幾十年來一直落后于傳統光學光刻的納米壓印光刻正在成為快速增長的光子學和生物技術芯片市場的首選技術。

納米壓印光刻 (NIL) 于 20 世紀 90 年代中期首次推出，一直被吹捧為傳統光學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備成本來匹配當前的 EUV 尺寸、產量和吞吐量。

NIL 與光學光刻的不同之處在于，NIL 使用由電子束系統圖案化的主印模副本將圖像直接轉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，流體通過毛細管作用流入圖案中。紫外線輻射交聯熱固性材料，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，這是光刻的主要優勢。將 NIL 中使用的模具壓入抗蝕劑的過程會導致扭曲或變形，從而導致不同層之間的錯位。尖端半導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體節點來說尤其成問題。這些尺寸的覆蓋對齊公差非常嚴格。

NIL Technology 首席執行官 Theodor Nielson 表示：“Nanoimprint 是用于納米結構定義的理想光刻工具，它不需要對齊，或者更準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***所需的成本。但是，當需要許多相互配準的光刻步驟時，步進機更勝一籌。”

這種10nm以下工藝的特征均勻性是光子學的主要優勢。另一個是模式靈活性。光子器件依賴于通過襯底上表面結構的圖案和頻率對光進行納米級操縱。NIL 可用于通過一次印模創建各種三維 (3D) 納米結構，從而為高級光子器件中的應用提供獨特的光學特性。

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行。

與包括 EUV 在內的傳統光刻相比，NIL 具有許多優勢。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 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 系統緊湊得多，因此可以將多臺機器集群在一起以提高吞吐量。

然而，由于各種技術、財務和物流障礙，NIL 尚未找到進入半導體制造生產線的途徑。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，目前的 NIL 技術可以打印 10 納米以下的尺寸，對準精度低至 2 納米。

部分原因是在晶圓廠中添加另一種光刻技術的成本。現有的光刻設備投資巨大，光學掃描儀的行業標準化使其更難被取代。雖然使用 NIL 對某些層進行圖案化可能更便宜，但它是一種在附加設備上使用不同工藝的技術，其材料不同于光學系統所使用的材料。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成本。

EV Group 業務發展總監 Thomas Urhmann 說：“如果你已經可以用標準光刻技術做一些事情，并且那里有很多產能，那么這些生產線將運行這些分辨率。” “為了進一步推廣納米壓印光刻技術，需要采用尚未建立制造工藝的新應用。應用驅動技術，技術賦能應用。”

光子學革命

光子學是一個新興產業，受到全球對光能系統不斷增長的需求的推動。光子元件使用的層數比傳統芯片少，但它們對于各種產品和服務至關重要，包括電信、數據網絡、生物光子學、消費電子產品、汽車等。這些垂直市場嚴重依賴光學和光子元件，例如 LED 和激光芯片、光學玻璃、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 創造了巨大的機會。據麥肯錫稱，目前全球光啟用系統市場規模約為 1.4 萬億美元，預計到 2025 年將達到近 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快于整個系統本身，復合年增長率分別為 10% 和 6%。這是由于這些系統中應用的增加和光子元件的激增。

它還發揮了 NIL 的優勢，即它能夠在不同基板上創建具有出色再現性和可擴展性的高分辨率納米結構。NIL 提供了一種經濟高效的方法來制造 10 納米以下的復雜納米結構，這對于制造光子晶體、波導和光柵耦合器等小型光子器件至關重要。該技術還可以制造具有高度均勻和詳細的亞波長特征的光子元件，從而增強光與物質的相互作用并提高器件性能。

“波長非常無情，”Urhmann 說。“光子學的微小變化會對它們的性能產生巨大影響，尤其是當你觀察結構上的線邊緣粗糙度時。使用 NIL，一旦您擁有一個經過驗證的模板，并復制該模板，那么整個晶圓將具有完全 100% 相同的規格。對于像增強現實這樣的應用程序，它是一項巨大的資產。”

圖 2：NIL 光子學應用示例展示了納米和微米結構以及復雜形狀結構的工藝能力

Obducat Group 首席執行官Patrik Lundstr?m表示：“在光子學中，通常具有這些小特征尺寸，如果使用光學光刻技術生產這些特征，成本將明顯高于NIL。” “NIL 技術的成本效益是光子學的關鍵優勢之一。此外，與光學光刻相比，NIL 更容易使用光刻膠和光刻膠材料中結構的實際形成，以及基板到基板的可重復性。”

結構的“實際形成”是 NIL 的一個重要區別。與光學光刻不同，光學光刻將抗蝕劑圖案化為應用中的硅圖案，NIL 直接在基板材料上創建結構而無需蝕刻。這使得能夠在可能不適用于光學系統的各種表面上壓印極其精細的電路。

imec 納米壓印光刻項目經理 Eleonora Storace 表示：“NIL 在壓印材料選擇的靈活性方面具有非常強大的優勢。”“它與基板無關。你基本上可以在任何類型的基材上進行壓印，例如金屬、高折射率玻璃或其他使用光刻技術會更加復雜的透明表面。”

NIL 也沒有模式場限制，使其高度適應多樣化和標準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拼接錯誤。該技術支持各種結構尺寸和形狀，包括3D，甚至可以用于高形貌表面，這是許多光子器件的關鍵要求。

對于希望采用 NIL 技術來構圖其新光子學應用的公司來說，這個相對較新且快速增長的市場的多樣性和標準化的缺乏也可能是一個重大挑戰——尤其是在 NIL 尚未擁有成熟的技術生態系統的情況下。

為了幫助滿足光電子行業對 NIL 設備不斷增長的需求，NIL 技術公司正在與材料供應商結成聯盟，以幫助孵化新創意。例如，EV Group (EVG) 創建了一個光子學能力中心來支持行業中的新解決方案，并宣布與 Toppan Photomask 和 Taramount 等材料供應商達成多項協議，以提供主模板和新封裝解決方案。就在本月，EVG 宣布與 Notion Systems 達成一項新協議，以開發噴墨涂層功能。這些合作旨在將 NIL 確立為光電子制造的行業標準生產流程。

NIL 在光子市場仍面臨許多挑戰，包括缺乏成熟的材料生態系統。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。

“生態系統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品以支持晶圓廠的供應商來說，成熟度很高，他們正在實現這一目標，但這兩件事是齊頭并進的。只要沒有達到臨界數量的客戶下訂單，供應鏈就不會自行發展。”

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展，推出了許多新材料，而且我們知道還有更多正在開發中，”Lundstr?m 補充道。“我們還看到主模板供應鏈發展良好，許多半導體領域的知名公司正在進入這一領域，這將在可靠供應商的可用性方面帶來好處。”

IC 制造的光子學后門

NIL 在光子學市場的成功重新激發了人們對其在半導體鑄造廠硅光子學制造中的潛在應用的興趣。硅光子器件需要精確而復雜的光學結構，使用傳統的光刻技術制造這些結構通常具有挑戰性，尤其是在最小的節點上。EUV 的較大數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重要的復雜和小型化光學結構。NIL 還可以與現有的半導體制造工藝集成。

“這些技術非常互補，它們可以非常順利地共存，”Storace 說。“從處理的角度來看，挑戰在于將這兩個世界結合起來。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的人員的所有專業知識來提出新的工藝流程，從而能夠創建一個完整的產品。”

NIL 在半導體制造領域的另一個機會是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柵極組成，浮動柵極將數據存儲為 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 閃存結構的簡單性使其成為 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備，并計劃到 2025 年開始使用 NIL 大規模生產 3D NAND 閃存。佳能還在東京北部的宇都宮建設一座耗資 3.57 億美元的新工廠，將其光刻設備（包括 NIL）的產量提高一倍。

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

佳能的方法使用具有專有控制技術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 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致晶圓發生微變形，從而影響后續層的對準。佳能的 HODC 技術并沒有試圖避免這些失真，而是使用由數字鏡面設備 (DMD) 調制的激光照射來校正它們。激光使晶圓和掩膜發生熱變形（圖 4），并且由于熱膨脹系數的差異，可以進行畸變校正。

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

“我們現在可以滿足 3D NAND 閃存中覆蓋精度的所有要求，”佳能納米技術營銷和業務副總裁 Doug Resnick 說。“我們已經在封閉系統上實現了 1.8 納米的疊加精度，在混合匹配疊加上達到了 2.3 納米。”

NIL 的新機遇

除了光子學和半導體之外，NIL 在更廣泛的材料科學領域的應用正在迅速增長。NIL 已經擴展到包括智能材料的驅動、過濾膜性能的增強、增強現實、傳感器技術、生物醫學產品和基因組測序。

增強現實和 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用，您需要微型光學元件。其他應用包括金屬透鏡和金屬光學器件，但它現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。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，從而顯著降低與基因組測序相關的成本。這已迅速成為基因組測試公司和實驗室的首選技術。

圖 5：通過 NIL 和聚合物回流在獨立聚合物膜中生產穿孔納米孔的過程

結論

雖然納米壓印光刻已經存在了幾十年，但直到現在它才被廣泛用作生產級制造工具。最初針對半導體制造，其采用受到覆蓋對準、吞吐量和缺陷率方面挑戰的限制。相反，NIL 已被其他行業采用，在這些行業中，單層或有限層壓印是一種優勢而不是障礙。

特別是光子元件正在利用 NIL 的納米級功能，而沒有光學光刻的隨機或線邊緣粗糙度挑戰。生物醫學和基因組測序等其他應用也在采用 NIL 制造，以比其他制造技術低得多的成本將其產品推向市場。

審核編輯 ：李倩