佳能近日爆出，將斥資超過500億日元在日本栃木建立一家工廠，以擴大其現(xiàn)有用于芯片制造的光刻機的生產(chǎn)。 新工廠可能包括制造被稱為“下一代光刻技術(shù)——納米壓印光刻”。這打響了光刻機變革的第一槍。

眾所周知，在當前的芯片制造過程中，光刻是一個不可或缺的重要環(huán)節(jié)。而對于7納米及以下的芯片制造，普遍使用都是EUV光刻機。EUV光刻機全球只有ASML一家企業(yè)能夠生產(chǎn)。并且，隨著半導體制造技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律已經(jīng)進入了2納米領域，而EUV光刻的分辨率再次面臨瓶頸。

全球都在鉚足勁兒發(fā)展光刻機的大潮中。本次的新熟人納米壓印光刻是國產(chǎn)的另一種出路嗎？

要想知道納米壓印光刻(簡稱NIL）能不能撼動EUV的地位，或者直接一點撼動ASML的地位。那么我們就不可能繞過光刻機的發(fā)展和原理。也相當于是ASML的發(fā)展歷史。其中就會涉及到“億”點點技術(shù)了。

1984年，由于財務狀況不佳，飛利浦決定與其他公司合作接管其光刻機項目。荷蘭的ASM公司創(chuàng)始人普拉多看到了這個機會，并積極尋求合作，ASML公司應運而生。當時，ASML市場份額為零，賬戶中也沒有存款，被人嘲笑為“買杯咖啡就會破產(chǎn)”的公司。

然而，ASML的第一任CEO斯密特的遠見改變了公司無人問津的境地。他斷言，從LSI到VLSI的轉(zhuǎn)變已近在眼前，晶體管尺寸將縮小到1/1000毫米以下，光刻機也需要適應6英寸晶圓的處理，而不再是4英寸。

兩年后，他們成功推出了第二代產(chǎn)品電動晶圓臺光刻機PAS 2500（此前第一代產(chǎn)品，只有飛利浦自家購買了），并將其賣給了當時的創(chuàng)業(yè)公司賽普拉斯。

在接下來的十多年里，ASML從最初默默無聞的小公司成長為臺積電、IBM等公司的供應商。幸運與決心促使ASML抓住了超越對手的機會——加入EUV LLC聯(lián)盟。這也是改變歷史的決定。

研發(fā)過程中，ASML又一次做出與眾不同的選擇——放棄大家都在研究的干式光刻技術(shù)。把身家全部押在了臺積電工程師林本堅提出的“浸潤式”光刻技術(shù)上。接下來就是“億”點點技術(shù)了。

所謂“浸潤原理”類似于在晶圓光刻膠表面覆蓋一層水。我們知道，水的折射率是1.44，假設光刻機波長為193nm。通過浸潤原理，在不改變波長的情況下，相當于將193nm波長的光線在水中等效成134nm的波長。

這樣一來，我們可以在不改變波長情況下，實現(xiàn)更高分辨率的圖案繪制，為芯片制造帶來了更精細的工藝能力。就像我們透過水中的景象看到了更清晰的細節(jié)一樣，浸潤原理讓光刻機能夠更準確地繪制出微小的芯片結(jié)構(gòu)。

隨后，ASML成為全球EUV光刻機市場的霸主。12年，英特爾、臺積電和三星加入公司股權(quán)，得到這三家巨頭的資金支持后，ASML不再擔心資金鏈斷裂的問題，從而有了“花費最多的錢，制造最先進的機器”的信心。

截至21年底，ASML共計擁有127臺最新一代EUV光刻機供全球客戶使用。這些設備被形容為“印鈔機”。看完ASML（EUV）的逆襲史，人、資金、技術(shù)，缺一不可，而這也是NIL想把其拉下王位必不可少的環(huán)節(jié)。NIL夠格嗎？

納米壓?。∟IL）作為一種微納加工技術(shù)，原理類似于蓋章制作芯片。其比光刻的起步晚，最早追述到90年代末，由華裔科學家周郁在1995年首次提出納米壓印概念。采用了傳統(tǒng)機械模具的微復型原理，并能替代復雜的光學光刻技術(shù)。盡管納米壓印的名字聽起來很高深，但原理實際上并不難理解。

并且，壓印也是一種古老的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)了，最早可追溯到咱中國的活字印刷術(shù)。而納米壓印就是一種將圖形特征尺寸縮小到幾納米至幾百納米的壓印技術(shù)。

可以打個比方來說明NIL光刻制造芯片的過程，就像是使用印章。首先，在印章上刻上幾納米長度的電路結(jié)構(gòu)（如柵極），然后將印章放在橡皮泥上，這樣就能得到與印章相反的圖案。再通過脫模的方式，就能得到一個芯片。在此過程中，印章被稱為模板，橡皮泥則被稱為納米壓印膠。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，NIL在晶圓級光學系統(tǒng)的制作中得到了廣泛應用。它具有不同的壓印方式，包括卷對卷和卷對晶圓。在集成電路制造背景下，主要采用母版對晶圓的壓印方式，并可細分為紫外固化壓印、微接觸轉(zhuǎn)移和熱壓印等方法。

NIL同時還具有廣泛的應用領域，包括集成電路、存儲、光學、生命科學、以及國防等領域。在芯片制造領域，不僅適用于各種集成電路的制造，還特別擅長用于3D NAND、DRAM等存儲芯片。簡單來說，NIL為存儲芯片制造商提供了一種經(jīng)濟實惠且有效的解決方案。

對芯片來說，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。迭代至今，行業(yè)正走向納米的極限，而業(yè)界依賴的EUV光刻也存在其局限性。

首先，就是設備制造難度非常大，每年只能生產(chǎn)十幾臺，生產(chǎn)出來又將被臺積電、三星電子和英特爾等公司瓜分。并且一臺EUV設備的高度可達4到5米，重量接近180噸，擁有大約10萬個零部件。

設備的曝光過程還需要在真空室中進行，并且需要精確控制溫度，單位達到0.005℃。由于光學系統(tǒng)對污染物極其敏感，因此必須進行實時內(nèi)部監(jiān)控。由于這些特點，EUV的制造變得更加具有挑戰(zhàn)性。可謂是金貴的印鈔機。

再其次就是夸張的能耗了。EUV的使用和運行必須一直處于超高真空環(huán)境下。為了產(chǎn)生超短波長的EUV激光，需要使用體積巨大的高功率激光激發(fā)系統(tǒng)。為了達到商業(yè)化門檻的180W EUV激光能量，激發(fā)系統(tǒng)所需的功率可能超過上千千瓦。

據(jù)報道，臺積電在21年消耗的電力相當于整個臺灣的7.2%。其中，超過50臺EUV光刻機消耗的電力占據(jù)了相當大的比例。既然，EUV有如此高門檻和高成本，且其自由度和定制化能力較弱。在面對這樣的情況時，廠商有無考慮其他路線呢？

沒有一種技術(shù)是全能的。對于市場規(guī)模較大的芯片行業(yè)而言，理想的光刻技術(shù)應具備低成本、高通量、小特征尺寸以及對材料和基材獨立等特點。目前來看，NIL是距離EUV最近的那一個。

那難道NIL就很省電么？還真的是很省電！佳能的NIL設備FPA-1200NZ由FPA-1200升級而來，i line光源決定其能耗必然遠低于EUV光刻機，略低于ArF浸潤式光刻機。

除了讓人怦然心動的低能耗外，其他性能指標也是相當優(yōu)秀的。盡管在套刻精度和產(chǎn)出上略低于光學光刻機，但可以看出，其優(yōu)勢也是較為全面的。它不僅可以制造分辨率5nm以下的高分辨率圖形，而且工藝相對簡單。

NIL在每小時處理80片晶圓和80片晶圓掩模壽命下，相對于其他光刻工藝可降低28%的成本。隨著吞吐量增加至每小時90片，并且掩模壽命超過300批次，成本可降低52%。此外，通過采用大場掩模來減少每片晶圓的曝光次數(shù)，還可以進一步降低成本。

并且，NIL的圖形化過程是通過物理壓印來實現(xiàn)的，因此處理獨立線條、通孔和其他類似圖形結(jié)構(gòu)時，并不需要依賴復雜的OPC圖形和照明條件。

相比之下，傳統(tǒng)的光學光刻需要借助復雜的照明系統(tǒng)、波前畸變修正和光學偏正條件等來實現(xiàn)高精度的圖形制造。光刻中常見的設計規(guī)則和限制對于NIL并不適用，使得整個光學系統(tǒng)可以極其簡化。這種簡化的光學系統(tǒng)和減少光罩數(shù)量帶來了設備和光罩成本的大幅降低，都遠低于EUV甚至傳統(tǒng)DUV光刻。

據(jù)Yole統(tǒng)計，到24年，NIL的復合年增長率將超過20%，年收入約為1.45億美元。當前，NIL技術(shù)主要應用于增強現(xiàn)實、3D傳感和數(shù)據(jù)通信/電信等領域，這些領域?qū)υ枰獓栏窈蛷碗s的要求。此外，在下一代3D NAND發(fā)展中，NIL也成了一種有競爭力的成本效益選擇。

可是NIL很香，卻也很難，雖然被人捧為行業(yè)的希望，但它也不是完美的技術(shù)，甚至存在許多致命的難題。EUV當前的王座還沒有那么輕易被拉下。

產(chǎn)能問題是面臨的主要挑戰(zhàn)。佳能推出的FPA-1200NZ每小時生產(chǎn)124片晶圓，遠遠低于ASML的浸潤式光刻機NXT2050的195片，甚至略低于EUV光刻機EXE3400。

盡管，為了提高產(chǎn)量，我們可以采用同時壓印多個區(qū)域的方法，或者使用旋涂光阻來替代傳統(tǒng)的點涂方式。目前已經(jīng)實現(xiàn)接近170片的產(chǎn)能，但這種做法也存在一些問題，例如套刻精度和缺陷數(shù)量可能會受到影響。會犧牲一定的精確性和質(zhì)量。

另外，套刻精度也是急需改善的方面。盡管佳能已經(jīng)引入了HODC（高階畸變補償）功能來降低套刻誤差，目前在每小時124片的產(chǎn)出工藝條件下，NIL的套刻精度可達到3nm以內(nèi)。但是，每當提高產(chǎn)出至每小時170片后，其套刻精度就只有3.5nm。

與此相比，ASML NXT2050的單機套刻誤差為2.5nm，而EXE3400則為1.5nm。因此，在套刻精度這一性能指標上，NIL技術(shù)仍有進一步提升的空間。

在母版制作方面，NIL也面臨著與傳統(tǒng)光刻不同的精度要求。盡管NIL母版無需單獨制作OPC圖形，并且無需使用昂貴的OMOG和EUV光罩，只需要普通的鉻板光罩即可，但是對于相同尺寸的晶圓圖形而言，NIL母版上的圖形尺寸僅為光學光刻光罩的1/4。這意味著需要更高精度的設備來制作NIL母版。

此外，母版上的圖形都制作在石英基板上，因此，無法使用刻蝕工藝的終點檢測功能，必須依靠精密的刻蝕時間控制來完成圖形制作，這也需要更多時間來摸索工藝窗口。類比一下，這就像核桃上雕刻，只能通過試錯和經(jīng)驗來調(diào)整。

缺陷檢測工藝也面臨類似的問題。傳統(tǒng)的光學缺陷檢測方法使用的透射和反射信號無法準確分辨NIL母版表面的缺陷，這也給后續(xù)的檢驗和修復工作帶來了新的挑戰(zhàn)。

NIL設備的生產(chǎn)已經(jīng)在日本、奧地利、美國等公司得到實現(xiàn)。其中一些納米壓印光刻設備已經(jīng)支持15nm的制程。盡管整體趨勢逐漸向好，但就目前而言，納米壓印市場的規(guī)模并沒有達到人們最初的預期。

那么對國產(chǎn)來說，NIL會是可行之路嗎，或許能在專利上看到一些趨勢。在NIL專利方面，美國擁有全球45.1%的專利，數(shù)量達到699個。中國排名第二，但其專利總數(shù)不足美國的一半，占比為16.26%。日本和韓國分別位列第三和第四，在專利數(shù)量上分別占全球?qū)＠倲?shù)的13.35%和10.13%。

美國的NIL布局分布全球市場，而中國的專利技術(shù)則缺乏中國以外的市場。雖然國內(nèi)專利總數(shù)稍有領先，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。

與EUV在量產(chǎn)前面臨一系列問題類似，NIL在被先進晶圓廠廣泛接受之前也要解決一系列問題。對于國產(chǎn)領域而言，不僅需要應對國際上存在的NIL上的瓶頸，還需要解決與NIL相關的配套工藝、設備和材料等問題。這些問題對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說都是具有挑戰(zhàn)性的。

信號穿梭于文字之間，抒發(fā)著這項技術(shù)的艱辛與挑戰(zhàn)。未來的彼岸，當光學光刻跌入困頓的泥沼時，納米壓印光刻是否成為兼顧優(yōu)秀圖形化性能表現(xiàn)和低碳制造的角色帶領我們走上道路，拭目以待。