[推荐]纳米图形转印技术

摘要：
　　通过1:1模版，纳米图形转印技术（NIL）也许可以使光刻工程师采用更加简单的方法进行10nm以下图形的转移。尽管NIL正逐步从研究所走向工业应用，但是目前仍然处于发展初期，需要进一步证明其用于大批量生产的可能性。

　　没有人会否认随着半导体技术的发展，光刻变得越来越复杂了。过去，人们普遍认为光刻特征尺寸不可能小于曝光所用波长。现在的情况却完全相反。的光刻设备可以用193nm准分子激光为光源生产90nm芯片。在浸入式光刻技术的帮助下，预计193nm光刻设备还可以用于65nm甚至45nm工艺的生产。
　　光刻技术的发展就象是神话故事一样，但是这一切都在逐渐成为现实。不可避免的是人们必须为此付出昂贵的代价。光刻设备制造商、镜头制造商、掩膜版制造商以及任何与光刻工艺相关的厂商都面临着非常复杂的问题。他们必须在各方面互相平衡并做出一些取舍。除了常见的分辨率提高技术（resolution enhancement, techniques, RETs）外，近讨论较多的是将掩膜版放大比例从目前的4倍提高到8倍。毫无疑问，没有一个芯片制造商会乐意这样做，因为这样一来生产速度就会大大降低。然而，在没有其它更好办法的情况下，他们终将不得不接受这个现实。

　　尽管半导体业界准备采用波长更短的光，例如超紫外光（EUV）作为下一代光刻技术（NGL）的曝光光源，但是NGL显然没有想象的那么容易。EUV是下一代光刻技术的候选技术之一，预计将在2013年用于32nm工艺的生产。Intel一直在坚持EUV的开发和应用，他们甚至希望在2009年就可以将该技术用于实际生产。尽管如此，EUV的发展还是遇到了很多麻烦，特别是光源和掩膜版的开发。甚至有人质疑EUV终是否能够用于实际生产。即使可以，其成本也将非常高昂。
　　电子束光刻（包括直接或投影两种方式）是下一代光刻技术的另一候选者。但是电子束的生产速度太慢，只能用于一些关键层，例如接触孔（contact）和微通孔（via）。
　　更简单的替代技术
　　因此，半导体业界开始注意另外一项技术：纳米图形转印（NIL）技术。NIL的原理很简单，它甚至可以让我们回想起19世纪。NIL也不需要RETs、复杂的光源和光学系统的放大与缩小。与光刻技术不同的是，NIL采用比例为1:1的模版生成很小的线宽（< 10nm）。实际上，你不必再去考虑图形转印受分辨率限制的问题。而且其价格比目前的光刻设备低很多，更不用提更加昂贵的EUV设备了。
　　经过大约10年的开发、研究和调查，去年下半年NIL终被国际半导体技术蓝图（ITRS）收录，成为32nm后光刻技术时代的候选技术之一。
　　长期以来，NIL技术就一直受到人们的关注和推动，现在越来越多的商业机构和研究机构开始加入这一领域。目前，NIL正逐步从学术研究走向商业运作，尽管工业界的关注重点仍然停留在R&D水平。实际上，NIL技术的几大参与者大部分都源自大学或研究所的相关项目。例如，Molecular Imprint Inc.（MII）公司的技术由德克萨斯大学授权得到，Nanonex Corp.公司的技术则来自普林斯顿大学的研究成果。Stephen Chou是NIL共认的先行者，他于2000年建立了Nanonex公司，同时还兼任普林斯顿大学的工程学教授。其它主要的NIL公司还包括EV Group、SUSS MicrTec和Obducat。

　　各种NIL技术简介
　　NIL的基本想法是通过模版将图形转移到相应底层上—通常是很薄的一层聚合物膜，然后通过热或化学处理方法使其结构硬化，从而将转移的图形固定下来（图1）。NIL有好几种方法，可以简单地分为热成模（hot embossing）、塑模（molding）和印刷（stamping）三种（图2）。
　　热成模技术通过聚合物层进行图形转移，其中聚合物的性质可以通过热处理进行改变。首先，将聚合物涂层加热到玻璃化转变温度（Tg）之上，使其可以均匀流动，接触模版后进行冷却使图形固定下来。尽管“热处理”可能会使人担心器件是否会受到影响，但是实际上相对较低的温度是不会有问题的。为此，有些公司例如EV Group正在考虑是不是要为这一技术重新取个名字，以免引起混淆。
　　UV-NIL的工作方式基本类似。但是其涂层是一层低粘度的聚合单体，在卤素灯的照射下，UV光会使这些单体发生聚合反应，互相交联形成固体结构，从而使相应图形保留下来。为此，SUSS MicroTec在同一平台上开发了同时具有UV和热固化功能的NIL设备NPS200。
　　第三种NIL技术为微接触印刷法（micro contact printing, uCP）。它首先将一种特殊溶液涂布在印刷模版上，然后通过接触印刷的办法使自组装单分子层附着在基材表面，从而完成图形转移。
　　除了以上三种分类方法之外，也有人根据图形转移范围进行分类：步进和全晶片（或全范围）NIL技术。全晶片NIL技术即可完成整片晶片的图形转移。但是由于一些因素的影响，晶片尺寸大小受到一定的限制。首先，采用大面积模版进行图形转印比较困难。EV Group公司副总裁兼CTO Paul Lindner说：“通过8英寸模版转印10nm的特征图形是非常困难和浪费时间的。”EV Group先进光刻技术总监Helge Luesebrink补充道，完成这样的任务也许要耗时好几个月。
　　其次，大直径模版的制作非常困难。例如，SUSS MicroTec公司市场部经理J歳g K焗nholz介绍说，到目前为止该公司只能提供尺寸为4英寸的模版。“NIL设备本身并没有任何限制，但是大尺寸模版的制作确实非常麻烦。”他说。“模版尺寸越大，成本越高。当然，其成本还与图形线宽的特征尺寸大小相关。”他还指出，衬底表面上的膜厚变化和热膨胀差异也是不得不考虑的问题。
　　另外一方面，全晶片NIL的速度比步进方式要快、设备价格更低、更适用于较厚的器件，例如MOEMS。它几乎适用于任何单层结构。有的时候甚至不得不采用全晶片NIL技术。Lindner指出：“由于步进NIL会在相邻转印区域之间形成类似‘针脚’的缺陷，因此有些应用根本不能采用步进NIL方式。”
　　然而，对于主要的半导体制造商来说，步进方式更有可能被采用。步进方式与现在的光刻技术比较类似，因此光刻工程师可能更加容易接受这种方式。更重要的是，步进方式更适合于硅晶片的生产。步进方式能够应用于更大尺寸的晶片却不用考虑模版质量和成本的问题；采用步进方式时更容易进行上下层的对准（对于其他应用来说对准并不是主要问题，但是对于半导体制造来说对准是非常关键的问题之一）；同时，步进方式也不会受到热膨胀问题的妨碍。
　　至于制造商到底将选择热成模、UV-NIL还是微接触印刷方式则取决于其用途。NIL有可能应用于生物医学，例如生物芯片。这时，uCP可能是技术，因为其它两种方式中使用的UV光或热都会损伤生物材料。但是，uCP形成的特征尺寸比其它两种方式要大，因为它使用的是柔软具有弹性的模版。
　　热成模可能更适合于光学或MEMS，而不是半导体制造中的应用。原因有几个。首先，热成模要求衬底表面上的温度分布要均匀，因此更适合于采用全晶片图形转移模式，对于晶片来说则相对较差。其次，由于热成模中使用的聚合物层粘度较高，为了使聚合物可以在表面结构上均匀流动需要相对较高的压力（通常为~107Pa），要压力可能会使晶片变形。再者，热成模必须经历加热和冷却循环过程，因此对200或300mm晶片进行图形转移是非常耗时的工艺。为了解决这个问题，研究人员正在开发低Tg聚合物材料。Kuenholz告诉我们：“目前已经出现了Tg为60℃甚至更低的材料。”
　　UV-NIL具有步进图形转移功能，看起来更适合于32nm及以下工艺的半导体制造。低粘度聚合单体更加容易在结构复杂、线宽很小的表面上均匀流动。所需相应压力也较低，可以大大减小晶片变形的几率和程度。UV-NIL并不能直接将图形从模版转移到晶片，而是先将图形转移到转移层然后通过刻蚀反应在晶片上形成相应的图形。其工艺过程与光刻非常相似。图形转移层（抗刻蚀层）的纵宽比要求并不高（通常为2:1），因此可以尽可能减小抗刻蚀层的厚度。MII的资料显示，通过后续刻蚀反应，纵宽比可以达到10:1。
　　大多数设备制造商采用旋转涂布的方式进行低粘度单体的涂布。但是，MII创始人兼CTO S.V. Sreenivasan认为，旋转涂布形成的单体层均匀性较差，不能有效覆盖或填充图形密度变化大、设计非常复杂的结构。为了能够同时进行高密度区域和低密度区域的图形转移，MII采用了全新的单体涂布技术：在每一图形转移和固化步骤之前，将大小可变的单体液滴滴加在衬底表面（图3）。

　　但是，Nanonex公司的Chou却认为MII的单体涂布方式不仅耗时（MII工艺每个芯片平均耗时60秒，Nanonex却只需5秒），而且在单体流动性上也没有什么差异。他说：“MII采用的液滴大小为几百微米，而密度变化只有10~50微米。因此，密度变化要小于液滴大小。如果采用旋转涂布方式，当你将模版压下去的时候，单体溶液仍然可以在芯片范围内自由流动。”
　　需要克服的困难
　　除了可以方便地进行单体涂布外，UV-NIL还有其它方法无法具备的优点，即对准更高。由于UV-NIL使用的模版是透明的二氧化硅，因此不仅可以透过UV光使单体聚合，而且还能用于上下层的对准。此外，模版和晶片之间的近距离（< 250 nm）也有利于对准（光刻对准时掩膜版和晶片之间的距离为数英寸）。但是，其它NIL方法却不能进行有效的对准。当然，有些应用例如MEMS也不需要的对准。Sreenivasan说：“对于硅芯片的生产来说对准是必不可少的步骤，但是对于有些应用来说则不是必须的。”
　　尽管UV-NIL可以进行有效对准，不同设备制造商之间的能力也有很大差异。例如，EV Group的套刻已经达到了50nm水平，其目标是10~20nm。SUSS MicroTec的水平则稍差，大约是250nm，他们希望能够在未来3年内达到20nm水平。同时，MII在利用低粘度（< 5cP）单体开发所谓的液体内对准。也就是说，当模版接触到单体溶液后还可以原位微调对准。“在高粘度液体内不可能进行这样的移动和微调。尤其是聚合物，其粘度非常高。”Sreenivasan介绍说。“我们使用的是分子量非常低的单体。利用其低粘度特性，我们的对准甚至可以达到±6nm的超高水平。”
　　尽管设备制造商声称尚未花费大量时间用于生产速度的改善和提高，这一需求也是需要进一步改进的。Sreenivasan介绍说，MII希望年底能够实现5 wph的目标，明年底则为25 wph。“但是生产速度并不是人们担心的主要问题，客户关心的是工艺质量问题。”他说。“由于设备成本较低，到目前为止提高生产速度的需求还没有那么迫切。”
　　缺陷密度是客户非常关心的另外一个问题。Chou认为对于某些应用来说，目前的对准已经足够了。他说：“首先需要克服的问题是如何降低缺陷密度。现在人们刚刚开始对各种缺陷进行分类并研究其来源。”

　　NIL的未来发展
　　现在还很难说NIL是否能够真正用于IC大批量生产。目前，NIL在实际生产中的应用研究还很少，特别是在多层结构上。但是我们也很难否认其已有的表现和结果。Nanonex已经可以进行5nm线宽和12nm间距（pitch）结构的图形转移（图4）。至于多层结构，NIL的结果也有非常广阔的应用前景（图5）。

　此外，NIL还能通过图形转印实现3D功能。“与标准光刻或步进曝光相比，NIL还有另外一大优点：图形转印即可形成多个功能层。”K焗nholz说。“这一优点必定可以为IC制造提供新方法。”
　　自从去年12月NIL技术被ITRS收录以来，NIL设备制造商受到半导体制造商越来越多的质疑。但是，不管NIL是否终能够在32nm工艺时代击败有力竞争者例如EUV光刻或193nm浸入式光刻，还有很多市场可供NIL设备制造商去开发和发展。
　　EV Group总裁兼CEO Peter Podesser说：“我们不希望将其应用局限于某一领域，因为NIL可以应用的范围很广。”他补充道，在NIL被市场接受并真正用于大批量生产之前，还有很多技术可行性研究要做。
　　K焗nholz认为，NIL是否能够真正用于半导体大批量生产还是个问题。“因为在NIL发展的同时，传统的UV步进技术也不会停下发展的脚步，其分辨率还会进一步提高。”他特别指出，浸入式光刻是NIL的有力竞争者。“我个人认为，当人们决定从众所周知的工艺转向有一定风险的新工艺时，新工艺必须能够证明自己可以大大节省成本。否则很难会出现这样的转变。”
　　实际上，Podesser有点担心ITRS给NIL带来的注意力。“现在，纳米技术十分火热，但是它也会带来一些坏处。”他说。“实际上，‘纳米’这个词已经被人们滥用了，从而导致‘纳米’技术逐渐‘贬值’。希望这种局面不会给NIL带来一些负面影响。”同样的情况曾经在光电子MEMS器件上发生过，有关MEMS的泡沫在2001年破灭后，给其正常发展带来了严重的影响。
　　“我们很认真地对待ITRS将NIL作为下一代光刻候选技术这件事情。同时，我们也很谨慎。在SUSS为半导体业服务的55年中，我们看到过太多的技术来了又走，走了又来。”Kühnholz说。“我估计将来5到10年就能看到NIL是否能够从实验室走向生产，特别是半导体的生产。”