幾十年來一直落后于傳統(tǒng)光學(xué)光刻的納米壓印光刻正在成為快速增長(zhǎng)的光子學(xué)和生物技術(shù)芯片市場(chǎng)的首選技術(shù)。

納米壓印光刻 (NIL) 于 20 世紀(jì) 90 年代中期首次推出，一直被吹捧為傳統(tǒng)光學(xué)光刻的低成本替代品。即使在今天，NIL 也有可能使用更少的工藝步驟和顯著降低的資本設(shè)備成本來匹配當(dāng)前的 EUV 尺寸、產(chǎn)量和吞吐量。

NIL 與光學(xué)光刻的不同之處在于，NIL 使用由電子束系統(tǒng)圖案化的主印模副本將圖像直接轉(zhuǎn)移到硅晶片和其他基板上。低粘度光刻膠通過噴射沉積在基板上，類似于噴墨打印機(jī)的工作方式。然后，將圖案化的印模（掩模）壓入光刻膠表面，流體通過毛細(xì)管作用流入圖案中。紫外線輻射交聯(lián)熱固性材料，去除掩模，在基板上留下圖案化的光刻膠。

缺點(diǎn)是在多個(gè)金屬層上對(duì)齊，這是光刻的主要優(yōu)勢(shì)。將 NIL 中使用的模具壓入抗蝕劑的過程會(huì)導(dǎo)致扭曲或變形，從而導(dǎo)致不同層之間的錯(cuò)位。尖端半導(dǎo)體可以有兩打以上的層，每一層都與下面的層精確對(duì)齊，以確保準(zhǔn)確可靠的芯片性能。這對(duì)于特征尺寸縮小到 10 納米以下的高級(jí)半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)來說尤其成問題。這些尺寸的覆蓋對(duì)齊公差非常嚴(yán)格。

NIL Technology 首席執(zhí)行官 Theodor Nielson 表示：“Nanoimprint 是用于納米結(jié)構(gòu)定義的理想光刻工具，它不需要對(duì)齊，或者更準(zhǔn)確地說不需要多層對(duì)齊。” “NIL 高效、快速，并且所需的資本支出明顯低于使用步進(jìn)***所需的成本。但是，當(dāng)需要許多相互配準(zhǔn)的光刻步驟時(shí)，步進(jìn)機(jī)更勝一籌。”

這種10nm以下工藝的特征均勻性是光子學(xué)的主要優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)是模式靈活性。光子器件依賴于通過襯底上表面結(jié)構(gòu)的圖案和頻率對(duì)光進(jìn)行納米級(jí)操縱。NIL 可用于通過一次印模創(chuàng)建各種三維 (3D) 納米結(jié)構(gòu)，從而為高級(jí)光子器件中的應(yīng)用提供獨(dú)特的光學(xué)特性。

圖 1：EVG 的 SmartNIL 工藝示意圖，包括兩個(gè)步驟——工作印章制造和壓印。這兩個(gè)步驟都在同一個(gè)工具中執(zhí)行。

與包括 EUV 在內(nèi)的傳統(tǒng)光刻相比，NIL 具有許多優(yōu)勢(shì)。他們之中：

它可以以更高的分辨率和更低的線邊緣粗糙度 (LER) 再現(xiàn) 5nm 以下的特征尺寸；

由于整個(gè)過程避免了對(duì)透鏡陣列的需要和光源所需的極端功率，因此 NIL 的運(yùn)行成本顯著降低；

它需要更少的工藝步驟，并且它比 EUV 系統(tǒng)緊湊得多，因此可以將多臺(tái)機(jī)器集群在一起以提高吞吐量。

然而，由于各種技術(shù)、財(cái)務(wù)和物流障礙，NIL 尚未找到進(jìn)入半導(dǎo)體制造生產(chǎn)線的途徑。早在 2008 年，研究人員就展示了具有成本效益的 45 納米以下 NIL 生產(chǎn)，目前的 NIL 技術(shù)可以打印 10 納米以下的尺寸，對(duì)準(zhǔn)精度低至 2 納米。

部分原因是在晶圓廠中添加另一種光刻技術(shù)的成本?，F(xiàn)有的光刻設(shè)備投資巨大，光學(xué)掃描儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化使其更難被取代。雖然使用 NIL 對(duì)某些層進(jìn)行圖案化可能更便宜，但它是一種在附加設(shè)備上使用不同工藝的技術(shù)，其材料不同于光學(xué)系統(tǒng)所使用的材料。添加到工作流程中的任何新流程或材料都會(huì)增加復(fù)雜性、時(shí)間和資源，從而增加成本并降低吞吐量。這不僅僅是流程的成本。這是添加額外流程步驟的所有相關(guān)成本。

EV Group 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Thomas Urhmann 說：“如果你已經(jīng)可以用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)做一些事情，并且那里有很多產(chǎn)能，那么這些生產(chǎn)線將運(yùn)行這些分辨率?！?“為了進(jìn)一步推廣納米壓印光刻技術(shù)，需要采用尚未建立制造工藝的新應(yīng)用。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)技術(shù)，技術(shù)賦能應(yīng)用?！?/p>

光子學(xué)革命

光子學(xué)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，受到全球?qū)饽芟到y(tǒng)不斷增長(zhǎng)的需求的推動(dòng)。光子元件使用的層數(shù)比傳統(tǒng)芯片少，但它們對(duì)于各種產(chǎn)品和服務(wù)至關(guān)重要，包括電信、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、生物光子學(xué)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車等。這些垂直市場(chǎng)嚴(yán)重依賴光學(xué)和光子元件，例如 LED 和激光芯片、光學(xué)玻璃、探測(cè)器和圖像傳感器、透鏡、棱鏡、濾光片、光柵、光纖等等。

這為 NIL 創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)。據(jù)麥肯錫稱，目前全球光啟用系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約為 1.4 萬億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到近 2 萬億美元。雖然光子組件約占這一總份額的 9%，即大約 1200 億美元，但組件市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)快于整個(gè)系統(tǒng)本身，復(fù)合年增長(zhǎng)率分別為 10% 和 6%。這是由于這些系統(tǒng)中應(yīng)用的增加和光子元件的激增。

它還發(fā)揮了 NIL 的優(yōu)勢(shì)，即它能夠在不同基板上創(chuàng)建具有出色再現(xiàn)性和可擴(kuò)展性的高分辨率納米結(jié)構(gòu)。NIL 提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來制造 10 納米以下的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，這對(duì)于制造光子晶體、波導(dǎo)和光柵耦合器等小型光子器件至關(guān)重要。該技術(shù)還可以制造具有高度均勻和詳細(xì)的亞波長(zhǎng)特征的光子元件，從而增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用并提高器件性能。

“波長(zhǎng)非常無情，”Urhmann 說?！肮庾訉W(xué)的微小變化會(huì)對(duì)它們的性能產(chǎn)生巨大影響，尤其是當(dāng)你觀察結(jié)構(gòu)上的線邊緣粗糙度時(shí)。使用 NIL，一旦您擁有一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的模板，并復(fù)制該模板，那么整個(gè)晶圓將具有完全 100% 相同的規(guī)格。對(duì)于像增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這樣的應(yīng)用程序，它是一項(xiàng)巨大的資產(chǎn)?！?/p>

圖 2：NIL 光子學(xué)應(yīng)用示例展示了納米和微米結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的工藝能力

Obducat Group 首席執(zhí)行官Patrik Lundstr?m表示：“在光子學(xué)中，通常具有這些小特征尺寸，如果使用光學(xué)光刻技術(shù)生產(chǎn)這些特征，成本將明顯高于NIL。” “NIL 技術(shù)的成本效益是光子學(xué)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。此外，與光學(xué)光刻相比，NIL 更容易使用光刻膠和光刻膠材料中結(jié)構(gòu)的實(shí)際形成，以及基板到基板的可重復(fù)性。”

結(jié)構(gòu)的“實(shí)際形成”是 NIL 的一個(gè)重要區(qū)別。與光學(xué)光刻不同，光學(xué)光刻將抗蝕劑圖案化為應(yīng)用中的硅圖案，NIL 直接在基板材料上創(chuàng)建結(jié)構(gòu)而無需蝕刻。這使得能夠在可能不適用于光學(xué)系統(tǒng)的各種表面上壓印極其精細(xì)的電路。

imec 納米壓印光刻項(xiàng)目經(jīng)理 Eleonora Storace 表示：“NIL 在壓印材料選擇的靈活性方面具有非常強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。”“它與基板無關(guān)。你基本上可以在任何類型的基材上進(jìn)行壓印，例如金屬、高折射率玻璃或其他使用光刻技術(shù)會(huì)更加復(fù)雜的透明表面?！?/p>

NIL 也沒有模式場(chǎng)限制，使其高度適應(yīng)多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化程度較低的光電子市場(chǎng)。特別是全場(chǎng) UV-NIL 允許在大面積上打印圖案而不會(huì)出現(xiàn)拼接錯(cuò)誤。該技術(shù)支持各種結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，包括3D，甚至可以用于高形貌表面，這是許多光子器件的關(guān)鍵要求。

對(duì)于希望采用 NIL 技術(shù)來構(gòu)圖其新光子學(xué)應(yīng)用的公司來說，這個(gè)相對(duì)較新且快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)化的缺乏也可能是一個(gè)重大挑戰(zhàn)——尤其是在 NIL 尚未擁有成熟的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的情況下。

為了幫助滿足光電子行業(yè)對(duì) NIL 設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求，NIL 技術(shù)公司正在與材料供應(yīng)商結(jié)成聯(lián)盟，以幫助孵化新創(chuàng)意。例如，EV Group (EVG) 創(chuàng)建了一個(gè)光子學(xué)能力中心來支持行業(yè)中的新解決方案，并宣布與 Toppan Photomask 和 Taramount 等材料供應(yīng)商達(dá)成多項(xiàng)協(xié)議，以提供主模板和新封裝解決方案。就在本月，EVG 宣布與 Notion Systems 達(dá)成一項(xiàng)新協(xié)議，以開發(fā)噴墨涂層功能。這些合作旨在將 NIL 確立為光電子制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程。

NIL 在光子市場(chǎng)仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括缺乏成熟的材料生態(tài)系統(tǒng)。雖然材料和消耗品的可用性正在改善，但仍有差距需要解決。

“生態(tài)系統(tǒng)在過去十年中得到了巨大改善，”imec 的 Storace 說?！皩?duì)于那些可以提供大量產(chǎn)品以支持晶圓廠的供應(yīng)商來說，成熟度很高，他們正在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但這兩件事是齊頭并進(jìn)的。只要沒有達(dá)到臨界數(shù)量的客戶下訂單，供應(yīng)鏈就不會(huì)自行發(fā)展。”

不過，這種情況正在改善。“在過去兩年中，材料方面取得了廣泛進(jìn)展，推出了許多新材料，而且我們知道還有更多正在開發(fā)中，”Lundstr?m 補(bǔ)充道。“我們還看到主模板供應(yīng)鏈發(fā)展良好，許多半導(dǎo)體領(lǐng)域的知名公司正在進(jìn)入這一領(lǐng)域，這將在可靠供應(yīng)商的可用性方面帶來好處?！?/p>

IC 制造的光子學(xué)后門

NIL 在光子學(xué)市場(chǎng)的成功重新激發(fā)了人們對(duì)其在半導(dǎo)體鑄造廠硅光子學(xué)制造中的潛在應(yīng)用的興趣。硅光子器件需要精確而復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)制造這些結(jié)構(gòu)通常具有挑戰(zhàn)性，尤其是在最小的節(jié)點(diǎn)上。EUV 的較大數(shù)值孔徑將其景深降低到僅幾百納米。但是 NIL 憑借其在納米級(jí)的高分辨率圖案化，能夠制造對(duì)硅光子器件至關(guān)重要的復(fù)雜和小型化光學(xué)結(jié)構(gòu)。NIL 還可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝集成。

“這些技術(shù)非?；パa(bǔ)，它們可以非常順利地共存，”Storace 說?！皬奶幚淼慕嵌葋砜?，挑戰(zhàn)在于將這兩個(gè)世界結(jié)合起來。這就是我們?cè)?imec 所做的。我們有一個(gè) CMOS 工廠，我們?cè)谠摴S中嵌入了 NIL 工具，因此我們可以利用從事這兩種技術(shù)的人員的所有專業(yè)知識(shí)來提出新的工藝流程，從而能夠創(chuàng)建一個(gè)完整的產(chǎn)品。”

NIL 在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的另一個(gè)機(jī)會(huì)是3D NAND閃存芯片。NAND閃存由一系列可以排列成二維陣列的存儲(chǔ)單元組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)浮動(dòng)?xùn)艠O組成，浮動(dòng)?xùn)艠O將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 0 或 1。晶體管控制存儲(chǔ)單元和電路其余部分之間的電流流動(dòng)。NAND 閃存結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性使其成為 NIL 制造的良好候選者。

Canon Nanotechnologies 憑借其 NIL 制造技術(shù)在 3D NAND 閃存上押下重注。該公司目前在 SK 海力士和鎧俠（前身為東芝）的制造工廠配備了測(cè)試設(shè)備，并計(jì)劃到 2025 年開始使用 NIL 大規(guī)模生產(chǎn) 3D NAND 閃存。佳能還在東京北部的宇都宮建設(shè)一座耗資 3.57 億美元的新工廠，將其光刻設(shè)備（包括 NIL）的產(chǎn)量提高一倍。

佳能目標(biāo)的主要挑戰(zhàn)仍然是對(duì)齊，尤其是在晶圓邊緣附近，盡管該公司認(rèn)為它已經(jīng)通過掩模 (TTM) 對(duì)齊系統(tǒng)及其高階失真校正 (HODC) 在很大程度上解決了對(duì)齊問題系統(tǒng)。

佳能的方法使用具有專有控制技術(shù)的莫爾圖案實(shí)時(shí)測(cè)量晶圓和掩模之間的納米級(jí)偏差（圖 3）。這是大多數(shù) NIL 工具制造商使用的常用方法，但是將母版物理壓到基板上并加熱抗蝕劑的過程會(huì)導(dǎo)致晶圓發(fā)生微變形，從而影響后續(xù)層的對(duì)準(zhǔn)。佳能的 HODC 技術(shù)并沒有試圖避免這些失真，而是使用由數(shù)字鏡面設(shè)備 (DMD) 調(diào)制的激光照射來校正它們。激光使晶圓和掩膜發(fā)生熱變形（圖 4），并且由于熱膨脹系數(shù)的差異，可以進(jìn)行畸變校正。

圖 3：TTM 示波器可以實(shí)時(shí)測(cè)量掩模和晶圓之間的位置偏差

圖 4：專有匹配系統(tǒng)

“我們現(xiàn)在可以滿足 3D NAND 閃存中覆蓋精度的所有要求，”佳能納米技術(shù)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)副總裁 Doug Resnick 說?！拔覀円呀?jīng)在封閉系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了 1.8 納米的疊加精度，在混合匹配疊加上達(dá)到了 2.3 納米?！?/p>

NIL 的新機(jī)遇

除了光子學(xué)和半導(dǎo)體之外，NIL 在更廣泛的材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速增長(zhǎng)。NIL 已經(jīng)擴(kuò)展到包括智能材料的驅(qū)動(dòng)、過濾膜性能的增強(qiáng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、傳感器技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品和基因組測(cè)序。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和 3D 傳感絕對(duì)是 NIL 目前的熱門話題，”Uhrmann 說?！皩?duì)于指紋傳感器或光譜傳感器等應(yīng)用，您需要微型光學(xué)元件。其他應(yīng)用包括金屬透鏡和金屬光學(xué)器件，但它現(xiàn)在真正大放異彩的是基因組測(cè)序?！?/p>

基因組測(cè)序過程涉及使用來自外部電壓的電容變化使核苷酸通過納米級(jí)納米孔。每種基因組類型的核苷酸都會(huì)產(chǎn)生具有獨(dú)特大小的受阻離子電流，并且可以測(cè)量每種類型的靜電荷分布以確定它們?cè)阪溕系男蛄小?/p>

制造這些納米孔最初是通過在基板上有機(jī)地生長(zhǎng)它們來完成的，但要使它們的尺寸保持一致是一個(gè)挑戰(zhàn)。NIL 通過在材料中高速打印一致、均勻分布的納米孔來解決這一挑戰(zhàn)，從而顯著降低與基因組測(cè)序相關(guān)的成本。這已迅速成為基因組測(cè)試公司和實(shí)驗(yàn)室的首選技術(shù)。

圖 5：通過 NIL 和聚合物回流在獨(dú)立聚合物膜中生產(chǎn)穿孔納米孔的過程

結(jié)論

雖然納米壓印光刻已經(jīng)存在了幾十年，但直到現(xiàn)在它才被廣泛用作生產(chǎn)級(jí)制造工具。最初針對(duì)半導(dǎo)體制造，其采用受到覆蓋對(duì)準(zhǔn)、吞吐量和缺陷率方面挑戰(zhàn)的限制。相反，NIL 已被其他行業(yè)采用，在這些行業(yè)中，單層或有限層壓印是一種優(yōu)勢(shì)而不是障礙。

特別是光子元件正在利用 NIL 的納米級(jí)功能，而沒有光學(xué)光刻的隨機(jī)或線邊緣粗糙度挑戰(zhàn)。生物醫(yī)學(xué)和基因組測(cè)序等其他應(yīng)用也在采用 NIL 制造，以比其他制造技術(shù)低得多的成本將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

審核編輯 ：李倩