繞過光刻機實現先進制程有沒有可能？佳能的成果讓我們看到希望

目前也是全球曝光機生產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）半導體制造設備之后，日前Canon首席執行官御手洗富士夫表示，該公司的新納米壓印技術將為小型半導體制造商生產先進芯片開辟一條道路，不讓生產先進芯片的技術只有全球大型半導體制造商所獨享。

Canon半導體設備業務部長巖本和德表示，納米壓印技術就是把印有半導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雜的2D或3D電路圖。如果改進光罩，甚至可以生產2納米先進制程的芯片。目前，Canon的納米壓印技術可以生產最小5納米制程節點邏輯半導體。現階段，5納米制程的先進半導體制造設備市場由ASML的EUV曝光機所主導，Canon的納米壓印技術或許將有機會幫助Canon縮小其與ASML的差距。

在設備成本方面，巖本和德表示，客戶的成本因條件而異，據估算一次壓印工序需要的成本有時能降至傳統曝光設備工序的一半。而且，因為納米壓印設備的規模較小，在研發等用途方面也容易引進。御手洗富士夫先前曾表示，該公司的納米壓印設備產品的價格將比ASML的EUV設備減少一個零。不過，當前設備的最終的定價還沒有確認。

而在在客戶方面，Canon表示目前收到了半導體廠商、大學、研究所的很多詢問，以期待作為EUV設備的替代產品，使納米壓印設備備受期待。預計，該設備將可用于閃存、個人計算機用DRAM，以及邏輯等多種半導體生產用途上。


什么是納米壓印技術？與傳統光刻技術有何不同？

我們知道，傳統光刻芯片制造需要使用光刻膠和光刻機進行圖像的雕刻和轉移，簡單來說，就是利用強光在晶圓上燒刻電路，而納米壓印技術的原理就是像印章一樣壓印原版。

簡單來說，納米壓印就是把半導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雜的二維或者三維電路，完成電路圖的轉移。

相比傳統光刻，納米壓印技術不需要復雜的光路系統和昂貴的光源，可以大幅降低制造成本。其次，該技術只要預先在掩膜上制作好圖案，即使是復雜結構也能一次性形成，也避免了傳統光刻工藝中的多次重復曝光，工藝更加簡單。

其三，不同于光刻機用的掩膜版圖案設計，納米壓印的圖案尺寸完全由模板上的圖案決定，不會受到傳統光刻膠技術中光源波長、光學衍射的限制和影響。

當然目前的挑戰也存在于幾個方面，首先是良品率較低，由于是晶圓與掩膜直接接觸，容易出現電路上混入細小垃圾與灰塵，這對制造技術與環境提出了很大的挑戰。

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精準對準與貼合也是復雜的挑戰，現有納米壓印設備在平行與垂直對準方面缺少高精密的調準機構。據了解，在這方面，奧地利設備廠商EV Group在納米壓印技術上走在行業前列，旗下納米壓印系統結合了調準平臺改進、高精度光學、多點間隙控制、非接觸式間隙測量和多點力控制等技術，有著業內領先的調準精度。

但這些問題不僅是納米壓印的問題，也是傳統光刻機需要面對的問題，未來能解決到哪一步，決定了這項技術的顛覆性前景有多大。

目前在低調研發納米壓印技術的主要是中國與日本。市面上也一直有佳能將納米壓印技術用于量產存儲芯片的新聞，預計到2025年，佳能將進一步研發出生產2納米芯片的設備。

在國內，在納米壓印賽道上布局的企業有青島天仁微納等多家企業。

目前，華為投資的天仁微納已經研發出了多款高精度紫外納米壓印設備。官網顯示，其納米壓印設備已經可以在150/300mm基底面積上實現高精度（優于10nm ），也就是說實際精度已經達到了10nm級別。

繞開EUV光刻，國產的納米壓印技術也已經能看到曙光了。

光刻工藝技術

光刻工藝，雖然可能不為大多數人所熟知，但卻是現代科技和電子工業的關鍵支柱之一。它是一種復雜而精密的工藝，用于將微小的電路圖案精確地刻寫在半導體材料上，從而制造出強大的微處理器、存儲器芯片、傳感器和其他半導體設備。此外，光刻工藝也在光子學、光電子學、微納米技術、生物醫學和許多其他領域中發揮著關鍵作用。


1 基本原理

光刻工藝的基本原理涉及以下關鍵概念：

掩模（Photomask）：控制最終圖案的重要元素之一。掩模是一個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。這個圖案是通過計算機輔助設計（CAD）軟件創建的，并在光刻工藝中用于投影。

光源：光刻機器的關鍵部分之一。通常使用紫外線（UV）光源，因為其波長較短，可實現更高的分辨率。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：光刻工藝的目標是將掩模上的圖案復制到硅晶圓上。為了實現這一點，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器上的光源照射改變其化學性質。


2 光刻工藝步驟

光刻工藝通常包括以下步驟：

準備硅晶圓：首先，硅晶圓被準備好，通常是通過化學清洗和其他預處理步驟，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行化學反應。

掩模對準：光刻機器確保掩模和硅晶圓對準，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生化學反應，其性質發生變化。

光刻膠開發：接下來，硅晶圓被放入一種特殊的溶液中，稱為開發液。開發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。

后續處理：根據特定的應用需求，硅晶圓可能需要進一步的化學或物理處理步驟，如腐蝕、離子注入或金屬沉積。

這些步驟的重復和組合，允許在硅晶圓上創建復雜的微細電路圖案，這些圖案構成了現代電子設備的核心組件。

光刻機器的關鍵功能是通過控制光源、掩模和光敏化層的互動來實現精確的圖案轉移。掩模的選用和制備、光源的穩定性以及光刻膠的性能都對最終的圖案質量和分辨率產生重要影響。精確的對準和光學系統的性能也是確保成功的關鍵因素。光刻工藝的精確性和復雜性使其成為半導體制造中不可或缺的一環。


光刻技術的演進

1、極紫外光刻（EUV）技術

極紫外光刻（EUV）技術是光刻領域的一項重大突破，它采用極短波長的光源，通常是13.5納米的極紫外光，以替代傳統的紫外光刻技術。EUV技術對現代半導體制造產生了深遠的影響：


逾越分辨率限制

EUV技術的最大優勢之一是其更短的波長，使得可以實現更小尺寸的圖案。這突破了傳統紫外光刻技術的分辨率限制，使半導體芯片的制程更加精細，能夠容納更多的晶體管和其他電子元件。


提高生產效率

相較于傳統的多次曝光工藝，EUV技術能夠實現單次曝光，大大提高了生產效率。這對于制造大規模集成電路非常重要，因為它可以減少制造時間和成本。

芯片性能的提升

EUV技術不僅可以實現更小的尺寸，還能夠實現更復雜的電路設計，提高了芯片的性能。這對于滿足高性能計算和人工智能等領域的需求至關重要。


2、多層光刻技術（ML2）

多層光刻技術（ML2）是另一個引人矚目的新興光刻技術，旨在進一步突破分辨率限制并推動半導體制造的發展。以下是ML2技術的主要突破：


多次曝光與多層堆疊

ML2技術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，以實現更高分辨率的電路圖案。這種方法可以繞過傳統光刻技術的分辨率限制，創造出更小而更復雜的電子元件。


降低制程復雜度

ML2技術的另一個優勢是它可以減少制程的復雜性，因為它不需要使用超高分辨率的光刻機器。這降低了制造成本，同時提高了生產效率。


未來潛力

盡管ML2技術仍處于研究和開發階段，但它具有巨大的潛力，可以推動半導體工業進一步向前發展。隨著ML2技術的成熟，我們可以期待看到更小、更強大的芯片，這將有助于滿足未來科技的需求。

總的來說，極紫外光刻（EUV）技術和多層光刻技術（ML2）代表了光刻工藝的新發展，它們在半導體制造中突破了傳統技術的限制，為電子設備的不斷進化提供了新的可能性。這些技術的引入將繼續推動半導體工業的快速發展，從而滿足日益增長的技術需求。