佳能押注納米壓印技術 挑戰(zhàn)光刻機老大ASML

日本佳能一直在投資納米壓印（Nano-imprint Lithography，NIL）這種新的芯片制造技術，并宣布推出“FPA-1200NZ2C”納米壓印半導體制造設備集群 —— 計劃將新型芯片制造設備的價格定為阿斯麥極紫外光刻機的十分之一左右，從而在光刻機領域取得進展。

佳能首席執(zhí)行官御手洗富士夫（Fujio Mitarai）表示，基于NIL的新型芯片制造設備售價將比阿斯麥（ASML）的極紫外光刻（EUV）設備少一位數(shù)，雖然最終的定價目前還沒有敲定，但是可以預見將為小型芯片制造商生產先進芯片開辟出一條新的道路。

御手洗富士夫說到：“我不認為納米壓印技術會取代EUV，但我相信這將創(chuàng)造新的機會和需求，而且我們已經收到了很多客戶的咨詢?！睋?jù)DIGITIMES此前消息，SK海力士今年已經引進佳能納米壓印設備，正在進行測試與研發(fā)，目標在2025年左右將該設備用于3D NAND量產。有業(yè)內人士解釋：“與EUV相比，納米壓印技術形成圖案的自由度較低，因此預計將優(yōu)先用于生產維持一定圖案的NAND型閃存”，SK海力士開始采購設備也是因為這個原因。

納米壓印技術是EUV技術的低成本替代品，可?更小的功率形成精細圖案，相比傳統(tǒng)的EUV投影曝光設備在形成圖案時對應的功耗也可降低至1/10。據(jù)悉，ASML的新旗艦光刻機價值約4億美元，其功耗則可能飆升至兩百萬瓦，比當前光刻機的額定耗電量還要高出一倍。在擁有全球最多光刻機的臺積電，80臺功耗一百萬瓦的光刻機已讓臺積電能源消耗占到全臺灣地區(qū)的12.5%。

什么是納米壓印技術

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。簡單而言，像蓋章一樣造芯片，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，經過脫模就能夠得到一顆芯片，這里的橡皮泥是指納米壓印膠，印章即模板。

要理解納米壓印技術，可以先跟光刻技術做對比。目前芯片制造最主要的方式是光學投影式光刻，類似于膠片相機洗印照片時，將膠片上的的圖像印在相紙上，只不過在光刻過程中，“膠片”變成了掩膜版，“相紙”變成了涂抹了光刻膠（PR）的硅片。具體來看，光刻技術是將刻有電路圖案的掩膜版經過光刻機特定波長的光學系統(tǒng)投影后被縮小，再“曝光”到硅片上，光刻膠會發(fā)生性質變化，從而將掩膜版上的圖案精確的復制到硅片上；最后一步是“顯影”，在硅晶圓上噴灑顯影液，把多余的光刻膠洗掉，再用刻蝕機把沒有光刻膠覆蓋的刻蝕掉。

光刻是利用光線將電路圖案“印刷”到晶圓上，是芯片制造過程中最重要、最復雜也最昂貴的工藝步驟，其成本占總生產成本的30%以上。以ASML頂級的EUV光刻機為例，它需要功率極高又穩(wěn)定的光源，這就對成像反射鏡頭的制作工藝和機械精度提出了極高要求，所以價格昂貴。

而納米壓印技術，就是要拋棄光刻機里面復雜、昂貴的光學系統(tǒng)，直接把帶有電路設計圖的膜版壓到硅片上：首先將電路設計圖或其他圖形通過高溫加熱或者紫外光線輻射的方式轉移到某一類材質的膜版上；然后再將圖案刻印到涂抹了壓印膠的硅片或其他所需材料上，壓印膠的作用類似于光刻膠但成分各有不同；最后再進行刻蝕即可得到成品。

佳能的納米壓印設備利用自家的噴墨技術將適量的抗蝕劑添加到合適的位置，最后將掩模印在涂有抗蝕劑的晶圓上進?精準曝光，單?壓印即可形成復雜的2D或3D電路圖。官方稱該設備結構簡單，由于不需要EUV的大規(guī)模特殊波長光學系統(tǒng)和真空腔，所以基于NIL技術的設備得以大幅縮小體積。

納米壓印技術展現(xiàn)出了對傳統(tǒng)光刻技術的重大挑戰(zhàn)，以其獨特的低成本和高精度特點，吸引了行業(yè)內外的廣泛關注。納米壓印技術的最大的優(yōu)點是其低成本，由于它省去了昂貴的光學光刻和化學物質的使用，因此可以大大降低制造成本。此外，通過使用模板壓印的方式，可以同時處理多個芯片，實現(xiàn)大規(guī)模生產；而且，由于該技術主要使用的是電子衍射，克服了傳統(tǒng)光科技的分辨率問題，因此能比傳統(tǒng)光刻技術達到更大分辨率。

值得注意的是，納米壓印最大的變化最大程度的簡化了光學系統(tǒng)，只有光刻的步驟被納米壓抑技術代替，其他的刻蝕、離子注入、薄膜沉積這些標準的芯片制造工藝是完全兼容的，能夠很好的接入現(xiàn)有產業(yè)鏈，不需要再重新建立自己單獨的生態(tài)環(huán)境。未來當光學光刻真正達到極限難以向前時，納米壓印技術或將是一條比現(xiàn)在更值得期待的路線，而那時，芯片制造或許也會迎來全新的范式，一切都會被顛覆。

納米壓印并非沒有挑戰(zhàn)

納米壓印的核心是一個簡單的概念，以直接壓印方法繞過了芯片制造中的關鍵困難，但是其執(zhí)行在技術上還存在有不小的挑戰(zhàn)。

· 最大的挑戰(zhàn)在于膜版的制作：納米壓印是“蓋章”，必須要做到1:1精確的膜版，這種高質量的壓印膜版跟造芯片難度一樣，同樣需要復雜的制備工藝，因此也有業(yè)內人士稱其為“套娃”。而在傳統(tǒng)光刻機中，光掩膜板不和硅片直接接觸，是用光學投影倍縮到硅片上，因此光掩膜版可以按照4:1的比例做成比較大的膜版。

· 另一個挑戰(zhàn)是大規(guī)模生產中的時間成本問題：雖然和EUV比起來不算貴，但是從芯片產出的良率和每小時產量對比來看，納米壓印可能會更“昂貴”。根據(jù)佳能員工對上一代納米壓印設備集群的論文數(shù)據(jù)顯示，每小時納米壓印可以處理90張硅片（90WPH），而ASML的1980Di光刻機一小時的產量已經達到275以上。

納米壓印每一次壓印都需要經過噴涂滴狀壓印膠、定位、壓模、光照固化再脫模，每一步都需要防止空氣進入，同時還要確保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版，這一過程中其實在實際操作中更為繁瑣。

· 除了產能短板之外，良率也值得關注：任何物理接觸施壓都會造成產品和模板的變形，因為很難保證不同區(qū)域壓印膠的填充和溢出率，而且膜版磨損得很快，就需要頻繁更換，成本不見得低，所以圖形復雜的一般性集成電路不適合這一技術。

佳能機器更像是為小型芯片生產商提供的選擇，或者幫助臺積電和三星電子等大型代工廠商更容易生產小批量芯片，從而達到節(jié)約成本的目的。

佳能“彎道超車”？

納米壓印最早出現(xiàn)于1996年，佳能此前一直專注于制造普通芯片，2014年開始大力投資納米印記技術，以1.5億美金收購了主攻納米壓印技術的分子壓模公司（Molecular Imprints Inc.）；從2017年開始，佳能就與鎧俠（Kioxia）以及半導體零組件制造商大日本印刷株式會社（DNP）合作，研發(fā)基于納米壓印的量產技術。

佳能尤其關注納米壓印在存儲和邏輯芯片的制造應用，這也跟自己在光刻機領域被壓著打的現(xiàn)狀有關。全球前道設備光刻機市場已基本被ASML、尼康、佳能所壟斷，去年三家光刻機出貨量達551臺，市場規(guī)模達189億美元，但這其中有345臺是來自ASML，占據(jù)了82%以上的市場。

獨占鰲頭的ASML也是唯一有頂級EUV光刻機的供應商，其在EUV上的成功，也徹底斷絕了尼康、佳能一切沖擊高端的企圖。導致佳能只能選擇主要做i-line、KrF兩類光刻機，想要改變這一格局，佳能只能押注了另一條并行的賽道。

之前鎧俠等一些日本半導體廠商曾嘗試使用該技術來替換EUV，但因為內部顆粒污染、良率過低等問題沒能實現(xiàn)商業(yè)化，看來佳能可能解決了這些問題。這次佳能發(fā)布的“FPA-1200NZ2C”設備的環(huán)境控制新技術可抑制內部細顆粒的產生和污染，實現(xiàn)多層半導體制造所需的高精度對準，并減少由顆粒引起的缺陷，從而可以形成微小且復雜的電路。

佳能稱該設備可實現(xiàn)最小線寬14nm的圖案化，相當于生產目前最先進的邏輯半導體所需的5nm節(jié)點。此外，隨著掩模技術的進一步改進，有望實現(xiàn)最小線寬為10nm的電路圖案，相當于2nm節(jié)點。目前，佳能正在建設自己的第一家納米壓印設備工廠，預計將在2025年上線。而代工廠商臺積電和三星都計劃將于2025年開始量產自己2nm工藝芯片，對于NIL設備究竟是否能威脅到ASML EUV的市場，我們將拭目以待。

在半導體制造領域，光刻技術一直是最核心、最關鍵的技術之一，在納米尺度上創(chuàng)建復雜圖案的能力至關重要。隨著對更小、更快、更高效的電子設備的需求不斷增長，芯片的制程技術節(jié)節(jié)攀升，對先進光刻技術的要求也在增加。佳能納米壓印光刻技術的出現(xiàn)，無疑給半導體制造行業(yè)帶來了新的希望。

長期以來，ASML EUV光刻機在光刻技術領域一直處于壟斷地位，納米壓印技術有望打破這一局面，使芯片制造更加多元化，從而推動整個行業(yè)的發(fā)展。但是想成為主流光刻技術的替代路線，不是高投入就能“彎道超車”，還需要上游原料技術迭代、下游應用端等共同合作、打磨，最終才能有可靠而成熟的納米壓印產業(yè)。就像光刻機從造出來的那刻起，才算是來到真正的起點。