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產業技術評析

突破技術限制:奈米壓印微影技術(NIL)進展與潛力
發表日期:2023-12-06
作者:王宣智(工研院)
摘要:
半導體製程技術隨著時間持續地發展微縮,主要是靠微影技術的進步來實現。早期使用的微影技術光源波長較長,例如g射線(436nm)、i射線(365nm)等可見光,隨後發展到使用雷射產生的深紫外光,例如KrF(248nm)和ArF(193nm),才能持續提高解析度。

全文:

一、前言

半導體製程技術隨著時間持續地發展微縮,主要是靠微影技術的進步來實現。早期使用的微影技術光源波長較長,例如g射線(436nm)、i射線(365nm)等可見光,隨後發展到使用雷射產生的深紫外光,例如KrF(248nm)和ArF(193nm),才能持續提高解析度。1990年代開始研發使用更短波長的極紫外光EUV(13.5nm)技術,但因為牽涉到很大的技術變革,直到7nm製程以後才開始獲得普遍使用。

隨著製程持續微縮,微影技術面臨以下限制:第一,光源波長已接近物理極限,很難再縮短波長。EUV微影使用的13.5nm波長已經是目前可以做到的最小值,要再縮短就必須使用X光,但X光很難產生且會被氣體吸收,因此在可見未來不太可能實現。第二,光學系統越來越複雜,設備價格越來越高,且EUV系統都要在真空環境下運作,光路設計極為複雜,價格昂貴。持續提高解析度的微影設備,對晶圓廠的投資成本負擔越來越重。第三,解析度提高,但生產良率降低。微影解析度愈高,對製程的控制要求愈嚴苛,容易造成晶圓缺陷,降低生產良率。

奈米壓印技術(Nanoimprint Lithography, NIL)採取與微影不同的方法,不需要昂貴光學系統,有機會提供新的技術解決方案克服目前半導體先進製程的困境。特別是日本佳能(Canon)技術突破至5奈米尺度的奈米壓印技術1 ,更讓這項技術的產業應用出現新的曙光。

二、奈米壓印技術(NIL) 介紹

奈米壓印微影(NIL)是一種用於製造奈米級結構的製程技術,可以用大量且快速的產生奈米級結構。相較於傳統的光學或電子束微影,NIL 採用直接壓印的方法,因此能以更低的成本和更大的產能製造出奈米結構。由於NIL用壓印模具將預先設計好的圖案與結構直接轉印到目標材料上,因此可以快速製造出大面積的奈米級結構。

(一)NIL 的定義和基本原理

傳統的微影技術使用光來曝光與蝕刻來產生電路圖案,而奈米壓印(NIL)則是通過將奈米級圖案的模具轉印到覆蓋在晶圓表面的樹脂形成電路。因為沒有光學系統的介入,NIL的方法能夠更準確地複製模具上極其微小的電路圖案。然後,為了滿足精密度的要求,NIL需要非常高精度的位置控制技術,包括壓印模具與晶圓的精確位置校準、微粒污染的消除等。

NIL 的基本原理是利用壓印的方式,將光罩模板上製作好的圖案,直接壓印到塗有光阻的晶圓上,使光阻填充入光罩的圖案中,再用紫外線固化光阻,最後移開光罩即可在晶圓上複製出預定的圖案,與傳統微影製程利用光學投影不同,NIL 採取機械接觸的方式直接進行圖案複製,Canon最新的技術成果圖1所示。
 

圖1 採用NIL製程生產的的三維結構分光元件

資料來源:Canon(2023/10);工研院產科國際所 ITIS研究團隊整理
圖1 採用NIL製程生產的的三維結構分光元件
 

使用NIL技術大略需要四個步驟:(一)製作母模版(壓印模具):通常使用電子束系統來在一個硬質基板上製作;(二) 樹脂鍍覆:利用類似噴墨的方式,將低黏度的樹脂(Resist)鍍覆到目標基板上;(三)壓印與固化:將已經模式化的母模版壓入基板上的樹脂,使用紫外光固化樹脂;(四)移除模版形成結構:移除母模版,留下轉印的樹脂結構。

(二)NIL 的優勢和應用前景

奈米壓印技術(NIL)是一種超越傳統微影技術局限的新型製程,有更低的製造成本,更高的生產效率。表1 分析了奈米壓印技術(NIL)的優勢和應用前景。NIL 的優勢首先在於解析度高,目前技術已可達到 5nm 以下,其次,NIL的製作工序更為簡單,可以減少設備投資成本,且NIL 可以在一次壓印中完成關鍵層的圖案定義,有利於提高產量。最後,NIL 也可以製作出 3D 立體的结構。但是,目前NIL尚未建立成熟的技術生態系統,因此仍需要更多的合作和創新來填補缺口。但是,NIL因具備高解析度、成本效益和製程簡單化方面的優勢,使其在多個領域(特別是光子學和生物科技)中有很大的應用前景。
 

表1 奈米壓印技術(NIL)的優勢和應用前景分析
  項目 說明
優勢 高解析度 能夠實現小於5奈米的線寬
成本效益 製程更簡單且成本更低
降低缺陷率 圖案是直接轉印的,能減少晶片缺陷率,提高生產品質
製造三維結構 能夠快速製作出三維立體結構
應用領域 半導體產業 大規模且快速的生產更高密度和更小尺寸的晶片
奈米技術 奈米尺度的設計和製造中發揮作用,廣泛應用科研和工業
生物醫學 製造精細的生物感測器和儀器,有助於生物醫學和診斷技術
光學元件 高解析度和低成本使其非常適用於光學元件的生產
NAND 快閃記憶體 記憶體結構較簡單,透過壓印就快速完成生產

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2023/12)
 

三、奈米壓印技術挑戰

奈米壓印技術(NIL)完全摒棄了光學投影,而是利用預先描繪好圖案的壓印模具,機械地壓印到晶圓上。這種接觸式印刷方式能達到更高的解析度和更小的尺寸,但是需要仰賴更優良的校準、控制技術、軟硬體、材料與環境的要求。

(一) 控制和製程技術

控制技術在NIL最終產品的品質佔有至關重要的地位。首先,在位置校準(Alignment)方面,由於NIL透過是物理壓印,任何微小的位置校準誤差都會直接影響到壓印後的結果。因此,需要採用先進的光學測量和電子顯微鏡技術,以實現奈米等級的位置校準。為了實現高精度的位置偏差測量,可以即時測量掩模與晶圓之間的位置偏差。通過使用最佳的莫爾紋(Moiré)圖案,以及專有光學技術和控制技術,校準壓印模具與晶圓之間的位置偏差。

其次,液態光阻劑(resist)的精確分配也是一大挑戰。光阻劑必須均勻分佈在基板上,且需適應各種不同的模板設計。為此,需要高度複雜的流體動力學模型和即時監控系統來控制光阻劑的流動和分佈。

再者,物理壓印所需求之正向力和時間的控制也不能忽視。當施加過大的之正向力時變會導致光阻劑外溢或模板損壞,而時間過短則會導致不完全的圖形轉移。因此,精確的力量和時間控制是實現奈米壓印技術的重要關鍵,通常會結合機器學習和數據分析來達到最佳的控制效果。

(二) 硬體與軟體技術

在硬體方面,除了高精度的定位平台,還需要優越性能的感測器來監控基板受力、時間和光阻劑分佈。感測器通常需要能在極端條件(例如,極低/高溫,高壓等)下正常運作。軟體方面,控制演算法和模型需要不斷地改進與優化,包括流體動力學模型的改進、位置校準演算法的精細化,以及基於即時數據的機器學習模型的設計。
 

圖2 Canon實現奈米壓印的半導體製造系統 FPA-1200NZ2C

資料來源:Canon(2023/10)
圖2 Canon實現奈米壓印的半導體製造系統 FPA-1200NZ2C
 

(三) 材料和環境控制技術

材料科學也是一個NIL技術中重要的研究方向。傳統的光阻材料(Photoresist)通常不適用於NIL,需要開發有高度的機械穩定性、優秀的流動性,以及快速的固化速度的材料。環境控制也是NIL成功不可或缺的一環,無塵室內的溫度和濕度需要嚴格控制,且必須要有高效過濾系統來移除任何可能影響壓印品質的微粒。

四、奈米壓印技術機會

由於奈米壓印(NIL)可以製造出極小的結構,因此,NIL技術在半導體、光子學和生物技術等領域具有顯著的應用潛力,但是目前仍有一些技術挑戰待克服,如更精簡製程、滿足半導體製造的高精準與高良率的需求與在新應用領域的機會。

(一) 簡化製程和成本

相對於傳統的微影技術,NIL提供更簡單和直接製程。傳統光刻需要多次的曝光和蝕刻步驟,而NIL則能在一個步驟中完成圖案轉移,這將大幅縮短了製程時間和降低材料使用量,而簡化的製程也意味著更低的成本。

(二) 高精度和高良率

在半導體製造中,高精度和高良率是關鍵因素。由於NIL允許在極小尺度上進行精確的圖案轉移,這對於製造高效能、高密度的半導體產品非常有益,可減少後續製程中可能需要的瑕疵修復步驟,進一步提高產量和降低成本。

(三) 在光子學和生物技術晶片市場具高應用前景

光子學和生物技術是NIL技術發展最為活躍的領域之一。在光子學中,NIL可用於製造具有精確尺寸和間距的光子晶體,這對於製造高性能的光通訊裝置和感測器有顯著好處。在生物技術方面,NIL則可以用於製造高度精確的生物晶片,用於實現細胞分類、DNA排序等高度專門化的應用。

五、結論

奈米壓印技術(NIL)在先進半導體製程中呈現出顯著的發展潛力,主要優勢包括高解析度、製程簡單和低成本。然而,要實現NIL在商業領域的全面應用,還需要克服三大主要障礙:技術成熟度、全球供應鏈可靠性,以及多領域交叉應用的需求。

  • 技術成熟度待檢驗:雖然NIL在半導體製造等多個領域有顯著優勢,但距離商業全面應用仍需對製程中的穩定性和可重複性進行更多研究,例如轉印材料的開發、確保生產良率等。當然,工程師和技術人員的教育與培訓,以提升員工對NIL技術的專業知識也是促成技術產業應用的重要關鍵。
  • 全球供應鏈問題:實現NIL的廣泛應用需要一個穩定和可靠的全球供應鏈,這不僅包括專用材料和設備的供應,也包括供應鏈風險的有效管理。
  • 多領域交叉應用不足:NIL的多領域應用潛力是其一大優勢,要最大化這一優勢,需要不同領域的專業合作,尤其是在生物醫學和光學元件等領域。


綜上所述,NIL是一個極具發展潛力的技術,但要充分釋放其商業價值,還需解決一系列核心問題。Canon奈米壓印技術雖然可實現5奈米之圖樣生產,但是並未提到適用之材料、所需化學品與產品良率等,這些議題不僅是技術性的,也涉及到供應鏈管理和跨領域合作等多個方面,唯有綜合解決這些問題,NIL才能真正實現其在各領域中的廣泛應用。


Nanoimprint lithography semiconductor manufacturing system that covers diverse applications with simple patterning mechanism,2023/10/13

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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