光掩模和微细结构的加工方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光掩模和使用该光掩模的微细结构的加工方法。

背景技术：

在半导体器件，特别是微机电系统(mems)器件的制造过程中，常常把半导体基板的表面加工成某种凸凹构造，然后在凸凹构造的表面形成无断缝或开孔的连续覆盖膜。有时，还需要覆盖膜的厚度均匀。但是，当凸凹构造的高低差比较大时，如果凸凹构造的侧壁比较陡峭，覆盖膜往往会在凸凹构造的侧壁附近变薄、甚至断裂，致使器件功能低下或是后续加工困难。为了在凸凹构造的表面形成无断缝或开孔的连续覆盖膜，或者使覆盖膜的厚度均匀，一个常用的办法是把凸凹构造的侧壁加工成一定的斜坡形状，即，凸凹构造的侧壁同半导体基板的表面的构成一个小于直角的夹角。

在现有技术中，为了把侧壁加工成一定的斜坡形状，一个常用的办法是在加工形成上述凸凹构造时，故意降低需要加工的半导体基板的表面和保护膜之间的密接程度，然后用腐蚀液对半导体基板的表面进行各向同性的湿法腐蚀，由此，在凸凹构造的侧壁形成斜坡形状。但是，由于半导体基板的表面和保护膜之间的密接程度较低，腐蚀液在保护膜开口处腐蚀半导体基板的表面的同时，会渗透到保护膜开口周围的保护膜和半导体基板的表面之间，将接触到的半导体基板的表面腐蚀掉。这样，虽然可以使凸凹构造的侧壁呈斜坡形状，但是凸凹构造的顶部形状很难控制，使微细构造加工的尺寸和形状精度都受到限制。

在现有技术中，为了把侧壁加工成一定的斜坡形状，另一个常用的办法是用干法腐蚀直接对半导体基板的表面进行加工。加工时，调节加工条件，使凸凹构造的侧壁呈斜坡形状。比如，用反应性离子束方法进行加工，在加工时调节气体种类、各种气体的比例、反应腔室中的压力等条件。此外，往往需要一边加工半导体基板的表面，一边在露出的侧壁上面覆盖上一层保护膜，使侧壁不再继续受到加工。该保护膜往往是一种高分子聚合物，在加工完成后需要用腐蚀性很强的溶剂才能去除。这种直接对半导体基板的表面进行干法腐蚀的方法还有其它的局限性，比如，加工条件的摸索需要大量的实验；能够形成所需夹角的侧壁的加工条件范围往往很窄，因而不稳定，容易偏失；加工速度、选择比、侧壁表面平滑度等方面往往无法达到最佳；同时加工形成的凸凹构造的侧壁具有几乎相同的夹角，无法在不同的部分形成具有不同夹角的侧壁。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

上述现有的在半导体基板表面形成斜面的方法都有各自的缺陷，例如，需要复杂的工艺条件调试、斜面的尺寸和形状精度都受到限制等。

本申请提供一种光掩模和形成微细结构的方法，在对光刻胶进行光刻的过程中使用该光掩模，能够形成具有倾斜侧壁的光刻胶图形，然后以此光刻胶图形为保护膜对基板进行加工，在基板上形成侧壁具有斜坡的微细结构。这样，不需要复杂的工艺条件调试，就可以用最佳的工艺条件对基板进行加工，从而提高生产效率，并且，斜面的尺寸和形状精度较高。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种微细结构的加工方法，该方法包括：

在基板的表面形成光刻胶；利用光掩模对所述光刻胶进行曝光，并使曝光后的光刻胶显影，以形成光刻胶图形，所述光刻胶图形的至少一部分的侧壁与所述基板的表面形成小于直角的夹角，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图形，所述第一主面远离所述基板，所述第二主面靠近所述基板；以及以所述光刻胶图形为保护膜对所述基板的表面进行刻蚀。

根据本申请实施例的另一个方面，所述第一主面的掩模图形具有第一开口，所述第二主面的掩模图形具有第二开口，在平行于所述第一主面或第二主面的平面中，所述第一开口的投影和所述第二开口的投影至少部分重叠。

根据本申请实施例的另一个方面，所述光刻胶为正性光刻胶，在所述第二开口的投影中，与所述第一开口的投影不重叠的区域对应于所述光刻胶图形的所述至少一部分的侧壁。

根据本申请实施例的另一个方面，所述光刻胶为负性光刻胶，在所述第一开口的投影中，与所述第二开口的投影不重叠的区域对应于所述光刻胶图形的所述至少一部分的侧壁。

根据本申请实施例的另一个方面，所述第一开口的投影的中心与所述第二开口的投影的中心重叠。

根据本申请实施例的另一个方面，所述第一开口的数量为一个以上，所述第二开口的数量为一个以上。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种微细结构的加工方法，该方法包括：

在基板的表面形成光刻胶；利用光掩模对所述光刻胶进行曝光，并使曝光后的光刻胶显影，以形成光刻胶图形，所述光刻胶图形的至少一部分的侧壁与所述基板的表面形成小于直角的夹角，其中，所述光掩模的第一主面或第二主面具有厚度渐变的掩模图形，所述厚度渐变的掩模图形针对所述曝光所使用的波长的光的透射率随厚度而变化，所述第一主面远离所述基板，所述第二主面靠近所述基板；以及以所述光刻胶图形为保护膜对所述基板的表面进行刻蚀。

根据本申请实施例的另一个方面，所述基板的表面具有半导体材料的薄膜，所述薄膜至少包括金属、金属化合物、半导体、半导体化合物的一种。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种光掩模，该光掩模包括：透明基板；以及非透光的掩模图形，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图形。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种光掩模，该光掩模包括：透明基板；以及掩模图形，所述掩模图形形成于所述透明基板的第一主面和/或第二主面，至少部分掩模图形具有厚度渐变的部分，所述厚度渐变的部分针对曝光所使用的波长的光的透射率随厚度而变化。

本申请的有益效果在于：不需要复杂的工艺条件调试，就可以用最佳的工艺条件对基板进行加工，从而提高生产效率，并且，斜面的尺寸和形状精度较高。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的微细结构的加工方法的一个示意图；

图2是本申请实施例2的微细结构的加工方法的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种微细结构的加工方法。本实施例的方法可以包括如下步骤：

步骤101、在基板的表面形成光刻胶；

步骤102、利用光掩模对所述光刻胶进行曝光，并使曝光后的光刻胶显影，以形成光刻胶图形，所述光刻胶图形的至少一部分的侧壁与所述基板的表面形成小于直角的夹角；

步骤103、以所述光刻胶图形为保护膜对所述基板的表面进行刻蚀。

在本实施例的步骤102中，该光掩模的第一主面和第二主面都具有非透光的掩模图形，所述第一主面远离所述基板，所述第二主面靠近所述基板

根据本实施例的上述步骤101、步骤102以及步骤103，在对光刻胶进行光刻的过程中使用特定的光掩模，因而能够形成具有倾斜侧壁的光刻胶图形，然后以此光刻胶图形为保护膜对基板进行加工，在基板上形成侧壁具有斜坡的微细结构。这样，不需要复杂的工艺条件调试，就可以用最佳的工艺条件对基板进行加工，从而提高生产效率，并且，斜面的尺寸和形状精度较高；并且，通过一次光刻和刻蚀，就可以在一个基板的不同部分形成具有不同夹角的侧壁的微细结构。这大大地提高了微细结构的设计自由度、以及微细结构的工艺自由度。

在本实施例中，所述第一主面的掩模图形具有第一开口，所述第二主面的掩模图形具有第二开口，在平行于所述第一主面或第二主面的平面中，所述第一开口的投影和所述第二开口的投影至少部分重叠。

在本实施例中，所述光刻胶为正性光刻胶，在所述第二开口的投影中，与所述第一开口的投影不重叠的区域对应于所述光刻胶图形的所述至少一部分的侧壁。

在本实施例中，所述光刻胶为负性光刻胶，在所述第一开口的投影中，与所述第二开口的投影不重叠的区域对应于所述光刻胶图形的所述至少一部分的侧壁。

在本实施例中，所述第一开口的投影的中心与所述第二开口的投影的中心重叠。

在本实施例中，所述第一开口的数量为一个以上，所述第二开口的数量为一个以上。

图1是本实施例的微细结构的加工方法的一个示意图。下面，结合图1，对本实施例的微细结构的方法进行详细说明。

如图1的a)所示，首先进行基板的准备，该基板例如可以是半导体基板1。该半导体基板1可以是半导体制造领域中常用的晶圆2，例如硅晶圆、绝缘体上的硅silicon-on-insulator，soi晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓galliumnitride，gan晶圆、sic晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆。另外，该半导体基板1也可以是半导体制造领域中常用的晶圆，在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、mems器件所需的各种薄膜3以及各种构造。比如，在本实施例中，该半导体基板1可以包括晶圆2和在晶圆2的表面形成的薄膜3，半导体基板1的表面为1a。薄膜3可以含有硅系半导体材料，例如，硅、硅的氧化物、硅的氮化物等；或者，薄膜3可以含有化合物半导体材料，例如，gaas、inp、algaas、gan、sic等；或者，薄膜3可以含有金属、或金属化合物、或金属的合金材料，例如，金属包括al、cu、au、pt、ti、cr，ta等。为简明起见，在本实施例中，假定薄膜3是单一的金属薄膜，比如，是1约微米厚al的薄膜。

下一步，如图1的b)所示，进行光掩模4的准备。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的图形构成。本实施例的光掩模4与通常的半导体光刻工艺中使用的光掩模(photomask，或reticle)不同的是，通常的光掩模只在透明基板的一个主面形成不透明薄膜的图形，而本实施例的光掩模4则在透明基板5的两个主面分别形成不透明薄膜6和7的图形，在本实施例中，不透明是指针对光刻所使用的光不透明。比如，本实施例的光掩模4在透明基板5的一个主面上形成包含图形6a和6b的掩模图形，在与此主面相对的另一个主面上形成包含图形7a和7b的掩模图形。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分别是金属al和cr的薄膜。如图1的b)所示，不透明薄膜6的图形6a和6b分别与不透明薄膜7的图形7a和7b相对应，开口尺寸和相互位置可根据需要设计。比如，一个特例是：图形6a的开口比图形7a的开口小，图形6b的开口和图形7b的开口尺寸基本相同，图形6a的开口周边与图形7a的开口周边的距离是l，l在图形6a的开口周边延展到图形7a的开口周边的距离可以固定也可以随处变化；图形6a的开口和图形7a的开口中心基本对齐，图形6b的开口和图形7b的开口中心基本对齐。

下一步，如图1的c)所示，在半导体基板1的表面1a(即薄膜3的表面)上形成光刻胶薄膜8。用于形成光刻胶薄膜8的光刻胶可以是正胶，也可以是负胶，其种类与厚度可根据后续的工艺需要决定。比如，光刻胶薄膜8是正胶的薄膜，由旋涂方式形成在薄膜3的表面。当光刻胶薄膜8是负胶的时候，可以设计光掩模4使图形6a的开口比图形7a的开口大。

下一步，如图1的d)所示，使用光掩模4对光刻胶薄膜8进行曝光。曝光时，光掩模4的具有图形7a和7b(参见图1的b))的主面接近或密接光刻胶薄膜8的表面。比如，光掩模4的具有图形7a和7b的主面与光刻胶薄膜8的表面密接。曝光时，光线9(比如紫外线)几乎垂直于光掩模4的具有图形6a和6b(参见图1的b))的主面，在有不透明薄膜6的部分被反射回来，在图形6a和6b的开口部分进入透明基板5内部。因为图形7a的开口大于与其对应的图形6a的开口，从图形6a的开口部分进入透明基板5的光线9经过透明基板5的折射，几乎垂直于光刻胶8的表面照射到光刻胶8的内部，使被照射到的光刻胶8感光。在图形6a的开口周边处进入透明基板5的光线9，经过衍射在透明基板5的内部散开，衍射光的一部分可以散开到图形7a的开口的周边。因此，衍射光的一部分可以照射到图形6a的开口周边至图形7a的开口的周边的光刻胶。但是，因为衍射光在强度上弱于从图形6a的开口垂直入射的光线9，而且越靠近图形7a的开口的周边衍射光的强度越弱，所以越靠近图形7a的开口的周边能够感光的光刻胶的厚度越浅。所以，整体来讲，通过图形6a的开口和图形7a的开口的光线能够使光刻胶感光的范围是8a的部分。另一方面，因为图形6b和7b的开口尺寸基本相同，中心基本对齐，光刻胶感光的范围8b的部分基本与图形7b相同。如上所述，通过设计光掩模4的不透明薄膜6和7的图形，就可以控制光刻胶的感光范围和形状。即，通过设计图形6a和图形7a(或图形6b和图形7b)的开口尺寸及中心的相对位置，就可以控制光刻胶的感光范围和形状。在设计光刻胶的感光范围和形状时，还需要考虑的是光掩模4的透明基板5的厚度，光刻胶8的厚度，曝光时光掩模4具有不透明薄膜7的主面与光刻胶8的表面的距离。这些都可以通过现有的光学模拟进行计算。

下一步，如图1的e)所示，对曝光后的光刻胶薄膜8进行显影。显影之前，根据需要，可以对光刻胶进行加温烘烤处理。显影时，使用相应的溶剂把不需要的部分的光刻胶溶解除掉。光刻胶是正胶时，溶解掉的是感光的部分。相反，光刻胶是负胶时，溶解掉的是没感光的部分。所谓感光，指的是光刻胶接收到足够量的光线的照射，可以在显影过程中被溶解掉(正胶)或不被溶解掉(负胶)。比如，光刻胶8是正胶，显影后，感光的8a的部分被除掉,形成光刻胶图形9，感光的8b的部分被除掉,形成光刻胶图形10。这样形成的光刻胶图形9的侧壁9a具有斜坡，与基板的表面(即薄膜3的表面)1a形成的夹角是θ。如图1的d)所述，夹角θ是可以设计、控制的。另一方面，光刻胶图形10的侧壁10a几乎垂直于基板的表面1a。在本实施例中，通过调节图形6a和7a的图形形状及相对位置，就可以得到侧壁倾角随处变化的光刻胶图形9。同样，通过调节图形6b和7b的图形形状及相对位置，也可以得到侧壁倾角随处变化的光刻胶图形10。就是说，由于使用了图1的b)所示的光掩模，通过一次光刻(包括涂胶、曝光、显影)就可以得到侧壁与基板的表面1a具有各种不同夹角的光刻胶图形。

下一步，如图1的f)所示，以光刻胶8为保护膜，对薄膜3进行干法刻蚀加工。加工后在薄膜3上形成与光刻胶图形相对应的薄膜的微细结构(包括微细结构11、12)。比如，与光刻胶图形9相对应，可以得到薄膜的微细结构11，其侧壁为11a，侧壁11a与晶圆2的夹角为β。夹角β由夹角θ、光刻胶8与薄膜3的刻蚀选择比决定。干法刻蚀加工薄膜3时，光刻胶8同时受到刻蚀。所谓刻蚀选择比，是指干法刻蚀加工薄膜3时，光刻胶8厚度的减少量(或减少速度)和薄膜3的厚度的减少量(或减少速度)的比例。在干法刻蚀加工条件优化后，这个选择比可以是固定的，也可以是随条件变化的。就是说，选择比可以通过干法刻蚀加工条件来控制。因此，当夹角θ和干法刻蚀加工条件确定时，夹角β就是一定的。当选择比＝1时，夹角β与夹角θ相同；当选择比<1时，夹角β<夹角θ；当选择比>1时，夹角β>夹角θ。另一方面，与光刻胶图形10相对应，通过干法刻蚀加工可以得到薄膜3的微细结构12，其侧壁为12a。因为光刻胶图形10的侧壁10a与薄膜3表面几乎垂直，得到的薄膜3的微细结构12的侧壁12a也与晶圆2的表面几乎垂直。干法刻蚀加工薄膜3时，可以根据薄膜3的材料来选择干法刻蚀的条件(包括反应气体)。比如，薄膜3为al，干法刻蚀方法为反应性离子刻蚀(rie)，该离子包含氯气、或氯的化合物。

下一步，如图1的g)所示，去除残余的光刻胶薄膜8，完成微细结构(包括11和12)的加工。光刻胶薄膜8可以用通常的半导体光刻胶去除工艺去除。

在本实施例中，在确定了需要加工的微细结构的包括开口尺寸、侧壁倾角等形状参数之后，就可以根据可控的加工条件(包括光刻胶种类和厚度、光刻胶与需要加工薄膜(或基板)的加工选择比)设计光掩模的图形。反过来，用设计好的光掩模进行上述流程的加工，就可以控制光刻胶图形的侧壁形状(包括其与薄膜3的夹角)，可以在一次干法刻蚀中在基板的不同部分得到侧壁与晶圆表面具有不同夹角的微细结构(包括11和12)。工艺简单，工艺灵活性大，这是传统工艺无法实现的。另外，由于微细结构的侧壁的倾斜程度(与基板表面的夹角)可以用光刻胶图形来控制，就可以用最佳的工艺条件对基板进行加工，从而提高微细结构的加工质量。另外，因为没有必要做大量实验摸索工艺条件，并且将工艺条件维持在狭小的范围内，所以可以提高生产效率。

实施例2

本申请实施例2提供另一种微细结构的加工方法。本实施例中与实施例1相类似的部分不再详述，实施例2与实施例1的区别在于，在对光刻胶进行曝光的过程中，使用了不同的光掩模。

图2是本实施例的微细结构的加工方法的一个示意图。

首先，进行半导体基板1的准备。本实施例中的半导体基板1与如图1的a)所示的半导体基板1相同。

下一步，如图2的a)所示，进行光掩模4的准备。光掩模4由透明基板5和在透明基板5的一个主面的表面形成的薄膜7的图形(包括7a、7b)构成。与实施例1不同的是，本实施例的光掩模4只在透明基板5的一个主面的表面形成薄膜7的图形。另外，在图形7a的周边7c的部分，薄膜7的厚度是渐变的，即，周边7c的厚度由图形7a开口内部向外由0渐变到和薄膜7最厚处相同。在薄膜7最厚处，薄膜7对于光刻所用的光(比如i线)是几乎不透明的。而在图形7a的周边7c的部分，薄膜7对于光刻所用的光的透射率是随薄膜7的厚度所改变的。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等金属，也可以是氮化硅等电介质。薄膜7的厚度渐变的周边7c部分，形状可以通过光学模拟计算来进行设计，然后用实施例1的加工方法形成，即，将透明基板5表面的薄膜7作为实施例1的薄膜3，采用实施例1的光掩模对薄膜7表面的光刻胶进行曝光，以在薄膜7表面形成侧壁倾斜的光刻胶图形，再以该侧壁倾斜的光刻胶图形为保护膜，对薄膜7进行刻蚀，从而将薄膜7形成为具有厚度渐变的部分。

下一步，如图1的c)所示，在半导体基板1的表面1a(即薄膜3的表面)上形成光刻胶薄膜8。

下一步，如图2的b)所示，使用光掩模4对光刻胶薄膜8进行曝光。曝光时，光掩模4的具有图形7a和7b(参见图2的a))的主面密接光刻胶薄膜8的表面。因为在周边7c由图形7a开口内部向外，薄膜7的厚度由0渐变到和薄膜7最厚处相同，所以光线9的透射率是由与图形7a的开口内部相同渐变为0的。其结果是，光刻胶8的感光范围与形状可以用8a的部分来表述。另一方面，在图形7b处，只有与图形7b的开口相对应的部分的光刻胶才感光，光刻胶的被曝光部分是8b的部分。

下一步，如图1的e)所示，对曝光后的光刻胶薄膜8进行显影。

下一步，如图1的f)所示，以光刻胶8为保护膜，对薄膜3进行干法刻蚀加工。加工后在薄膜3上形成与光刻胶图形相对应的薄膜的微细结构。

下一步，如图1的g)所示，去除残余的光刻胶8，完成微细结构(包括11和12)的加工。

此实施例可以得到与实施例1相同的效果。

此外，在图2的a)中，虽然薄膜7形成在透明基板5的一个表面，但本实施例可以不限于此，例如，图2的a)的光掩模的特征可以和图1的b)的光掩模组合，即，在图2的a)的透明基板5的另一个表面，也可以具有由不透明薄膜6形成的掩模图形，该掩模图形的开口的设置方式可以与实施例1的6a、6b的设置方式类似。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。