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滿足MEMS/光學元件生產需求 新一代奈米壓印技術更具競爭力

微影(Lithography)是產生細微圖樣,進而在基板上製造出細微線路或結構不可或缺的製程步驟。除了當下話題性最高的EUV、在半導體製造領域已經應用多年的浸潤式微影或無光罩微影等必須使用光源的微影技術外,還有其他不需要光源,也能產生細微圖樣,甚至直接製造出微結構的微影技術,奈米壓印微影(Nanoimprint Lithography, NIL)就是其中之一。 EV Group應用暨技術部協理李昱瑩指出,奈米壓印是一種已經被廣泛應用在生物微機電(BioMEMS)感測器、微流體(Microfluidic)元件生產過程中的微影技術,在某些電子元件的生產也會使用這項技術。最近幾年,有些光電積體元件製造商也看到奈米壓印的潛力,開始在製造元件的過程中,測試性地使用這項技術。 EV Group應用暨技術部協理李昱瑩表示,奈米壓印技術近年來有許多重要突破,使得這種非傳統微影技術可以用來生產更多種不同類型的元件。 與傳統微影技術相比,奈米壓印最大的優勢在於可製造出相對複雜的微結構,正好適合用來生產MEMS跟微流體等結構設計比較複雜的元件。但隨著奈米壓印技術持續進步,現在奈米壓印已經能做出100奈米,甚至40奈米以下的線寬。因此,在CMOS製程中,也有廠商正在評估導入奈米壓印技術。不過,CMOS製程對良率、可靠度、製程控制的需求更嚴謹,不是只看線寬這項指標,因此CMOS元件的製造商需要花更多時間來評估奈米壓印技術。 除了線寬的改進外,奈米壓印近幾年還有許多重要的改良,使其成為更具競爭力的另類微影技術。舉例來說,EV Group所發展出的SmartNIL,跟其他奈米壓印技術相比,最大的特色就在於SmartNIL讓軟板和材料透過毛細現象自然壓合,而非靠外部施加較大的壓力,把材料「擠」進結構裡。對製造商而言,這項特性可以帶來許多好處,例如孔穴、氣泡等缺陷產生的機率大為減少,生產良率進而提高。就維護成本來說,因為SmartNIL不用加壓,因此壓印頭的耗損也明顯改善,使得壓印頭的使用壽命,可以跟主流微影製程所使用的光罩媲美。 除了MEMS、微流體元件外,光電積體元件(Photonic Integrated Circuit)也是EV Group相當看好,未來可望大量採用奈米壓印技術製造的元件。光電積體元件中有許多重要的元素,例如繞射光學元素(DOE)、波導(Waveguide)等,都很適合用奈米壓印製造。 光電積體元件是利用半導體製程技術,將光學元件如調變器、開關、分光器等,直接製作在一個積體電路裡面,變成一個緊緻的元件。相對於電子積體電路是傳遞電子,光電積體元件主要是傳遞可見光或是紅外線波段的光學訊號,而線路中各元件的連接,是由光波波導完成。這種小型化、穩定性高的元件,將在光電通訊系統中發揮越來越大的作用,對光電工業的發展產生深遠的影響。
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先進封裝帶來雙重挑戰 無光罩微影機會來了

3D整合和異質整合對於實現半導體產品效能的持續改進,已變得越來越重要。晶圓代工廠為了提供客戶更完整服務,對先進封裝的布局越來越完整,使得封裝技術在近幾年突飛猛進,同時也讓原本用在前段晶圓製程的設備,例如微影(Lithographic)機台,開始普遍運用在封裝製程上。然而,封裝製程的變化跟多樣性遠高於前段晶圓製程,為了兼顧運用彈性跟線距(L/S)微縮需求,益高科技(EV Group)在SEMICON Taiwan 2020展期間,發表其最新一代無光罩微影設備LITHOSCALE。 傳統微影靈活度不足 無光罩微影潛力雄厚 為了在有限的空間內整合更多功能,先進封裝在半導體產業所扮演的角色越來越關鍵,使得封裝線距加速微縮,設計也變得日益複雜。另一方面,以MEMS元件、IC基板和生物醫學晶片,對圖案靈活性和快速原型製作的需求也正在增長。因此,元件製造商一方面需要藉由微影技術實現更精細的圖樣,同時也需要更高靈活性、可擴展性和「隨時可用」的曝光方法。 基於傳統光罩的微影曝光方案雖然在量產速度與解析度方面具有優勢,但遇到需要快速進行原型設計或高度客製化的應用時,其彈性不足的缺點會更被凸顯,而且其生產成本也未必是最有競爭力的,因為生產、測試和重工需要多道光罩曝光,成本與生產時間會隨著光罩數量增加而快速上揚。此外,先進封裝與現有的後段微影系統面臨著非線性、高階基板變形與晶片位移相關問題,特別是在扇出型晶圓級封裝(FOWLP)製程中,在晶圓上對晶片進行重構之後,這些問題會更為棘手。 因此,理論上更具靈活彈性的無光罩微影技術,在先進封裝、MEMS等製程上,具有先天優勢。但無光罩微影最被詬病的問題是生產速度太慢,無法滿足量產需求,且現有無光罩微影技術的解析度也未必能滿足先進封裝的線距要求。 LITHOSCALE改良既有無光罩微影缺點  針對這些缺點,EV Group對無光罩微影技術做出許多重要改良,並將其整合在LITHOSCALE這款設備上。LITHOSCALE滿足元件製造商對靈活性、可擴展性、生產效率以及低擁有成本的需求。 為滿足先進封裝與MEMS等製程對解析度、靈活性的要求,EV Group發表新一代無光罩微影設備LITHOSCALE 在成本方面,因為是無光罩技術,LITHOSCALE不需要與光罩有關的耗材;可調變固態雷射光源則具有壽命長、輸出穩定的特性,使其幾乎無需維護,也無需重新校準,有助於降低維護成本,也能減少停機時間。 在生產效率方面,LITHOSCALE具有強大的數位運算功能,可實現即時數據傳輸和即時曝光,使用者不必再等待數個小時,將設計檔案轉換成數位光罩後,才能開始生產。此外,為了提高量產速度,該設備配備多個曝光頭,可將生產效率最大化。 在可擴展性方面,LITHOSCALE可為超出倍縮光罩尺寸的中介層提供無接縫圖形,這項能力對需要高度複雜圖形布局的晶片,例如高階圖形處理器、人工智慧以及高效能運算晶片特別有用。LITHOSCALE還採用動態對準模式和具有自動聚焦功能的晶片級補償,使其適應基板材料和表面變化,並保持最佳的對準效果。該設備的最高解析度可達到2微米以下線距,支援的基板尺寸則為300mm晶圓以下、不同材質的基板,並可搭配多種光阻劑使用。這些特性使得LITHOSCALE成為高度泛用型的無光罩曝光平台,可適用於各種微電子生產應用。
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