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以细微工艺见长的纳米压印技术已趋近实用化

 更新日期: 2007-5-12 11:29:09  作者:     来源: pcbtn


前言:纳米的世界中,不只推动了产品的创新与革命性,更为工艺带来了前所未有的挑战。无论是半导体、光电、机械或者是生物等等方面,都会因为以纳米为基础的情况下,提升各组件的精密性与效能,同时也得以借此降低组件的生产成本,强化在各个条件的竞争优势性。

就半导体工艺而言,纳米工艺是微米技术的延伸,在纳米工艺下的课题,首先必须面对的就是更细微化的曝光技术,目前半导体组件的工艺中,在曝光工艺部分的光源大多是采用193纳米(nm)的ArF雷射光源,不过对于纳米工艺来说,波长为193纳米的ArF雷射光源并无法完全满足所有的需要。

就现今来看,最积极被讨论的便是波长是13.4 纳米的超紫外线(EUV)微影技术,一般认为,超紫外线光源是未来生产效能与逻辑闸密度更高芯片所不可或缺的技术与工具,所以对于超紫外线的相关技术,全球半导体晶圆业者都相当关心,目前利用超紫外线来进行曝光微影的工艺,仍有很多的课题需要克服。

22纳米微影工艺困扰全球各大半导体业者

就像AMD在稍早曾经表示,超紫外线光源的技术在22纳米的应用方面还是有些困难,因此实际应用的时间上,还会往后推迟。对于利用超紫外线光源微影的技术,不是只有AMD面临困难,包括IBM、特许半导体、飞思卡尔、英飞凌、三星等等都有相同的困扰,TSMC一语道破超紫外线光源的问题在于「光罩、功率来源和成本」所以这些公司都表示,直到22纳米的工艺,或许还是会继续使用193nm浸润式微影技术。甚至于VLSI Rearch的执行长G.Dan Hutcheson曾语出惊人的说,「如果无法找到新一代微影解决方案的话,或许摩尔定律将会被打破。」

所以,除非在未来的几年之内,超紫外线技术可以有所突破,否则对于纳米工艺来说,业界还是期待着纳米压印微影技术(Nano-imprint Lithography)的成熟化。对于纳米制成中微影的部分,目前已经有研究单位朝向不使用光学的方式将Geometry转印到晶圆上,而是将印有Geometry的模具利用硫醇分子转印至基板上,这样的方式被称为微接触印刷技术,另外还有利用刚性模具将Geometry压印在高分子的蚀刻阻剂层上,这样的技术就是所谓的纳米压印蚀刻技术。事实上,上述的两种技术都具备有快速、低成本的优点,并且经过不断的研发,目前已经可以实际应用在100纳米以下的工艺了,甚至利用纳米压印蚀刻技术的细微度更可以达到10纳米以下。因此,纳米压印技术已经被业界称为最有可能取代目前纳米微影工艺中,利用光源进行微影的技术之一。


▲图说:除非在未来的几年之内,超紫外线技术可以有所突破,否则对于纳米工艺来说,业界还是期待着纳米压印微影技术的成熟化。(Tyndall National Institute)

纳米压印技术为传统工艺材料带来革命

纳米压印技术的原理是,先利用电子束、聚焦离子束等,将Geometry制作在模具上,然后再利用PMMA (Polymethyl methacrylate)将Geometry镀在基板上。最后再利用热压设备,将模具压印在组件基板上的PMMA。

利用纳米压印技术,基本上需要采用不同的模具和蚀刻阻碍层,模具的部分必须先用Focused Ion Beam、E-beam Lithography等等的方式,制作出纳米等级的Geometry与结构,而在蚀刻阻碍层的部分则多是使用热塑性(Thermal Plastic) 的高分子材料,并且在压印设备的设计上,需要能够控制工艺中所有的压力、温度、与位置。将温度加热到超过蚀刻阻碍层的玻璃转换温度,在进行压印后将温度降低而产生固化成型。最后再利用RIE、ICP等等的工艺技术,将Geometry转印到基板上,经过蚀刻之后,就可以完成10纳米的逻辑闸结构。

雷射辅助式纳米压印技术深受期待

而在所有的纳米压印技术中,雷射纳米压印技术是最被期待地技术之一,雷射纳米压印的原理是将高能量短波长的准分子雷射,照射加装有Geometry刚性模罩的晶圆或基板表面,使得表面材料瞬间融解,而完成Geometry转印至晶圆或基板的表面,利用雷射的优点是可以省去其它纳米压印技术所需要的,蚀刻光阻涂布、加温、以及干式或湿式的蚀刻工艺。目前已经知道可以经由雷射辅助式纳米压印技术产生纳米结构之材料有Si、Cu、SiC,当然相关业者还在继续开发其它的适合的工艺材料。雷射辅助式纳米压印技术具有,不需要蚀刻阻碍层、不需要蚀刻工艺、可以直接加工于基材等等的特色。

雷射辅助式纳米压印技术是一个全新的课题,所以在技术上不纯熟的今天,雷射辅助式纳米压印技术当然还有许多的课题需要克服,在材料的部分包括了,脉冲雷射与材料的作用性、出现温度瞬间升高与融解时,以及局部压力下的材料变化、微流体的流动与热传导的现象、固化成型后材料特质变化等等。此外在参数的部分则有,压力大小、雷射波长、雷射能量、时间长度、能量密度、光的吸收系数、熔解的温度、热传导系数、纳米结构之几何因子等等。


▲图说:利用纳米压印技术,基本上需要采用不同的模具和蚀刻阻碍层,模具的部分必须先用Focused Ion Beam、E-beam Lithography等等的方式,制作出纳米等级的Geometry与结构。(www.atomicmpc.com.au)

纳米压印技术应用领域扩及光学与生化

当然,纳米压印的技术不止可以应用在半导体组件的工艺上,甚至还可以扩大到光学、机械以及生化的部分。在案例上,目前已有实验室开始研究,使用纳米压印技术来制作液晶配向膜。台湾工研院的研究人员,利用可高分子化的液晶材料来作为压印涂料,可以在4平方公分的面积下,施加1.5bar的压印强度达到了获得了液晶分子自排的效果,并且证明了制作Quarter-wave plate时,400∼500nm 的表现上,比JSR/ARTON还要优异,因此得到可以利用纳米压印技术来制造以分子排列为主之光学组件。

在这项的研究中工研院的研究人员发现,利用一般涂料所产生的表面条状沟纹,能够让液晶分子出现有弱配向,如果是使用液晶压印涂料的话,除了可以获得与一般涂料相同的表面条状沟纹之外,还可以让压印模内达到分子自排的效果,可以获得S=0.62的配向能力,这样的数据和S=0.67的PI配向膜相当接近。详细的论文报告,读者可以联结至Applied Physics Letters期刊的网站:http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APPLAB000088000007073509000001&idtype=cvips&gifs=yes下载相关的论文报告进行研究。

纳米压印技术在生物方面的应用,最近几年也有不错的成果出现,在2年前,日立便利用了纳米压印技术,开发出了新型的细胞培养膜,这样的消息为生物业界中再生医疗的领域带来一个喜讯。细胞培养膜中的纳米柱结构是,日立、日本产业技术综合研究所和北海道大学所共同开发的。在商业市场化的部分,由日立负责利用纳米压印技术所生产的细胞培养膜生产,并且从2005年5月开始,由日立高科技负责销售的工作。

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