光掩模和微細結構的加工方法與流程

本申請涉及半導體技術領域，尤其涉及一種光掩模和使用該光掩模的微細結構的加工方法。

背景技術：

在半導體器件，特別是微機電系統(mems)器件的制造過程中，常常把半導體基板的表面加工成某種凸凹構造，然后在凸凹構造的表面形成無斷縫或開孔的連續覆蓋膜。有時，還需要覆蓋膜的厚度均勻。但是，當凸凹構造的高低差比較大時，如果凸凹構造的側壁比較陡峭，覆蓋膜往往會在凸凹構造的側壁附近變薄、甚至斷裂，致使器件功能低下或是后續加工困難。為了在凸凹構造的表面形成無斷縫或開孔的連續覆蓋膜，或者使覆蓋膜的厚度均勻，一個常用的辦法是把凸凹構造的側壁加工成一定的斜坡形狀，即，凸凹構造的側壁同半導體基板的表面的構成一個小于直角的夾角。

在現有技術中，為了把側壁加工成一定的斜坡形狀，一個常用的辦法是在加工形成上述凸凹構造時，故意降低需要加工的半導體基板的表面和保護膜之間的密接程度，然后用腐蝕液對半導體基板的表面進行各向同性的濕法腐蝕，由此，在凸凹構造的側壁形成斜坡形狀。但是，由于半導體基板的表面和保護膜之間的密接程度較低，腐蝕液在保護膜開口處腐蝕半導體基板的表面的同時，會滲透到保護膜開口周圍的保護膜和半導體基板的表面之間，將接觸到的半導體基板的表面腐蝕掉。這樣，雖然可以使凸凹構造的側壁呈斜坡形狀，但是凸凹構造的頂部形狀很難控制，使微細構造加工的尺寸和形狀精度都受到限制。

在現有技術中，為了把側壁加工成一定的斜坡形狀，另一個常用的辦法是用干法腐蝕直接對半導體基板的表面進行加工。加工時，調節加工條件，使凸凹構造的側壁呈斜坡形狀。比如，用反應性離子束方法進行加工，在加工時調節氣體種類、各種氣體的比例、反應腔室中的壓力等條件。此外，往往需要一邊加工半導體基板的表面，一邊在露出的側壁上面覆蓋上一層保護膜，使側壁不再繼續受到加工。該保護膜往往是一種高分子聚合物，在加工完成后需要用腐蝕性很強的溶劑才能去除。這種直接對半導體基板的表面進行干法腐蝕的方法還有其它的局限性，比如，加工條件的摸索需要大量的實驗；能夠形成所需夾角的側壁的加工條件范圍往往很窄，因而不穩定，容易偏失；加工速度、選擇比、側壁表面平滑度等方面往往無法達到最佳；同時加工形成的凸凹構造的側壁具有幾乎相同的夾角，無法在不同的部分形成具有不同夾角的側壁。

應該注意，上面對技術背景的介紹只是為了方便對本申請的技術方案進行清楚、完整的說明，并方便本領域技術人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本申請的背景技術部分進行了闡述而認為上述技術方案為本領域技術人員所公知。

技術實現要素：

上述現有的在半導體基板表面形成斜面的方法都有各自的缺陷，例如，需要復雜的工藝條件調試、斜面的尺寸和形狀精度都受到限制等。

本申請提供一種光掩模和形成微細結構的方法，在對光刻膠進行光刻的過程中使用該光掩模，能夠形成具有傾斜側壁的光刻膠圖形，然后以此光刻膠圖形為保護膜對基板進行加工，在基板上形成側壁具有斜坡的微細結構。這樣，不需要復雜的工藝條件調試，就可以用最佳的工藝條件對基板進行加工，從而提高生產效率，并且，斜面的尺寸和形狀精度較高。

根據本申請實施例的一個方面，提供一種微細結構的加工方法，該方法包括：

在基板的表面形成光刻膠；利用光掩模對所述光刻膠進行曝光，并使曝光后的光刻膠顯影，以形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形的至少一部分的側壁與所述基板的表面形成小于直角的夾角，其中，所述光掩模的第一主面和第二主面都具有非透光的掩模圖形，所述第一主面遠離所述基板，所述第二主面靠近所述基板；以及以所述光刻膠圖形為保護膜對所述基板的表面進行刻蝕。

根據本申請實施例的另一個方面，所述第一主面的掩模圖形具有第一開口，所述第二主面的掩模圖形具有第二開口，在平行于所述第一主面或第二主面的平面中，所述第一開口的投影和所述第二開口的投影至少部分重疊。

根據本申請實施例的另一個方面，所述光刻膠為正性光刻膠，在所述第二開口的投影中，與所述第一開口的投影不重疊的區域對應于所述光刻膠圖形的所述至少一部分的側壁。

根據本申請實施例的另一個方面，所述光刻膠為負性光刻膠，在所述第一開口的投影中，與所述第二開口的投影不重疊的區域對應于所述光刻膠圖形的所述至少一部分的側壁。

根據本申請實施例的另一個方面，所述第一開口的投影的中心與所述第二開口的投影的中心重疊。

根據本申請實施例的另一個方面，所述第一開口的數量為一個以上，所述第二開口的數量為一個以上。

根據本申請實施例的另一個方面，提供一種微細結構的加工方法，該方法包括：

在基板的表面形成光刻膠；利用光掩模對所述光刻膠進行曝光，并使曝光后的光刻膠顯影，以形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形的至少一部分的側壁與所述基板的表面形成小于直角的夾角，其中，所述光掩模的第一主面或第二主面具有厚度漸變的掩模圖形，所述厚度漸變的掩模圖形針對所述曝光所使用的波長的光的透射率隨厚度而變化，所述第一主面遠離所述基板，所述第二主面靠近所述基板；以及以所述光刻膠圖形為保護膜對所述基板的表面進行刻蝕。

根據本申請實施例的另一個方面，所述基板的表面具有半導體材料的薄膜，所述薄膜至少包括金屬、金屬化合物、半導體、半導體化合物的一種。

根據本申請實施例的另一個方面，提供一種光掩模，該光掩模包括：透明基板；以及非透光的掩模圖形，其中，所述透明基板的第一主面和第二主面都具有所述非透光的掩模圖形。

根據本申請實施例的另一個方面，提供一種光掩模，該光掩模包括：透明基板；以及掩模圖形，所述掩模圖形形成于所述透明基板的第一主面和/或第二主面，至少部分掩模圖形具有厚度漸變的部分，所述厚度漸變的部分針對曝光所使用的波長的光的透射率隨厚度而變化。

本申請的有益效果在于：不需要復雜的工藝條件調試，就可以用最佳的工藝條件對基板進行加工，從而提高生產效率，并且，斜面的尺寸和形狀精度較高。

參照后文的說明和附圖，詳細公開了本申請的特定實施方式，指明了本申請的原理可以被采用的方式。應該理解，本申請的實施方式在范圍上并不因而受到限制。在所附權利要求的精神和條款的范圍內，本申請的實施方式包括許多改變、修改和等同。

針對一種實施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施方式中使用，與其它實施方式中的特征相組合，或替代其它實施方式中的特征。

應該強調，術語“包括/包含”在本文使用時指特征、整件、步驟或組件的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、整件、步驟或組件的存在或附加。

附圖說明

所包括的附圖用來提供對本申請實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用于例示本申請的實施方式，并與文字描述一起來闡釋本申請的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：

圖1是本申請實施例1的微細結構的加工方法的一個示意圖；

圖2是本申請實施例2的微細結構的加工方法的一個示意圖。

具體實施方式

參照附圖，通過下面的說明書，本申請的前述以及其它特征將變得明顯。在說明書和附圖中，具體公開了本申請的特定實施方式，其表明了其中可以采用本申請的原則的部分實施方式，應了解的是，本申請不限于所描述的實施方式，相反，本申請包括落入所附權利要求的范圍內的全部修改、變型以及等同物。

實施例1

本申請實施例1提供一種微細結構的加工方法。本實施例的方法可以包括如下步驟：

步驟101、在基板的表面形成光刻膠；

步驟102、利用光掩模對所述光刻膠進行曝光，并使曝光后的光刻膠顯影，以形成光刻膠圖形，所述光刻膠圖形的至少一部分的側壁與所述基板的表面形成小于直角的夾角；

步驟103、以所述光刻膠圖形為保護膜對所述基板的表面進行刻蝕。

在本實施例的步驟102中，該光掩模的第一主面和第二主面都具有非透光的掩模圖形，所述第一主面遠離所述基板，所述第二主面靠近所述基板

根據本實施例的上述步驟101、步驟102以及步驟103，在對光刻膠進行光刻的過程中使用特定的光掩模，因而能夠形成具有傾斜側壁的光刻膠圖形，然后以此光刻膠圖形為保護膜對基板進行加工，在基板上形成側壁具有斜坡的微細結構。這樣，不需要復雜的工藝條件調試，就可以用最佳的工藝條件對基板進行加工，從而提高生產效率，并且，斜面的尺寸和形狀精度較高；并且，通過一次光刻和刻蝕，就可以在一個基板的不同部分形成具有不同夾角的側壁的微細結構。這大大地提高了微細結構的設計自由度、以及微細結構的工藝自由度。

在本實施例中，所述第一主面的掩模圖形具有第一開口，所述第二主面的掩模圖形具有第二開口，在平行于所述第一主面或第二主面的平面中，所述第一開口的投影和所述第二開口的投影至少部分重疊。

在本實施例中，所述光刻膠為正性光刻膠，在所述第二開口的投影中，與所述第一開口的投影不重疊的區域對應于所述光刻膠圖形的所述至少一部分的側壁。

在本實施例中，所述光刻膠為負性光刻膠，在所述第一開口的投影中，與所述第二開口的投影不重疊的區域對應于所述光刻膠圖形的所述至少一部分的側壁。

在本實施例中，所述第一開口的投影的中心與所述第二開口的投影的中心重疊。

在本實施例中，所述第一開口的數量為一個以上，所述第二開口的數量為一個以上。

圖1是本實施例的微細結構的加工方法的一個示意圖。下面，結合圖1，對本實施例的微細結構的方法進行詳細說明。

如圖1的a)所示，首先進行基板的準備，該基板例如可以是半導體基板1。該半導體基板1可以是半導體制造領域中常用的晶圓2，例如硅晶圓、絕緣體上的硅silicon-on-insulator，soi晶圓、鍺硅晶圓、鍺晶圓或氮化鎵galliumnitride，gan晶圓、sic晶圓等，也可以是石英、藍寶石等絕緣性晶圓。另外，該半導體基板1也可以是半導體制造領域中常用的晶圓，在晶圓的表面上進一步具有半導體器件、mems器件所需的各種薄膜3以及各種構造。比如，在本實施例中，該半導體基板1可以包括晶圓2和在晶圓2的表面形成的薄膜3，半導體基板1的表面為1a。薄膜3可以含有硅系半導體材料，例如，硅、硅的氧化物、硅的氮化物等；或者，薄膜3可以含有化合物半導體材料，例如，gaas、inp、algaas、gan、sic等；或者，薄膜3可以含有金屬、或金屬化合物、或金屬的合金材料，例如，金屬包括al、cu、au、pt、ti、cr，ta等。為簡明起見，在本實施例中，假定薄膜3是單一的金屬薄膜，比如，是1約微米厚al的薄膜。

下一步，如圖1的b)所示，進行光掩模4的準備。光掩模4由透明基板5和在透明基板5表面形成的不透明(即，非透光)薄膜6和7的圖形構成。本實施例的光掩模4與通常的半導體光刻工藝中使用的光掩模(photomask，或reticle)不同的是，通常的光掩模只在透明基板的一個主面形成不透明薄膜的圖形，而本實施例的光掩模4則在透明基板5的兩個主面分別形成不透明薄膜6和7的圖形，在本實施例中，不透明是指針對光刻所使用的光不透明。比如，本實施例的光掩模4在透明基板5的一個主面上形成包含圖形6a和6b的掩模圖形，在與此主面相對的另一個主面上形成包含圖形7a和7b的掩模圖形。透明基板5可以是石英基板。不透明薄膜6和7可以在材料和厚度上相同或不同。比如，不透明薄膜6和7分別是金屬al和cr的薄膜。如圖1的b)所示，不透明薄膜6的圖形6a和6b分別與不透明薄膜7的圖形7a和7b相對應，開口尺寸和相互位置可根據需要設計。比如，一個特例是：圖形6a的開口比圖形7a的開口小，圖形6b的開口和圖形7b的開口尺寸基本相同，圖形6a的開口周邊與圖形7a的開口周邊的距離是l，l在圖形6a的開口周邊延展到圖形7a的開口周邊的距離可以固定也可以隨處變化；圖形6a的開口和圖形7a的開口中心基本對齊，圖形6b的開口和圖形7b的開口中心基本對齊。

下一步，如圖1的c)所示，在半導體基板1的表面1a(即薄膜3的表面)上形成光刻膠薄膜8。用于形成光刻膠薄膜8的光刻膠可以是正膠，也可以是負膠，其種類與厚度可根據后續的工藝需要決定。比如，光刻膠薄膜8是正膠的薄膜，由旋涂方式形成在薄膜3的表面。當光刻膠薄膜8是負膠的時候，可以設計光掩模4使圖形6a的開口比圖形7a的開口大。

下一步，如圖1的d)所示，使用光掩模4對光刻膠薄膜8進行曝光。曝光時，光掩模4的具有圖形7a和7b(參見圖1的b))的主面接近或密接光刻膠薄膜8的表面。比如，光掩模4的具有圖形7a和7b的主面與光刻膠薄膜8的表面密接。曝光時，光線9(比如紫外線)幾乎垂直于光掩模4的具有圖形6a和6b(參見圖1的b))的主面，在有不透明薄膜6的部分被反射回來，在圖形6a和6b的開口部分進入透明基板5內部。因為圖形7a的開口大于與其對應的圖形6a的開口，從圖形6a的開口部分進入透明基板5的光線9經過透明基板5的折射，幾乎垂直于光刻膠8的表面照射到光刻膠8的內部，使被照射到的光刻膠8感光。在圖形6a的開口周邊處進入透明基板5的光線9，經過衍射在透明基板5的內部散開，衍射光的一部分可以散開到圖形7a的開口的周邊。因此，衍射光的一部分可以照射到圖形6a的開口周邊至圖形7a的開口的周邊的光刻膠。但是，因為衍射光在強度上弱于從圖形6a的開口垂直入射的光線9，而且越靠近圖形7a的開口的周邊衍射光的強度越弱，所以越靠近圖形7a的開口的周邊能夠感光的光刻膠的厚度越淺。所以，整體來講，通過圖形6a的開口和圖形7a的開口的光線能夠使光刻膠感光的范圍是8a的部分。另一方面，因為圖形6b和7b的開口尺寸基本相同，中心基本對齊，光刻膠感光的范圍8b的部分基本與圖形7b相同。如上所述，通過設計光掩模4的不透明薄膜6和7的圖形，就可以控制光刻膠的感光范圍和形狀。即，通過設計圖形6a和圖形7a(或圖形6b和圖形7b)的開口尺寸及中心的相對位置，就可以控制光刻膠的感光范圍和形狀。在設計光刻膠的感光范圍和形狀時，還需要考慮的是光掩模4的透明基板5的厚度，光刻膠8的厚度，曝光時光掩模4具有不透明薄膜7的主面與光刻膠8的表面的距離。這些都可以通過現有的光學模擬進行計算。

下一步，如圖1的e)所示，對曝光后的光刻膠薄膜8進行顯影。顯影之前，根據需要，可以對光刻膠進行加溫烘烤處理。顯影時，使用相應的溶劑把不需要的部分的光刻膠溶解除掉。光刻膠是正膠時，溶解掉的是感光的部分。相反，光刻膠是負膠時，溶解掉的是沒感光的部分。所謂感光，指的是光刻膠接收到足夠量的光線的照射，可以在顯影過程中被溶解掉(正膠)或不被溶解掉(負膠)。比如，光刻膠8是正膠，顯影后，感光的8a的部分被除掉,形成光刻膠圖形9，感光的8b的部分被除掉,形成光刻膠圖形10。這樣形成的光刻膠圖形9的側壁9a具有斜坡，與基板的表面(即薄膜3的表面)1a形成的夾角是θ。如圖1的d)所述，夾角θ是可以設計、控制的。另一方面，光刻膠圖形10的側壁10a幾乎垂直于基板的表面1a。在本實施例中，通過調節圖形6a和7a的圖形形狀及相對位置，就可以得到側壁傾角隨處變化的光刻膠圖形9。同樣，通過調節圖形6b和7b的圖形形狀及相對位置，也可以得到側壁傾角隨處變化的光刻膠圖形10。就是說，由于使用了圖1的b)所示的光掩模，通過一次光刻(包括涂膠、曝光、顯影)就可以得到側壁與基板的表面1a具有各種不同夾角的光刻膠圖形。

下一步，如圖1的f)所示，以光刻膠8為保護膜，對薄膜3進行干法刻蝕加工。加工后在薄膜3上形成與光刻膠圖形相對應的薄膜的微細結構(包括微細結構11、12)。比如，與光刻膠圖形9相對應，可以得到薄膜的微細結構11，其側壁為11a，側壁11a與晶圓2的夾角為β。夾角β由夾角θ、光刻膠8與薄膜3的刻蝕選擇比決定。干法刻蝕加工薄膜3時，光刻膠8同時受到刻蝕。所謂刻蝕選擇比，是指干法刻蝕加工薄膜3時，光刻膠8厚度的減少量(或減少速度)和薄膜3的厚度的減少量(或減少速度)的比例。在干法刻蝕加工條件優化后，這個選擇比可以是固定的，也可以是隨條件變化的。就是說，選擇比可以通過干法刻蝕加工條件來控制。因此，當夾角θ和干法刻蝕加工條件確定時，夾角β就是一定的。當選擇比＝1時，夾角β與夾角θ相同；當選擇比<1時，夾角β<夾角θ；當選擇比>1時，夾角β>夾角θ。另一方面，與光刻膠圖形10相對應，通過干法刻蝕加工可以得到薄膜3的微細結構12，其側壁為12a。因為光刻膠圖形10的側壁10a與薄膜3表面幾乎垂直，得到的薄膜3的微細結構12的側壁12a也與晶圓2的表面幾乎垂直。干法刻蝕加工薄膜3時，可以根據薄膜3的材料來選擇干法刻蝕的條件(包括反應氣體)。比如，薄膜3為al，干法刻蝕方法為反應性離子刻蝕(rie)，該離子包含氯氣、或氯的化合物。

下一步，如圖1的g)所示，去除殘余的光刻膠薄膜8，完成微細結構(包括11和12)的加工。光刻膠薄膜8可以用通常的半導體光刻膠去除工藝去除。

在本實施例中，在確定了需要加工的微細結構的包括開口尺寸、側壁傾角等形狀參數之后，就可以根據可控的加工條件(包括光刻膠種類和厚度、光刻膠與需要加工薄膜(或基板)的加工選擇比)設計光掩模的圖形。反過來，用設計好的光掩模進行上述流程的加工，就可以控制光刻膠圖形的側壁形狀(包括其與薄膜3的夾角)，可以在一次干法刻蝕中在基板的不同部分得到側壁與晶圓表面具有不同夾角的微細結構(包括11和12)。工藝簡單，工藝靈活性大，這是傳統工藝無法實現的。另外，由于微細結構的側壁的傾斜程度(與基板表面的夾角)可以用光刻膠圖形來控制，就可以用最佳的工藝條件對基板進行加工，從而提高微細結構的加工質量。另外，因為沒有必要做大量實驗摸索工藝條件，并且將工藝條件維持在狹小的范圍內，所以可以提高生產效率。

實施例2

本申請實施例2提供另一種微細結構的加工方法。本實施例中與實施例1相類似的部分不再詳述，實施例2與實施例1的區別在于，在對光刻膠進行曝光的過程中，使用了不同的光掩模。

圖2是本實施例的微細結構的加工方法的一個示意圖。

首先，進行半導體基板1的準備。本實施例中的半導體基板1與如圖1的a)所示的半導體基板1相同。

下一步，如圖2的a)所示，進行光掩模4的準備。光掩模4由透明基板5和在透明基板5的一個主面的表面形成的薄膜7的圖形(包括7a、7b)構成。與實施例1不同的是，本實施例的光掩模4只在透明基板5的一個主面的表面形成薄膜7的圖形。另外，在圖形7a的周邊7c的部分，薄膜7的厚度是漸變的，即，周邊7c的厚度由圖形7a開口內部向外由0漸變到和薄膜7最厚處相同。在薄膜7最厚處，薄膜7對于光刻所用的光(比如i線)是幾乎不透明的。而在圖形7a的周邊7c的部分，薄膜7對于光刻所用的光的透射率是隨薄膜7的厚度所改變的。即：薄膜7的厚度越薄，光的透射率就越高。薄膜7的材料可以是cr等金屬，也可以是氮化硅等電介質。薄膜7的厚度漸變的周邊7c部分，形狀可以通過光學模擬計算來進行設計，然后用實施例1的加工方法形成，即，將透明基板5表面的薄膜7作為實施例1的薄膜3，采用實施例1的光掩模對薄膜7表面的光刻膠進行曝光，以在薄膜7表面形成側壁傾斜的光刻膠圖形，再以該側壁傾斜的光刻膠圖形為保護膜，對薄膜7進行刻蝕，從而將薄膜7形成為具有厚度漸變的部分。

下一步，如圖1的c)所示，在半導體基板1的表面1a(即薄膜3的表面)上形成光刻膠薄膜8。

下一步，如圖2的b)所示，使用光掩模4對光刻膠薄膜8進行曝光。曝光時，光掩模4的具有圖形7a和7b(參見圖2的a))的主面密接光刻膠薄膜8的表面。因為在周邊7c由圖形7a開口內部向外，薄膜7的厚度由0漸變到和薄膜7最厚處相同，所以光線9的透射率是由與圖形7a的開口內部相同漸變為0的。其結果是，光刻膠8的感光范圍與形狀可以用8a的部分來表述。另一方面，在圖形7b處，只有與圖形7b的開口相對應的部分的光刻膠才感光，光刻膠的被曝光部分是8b的部分。

下一步，如圖1的e)所示，對曝光后的光刻膠薄膜8進行顯影。

下一步，如圖1的f)所示，以光刻膠8為保護膜，對薄膜3進行干法刻蝕加工。加工后在薄膜3上形成與光刻膠圖形相對應的薄膜的微細結構。

下一步，如圖1的g)所示，去除殘余的光刻膠8，完成微細結構(包括11和12)的加工。

此實施例可以得到與實施例1相同的效果。

此外，在圖2的a)中，雖然薄膜7形成在透明基板5的一個表面，但本實施例可以不限于此，例如，圖2的a)的光掩模的特征可以和圖1的b)的光掩模組合，即，在圖2的a)的透明基板5的另一個表面，也可以具有由不透明薄膜6形成的掩模圖形，該掩模圖形的開口的設置方式可以與實施例1的6a、6b的設置方式類似。

以上結合具體的實施方式對本申請進行了描述，但本領域技術人員應該清楚，這些描述都是示例性的，并不是對本申請保護范圍的限制。本領域技術人員可以根據本申請的精神和原理對本申請做出各種變型和修改，這些變型和修改也在本申請的范圍內。