納米壓印光刻的案例
納米壓印，終于走向臺前？
目前，納米壓印技術在ITRS中被列為下一代32nm、22nm和16nm節點光刻技術的代表之一。經過近30年的研究，納米壓印技術已經在許多方面有了新進展，國內外半導體設備制造商、材料商以及工藝商紛紛開始涉足這一領域。
芯片制造領域，納米壓印技術挑戰仍在
雖然前面提到了不少納米壓印技術的優勢，甚至被奉為新的行業希望，但是納米壓印技術距離大規模商業化量產還有一些短板沒有補足。
良品控制：納米壓印由于是晶圓和掩膜直接接觸，容易出現電路上混入細小垃圾和灰塵等的殘次品，要實現實用化，必須進行制造技術和運用方面的改良。
模板壽命低，更換成本高：不管是DUV光刻、EUV光刻還是納米壓印，最貴的耗材都是掩膜版或者壓印模板。納米壓印的模板，因為是需要直接接觸壓印膠工作的，在接觸的過程中，難免會有各種各樣的損傷或者污染，縮短模板壽命。
對準復雜：壓印模板需要與承載壓印膠的基臺精確對準與貼合，需要精密的機械裝置配合檢測設備實施壓印過程。然而現有納米壓印設備在平行與垂直對準方面缺少高精密的調準機構。雖然我們可以沿用紫外光刻上的光學對準、或者莫爾條紋技術做對準，但是納米壓印不僅有固化、還有垂直方向的壓印運動過程，所以會帶來多方向的偏差。
展開 DNP/鎧俠/佳能聯手開發納米壓印光刻技術！耗電量僅為EUV工藝1/10
CINNO Research產業資訊，大日本印刷與鎧俠控股（KIOXIA原東芝存儲器控股）和佳能合作，共同研發了「納米壓印光刻技術（NIL）」用于半導體制造，與使用極紫外光刻（EUV）相比，功耗僅為十分之一。盡管NIL在實現量產之前還存在諸多課題，但它已經能夠形成最先進的電路線寬度。在產業界去碳化發展趨勢不斷增強的背景下，三家公司的方針旨在通過減少電力消耗而實現與其它公司差異化的同時，努力促進該技術邁向實用化。
NIL技術通過將芯片壓印在晶圓上而形成精細的電路圖案。據大日本印刷稱，在技術研發中NIL已經可以處理高達5nm的電路線寬。雖然在實際大規模生產之前還有如電路缺陷等許多問題需要解決，但三家公司的最終目標是確立大規模生產技術。
NIL的制造工藝簡潔，不存在EUV那種消耗大量電力的問題。大日本印刷在2021年春季根據設備的規格值進行了一次內部模擬。通過模擬測試發現，在形成電路過程中每個晶圓的功耗僅為使用EUV光刻的十分之一左右。
在力求工業生產過程中削減溫室氣體排放的大趨勢下，為實現碳中和社會，預計半導體制造業對NIL的需求將會增加。三家公司將吸引那些致力于減少制造過程功耗的半導體制造商和用戶。
展開 《AFM》：納米壓印光刻，光電子器件大規模實施重要里程碑！
（文：SSC）
圖1.金納米球壓印軟干涉光刻工藝示意圖
圖2.a)各種襯底上的一維金納米球壓印軟干涉光刻示意圖。
圖3.通過膠體鏈在半導體薄膜上零組裝制備的雜化WPP結構的光學特性
圖4.納米器件中等離子體誘導電荷轉移和光催化機理
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Feature Article：便捷加工厘米級超表面透鏡——基于水溶性模具的納米壓印技術
超表面結構單元尺寸通常有幾百納米，而細部尺寸可能僅有幾十納米。電子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的優勢，是目前人們加工超表面的首選方法。然而電子束光刻受制于成本高、產量低的缺點，不能滿足以應用為主要目的，高產量加工的需求。因此，發展兼具納米精度、成本低、高產量的超表面加工技術是超表面從實驗室走向產品應用的核心關鍵。
論文導讀
有別于電子束光刻，納米壓印兼具低成本、高產量和高分辨率的優勢[3]。顧名思義，納米壓印通過機械“壓印”的方式將主模板的圖形轉移到另一媒介上，如同印章過程。然而，納米壓印用于超表面加工依然存在著許多問題。首先，超表面通常由折射率較高的材料構成，如TiO2，Si，金屬等等。而納米壓印的材料一般折射率較低，例如PDMS。因此，壓印完成后通常需要進行二次加工，包括沉積高折射率材料以及蝕刻垂直結構。在此過程中，額外的加工缺陷不可避免被引入，從而破化超表面的光學性能。其次，超表面結構單元常要求高深寬比，例如超表面透鏡。因此，在納米壓印的剝離工序中，需避免剪切力對高深比結構的損壞。
展開 
DNP | 開發出新一代半導體封裝用中繼元件中介層
DNP大力發展了源于印刷工藝核心的"微縮加工技術"，將其應用于制造繪制半導體電路圖案的"光掩膜"板，用于下一代圖案轉印的納米壓印光刻技術的 "模板"，以及為傳感器MEMS提供代工服務等。通過運用在過去業務中積累的玻璃和硅基板加工以及處理技術和微縮布線技術，此次成功開發出了高性能的中介層。
這種中介層解決了隨著微縮化布線而變得明顯的 "布線層的劣化造成的布線電阻增加和布線間絕緣性降低 "的問題，并實現了下一代半導體封裝所需的高性能微縮布線。
DNP參加了由12家從事半導體封裝材料和設備研發公司組成的聯合體“JOINT2（Jisso OpenInnovation Network of Tops 2，昭和電工為會長單位）”，目的是建立下一代半導體的封裝和評估技術，為2024年大規模生產中介層做準備。通過JOINT2的開發和與參會公司的合作，DNP將繼續推進中介層的功能開發和量產，并為促進新一代半導體封裝技術的發展而做出努力。
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展開 XR｜DigiLens宣布與三菱化學合作，推出高性能低成本塑料光波導
根據Digilens官網顯示，“DigiLens擁有專有的光聚合物和全息接觸復制工藝，這些技術是目前唯一能夠基于塑料基板制造光波導基顯示器的方法，”三菱化學控股的戰略投資公司Diamond Edge Ventures總裁Patrick Suel說道，“我很高興能夠看到，公司對DigiLens的投資以及與 MCC 的合作，推動創建世界上唯一一家無需納米壓印光刻（NIL imprinting）的塑料光波導技術供應商。現在，智能眼鏡OEM將可以通過DigiLens的協議許可，合作生產塑料光波導產品。”
DigiLens和MCC通過團隊合作，共同研發出一種塑料光波導技術方案。這種塑料光波導的性能幾乎與玻璃相同，但是大大降低了光波導的重量和長期制造成本。除此以外，它還可以提高用戶安全性，畢竟終端產品內的光波導器件離眼睛很近。這種技術方案就有助于DigiLens通過協議許可的方式，向客戶提供一種成本和性能都非常有市場化優勢的塑料光波導方案。另外，該技術方案也有助于推動XR市場生態系統慢慢轉向輕薄高性能。
“DigiLens公司的愿景一直是提供人們一種新的體驗方式來感知世界和其價值，”DigiLens公司的首席執行官 Chris Pickett 說道，“我們并不打算直接為用戶制造XR智能眼鏡產品，我們希望將公司現在和未來的技術許可給合格的供應商或原始設備制造商 (OEM) ，這樣他們就可以直接將這些技術融入進他們的產品中，融入進每個XR產品帶給用戶的體驗中。在和MCC的合作下，我們將能夠為XR市場提供最經濟、安全和輕薄的光波導器件。”
“我們正在擴大對公司和其最先進光學解決方案的推廣，這將有助于該行業在未來幾年內慢慢推出一些價格和性能都非常有優勢的消費級XR智能眼鏡。
展開 Lumerical系列|用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
與現有的垂直光柵耦合器相比，這是一種提高耦合效率更通用的方法，將設計和制造的簡單性與使用納米壓印光刻的大規模集成的兼容性相結合。這些優勢使納米結構成為高性能光學檢測、光學成像、實時生化傳感等領域的有希望的候選者。
仿真案例參考
對于上述結構的仿真流程，可以參考Ansys官網中的案例文章《Integrated microlens and grating coupler for photonic integrated circuits》。其大致流程以及所需使用的仿真軟件如圖5所示。
圖5 仿真工作流程
參考流程：
步驟1：使用Lumerical進行尺寸參數設計
使用Ansys Lumerical中的FDTD求解器計算光柵輸出端的電場。然后將結果導出到.zbf文件中。
步驟2：使用Zemax進行宏觀設計
將步驟1中的.zbf文件導入OpticStudio，并使用光束屬性將光進一步傳播到光學系統中。
步驟3：使用Zemax進行宏觀逆向系統設計
在此步驟中，開始設計系統，考慮光從光纖通過微透鏡傳播到光柵耦合器。
步驟4：使用Lumerical的微結構逆向系統設計
此步驟將利用Zemax中POP計算出的場數據導入Lumerical中，計算系統的耦合效率。
Ansys軟件試用申請，歡迎聯系深圳市摩爾芯創科技。
參考：
[1] Lei, Lei, et al. "Integrated microlens-assisted perfectly vertical grating coupler for enhanced coupling efficiency." Optics Express 32.26 (2024): 45851-45859.
展開 【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
與現有的垂直光柵耦合器相比，這是一種提高耦合效率更通用的方法，將設計和制造的簡單性與使用納米壓印光刻的大規模集成的兼容性相結合。這些優勢使納米結構成為高性能光學檢測、光學成像、實時生化傳感等領域的有希望的候選者。</p><p><br></p><p><strong>仿真案例參考</strong></p><p>對于上述結構的仿真流程，可以參考Ansys官網中的案例文章《Integrated microlens and grating coupler for photonic integrated circuits》。其大致流程以及所需使用的仿真軟件如圖5所示。</p><p>相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/21008392675347-Integrated-microlens-and-grating-coupler-for-photonic-integrated-circuits</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/d53ca364b7fe4196a6ff0218e4ae8eac"></p><p>圖5 仿真工作流程</p><p><strong>參考流程：</strong></p><p class="ql-align-justify"><strong>步驟1：使用Lumerical進行尺寸參數設計</strong></p><p>使用Ansys Lumerical中的FDTD求解器計算光柵輸出端的電場。然后將結果導出到.zbf文件中。
展開 陜西師范大學劉生忠團隊: 1300平方毫米高性能鈣鈦礦單晶數字傳感器
然而，常見的制造技術，例如當今工廠中使用的納米壓印光刻和電子束曝光，將在電極制造中提供高得多的分辨率。目前729像素的設備是為了展示一個概念驗證。可以想象，提供更高分辨率的商用芯片制造和具有高光電子質量的優質鈣鈦礦單晶的組合可能導致廣泛的應用，例如高速和高檢測率傳感器，電子眼等。
文獻鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201707314
ASML勁敵跳過EUV光刻機造5nm：或可繞過美國限制！
結構簡易、設備環保
該設備不像傳統的投影曝光機一樣通過調整光的波長來實現線路的微縮化，因此利用該設備形成5納米節點（即線寬15納米）所消耗的電力遠低于投影曝光技術，且有助于削減二氧化碳排放。
可用推廣至半導體以外的其他諸多應用領域
由于利用該設備可一次性形成3D線路，因此除半導體（如邏輯半導體、存儲半導體等）應用外，還可應用于其他諸多領域，如具有納米級結構的XR方向的超透鏡（Meta-lens）等。
【主要特點】
（1）利用NIL技術助推尖端半導體制造。
●該設備采用NIL技術，即將掩膜（Mask，即“模具”）直接按壓在晶圓的光刻膠上，從而“忠實”地將掩膜上的線路復制到晶圓上。佳能利用在噴墨打印機（Inject Pinter）領域中積累的“噴墨技術”，依據電路圖案調整光刻膠，并在最準確的位置涂覆最合適的量。最后，將掩膜對準涂覆有光刻膠的晶圓，以極高的精度對正確的位置進行“壓印”，形成線路。
NIL技術中采用的壓印掩膜（Mask）掩膜的放大圖（圖片出自：佳能官網）
●僅需一次“壓印”，即可形成復雜的2D、3D線路圖案。
（研發事例）利用NIL技術形成的2D、3D線路圖（圖片出自：佳能官網）
●佳能綜合研發了硬件、軟件、材料、環境控制（如有效控制設備內部微粒子的產生、混入）等技術，并在1納米以下的精度內測量位置、調整掩膜和晶圓的位置、去除微小粒子。以此不僅可以提升半導體廠家的生產效率，而且可以形成極細、復雜的線路，為生產尖端半導體做出貢獻。
●與傳統的投影曝光技術不同，該設備的對準技術采用的是“逐個芯片對準（Die by Die Alignment）”的方式，即在每次壓印過程中進行“位置（Shot）對齊”。
展開 挑戰EUV光刻？NIL靠譜嗎！
NIL比拼EUV
由于EUV設備太過昂貴，且生產難度很高，近些年，業界一直在尋找其它辦法，不用EUV光刻機，能不能生產7nm及以下的芯片？事實上，也有廠商是這么想并打算這么干的，因為通過DUV光刻機進行多重曝光，理論上也能達到7nm。但這種辦法非常復雜，對技術要求非常高，同時良率低，晶圓的損耗比較大，所以如果能夠買到EUV光刻機，就不可能用這種辦法，這種辦法生產出來的芯片，完全沒有市場競爭力。
納米壓印光刻
(NIL)
、定向自組裝
(DSA)
和等離子激光等技術被認為是EUV的替代品。NIL 是一種將納米圖案印章轉移到晶圓上的方法，就像它被涂漆一樣。它被提出作為一種繪制 32nm 以下電路的方法。它比 EUV 更經濟，因為它不使用鏡頭。佳能等廠商在 EUV 研發如火如荼的時候就開始開發 NIL。
DSA是一種通過將具有不同特性的聚合物合成為單個分子，將其涂覆在晶圓上并加熱來獲得精細圖案的技術。由于不使用掩模，可以減少工藝數量，從而可以降低成本。然而，就所使用的技術而言，它不如 NIL。此外，無掩模等離子激光納米技術被認為是一種替代方案，因為它具有自由改變電路圖案的能力。然而，它仍達不到 EUV的效果。
總體來看，NIL是一個不錯的發展方向。
NIL技術比光刻的起步晚，最早追述到上個世紀末，由華裔科學家周郁
（Stephen Chou）
教授在1995年首次提出納米壓印概念。該技術將微電子加工工藝融合于印刷技術中，解決了光學曝光技術中光衍射現象造成的分辨率極限問題，因此理論上具備比光刻更高的分辨率，可生產出電路線寬更窄的器件。
展開 
不止EUV，先進芯片制造還有新選擇
過去50多年里，半導體產業一直沿著摩爾定律向前發展，芯片工藝節點先后跨越了90nm、45nm、28nm、14nm，如今7nm和5nm已經實現量產，3nm和2nm是現在業界努力的方向，在這個不斷演進的過程中，以光刻為基礎的圖形化工藝在其中扮演著至關重要的角色。光刻是芯片制造過程中最重要、最復雜、最昂貴的工藝，其精密度決定了芯片的制程，以及器件性能。
目前實現14nm工藝節點中的關鍵結構最常用的工藝是193nm沉浸式光刻結合自對準雙圖形（SADP）技術，但對于7nm及以下節點SADP技術已無法滿足要求，必須采用四重甚至八重圖形技術，這將導致成本大幅增加，而且掩膜版之間的套刻精度也難以控制。為此，學術界和工業界開始探索下一代光刻技術的解決方案。2020年國際器件與系統路線圖（IRDS）將極紫外（EUV）光刻、導向自組裝（DSA）和納米壓印光刻（NIL）列為下一代光刻技術的主要候選方案。EUV光刻我們都有所了解或者比較熟悉，在此我們將探討半導體工藝技術中的另一個研發熱點：DSA。
DSA先進光刻技術重回歷史舞臺？
DSA并不是一項新技術，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國際半導體技術路線圖 (ITRS)。2010年左右，業界開始對自下而上圖案化方法DSA技術產生興趣，甚至還引起了一番研究熱潮。
展開 不止EUV，先進芯片制造還有新選擇
為此，學術界和工業界開始探索下一代光刻技術的解決方案。2020年國際器件與系統路線圖
（IRDS）
將極紫外
（EUV）
光刻、導向自組裝
（DSA）
和納米壓印光刻
（NIL）
列為下一代光刻技術的主要候選方案。EUV光刻我們都有所了解或者比較熟悉，在此我們將探討半導體工藝技術中的另一個研發熱點：DSA。
DSA先進光刻技術重回歷史舞臺？
DSA并不是一項新技術，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國際半導體技術路線圖
(ITRS)
。2010年左右，業界開始對自下而上圖案化方法DSA技術產生興趣，甚至還引起了一番研究熱潮。世界知名的代工廠如臺積電、三星、英特爾、GlobalFoundries等都在自家實驗室探索DSA，因為它有望解決先進光刻技術中的許多成本和復雜性問題。
但好景不長，隨著業界的不斷探索，他們發現這些材料容易出現缺陷。DSA材料的貼裝精度也很難控制。因此，考慮到這些問題，芯片制造商便轉向在晶圓廠中采用更熟悉的多重圖案化技術，例如自對準雙/四圖案化
(SADP/SAQP)
。而事實證明，沒有一種光刻技術可以滿足當前和未來的所有需求，SADP/SAQP也逐漸受到了挑戰。
展開 從頭了解光刻機！
X射線光刻技術不僅擁有高分辨率，并且有高出產率的優點。通過目前對X射線光刻技術應用現狀來看，要將投入量產，使其在大規模或超大規模IC電路的生產中發揮更重要的作用，突破高精度圖形掩模技術難關已經如同箭在弦上。
納米壓印光刻技術
納米壓印技術是美國普林斯頓大學華裔科學家周郁在20 世紀1995 年首先提出的。這項技術具有生產效率高、成本低、工藝過程簡單等優點, 已被證實是納米尺寸大面積結構復制最有前途的下一代光刻技術之一。目前該技術能實現分辨率達5 nm以下的水平。納米壓印技術主要包括熱壓印、紫外壓印以及微接觸印刷。
納米壓印技術是加工聚合物結構最常用的方法, 它采用高分辨率電子束等方法將結構復雜的納米結構圖案制在印章上, 然后用預先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案。
1、熱壓印技術
納米熱壓印技術是在微納米尺度獲得并行復制結構的一種成本低而速度快的方法。該技術在高溫條件下可以將印章上的結構按需復制到大的表面上, 被廣泛用于微納結構加工。整個熱壓印過程必須在氣壓小于1Pa 的真空環境下進行, 以避免由于空氣氣泡的存在造成壓印圖案畸變,熱壓印印章選用SiC 材料制造, 這是由于SiC非常堅硬, 減小了壓印過程中斷裂或變形的可能性。
此外SiC 化學性質穩定, 與大多數化學藥品不起反應, 因此便于壓印結束后用不同的化學藥品對印章進行清洗。在制作印章的過程中, 先在SiC 表面鍍上一層具有高選比( 38&1) 的鉻薄膜, 作為后序工藝反應離子刻蝕的刻蝕掩模, 隨后在鉻薄膜上均勻涂覆ZEP 抗蝕劑, 再用電子束光刻在ZEP 抗蝕劑上光刻出納米圖案。為了打破SiC 的化學鍵, 必須在SiC 上加高電壓。
展開 一期一會 | 詳解Ansys方案支持超透鏡和共封裝光學的技術發展
衍射光束整形器可用于光刻、全息照明、光學傳感器、生物醫學應用和激光材料加工等領域。
衍射勻光器
衍射勻光器也可將入射激光束轉換為多個輸出光束，但主要區別在于，這些輸出光束會相互重疊和干涉，從而形成均勻的分布。它們通常由特定的微觀結構組成，用于確定光的衍射和分布方式。工程師可以設計這些微米級結構，以實現不同的照明圖案（例如環形、正方形或十字形）。
衍射勻光器可用于實現光源均勻化，并將較窄的光束傳播到更廣泛的角度范圍內，而不受傳統折射光學元件的限制，其應用包括：機器視覺系統，可提供均勻的照明以實現更好的圖像捕獲；顯示器，可用于改善視角；閃光激光雷達，可用于將激光束均勻分布到廣闊的區域；以及掃描激光雷達，可用于控制激光光束的擴散程度（這也被稱為擴散角）。
先進的衍射光學元件
作為新一代光學技術的代表，新型先進的衍射光學元件方興未艾，比肩業內成熟的DOE產品。這些先進的衍射光學元件使用納米壓印和光刻等先進半導體制造技術創建而成。當今最重要的兩種先進DOE是用于光子集成電路（PIC）的超透鏡和光柵耦合器。
超透鏡
超透鏡由分布在基板上的數百萬個元原子（具有不同形狀和大小的納米級結構）組成，以形成透鏡。表面上的元原子的大小和位置會改變光波的重定向方式。超透鏡和一縷頭發一樣纖薄，而且更緊湊，所以可替代笨重的傳統透鏡。超透鏡的重量非常輕，因此成為了便攜式設備的理想之選。此外，超透鏡還可以使用大規模生產半導體芯片所用的工藝和設備來制造。
超透鏡還可以聚焦或過濾特定顏色或波長，從而顯著減少色差。得益于這些優勢，超透鏡有望在許多應用中替代傳統折射透鏡，包括增強現實眼鏡中的投影系統，用于內窺鏡的纖薄緊湊型雙向成像/投影透鏡，以及手機和無人機中的成像攝像頭。
Ansys Lumerical FDTD軟件中的超透鏡仿真。
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