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的光子學(xué)和生物技術(shù)芯片市場的首選技術(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。

缺點是在多個金屬層上對齊，這是光刻的主要優(yōu)勢。將 NIL 中使用的模具壓入抗蝕劑的過程會導(dǎo)致扭曲或變形，從而導(dǎo)致不同層之間的錯位。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齊，以確保準(zhǔn)確可靠的芯片性能。這對于特征尺寸縮小到 10 納米以下的高級半導(dǎo)體節(jié)點來說尤其成問題。這些尺寸的覆蓋對齊公差非常嚴(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，它不需要對齊，或者更準(zhǔn)確地說不需要多層對齊。” “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，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。另一個是模式靈活性。光子器件依賴于通過襯底上表面結(jié)構(gòu)的圖案和頻率對光進(jìn)行納米級操縱。NIL 可用于通過一次印模創(chuàng)建各種三維 (3D) 納米結(jié)構(gòu)，從而為高級光子器件中的應(yīng)用提供獨特的光學(xué)特性。

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

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

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

然而，由于各種技術(shù)、財務(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。現(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增加復(fù)雜性、時間和資源，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)動技術(shù)，技術(shù)賦能應(yīng)用。”

光子學(xué)革命

光子學(xué)是一個新興產(chǎn)業(yè)，受到全球?qū)饽芟到y(tǒng)不斷增長的需求的推動。光子元件使用的層數(shù)比傳統(tǒng)芯片少，但它們對于各種產(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)、消費電子產(chǎn)品、汽車等。這些垂直市場嚴(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。據(jù)麥肯錫稱，目前全球光啟用系統(tǒng)市場規(guī)模約為 1.4 萬億美元，預(yù)計到 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，但組件市場的增長速度遠(yuǎn)快于整個系統(tǒng)本身，復(fù)合年增長率分別為 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，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。

“波長非常無情，”Urhmann 說。“光子學(xué)的微小變化會對它們的性能產(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。使用 NIL，一旦您擁有一個經(jīng)過驗證的模板，并復(fù)制該模板，那么整個晶圓將具有完全 100% 相同的規(guī)格。對于像增強(qiáng)現(xiàn)實這樣的應(yīng)用程序，它是一項巨大的資產(chǎn)。”

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)的實際形成，以及基板到基板的可重復(fù)性。”

結(jié)構(gòu)的“實際形成”是 NIL 的一個重要區(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。”“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)會更加復(fù)雜的透明表面。”

NIL 也沒有模式場限制，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。特別是全場 UV-NIL 允許在大面積上打印圖案而不會出現(xiàn)拼接錯誤。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，這個相對較新且快速增長的市場的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)化的缺乏也可能是一個重大挑戰(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 NIL 設(shè)備不斷增長的需求，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。“對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。”

IC 制造的光子學(xué)后門

NIL 在光子學(xué)市場的成功重新激發(fā)了人們對其在半導(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 憑借其在納米級的高分辨率圖案化，能夠制造對硅光子器件至關(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)非常互補，它們可以非常順利地共存，”Storace 說。“從處理的角度來看，挑戰(zhàn)在于將這兩個世界結(jié)合起來。這就是我們在 imec 所做的。我們有一個 CMOS 工廠，我們在該工廠中嵌入了 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)知識來提出新的工藝流程，從而能夠創(chuàng)建一個完整的產(chǎn)品。”

NIL 在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的另一個機(jī)會是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單元組成。每個存儲單元由一個晶體管和一個浮動?xùn)艠O組成，浮動?xùn)艠O將數(shù)據(jù)存儲為 0 或 1。晶體管控制存儲單元和電路其余部分之間的電流流動。NAND 閃存結(jié)構(gòu)的簡單性使其成為 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試設(shè)備，并計劃到 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) 對齊系統(tǒng)及其高階失真校正 (HODC) 在很大程度上解決了對齊問題系統(tǒng)。

佳能的方法使用具有專有控制技術(shù)的莫爾圖案實時測量晶圓和掩模之間的納米級偏差（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導(dǎo)致晶圓發(fā)生微變形，從而影響后續(xù)層的對準(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 示波器可以實時測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)營銷和業(yè)務(wù)副總裁 Doug Resnick 說。“我們已經(jīng)在封閉系統(tǒng)上實現(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。”

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。NIL 已經(jīng)擴(kuò)展到包括智能材料的驅(qū)動、過濾膜性能的增強(qiáng)、增強(qiáng)現(xiàn)實、傳感器技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品和基因組測序。

增強(qiáng)現(xiàn)實和 3D 傳感絕對是 NIL 目前的熱門話題，”Uhrmann 說。“對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序。”

基因組測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納米孔。每種基因組類型的核苷酸都會產(chǎn)生具有獨特大小的受阻離子電流，并且可以測量每種類型的靜電荷分布以確定它們在鏈上的序列。

制造這些納米孔最初是通過在基板上有機(jī)地生長它們來完成的，但要使它們的尺寸保持一致是一個挑戰(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序相關(guān)的成本。這已迅速成為基因組測試公司和實驗室的首選技術(shù)。

圖 5：通過 NIL 和聚合物回流在獨立聚合物膜中生產(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)級制造工具。最初針對半導(dǎo)體制造，其采用受到覆蓋對準(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)勢而不是障礙。

特別是光子元件正在利用 NIL 的納米級功能，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。

審核編輯 ：李倩