納米壓印光刻，能讓國產(chǎn)繞過 ASML 嗎

自從國產(chǎn)替代概念興起，很少關注半導體行業(yè)的人都對光刻機有所耳聞。目前，全世界最先進的芯片，幾乎都繞不開 ASML（阿斯麥）的 DUV（深紫外）和 EUV（極紫外）光刻機，但它又貴又難造，除了全力研發(fā)光刻機，國產(chǎn)有沒有其它的路可以走？

事實上，光刻技術本身存在多種路線，離產(chǎn)業(yè)最近的，當屬納米壓印光刻（Nano-Imprint Lithography，簡稱 NIL）。

日本最寄望于納米壓印光刻技術，并試圖靠它再次逆襲，日經(jīng)新聞網(wǎng)也稱，對比 EUV 光刻工藝，使用納米壓印光刻工藝制造芯片，能夠降低將近四成制造成本和九成電量，鎧俠 (KIOXIA）、佳能和大日本印刷等公司則規(guī)劃在 2025 年將該技術實用化。[1]

在本文中，你將了解到：納米壓印光刻能繞開光刻機嗎，納米壓印光刻對比光刻機有哪些優(yōu)劣勢，納米壓印光刻是國產(chǎn)的另一種出路嗎。

付斌 | 作者

李拓 | 編輯

1、像蓋章一樣造芯片

納米壓印是一種微納加工技術，它采用傳統(tǒng)機械模具微復型原理，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)且復雜的光學光刻技術。[2]

雖然從名字上來看，納米壓印概念非常高深，但實際上它的原理并不難理解。壓印是古老的圖形轉(zhuǎn)移技術，活字印刷術便是最初的壓印技術原型，而納米壓印則是圖形特征尺寸只有幾納米到幾百納米的一種壓印技術。

打個比方來說，納米壓印光刻造芯片就像蓋章一樣，把柵極長度只有幾納米的電路刻在印章上，再將印章蓋在橡皮泥上，得到與印章相反的圖案，經(jīng)過脫模就能夠得到一顆芯片。在行業(yè)中，這個章被稱為模板，而橡皮泥則被稱為納米壓印膠。[3]

納米壓印光刻（紫外納米壓印）與光學光刻對比圖源丨佳能官網(wǎng) [4]，果殼硬科技譯制

納米壓印技術本身的應用范圍就非常廣泛，包括集成電路、存儲、光學、生命科學、能源、環(huán)保、國防等領域。[5]

在芯片領域，納米壓印光刻不僅擅長制造各種集成電路，更擅長制造 3D NAND、DRAM 等存儲芯片，與微處理器等邏輯電路相比，存儲制造商具有嚴格的成本限制，且對缺陷要求放寬，納米壓印光刻技術與之非常契合。[6]

納米壓印技術應用不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技參考資料丨《光學精密工程》[5]

對一顆芯片來說，可以說光刻是制造過程中最重要、最復雜也最昂貴的工藝步驟，其成本占總生產(chǎn)成本的 30% 以上，且占據(jù)了將近 50% 的生產(chǎn)周期。[7]

制程節(jié)點正遵循著摩爾定律向前推進，迭代至今，行業(yè)正走向納米的極限，而業(yè)界依賴的光學光刻也存在其局限性 [8][9][10]：

• 第一，SDAP、SAQP 工藝是一維圖案化解決方案，嚴重限制了設計布局；

• 第二，光刻后的額外處理步驟大大增加了晶圓加工的成本（包括額外的光刻、沉積、刻蝕步驟）；

• 第三，提高光學光刻分辨率主要通過縮短光刻光源波長來實現(xiàn)，盡管光源已從紫外的 436nm、365nm 縮短到深紫外（DUV）的 193nm 和極紫外（EUV）的 13.5 nm，但在光學衍射極限限制下，分辨率極限約為半個波長；

• 第四，光刻光源波長縮短使得光刻設備研制難度和成本成倍增長，其成本與規(guī)模化能力已無法與過去 25 年建立的趨勢相匹配。

DUV / EUV 光刻機使用門檻和成本都很高，自由度和定制化能力不強 [11]，那改用其它路線是否可行？

殘酷的事實是新興的光刻技術千千萬，大部分卻都不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，沒有任何一種技術是全能的。

對市場體量較為龐大的芯片行業(yè)來說，只要技術的優(yōu)勢能貼合需求即可，而理想的光刻技術應具備低成本、高通量、特征尺寸小、材料和基材獨立等特點。[12]

目前來看，納米壓印是距離光學光刻最近的那一個。

光刻技術不完全盤點及優(yōu)劣勢對比，制表丨果殼硬科技參考資料丨《應用化學》[7]《納米壓印技術》[13]，中國光學 [12]

納米壓印光刻不僅可以制造分辨率 5nm 以下的高分辨率圖形，還擁有相對簡單的工藝（相比光學曝光復雜的系統(tǒng)或電子束曝光復雜的電磁聚焦系統(tǒng)）、較高的產(chǎn)能（可大面積制造）、較低的成本（國際權(quán)威機構(gòu)評估同制作水平的納米壓印比傳統(tǒng)光學投影光刻至少低一個數(shù)量級）[14]、較低的功耗 [15]、壓印模板可重復使用等優(yōu)勢。

佳能的研究顯示，其設備在每小時 80 片晶圓的吞吐量和 80 片晶圓的掩模壽命下，納米壓印光刻相對 ArF 光刻工藝可降低 28% 的成本，隨著吞吐量增加至每小時 90 片，掩模壽命超過 300 批次，成本可降低 52%。此外，通過改用大場掩模來減少每片晶圓的拍攝次數(shù)，還可進一步降低成本。[16]

納米壓印光刻與 ArF 光刻對比情況 [16]

2020 年與 2021 年，極紫外光刻、導向自組裝（DSA）和納米壓印光刻被列入國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）中下一代光刻技術主要候選方案 [17][18]，評判標準包括分辨率、可靠性、速度和對準精度等。2022 年，IRDS 中更是強調(diào)了納米壓印光刻在 3D NAND、DRAM 與交叉點存儲上應用的重要性。[19]

制程工藝發(fā)展路線及潛在技術 [18]

雖然納米壓印光刻技術被人捧為行業(yè)的希望，但它也不是完美的技術，甚至存在許多致命的難題，不斷推遲進入市場的時間。

2、被行業(yè)接納前的問題

想做那個打破常規(guī)的先驅(qū)者，并沒有那么容易。

納米壓印技術最終能否進入產(chǎn)業(yè)，取決于它的產(chǎn)能和所能達到的最小圖形特征尺寸（Critical dimension，CD），前者由模具的圖型轉(zhuǎn)移面積和單次壓印循環(huán)時間決定，后者由模具表面圖型 CD 和定位系統(tǒng)精度決定。[2]

需要指出的是，盡管納米壓印光刻從原理上回避了投影鏡組高昂的價格和光學系統(tǒng)的固有物理限制，但從非接觸范式的光學光刻到接觸式的納米壓印光刻，又衍生了許多新的技術難題。

技術分支路線多

納米壓印技術發(fā)展歷史只有二十余年，但在如此短時間內(nèi)，也誕生了諸多分支路線。

納米壓印發(fā)明于 1970 年，直到 1995 年，美國普林斯頓大學周郁（Stephen Y Chou）首次提出熱納米壓印技術，壓印作品分辨率高達 10~50nm[20]，該技術才引發(fā)行業(yè)大面積討論。同年，他又公布了這項開創(chuàng)性技術的專利 US5772905A[21]，此后，納米壓印成為了劃時代的精細加工技術，此起彼伏地浮現(xiàn)新工藝。

納米壓印光刻發(fā)展簡史 [4][13][22~28]，制表丨果殼硬科技

發(fā)展至今，相對成熟和普遍的納米壓印加工方式包括三類：熱納米壓印、紫外納米壓印和微接觸印刷（軟刻蝕），其它新型工藝多為此三類工藝的改進版。其中，紫外納米壓印優(yōu)勢最為明顯，是目前產(chǎn)業(yè)化最常見的方式，而微接觸納米壓印則主要應用在生物化學領域。[29]

對比不同分支技術，各有其優(yōu)劣勢，但以目前制程節(jié)點迭代情況，要滿足愈發(fā)精細的微結(jié)構(gòu)制造要求，均需進一步提高和改進，多技術路線必然使得產(chǎn)業(yè)化之路更為曲折。[2]

按壓印方式分類的納米壓印光刻技術路線，制圖丨果殼硬科技參考資料丨《納米壓印技術》[22]

關鍵技術一個沒少

雖然納米壓印光刻工藝另辟蹊徑，但它也繞不開光刻膠、涂膠、刻蝕等技術，其中，以光刻膠尤為困難，在納米壓印光刻中的光刻膠被稱為納米壓印膠。

壓印膠發(fā)展整體經(jīng)歷從熱塑性壓印膠、熱固性壓印膠到紫外壓印膠三個階段，其中紫外壓印膠是目前及將來的主流。從專利上來看，富士膠片在壓印膠領域的技術儲備非常雄厚，而國內(nèi)掌握的專利則較少。[30]

另外，對納米壓印來說，模板是器件成功的關鍵。不同于傳統(tǒng)光學光刻使用的 4X 掩模，納米壓印光刻使用 1X 模版，會導致模具制作、檢查和修復技術面臨更大挑戰(zhàn)。[2]

納米壓印關鍵技術，制表丨果殼硬科技參考資料丨《基于納米壓印技術的微納結(jié)構(gòu)制備研究》[31]

用起來也沒那么簡單

雖說相對光學光刻，納米壓印光刻的確簡化了原理，但其中的門道卻更多了。

傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)是在芯片表面均勻地形成光刻膠膜，納米壓印則需有針對地噴涂滴狀壓印膠 [32]，這個過程就像打印機噴墨一樣，控制好力度并不容易。

壓印過程中聚合物圖形和掩膜間會進入空氣，如同手機貼膜過程中混入氣泡一般，納米壓印也會產(chǎn)生與掩膜不貼合的情況，一旦進入空氣，就會成為殘次品，無法正常工作。因此，在有些時候，壓印出來的芯片看似一致，在納米尺度卻存在很大個體差異。為了解決上述問題，會采取與光學光刻完全相反的方法，即壓印瞬間對芯片局部加熱，使納米級形變過程中能嚴絲合縫地貼合掩膜 [32]。不過，實際生產(chǎn)過程更復雜，除了空氣，任何細小的灰塵都會威脅產(chǎn)品的成品率。

多數(shù)納米壓印技術均需脫模這一工序，而模板和聚合物間具有較強粘附性，因此，行業(yè)時常會在模板表面蒸鍍一層納米級厚度的抗黏附材料，以便輕松脫模。就像是制作蛋糕過程中墊一層油紙或刷一層油一樣，蛋糕脫模才會更順利更完整。只不過，雖然這樣能解決脫模的問題，但固化后的聚合物避免不了與抗黏附材料發(fā)生物理摩擦，縮短模板壽命。[33]

此外，盡管目前納米壓印技術已在大批量生產(chǎn)取得巨大進步，但在模板制造、結(jié)構(gòu)均勻性與分辨率、缺陷率控制、模板壽命、壓印膠材料、復雜結(jié)構(gòu)制備、圖型轉(zhuǎn)移缺陷控制、抗蝕劑選擇和涂鋪方式、模具材料選擇和制作工藝、模具定位和套刻精度、多層結(jié)構(gòu)高差、壓印過程精確化控制等方面仍存在挑戰(zhàn)。[2][5]

可以說，發(fā)展納米壓印光刻需要拋棄過去固有的經(jīng)驗和常識，重新探索一套方法論，這需要大量的研發(fā)與市場試錯。

3、有希望，但需要時間

現(xiàn)階段，已有許多產(chǎn)品在使用納米壓印技術生產(chǎn)，包括 LED、OLED、AR 設備、太陽能電池、傳感器、生物芯片、納米光學器件、納米級晶體管、存儲器、微流控、抗反射涂層或薄膜、超疏水表面、超濾膜等 [14]，但這項技術還沒有進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。

目前，日本的佳能（Canon）、奧地利的 EV Group、美國得克賽斯州的 Molecular Imprints Inc.、美國新澤西州的 Nanonex Corp、瑞典的 Obducat AB、德國的 SUSS MicroTec 等公司已出產(chǎn)納米壓印光刻設備，一些納米壓印光刻設備已支持 15nm。[1]

納米壓印市場沒有想象中那樣大，但整體正逐漸走強。TechNavio 數(shù)據(jù)顯示，2026 年納米壓印市場有望達到 33 億美元，2021 年至 2026 年年復合增長率可達 17.74%。[34]

納米壓印光刻的潛力也被全球各國所認可，不僅被普林斯頓大學、德克薩斯大學、哈佛大學、密西根大學、林肯實驗室、德國亞琛工業(yè)大學等知名大學和機構(gòu)大力推進，ASML（阿斯麥）、臺積電、三星、摩托羅拉、惠普等龍頭也持續(xù)看好納米壓印光刻的前景，一直在默默加大投入。

全球納米壓印光刻設備提供商不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技參考資料丨《信息記錄材料》[33]

雖然國內(nèi)起步晚，但在納米壓印光刻的研發(fā)上也存在諸多玩家，其中不乏科研機構(gòu)和公司，包括復旦大學、北京大學、南京大學、吉林大學、西安交通大學、上海交通大學、蘇州大學、華中科技大學、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所、上海納米技術研究發(fā)展中心、蘇州蘇大維格科技集團股份有限公司、蘇州昇印光電 (昆山) 股份有限公司、蘇州光舵微納科技股份有限公司等。[33]

對國產(chǎn)來說，納米壓印光刻會是可行之路嗎，或許能在專利上看到一些趨勢。

據(jù)智慧芽數(shù)據(jù)，以納米壓印和光刻同時作為關鍵詞搜索，在 170 個國家 / 地區(qū)共有 1660 條專利。從走勢來看，2007 年~2011 年是近 20 內(nèi)熱度最高的幾年，此后在專利申請上逐步放緩。而對應的，此時納米壓印行業(yè)正處于膨脹期，此后進入低谷期，直到 2020 年后產(chǎn)業(yè)進入成熟期。[35]

納米壓印光刻技術趨勢，圖源丨智慧芽

從專利國家分布上來看，美國包攬了全球 45.1% 的納米壓印光刻專利，共 699 個；而中國雖然位列第二，但專利總數(shù)卻不足美國的二分之一，占比為全球?qū)＠倲?shù)的 16.26%；日本和韓國則在專利數(shù)量上分別位列第三和第四，分別占全球?qū)＠倲?shù)的 13.35% 和 10.13%。

納米壓印光刻技術來源國 / 地區(qū)排名，圖源丨智慧芽

從中、美、歐、日、韓五大局的專利流向上來看，美國的納米壓印光刻技術布局分布全球市場，而中國的專利技術則缺乏中國以外的市場。

納米壓印光刻五局流向圖，圖源丨智慧芽

從公司來看，分子壓模公司（Molecular Imprints Inc.）的納米壓印光刻專利數(shù)量遙遙領先，以 135 個專利位列第一；佳能（佳能株式會社和佳能納米技術公司）和奧博杜卡特股份公司（Obducat AB）緊隨其后，分別擁有 132 個和 49 個專利；此外，應用材料、三星、西部數(shù)據(jù)、信越化學等半導體龍頭也有較強專利布局。

納米壓印光刻申請人排行圖，圖源丨智慧芽

需要指出的是，雖然國內(nèi)專利總數(shù)較多，但整體申請較為分散，而國際上美日企業(yè)則集中度較高，單個公司專利數(shù)量大，國內(nèi)后進者或面臨專利墻風險。

從目前全世界進展來看，每隔幾年都會有納米壓印光刻即將突破的消息，但每次又延后進入產(chǎn)業(yè)的時間。對國內(nèi)來說，不僅要面對國際也難以解決的納米亞印光刻在技術上的瓶頸，還要面對納米壓印光刻牽扯出來的配套工藝、設備、材料等問題。

一切信號都在訴說這項技術的不容易，但未來，當光學光刻難以向前時，納米壓印光刻將是最值得期待的路線，而那時，芯片制造或許也會迎來全新的范式，一切都會顛覆。

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