01.研究背景与问题缘起:随着数据中心运算需求持续扩张，传统以电讯号为主的信息传输方式已面临物理瓶颈。讯号在铜导线中传输时产生的电阻损耗，会随频率提升而加剧，导致功耗增加、散热困难，最终限制了系统的整合密度。CPO（光电共封装）技术藉由将ASIC、CPU或GPU等电子芯片与光学元件整合于同一封装体内，大幅缩短电讯号传输距离，从而降低讯号损耗、改善电光转换效率，并实现比传统可插拔光模块更高的封装密度。
CPO的实作形式主要有三种：Chiplet整合、硅Interposer型Assembly，以及有机基板型封装。在这三种架构中，硅基光电子技术均扮演核心角色。硅基光电子系统以绝缘层上硅（SOI）晶圆为基础，在硅薄膜中形成光波导结构，负责引导、分波、调变与侦测光讯号。波导几何形状直接决定光学性能，而提高通道数的需求则促使波导设计走向更复杂的形状——包括阶梯结构、锥形渐变宽度，以及桥接结构——远比单纯的直线图案复杂。
如何以高精度、低传输损耗且具成本效益的方式制造这些复杂图案，目前仍是尚未解决的制造课题，业界亦尚未形成统一的标准制程。Canon光学产品事业部的研究团队针对此一课题，系统性地比较了三种半导体曝光方式——i-line步进曝光机、KrF扫描曝光机，以及奈米压印微影（NIL）——从图案质量与整体制造成本两个维度，提供选用精密图案化工具的参考依据。
02.关键质量指标：线边缘粗糙度在深入比较各曝光方式之前，有必要明确说明硅基光电子制程中最具决定性的质量指标。一条步阶型硅光波导在SOI晶圆上的制作，历经四个步骤（如图1所示）：
步骤一（曝光与显影）：以目标线宽d将光阻图案曝光显影于SOI晶圆表面，形成条状残留光阻。步骤二（蚀刻硅层）：以光阻作为屏蔽，干蚀刻去除未被覆盖的硅层；此时从俯视角度可观察到，光阻边缘并非完美直线，而是沿纵向呈现统计性的横向变动σ，此即所谓的「线边缘粗糙度」（LER，LineEdgeRoughness）。步骤三（去除光阻）：剥除光阻后，硅条的侧壁粗糙度继承了光阻LER的特征。步骤四（沉积SiO₂）：沉积二氧化硅作为包覆层，完成步阶型光波导结构，以SiO₂为包层、硅为核心层。
图1：SOI晶圆上硅光波导的四步骤制作流程示意图。俯视图显示步骤2与步骤3中光阻屏蔽的线边缘粗糙度（LER，以d标示线宽、σ标示边缘偏差）如何传递至最终硅波导侧壁。在CPO相关应用中，波导侧壁粗糙度所引发的光学散射损耗相当重要。描述此现象的理论工具是Payne–Lacey散射损耗模型，其散射损耗系数α可表示为：
α≈(σ²/d⁴)·f·g
其中f为粗糙度功率谱因子，g为几何限制因子。由此式可见，当波导宽度d愈窄，侧壁RMS粗糙度σ对散射损耗的影响呈四次方倍放大。这意味着在缩小波导尺寸的同时，即便是极微小的侧壁粗糙度，也会显著增加传输损耗。因此，评估曝光工具的核心标准，并非其分辨率极限本身，而是其在制程条件下能否产生平滑、低LER的光阻轮廓——这才是最直接影响硅光波导性能的关键因素。值得注意的是，最终影响光学损耗的是蚀刻完成后波导侧壁的轮廓，而非光阻本身的表面形貌；但光阻轮廓质量越佳，蚀刻后侧壁的粗糙度通常也越低。
03.各曝光方式之图案质量比较Canon研究团队使用AppliedMaterialsVerity7i扫描式电子显微镜（SEM）对各曝光方式下的光阻轮廓进行直接观察，分别检视残留线条顶部（Top）与底部（Bottom）的线宽比值（T/B），以及底部线宽的边缘线性程度，作为评估LER质量的依据。
3.1i-line步进曝光机搭配DNQ光阻
最广泛应用于成熟硅基光电子晶圆厂的曝光工具，是使用汞灯365nm波长的i-line步进曝光机。实验中选用CanonFPA-5550iZ2（数值孔径NA=0.57，照明同调因子σ=0.70），以传统Novolak–diazonaphthoquinone（DNQ）光阻、膜厚1095nm，曝光目标线宽为400nm的图案。
图2：使用i-line步进曝光机（CANONFPA-5550iZ2，NA=0.57，σ=0.70）在DNQ光阻（膜厚：1095nm）中所形成的400nm残留线条SEM影像。两侧侧壁可见明显的线边缘粗糙度，反映出长波长曝光与传统DNQ光化学机制在次微米线宽下的固有限制。从SEM影像可以明显观察到，光阻线条两侧边缘呈现显著的粗糙起伏，「白边」（whiteedge）——即光阻侧壁处因DNQ显影对比机制所呈现的亮带——宽度较大且不规则。当此光阻轮廓作为干蚀刻屏蔽时，这些边缘粗糙度将直接传递至硅波导侧壁，对后续的波导光学传输损耗产生可预期的不利影响。i-line搭配DNQ光阻的组合代表最低成本的入门选项，但其LER性能受限于较长的曝光波长与DNQ光化学的本质特性。
3.2KrF扫描曝光机搭配化学放大型光阻
KrF准分子激光的248nm波长带来显著的分辨率提升。实验使用CanonFPA-6300ES6a（NA=0.86，σ=0.93）搭配化学放大型光阻（CAR），膜厚430nm，同样曝光400nm目标线宽。
图3：使用KrF扫描曝光机（CANONFPA-6300ES6a，NA=0.86，σ=0.93）在CAR（膜厚：430nm）中所形成的400nm残留线条SEM影像。与图2相比，侧壁更为垂直且线性度更佳，白边宽度明显缩窄，LER性能有显著改善。SEM结果显示，与i-line/DNQ组合相比，KrF/CAR的光阻轮廓有显著改善：侧壁更为垂直，底部线宽的边缘更为笔直，白边宽度也明显缩窄。这反映了较短曝光波长带来的更高成像对比度，以及CAR光化学的更优异解析效率。较薄的光阻膜厚（430nmvs.1095nm）同样有助于降低高宽比限制，进一步改善轮廓垂直度。底部线宽轮廓的改善直接意味着，以此光阻作为蚀刻屏蔽时，蚀刻后硅波导侧壁的粗糙度也将相应降低。
3.3i-line步进曝光机搭配化学放大型光阻（光阻化学的独立验证）
研究中一个极具启示性的对照实验，是在相同的i-line曝光工具（FPA-5550iZ2）上，改换使用CAR光阻（TOKTCIR-ZR200），膜厚1030nm（与DNQ组合的膜厚相近），以分离曝光波长与光阻化学各自对LER的贡献。
图4：在相同i-line曝光机（CANONFPA-5550iZ2，NA=0.57，σ=0.70）上改用CAR（TOKTCIR-ZR200，膜厚：1030nm）所形成的400nm残留线条SEM影像。与图2相比，侧壁轮廓明显较为锐利，但底部线宽仍比图3（KrF/CAR）呈现更多的线边缘偏移，确认曝光工具波长对最终LER的独立贡献。比较图2与图4可以发现，在相同i-line曝光条件下，仅将光阻由DNQ更换为CAR，白边宽度即明显缩窄，光阻侧壁轮廓也更为锐利，显示光阻类型的选择本身即能带来可观的LER改善。然而，进一步对比图4与图3（KrF/CAR），可以看到i-line/CAR的底部线宽仍较KrF/CAR呈现更多横向偏移。
这一对照实验的结论相当清晰：光阻化学特性与曝光波长两者对最终LER均有独立且可量化的影响，若仅优化其中一项而忽略另一项，整体性能仍将受到制约。
3.4奈米压印微影（NIL）
NIL的运作原理与上述所有光学曝光方式有根本性的差异。传统光学微影是在晶圆表面投影缩小的光罩影像，而NIL的做法是：首先在晶圆表面预涂布液态光阻，然后将具有表面浮雕图案的透明压印模板直接压入光阻层，使光阻填充模板的凸凹结构，再透过模板以紫外光照射使光阻固化，最后脱模即可获得与模板图案精确对应的光阻图案。由于图案转移完全依赖机械复制，而非光学成像，NIL从根本上不受绕射极限的约束，也不存在光学邻近效应（OPE）。
CanonFPA-1200NZ2C使用DNQ光阻、目标线宽500nm进行压印。压印用紫外光固化波长为i-line，光阻膜厚通常约为图案线宽的两倍（即~1µm），并额外设有确保图案与晶圆紧密接触的黏合层（接触层），厚度约为数十微米量级。
图5：奈米压印微影工具（CANONFPA-1200NZ2C）在DNQ光阻中所形成的500nm残留线条SEM影像。与所有光学曝光结果相比，侧壁两侧的边缘上升极为陡峭，底部线宽呈现出色的线性度，直观展示了机械图案复制方式所能达到的低LER性能。SEM影像所呈现的结果令人印象深刻：即便目标线宽为500nm（略粗于光学曝光实验的400nm），NIL所形成的光阻线条两侧边缘仍极为陡峭，底部线宽的直线度明显优于所有光学曝光结果，包括性能最佳的KrF/CAR组合。
由于NIL的图案转移不涉及透镜像差或光子散粒噪声，其LER主要取决于压印模板本身的制作质量，而非受限于绕射物理或光化学随机效应。这使NIL在低粗糙度硅光波导制造方面具有本质性的优势。
04.成本、制程灵活性与环境影响图案质量并非选择微影工具的唯一考量维度，设备成本、光阻与Reticle费用、复杂几何图案的制程灵活性，以及环境影响（光阻废弃物与功耗），同样构成实际制程选择的重要评估因素。
就设备成本而言，曝光波长愈短，设备初始投资愈高，配套的厂务规格（防振系统、洁净室等级、激光电源基础设施）也愈为严苛，运营成本相应提升。研究中以概括性的数量级比较说明：一台ArF液浸式扫描曝光机的初始安装成本，可达i-line步进机的十倍以上。i-line与KrF之间的成本差距相对温和，而两者的光阻费用（以旋涂方式涂布的DNQ与CAR）与涂布/显影时间亦大致相当，Reticle制作费用也被认为属于同等水平。因此，在光学微影的框架内，所需波导线宽d成为决定采用何种光源节点的主要变量。
NIL引入了截然不同的成本逻辑。一方面，NIL的设备成本介于KrF与ArF之间，无需高功率激光光源；另一方面，NIL的光阻涂布方式类似喷墨打印，仅在晶圆上所需位置精准分配光阻，而非如旋涂机般因离心力将大部分光阻甩离晶圆造成浪费。这种精准分配的方式显著降低了化学品消耗量，减少每片晶圆的环境负担。
在制程灵活性方面，NIL的优势尤为突出，对未来CPO波导设计具有决定性意义。传统光学微影工具针对特定线宽，在投影透镜的焦深范围内最佳化曝光条件；面对具有阶梯高度的结构、桥接形状，或沿传播方向连续变化宽度的波导图案，必须以多道光罩进行多次曝光、多次沉积–蚀刻–清洗循环，制程步骤增加后制造成本将急剧攀升。相比之下，NIL能够以单一压印模板、在单次压印步骤中复制任意复杂的2D乃至3D表面浮雕图案，无论图案是否具有周期性，均可灵活应对。若CPO波导设计的复杂度持续提升，NIL一次成形复杂图案的能力，将在制程步骤数与制造成本的控制上展现出明显优势。
就功耗而言，EUV微影因等离子光源功耗极高而被评为「差」；i-line与KrF属于中等水平；NIL由于紫外线固化光阻所需能量远低于深紫外乃至EUV等离子光源，在功耗评分中获评「优秀」。
05.综合比较结果与工具选用建议研究的定性结论汇整于原论文表I（如下图所示），从五个评估维度——分辨率、粗糙度（LER）、图案灵活性、成本优势、功耗——对i-line、KrF、ArF（干式/液浸）、EUV及NIL五种曝光方式进行评比。
表1：五种曝光方式在分辨率、粗糙度、图案灵活性、成本优势及功耗五项性能因素的定性比较。NIL在粗糙度、图案灵活性与功耗三项均获「优秀」评级，在分辨率与成本优势两项获「良好」评级，显示其在CPO硅光波导制造中具有多方面竞争优势。
从评比结果可归纳出以下选用建议：针对波导几何形状较为单纯（直线波导为主）且尺寸要求相对宽松的应用，i-line曝光仍具成本优势，而将光阻由DNQ更换为CAR，可在不增加设备成本的前提下获得可观的LER改善。若波导线宽已逼近i-line制程的分辨率下限，或现有LER水平已造成无法接受的波导散射损耗，KrF搭配CAR的组合提供了经过充分验证的升级路径，且制程成熟度高、风险相对较低。
对于未来可能涉及复杂波导几何形状的CPO设计——包括多模干涉（MMI）结构、锥形耦合器、桥接型波导，以及沿传播方向连续变化宽度的渐变结构——NIL在LER性能、设计自由度、成本效益与环境永续性等面向的综合表现，使其成为相当值得重视的制程选项。这种优势在图案复杂度持续提升的情境下将更为显著，因为光学微影所需的多道曝光与多次制程循环，恰好是NIL单步成形能力最能发挥的场合。
06.后续研究规划本研究目前仅比较了各曝光方式在光阻轮廓层面的SEM影像，尚未对实际硅波导进行量测。研究团队规划的下一阶段工作，是将各曝光方式所曝光的样品实际进行硅层蚀刻，制作完整的硅光波导元件，再以实测光学传输损耗与Payne–Lacey理论模型进行对照分析，从而建立「曝光工具选择→LER统计特性→波导散射损耗」的完整量化关联链。此一后续实验数据，将为业界在CPO光电子线路元件制造方法上逐步形成标准共识，提供更具说服力的设备层面依据。
此外，ArF（干式）曝光系统的光阻轮廓量测尚在进行中，预计在论文口头报告时一并发表，届时将进一步完善五种曝光方式之间的系统性比较。
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