用于創(chuàng)新PIC封裝的晶圓級(jí)納米壓印技術(shù)

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(jí)計(jì)算中的新興應(yīng)用，對(duì)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(jí)增長(zhǎng)。我們比以往任何時(shí)候都更加依賴這些應(yīng)用來(lái)確保這個(gè)世界更安全、更高效。在所有這些市場(chǎng)中，硅光子學(xué)(SiPh)在實(shí)現(xiàn)超高帶寬性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，開(kāi)發(fā)能夠經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)大硅光子產(chǎn)品生產(chǎn)的解決方案比以往任何時(shí)候都更加重要。

雖然通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(kuò)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(fù)雜的解決方案 ；例如，通過(guò)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)或高精度工具在芯片上直接使用粘合劑進(jìn)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(jiǎn)單、可靠且具有成本效益的晶圓級(jí)復(fù)制工藝開(kāi)發(fā)光學(xué)微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力以及復(fù)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(fù)制工藝有助于簡(jiǎn)化、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)接口，以彌合 SiPh 封裝與晶圓級(jí)大批量制造 (HVM) 之間的差距。

02  NIL概述

NIL 是一種精確的復(fù)制技術(shù)，已被證明非常適合促進(jìn)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(chǎng)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(jí)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(fù)制，非常適合光子學(xué)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(gè)關(guān)鍵特性是將這些復(fù)雜和高精度的結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)移到 HVM 中，因?yàn)榭梢栽趩蝹€(gè)工藝步驟中在大面積上以高保真度復(fù)制數(shù)百或數(shù)千個(gè)結(jié)構(gòu)。總體而言，晶圓級(jí) NIL 代表了一種高效且低成本的非常規(guī)光刻方法，能夠復(fù)制復(fù)雜的微米級(jí)和納米級(jí)結(jié)構(gòu)，尤其是晶圓級(jí)光學(xué)器件 (WLO)。

03  步進(jìn)重復(fù)母版：將NIL從單個(gè)裸片擴(kuò)展填充到整個(gè)母版

步進(jìn)重復(fù)（S&R）NIL 是制造晶圓級(jí)微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵使能技術(shù)，因?yàn)樗鼜浐狭诵酒?jí)設(shè)計(jì)和晶圓級(jí)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(cè)量的區(qū)域上原型化的結(jié)構(gòu)，以填充整個(gè) 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(gè)模具母版的質(zhì)量。因此，單個(gè)裸片的母版有必要使用 —— 用電子束、直接激光寫(xiě)入或雙光子聚合寫(xiě)入——并精確復(fù)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(jiàn)圖 1）。

圖 1：EVG的NIL工藝和擴(kuò)展技術(shù)：從單個(gè)芯片，通過(guò)分步重復(fù) (S&R)，到完全填充的母版和大批量制造。

為滿足這一需求，EVG 開(kāi)發(fā)了 EVG770 S&R NIL 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以精確復(fù)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(dòng)程序分配光刻膠、對(duì)齊結(jié)構(gòu)、相應(yīng)地壓印和脫模。為了支持最先進(jìn)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(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，并且能夠?qū)⒚總€(gè)結(jié)構(gòu)定位在對(duì)準(zhǔn)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(shí)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?lái)源可能導(dǎo)致缺陷的影響，而且還能夠創(chuàng)建具有最佳質(zhì)量的晶圓級(jí)母版和每個(gè)可以應(yīng)用的單個(gè)芯片的精確復(fù)制品到晶圓級(jí)制造中。

在每個(gè)復(fù)制步驟中——從單個(gè)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(guò)程中交聯(lián)引起的聚合物收縮。這些變化是可以預(yù)測(cè)的，一些步驟甚至可以相互補(bǔ)償，并且對(duì)于一組給定的材料，與原始設(shè)計(jì)的偏差是完全可重復(fù)的。因此，可以在主設(shè)計(jì)中計(jì)算補(bǔ)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(jì)更改以及較短的迭代時(shí)間。

04  用于大批量制造的晶圓級(jí) NIL

S&R 母版制作工藝之后是晶圓級(jí) NIL 復(fù)制，這是在EVG7300 上執(zhí)行的。這個(gè)工藝包括兩個(gè)步驟，這兩個(gè)步驟都在同一個(gè)系統(tǒng)上執(zhí)行的（圖 2）。首先，復(fù)制 S&R 母版以制作工作印章。此步驟特別有用，因?yàn)樗畲笙薅鹊販p少了昂貴母版的磨損并降低了引入缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。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(guò)程中特別有利。

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

為確保無(wú)缺陷的工作印章制造，初始母版上涂有通過(guò)旋涂施加的防粘層。接下來(lái)，使用 EVG120 旋涂 / 噴涂系統(tǒng)通過(guò)旋涂工藝將工作印章材料直接涂在母版上。接下來(lái)，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(shí)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(lái)在基板上應(yīng)用專用的材料。

接下來(lái)，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(guò)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(gè)印章。然后可以將工作印章重復(fù)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(shí)。

NIL 工藝早已證明其在光學(xué)傳感器大批量生產(chǎn)中具有高可重復(fù)性，現(xiàn)在正被用于復(fù)制硅光子器件封裝的復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)。與金剛石鉆孔、激光直寫(xiě)和電子束寫(xiě)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(shì)，這些方法難以擴(kuò)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(xué)結(jié)構(gòu)的精確對(duì)準(zhǔn)，對(duì)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這通常不可能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 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(xué)耦合元件。NIL 在 SiPh 晶圓上提供高圖案保真度、可重復(fù)性和精確放置光學(xué)元件的能力，在將典型的光纖封裝復(fù)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。