01  引言

數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡、傳感器和用于人工智能高級計算中的新興應用，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)有基礎設施，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)?；＿@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，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用所需的技術。該技術非常靈活，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)的關鍵使能技術，因為它彌合了芯片級設計和晶圓級生產(chǎn)之間的關鍵差距。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：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氯毕莸挠绊懀疫€能夠創(chuàng)建具有最佳質(zhì)量的晶圓級母版和每個可以應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，與原始設計的偏差是WAN QUAN可重復的。因此，可以在主設計中計算補償。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域轉(zhuǎn)移到晶圓制造領域方面發(fā)揮著關鍵作用。