奈米壓印的初始應用 （一）：技術與挑戰

最近Canon發布可以達5奈米製程節點的奈米壓印機FPA-1200NZ2C 。奈米壓印是半導體製造中將線路設計圖案轉印到晶圓的方法之一，另一個為人熟知、也是目前產業界中用以量產的主流方法是曝光機。 
 
奈米壓印的方法其實很簡單，就像用木模板轉印圖案到紅龜粿上一樣。

紅龜粿模板是陰刻，1：1的將龜的圖案壓在煮熟的糯米粉團上，壓印後的圖案是陽刻的。這其中沒有像曝光程式中牽涉到光源、光學系統、感光、顯影、蝕刻等複雜的過程以及精密昂貴的設備，所以晶圓處理程序價格相對較低似乎是理所當然。 
 
關鍵的技術是壓印模板的製造，以及前文中以糯米粉團所比擬的高分子樹脂（polymer resist）及整個壓印過程。壓印模板與欲轉印的圖型是1：1，所以在製造模板時要有至少與在晶圓上欲轉印的圖案一樣精細的解析度，這用來塑造模板圖樣的工具自然是電子束（electron beam）。電子束是半導體業用來在光罩上形塑線路圖樣的主要工具。 
 
電子的德布羅意（de Broglie）波長是0.08奈米，也就是說電子束理論上的解析度就是在這數量級。對於任何目的的刻畫，這都遠超過所需要的精度—這比原子都小！ 
 
問題是被電子束用來呈像的物質會與電子發生作用，因此電子束刻畫的解析度極大程度的依賴於使用的物質。目前電子束的解析度大約在5~10奈米左右，這對於5奈米製程實際的臨界尺寸（critical dimension）14奈米便夠了。奈米壓印還預告未來可以推進到2奈米製程節點，它實際的臨界尺寸是10奈米，也還在目前電子束解析度可觸及的範圍之內。 
 
以電子束刻畫的模版是母板（master plate），接下來就是大量複製。說「大量」一點也不誇張，因為目前奈米壓印機每小時產量（throughput）就只有100片上下—這大概只比EUV剛推出時的產量稍高，而模板可以使用的次數在幾千次的數量級，大概是幾天就得更換。 
 
在奈米壓印之前，基板需先滴有高分子樹脂（polymer resist），與基板上粘合層（adhesion layer）充分ˇ浸潤（wetting）。之後就是將模板壓在布滿高分子樹脂的晶圓，藉壓力及毛細現象讓樹脂延伸入模板圖形之中。然後用紫外光固化（UV curing）樹脂，取下模板。 
 
奈米壓印過去技術發展的挑戰和上述的壓印程序和使用的物質有直接的關係。過去的幾大挑戰分別為覆蓋（overlay）、產量、缺陷率（defectivity）和粒子。 
 
覆蓋是指元件上下不同層間結構的對齊問題，在奈米壓印製程中會產生覆蓋問題的原因之一是壓印過程中樹脂被壓印而扭曲或變形，以致於上下層之間的相應結構無法對齊。

此為奈米壓印過去在技術上常被詬病的地方。 

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又譬如奈米壓印的產量其實取決於樹脂滴（resist drop）的大小、擴散速度以及跟基板粘合層的浸潤速度，此基本上是材料特性的問題。 
 
這些問題在過去發展的30餘年間主要由物質的改善以及一些輔助的機制，譬如上下層對準校正等，這些問題獲得相當程度的改善，奈米壓印因而逐漸步入量產製程的行列。 (作者為DIGITIMES顧問)