使用步進快閃式壓印於
先進原型產品開發
David Wang, Tom Rafferty, Phil Schumaker, Ian McMackin, David Vidusek, S.V. Sreenivasan, Molecular Imprints Inc., Austin, Texas
步進快閃式壓印微影發展的混用和匹配(mix-and-match)堆疊能支援先進的元件和原型製程與光學微影(photolithography)機台能相比。目前仍持續進行的是提昇步進快閃式壓印微影機台的產能、板模和製程的缺陷最小化，但是已發展出的技術已經能夠讓部分的關鍵性層次，使用在先進半導體元件研發的試產線上。
使用壓印或微鑄模方式做奈米尺寸的複製歷時多年了[1, 2]。步進快閃式壓印微影(S-FIL)是一種用步進式重覆複製技術的奈米壓印製程[2]，使用了低黏度，紫外光光敏性液體(UV-curable liquids) (圖一)。早有指出S-FIL可以重覆複製出非常小的粗糙邊線在小於到20奈米(圖二)下的結構，而且其解析度只受限於電子束製程所產生的板模[3]。
在複製圖形上S-FIL同時也顯示了區域對區域CD的控管上優於奈米。製程中使用低黏滯度的單體(低黏度<5cps)其轉印壓力小(<0.25psi)，很明顯的可以降低製程中產生的缺陷。甚至，低黏滯度的液體用在奈米尺寸的對準調校能力優於紫外光硬化方式(UV curing)，可以達到次10奈米(3s的對準能力[4]。最後，S-FIL近來已發展出S-FIL/R製程，在蝕刻過程中可執行逆色調的微影製程。就蝕刻、對準和產量而言，S-FIL/R製程是極有潛力的[5]。
步進快閃式壓印製程可以應用在不同新興元件上的奈米尺寸微影需求，包含了媒介質圖樣化的磁儲存，表面聲波元件(surface acoustic wave，SAW)，光子晶體用於高亮度的發光二極管(photonic crystals for high-brightness LEDs)，micropolarizer arrays等。表面聲波工作元件[6]和micropolarizers [7]一直都使用S-FIL製程。早期發展中，新興元件應用的關鍵技術在於母板的板模，機器和製程間的連結。若是奈米轉印的複製技術保證能包含到先進IC廠高標準要求，S-FIL就能在轉進到新興元件的應用上得到很好的回報。
為了讓S-FIL成功的轉進到IC生產線上，下列詳述出製程的相關挑戰：
l 在不均勻的圖案密集度上印出小於100奈米的結構；
* 使用適當的CD控管蝕刻出奈米結構；
* 使用穩定的mix-and-match光學微影做出精密的對準(alignment)和堆疊(overlay)；
* 適用於壹倍的模板；
* 可達適當的產出量以滿足有效成本的考量；
* 模板和製程導致的缺陷的最小化，以取得適當的製程良率。
IC元件和製程的原型
發展至今的S-FIL技術首先碰到了4個挑戰。而技術的發展是循著機台產量的提昇和模板和製程的缺陷最小化方向。很明顯的，模板缺陷、製程缺陷和電性測試數據仍為了IC製造業的需求而全力發展。由以往的挑戰看來，無論如何，S-FIL要能於如原型機般在關鍵層圖樣和光學微影連用。
不均勻圖案密度的印製結構。S-FIL製程使用「drop-on-demand」液體傳送，此法可量身訂做出元件製造所需的圖形和達到任意的圖案密度。特別是，壓印用的液體被鋪陳(dispense)到區域上，單位面積上沉積的液體體積可以變化，可提供明顯的圖案密度變化。這是其他使用旋轉塗佈來沉積壓印物質的壓印技術很難做到的。圖三顯示了25 x 25毫米場區中使用S-FIL所做出變化大的圖形密度壓印。
蝕刻奈米尺寸的結構。一直在討論中的S-FIL和S-FIL/R技術是應用於雙層蝕刻製程來執行轉印圖案的[5,6]。以前的結果顯示此部份多使用S-FIL/R蝕刻製程[5]。特別的是，用S-FIL能做到圖案和接觸窗到氧化層的蝕刻。就先進光學微影而言在65奈米和45奈米節點時，圖案形成和接觸窗和導孔蝕刻是主要的挑戰。此外相關於基本的製程解析度、接觸窗和導洞孔的製造因不同的問題，例如節距(pitch)的變化、化學處理時光阻邊線的粗糙度被放大、大的光罩錯誤造成CD控管要求等問題，都會發生光學微影使用上的複雜度。
在S-FIL中，模板有2位元的特色和能複製出完美的圖形。甚至使用S-FIL/R製程時，模板特色基本是石英上的洞，此取得所使用的製程類似於2位元接觸式光罩(binary contact photomask)的架構。如圖四在6000蚊氧化膜上蝕刻出60奈米接觸窗。SiN沉積膜做為矽晶圓上的蝕刻停止層。圖案轉印步驟在此是用蝕刻穿過氧化層停止在SiN的硬式面罩上。
混用和匹配(mix-and-match)光學微影。先進的S-FIL機器使用穿越模板(through-the-template，TTT)的對準策略和疊紋(moire對準目標去執行模板和晶圓間的錯位(misalignment)量測。疊紋對準是適用鄰近i射線微影研究[8]。此篇文獻報告的實驗基礎是使用248奈米光學微影技術把圖形印在晶圓上第一層膜。恰當的疊紋對準標記是放在光罩區域的4個角落，而圖形落在晶圓上。互補的疊紋標記放在壓印模板的4個角落，然後使用區域對區域TTT對準執行工作。先進的S-FIL機台可以校準6個基礎對準錯誤：x、y、q、Bmag-x、mag-y和矩形。這對於執行mix-and-match alignment放大機台的控制是必要的。
表一顯示數據是來自於200毫米矽晶圓上32個區域。對每一個區域，矯正後在4個角落都可以測到對準誤差。晶圓1和晶圓2的數據是在沒有使用放大矯準的機台上。晶圓3數據是有使用放大控制的機台。很明顯的，有使用放大控制的機台，可以得到混用和符合對準有明顯的改善。現行的S-FIL機台的混用和符合對準能力可以達到約~25奈米、3s。下一步是取得綜合對位堆疊(comprehensive overlay)數據，此數據包含了所有的模板、光罩、透鏡和製程步驟等組合錯誤所產生的所有扭曲變形誤差。這些是目前正在研究而在未來會有報告的。
生產1倍數的模板。S-FIL模板是使用標準光罩石英基板(standard photomask fused-silica substrates)。在先進微影技術上此模板基本是無鉻膜相位光罩。S-FIL所使用的1倍鍍鉻的商業石英板他處有討論[3]。似乎光學微影的光罩固有的優點優於模板，因為典型的光學微影製程使用4倍光罩解析成像。近來的趨勢是當使用光學微影在晶圓上印出的線路小於光波長時，此時所需要的解析度更小，約等於使用1.5倍大小的光罩。但是1倍模板特徵圖形出現在4倍光罩時，面積即是16倍模板，可以看出光學微影的光罩固有的優點優於模板是錯誤的認知。此也讓模板比光罩便宜，特別是量小的ASICs特別明顯。
結論
S-FIL能有效的複製次50奈米的結構，複雜的圖案和3D結構以提供精準的對疊。此技術可能為新興市場的部分如磁儲存器(magnetic storage)、表面聲波元件(SAW Devices)、高亮度LED(high-brightness LEDs)，S-FIL特別適合用於元件需求和先進原型的半導體元件製程。這些機台可以在光學微影製程中支援mix-and-match 堆疊讓製造元件的臨界層使用轉印微影。使用S-FIL 在ITRS的未來的先進製程發展和整合技術中會受益。
在IC生產上發展S-FIL主流會碰到的障礙包含了(1)長期缺陷控制和良率；(2)模板的製造、交期和價格；(3)關係價格的產出速度。因為技術不含高價的雷射和光學，很明顯的價格會低於先進光學微影系統。因此，關鍵挑戰是發展和展示微影製程可以達到光學微影長期良率和產能。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. S.Y. Chou, P.R. Krauss, P.J. Renstrom, anoimprint Lithography,?J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 14, No. 6, 1996.
2. M. Colburn, T. Bailey, B.J. Choi, J.G. Ekerdt, S.V. Sreenivasan, et al., evelopment and Advances of Step and Flash Lithography,?Solid State Technology, Vol. 46, No. 7, p. 67, July 2001.
3. D.J. Resnick, W.J. Dauksher, D. Mancini, K.J. Nordquist, E. Ainley, et al., igh Resolution Templates for Step and Flash Imprint Lithography,?SPIE Microlithography Conf., Feb. 2002.
4. B.J. Choi, K. Nordquist, A. Cherala, L. Casoose, K. Gehoski, et al., istortion and Overlay Performance of UV Step and Repeat Imprint Lithography,?Microelectronics Journal, in press.
5. S.V. Sreenivasan, I. McMackin, F. Xu, D. Wang, N. Stacey, et al., sing Reverse-tone Bilayer Etch in Ultraviolet Nanoimprint Lithography,?Micro, Jan./Feb. 2005.
6. G.F. Cardinale, J.L. Skinner, A.A. Talin, R.W. Brocato, D.W. Palmer, et al., abrication of a Surface Acoustic Wave-based Correlator using Step and Flash Imprint Lithography,?EIPBN Conf., June 2004.
7. H.-L. Kuo, C.-H. Chiu, P.-C. Chen, Novel Wire Grid Polarizer,?SID Dig., 2004.
8. E. Moon, J. Lee, P. Everett, H.I. Smith, pplication of Interferometric Broadband Imaging Alignment on an Experimental x-ray Stepper,?J. Vac Sci. Technol. B, Vol. 16, No. 6, pp. 3631-3636, 1998.
For more information, contact David Wang at Molecular Imprints Inc., 1807-C W. Braker Lane, Austin, TX 78758; ph 512/339-7760 ext. 287, fax 512/339-3799, e-mail dwang@molecularimprints.com.
圖一：S-FIL製程步驟。
圖二：S-FIL解析度至少有20nm而且只受限於母板的生產製程上。