目前也是全球曝光機(jī)生產(chǎn)大廠之一的日本佳能 (Canon)，在2023年10月13日宣布推出FPA-1200NZ2C納米壓印（NIL）半導(dǎo)體制造設(shè)備之后，日前Canon首席執(zhí)行官御手洗富士夫表示，該公司的新納米壓印技術(shù)將為小型半導(dǎo)體制造商生產(chǎn)先進(jìn)芯片開辟一條道路，不讓生產(chǎn)先進(jìn)芯片的技術(shù)只有全球大型半導(dǎo)體制造商所獨(dú)享。

Canon半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)部長(zhǎng)巖本和德表示，納米壓印技術(shù)就是把印有半導(dǎo)體電路圖的光罩壓印到芯片上。在芯片上只壓印1次，就可以在合適的位置形成復(fù)雜的2D或3D電路圖。如果改進(jìn)光罩，甚至可以生產(chǎn)2納米先進(jìn)制程的芯片。目前，Canon的納米壓印技術(shù)可以生產(chǎn)最小5納米制程節(jié)點(diǎn)邏輯半導(dǎo)體?，F(xiàn)階段，5納米制程的先進(jìn)半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)由ASML的EUV曝光機(jī)所主導(dǎo)，Canon的納米壓印技術(shù)或許將有機(jī)會(huì)幫助Canon縮小其與ASML的差距。

在設(shè)備成本方面，巖本和德表示，客戶的成本因條件而異，據(jù)估算一次壓印工序需要的成本有時(shí)能降至傳統(tǒng)曝光設(shè)備工序的一半。而且，因?yàn)榧{米壓印設(shè)備的規(guī)模較小，在研發(fā)等用途方面也容易引進(jìn)。御手洗富士夫先前曾表示，該公司的納米壓印設(shè)備產(chǎn)品的價(jià)格將比ASML的EUV設(shè)備減少一個(gè)零。不過，當(dāng)前設(shè)備的最終的定價(jià)還沒有確認(rèn)。

而在在客戶方面，Canon表示目前收到了半導(dǎo)體廠商、大學(xué)、研究所的很多詢問，以期待作為EUV設(shè)備的替代產(chǎn)品，使納米壓印設(shè)備備受期待。預(yù)計(jì)，該設(shè)備將可用于閃存、個(gè)人計(jì)算機(jī)用DRAM，以及邏輯等多種半導(dǎo)體生產(chǎn)用途上。


什么是納米壓印技術(shù)？與傳統(tǒng)光刻技術(shù)有何不同？

我們知道，傳統(tǒng)光刻芯片制造需要使用光刻膠和光刻機(jī)進(jìn)行圖像的雕刻和轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)單來說，就是利用強(qiáng)光在晶圓上燒刻電路，而納米壓印技術(shù)的原理就是像印章一樣壓印原版。

簡(jiǎn)單來說，納米壓印就是把半導(dǎo)體電路圖的掩膜壓印到晶圓上，在晶圓上只壓印一次，就可以在合適的位置形成復(fù)雜的二維或者三維電路，完成電路圖的轉(zhuǎn)移。

相比傳統(tǒng)光刻，納米壓印技術(shù)不需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)和昂貴的光源，可以大幅降低制造成本。其次，該技術(shù)只要預(yù)先在掩膜上制作好圖案，即使是復(fù)雜結(jié)構(gòu)也能一次性形成，也避免了傳統(tǒng)光刻工藝中的多次重復(fù)曝光，工藝更加簡(jiǎn)單。

其三，不同于光刻機(jī)用的掩膜版圖案設(shè)計(jì)，納米壓印的圖案尺寸完全由模板上的圖案決定，不會(huì)受到傳統(tǒng)光刻膠技術(shù)中光源波長(zhǎng)、光學(xué)衍射的限制和影響。

當(dāng)然目前的挑戰(zhàn)也存在于幾個(gè)方面，首先是良品率較低，由于是晶圓與掩膜直接接觸，容易出現(xiàn)電路上混入細(xì)小垃圾與灰塵，這對(duì)制造技術(shù)與環(huán)境提出了很大的挑戰(zhàn)。

其次是，模版壽命低，更換成本高。

再次是壓印模版與承載壓印膠的幾臺(tái)精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)與貼合也是復(fù)雜的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有納米壓印設(shè)備在平行與垂直對(duì)準(zhǔn)方面缺少高精密的調(diào)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。據(jù)了解，在這方面，奧地利設(shè)備廠商EV Group在納米壓印技術(shù)上走在行業(yè)前列，旗下納米壓印系統(tǒng)結(jié)合了調(diào)準(zhǔn)平臺(tái)改進(jìn)、高精度光學(xué)、多點(diǎn)間隙控制、非接觸式間隙測(cè)量和多點(diǎn)力控制等技術(shù)，有著業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的調(diào)準(zhǔn)精度。

但這些問題不僅是納米壓印的問題，也是傳統(tǒng)光刻機(jī)需要面對(duì)的問題，未來能解決到哪一步，決定了這項(xiàng)技術(shù)的顛覆性前景有多大。

目前在低調(diào)研發(fā)納米壓印技術(shù)的主要是中國(guó)與日本。市面上也一直有佳能將納米壓印技術(shù)用于量產(chǎn)存儲(chǔ)芯片的新聞，預(yù)計(jì)到2025年，佳能將進(jìn)一步研發(fā)出生產(chǎn)2納米芯片的設(shè)備。

在國(guó)內(nèi)，在納米壓印賽道上布局的企業(yè)有青島天仁微納等多家企業(yè)。

目前，華為投資的天仁微納已經(jīng)研發(fā)出了多款高精度紫外納米壓印設(shè)備。官網(wǎng)顯示，其納米壓印設(shè)備已經(jīng)可以在150/300mm基底面積上實(shí)現(xiàn)高精度（優(yōu)于10nm ），也就是說實(shí)際精度已經(jīng)達(dá)到了10nm級(jí)別。

繞開EUV光刻，國(guó)產(chǎn)的納米壓印技術(shù)也已經(jīng)能看到曙光了。

光刻工藝技術(shù)

光刻工藝，雖然可能不為大多數(shù)人所熟知，但卻是現(xiàn)代科技和電子工業(yè)的關(guān)鍵支柱之一。它是一種復(fù)雜而精密的工藝，用于將微小的電路圖案精確地刻寫在半導(dǎo)體材料上，從而制造出強(qiáng)大的微處理器、存儲(chǔ)器芯片、傳感器和其他半導(dǎo)體設(shè)備。此外，光刻工藝也在光子學(xué)、光電子學(xué)、微納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和許多其他領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。


1 基本原理

光刻工藝的基本原理涉及以下關(guān)鍵概念：

掩模（Photomask）：控制最終圖案的重要元素之一。掩模是一個(gè)平坦的玻璃或石英板，上面覆蓋有被光刻膠阻擋或透過的圖案。這個(gè)圖案是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建的，并在光刻工藝中用于投影。

光源：光刻機(jī)器的關(guān)鍵部分之一。通常使用紫外線（UV）光源，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較短，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。紫外線光源照射在掩模上，然后通過一系列透鏡和反射器將圖案投影到硅晶圓的表面。

光敏化層：光刻工藝的目標(biāo)是將掩模上的圖案復(fù)制到硅晶圓上。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，硅晶圓需要覆蓋一層光敏化層，通常是光刻膠（photoresist）。光敏化層可以被光刻機(jī)器上的光源照射改變其化學(xué)性質(zhì)。


2 光刻工藝步驟

光刻工藝通常包括以下步驟：

準(zhǔn)備硅晶圓：首先，硅晶圓被準(zhǔn)備好，通常是通過化學(xué)清洗和其他預(yù)處理步驟，以確保光刻工藝的成功。

光刻膠涂覆：光刻膠被均勻涂覆在硅晶圓表面。光刻膠是光敏化層的一部分，用于接受光的投影并在之后的步驟中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

掩模對(duì)準(zhǔn)：光刻機(jī)器確保掩模和硅晶圓對(duì)準(zhǔn)，以使圖案能夠正確投影在硅晶圓上。

光刻投影：光源通過透鏡系統(tǒng)將掩模上的圖案精確地投影到光敏化層上。光敏化層在光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其性質(zhì)發(fā)生變化。

光刻膠開發(fā)：接下來，硅晶圓被放入一種特殊的溶液中，稱為開發(fā)液。開發(fā)液將未受光照射的部分的光刻膠去除，只留下被光照射過的部分，形成所需的圖案。

后續(xù)處理：根據(jù)特定的應(yīng)用需求，硅晶圓可能需要進(jìn)一步的化學(xué)或物理處理步驟，如腐蝕、離子注入或金屬沉積。

這些步驟的重復(fù)和組合，允許在硅晶圓上創(chuàng)建復(fù)雜的微細(xì)電路圖案，這些圖案構(gòu)成了現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組件。

光刻機(jī)器的關(guān)鍵功能是通過控制光源、掩模和光敏化層的互動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精確的圖案轉(zhuǎn)移。掩模的選用和制備、光源的穩(wěn)定性以及光刻膠的性能都對(duì)最終的圖案質(zhì)量和分辨率產(chǎn)生重要影響。精確的對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)系統(tǒng)的性能也是確保成功的關(guān)鍵因素。光刻工藝的精確性和復(fù)雜性使其成為半導(dǎo)體制造中不可或缺的一環(huán)。


光刻技術(shù)的演進(jìn)

1、極紫外光刻（EUV）技術(shù)

極紫外光刻（EUV）技術(shù)是光刻領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，它采用極短波長(zhǎng)的光源，通常是13.5納米的極紫外光，以替代傳統(tǒng)的紫外光刻技術(shù)。EUV技術(shù)對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體制造產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響：


逾越分辨率限制

EUV技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)之一是其更短的波長(zhǎng)，使得可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的圖案。這突破了傳統(tǒng)紫外光刻技術(shù)的分辨率限制，使半導(dǎo)體芯片的制程更加精細(xì)，能夠容納更多的晶體管和其他電子元件。


提高生產(chǎn)效率

相較于傳統(tǒng)的多次曝光工藝，EUV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單次曝光，大大提高了生產(chǎn)效率。這對(duì)于制造大規(guī)模集成電路非常重要，因?yàn)樗梢詼p少制造時(shí)間和成本。

芯片性能的提升

EUV技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，還能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高了芯片的性能。這對(duì)于滿足高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域的需求至關(guān)重要。


2、多層光刻技術(shù)（ML2）

多層光刻技術(shù)（ML2）是另一個(gè)引人矚目的新興光刻技術(shù)，旨在進(jìn)一步突破分辨率限制并推動(dòng)半導(dǎo)體制造的發(fā)展。以下是ML2技術(shù)的主要突破：


多次曝光與多層堆疊

ML2技術(shù)采用多次曝光和多層堆疊的方法，通過多次疊加不同的圖案圖層，以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的電路圖案。這種方法可以繞過傳統(tǒng)光刻技術(shù)的分辨率限制，創(chuàng)造出更小而更復(fù)雜的電子元件。


降低制程復(fù)雜度

ML2技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以減少制程的復(fù)雜性，因?yàn)樗恍枰褂贸叻直媛实墓饪虣C(jī)器。這降低了制造成本，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。


未來潛力

盡管ML2技術(shù)仍處于研究和開發(fā)階段，但它具有巨大的潛力，可以推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展。隨著ML2技術(shù)的成熟，我們可以期待看到更小、更強(qiáng)大的芯片，這將有助于滿足未來科技的需求。

總的來說，極紫外光刻（EUV）技術(shù)和多層光刻技術(shù)（ML2）代表了光刻工藝的新發(fā)展，它們?cè)诎雽?dǎo)體制造中突破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，為電子設(shè)備的不斷進(jìn)化提供了新的可能性。這些技術(shù)的引入將繼續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，從而滿足日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求。