NIL大战EUV，纳米压印能否坐上光刻机的王座？

佳能近日爆出，将斥资超过500亿日元在日本栃木建立一家工厂，以扩大其现有用于芯片制造的光刻机的生产。 新工厂可能包括制造被称为“下一代光刻技术——纳米压印光刻”。这打响了光刻机变革的第一枪。

众所周知，在当前的芯片制造过程中，光刻是一个不可或缺的重要环节。而对于7纳米及以下的芯片制造，普遍使用都是EUV光刻机。EUV光刻机全球只有ASML一家企业能够生产。并且，随着半导体制造技术的发展，摩尔定律已经进入了2纳米领域，而EUV光刻的分辨率再次面临瓶颈。

全球都在铆足劲儿发展光刻机的大潮中。本次的新熟人纳米压印光刻是国产的另一种出路吗？

要想知道纳米压印光刻(简称NIL）能不能撼动EUV的地位，或者直接一点撼动ASML的地位。那么我们就不可能绕过光刻机的发展和原理。也相当于是ASML的发展历史。其中就会涉及到“亿”点点技术了。

1984年，由于财务状况不佳，飞利浦决定与其他公司合作接管其光刻机项目。荷兰的ASM公司创始人普拉多看到了这个机会，并积极寻求合作，ASML公司应运而生。当时，ASML市场份额为零，账户中也没有存款，被人嘲笑为“买杯咖啡就会破产”的公司。

然而，ASML的第一任CEO斯密特的远见改变了公司无人问津的境地。他断言，从LSI到VLSI的转变已近在眼前，晶体管尺寸将缩小到1/1000毫米以下，光刻机也需要适应6英寸晶圆的处理，而不再是4英寸。

两年后，他们成功推出了第二代产品电动晶圆台光刻机PAS 2500（此前第一代产品，只有飞利浦自家购买了），并将其卖给了当时的创业公司赛普拉斯。

在接下来的十多年里，ASML从最初默默无闻的小公司成长为台积电、IBM等公司的供应商。幸运与决心促使ASML抓住了超越对手的机会——加入EUV LLC联盟。这也是改变历史的决定。

研发过程中，ASML又一次做出与众不同的选择——放弃大家都在研究的干式光刻技术。把身家全部押在了台积电工程师林本坚提出的“浸润式”光刻技术上。接下来就是“亿”点点技术了。

所谓“浸润原理”类似于在晶圆光刻胶表面覆盖一层水。我们知道，水的折射率是1.44，假设光刻机波长为193nm。通过浸润原理，在不改变波长的情况下，相当于将193nm波长的光线在水中等效成134nm的波长。

这样一来，我们可以在不改变波长情况下，实现更高分辨率的图案绘制，为芯片制造带来了更精细的工艺能力。就像我们透过水中的景象看到了更清晰的细节一样，浸润原理让光刻机能够更准确地绘制出微小的芯片结构。

随后，ASML成为全球EUV光刻机市场的霸主。12年，英特尔、台积电和三星加入公司股权，得到这三家巨头的资金支持后，ASML不再担心资金链断裂的问题，从而有了“花费最多的钱，制造最先进的机器”的信心。

截至21年底，ASML共计拥有127台最新一代EUV光刻机供全球客户使用。这些设备被形容为“印钞机”。看完ASML（EUV）的逆袭史，人、资金、技术，缺一不可，而这也是NIL想把其拉下王位必不可少的环节。NIL够格吗？

纳米压印（NIL）作为一种微纳加工技术，原理类似于盖章制作芯片。其比光刻的起步晚，最早追述到90年代末，由华裔科学家周郁在1995年首次提出纳米压印概念。采用了传统机械模具的微复型原理，并能替代复杂的光学光刻技术。尽管纳米压印的名字听起来很高深，但原理实际上并不难理解。

并且，压印也是一种古老的图形转移技术了，最早可追溯到咱中国的活字印刷术。而纳米压印就是一种将图形特征尺寸缩小到几纳米至几百纳米的压印技术。

可以打个比方来说明NIL光刻制造芯片的过程，就像是使用印章。首先，在印章上刻上几纳米长度的电路结构（如栅极），然后将印章放在橡皮泥上，这样就能得到与印章相反的图案。再通过脱模的方式，就能得到一个芯片。在此过程中，印章被称为模板，橡皮泥则被称为纳米压印胶。

经过20多年的发展，NIL在晶圆级光学系统的制作中得到了广泛应用。它具有不同的压印方式，包括卷对卷和卷对晶圆。在集成电路制造背景下，主要采用母版对晶圆的压印方式，并可细分为紫外固化压印、微接触转移和热压印等方法。

NIL同时还具有广泛的应用领域，包括集成电路、存储、光学、生命科学、以及国防等领域。在芯片制造领域，不仅适用于各种集成电路的制造，还特别擅长用于3D NAND、DRAM等存储芯片。简单来说，NIL为存储芯片制造商提供了一种经济实惠且有效的解决方案。

对芯片来说，可以说光刻是制造过程中最重要、最复杂也最昂贵的工艺步骤，其成本占总生产成本的30%以上，且占据了将近50%的生产周期。迭代至今，行业正走向纳米的极限，而业界依赖的EUV光刻也存在其局限性。

首先，就是设备制造难度非常大，每年只能生产十几台，生产出来又将被台积电、三星电子和英特尔等公司瓜分。并且一台EUV设备的高度可达4到5米，重量接近180吨，拥有大约10万个零部件。

设备的曝光过程还需要在真空室中进行，并且需要精确控制温度，单位达到0.005℃。由于光学系统对污染物极其敏感，因此必须进行实时内部监控。由于这些特点，EUV的制造变得更加具有挑战性。可谓是金贵的印钞机。

再其次就是夸张的能耗了。EUV的使用和运行必须一直处于超高真空环境下。为了产生超短波长的EUV激光，需要使用体积巨大的高功率激光激发系统。为了达到商业化门槛的180W EUV激光能量，激发系统所需的功率可能超过上千千瓦。

据报道，台积电在21年消耗的电力相当于整个台湾的7.2%。其中，超过50台EUV光刻机消耗的电力占据了相当大的比例。既然，EUV有如此高门槛和高成本，且其自由度和定制化能力较弱。在面对这样的情况时，厂商有无考虑其他路线呢？

没有一种技术是全能的。对于市场规模较大的芯片行业而言，理想的光刻技术应具备低成本、高通量、小特征尺寸以及对材料和基材独立等特点。目前来看，NIL是距离EUV最近的那一个。

那难道NIL就很省电么？还真的是很省电！佳能的NIL设备FPA-1200NZ由FPA-1200升级而来，i line光源决定其能耗必然远低于EUV光刻机，略低于ArF浸润式光刻机。

除了让人怦然心动的低能耗外，其他性能指标也是相当优秀的。尽管在套刻精度和产出上略低于光学光刻机，但可以看出，其优势也是较为全面的。它不仅可以制造分辨率5nm以下的高分辨率图形，而且工艺相对简单。

NIL在每小时处理80片晶圆和80片晶圆掩模寿命下，相对于其他光刻工艺可降低28%的成本。随着吞吐量增加至每小时90片，并且掩模寿命超过300批次，成本可降低52%。此外，通过采用大场掩模来减少每片晶圆的曝光次数，还可以进一步降低成本。

并且，NIL的图形化过程是通过物理压印来实现的，因此处理独立线条、通孔和其他类似图形结构时，并不需要依赖复杂的OPC图形和照明条件。

相比之下，传统的光学光刻需要借助复杂的照明系统、波前畸变修正和光学偏正条件等来实现高精度的图形制造。光刻中常见的设计规则和限制对于NIL并不适用，使得整个光学系统可以极其简化。这种简化的光学系统和减少光罩数量带来了设备和光罩成本的大幅降低，都远低于EUV甚至传统DUV光刻。

据Yole统计，到24年，NIL的复合年增长率将超过20%，年收入约为1.45亿美元。当前，NIL技术主要应用于增强现实、3D传感和数据通信/电信等领域，这些领域对元件需要严格和复杂的要求。此外，在下一代3D NAND发展中，NIL也成了一种有竞争力的成本效益选择。

可是NIL很香，却也很难，虽然被人捧为行业的希望，但它也不是完美的技术，甚至存在许多致命的难题。EUV当前的王座还没有那么轻易被拉下。

产能问题是面临的主要挑战。佳能推出的FPA-1200NZ每小时生产124片晶圆，远远低于ASML的浸润式光刻机NXT2050的195片，甚至略低于EUV光刻机EXE3400。

尽管，为了提高产量，我们可以采用同时压印多个区域的方法，或者使用旋涂光阻来替代传统的点涂方式。目前已经实现接近170片的产能，但这种做法也存在一些问题，例如套刻精度和缺陷数量可能会受到影响。会牺牲一定的精确性和质量。

另外，套刻精度也是急需改善的方面。尽管佳能已经引入了HODC（高阶畸变补偿）功能来降低套刻误差，目前在每小时124片的产出工艺条件下，NIL的套刻精度可达到3nm以内。但是，每当提高产出至每小时170片后，其套刻精度就只有3.5nm。

与此相比，ASML NXT2050的单机套刻误差为2.5nm，而EXE3400则为1.5nm。因此，在套刻精度这一性能指标上，NIL技术仍有进一步提升的空间。

在母版制作方面，NIL也面临着与传统光刻不同的精度要求。尽管NIL母版无需单独制作OPC图形，并且无需使用昂贵的OMOG和EUV光罩，只需要普通的铬板光罩即可，但是对于相同尺寸的晶圆图形而言，NIL母版上的图形尺寸仅为光学光刻光罩的1/4。这意味着需要更高精度的设备来制作NIL母版。

此外，母版上的图形都制作在石英基板上，因此，无法使用刻蚀工艺的终点检测功能，必须依靠精密的刻蚀时间控制来完成图形制作，这也需要更多时间来摸索工艺窗口。类比一下，这就像核桃上雕刻，只能通过试错和经验来调整。

缺陷检测工艺也面临类似的问题。传统的光学缺陷检测方法使用的透射和反射信号无法准确分辨NIL母版表面的缺陷，这也给后续的检验和修复工作带来了新的挑战。

NIL设备的生产已经在日本、奥地利、美国等公司得到实现。其中一些纳米压印光刻设备已经支持15nm的制程。尽管整体趋势逐渐向好，但就目前而言，纳米压印市场的规模并没有达到人们最初的预期。

那么对国产来说，NIL会是可行之路吗，或许能在专利上看到一些趋势。在NIL专利方面，美国拥有全球45.1%的专利，数量达到699个。中国排名第二，但其专利总数不足美国的一半，占比为16.26%。日本和韩国分别位列第三和第四，在专利数量上分别占全球专利总数的13.35%和10.13%。

美国的NIL布局分布全球市场，而中国的专利技术则缺乏中国以外的市场。虽然国内专利总数稍有领先，但整体申请较为分散，而国际上美日企业则集中度较高，单个公司专利数量大，国内后进者或面临专利墙风险。

与EUV在量产前面临一系列问题类似，NIL在被先进晶圆厂广泛接受之前也要解决一系列问题。对于国产领域而言，不仅需要应对国际上存在的NIL上的瓶颈，还需要解决与NIL相关的配套工艺、设备和材料等问题。这些问题对于国内产业的发展来说都是具有挑战性的。

信号穿梭于文字之间，抒发着这项技术的艰辛与挑战。未来的彼岸，当光学光刻跌入困顿的泥沼时，纳米压印光刻是否成为兼顾优秀图形化性能表现和低碳制造的角色带领我们走上道路，拭目以待。