繞開EUV光刻，下一代納米壓印光刻技術(shù)從存儲(chǔ)領(lǐng)域開始突圍
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）提及芯片制造技術(shù)，首先想到的自然是***和光刻技術(shù)。眾所周知在芯片行業(yè)，光刻是芯片制造過程中最重要、最繁瑣、最具挑戰(zhàn)也最昂貴的一項(xiàng)工藝步驟。在***的支持下，摩爾定律得以延續(xù)。
在高速增長(zhǎng)的半導(dǎo)體市場(chǎng)里，半導(dǎo)體制造商們不斷創(chuàng)新，芯片集成度越來越高，對(duì)光刻技術(shù)也提出了越來越高的要求。隨著芯片集成度的與日俱增正在對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈帶來前所未有的挑戰(zhàn)，制造商們渴求更高效、更低成本的制造技術(shù)。
在這種背景下，納米壓印技術(shù)成了備受期待有望替代EUV的新興芯片制造技術(shù)。
光刻技術(shù)路線演進(jìn)，納米壓印技術(shù)繞開EUV***
摩爾定律指示了提高每個(gè)芯片中的晶體管數(shù)量降低計(jì)算成本的路線，光刻技術(shù)的演進(jìn)也圍繞著實(shí)現(xiàn)更高的晶體管密度和更低的成本。每一代光刻技術(shù)的大更迭都對(duì)***等設(shè)備和材料提出了新挑戰(zhàn)。
自1985年436nm波長(zhǎng)的g-Line起，到波長(zhǎng)為365nm的i-Line時(shí)期，波長(zhǎng)為248nm的KrF時(shí)期，再到2000年初波長(zhǎng)為193nm的ArF時(shí)期?，F(xiàn)在則是波長(zhǎng)為13.5nm的EUV時(shí)期。現(xiàn)如今憑借EUV以及High-NA EUV，ASML獨(dú)霸高端***市場(chǎng)，在行業(yè)內(nèi)一騎絕塵。
但大家都知道，EUV***產(chǎn)能有限而且成本高昂，業(yè)界一直都在探索可以繞開EUV***生產(chǎn)高端芯片的技術(shù)和工藝。下一代光刻技術(shù)納米壓印技術(shù)（NIL）開始備受關(guān)注，成為最有機(jī)會(huì)替代EUV的光刻技術(shù)路線。
納米壓印技術(shù)是通過光刻膠輔助，將模板上的微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到待加工材料上的技術(shù)，其概念最早在1995年由華裔科學(xué)家周郁提出。從其命名就可以看出，這種技術(shù)手段的加工尺度在納米級(jí)，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的手段是通過壓印。EUV等傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，想要實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，無外乎從三個(gè)層面著手——選用更小波長(zhǎng)的光源、通過界面材料提高數(shù)值孔徑NA值以及通過獲取更低的工藝因子，其中主要的實(shí)現(xiàn)手段是縮短光源波長(zhǎng)。
而納米壓印的加工過程不使用可見光或紫外光加工圖案，而是使用機(jī)械手段進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，所以能實(shí)現(xiàn)的分辨率完全不會(huì)受到光學(xué)光刻最短曝光波長(zhǎng)的物理限制。傳統(tǒng)光學(xué)光刻存在分辨率極限，光刻光源波長(zhǎng)的每一次縮短背后是研制難度和成本的成倍增長(zhǎng)，而納米壓印分辨率只與模板圖案的尺寸相關(guān)，能做到高于傳統(tǒng)光刻的分辨率。經(jīng)過幾十年的技術(shù)演進(jìn)，納米壓印目前有三大類，熱壓印、紫外壓印和軟壓印。
納米壓印使用模板，設(shè)計(jì)好后的模板可以反復(fù)使用，大大降低了加工成本也方便進(jìn)行量產(chǎn)?，F(xiàn)在納米壓印可用的模板已經(jīng)十分多樣，加工精度高的剛性模板、彈性模量較高的柔性模板、復(fù)合納米壓印模板都有各自的優(yōu)勢(shì)。
據(jù)日經(jīng)中文網(wǎng)報(bào)道，納米壓印能與極紫外光刻相比，能將該工序的制造成本降低四成，耗電量降低九成，佳能的研究則顯示其納米壓印光刻在吞吐量為80片時(shí)相對(duì)ArF光刻工藝可降低28%的成本，隨著吞吐量增加成本降低幅度可達(dá)到50%以上。該技術(shù)在植入芯片制造產(chǎn)業(yè)過程中也不會(huì)過于繁瑣，只需要將光刻步驟替換為納米壓印，其他工藝步驟是完全兼容的。
攪動(dòng)光刻市場(chǎng)，納米壓印市場(chǎng)正在逐漸壯大
隨著行業(yè)發(fā)展，DUV、EUV***的系統(tǒng)復(fù)雜度、技術(shù)瓶頸和成本問題等日益突出，沉寂許久的納米壓印技術(shù)在近年來又迎來了新的關(guān)注。這也得益于納米壓印技術(shù)產(chǎn)業(yè)在技術(shù)工藝上的不斷突破，隨著工藝進(jìn)一步成熟，下游應(yīng)用領(lǐng)域需求開始增多，納米壓印技術(shù)正走向大面積產(chǎn)業(yè)化的階段。
根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2023—2028年中國(guó)納米壓印技術(shù)（NIL）行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，2022年全球納米壓印技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到22.9億美元，同比增長(zhǎng)13.6%。TechNavio的相關(guān)數(shù)據(jù)則預(yù)測(cè)納米壓印市場(chǎng)將以年復(fù)合增長(zhǎng)率17.74%增長(zhǎng)至2026年的33億美元。
目前，不少科研機(jī)構(gòu)和廠商都加大了納米壓印上的投入。國(guó)外廠商如Canon、EV Group、Nanonex Corp、Obducat AB、SUSS MicroTec等公司已出產(chǎn)納米壓印光刻設(shè)備。
Canon一直在以納米壓印技術(shù)打造下一代nm級(jí)的***，市面上也一直有Canon將納米壓印技術(shù)用于量產(chǎn)存儲(chǔ)芯片的新聞，根據(jù)相關(guān)報(bào)道其納米壓印設(shè)備的套刻精度，吞吐量等參數(shù)指標(biāo)均處于行業(yè)領(lǐng)先位置。根據(jù)Canon的相關(guān)報(bào)道，預(yù)計(jì)到2025年，Canon將進(jìn)一步研發(fā)出生產(chǎn)5納米芯片的設(shè)備。
奧地利設(shè)備廠商EV Group也在納米壓印技術(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。
獲得華為哈勃青睞的國(guó)內(nèi)頭部廠商天仁微納目前產(chǎn)品涵蓋整機(jī)設(shè)備、模具、壓印材料，研發(fā)了多款高精度紫外納米壓印設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最大150／300mm基底面積上高精度（優(yōu)于10nm ）、高深寬比（優(yōu)于10比1）納米結(jié)構(gòu)復(fù)制量產(chǎn)。
圖源：天仁微納
蘇大維格此前也表示納米壓印設(shè)備除自用及向國(guó)內(nèi)外高校及科研院所銷售外，已經(jīng)開始向企業(yè)拓展，除了相關(guān)關(guān)鍵器件，蘇大維格根據(jù)客戶需要開始向半導(dǎo)體領(lǐng)域企業(yè)相關(guān)客戶提供納米壓印設(shè)備整機(jī)。
蘇州光舵微納同樣致力于納米壓印設(shè)備及技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，已研發(fā)制作出多款納米壓印設(shè)備、配套工藝和耗材，并成功推出全自動(dòng)量產(chǎn)型納米壓印設(shè)備。
國(guó)內(nèi)外廠商迅猛的發(fā)展勢(shì)頭大大加快了納米壓印技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)的腳步，雖然在芯片制造領(lǐng)域這一技術(shù)仍還有不少短板需要補(bǔ)足，還要面對(duì)納米壓印光刻牽扯出來的配套工藝、設(shè)備、材料等問題，但其前景無疑是光明的。
納米壓印發(fā)揮芯片制造優(yōu)勢(shì)，從存儲(chǔ)芯片開始
在芯片制造領(lǐng)域，目前最契合納米壓印技術(shù)的，就是存儲(chǔ)芯片，尤其是3D NAND、DRAM等存儲(chǔ)芯片。從納米壓印設(shè)備頭部廠商Canon規(guī)劃的納米壓印設(shè)備路線圖來看，納米壓印應(yīng)用將從3D NAND存儲(chǔ)芯片開始，逐漸過渡到DRAM，最終實(shí)現(xiàn)CPU等邏輯芯片的制造。
存儲(chǔ)廠商在芯片制造上對(duì)成本把控極為嚴(yán)苛，同時(shí)設(shè)計(jì)的余量可以承受一定的缺陷而不影響成品率，放寬對(duì)缺陷的要求，所以目前已經(jīng)有不少存儲(chǔ)廠商計(jì)劃使用納米壓印技術(shù)來制造存儲(chǔ)芯片。
凱俠、東芝等日系存儲(chǔ)廠商很早便開始布局納米壓印技術(shù)。此前SK海力士也報(bào)道從Canon引進(jìn)納米壓印設(shè)備，并計(jì)劃在2025年左右使用該設(shè)備開始量產(chǎn)3D NAND閃存，從目前的報(bào)道來看，測(cè)試階段表現(xiàn)良好。另一存儲(chǔ)巨頭三星同樣開發(fā)了包括納米壓印技術(shù)在內(nèi)多種方案以解決多圖案工藝導(dǎo)致的成本上升問題。
納米壓印技術(shù)與存儲(chǔ)芯片相結(jié)合，將大大提高存儲(chǔ)廠商的生產(chǎn)效率，并降低成本。納米壓印設(shè)備在芯片制造領(lǐng)域大規(guī)模商用化后，其優(yōu)勢(shì)將更加明顯。
小結(jié)
目前納米壓印技術(shù)還存在模板缺陷和套準(zhǔn)等問題，需要時(shí)間才能成熟地進(jìn)入市場(chǎng)，但其超高分辨率、易量產(chǎn)、低成本、一致性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)很突出，是最有機(jī)會(huì)代替現(xiàn)有光刻技術(shù)的技術(shù)手段。在未來光學(xué)光刻難以向前演進(jìn)，納米壓印光刻值得期待。
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