納米壓印光刻技術(shù)旨在挑戰(zhàn)EUV

9 月，佳能推出了這項(xiàng)技術(shù)的第一個(gè)商業(yè)版本，有朝一日可能會(huì)顛覆最先進(jìn)的硅芯片的制造。它被稱為納米壓印光刻 （NIL），能夠?qū)π≈?14 納米的電路特征進(jìn)行圖案化，使邏輯芯片能夠與目前正在量產(chǎn)的 Intel、AMD 和 Nvidia 處理器相媲美。
NIL 系統(tǒng)提供的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)挑戰(zhàn)價(jià)值 1.5 億美元的機(jī)器，這些機(jī)器在當(dāng)今先進(jìn)的芯片制造中占據(jù)主導(dǎo)地位，即極紫外 （EUV） 光刻掃描儀。如果佳能是正確的，其機(jī)器最終將以極低的成本提供 EUV 質(zhì)量的芯片。
該公司的方法與 EUV 系統(tǒng)完全不同，后者完全由總部位于荷蘭的 ASML 制造。這家荷蘭公司使用一種復(fù)雜的工藝，從千瓦級(jí)激光器開(kāi)始，將熔融的錫滴噴射成波長(zhǎng)為 13.5 納米的等離子體。然后，該光由專用光學(xué)器件引導(dǎo)通過(guò)真空室，并從圖案掩模反射到硅晶片上，以將圖案固定在晶片上。
相比之下，佳能的系統(tǒng)被運(yùn)送到國(guó)防部支持的研發(fā)財(cái)團(tuán)德克薩斯電子研究所，看起來(lái)幾乎滑稽地簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它將電路圖案壓印到晶圓上。

納米壓印光刻：更小、更便宜
NIL 從一個(gè)類似于光刻的過(guò)程開(kāi)始。它使用聚焦的電子束在“掩?！鄙蠈?xiě)入圖案。在 EUV 中，這個(gè)圖案被 madeDELETET MADE 在鏡子上捕獲 DELETE [所以光線會(huì)] 然后 IS 將其反射到硅上。但在 NIL 中，由石英制成的所謂主掩模或模具被用來(lái)制造多個(gè)同樣由石英制成的復(fù)制掩模。

然后將復(fù)制掩模直接壓在涂有稱為光刻膠的液態(tài)樹(shù)脂的晶圓表面，就像它是印章一樣。然后，使用汞燈（1970 年代用于芯片制造的那種）發(fā)出的紫外線來(lái)固化樹(shù)脂，并允許從晶圓上取下掩模。因此，來(lái)自主掩模的相同圖案被印在硅上的光刻膠上。就像在基于光刻的芯片制造中一樣，該模式指導(dǎo) hostDELETE HOST 系列蝕刻、沉積和創(chuàng)建晶體管和互連所需的其他工藝。
“這看起來(lái)是一種簡(jiǎn)單而聰明的方法，可以推進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度圖案化的無(wú)光源納米光刻，”印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境下材料中心負(fù)責(zé)人、EUV 光源專家 Ahmed Hassanein 說(shuō)?！霸撓到y(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即它使用的功率更少，與 EUV 系統(tǒng)相比，購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行成本應(yīng)該更低?！?br/>佳能聲稱，與 EUV 相比，這種直接接觸方法需要的步驟和工具更少，從而簡(jiǎn)化了流程，操作成本更低。.例如，與采用 250 瓦光源的 EUV 系統(tǒng)相比，佳能估計(jì) NIL 消耗的能量?jī)H為其十分之一。
此外，NIL 在晶圓廠潔凈室地板上占用的極其寶貴的空間更少。今天的 EUV 系統(tǒng)與雙層巴士一樣大，約為 200 立方米。但是，由四個(gè) NIL 系統(tǒng)組成的集群占據(jù)的體積不到該體積的一半（6.6 x 4.6 x 2.8 米），盡管還需要一個(gè)占用另外 50 立方米的掩模復(fù)制工具。

20 年的NIL商業(yè)化進(jìn)程
但這種簡(jiǎn)單性是在漫長(zhǎng)而昂貴的開(kāi)發(fā)過(guò)程之后實(shí)現(xiàn)的。二十多年前，當(dāng)佳能于 2004 年開(kāi)始開(kāi)發(fā) NIL 技術(shù)時(shí)，幾個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā) NIL 技術(shù)。2014 年，為了加快進(jìn)展，佳能收購(gòu)了 Molecular Imprints， Inc.。（MII） 的 S Thom S Mc S S Mc 的 S Thom S S Mc S 的 S Tho S S Mc S Technologies.該子公司更名為 Canon Nanotechnologies， Inc.，現(xiàn)在是美國(guó)的 NIL 開(kāi)發(fā)研發(fā)中心。
然而，即使將MII添加到佳能的研發(fā)工具箱中，我們還是花了二十年時(shí)間才將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。在那段時(shí)間里，佳能光學(xué)產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)副首席執(zhí)行官巖本一典 （Kazunori Iwamoto） 在東京以北 100 公里的宇都宮的 NIL 生產(chǎn)基地告訴 IEEE Spectrum，佳能不得不跨越幾個(gè)很高的工程障礙。
在大多數(shù)芯片制造中，光刻膠（保持電路圖形的聚合物樹(shù)脂）均勻地涂覆在晶圓表面。但這不適用于 NIL，因?yàn)樵跊_壓過(guò)程中，多余的樹(shù)脂會(huì)從掩模下滲出，并干擾下一次壓印操作，從而導(dǎo)致缺陷。因此，佳能利用其噴墨打印技術(shù)，以最佳量涂抹光刻膠以匹配電路圖案。此外，光刻膠的毛細(xì)管力經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在接觸時(shí)將材料吸入掩模的蝕刻圖案中。

佳能還必須防止氣泡在壓印過(guò)程中進(jìn)入晶圓和掩模之間，否則會(huì)干擾工具將掩模與晶圓上已有的任何電路特征對(duì)齊的能力。答案是設(shè)計(jì)一種可彎曲的面罩，中間更薄。在沖壓過(guò)程中，首先對(duì)掩模的中間施加壓力，將中心向外推，首先與光刻膠接觸。然后，兩個(gè)表面之間的接觸繼續(xù)徑向向外，迫使空氣從邊緣離開(kāi)和排出。這與您在為智能手機(jī)應(yīng)用屏幕保護(hù)膜時(shí)為避免產(chǎn)生模糊氣泡而采取的措施沒(méi)有什么不同。
除了通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境控制技術(shù)來(lái)處理顆粒污染外，對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題可能是最令人頭疼的問(wèn)題。
當(dāng)電路圖形層一個(gè)層疊印時(shí)，精確的覆蓋控制對(duì)于確保過(guò)孔（傳輸信號(hào)和電源的層之間的垂直連接）正確對(duì)齊至關(guān)重要。NIL 工藝允許一些回旋余地，但在納米級(jí)工作意味著很容易發(fā)生對(duì)準(zhǔn)誤差。例如，它們可能是由晶圓平整度和表面特征的變化、不精確的晶圓和掩模放置以及壓印過(guò)程中掩模形狀的變形引起的。為了最大限度地減少此類扭曲，Canon 使用了一系列大部分自動(dòng)化的技術(shù)。這些措施包括保持對(duì)工作溫度的嚴(yán)格控制，施加壓電力來(lái)糾正掩模形狀的變形，以及施加來(lái)自激光的熱量來(lái)膨脹或收縮晶圓，使其與掩模更加對(duì)齊。
“我們將這種專有技術(shù)稱為 High Order Distortion Correction，”Iwamoto 說(shuō)。“應(yīng)用它，我們現(xiàn)在可以以 1 納米左右的精度覆蓋電路圖形。”

NIL 的臺(tái)階和郵票世界
面對(duì)所有這些問(wèn)題，佳能的工程師們已經(jīng)產(chǎn)生了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的光刻工藝。它首先創(chuàng)建一個(gè)主蒙版。與其他光刻掩模一樣，這是通過(guò)使用電子束光刻技術(shù)蝕刻圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主掩模包含要印刷的電路設(shè)計(jì)的凸起圖案，尺寸為 152.4 x 152.4 毫米，大約是光刻可以產(chǎn)生的最大芯片面積的 25 倍。
從這個(gè)主掩碼中，制造出多個(gè)具有凹陷圖案的復(fù)制掩碼。每個(gè)復(fù)制掩模最多可以生產(chǎn) 80 批次，每批次包含 25 個(gè)晶圓。因此，一個(gè)復(fù)制品可以為 2,000 個(gè)晶圓制作一層電路。
為了說(shuō)明 NIL 的較低擁有成本，Iwamoto 將其與先進(jìn)的氟化氬浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)（EUV 光刻的前身，仍在廣泛使用）進(jìn)行了比較，該系統(tǒng)用于產(chǎn)生密集的 20 nm 寬接觸孔陣列。Iwamoto 說(shuō)，對(duì)于相同的輸出，以每小時(shí) 80 片晶圓 （wph） 工作的 NIL 系統(tǒng)可以將擁有成本降低 43%。佳能的目標(biāo)是通過(guò)進(jìn)一步減少顆粒污染、提高光刻膠質(zhì)量以及改進(jìn)和優(yōu)化 NIL 工作流程，每個(gè)復(fù)制掩模能夠生產(chǎn) 340 個(gè)批次的 100 wph 方案。Iwamoto 估計(jì)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，與浸沒(méi)式光刻相比，擁有成本將降至 59%。

早期采用者？
盡管具有潛在優(yōu)勢(shì)，但要吸引已經(jīng)在主流 EUV 上投入大量資金的設(shè)備制造商在其運(yùn)營(yíng)中添加不同類型的光刻系統(tǒng)并非易事。
“EUV 在過(guò)去十年中已成為主流技術(shù)，”Hassanein 說(shuō)?！八朔嗽S多挑戰(zhàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高生產(chǎn)率，并且有辦法生產(chǎn)更小的模型。如果 NIL 要參與競(jìng)爭(zhēng)，它就需要加快生產(chǎn)能力，延長(zhǎng)模具的使用壽命，改善顆粒和碎屑管理，并提高產(chǎn)量。
但首先，這項(xiàng)技術(shù)必須踏入工廠的大門(mén)。Iwamoto 表示，在收到日本和國(guó)外潛在客戶的多次詢問(wèn)后，他們正在進(jìn)行討論并提供 NIL 的演示。除了向德克薩斯州電子研究所運(yùn)送第一套商用系統(tǒng)外，佳能表示，鎧俠（前身為 Toshiba Memory）多年來(lái)一直在測(cè)試 NIL 系統(tǒng)，現(xiàn)在正在評(píng)估生產(chǎn)原型存儲(chǔ)芯片的工藝。
Iwamoto 還指出，佳能正在維護(hù)積極的 NIL 應(yīng)用程序路線圖。從 2028 年開(kāi)始，它的目標(biāo)是生產(chǎn)高分辨率掩模，可以生產(chǎn)具有 20 nm 線寬和 5 nm 覆蓋精度的 3D NAND 閃存。對(duì)于 DRAM，目標(biāo)是 10 nm 線寬和 2 nm 覆蓋層，而邏輯器件計(jì)劃達(dá)到 8 nm 線寬和 1.6 nm 覆蓋層。如果這些目標(biāo)在該時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提高晶圓產(chǎn)量，NIL 可能成為 EUV 的有吸引力的替代品，特別是對(duì)于精度和成本效益至關(guān)重要的應(yīng)用。