纳米压印终于站稳脚跟

纳米压印光刻技术，几十年来一直落后于传统光学光刻技术，正在成为快速增长的光子学和生物技术芯片市场的首选技术。

在20世纪90年代中期首次推出，纳米压印光刻(NIL)一直被吹捧为传统光学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艺步骤和更低的资本设备成本来匹配当前的EUV尺寸、产量和吞吐量。

NIL与光学光刻的不同之处在于，它直接将图像转移到硅片和其他基片上，使用电子束系统制作的主印章副本。低粘度抗蚀剂是通过喷射沉积在基材上的，类似于喷墨打印机的工作原理。然后，将图案图章(掩模)压入抗蚀剂表面，流体通过毛细作用流入图案。紫外线辐射交联热固性和掩模被移除，留下的图案抗蚀剂在基材上。

缺点是在多个金属层上对齐，这是光学光刻的主要优势。将零压模压入抗蚀剂的过程会造成扭曲或变形，导致不同层之间的错位。尖端半导体可以有超过24层，每一层都精确地与下一层对齐，以确保精确可靠的芯片性能。对于先进的半导体节点来说，这尤其是个问题，因为它们的特征尺寸正在缩小到10nm以下。在这些尺寸上，覆盖对齐的公差是非常严格的。

“纳米压印是纳米结构定义的理想光刻工具，不需要校准，或者更准确地说，不需要许多层的校准，”NIL Technology的首席执行官Theodor Nielsen说。“NIL高效、快速，所需的资本支出明显低于使用步进器所需的资本支出。但是，当许多光刻步骤需要相互配准时，步进器是优越的。

这种在10nm以下的均匀性是光子学的主要优势。另一个是模式灵活性。光子器件依赖于光的纳米级操纵，通过图案和频率的表面结构在衬底上。NIL可用于创建具有单一印象的各种三维(3D)纳米结构，为先进光子器件的应用提供独特的光学特性。

图1:EVG的SmartNIL过程示意图，包括两个步骤-工作印章制作和压印。这两个步骤在同一个工具中执行。来源:EV Group

与传统光学光刻技术相比，NIL具有许多优点，包括EUV。其中包括:

• 它可以再现5nm以下的特征尺寸，具有更高的分辨率和更低的线边缘粗糙度(LER);
• 由于整个过程避免了对透镜阵列的需求和光源所需的极端功率，因此NIL的操作成本显着降低;
• 它需要更少的处理步骤，并且
• 它比EUV系统要紧凑得多，因此可以将多台机器集群在一起以提高吞吐量。

然而，由于各种技术，财务和物流障碍，NIL尚未找到进入半导体制造生产线的方式。早在2008年，研究人员就展示了45纳米以下低成本的零纳米生产，目前的零纳米技术可以在10纳米以下的尺寸上打印，对准精度低至2纳米。

部分原因是由于在晶圆厂中增加另一种光刻技术的成本。光刻设备的现有投资是巨大的，光学扫描仪的行业标准化使得它更难被取代。虽然使用NIL来绘制某些层的图案可能更便宜，但这项技术在额外的设备上使用了不同于光学系统使用的材料的不同工艺。添加到工作流程中的任何新过程或材料都会增加复杂性、时间和资源，从而增加成本并降低吞吐量。这不仅仅是过程的成本。它是添加额外流程步骤的所有相关成本。

“如果你已经可以用标准光刻技术做一些事情，而且市场上有很多产能，那么这些生产线将运行这些分辨率，”EV集团业务发展总监托马斯•乌尔曼(Thomas Urhmann)表示。“为了进一步推广纳米压印光刻技术，它将采用尚未建立制造工艺的新应用。应用驱动技术，技术支持应用。”

光子学革命
进入光电子行业，这是一个新兴的行业，受到全球对光能系统日益增长的需求的推动。与传统芯片相比，光子学组件使用的层数更少，但它们对于各种产品和服务至关重要，包括电信、数据网络、生物光子学、消费电子、汽车等。这些垂直市场严重依赖光学和光子学组件，如led和激光芯片、光学玻璃、探测器和图像传感器、透镜、棱镜、滤光片、光栅、光纤等等。

这为NIL创造了巨大的机会。的全球市场据麦肯锡(McKinsey)称，目前，光驱动系统的成本约为1.4万亿美元，预计到2025年将达到近2万亿美元。虽然光子组件占总份额的9%，即约1200亿美元，但组件市场的增长速度远快于整体系统本身，复合年增长率为10%对6%。这是由于应用的增加和光子元件在这些系统中的扩散。

它也发挥了NIL的优势，这是它能够在不同的衬底上创建具有优异再现性和可扩展性的高分辨率纳米结构。NIL提供了一种经济有效的方法来制造10nm以下的复杂纳米结构，这对于制造光子晶体、波导和光栅耦合器等小型光子器件至关重要。该技术还可以制造具有高度均匀和详细的亚波长特征的光子元件，从而增强光-物质相互作用并改善器件性能。

“波长是非常无情的，”乌尔曼说。“光子学上的微小变化会对它们的性能产生巨大影响，尤其是当你观察结构上的线边缘粗糙度时。有了NIL，一旦你有了一个模板，经过测试，你复制这个模板，那么整个晶圆片将具有100%相同的规格。对于增强现实等应用来说，这是一笔非常非常大的资产。”

图2:NIL光子学应用实例，展示了纳米和微观结构以及复杂形状结构的加工能力。来源:EV Group

Obducat集团的首席执行官Patrik Lundström说:“在光子学中，你经常有这些小的特征尺寸，如果你用光学光刻来生产这些特征，成本将大大高于NIL。”“NIL技术的成本效率是光子学的关键优势之一。此外，光学抗蚀剂的使用和抗蚀剂材料中结构的实际形成，以及基板到基板的可重复性，与光学光刻相比，NIL更容易实现。”

结构的“实际形成”是NIL的一个重要区别。与光学光刻不同的是，光学光刻是在应用中对硅的抗蚀剂进行刻蚀，而NIL直接在衬底材料上创建结构，而不需要蚀刻。这使得在各种可能不适合光学系统的表面上刻印极其精细的电路成为可能。

imec纳米压印光刻项目经理Eleonora Storace说:“就压印材料选择的灵活性而言，NIL具有很强的优势。”“它与基质无关。你基本上可以在任何类型的基板上进行压印，比如金属、高折射率玻璃或其他透明表面，这些都是光学光刻技术更为复杂的。”

NIL也没有图案场限制，使其高度适应多样化和标准化程度较低的光子市场。特别是全场UV-NIL，可以在大面积上打印图案而不会出现拼接错误。该技术支持各种结构尺寸和形状，包括3D，甚至可以用于高地形表面，这是许多光子器件的关键要求。

在相对较新的和快速增长的市场中，多样性和缺乏标准化对于那些希望采用NIL技术来设计其新光子学应用的公司来说也是一个重大挑战，特别是因为NIL还没有一个成熟的技术生态系统。

为了满足光电子行业对NIL设备日益增长的需求，NIL技术公司正在与材料供应商结成联盟，以帮助孵化新的想法。例如，EVG集团(EVG)创建了一个光电子技术中心来支持行业中的新解决方案，并宣布与材料供应商(如Toppan Photomask和Taramount)达成多项协议，以提供主模板和新的封装解决方案。就在本月，EVG宣布与Notion Systems达成一项新协议，共同开发喷墨涂层能力。这些合作旨在将NIL建立为光电子制造的行业标准生产工艺。

在光电子市场上，NIL仍然面临着许多挑战，包括缺乏成熟的材料生态系统。虽然材料和消耗品的供应正在改善，但仍有需要解决的差距。

“在过去的十年里，生态系统得到了巨大的改善，”imec的斯托拉斯说。“对于那些有可能提供大量产品以支持代工厂的供应商来说，他们的成熟度很高，而且他们正在实现这一目标，但这两件事是相辅相成的。”只要没有大量客户下订单，供应链就不会自行发展。”

不过，这种情况正在改善。“在过去的两年里，材料方面取得了广泛的进展，推出了许多新材料，我们知道还有更多正在开发中，”Lundström补充道。“我们还看到主模板供应链发展良好，许多半导体领域的知名公司正在进入这一领域，这将在可靠供应商的可用性方面带来好处。”

集成电路制造的光子学后门
NIL在光电子市场上的成功使人们对其在硅光电子制造半导体代工厂中的潜在应用重新产生了兴趣。硅光子学器件需要精确和复杂的光学结构，这通常是使用传统光学光刻技术制造的挑战，特别是在最小的节点上。较大的数值孔径使EUV的景深减小到只有几百纳米。但由于其在纳米尺度上的高分辨率图形，使得制造复杂和小型化的光学结构成为可能，这对硅光子学器件至关重要。NIL也可以与现有的半导体制造工艺集成。

“这些技术是非常互补的，它们可以非常顺利地共存，”斯托雷斯说。“从处理的角度来看，挑战在于将这两个世界结合起来。这就是我们现在正在做的。我们有一个CMOS晶圆厂，我们在晶圆厂中嵌入了我们的NIL工具，因此我们可以利用两种技术工作人员的所有专业知识，提出新的工艺流程，从而实现完整产品的创建。”

NIL在半导体制造领域的另一个机会是3 d与非闪存芯片。NAND闪存由一系列存储单元组成，这些存储单元可以排列成二维数组。每个存储单元由一个晶体管和一个浮栅组成，浮栅以0或1的形式存储数据。晶体管控制存储单元和电路其余部分之间的电流流动。NAND闪存结构的简单性使其成为零值制造的良好候选者。

佳能纳米技术公司在3D NAND闪存上押下了重金，因为它的零制造技术。该公司目前在SK海力士和Kioxia(原东芝)的制造工厂拥有测试设备，并计划在2025年之前开始使用NIL大规模生产3D NAND闪存。佳能还在东京北部的宇都宫(Utsunomiya)投资3.57亿美元新建一座工厂，以使包括NIL在内的光刻设备的产量增加一倍。

佳能目标的主要挑战仍然是对准，特别是在晶圆边缘附近，尽管佳能相信它已经通过掩膜穿透(TTM)对准系统和高阶失真校正(HODC)系统在很大程度上解决了对准问题。
佳能的方法使用带有专有控制技术的波纹模式实时测量晶圆和掩模之间的纳米级偏差(图3)。这是大多数NIL工具制造商使用的常用方法，但是物理上将母片压到基板上并加热抗蚀剂的过程会导致晶圆中的微小扭曲，从而影响后续层的对准。佳能的HODC技术不是试图避免这些扭曲，而是使用由数字反射装置(DMD)调制的激光照射来纠正它们。激光对晶片和掩模进行热变形(图4)，由于热膨胀系数的差异，可以进行畸变校正。

图3:能够实时测量掩模与晶圆之间位置偏差的TTM示波器。来源:佳能

图4:专有匹配系统。来源:佳能

“我们现在满足了3D NAND闪存覆盖精度的所有要求，”佳能纳米技术营销和业务副总裁Doug Resnick说。“我们已经在封闭系统上实现了1.8nm的覆盖精度，在混合匹配覆盖上实现了2.3nm的精度。”

零废物的新机会
除了光子学和半导体，在更广泛的材料科学领域的应用也在迅速增长。NIL已经扩展到包括智能材料的驱动、过滤膜性能的增强、增强现实、传感器技术、生物医学产品和基因组测序。
增强现实和3D传感无疑是目前NIL的热门话题。”“对于像指纹传感器或光谱传感器这样的应用，你需要微光学元件。其他的应用还包括金属透镜和金属光学，但它现在真正大规模发展的是基因组测序。”

基因组测序的过程包括利用外部电压的电容变化将核苷酸通过纳米级纳米孔。每种基因组类型的核苷酸都会产生具有独特大小的阻断离子电流，并且可以测量每种类型的静电电荷分布以确定其在链上的序列。

制造这些纳米孔最初是通过在衬底上有机生长来完成的，但要使它们的尺寸保持一致是一个挑战。NIL通过在材料中高速打印一致、均匀间隔的纳米孔解决了这一挑战，显著降低了与基因组测序相关的成本。这已经迅速成为基因组检测公司和实验室的首选技术。

图5:通过NIL和聚合物回流在独立聚合物膜上产生穿孔纳米孔的过程。来源:知识共享

结论
虽然纳米压印技术已经存在了几十年，但直到现在才被广泛采用为生产级制造工具。最初针对半导体制造，其采用受到覆盖对准，吞吐量和缺陷的挑战。相反，NIL已被其他行业采用，其中单层或有限层印迹是一种资产而不是障碍。

特别是光子元件，利用了纳米级的能力，而没有光学光刻的随机或线边缘粗糙度的挑战。其他应用，如生物医学和基因组测序，也正在采用零成本制造技术，以比其他制造技术低得多的成本将产品推向市场。