01  引言

數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)、傳感器和用于人工智能高級計算中的新興應(yīng)用，對于低功耗和低延遲的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟪尸F(xiàn)出指數(shù)級增長。我們比以往任何時候都更加依賴這些應(yīng)用來確保這個世界更安全、更高效。在所有這些市場中，硅光子學(SiPh)在實現(xiàn)超高帶寬性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，開發(fā)能夠經(jīng)濟高效地擴大硅光子產(chǎn)品生產(chǎn)的解決方案比以往任何時候都更加重要。

雖然通過使用標準半導體大規(guī)模生產(chǎn)工藝和現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，SiPh 的晶圓制造能力已經(jīng)成熟，但 SiPh 的封裝解決方案仍然是大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。

與晶圓制造相比，SiPh 的生產(chǎn)能力仍然落后且缺乏可擴展性。主要的限制因素是光纖到芯片的組裝，如今的公司通常依賴于非常復雜的解決方案 ；例如，通過主動對準或高精度工具在芯片上直接使用粘合劑進行光纖粘合。這些因素限制了 SiPh 的更廣泛部署。為解決這一挑戰(zhàn)， EV Group (EVG) 與 Teramount 合作，使用簡單、可靠且具有成本效益的晶圓級復制工藝開發(fā)光學微結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)能力以及復雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的規(guī)模化。這種被稱為納米壓印光刻 (NIL) 的復制工藝有助于簡化、小型化和標準化光學接口，以彌合 SiPh 封裝與晶圓級大批量制造 (HVM) 之間的差距。

02  NIL概述

NIL 是一種精確的復制技術(shù)，已被證明非常適合促進具有挑戰(zhàn)性幾何形狀的微結(jié)構(gòu)的圖案化，這是光子市場新興器件和應(yīng)用所需的技術(shù)。該技術(shù)非常靈活，可以生產(chǎn)各種形狀和結(jié)構(gòu)，例如反射鏡、棱鏡、球面和非球面透鏡、微透鏡陣列，以及各種類型的衍射結(jié)構(gòu)。支持的尺寸結(jié)構(gòu)可以是自由形式的，范圍從納米級分辨率到毫米的橫向范圍。這些 3D 結(jié)構(gòu)只需一步即可復制，非常適合光子學行業(yè)， 其中光物質(zhì)相互作用在很大程度上依賴于形狀和幾何尺寸。

NIL 的另一個關(guān)鍵特性是將這些復雜和高精度的結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)移到 HVM 中，因為可以在單個工藝步驟中在大面積上以高保真度復制數(shù)百或數(shù)千個結(jié)構(gòu)?？傮w而言，晶圓級 NIL 代表了一種高效且低成本的非常規(guī)光刻方法，能夠復制復雜的微米級和納米級結(jié)構(gòu)，尤其是晶圓級光學器件 (WLO)。

03  步進重復母版：將NIL從單個裸片擴展填充到整個母版

步進重復（S&R）NIL 是制造晶圓級微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵使能技術(shù)，因為它彌合了芯片級設(shè)計和晶圓級生產(chǎn)之間的關(guān)鍵差距。特別是，它允許縮放先前在平方毫米范圍內(nèi)測量的區(qū)域上原型化的結(jié)構(gòu)，以填充整個 200mm 或 300mm 的晶圓。S&R NIL 面臨的主要挑戰(zhàn)是，初始母版印章的質(zhì)量決定了后續(xù)生產(chǎn)的成功，因此必須保持單個模具母版的質(zhì)量。因此，單個裸片的母版有必要使用 —— 用電子束、直接激光寫入或雙光子聚合寫入——并精確復制數(shù)百甚至數(shù)千次，以生產(chǎn) 200mm 甚至 300mm 晶圓生產(chǎn)線的全面積母版（見圖 1）。

圖 1：EVG的NIL工藝和擴展技術(shù)：從單個芯片，通過分步重復 (S&R)，到WAN QUAN填充的母版和大批量制造。

為滿足這一需求，EVG 開發(fā)了 EVG770 S&R NIL 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以精確復制微米和納米圖案，用于 HVM 中使用的大面積母版印章制造。它以全自動程序分配光刻膠、對齊結(jié)構(gòu)、相應(yīng)地壓印和脫模。為了支持ZUI XIAN JIN的母版制作要求，S&R 系統(tǒng)包括完整的工藝控制，在 250 nm 內(nèi)進行精確對準，并且能夠?qū)⒚總€結(jié)構(gòu)定位在對準圖案旁邊。所有工藝步驟——從分配、壓印、固化和脫?！脖仨氃趩我画h(huán)境中精確執(zhí)行和監(jiān)控，以實現(xiàn)最佳反饋控制。

這不僅避免了空氣中的顆?；驕囟茸兓韧獠縼碓纯赡軐е氯毕莸挠绊?，而且還能夠創(chuàng)建具有最佳質(zhì)量的晶圓級母版和每個可以應(yīng)用的單個芯片的精確復制品到晶圓級制造中。

在每個復制步驟中——從單個芯片到 S&R 母版，再到工作印章和最終壓印——圖案尺寸的一些變化是不可避免的，這是由于 UV 固化過程中交聯(lián)引起的聚合物收縮。這些變化是可以預(yù)測的，一些步驟甚至可以相互補償，并且對于一組給定的材料，與原始設(shè)計的偏差是WAN QUAN可重復的。因此，可以在主設(shè)計中計算補償。靈活的制造方法， 例如 2GL（雙光子灰度光刻）或電子束，支持此類設(shè)計更改以及較短的迭代時間。

04  用于大批量制造的晶圓級 NIL

S&R 母版制作工藝之后是晶圓級 NIL 復制，這是在EVG7300 上執(zhí)行的。這個工藝包括兩個步驟，這兩個步驟都在同一個系統(tǒng)上執(zhí)行的（圖 2）。首先，復制 S&R 母版以制作工作印章。此步驟特別有用，因為它最大限度地減少了昂貴母版的磨損并降低了引入缺陷的風險。有缺陷的工作印章可以快速且低成本地更換，這在大批量生產(chǎn)過程中特別有利。

圖2：NIL工藝的示意圖，包括兩個步驟：工作印章制作和壓印。這兩個步驟都是在同一個工具中進行的。

為確保無缺陷的工作印章制造，初始母版上涂有通過旋涂施加的防粘層。接下來，使用 EVG120 旋涂 / 噴涂系統(tǒng)通過旋涂工藝將工作印章材料直接涂在母版上。接下來，將透明背板貼在帶涂層的母版上。然后使用 UV LED 光源固化工作印章聚合物，最后從母版上脫模。

制作工作印章后，在器件基板上執(zhí)行實際壓印工藝。這涉及使用與工作印章制造相同的旋涂工藝來在基板上應(yīng)用專用的材料。

接下來，工作印章和具有分配材料的基板彼此接觸。與工作印章制造過程一樣，此步驟之后是 UV 固化和脫模，從而在基板上形成最終器件的多個印章。然后可以將工作印章重復用于多次壓印，從而提高 NIL 工藝效率。這種重用工作印章的方法已經(jīng)在 HVM 應(yīng)用中得到了證實。

NIL 工藝早已證明其在光學傳感器大批量生產(chǎn)中具有高可重復性，現(xiàn)在正被用于復制硅光子器件封裝的復雜光學結(jié)構(gòu)。與金剛石鉆孔、激光直寫和電子束寫入等傳統(tǒng)制造方法相比，它為這些結(jié)構(gòu)提供了顯著的產(chǎn)量和成本優(yōu)勢，這些方法難以擴展到更大的基板并且其產(chǎn)量有限。結(jié)合 NIL 工藝可以使用性能最佳的芯片，并能夠有效地將這些高質(zhì)量圖案帶入生產(chǎn)線。特別是，與光子芯片下方光學結(jié)構(gòu)的精確對準，對于 SiPh 封裝器件內(nèi)所需的出色耦合性能至關(guān)重要。NIL 還可以生產(chǎn)復雜的結(jié)構(gòu)，這通常不可能通過標準 CMOS 工藝生產(chǎn)，例如具有銳角、曲面或具有高縱橫比和低縱橫比的結(jié)構(gòu)的鏡子和透鏡的光學耦合元件。NIL 在 SiPh 晶圓上提供高圖案保真度、可重復性和精確放置光學元件的能力，在將典型的光纖封裝復雜性從組裝領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到晶圓制造領(lǐng)域方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。