晶圓級奈米光學元件的製造
「凸版印刷(Embossing)(壓印成型)」是一個可追溯至西元1350到1400年時英文中的古代技術性用語，而由Chaucer以它的現代意義來加以運用。其技術上的意義為：藉由在用來成型的材料上對一個具有設計好的凸起負片(raised negative)影像的印模施壓，以產生凸起的設計或圖樣(pattern)，其在接下來的650年期間並沒有任何改變。而所改變僅是其應用面、使用的材料，以及設計的規模。目前凸版圖樣可能會具有奈米尺寸的特徵(features)，因此為整合型光學系統帶來了新的運用潛力。
通常被稱為奈米壓印微影術(NIL，nano-imprint lithography)的奈米級壓印成型，能夠快速地在相當大面積的基板上形成特徵尺寸在100 奈米以下的圖樣。之前若要在這樣大尺寸的基板上製造圖樣的話，則需要速度慢很多且貴很多的技術，如電子束寫入(electron-beam writing)，才能達成。奈米壓印微影術在與其它相關技術結合使用時，即能夠在幾分鐘之內於整片晶圓上創造具有奈米級特徵的整合性光學系統。圖一顯示了在一片四吋矽晶圓上所形成的複製透鏡陣列。
晶圓級奈米壓印微影術可降低整合性光學系統的尺寸、成本與複雜度，同時能改善其效能。整合晶圓上的壓印元件可縮小主要的尺寸。製造完全「單石(monolithic)」的光學系統能夠使厘米級的系統縮小至毫米級的晶片。而光學效能亦可藉由將元件實際地緊鄰在一起，以降低光學路徑長度與伴隨的漏失而獲得改善。例如，透鏡之類的光學元件可直接製造在雷射光之類的光源上。圖二顯示了直接成型在垂直共振腔面射型雷射二極體(VCSEL)的晶圓上之繞射透鏡1。
對於奈米結構的微小物理尺寸，也能夠製造一些與一般巨觀光學的某些特性有很大不同的光學元件，會讓一些非專業的人感到很驚奇。一般稱為次波長(sub-wavelength)元件之特徵尺寸小於入射光線波長的光學元件，其與光線的交互作用會和具有較大特徵尺寸的光學元件有很大的不同。更特別的是，光線會以不同的方式和具有週期性結構比波長來得小之的元件，產生交互作用2。所改變的交互作用方式可產生與類似的較大結構不同特性的元件3。
次波長之類的光學元件可提供一些新式且具有吸引力的特性。例如次波長光柵(grating)結構具有比傳統光柵結構還來得寬的可接受角度。較寬的可接受角度能夠減輕製造上的容差要求，而且能夠進行自動化的封裝，因而能夠更進一步地降低成本。次波長光柵也比傳統光柵更能在較寬的波長範圍上展現更一致性的效能。
奈米壓印微影術已經證明能夠成長一些不同的奈米級光學元件，包括光柵、濾波器、抗反射塗層、折射與繞射元件、fresnel透鏡(大型薄透鏡)、導波管，以及透鏡陣列。在這些潛在產品已經存在且證明具有益處時，為何奈米光學還這麼長期地存在於實驗室中呢？因為其必須要克服一些很難以克服的困難，以利用量產製造的製程來複製這些微小尺寸。
奈米壓印成型製程
為了要瞭解目前已被克服之製造上的挑戰，因此有必要看一下已被開發的基礎製程技術。奈米壓印微影術在不同形式中具有五個製程步驟4：
- 設計與製造一個具有用高解析度技術形成的特徵圖樣之主印模(master stamp)。
- 將主印模壓印到適當準備的材料上。
- 在材料流動以複製印模時須維持主印模的壓力，然後加以固化以維持所複製的圖樣。
- 將已具有圖樣的複製品從主印模上分開來，但不損傷到奈米級的特徵。
- 對該複製品進行進一步的後處理(post-process)以達到所要求的光學功能。
奈米壓印微影術的第一個重點是要製造主印模或模具(mold)。壓印成型(embossing)的最終解析度能力僅依主印模而定。主印模的設計與製造對特徵尺寸的最小化、均勻性、液體流動，以及分開的容易性是很重要的。要如何設計一個能夠快速且完全地使軟化的材料流動，是具有相當挑戰性的。當設計已能夠符合要求時，即必須將其轉為主印模。而電子束(electron beam)之類的微細線徑(fine-line)方式，則是用來在主印模上製造奈米級的特徵。電子束具有微細線徑的能力，但若直接利用電子束寫入時，則其只具有幾毫米平方的工作區域，而且速度相當緩慢。用在熱壓成型(hot embossing)或射出成型上的印模一般是由鎳或不銹鋼製成。而用在紫外光壓印成型(UV embossing)的印模則必須是不吸收紫外光(UV-transparent)的材料。
雖然所完成的主印模可直接用來生產很多複製品，但當重複地使用而造成磨損與惡化時，則需要重新製造一個新的主印模。實際上為了保持其原始的品質，一般完成的主印模會利用這裡介紹的複製技術來加以翻版(cloned)。翻版的次主印模(sub-masters)則用來大量生產奈米級特徵，而不管是同時在整片基板上製造或重複地以晶片尺寸的方式印製到基板上。
所使用的基板可以是矽晶片、石英、玻璃或其它材料。複製的膜層一般會被覆(coating)上可熱固化或紫外光固化的聚合物(polymers)，並小心地控制被覆的均勻性與厚度。雖然聚合物是常見的壓印成型材料，但它們並無法提供規格尺寸上的精密度，或是在某些系統元件所要求之具挑戰的環境狀況下的長時間穩定性。這個需求已經可藉由如溶凝膠(sol-gel)有機／無機複合材料等特殊材料的開發而加以解決。這些複合物能像聚合物一樣可利用紫外光固化或熱固化，而且在固化之後其顯示的光學與機械特性會很接近玻璃的特性5。
壓印成型與固化基板上的圖樣會依不同的製程而有所差異。只要被覆的膜層被固化後，印模即必須從固化後的材料上分離開，而不損傷到複製的圖樣。當特徵尺寸變得更小時，如何乾淨地分離則會變得更加困難。另外也可在鑄模之前於印模上被覆上一層特殊的膜層以幫助之後的分離。
壓印成型後的晶圓可能會再經過蝕刻、沈積的後處理，或經由重複進一步的黃光製程。固化後的圖樣材料可以是用在底層基板的反應性離子蝕刻(reactive ion etching)上的蝕刻光阻(resist)。另外，成型後的材料可做為金屬沈積與剝離(lift-off)時的光阻。後處理也可能包括額外的微影製程、進一步的沈積，以及加入抗反射或保護塗層。
熱壓成型
晶圓的熱壓成型(hot embossing)是使用複製的主晶片做為晶圓的印模。晶圓首先會被覆上一層熱塑性(thermoplastic)聚合物，也就是在加熱時會軟化的聚合物。然後晶圓就會置入一個可控制氣壓的壓印成型腔中。在將晶圓加熱之後，印模即會以預先設定的壓力與溫度施壓到已軟化的聚合物上，同時在整個晶圓上形成所需要的圖樣影像。經過聚合物流動所需的加熱時間之後，即會將印模與晶圓冷卻以使圖樣硬化。而為了維持圖樣的形狀，因此必須持續地施壓直到印模與基板均已冷卻到熱塑性的軟化點溫度以下。
熱壓成型的晶圓可做為本身壓印成型的特徵，或可做為蝕刻、材料沈積與圖樣剝離(lift-off)等後處理時的光阻。在做為光阻之用時，於熱固化之後會進行淺蝕刻以移除清除區域上的材料殘留物。
步進壓印
另一個熱壓成型的方式，是利用一個比晶圓尺寸還小的主印模之步進與重複(step-and-repeat)壓印6。步進壓印(step-and-stamp)是模仿用在半導體製造上的步進與重複之光學步進機(stepper)的動作。較小的主印模會比較容易設計、生產與控制。而且也比全晶圓的印模成本來得低。步進與重複的方式可減輕晶圓級壓印成型與生俱來的規格尺寸、平坦度、流動性與分模時的顧慮，並可實在地降低這些問題。而必須要做的衡量則包括了壓印程序上多次重複所需的額外時間、必須將熱侷限在壓印區域內的需求，以及精密的步進與重複機台的成本與複雜度。
紫外光壓印成型
冷壓印成型是利用紫外光將壓印成型後的材料聚合化及固化。一開始使用的材料是可利用紫外光固化的材料薄膜。通常的材料可以是單體(monomers)，或無機─有機混合聚合物，而它們均可利用紫外光在適當的光學條件下將其聚合成聚合物。而該膜層則可沈積到矽晶圓、砷化鎵或類似的晶圓上。可紫外光的已圖樣化的主模版(template)，會被壓印在膜層上以印出圖樣，而用紫外光加以固化後，在解除施加的壓力。
紫外光壓印成型可對多層次的特徵進行精確的對位與覆蓋。紫外光壓印成型相對於熱壓印成型在多層次應用上具有明顯的優點，因為第一膜層在曝光後即被聚合化，因此無法改變形狀，具有牢固的尺寸，而不管後續膜層的應用與曝光製程。
紫外光壓印成型是一個低壓力、室溫下的製程，而且圖樣只會造成很少的收縮。另外亦可藉由限制照度來維持晶圓上的透光區域，以進行部份的紫外光鑄造(casting)。冷壓印成型可在晶圓的單面或雙面進行。雙面壓印成型則可提供微鑄模(micromolding)的功能。圖一中所示的雷射透鏡陣列是利用冷壓印成型來形成的。
紫外光壓印成型如同熱壓印成型的使用，可以在晶圓尺寸的印製，或利用較小的印模而以類似於前面介紹的「步進與壓印」的「步進與曝光(step and flash)」程序來運作7。
射出成型
光學元件的射出成型(injection molding)可為高產量的量產提供產能(throughput)與成本上的優勢。射出成型能夠產生立體物件與整合式的多元件系統。為了要能夠比傳統的射出成型更先進且能夠得到奈米特徵，電鑄(electroformed)金屬嵌入物(inserts)必須具有奈米圖樣，且須包括在主模具的一部份之中。
晶圓級的雙面(double-sided)射出成型，已被用來在支撐用的基板兩面上創造光學結構8。這些結構在基板的兩面可以是相同的，或它們可能是不同的，例如結合了一面是繞射透鏡而在另一面則是折射透鏡。而這種雙面的結構是可以分開處理或同時處理的。但不管是分開或同時處理，均必須在介於其間的基板兩面的特徵之間進行精確的對位。
射出成型已被用來生產超過幾十萬的光學元件。然而，高昂的機台成本(tooling cost)則僅能適用在這樣的大量生產上。射出成型方式吸引了比直接壓印成型還廣的材料範圍。壓克力(acrylics)或聚碳酸酯(polycarbonate)可以用在低成本、高產量的射出成型全塑膠(all-plastic)系統上，以生產幾十萬產量的便宜商業化產品。
奈米壓印微影術的技術比較
表一提供了這三種壓印成型製程的整理比較表。熱壓成型不管是以晶圓級或以步進與壓印的方