納米壓印光刻，能讓國(guó)產(chǎn)繞過(guò)ASML嗎？

付斌 | 作者

李拓 | 編輯

果殼硬科技 | 策劃

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

事實(shí)上，光刻技術(shù)本身存在多種路線，離產(chǎn)業(yè)最近的，當(dāng)屬納米壓印光刻（Nano-Imprint Lithography，簡(jiǎn)稱(chēng)NIL）。

日本最寄望于納米壓印光刻技術(shù)，并試圖靠它再次逆襲，日經(jīng)新聞網(wǎng)也稱(chēng)，對(duì)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(shù)實(shí)用化。

像蓋章一樣造芯片

納米壓印是一種微納加工技術(shù)，它采用傳統(tǒng)機(jī)械模具微復(fù)型原理，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)且復(fù)雜的光學(xué)光刻技術(shù)。 

雖然從名字上來(lái)看，納米壓印概念非常高深，但實(shí)際上它的原理并不難理解。壓印是古老的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，活字印刷術(shù)便是最初的壓印技術(shù)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(shù)。

打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，納米壓印光刻造芯片就像蓋章一樣，把柵極長(zhǎng)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(guò)脫模就能夠得到一顆芯片。在行業(yè)中，這個(gè)章被稱(chēng)為模板，而橡皮泥則被稱(chēng)為納米壓印膠。^[3]

納米壓印光刻（紫外納米壓?。┡c光學(xué)光刻對(duì)比

圖源丨佳能官網(wǎng)^[4]，果殼硬科技譯制

納米壓印技術(shù)本身的應(yīng)用范圍就非常廣泛，包括集成電路、存儲(chǔ)、光學(xué)、生命科學(xué)、能源、環(huán)保、國(guó)防等領(lǐng)域。 

在芯片領(lǐng)域，納米壓印光刻不僅擅長(zhǎng)制造各種集成電路，更擅長(zhǎng)制造3D NAND、DRAM等存儲(chǔ)芯片，與微處理器等邏輯電路相比，存儲(chǔ)制造商具有嚴(yán)格的成本限制，且對(duì)缺陷要求放寬，納米壓印光刻技術(shù)與之非常契合。^[6]

納米壓印技術(shù)應(yīng)用不完全統(tǒng)計(jì)，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《光學(xué)精密工程》^[5]

對(duì)一顆芯片來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)光刻是制造過(guò)程中最重要、最復(fù)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(diǎn)正遵循著摩爾定律向前推進(jìn)，迭代至今，行業(yè)正走向納米的極限，而業(yè)界依賴(lài)的光學(xué)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(yán)重限制了設(shè)計(jì)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(xué)光刻分辨率主要通過(guò)縮短光刻光源波長(zhǎng)來(lái)實(shí)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(xué)衍射極限限制下，分辨率極限約為半個(gè)波長(zhǎng)；

• 第四，光刻光源波長(zhǎng)縮短使得光刻設(shè)備研制難度和成本成倍增長(zhǎng)，其成本與規(guī)?；芰σ褵o(wú)法與過(guò)去25年建立的趨勢(shì)相匹配。

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

殘酷的事實(shí)是新興的光刻技術(shù)千千萬(wàn)，大部分卻都不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)需求，沒(méi)有任何一種技術(shù)是全能的。

對(duì)市場(chǎng)體量較為龐大的芯片行業(yè)來(lái)說(shuō)，只要技術(shù)的優(yōu)勢(shì)能貼合需求即可，而理想的光刻技術(shù)應(yīng)具備低成本、高通量、特征尺寸小、材料和基材獨(dú)立等特點(diǎn)。^[12]

目前來(lái)看，納米壓印是距離光學(xué)光刻最近的那一個(gè)。

光刻技術(shù)不完全盤(pán)點(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《應(yīng)用化學(xué)》^[7]《納米壓印技術(shù)》^[13]，中國(guó)光學(xué)^[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(duì)簡(jiǎn)單的工藝（相比光學(xué)曝光復(fù)雜的系統(tǒng)或電子束曝光復(fù)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(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)評(píng)估同制作水平的納米壓印比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)）^[14]、較低的功耗^[15]、壓印模板可重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)。

佳能的研究顯示，其設(shè)備在每小時(shí)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(duì)ArF光刻工藝可降低28%的成本，隨著吞吐量增加至每小時(shí)90片，掩模壽命超過(guò)300批次，成本可降低52%。此外，通過(guò)改用大場(chǎng)掩模來(lái)減少每片晶圓的拍攝次數(shù)，還可進(jìn)一步降低成本。^[16]

納米壓印光刻與ArF光刻對(duì)比情況^[16]

2020年與2021年，極紫外光刻、導(dǎo)向自組裝（DSA）和納米壓印光刻被列入國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）中下一代光刻技術(shù)主要候選方案^[17][18]，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)包括分辨率、可靠性、速度和對(duì)準(zhǔn)精度等。2022年，IRDS中更是強(qiáng)調(diào)了納米壓印光刻在3D NAND、DRAM與交叉點(diǎn)存儲(chǔ)上應(yīng)用的重要性。^[19]

制程工藝發(fā)展路線及潛在技術(shù)^[18]

雖然納米壓印光刻技術(shù)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，不斷推遲進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。

被行業(yè)接納前的問(wèn)題

想做那個(gè)打破常規(guī)的先驅(qū)者，并沒(méi)有那么容易。

納米壓印技術(shù)最終能否進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，取決于它的產(chǎn)能和所能達(dá)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(shí)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(jià)格和光學(xué)系統(tǒng)的固有物理限制，但從非接觸范式的光學(xué)光刻到接觸式的納米壓印光刻，又衍生了許多新的技術(shù)難題。

技術(shù)分支路線多

納米壓印技術(shù)發(fā)展歷史只有二十余年，但在如此短時(shí)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(guó)普林斯頓大學(xué)周郁（Stephen Y Chou）首次提出熱納米壓印技術(shù)，壓印作品分辨率高達(dá)10~50nm^[20]，該技術(shù)才引發(fā)行業(yè)大面積討論。同年，他又公布了這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)的專(zhuān)利US5772905A^[21]，此后，納米壓印成為了劃時(shí)代的精細(xì)加工技術(shù)，此起彼伏地浮現(xiàn)新工藝。

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

發(fā)展至今，相對(duì)成熟和普遍的納米壓印加工方式包括三類(lèi)：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(lèi)工藝的改進(jìn)版。其中，紫外納米壓印優(yōu)勢(shì)最為明顯，是目前產(chǎn)業(yè)化最常見(jiàn)的方式，而微接觸納米壓印則主要應(yīng)用在生物化學(xué)領(lǐng)域。^[29]

對(duì)比不同分支技術(shù)，各有其優(yōu)劣勢(shì)，但以目前制程節(jié)點(diǎn)迭代情況，要滿(mǎn)足愈發(fā)精細(xì)的微結(jié)構(gòu)制造要求，均需進(jìn)一步提高和改進(jìn)，多技術(shù)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(lèi)的納米壓印光刻技術(shù)路線，制圖丨果殼硬科技

參考資料丨《納米壓印技術(shù)》^[22]

關(guān)鍵技術(shù)一個(gè)沒(méi)少

雖然納米壓印光刻工藝另辟蹊徑，但它也繞不開(kāi)光刻膠、涂膠、刻蝕等技術(shù)，其中，以光刻膠尤為困難，在納米壓印光刻中的光刻膠被稱(chēng)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(gè)階段，其中紫外壓印膠是目前及將來(lái)的主流。從專(zhuān)利上來(lái)看，富士膠片在壓印膠領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備非常雄厚，而國(guó)內(nèi)掌握的專(zhuān)利則較少。^[30]

另外，對(duì)納米壓印來(lái)說(shuō)，模板是器件成功的關(guān)鍵。不同于傳統(tǒng)光學(xué)光刻使用的4X掩模，納米壓印光刻使用1X模版，會(huì)導(dǎo)致模具制作、檢查和修復(fù)技術(shù)面臨更大挑戰(zhàn)。^[2]

納米壓印關(guān)鍵技術(shù)，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《基于納米壓印技術(shù)的微納結(jié)構(gòu)制備研究》^[31]

用起來(lái)也沒(méi)那么簡(jiǎn)單

雖說(shuō)相對(duì)光學(xué)光刻，納米壓印光刻的確簡(jiǎn)化了原理，但其中的門(mén)道卻更多了。

傳統(tǒng)的光學(xué)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(duì)地噴涂滴狀壓印膠^[32]，這個(gè)過(guò)程就像打印機(jī)噴墨一樣，控制好力度并不容易。

壓印過(guò)程中聚合物圖形和掩膜間會(huì)進(jìn)入空氣，如同手機(jī)貼膜過(guò)程中混入氣泡一般，納米壓印也會(huì)產(chǎn)生與掩膜不貼合的情況，一旦進(jìn)入空氣，就會(huì)成為殘次品，無(wú)法正常工作。因此，在有些時(shí)候，壓印出來(lái)的芯片看似一致，在納米尺度卻存在很大個(gè)體差異。為了解決上述問(wèn)題， 會(huì)采取與光學(xué)光刻完全相反的方法，即壓印瞬間對(duì)芯片局部加熱，使納米級(jí)形變過(guò)程中能?chē)?yán)絲合縫地貼合掩膜^[32]。不過(guò)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程更復(fù)雜，除了空氣，任何細(xì)小的灰塵都會(huì)威脅產(chǎn)品的成品率。

多數(shù)納米壓印技術(shù)均需脫模這一工序，而模板和聚合物間具有較強(qiáng)粘附性，因此，行業(yè)時(shí)常會(huì)在模板表面蒸鍍一層納米級(jí)厚度的抗黏附材料，以便輕松脫模。就像是制作蛋糕過(guò)程中墊一層油紙或刷一層油一樣，蛋糕脫模才會(huì)更順利更完整。只不過(guò)，雖然這樣能解決脫模的問(wèn)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(shù)已在大批量生產(chǎn)取得巨大進(jìn)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(fù)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(guò)程精確化控制等方面仍存在挑戰(zhàn)。^[2][5]

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

有希望，但需要時(shí)間

現(xiàn)階段，已有許多產(chǎn)品在使用納米壓印技術(shù)生產(chǎn)，包括LED、OLED、AR設(shè)備、太陽(yáng)能電池、傳感器、生物芯片、納米光學(xué)器件、納米級(jí)晶體管、存儲(chǔ)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(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)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(guó)得克賽斯州的Molecular Imprints Inc.、美國(guó)新澤西州的Nanonex Corp、瑞典的Obducat AB、德國(guó)的SUSS MicroTec等公司已出產(chǎn)納米壓印光刻設(shè)備，一些納米壓印光刻設(shè)備已支持15nm。^[1]

納米壓印市場(chǎng)沒(méi)有想象中那樣大，但整體正逐漸走強(qiáng)。TechNavio數(shù)據(jù)顯示，2026年納米壓印市場(chǎng)有望達(dá)到33億美元，2021年至2026年年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)17.74%。^[34]

納米壓印光刻的潛力也被全球各國(guó)所認(rèn)可，不僅被普林斯頓大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、哈佛大學(xué)、密西根大學(xué)、林肯實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)等知名大學(xué)和機(jī)構(gòu)大力推進(jìn)，ASML（阿斯麥）、臺(tái)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(shè)備提供商不完全統(tǒng)計(jì)，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《信息記錄材料》^[33]

雖然國(guó)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(jī)構(gòu)和公司，包括復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、吉林大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、蘇州大學(xué)、華中科技大學(xué)、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(shù)與納米仿生研究所、上海納米技術(shù)研究發(fā)展中心、蘇州蘇大維格科技集團(tuán)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(duì)國(guó)產(chǎn)來(lái)說(shuō)，納米壓印光刻會(huì)是可行之路嗎，或許能在專(zhuān)利上看到一些趨勢(shì)。

據(jù)智慧芽數(shù)據(jù)，以納米壓印和光刻同時(shí)作為關(guān)鍵詞搜索，在170個(gè)國(guó)家/地區(qū)共有1660條專(zhuān)利。從****來(lái)看，2007年~2011年是近20內(nèi)熱度最高的幾年，此后在專(zhuān)利申請(qǐng)上逐步放緩。而對(duì)應(yīng)的，此時(shí)納米壓印行業(yè)正處于膨脹期，此后進(jìn)入低谷期，直到2020年后產(chǎn)業(yè)進(jìn)入成熟期。^[35]

納米壓印光刻技術(shù)趨勢(shì)，圖源丨智慧芽

從專(zhuān)利國(guó)家分布上來(lái)看，美國(guó)包攬了全球45.1%的納米壓印光刻專(zhuān)利，共699個(gè)；而中國(guó)雖然位列第二，但專(zhuān)利總數(shù)卻不足美國(guó)的二分之一，占比為全球?qū)＠倲?shù)的16.26%；日本和韓國(guó)則在專(zhuān)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(shù)來(lái)源國(guó)/地區(qū)排名，圖源丨智慧芽

從中、美、歐、日、韓五大局的專(zhuān)利流向上來(lái)看，美國(guó)的納米壓印光刻技術(shù)布局分布全球市場(chǎng)，而中國(guó)的專(zhuān)利技術(shù)則缺乏中國(guó)以外的市場(chǎng)。

納米壓印光刻五局流向圖，圖源丨智慧芽

從公司來(lái)看，分子壓模公司（Molecular Imprints Inc.）的納米壓印光刻專(zhuān)利數(shù)量遙遙領(lǐng)先，以135個(gè)專(zhuān)利位列第一；佳能（佳能株式會(huì)社和佳能納米技術(shù)公司）和奧博杜卡特股份公司（Obducat AB）緊隨其后，分別擁有132個(gè)和49個(gè)專(zhuān)利；此外，應(yīng)用材料、三星、西部數(shù)據(jù)、信越化學(xué)等半導(dǎo)體龍頭也有較強(qiáng)專(zhuān)利布局。

納米壓印光刻申請(qǐng)人排行圖，圖源丨智慧芽

需要指出的是，雖然國(guó)內(nèi)專(zhuān)利總數(shù)較多，但整體申請(qǐng)較為分散，而國(guó)際上美日企業(yè)則集中度較高，單個(gè)公司專(zhuān)利數(shù)量大，國(guó)內(nèi)后進(jìn)者或面臨專(zhuān)利墻風(fēng)險(xiǎn)。

從目前全世界進(jìn)展來(lái)看，每隔幾年都會(huì)有納米壓印光刻即將突破的消息，但每次又延后進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的時(shí)間。對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，不僅要面對(duì)國(guó)際也難以解決的納米亞印光刻在技術(shù)上的瓶頸，還要面對(duì)納米壓印光刻牽扯出來(lái)的配套工藝、設(shè)備、材料等問(wèn)題。

一切信號(hào)都在訴說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)的不容易，但未來(lái)，當(dāng)光學(xué)光刻難以向前時(shí)，納米壓印光刻將是最值得期待的路線，而那時(shí)，芯片制造或許也會(huì)迎來(lái)全新的范式，一切都會(huì)顛覆。