突破EUV的替代方案：納米壓印

佳能擴建光刻機工廠

日前，佳能宣布投資500億日元，約合25.6億人民幣，新建一座光刻機廠。佳能旗下有兩座光刻機工廠，主要生產(chǎn)用于制造汽車控制芯片的光刻機。

2021年，全球共出售478臺光刻機，其中龍頭阿斯麥賣出了309臺，佳能賣出了140臺，排名第二。

這次建廠，是佳能21年來第一次擴建光刻機工廠。新工廠預(yù)計2025年投產(chǎn)。到時，佳能的產(chǎn)能會提高到現(xiàn)在的兩倍，也就是年產(chǎn)280臺光刻機。

擴建光刻機工廠？當(dāng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨產(chǎn)能過剩，就連長期供不應(yīng)求的臺積電，也準(zhǔn)備關(guān)閉4臺光刻機，給部分員工放假。其他廠商情況也類似，為什么佳能還要增加光刻機的產(chǎn)能？

佳能瞄準(zhǔn)中國這個大市場

近些年，半導(dǎo)體行業(yè)有一個顯著的變化，就是從一個全球分工的產(chǎn)業(yè)，變成區(qū)域自主產(chǎn)業(yè)。全球總產(chǎn)能過剩，但中國、歐洲、美國都在發(fā)展自己的半導(dǎo)體產(chǎn)線。

尤其是中國，芯片企業(yè)的數(shù)量持續(xù)大漲，對光刻機的需求只增不減。佳能的光刻機主要用于生產(chǎn)14納米以上的成熟制程芯片，正好符合中國市場的需求。

當(dāng)然，佳能不單單是為了拿下中國市場。它還有一個更宏大的目標(biāo)，就是開拓下一代光刻技術(shù)，實現(xiàn)對阿斯麥的“彎道超車”。

因為，最先進的EUV極紫外光刻機，只有阿斯麥一家能提供。

2022年9月，阿斯麥還推出了EUV光刻機的進階版本（High-NA），把原來的0.33光圈鏡頭變成分辨率更高的0.55光圈，進一步提高了生產(chǎn)精度，臺積電打算用它來生產(chǎn)2納米的芯片。在阿斯麥的規(guī)劃中，它過幾年還要推出支持1納米的光刻機。

但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，阿斯麥的這個構(gòu)想恐怕難以實現(xiàn)。阿斯麥的技術(shù)高管也表示，今年推出的這一代，很可能就是EUV技術(shù)的終點。

一方面，光刻機已經(jīng)在制程精度上逼近極限，技術(shù)突破越來越難。

另一方面，商業(yè)落地也是個大問題，這版新光刻機一臺造價就高達4億美元，到了下一代，只會更高。

三種替代方案

方案一：電子束光刻技術(shù)。

光刻機的突破，主要在于使用波長更短的光源。阿斯麥花了20年，才從193納米的深紫外光，突破到13.5納米的極紫外光。

而電子束光刻技術(shù)，拋開了光源的限制，用高能電子束來替代光。電子對應(yīng)的波長只有0.04納米，加工精度就比EUV又高了不少。

不過，電子束光刻的限制在于速度慢。EUV光刻機能一次性把圖案鋪滿整個硅片，一小時能生產(chǎn)200片。

而電子束光刻，只能一點一點地寫入圖案，用在量產(chǎn)上就太慢了。目前它主要用在量子計算芯片、超表面芯片這樣的高精度小批量芯片中。

方案二：自組裝光刻技術(shù)。

芯片雖然精細(xì)，但有很多結(jié)構(gòu)是周期性重復(fù)的。研究者認(rèn)為，與其精細(xì)地刻蝕這些重復(fù)的圖案，不如想辦法讓材料自己形成需要的圖案。

這就是自組裝技術(shù)，誘導(dǎo)光刻材料在硅片上自發(fā)組成我們需要的結(jié)構(gòu)。

比如，找到兩種化學(xué)性質(zhì)不同的聚合物鏈條，把它們組合在一起，鏈條上相似的化合物會粘在一起，互斥的化合物會彼此遠離。讓大量鏈條聚集在一起，它們經(jīng)過移動就會形成特定的形狀。

這種方式比傳統(tǒng)光刻分辨率更高，加工速度也不受影響，但它對材料控制的要求特別高，還處在實驗室階段。

比利時微電子中心、麻省理工學(xué)院等機構(gòu)都建立了自組裝產(chǎn)線，研究它的具體工藝。

方案三：納米壓印光刻技術(shù)。

1995年，華裔科學(xué)家周郁最早提出這個概念。它的工藝是，先在模具上刻上納米電路的圖案，再把這個圖案像蓋章一樣壓在硅片的感光材料上，同時用紫外線照射，就能完成轉(zhuǎn)印。這種機械復(fù)制的方法，不受光學(xué)衍射的影響，理論上可以達到2納米的分辨率。

和EUV比，納米壓印的成本優(yōu)勢很突出，整套設(shè)備的價格不到EUV光刻機的一半。而且，EUV光刻機一年要用掉一千萬度電，而納米壓印設(shè)備只需要十分之一。

佳能押注的下一代光刻技術(shù)，正是納米壓印。這也被認(rèn)為是最有可能替代EUV的技術(shù)。

佳能目前量產(chǎn)的納米壓印設(shè)備，能用于生產(chǎn)15納米的芯片，預(yù)計到2025年，能進一步研發(fā)出生產(chǎn)5納米芯片的設(shè)備。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前線，各大芯片廠商忙著在芯片制程上向摩爾定律的極限逼近，在后方的光刻技術(shù)上，人們也在想盡辦法從光源的限制中突圍。