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用于创新PIC封装的晶圆级纳米压印技术

更新时间:2023-04-13  |  点击率:670

01  引言


数据中心、电信网络、传感器和用于人工智能高级计算中的新兴应用,对于低功耗和低延迟的高速数据传输的需求呈现出指数级增长。我们比以往任何时候都更加依赖这些应用来确保这个世界更安全、更高效。在所有这些市场中,硅光子学(SiPh)在实现超高带宽性能方面发挥着关键作用。因此,开发能够经济高效地扩大硅光子产品生产的解决方案比以往任何时候都更加重要。


虽然通过使用标准半导体大规模生产工艺和现有基础设施,SiPh 的晶圆制造能力已经成熟,但 SiPh 的封装解决方案仍然是大规模商业化的关键瓶颈。


与晶圆制造相比,SiPh 的生产能力仍然落后且缺乏可扩展性。主要的限制因素是光纤到芯片的组装,如今的公司通常依赖于非常复杂的解决方案 ;例如,通过主动对准或高精度工具在芯片上直接使用粘合剂进行光纤粘合。这些因素限制了 SiPh 的更广泛部署。为解决这一挑战, EV Group (EVG) 与 Teramount 合作,使用简单、可靠且具有成本效益的晶圆级复制工艺开发光学微结构,从而实现生产能力以及复杂结构生产的规模化。这种被称为纳米压印光刻 (NIL) 的复制工艺有助于简化、小型化和标准化光学接口,以弥合 SiPh 封装与晶圆级大批量制造 (HVM) 之间的差距。


02  NIL概述


NIL 是一种精确的复制技术,已被证明非常适合促进具有挑战性几何形状的微结构的图案化,这是光子市场新兴器件和应用所需的技术。该技术非常灵活,可以生产各种形状和结构,例如反射镜、棱镜、球面和非球面透镜、微透镜阵列,以及各种类型的衍射结构。支持的尺寸结构可以是自由形式的,范围从纳米级分辨率到毫米的横向范围。这些 3D 结构只需一步即可复制,非常适合光子学行业, 其中光物质相互作用在很大程度上依赖于形状和几何尺寸。


NIL 的另一个关键特性是将这些复杂和高精度的结构直接转移到 HVM 中,因为可以在单个工艺步骤中在大面积上以高保真度复制数百或数千个结构。总体而言,晶圆级 NIL 代表了一种高效且低成本的非常规光刻方法,能够复制复杂的微米级和纳米级结构,尤其是晶圆级光学器件 (WLO)。


03  步进重复母版:将NIL从单个裸片扩展填充到整个母版


步进重复(S&R)NIL 是制造晶圆级微结构或纳米结构的关键使能技术,因为它弥合了芯片级设计和晶圆级生产之间的关键差距。特别是,它允许缩放先前在平方毫米范围内测量的区域上原型化的结构,以填充整个 200mm 或 300mm 的晶圆。S&R NIL 面临的主要挑战是,初始母版印章的质量决定了后续生产的成功,因此必须保持单个模具母版的质量。因此,单个裸片的母版有必要使用 —— 用电子束、直接激光写入或双光子聚合写入——并精确复制数百甚至数千次,以生产 200mm 甚至 300mm 晶圆生产线的全面积母版(见图 1)。


图 1:EVG的NIL工艺和扩展技术:从单个芯片,通过分步重复 (S&R),到WAN QUAN填充的母版和大批量制造。


为满足这一需求,EVG 开发了 EVG770 S&R NIL 系统,该系统可以精确复制微米和纳米图案,用于 HVM 中使用的大面积母版印章制造。它以全自动程序分配光刻胶、对齐结构、相应地压印和脱模。为了支持ZUI XIAN JIN的母版制作要求,S&R 系统包括完整的工艺控制,在 250 nm 内进行精确对准,并且能够将每个结构定位在对准图案旁边。所有工艺步骤——从分配、压印、固化和脱模——也必须在单一环境中精确执行和监控,以实现最佳反馈控制。


这不仅避免了空气中的颗粒或温度变化等外部来源可能导致缺陷的影响,而且还能够创建具有最佳质量的晶圆级母版和每个可以应用的单个芯片的精确复制品到晶圆级制造中。


在每个复制步骤中——从单个芯片到 S&R 母版,再到工作印章和最终压印——图案尺寸的一些变化是不可避免的,这是由于 UV 固化过程中交联引起的聚合物收缩。这些变化是可以预测的,一些步骤甚至可以相互补偿,并且对于一组给定的材料,与原始设计的偏差是WAN QUAN可重复的。因此,可以在主设计中计算补偿。灵活的制造方法, 例如 2GL(双光子灰度光刻)或电子束,支持此类设计更改以及较短的迭代时间。


04  用于大批量制造的晶圆级 NIL


S&R 母版制作工艺之后是晶圆级 NIL 复制,这是在EVG7300 上执行的。这个工艺包括两个步骤,这两个步骤都在同一个系统上执行的(图 2)。首先,复制 S&R 母版以制作工作印章。此步骤特别有用,因为它最大限度地减少了昂贵母版的磨损并降低了引入缺陷的风险。有缺陷的工作印章可以快速且低成本地更换,这在大批量生产过程中特别有利。


图2:NIL工艺的示意图,包括两个步骤:工作印章制作和压印。这两个步骤都是在同一个工具中进行的。


为确保无缺陷的工作印章制造,初始母版上涂有通过旋涂施加的防粘层。接下来,使用 EVG120 旋涂 / 喷涂系统通过旋涂工艺将工作印章材料直接涂在母版上。接下来,将透明背板贴在带涂层的母版上。然后使用 UV LED 光源固化工作印章聚合物,最后从母版上脱模。


制作工作印章后,在器件基板上执行实际压印工艺。这涉及使用与工作印章制造相同的旋涂工艺来在基板上应用专用的材料。


接下来,工作印章和具有分配材料的基板彼此接触。与工作印章制造过程一样,此步骤之后是 UV 固化和脱模,从而在基板上形成最终器件的多个印章。然后可以将工作印章重复用于多次压印,从而提高 NIL 工艺效率。这种重用工作印章的方法已经在 HVM 应用中得到了证实。


NIL 工艺早已证明其在光学传感器大批量生产中具有高可重复性,现在正被用于复制硅光子器件封装的复杂光学结构。与金刚石钻孔、激光直写和电子束写入等传统制造方法相比,它为这些结构提供了显著的产量和成本优势,这些方法难以扩展到更大的基板并且其产量有限。结合 NIL 工艺可以使用性能最佳的芯片,并能够有效地将这些高质量图案带入生产线。特别是,与光子芯片下方光学结构的精确对准,对于 SiPh 封装器件内所需的出色耦合性能至关重要。NIL 还可以生产复杂的结构,这通常不可能通过标准 CMOS 工艺生产,例如具有锐角、曲面或具有高纵横比和低纵横比的结构的镜子和透镜的光学耦合元件。NIL 在 SiPh 晶圆上提供高图案保真度、可重复性和精确放置光学元件的能力,在将典型的光纤封装复杂性从组装领域转移到晶圆制造领域方面发挥着关键作用。