芯片制造離不開(kāi)光刻機(jī)，且制程越先進(jìn),，其重要性越凸出,，占芯片制造總成本比例也越高,，總體來(lái)看，光刻機(jī)的成本占總設(shè)備成本的30%,。

　　當(dāng)制程發(fā)展到7nm后,，必須要用到EUV（極紫外線）光刻機(jī)，這種光刻機(jī)只有ASML能夠生產(chǎn),，且產(chǎn)能有限,，廠商們要買(mǎi)到，并不容易,，且ASML要優(yōu)先供應(yīng)臺(tái)積電,、三星、英特爾這三家股東,。

　　難以逾越的EUV

　　EUV是一種曝光設(shè)備,，它可以根據(jù)發(fā)出的光的種類(lèi)減少工序數(shù)量并節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料氟化氬具有193nm的光波長(zhǎng),。波長(zhǎng)越短,，可以雕刻出更精細(xì)的電路。使用氟化氬,，以某種方式可以實(shí)現(xiàn)7nm的制程工藝,。但在這之下就很難了。由于臺(tái)積電,、三星等主要代工企業(yè)已達(dá)到5nm及以下的工藝,，氟化氬曝光設(shè)備面臨限制。

　　EUV設(shè)備克服了這一限制,。EUV的波長(zhǎng)為13.5nm,，可以實(shí)現(xiàn)5nm以下的工藝。因此,，全球生產(chǎn)先進(jìn)制程（10nm以下）的芯片代工企業(yè)都在努力引進(jìn) EUV 設(shè)備,，這使得EUV供給非常緊張。如果有需求,，可以通過(guò)增加供應(yīng)來(lái)平衡,。然而，EUV設(shè)備開(kāi)發(fā)難度很大,，一年只能生產(chǎn)十幾臺(tái),，ASML今年要生產(chǎn)的EUV設(shè)備數(shù)量約為40臺(tái),。這40臺(tái)被臺(tái)積電,、三星電子和英特爾瓜分。2019年,，EUV占ASML銷(xiāo)售額的31%,，但到2020年,，就占到了43%，成為最“賺錢(qián)”的產(chǎn)品線,。

　　一臺(tái)EUV設(shè)備的高度可以達(dá)到4到5米,，重量接近180噸。這樣的高科技設(shè)備,，其中的零部件數(shù)量也是巨大的,，大約有10萬(wàn)個(gè)。EUV設(shè)備曝光是在真空室中完成的,。還需要以0.005℃為單位精細(xì)控制溫度的技術(shù),。由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)污染物非常敏感，因此還必須實(shí)時(shí)進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)控,。由于這些特點(diǎn),，生產(chǎn)EUV設(shè)備并不容易。

　　EUV 設(shè)備的性能取決于鏡頭和反射鏡的分辨率,。分辨率通常與鏡頭像差 （NA） 成正比,。出于這個(gè)原因，努力增加 NA 是絕對(duì)必要的,。當(dāng)NA值高時(shí),，分辨率提高，光線變得更清晰,，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的半導(dǎo)體電路,。正是出于這個(gè)原因，ASML 收購(gòu)了全球光學(xué)公司蔡司的股份,。

　　目前,，EUV設(shè)備N(xiāo)A值為0.33。ASML 計(jì)劃通過(guò)研發(fā)將下一代 EUV 設(shè)備的 NA 提高到 0.55,。這稱(chēng)為高NA,。高 NA 可最大限度地減少光失真并允許更精細(xì)的電路實(shí)現(xiàn)。ASML 計(jì)劃在 2023 年推出基于高數(shù)值孔徑的 EUV 設(shè)備原型,。下一代EUV設(shè)備的開(kāi)發(fā)有望進(jìn)一步鞏固其在微納制程半導(dǎo)體曝光設(shè)備市場(chǎng)的壟斷地位,。

　　隨著半導(dǎo)體制造商將基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)向EUV設(shè)備，需求猛增,，但供應(yīng)卻跟不上,。即使有生產(chǎn)目標(biāo)，不能按時(shí)交貨也是很常見(jiàn)的,。即便是現(xiàn)在,，如果要采購(gòu)ASML EUV設(shè)備，也要等上一年多,。

　　通常,，一臺(tái)EUV 設(shè)備的價(jià)格在1億至2億美元之間,。雖然非常貴，但半導(dǎo)體廠商即使付出更多,，也想盡快拿到EUV設(shè)備,。

　　NIL比拼EUV

　　由于EUV設(shè)備太過(guò)昂貴，且生產(chǎn)難度很高,，近些年,，業(yè)界一直在尋找其它辦法，不用EUV光刻機(jī),，能不能生產(chǎn)7nm及以下的芯片,？事實(shí)上，也有廠商是這么想并打算這么干的,，因?yàn)橥ㄟ^(guò)DUV光刻機(jī)進(jìn)行多重曝光,，理論上也能達(dá)到7nm。但這種辦法非常復(fù)雜,，對(duì)技術(shù)要求非常高,，同時(shí)良率低，晶圓的損耗比較大,，所以如果能夠買(mǎi)到EUV光刻機(jī),，就不可能用這種辦法，這種辦法生產(chǎn)出來(lái)的芯片,，完全沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。

　　納米壓印光刻 （NIL）、定向自組裝 （DSA） 和等離子激光等技術(shù)被認(rèn)為是EUV的替代品,。NIL 是一種將納米圖案印章轉(zhuǎn)移到晶圓上的方法,，就像它被涂漆一樣。它被提出作為一種繪制 32nm 以下電路的方法,。它比 EUV 更經(jīng)濟(jì),，因?yàn)樗皇褂苗R頭。佳能等廠商在 EUV 研發(fā)如火如荼的時(shí)候就開(kāi)始開(kāi)發(fā) NIL,。

　　DSA是一種通過(guò)將具有不同特性的聚合物合成為單個(gè)分子,，將其涂覆在晶圓上并加熱來(lái)獲得精細(xì)圖案的技術(shù)。由于不使用掩模,，可以減少工藝數(shù)量,，從而可以降低成本。然而,，就所使用的技術(shù)而言,，它不如 NIL。此外，無(wú)掩模等離子激光納米技術(shù)被認(rèn)為是一種替代方案,，因?yàn)樗哂凶杂筛淖冸娐穲D案的能力,。然而,，它仍達(dá)不到 EUV的效果,。

　　總體來(lái)看，NIL是一個(gè)不錯(cuò)的發(fā)展方向,。

　　NIL技術(shù)比光刻的起步晚,，最早追述到上個(gè)世紀(jì)末，由華裔科學(xué)家周郁（Stephen Chou）教授在1995年首次提出納米壓印概念,。該技術(shù)將微電子加工工藝融合于印刷技術(shù)中,，解決了光學(xué)曝光技術(shù)中光衍射現(xiàn)象造成的分辨率極限問(wèn)題，因此理論上具備比光刻更高的分辨率,，可生產(chǎn)出電路線寬更窄的器件,。除此之外，高效率,、低成本,、適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，也使得NIL一直受到業(yè)界的重視,，被稱(chēng)為是微納加工領(lǐng)域中第三代最有前景的光刻技術(shù)之一,。

　　NIL 基于機(jī)械復(fù)制，不受光學(xué)衍射的限制,。它可以潛在地實(shí)現(xiàn)低于 5nm 的分辨率,，并且以非常低的成本實(shí)現(xiàn)非常好的關(guān)鍵缺陷 （CD） 控制。由于其優(yōu)異的性能,，NIL 可以滿(mǎn)足廣泛的半導(dǎo)體應(yīng)用,。它可以大幅度降低光刻成本，可與EUV一戰(zhàn),。

　　圖：EUV與NIL的對(duì)比（來(lái)源：DIGITIMES）

　　據(jù)Yole統(tǒng)計(jì),，NIL設(shè)備復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò) 20%，到 2024 年生產(chǎn)的年收入將達(dá)到約 1.45 億美元,。目前,，NIL主要用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D傳感和數(shù)據(jù)通信/電信中需要嚴(yán)格和復(fù)雜模式的光學(xué)光子元件,。同時(shí),，NIL工藝也引起了存儲(chǔ)器廠商的興趣，特別是20nm以下先進(jìn)制程,，目前的光刻方案成本太高,。因此，對(duì)于下一代 3D NAND 存儲(chǔ)器，NIL是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的成本效益選擇,。

　　NIL 供應(yīng)商在每個(gè)特征尺寸范圍內(nèi)都有一個(gè)明顯的領(lǐng)導(dǎo)者,。在納米范圍內(nèi)，EVG 占主導(dǎo)地位,，尤其是在衍射光學(xué)元件 （DOE） 中,。SUSS MicroTec 在微尺度范圍內(nèi)占據(jù)了強(qiáng)大的市場(chǎng)份額。

　　下面看一下NIL的技術(shù)細(xì)節(jié),。

　　一般情況下,，NIL使用電子束刻蝕等手段，在襯底上加工出所需要的結(jié)構(gòu)作為模板,。由于電子的衍射極限遠(yuǎn)小于光子,，因此可以達(dá)到遠(yuǎn)高于光刻的分辨率。

　　NIL制造設(shè)備利用圖案化技術(shù),，涉及現(xiàn)場(chǎng)/逐場(chǎng)/單次沉積和通過(guò)噴射技術(shù)沉積到基板上的低粘度抗蝕劑的曝光,。帶圖案的掩模下降到流體中，然后通過(guò)毛細(xì)作用迅速流入掩模中的浮雕圖案,。在此填充步驟之后,，抗蝕劑在紫外線輻射下交聯(lián)，然后去除掩模,，在基板上留下圖案化抗蝕劑,。

　　與EUV光刻設(shè)備產(chǎn)生的圖案相比，NIL以更高的分辨率和更高的均勻性忠實(shí)地再現(xiàn)圖案,。此外,，由于這項(xiàng)技術(shù)不需要先進(jìn)光刻設(shè)備所需的一系列寬直徑鏡頭和昂貴的光源，NIL 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單,、更緊湊的設(shè)計(jì),，允許將多個(gè)單元聚集在一起，以提高生產(chǎn)力,。

　　研究已經(jīng)證明 NIL 分辨率優(yōu)于 10nm,，使該技術(shù)適用于使用單個(gè)掩模打印幾代關(guān)鍵內(nèi)存級(jí)別。此外,，僅在必要時(shí)才使用抗蝕劑,，從而消除材料浪費(fèi)。鑒于壓印系統(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的光學(xué)器件,，當(dāng)與簡(jiǎn)單的單級(jí)處理和零浪費(fèi)相結(jié)合時(shí),，工具成本的降低使其成本模型非常適用于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器應(yīng)用。

　　DRAM 和相變存儲(chǔ)器等高級(jí)存儲(chǔ)器具有挑戰(zhàn)性,，因?yàn)檫@些設(shè)備的路線圖要求持續(xù)縮放,，達(dá)到14nm,，甚至更先進(jìn)制程?？s放也會(huì)影響覆蓋預(yù)算,。例如，對(duì)于 DRAM,，某些關(guān)鍵層上的疊加比 NAND 閃存緊密得多,，誤差預(yù)算為最小半間距的 15-20%。對(duì)于 14nm,，這意味著 2.1nm - 2.8nm,。DRAM 器件設(shè)計(jì)也具有挑戰(zhàn)性,，并且布局并不總是有利于間距劃分方法,，例如自對(duì)準(zhǔn)雙圖案化 （SADP） 和自對(duì)準(zhǔn)四重圖案化 （SAQP）。這使得直接印刷工藝NIL成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案

　　NIL的進(jìn)展

　　日本存儲(chǔ)器大廠鎧俠（Kioxia）與佳能,，以及光罩/半導(dǎo)體廠商大日本印刷株式會(huì)社（DNP）,，經(jīng)過(guò)了4年的研發(fā)，于近期研發(fā)出了NIL的量產(chǎn)技術(shù),。

　　目前,，鎧俠已將其應(yīng)用到了15nm的NAND閃存制造上，并表示到2025年應(yīng)該可以應(yīng)用到5nm的芯片制造上,。

　　鎧俠表示,，NIL 技術(shù)與EUV光刻技術(shù)相比，可以大幅度的減少能耗,，轉(zhuǎn)化效率高,，耗電量可壓低至EUV 技術(shù)的10%，同時(shí),，NIL設(shè)備也很便宜,，投資可降低至EUV光刻機(jī)的40%。

　　有專(zhuān)業(yè)人士指出,，NIL技術(shù)也許能夠推進(jìn)芯片制程至5nm,，但可能更適應(yīng)于NAND這種3D堆疊的閃存芯片，不一定適用于所有芯片,。

　　合作廠商之一的佳能,，則表示要努力將NIL 量產(chǎn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造DRAM 及PC 用的CPU 等邏輯芯片的設(shè)備上。