體10具有定義粗糙化藍寶石基板表面之均一柱體72的陣列70。第3圖為一實施例中，均一柱體72的陣列70之一部分的立體圖。第4圖為柱體72的陣列70中，四個相鄰柱體之特寫立體圖，其中S為邊對邊之柱體間距，D為柱體直徑，H為柱體高度。具有未粗糙化之藍寶石基板表面22之發光二極體發光量係標示於「0」的位置，所增加的發光二極體發光量量測係相對於此參考值(0%)。圖中的柱體尺寸係從「0」或「未粗糙化」的位置開始，向右逐漸地變高與變窄。

根據第2圖，所觀察到一個現象是隨著柱體72的變高與變窄，發光二極體的發光量逐漸增加。對於均一的陣列70而言，輪廓的要求並不嚴苛，偶爾發生的缺陷也不是特別的問題。然而，柱體72的尺寸係重要的，因而用以形成柱體72的高能量製程的再現性及一致性也是重要的。需注意的是，柱體72可 能具有任何合理的截面形狀，如圖式所繪製的係具有圓形截面之圓柱狀柱體。柱體72可以是非圓柱狀的(亦即具有斜面或非直線的側邊)，可以具有矩形或方形截面形狀，也可以是具有腎型截面形狀等。如以下第14E圖所介紹及討論的係為金字塔狀柱體72。在一實施例中，光阻柱體72’可以是圓柱狀，但隨後形成於基板20之表面22之與其相對應的柱體72係非圓柱狀，其係從光阻柱體72’形成基板柱體72的製程所導致。

一般而言，實施例的柱體72係在微影製程的解析極限下或接近解析極限下所形成，所述微影製程所形成的柱體(如下所討論)具有圓形截面而不具銳利的邊。因此，柱體直徑或寬度D在此所指的是柱體截面形狀的代表尺寸或有效尺寸，且並未限制於任何特定形狀。舉例而言，柱體直徑D可能指的是具有橢圓截面之柱體的長軸直徑。

如上所述，柱體72可以具有一次微米直徑D，例如D=0.5微米。使用目前的微影技術來形成此種柱體72典型地將需要一個能成像0.5微米之特徵的微影製程系統。然而，此種微影系統典型地係針對傳統半導體積體電路的製造所設計，用以形成所謂的關鍵層(亦即具有最小尺寸的層)，一般在發光二極體製造領域是不會考慮使用的。

本發明所提出之概念包含一提出一種微影製程系統及方法，其係在發光二極體10之基板20之表面22上形成柱體72的陣列70。相較於具有平滑基板表面之發光二極體，以此製 造出之發光二極體10，發光效率可以增加。然而，在此所描述的微影系統與方法，係透過將非關鍵層製造用的微影系統結合所選形式之相偏移光罩而予以實現。相偏移光罩係配合微影製程系統的數值光圈以及照度(即sigma)以形成具有所需尺寸的柱體72。其使得微影製程系統在適當地景深(DOF)下，能比使用傳統鉻玻璃無相偏移光罩製造出遠遠更小的柱體72。

微影成像

廣為人知的類光柵結構(grating-like structure)可以透過二交錯同調光束而在光阻上製造出來。在一般條件下，具有入射角θ以及波長λ之二同調光束可彼此干涉以在光阻上產生週期P之週期性光柵結構，P=λ/(2*Sinθ)。在x-y平面上之二維柵欄狀(棋盤格)圖案可以藉由疊合四個同調光束而形成，亦即二同調光束在x方向上，二同調光束在y方向上。

第5圖為一般的微影製程系統100之示意圖，第6圖為第5圖中微影製程系統之更詳細的示意圖。所示之X-Y-Z卡式座標軸係作為參考用。微影製程系統100係設置以執行微影成像，在此也稱之為「微影製程曝光」。因為所述成像會導致光阻材料，亦即光阻，的曝光。微影成像或微影製程曝光一般均指捕捉穿過光罩的光線，並且使所捕捉的光線成像在景深範圍內之一影像平面上，其中，光阻材料一般係設置在景深範圍內以記錄影像。

同時參照第5圖與第6圖，微影製程系統100包含系統軸A1、發光器106、光罩平台110、投射鏡頭120以及可移動基板平台130。光罩平台110支撐相偏移光罩112，相偏移光罩112對於微影製程系統100所使用的光波長係為透明的。相偏移光罩112具有本體111，本體111具有表面114，表面114支撐形成於其上之相偏移光罩圖案115。

藉由厚度d且折射率為n之一層材料所產生的相偏移總量△φ係表示為△φ=2π(n -1)d/λ，其中λ為微影成像之波長。在一實施態樣中，相偏移光罩112所使用的材料係為石英或石英玻璃(fused silica)。在一實施態樣中，相偏移光罩圖案115的形成方法可藉由在相偏移光罩112的表面114施以選擇性蝕刻以產生不同厚度的區域，或藉由選擇性地添增相偏移材料至相偏移光罩112的表面114以產生不同厚度的區域，或藉由上述方法的組合。

可移動的平台130支撐基板20，基板20可以是晶圓的形式。在一實施態樣中，微影製程系統100係為1：1系統(意即等倍放大系統)，其具有0.3之數值光圈以及在紫外光範圍之工作波長，例如i-line(標稱為365nm)。在另一實施態樣中，微影製程系統100係適用於加工半導體製程中的非關鍵層。在另一實施態樣中，微影製程系統100係用以實現本說明書所述之Sapphire^TM 100微影系統之微影製程系統以及方法，其係產自Ultratech,Inc.,San Jose,California。

在一實施態樣中，投影鏡頭120包含孔徑光閘AS，其定義直徑為DP之瞳孔P，進而定義瞳孔平面PP。發光器106係藉提供源影像SI而照射相偏移光罩112，源影像SI充滿瞳孔P的一部份。在一實施態樣中，源影像SI係具有直徑為DSI之均一的圓碟。微影製程系統100之部分同調因子係定義為σ=DSI/DP，其中瞳孔P係假設為圓形。對於非簡單均一碟型之不同源影像SI，部分同調因子σ的定義變得更為複雜。在一實施態樣中，相偏移光罩112的照明係為科勒照明法(Kohler illumination)或其變形。

微影製程系統100也包含一光學對準系統150，例如圖示之穿透鏡頭(through-the-lens alignment)對準系統，其可使用機械視覺(machine-vision)對準系統。光學對準系統之範例係揭露於美國專利US5402205、US5621813、US6898306以及美國公開專利說明書12/592735，所述專利及專利申請案均被本案所引用。

第7圖為一實施態樣中，具有微影製程系統100所形成之曝光區EF之基板20，基板20也包含用以整片對準之整片對準標記136G及用以精密對準之精密對準標記136F(參照插圖A)。請注意，二種形式的對準標記均位於切割區137中，切割區137係介於曝光區EF之間或相鄰於曝光區EF。在討論於微影製程中使用相偏移光罩112以形成發光二極體10之下文中，曝光區將一起被詳細討論。

請再次參照第6圖，在一實施態樣中，光學對準系統150包含光源152，其沿軸A2所設置，且發出波長為λ_A 之對準光線153。分光鏡154係設置在軸A2及垂直軸A3的交叉點。鏡頭156以及折鏡158係沿軸A3設置。折鏡158折疊軸A3以形成平行於系統軸A1之軸A4。軸A4穿過相偏移光罩112，經由投射鏡頭120而抵達基板20。光學對準系統150也包含沿軸A3設置的影像感測器160，其相鄰於分光鏡154，並且位於鏡頭156以及折鏡158的相反面。影像感測器160係電性連接於影像處理單元164，影像處理單元164用以處理被影像感測器160所擷取的數位影像。影像處理單元164係電性連接於顯示單元170以及可移動基板平台130。

在一般微影製程系統100的操作上，來自發光器106之光線108照射相偏移光罩112以及其上之相偏移光罩圖案115。相偏移光罩圖案115藉由來自投射鏡頭120之曝光光線121而在一選擇曝光區EF(如第7圖所示)中成像於基板20的表面22。對準圖案115W形成基板對準標記136。基板20之表面22上典型地係塗布一層感光材料，例如光阻(如第5圖所示)，因此相偏移光罩圖案可以被記錄和轉印到基板20。

微影製程系統100經由微影成像(微影製程曝光)與微影製程處理技術的結合，可於單一基板20上形成十分大量(例，數千)的發光二極體10。層疊而成的發光二極體，例如，以步進重複(step-and-repeat)或步進掃描(step-and-scan)的方 式加工而成。因此，在將相偏移光罩圖案115成像於光阻層135以形成曝光區EF之陣列70之前，相偏移光罩圖案115必須適當地與先前形成之該層對位，特別是先前形成之曝光區EF。其可透過一或多個前述之基板對準標記136以及對準參考將基板20與相偏移光罩112對準，在光學對準系統中係具有一或多個對準標記116。

因此，在光學對準系統150的操作中，來自光源152之對準光線153沿著軸A2傳播，並被分光鏡154反射而沿著軸A3朝向鏡頭156。對準光線153穿過鏡頭156，並且被折鏡158所反射而穿過相偏移光罩112及投射鏡頭120，進而照射包含基板對準標記136之基板20表面22的部份。對準光線之部份153R係從基板20之表面22以及基板對準標記136被反射，穿過投射鏡頭120以及相偏移光罩112，特別是穿過光罩對準標記116。在此範例中，基板對準標記136係會使光線繞射的，然後來自基板對準標記136之被繞射光線153S會被收集。

投射鏡頭120以及鏡頭156的組合從反射光部分153R中，於影像感測器160上形成基板對準標記136以及光罩對準標記116的重疊影像。在此，光罩對準標記116作為對準參考。在其他形式的光學對準系統中，例如偏軸系統，其係以根據微影製程系統之基準進行對準後之光學對準系統光軸作為對準參考。

影像感測器160產生代表所擷取之數位影像的電子訊號S1，並且將其傳送到影像處理單元164。影像處理單元164係被編寫(例，藉由內嵌於如記憶體單元165之電腦可讀取媒介中的影像處理軟體)，以對所擷取之數位影像進行影像處理。特別是，影像處理單元164係被編寫為可對重疊的基板對準標記與光罩對準標記進行圖案辨識，以量測他們的相對位移與產生相對應的平台控制訊號S2，平台控制訊號S2會被傳送至基板平台130。影像處理單元164也傳送一影像訊號S3至顯示單元170以顯示重疊的基板對準標記與光罩對準標記。

可移動的基板平台130會因應基板控制訊號S2而在X與Y平面上移動(有需要的話，為了對焦，也可以在Z平面上)，直到光罩對準標記116與基板對準標記136完成對準(亦即直接重疊)，此時代表基板20與相偏移光罩112之間的正確對準。

請再參照第5圖，相偏移光罩圖案115的成像可以視為一種繞射過程，亦即自相偏移光罩112上方入射的光線108被相偏移光罩圖案115繞射而形成曝光光線121，部分(繞射的)曝光光線121(即最低的幾個繞射階，例如第0階及其正負1階)被投射鏡頭120所捕捉並且成像於光阻層135上。投射鏡頭120所形成的影像品質係直接與其所收集的繞射階數以及其本身的色差有關。需注意的是，第零階繞射光係屬直接穿過的部分，其對影像提供一”DC”背景強度水平，且通常是不想要的。

因此，當微影成像係視為一種繞射過程，微影製程系統100可用以最佳化所述繞射過程以形成所需影像。特別地，經由適當地設計相偏移光罩112及其相偏移區R，零階繞射光可以被消除。此外，經由適當地選擇投射鏡頭120之孔徑光閘AS的尺寸，吾人可選擇何種繞射階將作為微影成像之用。特別地，孔徑光閘AS的尺寸可以被調整以使僅有二個第一繞射光被投射鏡頭120所捕捉。

此外，前述格狀或棋盤狀圖案可以在基板20上形成，其係藉由在相偏移光罩112上創造二維週期相偏移光罩圖案115以使第一階光束可以在x方向與y方向上均產生。然而，必須注意要確保第零階光束被實質地消除，為了達到此目的，穿透的第零階光束的電場的振幅必須實質為零。上述在一實施例中，經由配置相偏移光罩112使相偏移區R具有相同面積而達成。

相偏移光罩之實施例

第8A圖為一實施例中，相偏移光罩112之一部分的示意圖，其中光罩圖案115包含可傳導的相偏移特徵或者區域R，其具有相偏移為0°且可傳導之相偏移區R₀ 以及相偏移為180°(π)且可傳導之相偏移區R_π 。

第8B圖為第8A圖之相偏移光罩112中的四個相偏移區R的特寫圖。相偏移區域R₀ 及R_π 係為方形，具有尺寸(邊長)L，相偏移區R具有相同面積且設置成棋盤狀圖案或陣列。在 一實施例中，相偏移區R可以具有任何可能的形狀，特別可以具有圓形、橢圓形及多邊形。

當微影系統100與具有棋盤狀相偏移光罩圖案115之相偏移光罩112搭配時，可以執行微影成像以在光阻層135上形成相對應的週期(例，棋盤狀)圖案，所述週期圖案的尺寸約L/2，亦即實質上為相偏移光罩112之相偏移區R之尺寸L的一半。特別地，在成像過程中有一空間週期加倍(spatial-period doubling)過程，藉由相偏移光罩圖案115實質上於基板20之表面22上被加倍，使二倍的暗區及亮區被創造在基板20上。這是因為第零階繞射光已經被消除，允許第零階繞射光與各第1階繞射光的組合重現原本相偏移光罩112之空間週期。藉由消除第零階光束，僅有二第一階光束被成像。當所述二第一階光束被組合，他們會產生具有二倍於原本相偏移光罩圖案115週期之一正弦圖案。因此，當L=1微米，尺寸為L/2=0.5微米的光阻特徵可被形成。

微影成像的一個經驗法則係為，具有成像波長為λ_I 以及數值光圈NA之微影製程系統100所能印出之最小特徵尺寸FS係為FS=k ₁ λ_I /NA，其中k ₁ 為常數且典型地係假設介於0.5至1之間，其取決於特定的微影製程。景深DOF係為k ₂ λ_I /NA² ，其中k ₂ 係為另一製程相關的常數，取決於特定的微影製程，且通常約為1.0。因此，特徵尺寸FS與景深之間必須取得平衡。

用來製造發光二極體之基板20傳統上並非如用在半導體晶 片製造上之基板般平坦。事實上，大多發光二極體基板20的整個表面20具有超過數十微米(峰到谷)的翹曲(因為MOCVD製程的緣故)，且每一曝光區EF約有5微米(峰到谷)的翹曲。此種非平面的程度在以微影成像形成發光二極體10的技術中一般咸認是個重大問題，因為相對於基板的非平面度所帶來之受限的景深。

在一使用傳統光阻之傳統微影製程中，光阻所能製造出之最小特徵尺寸(線寬)係為0.7*λ_I /NA(亦即，k ₁ 等於0.7)。印製尺寸為1微米之特徵所需之條件係，NA為0.255當成像波長λ_I =365nm時。在這個數值光圈下，無像差之成像系統的景深DOF為5.6微米，其係在典型發光二極體基板20非平面度之等級內。其意謂很難得到一個在景深範圍內的曝光區EF。因此，形成於景深外的柱體72將無法符合所需尺寸與形狀。

然而，當使用相偏移光罩112以及傳統光阻時，可以印製的最小特徵尺寸為0.3*λ_I /NA(亦即，k ₁ 等於0.3)。相較於使用傳統光罩，此具有減少大約一半所需數值光圈以及增加大約4倍景深之實用效果。因此，假設柱體直徑為D，NA=k ₁ λ_I /D，則DOF成為：DOF=k ₂ λ_I /NA² =k ₂ λ_I /[k ₁ λ_I /D]² =k ₂ D² /k ₁ ² λ_I

藉由實施例，使用成像波長λ_I =365nm來微影曝光所述光阻以獲得直徑D=1微米之柱體72，所需數值光圈NA只要 0.11，景深則超過30微米，因而非平面發光二極體基板20之每一曝光區EF都會落在景深範圍中。

在一實施態樣中，相較於目前臨界等級投射鏡頭光圈(例如0.5或更大)以及目前臨界等級成像波長(例如波長為193nm之深UV)，用以實現本說明書所述方法之微影系統100具有非常低的投射鏡頭數值光圈NA(例如0.5或更低)，且具有非常大的成像波長(例如大約λ_I =365nm，或任何其他汞譜線)。較低數值光圈與較長波長之微影製程系統100係較佳的，因為通常較不昂貴，且操作以及維護成本也比用於半導體積體電路製造之高數值光圈與短波長之先進微影製程系統來得低廉。

第9A圖為另一實施例之相偏移光罩112之示意圖，相偏移光罩112可用來形成具有次微米尺寸之柱體72的陣列70。第9A圖之相偏移光罩112基本上係近似於第8A圖與第8B圖之相偏移光罩，除了具有彼此相間隔之不透光背景區117及尺寸為L/2之相偏移區R₀ 和R_π 外。圖示之相偏移區R₀ 和R_π 係為八邊形，其係為多邊形相偏移區之一實施態樣。第9B圖類似於第9A圖，但其圖示一種具有圓形相偏移區R₀ 和R_π 之相偏移光罩112。

不透光背景區117可以被塗上一吸收層，例如鉻或鋁。具有相同尺寸L/2之相偏移區R₀ 和R_π 係印在光阻層135上，其超越1微米設計之微影製程系統100之傳統解析極限。如第9A圖以及第9B圖中相偏移光罩112之配置的優點為容易控制 用以形成柱體72之陣列70之最終微影圖像之幾何形狀與間距。

第10圖為一實施例中，形成於負型光阻層135上之光阻柱體72’之陣列70的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，所述光阻具有3微米的厚度，且使用類似於第8A圖之相偏移光罩112，具有L/2=0.6之相偏移區R₀ 及R_π 。每一光阻柱體72’之直徑(寬度)D係約為0.6微米。需注意的是，光阻柱體72’之形狀可以改變(例如下切而具有斜側壁等)，因此圖示二虛線圓73代表光阻柱體72’之真正尺寸與形狀。

具有輔助相區之相偏移光罩

第11A圖係為一實施例中，具有如第8A圖之棋盤陣列之一無鉻相偏移光罩112之俯視圖。第11B圖為第11A圖中，插圖AA之特寫圖。第11A圖之相偏移光罩112包含被其表面114所支撐之相偏移光罩圖案115，並且近似於第8A圖之相偏移光罩。相偏移光罩圖案115具有中央(或者是內部，抑或是主要)棋盤陣列115C，棋盤陣列115C具有交替之相偏移區(或相區)R₀ 及R_π 。棋盤陣列115C具有周緣115P，周緣115P包含邊115E以及四個角隅115PC。需注意的是，相偏移區R必須具有π(180°)之相位差，且任何符合此條件之相區R的組合皆可以被使用，例如R_π/2 及R_3π/2 等。相偏移區R的尺寸係等於或大於微影製程系統100的解析極限，相偏移光罩112係 被微影製程系統100所使用，亦即相偏移區R的尺寸係被設計以在光阻層135或類似介質上形成一適當或可用的特徵。

相偏移光罩圖案115更包含輔助圖案或陣列115A，其於邊115E之處環繞中央棋盤陣列115C。輔助圖案或陣列115A包含次解析輔助相區R’，次解析輔助相區R’緊鄰設置於周緣115P之至少一部份，例如至少一或一以上的邊115E。在此，次解析係指當以具有解析極限之微影成像系統成像時，輔助相區R’不會形成通常被認定為適當或有用的特徵，所謂適當或有用的特徵，舉例來說係如光阻柱體72’之光阻特徵。各輔助相區R’係與與其相鄰之棋盤陣列115C之相偏移區R反相。輔助相區R’定義輔助圖案115A之周緣118。

在一實施例中，決定所給定的輔助相區R’是否為次解析，可以實際藉於一光感介質中，例如光阻，以相偏移光罩112進行微影成像來決定。然後根據相偏移光罩112所要印製的標的來判斷是否形成於光阻層135上之任何輔助相區R’可被認定為適當或有用的特徵。

在一實施例中，至少某些輔助相區R’具有一個維度係與與其相鄰之棋盤陣列115C之相偏移區R相同，且另一維度係實質上小於(例，尺寸的1/2或更小)與其相鄰之棋盤陣列115C之相偏移區R。

在一實施例中，相偏移光罩圖案115外之表面114(亦即緊鄰於輔助相區R’之周緣118)包含不透明背景區117，因而曝 光區EF具有銳利的邊緣(請參照第11A圖)。

在一實施例中，輔助相區R’係位於相偏移光罩圖案115之階層區外，亦即僅有棋盤陣列115C落在曝光區EF中真正成像的範圍內。當曝光區EF被縫合，與輔助相區R’結合之未印製的範圍會與下一曝光區EF之圖案部分重疊。

第11C圖近似於第11B圖，但揭露了另一相偏移光罩115的實施例，其中輔助相區的配置進一步包含一或多個輔助相區R’，其個別地設置於一或多個角隅115PC。顯示於第11B圖中之角隅輔助相區R’具有π之相偏移以維持棋盤陣列圖案。在一實施態樣中，角隅輔助相區R’係小於鄰設於邊115E之非角隅輔助相區R’。因此，在一具體實施例中，輔助相區R’係設置以環繞(緊環繞)周緣115P。在另一具體實施例中，輔助相區R’係設置以至少部分環繞周緣115P。

曝光區EF可以被縫合以形成大的光阻柱體72’的陣列70。這是因為形成發光二極體10包含形成柱體72的陣列70於基板20上，以作為發光二極體製程之第一道圖案化層。經由使用步進於曝光區EF之間的微影製程系統100，建立一個整合切割線的製程係可能的。然而，這並非使用整片晶圓對準器之傳統LED製程所發展的。目前在發光二極體製程中，晶圓(基板20)的各處係不具切割區(也稱為切割線)137的。更確切地說，實質上整個晶圓係包含光阻柱體72’之陣列70’而沒有任何實質的中斷處，亦即為實質連續的陣列70’及因此而連續 的陣列70。

柱體72的配置係可能的，因為隨後用來形成發光二極體10的各層不須與陣列70對準。這允許具有陣列70之晶圓可以是一般的，而可適用於所有晶粒尺寸之任何發光二極體裝置。因為所形成之陣列70並非特定的裝置，所以其可以經由晶圓供應者來形成，而非由裝置製造者。因此對於任何形式的陣列(例如柱體72中每一柱體的尺寸)而言僅需一片相偏移光罩112，相偏移光罩112的成本可藉由對所有裝置使用相同陣列70來平均分攤。

在相偏移光罩112中，棋盤陣列115C有效地供應相對於曝光區EF內部之一無限陣列。實際上，舉例而言，相偏移光罩112係用來形成數千個發光二極體，其中每一發光二極體包含數千柱體72(請參照第1圖)，因此有數千個相偏移區R以及R'構成了棋盤陣列115C以及輔助圖案115A。然而，當相偏移光罩圖案115僅包含棋盤陣列115C因而其周緣115P終結在相對應微影曝光區EF時，因為在遠離邊115E之處缺少相干涉，所以曝光區EF之周緣118的特徵因而被扭曲。

第12A圖係揭露使用相偏移光罩112所形成之光阻柱體72’之(負)陣列70’，其中相偏移光罩圖案115僅包含棋盤陣列115C。陣列70’包含形成於曝光區EF周圍之周緣柱體72’P，以及包含形成於柱體72’P內之中央或內部柱體72’C。需注意的是，相對於內部柱體72’C，周緣柱體72’P係被扭曲的。周 緣柱體72’P以及中央或內部柱體72’C係被虛線所分開的，藉以區別這兩種形式的柱體。

第12B圖近似於第12A圖，但相偏移光罩112更包含具有如第11B圖所示之周緣環繞配置之輔助相區R’。所產生的光阻柱體72’的陣列70’包含周緣柱體72’P，由於輔助相區R’的緣故，周緣柱體72’P的形狀係實質相同於內部柱體72’C。相偏移光罩112的設置減少(且可用於最小化)相鄰光阻區的曝光，使隨後曝光之相鄰曝光區EF之光阻圖案被縫合而沒有間斷。

第13圖為形成於光阻層135中之(正)光阻柱體72’之2D模型化陣列70’的剖面圖，其係根據微影製程模型化軟體PROLITH^® 的資料模擬而得，該軟體可自KLA-Tencor,Milpitas,California獲得。在微影曝光模擬中所使用的相偏移光罩112，包含數個以棋盤圖案設置之1.6微米之方形相偏移區R，搭配以0.4微米寬之輔助相區R’，所述輔助相區R’僅設置在相偏移光罩112的左側。微影曝光模擬使用波長365nm之I-line，以及數值光圈(NA)為0.28、同調因子σ=0.57之投射鏡頭，其提供微影投射器一特徵解析度極限(0.7)λ/NA，約為1微米。

光阻層135之最左邊光阻牆W135L之牆W72’的形狀係與最左邊的光阻柱體72’非常相似，依次地也與相鄰柱體(標示為72C’以代表中央或內部柱體)非常相似，其指出整體一 直到曝光區EF的左緣均具有良好的特徵形成。另一方面，相對於其他光阻牆而言，連接於未輔助之相偏移光罩112之右側邊緣之光阻層135之光阻牆W135R係被扭曲的，其指出曝光區EF右邊的特徵形成係低於最佳的。

於相偏移光罩112上之相偏移區R的數量N以及輔助相區R’的數量N’係取決於曝光區EF的尺寸以及柱體72於陣列70中的間距。對於曝光區尺寸為S_EF 及柱體72間距為P₇₂ 而言，相偏移區R的數量係為N=(S_EF /P₇₂ )² 。在一實施例中，S_EF =10mm，P₇₂ =0.0016mm，N=(10/0.0016)² =3.9x10⁷ 。設置於相偏移光罩112所有四個邊之輔助相區R’的數量N'係為N’=4*(10/0.0016)=2.5x10⁴ 。如果輔助相區R’添加在棋盤陣列115C之四個角隅，數量N會乘以4。

形成粗糙化基板表面的方法的實施例

因此，本發明之一概念還包含在發光二極體10的製造過程中形成具有柱體72之陣列70之粗糙化基板表面22，其使用微影成像以及微影製程技術來實現。所述微影成像以及微影製程技術係使用具有如前述之輔助相區R’之相偏移光罩112。形成柱體72之陣列70之一實施例請參考第6圖、第14A圖至第14E圖以及以下說明。

首先請參照第14A圖，本方法包含提供基板20，基板20之表面22上方具有光阻層135。本方法還包含設置被塗布 之基板20於微影製程系統100(請參照第6圖)之可移動基板平台130上。包含棋盤陣列115C以及輔助圖案115A之前述相偏移光罩112(請參照第11A圖至第11C圖)係被設置於微影製程系統100之光罩平台110上。本方法還包含操作微影製程系統以執行微影成像，藉此，相偏移光罩112係被照明光線108所曝照，來自相偏移光罩圖案115的合成(繞射的)曝光光線121被投射鏡頭120所捕捉並成像，而於曝光區EF曝照光阻層135，以於實質整個曝光區EF形成光阻柱體72’的陣列70’，如第14B圖所示。

請參照第7圖，須注意許多發光二極體區10’係於光阻層135之各曝光區EF中形成。因此，在一實施態樣中，相偏移光罩圖案115具有15mm x 30mm之面積，且其中各發光二極體係為1mm平方，共有450個LED區10’連結於各曝光區EF，且當微影製程系統100於等大放大率下操作時，其面積也是15mm x 30mm。第7圖之插圖B揭露一種發光二極體區10’的陣列10A’，其與發光二極體10的形成相關聯。發光二極體區10’係被切割區11所分離。然而，光阻柱體72’的陣列70’係形成於曝光區EF的各處(請參照第7圖之插圖C)，包含顯示於插圖A中之切割區137。於曝光區之邊緣處，區對區的縫合可能是需要的。因為相偏移光罩112係設置用以減輕形成於曝光區邊緣之變形，其促進縫合製程，並消除在切割區137設置一部分曝光區(例如曝光區的邊)的需求。

請參照第14C圖，第14B圖中曝光的光阻層135係被加工以移除未曝光的光阻(負型光阻)或移除曝光的光阻(正型光阻)以留下光阻柱體72’的陣列70’或者是與其互補的特徵，亦即與光阻柱體72’互補的洞。光阻陣列70’隨後被以標準微影蝕刻技術蝕刻，如箭頭200所指之處，以轉印光阻圖案於基板20，藉以形成柱體72的陣列70於基板的表面22，如第14D圖所示。

第14E圖係類似於第14D圖，揭露一種陣列70之柱體72具有非圓柱形，亦即如圖所示之金字塔形。此種形成於基板20表面22之柱體72的形狀，可透過非金字塔形之光阻柱體72’以及使用前述蝕刻技術而得。

此時基板20係設置有複數發光二極體區10’，其具有適當的柱體粗糙化基板表面22。發光二極體10係使用標準發光二極體微影製程技術所製造。例如，包含形成氮化鎵多層結構30於粗糙化之基板20的表面22，然後個別地增加p型接觸90p以及n型接觸90n於p型氮化鎵層50與n型氮化鎵層40上，如第1圖所示。

本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

136G‧‧‧整片對準標記

137‧‧‧切割區

150‧‧‧光學對準系統

152‧‧‧光源

153‧‧‧對準光線

153R‧‧‧對準光線之部分

153S‧‧‧被繞射光線

154‧‧‧分光鏡

156‧‧‧鏡頭

158‧‧‧折鏡

160‧‧‧影像感測器

164‧‧‧影像處理單元

165‧‧‧記憶體單元

170‧‧‧顯示單元

R₀ 、R_π ‧‧‧相偏移區

R₀ ’、R_π ’‧‧‧輔助相區

W135L‧‧‧最左邊光阻牆

W135R‧‧‧最右邊光阻牆

112‧‧‧相偏移光罩

114‧‧‧表面

115‧‧‧相偏移光罩圖案

115A‧‧‧輔助圖案

115C‧‧‧內部棋盤陣列

115P‧‧‧周緣

118‧‧‧輔助圖案之周緣

Claims (20)

1. 一種相偏移光罩，適用於具有一解析極限之一微影成像系統，包含：一棋盤陣列，由複數相偏移區所構成，各該相偏移區之尺寸係等於或大於解析極限，相鄰之該相偏移區具有180°之相對相位差，該棋盤陣列具有一周緣；及複數輔助相區，緊鄰設置於該周緣之至少一部分，各該輔助相區的尺寸係低於該解析極限，每一該輔助相區與相鄰之該相偏移區之間具有180°之相對相偏移相位差。
2. 如請求項1所述之相偏移光罩，其中，該周緣包含四個邊，該些相偏移區係鄰設於該四個邊中之每一邊。
3. 如請求項2所述之相偏移光罩，其中，該周緣包含四個角隅，該四個角隅係由該四個邊所定義，各該輔助相區係個別地鄰設於該四個角隅。
4. 如請求項1至3任一項所述之相偏移光罩，其中該輔助相區係緊鄰設置於該棋盤陣列之整個該周緣。
5. 如請求項1至3任一項所述之相偏移光罩，更包含一不透明層，該不透明層緊鄰於該些輔助相區所定義之一周緣。
6. 一種相偏移光罩，適用於具有一解析極限以及一波長之一微影製程系統，包含：一光罩本體，具有一表面，該光罩本體對於該微影製程系統之波長而言是透明的；一棋盤陣列，由複數相偏移區所組成，該棋盤陣列被該光罩本體之表面所支撐，該些相偏移區之尺寸係等於或大於該解析極限，相鄰之各該相偏移區之間的相位差係為180°，該棋盤陣列具有一周緣，該周緣包含複數邊以及四個角隅；複數輔助相區，被該基板之該表面所支撐，每一該輔助相區之尺寸係低於該解析極限，各該輔助相區係緊鄰於該些邊以及該四個角隅以環繞該周緣，各該輔助相區與與其相鄰之該相偏移區之間具有180°之相位差，相鄰之各該輔助相區之間亦具有180°之相位差。
7. 如請求項6所述之相偏移光罩，更包含一不透明層，該不透明層緊鄰於該些輔助相區所定義之一周緣。
8. 一種以微影製程技術圖案化半導體基板之方法，包含：提供具有一表面之一半導體基板，該表面支撐一層光阻；微影成像一相偏移光罩圖案於該層光阻，該相偏移光罩圖案包含一相偏移區之一棋盤陣列以及複數輔助相區，相鄰之該相偏移區之間具有180°之相位差，該棋盤陣列具有一周緣，各該輔助相區的尺寸係低於該解析極限，該些輔助相區係緊鄰設置於該周緣之至少一部份，各該輔助相區與與其相鄰之該相偏移區之間具有180°之相位差；及加工該光阻層以形成一光阻特徵之一週期陣列。
9. 如請求項8所述之方法，更包含：加工該光阻特徵以創造一基板柱體之陣列，該基板柱體之陣列定義一粗糙化基板表面；及於該粗糙化基板表面上形成一p-n接面多層結構。
10. 如請求項8或9所述之方法，其中，該半導體基板係由藍寶石所製成。
11. 如請求項8或9所述之方法，其中，該微影成像具有一標稱波長以及一等大放大率，該標稱波長係為365 nm。
12. 如請求項9所述之方法，其中，該基板柱體之尺寸係小於或等於1微米，該方法更包含於0.5或更小之數值光圈下執行該微影成像。
13. 9或12任一項所述之方法，其中，該相偏移光罩更包含一不透明層，該不透明層緊鄰於該些輔助相區所定義之一周緣。
14. 9或12任一項所述之方法，其中，該微影成像包含將曝光區予以縫合以於實質整個該基板上之該光阻層中創造實質連續之該光阻柱體之陣列。
15. 一種形成發光二極體的方法，包含：微影曝光被一半導體基板所支撐之一光阻，以於該光阻中形成一光阻柱體陣列，包含將光線穿過具有一棋盤狀相偏移圖案之一相偏移光罩，該棋盤狀相偏移圖案具有被一次解析輔助相區陣列所環繞之一周緣；加工該光阻柱體陣列以形成一基板柱體之陣列，該基板柱體之陣列定義一粗糙化基板表面；及於該粗糙化基板表面上形成一p-n多層結構以形成發光二極體；其中，相較於不具該粗糙化基板表面之發光二極體，該粗糙化基板表面散射該p-n多層結構所產生的光，因而增加發光二極體之總發光量。
16. 如請求項15所述之方法，其中，該相偏移光罩更包含一不透明層，該不透明層係緊鄰於該次解析輔助相區所定義之一周緣。
17. 如請求項15或16所述之方法，其中，對該光阻施以微影曝光之步驟係在0.5或更小的數值光圈下進行。
18. 如請求項17所述之方法，其中，對該光阻施以微影曝光之步驟係在365 nm之標稱波長以及等大放大率下進行。
19. 如請求項15、16或18任一項所述之方法，其中，對該光阻施以微影曝光之步驟中更包含縫合曝光區以於實質整個該基板上創造實質連續之該光阻柱體陣列。
20. 如請求項19所述之方法，更包含將曝光區的一部份予以疊合，該曝光區的一部份係對應於該相偏移光罩之輔助相區。