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LCD最后一个创新任务:无需偏光膜的纳米压印技术

文章来源:CINNO  2016-03-16

标签:偏光膜纳米LCD面板NIL纳米压印佳能

纳米压印微影技术 可望优先导入LCD面板领域

原本计划应用在半导体生产制程的纳米压印微影技术(Nano-Imprint Lithography;NIL),现将率先应用在液晶显示器(LCD)制程中。NIL为次世代图样形成技术。

据ET News报导,南韩显示器面板企业LCD制程研发小组,未确认NIL设备实际图样形成能力,直接参访海外NIL设备厂。该制程研发小组透露,若引进相关设备,将可提升面板性能。并已展开具体供货协商。

NIL是以刻印图样的压印机,像盖章般在玻璃基板上形成图样的制程。在基板上涂布UV感光液后,再以压印机接触施加压力,印出面板图样。之后再经过蚀刻制程形成图样。

NIL可在LCD玻璃基板上刻印出偏光图样,不需再另外贴附偏光薄膜。虽然在面板制程中需增加NIL、蚀刻制程,但省落偏光膜贴附制程,可维持同样的生产成本。偏光膜会吸收部分光线降低亮度。若在玻璃基板上直接形成偏光图样,将不会发生降低亮度的情况。

通常面板分辨率越高,因配线较多,较难确保开口率(ApertureRatio)。面板厂为补偿较低的开口率,多运用在背光模块搭载较多LED的技术,但此作法的缺点是用电量较高。若运用NIL制程,可确保适当的开口率,降低用电量。

利用一般曝光设备也可在玻璃基板上形成偏光膜。然8代曝光设备一次可形成的图样面积较小。若要制造55吋面板,需要经过数十次的曝光制程。不仅制程时间长,经过多次曝光后,在图样间会形成细微的缝隙,无法完整显示影像。

若将NIL技术应用在5代设备,可一次形成55吋、60吋面板的偏光膜图样。在8代基板可制造6片55吋面板,6次的压印接触可处理完1片8代基板。

南韩业者表示,在玻璃基板上形成偏光图样以提升质量的生产制程,是LCD领域中最后一个创新任务。若加速NIL制程导入LCD生产的时程,偏光膜企业的营收可能减少。除南韩面板业界外,大陆、台湾面板厂据传也在考虑导入NIL制程。

NIL为可取代半导体曝光制程的微影技术,受到业界关注。南韩SK海力士(SKHynix)和日厂东芝(Toshiba)为导入NIL制程,携手共同研发技术。

南韩业界认为,若将NIL导入商用化生产线,比起以曝光设备形成图样,可以较低的成本生产芯片。为形成更微细的电路图样,提高NIL设备成像能力将成为首要任务。


NIL(Nano-ImprintLithography)纳米压印技术是何物?

纳米压印技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题,具有分辨率高、低成本、高产率的特点。自1995年提出以来,纳米压印已经经过了14年的发展,演变出了多种压印技术,广泛应用于半导体制造、mems、生物芯片、生物医学等领域。被誉为十大改变人类的技术之一。

NIL的基本思想是通过模版,将图形转移到相应的衬底上,转移的媒介通常是一层很薄的聚合物膜,通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。整个过程包括压印和图形转移两个过程。根据压印方法的不同,NIL主要可分为热塑(Hot embossing)、紫外固化UV和微接触(Micro contact printing, uCP)三种光刻技术。

NIL图示

Hot Embossing (HE)

首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料(如PMMA)。升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg(Glass transistion temperature)之上。热塑性材料在高弹态下,黏度降低,流动性增强,随后将具有纳米尺度的模具压在上面,并施加适当的压力。热塑性材料会填充模具中的空腔,在此过程中,热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大,从而避免模具与衬底的直接接触而造成损伤。模压过程结束后,温度降低使热塑性材料固化,因而能具有与模具的重合的图形。随后移去模具,并进行各相异性刻蚀去除残留的聚合物。接下来进行图形转移。图形转移可以采用刻蚀或者剥离的方法。刻蚀技术以热塑性材料为掩膜,对其下面的衬底进行各向异性刻蚀,从而得到相应的图形。剥离工艺先在表面镀一层金属,然后用有机溶剂溶解掉聚合物,随之热塑性材料上的金属也将被剥离,从而在衬底上有金属作为掩膜,随后再进行刻蚀得到图形。

Hot Embossing (HE)

S-FIL (Step-Flash Imprint Lithography)

为了改善热压印中热变形的缺点,特克萨斯大学的C. G. willson和S. v. Sreenivasan开发出步进-闪光压印(Step- Flash Imprint Lithography),这种工艺中采用对紫外透明的石英玻璃(硬模)或PDMS(软模),光阻胶采用低粘度,光固化的单体溶液。先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底上,结合微电子工艺,薄膜的淀积可以采用旋胶覆盖的方法,用很低的压力将模版压到晶圆上,使液态分散开并填充模版中的空腔。透过模具的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。最后刻蚀残留层和进行图形转移,得到高深宽比的结构。最后的脱模和图形转移过程同热压工艺类似。

S-FIL (Step-Flash Imprint Lithography)

uCP (Micro Contact Transfer Printing)

uCP技术由IBM和哈佛大学所提出,这种工艺与盖章的概念最为相近。这种工艺采用弹性的印章将硫醇转移到镀金或银的表面上去。将PDMS倒在包含图形的模具上,过程中模具可由光学或电子束光刻获得,也可以通过衍射栅、微机械结构一集其他微型结构的复制得到。印章材料的化学前体在模具中固化,聚合成型后从模板中脱离,得到所需印章。通常印章的材料为PDMS。然后将PDMS印章与滴了墨的衬底上,墨溶液主要为硫醇。将印章与衬底接触并浸没在墨溶液中,让印章充分沾上“墨汁”。随后将浸有“墨汁”的印章盖在镀金的衬底上,墨汁会沾在镀金衬底上,衬底可为玻璃、硅、聚合物等材料。只有与印章接触过的表面才能沾上硫醇溶液,硫醇会与金发生反应,形成自组装单分子层SAM。硫醇分子会吸附有机分子,从而实现自组装。另外,硫醇与金反应后,还可以采用湿法刻蚀的方法,如在氰化物溶液中,氰化物的离子促使未被SAM层覆盖的金溶解,而SAM能有效阻挡氰化物的离子,将被覆盖的金保留,即可实现图形转移。

uCP (Micro Contact Transfer Printing)

纳米压印技术的改进和发展

在三种纳米压印技术中,NIL的分辨率最高,但是其依然存在许多缺点,如工艺过程中需要加热,塑性材料的热膨胀作用将导致图形转移过程中尺寸的误差及脱模困难。另外,脱模后的反应离子刻蚀过程也不好控制。基于这些问题,中国科学院“爱因斯坦讲席教授”Stephen Y. Chou在原有的NIL技术上做出了改进,提出了激光辅助压印技术(Laser Assisted Direct Imprint,LADI)。

其与NIL的主要差异在于,以准分子激光照射硅板,直接将结构在短时间内融化并重塑成型,整个过程只需纳秒级内即可完成,因此不会出现热变形效应。另外,由于整个过程是直接在硅板上进行,故不需进行复杂的刻蚀过程,优化了工序,减少了工艺时间,可有效的降低成本。同时LADI也可以很好的应用于大面积的硅片,或者其他材料和其他工艺中。LADI被认为是最具前景的纳米压印技术。

美国Nanonex公司由纳米压印领域先行者、普林斯顿大学的周郁(Stephen Chou)教授于1999年创立,其核心技术为周教授的研究团队完成的专利技术。目前Nanonex已将抗蚀材料、掩模、纳米压印设备,以及工艺技术套配推向市场,其精度可小于5nm水平,这是任何其他印刷方法所达不到的。

2013年10月,德国EV Group(EVG)宣布将全球首台卷对卷的热纳米压印设备安装在新加坡的材料及工程研究所(IMRE),以利于该所开展相关热压印研究工作。EVG的热纳米压印设备可用于生产生物传感器、晶片键合、磁存储器、有机发光薄膜和其它产品。瑞典Obducat公司也是压印设备的主要供应商之一,设计制造实验和工业用途的纳米压印设备,可用于生产LED和生物器件等不同领域。


用类似于指纹的波纹提取有机EL的光,波长依赖性较小

【日经BP社报道】JX日矿日石能源在展会“Photonix 2015”(东京有明国际会展中心,2015年4月8日~10日)上,参考展出了用于有机EL照明的光提取玻璃基板(波纹基板)。据该公司介绍,与未设置特别的光提取构造时相比,光提取效率平均可达到两倍左右,特点是可针对可见光的大范围波长,均匀地提取光线。

该波纹基板采用纳米压印(Imprint)技术在玻璃表面形成了类似于指纹的波状无规则凹凸“Corrugate构造”。Corrugate的意思是“波纹型”。凹凸间距为1μm以下。基板的最大尺寸可达到400mm×500mm。

以前的光提取构造大多会形成一定周期的凹凸。不过,这种构造“虽可以有效地提取特定波长的光线,但其他波长的光线提取效率较低,从而会导致发光色出现偏差”(JX日矿日石能源)。而改为波纹构造的话,周期性就会变得没有规则,波长依赖性及角度依赖性较小,可见光范围的光线可以全部提取出来。

据JX日矿日石能源介绍,以这种玻璃板为基板形成有机EL元件时,波状凹凸还会被反射到元件各层及相反电极层,能够抑制元件内部发生全反射等。


佳能确认可用纳米压印技术生产11nm半导体

【日经BP社报道】佳能在该公司的技术展示会“Canon EXPO 2015 Tokyo”(11月4~6日于东京国际论坛大楼召开)上宣布,已证实可利用新一代半导体生产工艺——纳米压印技术生产线宽为11nm的半导体器件。

纳米压印是利用加工好图案的“模具”在硅基板上形成布线和元件的技术。采用基于曝光技术的现有生产工艺时,最小线宽取决于波长,以足够高的投资回报率来继续进行微细化已十分困难。纳米压印技术不存在曝光带来的波长限制。佳能打算与东芝联合推进纳米压印技术的实用化,从而继续推进微细化。此次该公司在日本首次公开了纳米压印模具和加工后的晶圆。

佳能目前正着眼于20nm附近或者15~19nm的量产进行验证,预定2016年向半导体厂商提供多台纳米压印装置。由于从引进新一代制造装置到开始量产一般需要1年至1年半的时间,因此,采用纳米压印技术量产的半导体产品最早要到2017年才能进入市场。

预计将采用纳米压印技术生产的,是微细化速度最快的NAND闪存。对于现有生产工艺来说,就要用纳米压印工序替代替曝光工序。虽然,与可一次性处理的曝光工序相比,新技术的处理速度可能会比较慢,但纳米压印装置的尺寸较小,因此可设置多台设备并行处理,从而防止处理速度成为瓶颈。

除了NAND闪存之外,纳米压印技术将来还有可能用于逻辑IC。不过,现有纳米压印技术偶尔会出现废弃物残留、形成的图案损坏等无法按照模具“印刷”的情况,因此很难应用于逻辑IC的生产。只要一个IC内有一个地方存在缺陷,这个IC就不合格,从而直接导致成品率降低。而对于NAND闪存,就算存在不合格元件(单元),可以通过不使用该元件或者使用纠错技术等方法来解决,因此实用化门槛较低


5mm见方超小型分光传感器,关键技术是纳米压印

【日经BP社报道】曾在三星电子任职的 Bill Choi 创立的风险企业 nanoLambda 开发出了一款超小型分光传感器。虽然尺寸只有5mm见方,但支持380~1050nm的波长范围。具备同样功能的现有分光传感器不但尺寸大,价格也高达数十万日元至数百万日元。而这款传感器如果能确保一定的量产规模,价格有望降至10美元左右。

nanoLambda 将这款5mm见方的分光传感器命名为“apollo”,已经开始提供开发套件 “Application DevelopmentKit”(ADK)。预计将于2015年底开始量产试制,2016年春季开始供货。

与以往的分光传感器相比,apollo 的体积缩小至1/10以下,成本有望降至1/100以下。其最大特点是,在体积不到5mm见方的光检测半导体芯片表面,制作了1000多种滤波器。这些滤波器根据波长对光进行分类,然后输送至光电二极管。

通过表面等离子体共振进行分光

微型滤波器是利用表面等离子体共振现象实现的。表面等离子体共振是指金属中的电子与电磁波(光)共振的现象。为了只在特定波长下共振,设置了纳米级微孔。通过在形状和配置上下工夫,能甄选380~1050nm的光。如果改变滤波器的孔的形状和配置,还能支持紫外线和红外线检测。

利用表面等离子体共振现象的滤波器的制作中运用了“纳米压印”技术。纳米压印是指,将刻有微细图案的模板像图章一样按到基板等上面,从而转印图案。

nanoLambda开发的超小型分光传感器“apollo”

nanoLambda开发的超小型分光传感器“apollo”

受nanoLambda的委托生产apollo配备的滤波器的,是位于川崎的日本风险企业SCIVAX。该公司社长田中觉自信地说,“利用纳米压印技术,确立了能(在半导体芯片表面)精密制作微小滤波器的技术”。该公司技术营业部高级经理北原淑行称,“能高效率制作图案各不相同的1000多种滤波器是纳米压印特有的优势。利用半导体工艺的话,图案太多,无法进行优化”。

SCIVAX为了量产apollo的滤波器,将导入新的制造工艺,即利用纳米压印技术在晶圆上制作掩模的“NOC(Nanoimprint On Circuit wafer)”技术。SCIVAX收到的是已经形成了晶体管和布线等,并在其上蒸镀了金属膜的晶圆。SCIVAX利用NOC工艺,在金属膜上形成滤波器。

在有凸凹的晶圆上进行纳米压印

NOC的具体工艺流程——首先在晶圆上的金属膜表面涂布感光材料(光刻胶),然后在其上按压刻有滤波器图案的模板。该模板是透明的,向其照射紫外(UV)光,使已经印上模板图案的光刻胶硬化。剥离模板就可以看到印有图案的光刻胶了。将其作为掩模使用,进行蚀刻处理,便完成了金属膜上的滤波器。

纳米压印通常是在平滑的表面进行的。SCIVAX的田中介绍说,“在形成了电路的凸凹不平的晶圆表面进行纳米压印,这通常是不可能实现的”。

为了在晶圆整体统一进行纳米压印,还提高了对位精度。NOC实现了±1~3μm的对位精度。田中自信地说,“其他竞争公司连低于10μm都达不到。在整体纳米压印中,这是绝对领先的对位精度”。

SCIVAX从2015年底开始制造apollo用滤波器。负责量产的是2015年春投产的富山县量产受托工厂。此次是SCIVAX首次承接利用纳米压印技术的量产业务。

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