芯片制造中的光学微纳加工技术前沿与挑战思路总结

王翠萍 ,周杏 ,刘鹏飞

摘要：本文对于目前电子束曝光技术、聚焦离子束刻蚀技术、激光直写加工技术、掩模光刻加工技术、纳米压印加工技术、自组装技术、探针扫描光刻技术的应用要点展开分析，并从设备、人员、制度等层面分析目前发展存在问题和发展建议，通过研究整理光学微纳加工技术下阶段的研究方向，其目的在于不断优化芯片制造体系，促进相关行业经济的持续发展。

关键词：芯片制造行业；光学微纳加工技术；自组装技术

光学微纳加工注作为芯片制造活动中的重要组成部分，其主要作用是将掩模上的几何性形状成功地转移到基片位置。受到光学衍射这一内容的限制，在传统光学技术应用中，会通过缩短光波长和增加目镜孔径数来提高分辨率。光学系统可以通过缩短光波长和增加光系统中目标镜头的孔径数提高分辨率。其中，波长的缩短需要对其辅助零件进行重新开发，过程中需要投入较多资源，做好与之相关的研究，能够积累有价值应用经验，促进芯片制造行业经济的可持续发展。

1光学微纳加工技术研究现状

1.1电子束曝光技术

作为一种基础的纳米加工技术，此类技术的加工原理在于，依托高度聚焦的电子束，来对抗蚀剂进行曝光处理，同时做好显影过程当中溶解度参数控制，搭配可靠图形转移工艺，完成相应的设计结构。在技术具体应用中也需遵循以下应用步骤：（1）对于设备相关参数进行调整，使电子束可以顺利聚焦，便于后续加工活动的进行。（2）在高度聚焦电子束应用中，开始对抗蚀剂进行曝光，控制好整个过程的曝光时间、高聚焦电子束能量等。（3）溶解度参数会进行显影处理，随后在对图形进行转移处理，使其可以顺利转移到基面上，得到相应质量的成品。此类技术在应用中具有分辨率非常高的优势，可以在没有掩模的情况下来完成各类图形的制作，不足之处在于利用技术制备复杂图案时，会消耗较多时间，同时也会受到邻近效应限制，是后续发展过程中需注意的内容。

1.2聚焦离子束刻蚀技术

作为另一种较为常用的纳米加工技术，此类技术的加工原理在于，依托高度聚焦的离子束，来对抗蚀剂进行刻蚀处理，过程中也需要对溶解度参数进行合理化控制，最后使用可靠图形转移工艺，来顺利完成相应的设计结构。在技术实践中需要遵循以下步骤：（1）对于离子束设备相关参数进行调整，使离子束可以按要进行聚焦，以便后续加工活动的进行。（2）在高度聚焦离子束作用下，可以对抗蚀剂进行刻蚀处理，控制好整个过程处理时间、高聚焦离子束能量聚焦状态等。（3）对于溶解度参数进行合理化控制，随后再对图形进行转移处理，按要求将其固定基础面上，得到满足质量要求的产品。此类技术在应用中具有自由度极高、可实时观测的优势，可以在不同设备作用下来完成各类图形的制作，不足之处在于利用技术制备时所消耗的成本较高、加工效率相对较低，多在小面积结构处理中进行应用。

1.3激光直写加工技术

此类技术的加工原理在于，依托高能量的激光，来对材料进行扫描和加工处理，过程中也会依托激光改变材料初始的理化性质，如折射率、电导率、浸润特性等，从而完成预设的结构图形。此技术在实践中需注意以下内容：（1）对于激光设备基础参数进行调整，使激光能够按要进行聚焦，为后续加工活动的顺利进行奠定基础。（2）在高能量激光作用下，可以对材料进行扫描和加工处理，控制好激光加工路径，保证材料可以按照预期顺利成型，得到满足质量要求的产品。此类技术在应用中具有加工效率高、应用成本低下等优势，可以在不同路径设计下来完成各类图形的制作，目前已经在许多领域中得到了应用。

1.4掩模光刻加工技术

此类技术的加工原理在于，依托EBL和FIB来对材料进行逐点扫描和加工，过程中也会改变材料初始的理化性质，从而得到预设的结构图形。此技术在实践中应遵循以下步骤：（1）对于EBL或FIB设备性能参数进行调整，使EBL和FIB能够按预设要求来进行处理，以便于后续加工活动的顺利进行。（2）采用逐点扫描的方式来对材料进行加工处理，控制好具体的加工路径，保证材料可以按照预设路径顺利成型，得到契合质量要求的产品。此类技术在应用中具有加工效率高、生产质量高等优势，但是在实际应用中也具有加工时间长、加工成本高等不足，是下阶段发展中重点关注的内容。

1.5纳米压印加工技术

此类技术的处理原理在于，依托机械变形的方式来对材料进行加工，过程中也会借助机械设备参数来调整材料理化性质，得到预设的应用图形。此技术在应用中需遵循以下步骤：（1）对于机械变形设备性能参数进行调整，基于预设要求来优化整体性能，从而加快相关活动的开展进度。（2）采用压印的方式来对材料进行加工处理，随后再使用刻蚀的方式来清除掉压印后材料表面的残留胶，保证材料的顺利成型，得到契合质量要求的产品。此类技术在应用中具有加工分辨率高、可大面积加工、生产质量高等优势，但是在刻蚀时会对胶进行破坏，严重时也将影响成品质量，是发展过程中需重点关注的内容。

1.6自组装技术

此类技术的处理原理在于，依托胶体来完成聚苯乙烯球体阵列，随后将这些阵列作为掩模板，随后按要求对材料进行加工，过程中也会将刻蚀或沉积工序充分结合在一起进行应用，对于材料理化性质进行整理，以得到预设的应用图形。此技术在应用中需遵循以下步骤：（1）对于设备性能参数按要求进行调整，基于相关要求来对其性能进行调整，便于后续活动的顺利进行。（2）采用刻蚀或沉积的方式来对材料进行加工处理，随后再使用刻蚀的方式清理掉的材料表面的残留胶，以保证材料的顺利成型。此类技术在应用中具有操作过程便捷、生产成本较低等优势，但是在应用时只能对简单图形进行处理，对于较为复杂的图形较难进行加工，这也需要在后续加工活动中做好参数调整，以满足相应的使用需求。

1.7探针扫描光刻技术

除上述提到的内容外，此类技术也具有良好的应用价值。此类技术的处理原理在于，依托光刻的方法来对材料进行处理，随后按要求使用探针对于抗蚀剂上粒子或排列图案粒子进行清除，从而对材料理化性质进行整理，得到预设的应用图形。此技术在应用中需遵循以下步骤：（1）对于光刻设备性能参数进行整理，满足要求后再进行应用。（2）采用光刻与探针移除的方式来对材料进行加工处理，以保证材料的顺利成型。此类技术在应用中具有操作精度较高等优势，但是在应用时只能对简单图形进行处理，并且具有加工效率较低、沟槽尺寸不均衡等不足， 从而影响到最终的成品质量。因此，也需要在后续加工活动中做好参数调整，以提高材料加工结果的合理性[1]。

2光学微纳加工技术应用时的挑战与建议

2.1设备问题

在光学微纳加工技术应用中所面临的设备问题如下：（1）设备先进性较弱，对于设备开发研究重视度较低，影响到设备成型质量的可靠性。（2）设备更新速度较慢，在应用中所使用设备采购成本较高，企业无法及时更新设备，降低成品生产精度。针对此类问题，对其进行处理时，（1）需要加大设备先进性研究，提高对设备开发研究重视度，不断提高设备成型质量的可靠性。（2）加快设备更新速度，在应用中企业应完善设备采购计划，有序提高企业设备先进性，从而优化设备运行体系，提高成品生产精度[2]。

2.2人员问题

光学微纳加工技术应用时所面临的人员管理问题如下：（1）人员综合素养较弱，前期对于队伍建设的重视度较低，影响到管理队伍建设质量的合理性。（2）人员队伍素质培养较少，在工作中培训体系完善度、针对性较差，这样也制约人员综合能力提升速度，影响到技术工作的顺利推进。针对此类问题，在对其进行处理时，（1）前期提高对队伍建设活动的重视度，做好人员综合素养的考核工作，提高管理队伍建设质量的合理性。（2）做好人员队伍素质培养，在工作中完善培训体系，针对队伍成员特点完善培训课程，保证技术应用价值的顺利体现[3]。

2.3制度问题

光学微纳加工技术应用时所面临的制度问题如下：（1）制度完善度较弱，前期建设制度后较少对制度进行更新，导致制度内容和实际需求之间的契合度较低，降低所拟定制度的指导价值，影响到制度的执行结果。（2）在技术管理制度执行中，缺少对制度反馈资料的整理与记录，使得制度内容的人性化水平较差，较难满足技术管理要求，降低制度应用效果。针对此类问题，可采取以下措施进行处理：（1）提高制度完善度，前期建设制度后也需要结合实际情况对制度进行更新，保证制度内容和实际需求之间的契合度，保证所拟定制度的指导价值[4]。（2）在技术管理制度执行中，需要加强制度反馈资料的整理与记录，从中筛选有价值数据补充到制度当中，不断提高制度内容的人性化水平，满足技术管理要求。

3光学微纳加工技术下阶段的研究方向

光学微纳加工技术下阶段发展过程中，应沿着以下方向推进：（1）突破光波衍射极限，未来发展期间需围绕技术应用期间的物理化学过程，讨论光和物质之间的作用机理，根据积累数据不断完善光场当中的表征理论内容，并且基于纳米尺度看来完成局域聚焦，并且实现恰当的空间分布管理，为技术理论完善提供良好参考[5]。（2）多物理场协同微纳加工，依托原子和分子制造理论，对于整个物理场来做好协同调控，过程中也会对载体流变情况进行诱导和约束处理，搭配着各类处理方法来准确控制加工参数。另外，在应用中也会使用耦合机制来完善纳米加工体系，以提高所得数据分析结果的合理性。（3）超衍射精密测量，依托纳米精度、加工速率需求，加大对不同部件运动误差的生成情况与传递规律的整理，并以此来完成各类算法的优化分析，在确保产品精度的同时保证运行速度，从而提高精密测量结果的精准度，满足三维结构重建的相关要求。（4）技术集成发展，一方面需要研究面向微纳加工的新材料，研究降低材料损耗、增大非线性响应和响应灵敏度的方法；另一方面，需攻关关键单元技术和装备集成技术，顺利实现科研仪器和装备的自主可控，并且也可以据此来实现核心运动部件位姿的超精密测量和控制，以纳米精度来完成系统化设计，提高系统集成分析效果

[6]。

结束语

综上所述，光学微纳加工技术既是集成电路芯片制造的核心，也是微纳光子、微纳机械、微纳生物等领域未来芯片和器件研发的关键支撑。通过整理未来芯片和微纳器件对光学微纳加工的新需求，并以此来整理光学微纳加工技术应用中需要注意的内容，以此来积累技术应用经验，对促进新光学微纳加工技术研究起到积极推动作用。

参考文献

[1]朱文昌,吴海华.微纳加工与表征技术在高性能集成有机光电器件研究中的应用[J].中阿科技论坛(中英文),2022(09):121-127.

[2]蒲明博,李向平,张杨,郑美玲,粟雅娟,曹耀宇,曹暾,徐挺,段宣明,冯帅,孙玲.芯片制造中的光学微纳加工技术前沿与挑战[J].中国科学基金,2022,36(03):460-467.

[3]娄睿. 超短脉冲激光微纳加工制备表面功能结构及其特性研究[D].中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所),2021.

[4]徐帅. 基于飞秒激光微纳加工的几何相位元器件制备和机制研究[D].吉林大学,2021.

[5]胡跃强,李鑫,王旭东,赖嘉杰,段辉高.光学超构表面的微纳加工技术研究进展[J].红外与激光工程,2020,49(09):96-114.

[6]章城,赵天晨,廖宁波.基于光学光刻技术的PDMS微纳敏感结构薄膜加工工艺研究[J].真空科学与技术学报,2020,40(06):560-563.

2021年度济南职业学院科研项目-五大功能专项课题（项目编号：KYF2021007）研究成果