像盖图章一样造芯片？佳能纳米压印技术不藏了

　　记者 张书琛

　　挑战光学刻印

　　近期，佳能闷声出了一个大招：宣布正式推出最新的纳米压印（NIL）设备集群“FPA-1200NZ2C”，并于公告发布当天开始接受订单。据了解，这台设备可以实现最小线宽14 纳米的图案化，相当于目前常说的5纳米芯片制程，未来随着膜版制作工艺的升级，很有可能制造出2 纳米制程芯片。此举对“苦光刻机久矣”的半导体行业到底意味着什么？

　　如果关注这几年中美之间的科技互搏，大多知道传统的芯片制造离不开光刻机，准确地说，无论生产制造什么样的芯片，在芯片制造过程中，几乎每个工艺的实施，都需要光刻的技术，光刻工艺一般能占芯片制造成本的35% 以上。

　　要理解纳米压印技术，可以先跟光刻技术做对比。当芯片完成集成电路设计（IC）后，就会委托晶圆代工厂进行制造封装，光刻机此时登场。目前芯片制造最主要的方式是光学投影式光刻，其原理很简单，类似于胶片相机洗印照片时，将胶片上的图像印在相纸上，只不过在光刻过程中，“胶片”变成了掩膜版，“相纸”变成了表面均匀涂抹对光敏感的物质——即涂抹了光刻胶（PR）的硅片。

　　刻有电路图案的掩膜版，经过光刻机特定波长的光学系统投影后被缩小，再“曝光”到硅片上，光刻胶会发生性质变化，从而将掩膜版上的图案精确地复制到硅片上。最后一步就是“显影”，也就是在硅晶圆上喷洒显影液，把多余的光刻胶洗掉，再用刻蚀机把没有光刻胶覆盖的刻蚀掉。经过一系列纳米级的雕刻工艺后，芯片才能进入下一工程阶段。

　　而纳米压印技术，就是要抛弃光刻机里面复杂、昂贵的光学系统，直接把带有电路设计图的模版压到硅片上，类似于盖图章或是活字印刷术的复制方式。具体来看，纳米压印首先要将电路设计图或其他图形通过高温加热或者紫外光线辐射的方式转移到某一类材质的模版上，然后再将图案刻印到涂抹了压印胶的硅片或其他所需材料上，压印胶的作用类似于光刻胶但成分各有不同；最后再进行刻蚀即可得到成品。

　　关注这一技术发展的半导体产业人士告诉记者，纳米压印虽然不是新技术，但在IC 领域一直比较边缘化，不过，如果佳能的技术真的足够成熟，必然会对光刻机有一定替代作用。

　　“以ASML 顶级的EUV（极紫外线）光刻机为例，它需要功率极高又稳定的光源，这就对成像反射镜头的制作工艺和机械精度提出了极高要求。”他举例道，这一光学系统的制造难度不亚于从地球拿个手电筒照向月球，还要求光斑不能大于一个硬币。如果能有成本更低，却能达到同样或更高精度的选择，业内为什么要拒绝？

　　产量与良率受限

　　纳米压印技术的优势不仅在于成本低 ，还在于其展示出的超高分辨率。如上所述，光刻原理听起来其实不难，实践中难的是准确，要实现精确的光刻，就要求机器光学设计上提高分辨率。

　　中国科学院微电子研究所研究员邱俊解释，光有衍射效应，投影时边缘会变模糊，造成精度下降，有较大的投影误差。投影误差大就意味着，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分到底是一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。最终导致的结果是良率下降，芯片成本就会一路飙升。

　　而纳米压印技术主要使用的是电子衍射，克服了传统光科技的分辨率问题，因此能比传统光刻技术达到更大分辨率。此外纳米压印还有制造工艺简单、耗电量较低的优势，一台EUV 光刻机工作24 小时，耗电量能达到3 万度，纳米压印完全不是一个量级。

　　当然，分辨率固然重要，其他的优点也值得一提；可惜的是，纳米压印的缺点也很明显，是阻碍其进入主流芯片生产领域的最大障碍。

　　影响最大的缺点莫过于膜版的制作。在传统光刻机中，光掩膜板不和硅片直接接触，又是用光学投影倍缩到硅片上，因此光掩膜版可以按照4:1 的比例做成比较大的膜版。而纳米压印是“盖章”，必须要做到1:1 精确的膜版，这种高质量的压印模版跟造芯片难度一样，同样需要复杂的制备工艺，因此也有业内人士称其为“套娃”，是一种不必要的浪费。

　　另一个缺点是大规模生产中的成本问题。虽然机器和EUV 比起来不算贵，但是从芯片产出的良率和每小时产量来看，纳米压印可能会更“贵”。纳米压印每一次压印都需要经过喷涂滴状压印胶、定位、压模、光照固化再脱模，每一步都需要防止空气进入，还要确保压印瞬间对芯片局部加热，使纳米级形变过程中能严丝合缝地贴合掩膜版。

　　这一过程中其实在实际操作中更为繁琐，根据佳能员工对上一代纳米压印设备集群的论文数据显示，每小时纳米压印可以处理90 张硅片（90WPH），而ASML的1980Di 光刻机一小时的产量已经达到275 张以上。

　　产能短板之外，纳米压印的良率也值得关注。佳能曾经参与该项目的员工解释，任何物理接触施压都会造成产品和模板的变形，因此，图形复杂的一般性集成电路不适合这一技术，“你很难保证不同区域压印胶的填充和溢出率，而且膜版磨损得很快，就需要频繁更换，成本不见得低”。

　　替代路线没有“弯道超车”

　　无论业界怎么权衡，佳能对纳米压印技术的看重都是显而易见的。早在2004 年，佳能就开始秘密研发纳米压印技术，并于2014 年以1.5 亿美金收购了美国纳米压印公司Molecular Imprints，成为纳米压印技术的头部企业之一。这次佳能发布的纳米压印设备其实在2017 年就有了样机，并跟下游厂商东芝有过合作，这几年可能是把膜版寿命提高了不少，才选择现在正式发布。

　　佳能尤其关注纳米压印在存储和逻辑芯片的制造应用，这也跟自己在光刻机领域被压着打的现状有关。全球前道设备光刻机市场已基本被ASML、尼康、佳能所垄断，去年三家光刻机出货量达551 台，市场规模达189 亿美元，但这其中有345 台是来自ASML，ASML也占据了82% 以上的市场。

　　独占鳌头的ASML 也是唯一有顶级EUV 光刻机的供应商，其在EUV 上的成功，也彻底断绝了尼康、佳能一切冲击高端的企图。导致尼康现在只能定位于中高端，出货量远低于其他两家；佳能则选择在更低端的领域混口饭吃，主要做i-line、KrF 两类光刻机。

　　想要改变这一格局，佳能只能押注另一条并行的赛道。如今佳能在纳米压印领域的专利比ASML、台积电、三菱等企业加在一起还要多，足以证明其投入之大。

　　但是想成为主流光刻技术的替代路线，不是高投入就能“弯道超车”，还需要上游原料技术迭代、下游应用端等共同合作、打磨，最终才能有可靠而成熟的纳米压印产业。就像光刻机从造出来的那刻起，才算是来到真正的起点。

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