奈米壓印決戰 EUV：誰將主宰下一代光子晶片製造？

光子晶片的崛起與製造瓶頸

隨著人工智慧、高速運算與巨量資料傳輸需求的爆炸性成長，傳統電子晶片的物理極限逐漸浮現；光子晶片，利用光子而非電子傳遞訊息，挾帶著超高頻寬、低延遲與低功耗的潛力，被視為突破瓶頸的關鍵技術之一。然而，要在微小的晶片上精確操控光路，需要製造出奈米等級的精細光學結構，如光波導、調變器、環形諧振器等；這對製造技術提出了極高的挑戰，目前的深紫外光刻 (DUV) 技術在解析度與成本效益上已面臨壓力。

因此，業界將目光投向了更先進的圖案化技術，其中，奈米壓印 (Nanoimprint Lithography, NIL) 與極紫外光刻 (Extreme Ultraviolet Lithography, EUV) 成為了最有潛力的兩大競爭者，一場關乎下一代光子晶片製造主導權的爭霸戰已然展開。本文將聚焦於「製造」本身，深入探討這兩種技術的原理、優劣勢、挑戰，以及它們如何影響光子晶片的成本與量產前景。

核心原理：奈米壓印 (NIL) - 精密的「蓋印章」技術

奈米壓印技術的概念相對直觀，可以想像成一個極度精密的「蓋印章」過程。

首先，需要製作一個具有奈米級圖案的「模板」(Template 或 Stamp)，這個模板通常由石英或特殊聚合物製成，其上的圖案對應著最終想要在晶片上形成的光學結構。接著，在目標基板（如矽晶圓）上塗佈一層特殊的可固化材料，稱為「壓印膠」(Resist)。

再來，將模板精確地壓印到塗有壓印膠的基板上，施加壓力使壓印膠流入模板的凹槽圖案中；這個步驟需要極高的對準精度與壓力控制。隨後，透過紫外光照射或加熱，使壓印膠固化，完整複製模板的圖案。最後，將模板脫離，基板上便留下了與模板相反的奈米結構圖案。後續可透過蝕刻等製程，將壓印膠上的圖案轉移到下方的基板材料中，形成所需的光子元件。

NIL 的核心優勢在於其潛在的成本效益與高解析度能力；理論上，只要模板製作得夠精細，NIL 就能以相對低的設備成本複製出非常微小的結構，不像傳統光刻技術受到光學繞射極限的嚴格限制。

核心原理：極紫外光刻 (EUV) - 光的極限挑戰

相較於 NIL 的物理接觸複製，EUV 則代表了投影式光刻技術的極致。

EUV 光刻使用波長極短的光線（僅 13.5 奈米）來進行圖案曝光，這比目前主流 DUV 光刻使用的 193 奈米波長短了十幾倍。想像一下，就像使用更細的畫筆能畫出更精密的線條一樣，更短的波長意味著更高的解析度，能夠定義出遠比 DUV 更微小的電路或光學結構圖案。

EUV 的運作極其複雜；首先，需要產生高能量的 13.5 奈米 EUV 光源，目前主流是使用雷射激發錫 (Sn) 等離子體 (LPP) 產生。由於 EUV 光線極易被空氣甚至一般鏡片吸收，整個光路系統必須處於高真空環境下，並且使用由多層鉬/矽 (Mo/Si) 鍍膜構成的特殊反射鏡組（而非傳統的穿透式鏡片）來引導和聚焦光線。

光線穿過一個同樣需要特殊製造的反射式光罩 (Mask)，光罩上承載著欲轉移的圖案資訊。最後，經過複雜的反射鏡系統縮小投影，將圖案曝光在塗有光阻劑的晶圓上。曝光後的光阻劑經過顯影等化學處理，便能留下所需的圖案，再透過蝕刻將圖案轉移到晶圓。

EUV 的最大優勢是其無與倫比的解析度與圖案化能力，是目前實現 5 奈米及以下製程節點的關鍵技術。

製造技術深入比較：精度、速度與成本的權衡

選擇 NIL 或 EUV 作為光子晶片的製造技術，需要在精度、速度（產能）與成本之間進行複雜的權衡。

• 解析度與精度： EUV 憑藉其極短波長，在理論解析度和圖案化複雜幾何結構方面具有先天優勢，尤其對於需要極高精密度、且圖案變異性大的光子元件（如任意形狀的模式轉換器）更具潛力。NIL 的解析度主要取決於模板的精細程度，雖然可以達到非常高的解析度（甚至低於 10 奈米），但在複製大面積、複雜且需要極高均勻性的圖案時，以及層與層之間的疊對精度 (Overlay Accuracy) 控制上，面臨的挑戰比 EUV 更大。模板與基板間的物理接觸也可能引入應力或變形，影響最終圖案的精確度。
  

• 生產速度（產能）： NIL 採用壓印方式，單次壓印可以處理整個晶圓或較大區域，潛在的單位時間產能 (Throughput) 可能較高，特別是在「步進閃光壓印」(Step-and-Flash Imprint Lithography, SFIL) 等技術的加持下。然而，模板的脫模、清潔以及對準過程可能會耗費額外時間。EUV 光源功率、光阻劑敏感度以及曝光掃描策略是影響其產能的主要因素；雖然近年 EUV 機台的產能已有顯著提升，但其複雜的光路和真空系統，使得其整體運作速度和維護要求通常比 NIL 更高。
  

• 成本考量： 這是 NIL 最具吸引力的一點。相較於動輒上億甚至數億美元的 EUV 光刻機，NIL 設備的資本支出相對低廉許多。此外，NIL 不需要昂貴的反射式光罩和複雜的真空光路系統。然而，NIL 的成本瓶頸在於模板的製造、壽命與缺陷控制。模板的製作本身就需要高精度的母模製造技術（可能需要電子束曝光等），且模板在使用過程中會磨損或被污染，需要定期更換或清潔，這增加了營運成本。EUV 的高昂不僅在於設備本身，其配套的光罩製造、檢測、光阻劑材料以及運營維護成本都極其驚人，這也是為何目前只有少數頂尖半導體廠能夠負擔 EUV 產線。

NIL vs. EUV 關鍵製造參數比較

特性/參數	奈米壓印 (NIL)	極紫外光刻 (EUV)
核心原理	物理接觸複製 (模板壓印)	投影式曝光 (短波長光)
解析度潛力	極高 (取決於模板，可 < 10 nm)	極高 (波長 13.5 nm，領先業界)
疊對精度	面臨挑戰 (物理接觸、變形)	相對較成熟 (投影式固有優勢)
主要優勢	潛在成本效益高、設備相對便宜	最高解析度、複雜圖案能力強
主要挑戰	缺陷控制 (粒子、氣泡)、模板壽命/成本	設備與運營成本極高、光源功率、產能
設備成本	相對低	極高 (上億至數億美元)
耗材成本	模板製造與更換	反射式光罩、特殊光阻劑
產能 (Throughput)	潛力較高 (整片壓印)，但受製程影響	受光源功率、光阻限制，持續提升中
光子晶片成熟度	研發與利基應用階段，潛力大	部分高階應用開始探索，成本是門檻
適合的光子結構	週期性結構 (光柵)、特定波導	極精細、複雜非週期結構、高密度集成

關鍵挑戰與前沿研究：突破量產障礙

儘管 NIL 和 EUV 各有優勢，但要成功應用於大規模光子晶片製造，仍需克服不少挑戰。

• NIL 的挑戰：

  • 缺陷控制 (Defect Control): 這是 NIL 量產的最大絆腳石。由於是物理接觸，模板與壓印膠之間極易捕捉到環境中的微塵粒子，或在壓印過程中產生氣泡，這些都會導致最終圖案的缺陷。如何在高速生產中維持極低的缺陷密度是關鍵。

  • 模板壽命與成本 (Template Lifetime & Cost): 模板的磨損和污染會直接影響良率和成本。開發更耐用、易清潔、且製造成本更低的模板技術至關重要。

  • 疊對精度 (Overlay Accuracy): 光子晶片通常需要多層結構堆疊，NIL 在層與層之間的對準精度控制，特別是在大面積晶圓上，仍需提升。

  • 材料相容性： 壓印膠需要與各種光子材料（如矽、氮化矽、鈮酸鋰等）及其後續製程良好兼容。
    

• EUV 的挑戰：

  • 成本 (Cost): 壓倒性的成本是 EUV 進入光子晶片領域的最大障礙。光子晶片的市場規模和利潤空間，現階段可能難以支撐如此高昂的製造成本，除非是需求極大或性能要求極高的殺手級應用。

  • 光阻劑與隨機效應 (Resist & Stochastic Effects): EUV 光子能量極高，光阻劑吸收的光子數量相對較少，容易產生「隨機效應」，導致線條邊緣粗糙 (LER) 或圖案缺陷，這對需要極平滑側壁的光子波導來說可能是個問題。需要開發更靈敏、性能更好的 EUV 光阻劑。

  • 生產效率 (Throughput): 雖然持續改善，但 EUV 的產能相較於成熟的 DUV 甚至潛在的 NIL 方案，仍有提升空間。

  • 適用性： 對於某些尺寸較大或精度要求不那麼極端的光子元件，使用 EUV 可能如同「殺雞用牛刀」，成本效益不成比例。

前沿研究正針對這些挑戰尋求突破；例如，開發新的模板材料與表面塗層以延長 NIL 模板壽命、改善壓印環境控制以降低缺陷；對於 EUV，則持續提升光源功率、開發高數值孔徑 (High-NA) EUV 系統以追求更高解析度，以及研究新的光阻劑材料和製程來抑制隨機效應。

光子晶片應用與製造技術選擇

不同的光子晶片應用，對製造技術的需求也不盡相同，這影響了 NIL 與 EUV 的適用場景。

• 數據通訊 (Datacom)： 光收發模組需要大量的光波導、調變器、檢測器等。對於其中的光柵耦合器 (Grating Coupler) 等週期性結構，NIL 因其潛在的成本優勢和高產能潛力而備受關注。對於需要更高密度集成、更複雜路由的下一代共封裝光學 (CPO) 晶片，若成本允許，EUV 的高解析度可能帶來優勢。
  

• 光學感測 (Sensing)： 生醫感測、LiDAR 等應用，可能需要特殊設計的光學結構來增強感測性能。如果這些結構尺寸落在 NIL 的優勢區間且對缺陷容忍度較高，NIL 會是個有吸引力的選項。若需要極其精確或微小的感測結構，則可能考慮 EUV。
  

• AI 硬體加速： 光學運算、光學神經網路是新興領域，其晶片可能包含大規模的干涉儀陣列或光學權重儲存單元。這類應用對元件密度和均勻性要求極高，可能是 EUV 的潛在應用方向；但若能透過設計簡化結構，NIL 亦有機會切入。

目前看來，NIL 更可能率先在成本敏感、或對特定類型結構（如週期性結構）有需求的應用中找到突破口。而 EUV 則可能在高階、需要極致性能和密度的光子集成電路領域扮演關鍵角色，前提是成本問題能得到有效控制或被市場所接受。混合搭配 (Mix-and-Match) 的策略也可能出現，例如使用 DUV 或 NIL 製造較大尺寸的結構，僅在最關鍵的奈米結構層使用 EUV。

未來展望：技術演進與產業格局

NIL 與 EUV 之爭並非零和遊戲，兩者很可能在光子晶片製造領域共存，各自佔據不同的應用 niche。

NIL 技術的成熟度正在快速提升，Canon (透過收購 Molecular Imprints) 與來自日本的 Scivax、EV Group 等公司是主要推動者，尤其 Canon 已將 NIL 視為未來非 EUV 的低成本圖案化解決方案，積極投入研發。若能在缺陷控制和模板技術上取得重大突破，NIL 有望在光子晶片、甚至部分邏輯或記憶體晶片的特定層級製造中，成為 DUV 乃至 EUV 的有力補充或替代方案。

EUV 作為當前半導體製程的王者，其技術生態系（設備、材料、檢測）最為完整，由 ASML 獨家供應。隨著 High-NA EUV 的逐步導入，其解析度將進一步提升。若未來光子晶片走向極高密度集成，或與先進電子晶片深度融合（例如在同一製程節點製造），EUV 的整合優勢將更加明顯。然而，成本始終是其最大的隱憂。

未來幾年，我們將看到 NIL 技術在特定光子應用領域的試點與逐步量產；同時，EUV 是否會以及如何應用於光子晶片，將取決於高階應用的需求拉力與成本效益的改善速度。光子晶片製造廠商、設備供應商與材料開發商之間的合縱連橫，以及新興替代技術（如定向自組裝 DSA）的發展，都將共同塑造下一代光子製造的產業格局。

結論：下一代光子製造的十字路口

奈米壓印 (NIL) 與極紫外光刻 (EUV) 代表了兩種截然不同的技術路徑，共同指向了製造下一代高性能光子晶片的目標。NIL 以其獨特的物理複製原理，提供了高解析度與低成本潛力的誘人前景，但需克服缺陷控制與模板技術的挑戰；EUV 則憑藉光的極限波長，提供了無與倫比的圖案化精度，是實現尖端半導體製程的基石，卻也背負著極高的成本門檻。

對於技術愛好者而言，這場競賽展現了人類在微觀尺度上操控物質的智慧與極限探索；對於工程師和產業決策者來說，這是一個關於技術可行性、經濟效益與市場策略的複雜抉擇。最終的選擇，將深刻影響光子晶片的成本結構、性能表現與普及速度。未來，光子晶片的製造很可能不會由單一技術壟斷，而是會根據具體應用需求、成本考量以及技術成熟度，靈活採用 NIL、EUV、甚至 DUV 或其他新興技術的組合。我們正處於下一代光子製造技術路徑選擇的關鍵十字路口，未來的發展值得持續關注。