TWI755963B - 形成三維微結構的方法和裝置 - Google Patents

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許永昕
吳俊穎
簡弘量
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Abstract

本發明提供形成三維微結構在諸如導光板或積體電路等等的方法和裝置。本發明一方面讓具有一或多特殊輪廓光罩的光罩陣列與被光阻層所覆蓋的底材二者間相對運動，另一方面讓被投射經過光罩陣列的各個光線可以被個別地且動態地調整，藉以將光阻層曝光成為不同部份對應到不同三維微結構的圖案化光阻層。特別地，光罩陣列與底材間的相對運動方向，係與光罩陣列的行方向與列方向都相互交叉的。透過調整此相對運動方向，將可以至少調整光阻層如何被圖案化以及相對應地形成在底材的各個三維微結構的輪廓與分布方式。

Description

形成三維微結構的方法和裝置
本發明主張2020年6月23日提申之美國臨時申請案申請號第63/042,608號的優先權，其整體內容併於此處以供參考。
本發明係有關於形成三維微結構的方法和裝置，特別是有關於使用光罩陣列(mask array)與被光阻覆蓋底材之間的斜掃描以及彈性地轉移光罩陣列圖案到光阻來形成三維微結構的方法和裝置。
在現代電子產品與現代電子產品製程，三維微結構(three dimensional microstructures)的重要性日亦增加。舉例來說，在平面顯示器，往往需要在導光板(light guide plate)上形成多數個三維微結構，透過改變通過任何一個三維微結構的光線的傳播方向與傳播強度，藉以改變整個導光板的均勻度與出光效率。舉例來說，在積體電路，隨著諸如鰭狀電晶體(FinFET，Fin Field Effect Transistir)等等非平面元件的逐漸普及，在半導體製程中使用三維微結構來形成非平面電晶體等等或甚至直接形成做非平面元件一部份的三維微結構，往往也是不可避免的。因此，強烈地需要持續 地發展新的方法與裝置來形成需要的三維微結構。
本項專利提出一種以高精度無光罩曝光機的光點陣列斜掃描技術為基礎，搭配多邊形微型光罩陣列，藉由光罩陣列拖拉運動，達到三維立體微結構加工的目標。此一新的曝光加工原理，系承襲紫外光光點陣列斜掃描，以數位微反射鏡裝置(Digital Mirror Device,DMD)、紫外光光源模組調控數位影像，加上使用微透鏡陣列，搭配任意多邊形光罩陣列作為空間濾波器與紫外光光束整形(UV beam shaping)，可以得到具備最高精度與最小線寬的三維微結構(3D micro-structure)；本專利最重要的發明，是採用一種”紫外光光束整形(UV beam shaping)”的加工方法，配合上述之紫外光光罩陣列斜掃描，此微結構加工法應用於顯示器背光模組的模具製造，具有高產率、大面積、設計彈性等優勢，可以用於取代傳統使用機械超精密加工機所遇到的刀具易損毀、模具製造周期過長、設計製程端整合不易等問題，應用於液晶顯示器背光模組(Liquid Crystal Display,LCD backlight module)產業中。
本發明的一些實施例係藉由使用多數個數位微反射鏡以及一個任意多邊形光罩陣列來實行光束整形，不只可以直接對光阻進行曝光也還可以調控曝光劑量與曝光位置。基於曝光劑量可以任意調控的特性， 這些實施例可以彈性地調整光阻的曝光結果，從而在被光阻所覆蓋的底材上形成所需要的三維微結構。取決於實際需要，像是需要曝光的大小不同尺寸的三維微結構，可以是一個數位微反射鏡對應到一個多邊形光罩陣列，也或可以是任意多數個數位微反射鏡對應到一個多邊形光罩陣列，藉以根據需要形成的三維微結構的尺寸與形貌，選擇最佳的數位微反射鏡與多邊形光罩的組合。
本發明的一些實施例係以數位微反射鏡陣列為基礎，搭配多邊形光罩陣列，藉由光罩陣列的斜掃描運動，達到三維立體微結構加工的目標。這些實施例係以數位微反射鏡裝置(Digital Mirror Device,DMD)與光源模組進行調控，搭配陣列排列的任意多邊形光罩，藉以實現光束整形(light beam shaping)，從而在被光阻所覆蓋的底材上得到具備高精度與小線寬的三維微結構。由於微反射鏡裝置與微透鏡等等都已經是商業化產品，像是德州儀器的網頁https：//www.mouser.com/new/texas-instruments/ti-dlp470tp-dmd/所揭露的，所以這些實施例的具體實現並沒有技術困難。
在本發明，光罩陣列的主要特徵是具有特殊輪廓的光罩，在此特殊輪廓可以是等於所要形成三維微結構的輪廓，也可以是根據光阻性質等所計算得到的類似三維微結構輪廓的輪廓。在本發明，光罩陣列與被光阻所覆蓋底材二者之間的相對運動途徑，也就是說掃瞄線，係與光罩陣列上這些光罩的排列方向相互交叉，亦即當這些光罩是分別沿著行方向(row direction)與列方向(column direction)排列成為二維陣列時，或者說是掃瞄線同時與行方向與列方向二者相交叉，又或說是光罩陣列相對於掃瞄線 旋轉了一個角度，亦即是光罩陣列與底材之間是呈現斜掃描。在本發明，由數位微反射鏡裝置與光源模組二者所組合而成的數位微反射鏡陣列(或說是光點陣列)的主要特徵是其不同部份可以個別地被開啟或被關閉或被調整，使得被投射往位於底材上的光阻的光線，可以在不同時間來自於其不同部份，甚至在不同時間來自不同部份的光線強度及/或方向都可以有所差別。
在本發明中，可以藉由改變掃瞄線與光罩陣列的行方向與列方向的夾角角度，或著說是藉由調整光罩陣列相對於掃瞄線所旋轉的角度大小，調整光罩陣列中各個光罩在光阻上的投影位置與投影輪廓。在本發明中，可以在光罩陣列與被光阻所覆蓋底材相對運動的期間，彈性地使得不同時刻中被投射通過光罩陣列而抵達光阻層的不同部份的或是相同的光線又或是不相同的光線。藉此，本發明可以彈性地調整被曝光光阻的輪廓，從而調整後續製程中在被已曝光光阻所覆蓋底材上所形成的三維微結構。
必須強調的是本發明並不需要限制具體的細節。舉例來說，可以使用紫外光但也可以使用其他波長的光線，可以是使用數位微反射鏡裝置(Digital Mirror Device，DMD)來與光罩陣列相互組合，但也可以使用其他的硬體來與光罩陣列相互組合，藉以在不同時刻將不同光罩圖形轉移到光阻層。舉例來說，光罩陣列所擁有的各個光罩，通常是都具有相同的輪廓(大小/形狀)與相同的排列方向，但是若有需要也可以有各自的變化。舉例來說，斜掃描的角度，或說是光罩陣列與掃瞄線之間的夾角角度，往往係取決於光罩陣列與掃瞄線之間的角度為零時沿著掃瞄線方向上光罩 陣列有多少個光罩，亦即是取決於光罩陣列所具有的光罩數量或說是斜掃瞄時會出現在垂直於掃瞄線的方向上的光罩投影數量，但也可以再取決於其他因素，像是需要形成在底材的各個三維結構的分布密度、形狀、平面尺寸與立體深度等等。
簡言之，本發明提供了形成三維微結構的方法和裝置。此方法係一方面讓光罩陣列與被光阻層所覆蓋底材二者間進行斜掃描，亦即讓二者間的掃瞄線與光罩陣列的排列方向相互交叉，又另一方面在斜掃描進行期間彈性地視需要投射光線經過光罩陣列而抵達位於底材上的光阻層，藉以形成對應到需要之三維微結構的圖案化光阻層，使得後續製程可以使用此圖案化光阻層來在底材形成需要的三維微結構。此裝置至少具有可以以彈性地提供光線的光點陣列(像是數位微反射鏡陣列)，具有特殊輪廓光罩的光罩陣列，可以推動光罩陣列與被光阻層所覆蓋底材進行斜掃描的驅動總成，藉以在電腦或微處理器等的控制下，將光阻層曝光成為對應到需要之三維微結構的圖案化光阻層。
110:底材
120:光阻層
130:光罩
140:光源
150:特殊圖案
201:光罩陣列
202:掃描方向
203:光罩投影
301:步驟方塊
302:步驟方塊
401:光罩陣列
402:光點陣列
403:驅動總成
4041:光阻層
4042:底材
601:數位微反射鏡陣列
6011:紫外光發光二極體光源
6012:反射鏡
6013:反轉視內部全反射鏡
6014:數位微反射鏡裝置
6015:第一成像鏡組
6016:第二成像鏡組
602:光罩陣列
6021:微透鏡與空間濾波器陣列
603:驅動總成
6031:運動平台
604:光阻層
605:底材
6061:電腦
6062:運動控制器
〔圖1〕習知光阻圖案化製程技術的摘要示意圖。
〔圖2〕摘要地顯示本發明所使用的斜掃描。
〔圖3〕本發明提供的形成三維微結構的方法。
〔圖4〕本發明提供的形成三維微結構的裝置。
〔圖5〕顯示了一些不同形狀的單一光罩在經過相對運動與曝光後會在光阻層形成怎樣的圖案。
〔圖6〕本發明提出的形成三維微結構的裝置的一些實施例。
〔圖7A至7H〕本發明數位微反射鏡裝置的曝光方式實施例。
〔圖8A至圖8B〕係分別地顯示一般常用光阻材料的呈現指數型態分布的特性曲線以及本發明修正過的曝光劑量和結構深度間關係。
〔圖9〕定性地顯示用來計算光阻材料之曝光劑量與顯影深度的實際特性曲線所使用的一些方程式的基本數學性質。
〔圖10〕以曲面擬和(Surface Fitting)且假設能量分布計算出單位面積的光功率分布。
〔圖11A〕顯示了針對單邊斜坡結構的結構深度-曝光劑量曲線圖以及根據上述計算得到的設計之光罩圖形。
〔圖11B至圖11C〕分別顯示了兩種目標結構橫截面以及根據上述計算得到的設計之光罩圖形。
〔圖12〕顯示三維立體微結構加工的目標，並計算對應的三維曝光劑量分布與顯影後三維結構深度。
本發明是對於習知光阻圖案化製程加以改良。如圖1所示之習知光阻圖案化製程技術的摘要示意圖，沿著Z軸，底材110為光阻層120所覆蓋，光罩130與光源140係依序排列並且相互分離也與光阻層110相互分離。底材110與光阻層120可以沿X軸移動而光罩130(甚至光源140)可以沿著Y軸移動。藉由控制各自的移動，可以將光阻層120轉化為具有特殊圖案150的圖案化光阻層，以在後續蝕刻程序將特殊圖案150轉移到底材110而形成 需要的三維微結構。
本發明相對於習知光阻圖案製程，至少有下列改良。第一，使用斜掃描，亦即當多數個光罩排列成二維光罩陣列時，係讓光罩陣列相對於光罩陣列與底材間的掃瞄線轉動一個角度，又或說是在光罩陣列位於二維平面上時讓掃瞄線與二維光罩陣列的行方向與列方向都相互交叉。透過調整彼此間的夾角角度，可以調整沿著與掃瞄線垂直的方向上各個光罩各自投影的輪廓(大小、尺寸與方向)以及所有光罩投影的分布方式(密度、位置)，進而可以改變圖案化光阻層所具有的特殊圖案，並且調整後續形成在底材110的三維微結構。第二，可以動態地且彈性地調整被投射到光阻層的光線，藉以在光罩陣列與底材進行相對運動的期間，在不同時刻時投射或不投射光線到光罩陣列的不同部份來轉移不同的光罩圖形，或甚至在不同時刻投射不同強度的光線到光罩陣列的相同或不相同部分來將光罩陣列相同或不相同部分的圖案給充分地或部分地轉移，，藉以在光阻層120的不同部份都形成需要的某特殊圖案，甚至是分別形成需要的不同特殊圖案。
本發明所使用的斜掃描，可以摘要地顯示如圖2所示，多數個具有相同輪廓的光罩係排列成為有M行與N列的光罩陣列201，任一個光罩本身在行方向與列方向分別對應到m個與n個光點，而底材(未顯示)與光罩陣列201之間的掃描方向202係與光罩陣列201的列方向相互交叉成一個夾角角度θ，來自光源(未顯示)的光線的光線方向也與此掃描方向相互交叉，使得每一個光罩都在掃描方向上有一個光罩投影203，並且沿著掃描方向202上相鄰光罩投影203彼此間距離都是比沿著光罩陣列201的行方向或列方向上相鄰光罩彼此間距離都來得小。如圖2所示，相鄰光罩投影202彼 此間距離與相鄰光罩彼此間距離的差距，係取決於掃描方向與此二維陣列之行方向(或是列方向)彼此間的夾角角度。
簡言之，本發明提供了一種形成三維微結構的方法，如圖3所示。首先，如步驟方塊301所示，讓光罩陣列與被光阻層覆蓋的底材沿著掃瞄線進行相對運動，在此光罩陣列具有排列成為陣列的具有特殊輪廓的至少一光罩，在此掃瞄線係與光罩陣列的排列方向相互交叉。其次，如步驟方塊302所示，在光罩陣列與底材進行相對運動的期間，投射光線經過光罩陣列而到達光阻層，藉以形成具有對應到待形成三維微結構之輪廓的圖案化光阻層。當然，雖未在圖3顯示，本方法也可以在相對運動結束與圖案化光阻層形成好後，進行蝕刻程序藉以在底材上形成三維微結構。
簡言之，本發明提供了一種形成三維微結構的裝置，如圖4所示，具有光罩陣列401、光點陣列(像是數位微反射鏡陣列)402以及驅動總成403。在此，光罩陣列401係配置成具有排列成為一陣列的具有特殊輪廓的至少一光罩，光點陣列402係配置成具有可以個別地運作並且排列成一陣列的至少一光點(像是由可以個別地運作並且排列成一陣列的至少一數位微反射鏡所組成的數位微反射鏡陣列)，以及驅動總成403係配置來讓光罩陣列401與被光阻層4041所覆蓋的底材4042二者沿掃瞄線405進行相對運動。在此，掃瞄線405係與光罩陣列401的排列方向相互交叉，而且光點陣列402(像是數位微反射鏡陣列)在光罩陣列401與底材4042進行相對運動的期間提供光線，藉以形成具有對應到待形成三維微結構之輪廓的圖案化光阻層。雖未在圖4顯示，本裝置還可以更包含一蝕刻總成，其係配置來在相對運動結束與光阻層被圖案化後，進行蝕刻程序藉以在底材4042上形成三維微結構。
必須強調地，本發明並不需要多所限制硬體細節以及流程細節。舉例來說，只要能實現斜掃描，如何轉動光罩陣列與如何調整轉動角度都可以，畢竟重點是在讓光罩陣列相對於掃描線轉到一個角度從而相對應地調整光阻層是怎樣地被圖案化。舉例來說，只要能沿著掃瞄線(或說是相對運動方向)相對運動，或是只有移動光罩陣列，或是只有移動底材，或是同時移動光罩陣列與底材都可以，並且光罩陣列與底材是否以固定速率沿著掃瞄線進行相對運動都可以。舉例來說，只要能在需要時將光線經由光罩陣列傳送至光阻層以形成需要的特殊圖案，光點陣列(像是數位微反射鏡陣列)、光罩陣列與底材這三者之間是怎樣地被相對移動，都是可行的。舉例來說，取決於需要形成的特殊圖案(或說是取決於需要形成的三維微結構)的輪廓，可以使用紫外光、深紫外光、黃光或是具有其它波長的光線。舉例來說，為了動態地將光罩陣列不同部份的圖案轉移至光阻層的不同部份，不同的數位微反射鏡(亦即不同光點)可以個別地被開啟或被關閉，也可以個別地被調整所產生光線的強度，並且可以在光罩陣列與底材的相對運動期間不同的一第一時刻與一第二時刻，分別地讓來自第一光點組(像是第一數位微反射鏡組)與來自第二光點組(像是第二數位微反射鏡組)的光線經過光罩陣列而抵達光阻層，在此第一光點組所包含的一或多光點(或說是一或多數位微反射鏡)係不同於第二光點組所包含的一或多光點(或說是一或多數位微反射鏡)。在此，光點陣列或可以是一個大型光源與多數個數位微反射鏡的組合(亦即可以是一個數位微反射鏡陣列)，藉以透過動態地調整各個數位微反射鏡是否將來自大型光源的光線反射至光罩陣列來動態地提供光線通過光罩陣列的不同部份，但也或可以是排列成為二維陣列的多數個 微小光源，藉以透過動態地調整各個微小光源的開啟或關閉來動態地提供光線通過光罩的不同部份。舉例來說，光罩陣列中每一個光罩通常都具有相同的形狀、相同的大小與相同的排列方向，但也可以視需要讓至少二個光罩具有不同的形狀、不同的大小及/或不同的排列方向。
必須強調地，本發明並不需要多所限制所形成的三維微結構為何，亦即本發明可以被應用在許多現代電子產品與現代電子產品製程。舉例來說，本發明可以被應用在液晶顯示器等所使用的背光模組中的導光板的生產製作，利用本發明可以任意調控曝光劑量的特性，除了在設計與製作時有更大的彈性，也可以提升整體導光板模具的生產效率，進而改善現有導光板製程中化學蝕刻、超精密機械加工、光微影與內部擴散等幾個做法，普遍面臨的加工速率慢、產量低、微結構形貌不易控制以及不容易大面積生產等等缺點。舉例來說，本發明可以被應用來製作記憶體及/或積體電路等等元件，如眾所皆知的黃光微影製程已經普遍被應用，而本發明藉由使用光罩與底材二者間的斜掃描以及可以在不同時刻輸出不一樣空間分布的光線的光源，可以進一步優化現有的微影製程，即便沒有明顯地改善所使用的硬體，便可以更有效率地更有彈性地製作需要的三維微結構。
進一步地，本發明使用斜掃描時，基本上，通常是讓光罩陣列上各個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是均勻地分布，及/或是讓光罩陣列上至少M個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是相互重疊，在此M為大於一的正整數。特別是，一個常用的選項是讓光罩陣列相對於掃瞄線轉動一個角度
Figure 109143223-A0305-02-0012-1
，在此N為此轉動角度大小為零時沿著掃瞄線方向 上光罩的數量。當光罩陣列的某一個光罩是被來自在每一行與每一列都分別各具有m個與n個光點並且各個光點(像是各個數位微反射鏡)的長寬尺寸皆為△的一部份光點陣列(像是數位微反射鏡陣列)的光線所照射點亮時，此光罩圖案在光阻層被曝光的部分會形成一個能量分布，進而隨著光罩陣列與底材間相對運動而沿著掃瞄線累積成為三維的能量分布。在此，若掃瞄線是平行於y軸，則在垂直於掃瞄線的方向上不同x座標處會有不同的光罩開孔大小
Figure 109143223-A0305-02-0013-2
，其中k為常數待定係數，而此光罩開口大小將決定在相對運動與光阻層曝光後，沿著掃描線的曝光劑量累積。顯然地，只要m及/或△的數值增加，便可以在大面積範圍內曝光出具有高空間解析度的三維光阻結構，從而在後續蝕刻程序後在底材上形成具有高空間解析度的三維微結構。舉例來說，在某個實施例，係使用64個長度與寬度都是13.68μm的數位微反射鏡排列成為8行與8列的陣列做為數位微反射鏡陣列的子單元，並且使用行數與列數分別介於128到1024之間以及介於96到768之間的光罩陣列，此時常數待定係數k的範圍係介於0.1到5之間，並且夾角角度θ的大小係介於0.010416到0.001302(rad/弧度)之間。做為樣例說明，圖5顯示了一些不同形狀的單一光罩(圖5左側)在經過相對運動與曝光後(圖5中間)會在光阻層形成怎樣的圖案(圖5右側)，其中黑色部分代表光線被阻擋，白色部分代表光線完全穿透，而灰色部份代表劑量逐漸累積的斜坡帶。顯然地，當需要形成的三維微結構的輪廓不一樣時，需要形成在光阻層的圖案便不一樣，從而需要不同形狀的單一光罩。亦即，光罩陣列中每一個光罩的圖案，都是針對所要形成的三維微結構的輪廓，所分別設計的。像是圖1中光罩130讓光線通過的開口的形狀為菱形，便是針對需要轉移到光阻 層120之特殊圖案150所特別設計的光罩。
本發明提出的形成三維微結構的裝置的一些實施例可以摘要如圖6所示。在此，係以數位微反射鏡陣列601作為光點陣列，其包括了可以提供紫外光的紫外光發光二極體光源(UltraViolet Light-Emitting Diode Light Source)6011、可以改變紫外光方向的反射鏡(Reflection Mirror)6012、相對表面分別可以讓紫外光被折射與被反射的反轉式內部全反射鏡(Reverse Total Internal Reflection)6013、具有可以反射紫外光並且可以改變反射方向的一或多數位微反射鏡的數位微反射鏡裝置(Digital Micromirror Device)6014以及可以用來調整通過之紫外光光束均勻度的第一與第二成像鏡組(Projection Lens)6015/6016。在此，光罩陣列602包括了空間濾波器陣列(Microlens Pinhole Array)6021並且位於兩個成像鏡組6015/6016之間，而且驅動總成603包含運動平台6031並且可以移動被承載的被光阻層604所覆蓋的底材605。顯然地，在此實施例，只有底材605會移動但是數位微反射鏡陣列601與光罩陣列602都是固定的，並且數位微反射鏡裝置6014具有的數位微反射鏡的數量是可以調整的。藉由電腦6061與運動控制器6062的程式控制，可以指定在光罩陣列602與底材605相對運動期間的各個不同時刻，數位微反射鏡裝置6014中各自有那些數位微反射鏡被開啟而可以將來自反射鏡6012經過反轉式內部全反射鏡6013的紫外光再反射回去，亦即可以控制來自數位微反射鏡裝置6014經過反轉式內部全反射鏡6013的紫外光會經過光罩陣列602的那些部份(或說是會點亮光罩陣列602的那些光罩)，亦即可以在紫外光通過光罩陣列602後產生光束整形效應(或說是會改變會抵達到光阻層604的紫外光光束的輪廓)。藉此，可以任意地調控在不同時刻光罩陣列 602的圖案是怎樣地被轉移到光阻層604，像是在某一特定時刻轉移整個光罩陣列602的全部圖案或是在某一特定時刻只有轉移光罩陣列602的某特定部分圖案，亦即可以在掃瞄線的不同部份分別轉移不同的圖案到光阻層604。也就是說，由於二維的光罩陣列602和底材605的相對運動可以沿著掃瞄線在光阻層604產生三維的能量累積分布，再加上可以控制數位微反射鏡裝置6014在特定位置的開或關，這些實施例可以被用來製作具有任意位置分布、可變化長度與三維形貌的特殊圖案的對應到需要形成在底材605形成的三維微結構的圖案化光阻層604。
本發明提出兩種數位微反射鏡裝置的曝光方式，第一為一個數位微反射鏡投射對應一個多邊形光罩陣列，如圖7A與圖7B，第二則是任意多個(圖示為8x8=64個)數位微反射鏡投射對應一個多邊形光罩陣列，如圖7C與圖7D，兩種架構的差異在於能曝光不同大小尺寸的三維微結構，所以使用者可以根據微結構的尺寸、形貌，選擇最佳的數位微反射鏡/針孔光罩組合。
由半導體黃光微影製程製作的任意多邊形光罩陣列，如圖7E，與德州儀器(Texas Instruments,TI)所生產的數位微反射鏡裝置(digital micromirror device,DMD)，反射紫外光經過第一成像鏡組的投影成像，如圖7F，每一個紫外光反射單元投影成像在光罩陣列表面上，個別點亮對應的光罩陣列，如圖7G，此數位微反射鏡裝置與第一成像鏡組供給光罩陣列均勻的照明紫外光光源，光源通過光罩陣列後，產生「光束整形」效應，再經過第二成像鏡組成像後，使得多邊形光罩的圖案投射在曝光加工成像面上，搭配運動平台單方向的拖拉運動，如圖7H中箭頭方向即為掃描方向， 所以此二維多邊形光罩陣列的能量沿掃描線方向產生三維的能量累積分布，此時如果再控制數位微反射鏡裝置在特定位置開或關，即可在加工面上製作出任意空間分布的三維微結構。
除此之外，在實際應用上，不同光阻材料往往都具有不同的曝光劑量與顯影深度的特性曲線，而且一般常用的光阻材料係具有呈現指數型態分布的特性曲線。如圖8A所示，正規化曝光劑量達到22%以上的劑量閥值，才足以使得光阻顯影後產生足夠的化學反應而剝離(正光阻)或留下(負光阻)，進而形成為結構。若要完全地剝離或留下光阻，則需要再提升曝光劑量來使得顯影後結構深度成為指數型態地增加或減少。因此，本發明可以再考慮曝光劑量和結構深度曲線，使用如圖8B所示般的修正指數分布來計算曝光劑量和結構深度間的關係
Figure 109143223-A0305-02-0016-3
，其中h(x,y)表示光阻顯影所得在卡氏座標(x,y)上累積劑量I(x,y)的曝光強度後的結構深度h，h max為光阻層在曝光前的厚度，I 0為累積曝光劑量閾值，而A與B為待定係數。在某些實施例中，h和h max的範圍介於1到50μm之間，I 0的範圍介於1到100mJ/cm2(毫焦耳/平方公分)之間(這是一般光阻材料的性質)，而且A與B二者的範圍都介於0到50之間。在負光阻的狀況，當累積之曝光劑量I(x,y)足夠大時，顯影後結構深度趨近於光阻塗佈的厚度，即h(I(x,y)→∞)
Figure 109143223-A0305-02-0016-15
h max。以此修正指數分析處理過的光阻特性曲線為出發點，可以計算光罩陣列圖形、曝光劑量和三維微劑量形貌等關係。若(圖9)以曲面擬和(Surface Fitting)且假設能量分布可以用二維高斯分布函數(T wo-Dimensional Gaussian Function)來近似，可以計算出單位面積的光功 率分布
Figure 109143223-A0305-02-0017-4
為
Figure 109143223-A0305-02-0017-5
，C與σ x ,σ y 為待定係數。在某些實施例中，待定係數C係大於0但小於1000，而另外二個待定係數分別皆係大於0.01但小於100。接下來，考慮二維影像摺積(Two-Dimensional Image Convolution)、掃描速度、曝光起點(x1,y1)與曝光終點(x2,y2)，可以得到三維累積能量分布
Figure 109143223-A0305-02-0017-6
，其中**為二維影像摺積運算子、I(x,y)為累積能量且其單位為mJ(毫焦耳)、N為曝光掃描時用以推動被光阻層附蓋之底材的運動平台的步進次數，並且
Figure 109143223-A0305-02-0017-7
、δ(x+(x 1-k△x),y+(y 1-k△y))為空間中偏移量為(x 1+k△x,y 1+k△y)的狄拉克函數(Dirac delta function)、△x與△y為X-Y平面上沿著掃描方向的微小步進、△t為表示曝光起點到曝光終點所花的時間的劑量累積時間因子，亦可表示成
Figure 109143223-A0305-02-0017-8
。因此，由二維影像摺積開始計算便可以得知
Figure 109143223-A0305-02-0017-9
，其中ξ,η為 啞變數(Dummy variables)，範圍為-∞<ξ,η<∞，用以在數學計算二維摺積、變數變換時，防止變數衝突。最後，將上述結果代入曝光劑量與結構深度方程式
Figure 109143223-A0305-02-0017-10
，便可以得到完整修正版本的方程式：
Figure 109143223-A0305-02-0018-11
。根據這個方程式，只要量測並計算出曝光劑量與結構深度關係式的係數A、B，同時決定掃描曝光路徑(x 1,y 1)→(x 2,y 2)、步進(△x,△y)與速度v，還有光罩陣列開孔三維能量分布方程式e(x,y)，即可計算出曝光顯影後之三維結構形貌方程式。另外，當光功率分布為軸對稱分布並且曝光掃描是沿著+x方向時，可以將e(x,y)簡化為
Figure 109143223-A0305-02-0018-12
，並且將δ(x+(x 1-k△x),y+(y 1-k△y))簡化為δ(x+(x 1-k△x))，所以累積之能量分佈I(x,y)可以簡化為I(x)，亦即
Figure 109143223-A0305-02-0018-13
 在此，圖10定性地顯示用來計算光阻材料之曝光劑量與顯影深度的實際特性曲線所使用的一些上述方程式的基本數學性質。另外，圖11A顯示了針對單邊斜坡結構的結構深度-曝光劑量曲線圖以及根據上述計算得到的設計之光罩圖形，而且圖11B與圖11C分別顯示了兩目標結構橫截面以及根據上述計算得到的設計之光罩圖形。
本發明提出一種以高精度無光罩曝光機的光點陣列斜掃描技術，搭配多邊形微型光罩陣列，藉由光罩陣列拖拉運動，以達到三維立體微結構加工的目標，計算得到對應的三維曝光劑量分布與顯影後三維結構深度，如圖12。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項的範圍內加以理解，除上述詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包括在下述申請專利範圍內。
301:步驟方塊 302:步驟方塊

Claims (11)

  1. 一種形成三維微結構的方法，包含：讓一光罩陣列與被一光阻層覆蓋的一底材沿著一掃瞄線進行相對運動，在此光罩陣列具有排列成為一陣列的具有特殊輪廓的至少一光罩，在此掃瞄線係與光罩陣列的排列方向相互交叉；以及在光罩陣列與底材進行相對運動的期間，投射光線經過光罩陣列而到達光阻層，藉以形成具有對應到待形成三維微結構之輪廓的圖案化光阻層；以及在相對運動結束與圖案化光阻層形成後，進行蝕刻程序藉以在底材上形成三維微結構。
  2. 如請求項1之方法，更包含至少下列之一:讓光罩陣列與底材以固定速率沿著掃瞄線進行相對運動；僅讓光罩陣列沿著掃瞄線移動；以及僅讓底材沿掃瞄線移動。
  3. 如請求項1之方法，更包含至少下列之一: 讓光罩陣列上各個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是均勻地分布； 讓光罩陣列上至少M個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是相互重疊，在此M為大於一的正整數；以及       讓光罩陣列相對於掃瞄線旋轉一個角度
    Figure 03_image001
    ，在此N為旋轉角度為零時光罩陣列沿著掃瞄線方向所具有的光罩數量。
  4. 如請求項1之方法，更包含在光罩陣列與底材的相對運動期間不同的一第一時刻與一第二時刻，分別地讓來自一光點陣列的第一光點組與第二光點組的光線經過光罩陣列而抵達光阻層，在此第一光點組所包含的一或多光點係不同於第二光點組所包含的一或多光點，在此光點陣列的運作至少包含下列之一:       不同的光點可以個別地被開啟或被關閉；       不同的光點可以個別地被調整所產生光線的強度:以及       使用具有至少一數位微反射鏡的一數位微反射鏡陣列來作為此光點陣列，在此不同的數位微反射鏡可以個別地被開啟、被關閉及/或被調整所產生光線的強度。
  5. 如請求項1之方法，更包含至少根據所要形成三維微結構的輪廓與光阻的材料，設定光罩陣列中各個光罩的輪廓，係使用下列三維結構形貌方程式來根據所需要的三維微結構的輪廓以反推如何形成需要的圖案化光阻層:
    Figure 03_image049
    ，在此h(x,y)為在卡氏座標(x,y)處經過累積劑量I(x,y)的曝光強度後光阻在顯影後所得到的結構深度，h max為光阻層厚度，Io為累積曝光劑量閥值，A、B與k為三個係數，(x 1，y 1)與(x 2，y 2)分別為掃瞄線起點與終點的卡氏座標，
    Figure 03_image055
    分別為沿著掃瞄線的微小步進，而v為光罩陣列與底材沿著掃瞄線的相對運動速度。
  6. 一種形成三維微結構的裝置，包含：    一光罩陣列，係配置成具有排列成為一陣列的具有特殊輪廓的至少一光罩；    一驅動總成，係配置來讓光罩陣列與被一光阻層所覆蓋的一底材二者沿一掃瞄線進行相對運動，在此掃瞄線係與光罩陣列的排列方向相互交叉；    一光點陣列，係配置成具有可以個別地運作並且排列成一陣列的至少一光點；         在此當光罩陣列與底材進行相對運動的期間光點陣列提供光線，藉以形成具有對應到待形成三維微結構之輪廓的圖案化光阻層；以及一蝕刻總成，係配置來在相對運動結束與圖案化光阻層形成好後，進行蝕刻程序藉以在底材上形成三維微結構。
  7. 如請求項6之裝置，更包含至少下列之一:驅動總成讓光罩陣列與底材以固定速率沿著掃瞄線進行相對運動；驅動總成僅讓光罩陣列沿著掃瞄線移動；驅動總成僅讓底材沿掃瞄線移動；以及光罩陣列中每一個陣列都具有相同的形狀、相同的大小與相同的排列方向。
  8. 如請求項6之裝置，更包含至少下列之一: 驅動總成讓光罩陣列上各個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是均勻地分布； 驅動總成讓光罩陣列上至少M個光罩在垂直於掃瞄線的方向上的投影是相互重疊，在此M為大於一的正整數；以及       驅動總成讓光罩陣列相對於掃瞄線旋轉一個角度
    Figure 03_image001
    ，在此N為旋轉角度為零時光罩陣列沿著掃瞄線方向所具有的光罩數量。
  9. 如請求項6之裝置，更包含光點陣列在光罩陣列與底材的相對運動期間不同的一第一時刻與一第二時刻，分別地讓來自第一光點組與來自第二光點組的光線自光點陣列經過光罩陣列而抵達光阻層，在此第一光點組所包含的一或多光點係不同於第二光點組所包含的一或多光點。
  10. 如請求項6之裝置，在此光點陣列的運作至少包含下列之一:       不同的光點可以個別地被開啟或被關閉；       不同的光點可以個別地被調整所產生光線的強度:以及 當使用具有至少一數位微反射鏡的一數位微反射鏡陣列來作為此光點陣列時，不同的數位微反射鏡可以個別地被開啟、被關閉及/或被調整所產生光線的強度。
  11. 如請求項6之裝置，更包含一控制總成，係配置來進行至少下列之一:       控制光點陣列、光罩陣列與驅動總成的運作；以及 至少根據所要形成三維微結構的輪廓與光阻的材料，設定光罩陣列中各個光罩的輪廓，其中該控制總成係使用下列三維結構形貌方程式來根據所需要的三維微結構的輪廓以反推如何形成需要的圖案化光阻層:
    Figure 03_image049
    ，在此h(x,y)為在卡氏座標(x,y)處經過累積劑量I(x,y)的曝光強度後光阻在顯影後所得到的結構深度，h max為光阻層厚度，Io為累積曝光劑量閥值，A、B與k為三個係數，(x 1，y 1)與(x 2，y 2)分別為掃瞄線起點與終點的卡氏座標，
    Figure 03_image055
    分別為沿著掃瞄線的微小步進，而v為光罩陣列與底材沿著掃瞄線的相對運動速度。
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