先進微影技術發展（二）：奈米壓印與定向自組裝

除了純粹光學的方法外，還有其他方法也可以用來定義半導體的精細圖案。

奈米壓印微影（Nano Imprint Lithography；NIL）也發軔於90年代中期，至今還未進入量產，但是其解析度經驗證已可達10 nm以下。

NIL的操作是先以電子束微影（electron beam lithography）在「光罩」（其實更像是模版）上寫下欲轉錄圖形的陰刻，然後壓印在已塗佈低粘度（low viscosity）的「光阻」（這物質其實與光敏無關，只是用來抵擋蝕刻）的矽晶上，讓光阻流入圖形陰刻中的溝槽後，以紫外光照射用以固化（curing），形成光阻覆蓋圖形。後續的工作就如同一般的製程一樣，開始蝕刻光阻未覆蓋的區域。NIL有能力用來製造出3D圖形。

如此操作可以省卻複雜的光源及龐大的透鏡／反射鏡所組成的光學系統，而且在關鍵層（critical layer）可以只用1次操作完成，所以預期的產量較高。

一個微影系統的能力通常以圖形化（patterning）、疊加（overlay）以及量產能力（throughput）來評估。其中圖形化是指生成所需圖形的能力，主要是解析度；而疊加是指上下2層圖形的對齊精準度。

目前的進展是對於3D NAND產品NIL的圖案化及疊加能力已達滿意程度，等待量產能力達標後，即可投入產線。對於DRAM，圖形化能力已達14 nm （1a）節點，疊加能力猶待展示；記憶體是NIL比較可能的先期應用。

NIL技術主要由日本所開發，佳能（Canon）在90年代未能接受美國授權EUV技術後即轉向NIL方向發展。晶圓廠方面，東芝（Toshiba）於2000年初即投入研發。目前威騰電子（Western Digital）想收購東芝的原因除了擴大生產、研發的規模經濟外，東芝擁有NIL技術、可用於投入MRAM的生產也是吸引力之一。

另外，中國也開始投入NIL的研究，這是中國半導體技術自主化中的一環。

定向自組裝（DSA；Directed Self-Assembly）是與前述2種技術完全不同概念的運作，DSA也發軔於90年代中期，其時複雜系統（complex system）領域中的熱門研究題目之一是元胞自動機（cellular automata），它是指一個單元可以用簡單規則建立一套複雜系統的模型，DSA就是藉助此概念所發展出的方法。如此跨領域創新，在半導體學院可教不來。
 
光學微影（photolithography）與NIL都是從上而下（top-down）來定義圖形，亦即圖形先從巨觀尺度定義完成後再去處理圖形中的內容物質；而DSA則是由原分子階層由下而上（bottom-up）組成所需圖形。 
 
DSA使用嵌段共聚物（Block CoPolymers；BCP）當成主要材料，常用的材料為聚苯乙烯嵌段聚（甲基丙烯酸甲酯）[poly（styrene-block-methyl methacrylate）；PS-b-PMMA]。DSA是2條互斥（repulsive）的高分子鏈以共價鍵銜接在一起，對於其他的化學物質有不同的親和性（affinity），這是用來操縱形成不同圖案的主要機制。DSA亦可形成3D圖形。

DSA的實際運作首先要形成引導圖形（guiding pattern）—引導BCP自組裝成需要圖形的外在框架，有2種主要方法：圖形外延（graphoepitaxy）以及化學外延（Chemoepitaxy）。前者是先以微影方式定義引導圖形（guiding pattern）的3D拓樸形狀，譬條狀平行溝槽，然後在溝槽壁上或溝槽底部塗佈上特定化學品，沉積BCP於其上。2條高分子鏈中的1條對於以塗佈的化學品具有高親和性，黏附於其上，剩下的就靠高分子之間的自組裝，形成需要的圖形；化學外延則是在基板上直接塗佈較高密度的化學品，剩下的也全靠高分子之間的自組裝機制。

DSA既然也需要微影技術來定義圖形，為什麼還需要DSA？原因是DSA自組裝形成圖形的密度較微影技術為高，目前DSA的解析度已達12.5 nm，而且還在繼續向下發展。DSA搭配EUV、做為增強EUV解析度的手段是目前考慮的使用方向之一。相對於NIL，DSA還需要更長的時間才會成熟量產。

DSA在量產的2個預期的主要應用為線／間距（line-space）和接觸（contact）圖形，前者是記憶體金屬層的最關鍵技術，因此記憶體公司對DSA的投入較深。

目前的微影技術其實離最終極的原分子尺度並不太遠，但這並不意味著對於原分子尺度的運作操控將止步於此。像NIL與DSA都跳脫傳統光學微影系統的思維，利用新的物理、化學機制與材料，更多基礎科學的投入才能容許半導體產業走更長遠的路。

延伸報導先進微影技術發展(一)：既有設備路徑的延伸