挑戰EUV光刻？NIL靠譜嗎！

當制程發(fā)展到7nm后，必須要用到EUV(極紫外線(xiàn))光刻機，這種光刻機只有ASML能夠生產(chǎn)，且產(chǎn)能有限，廠(chǎng)商們要買(mǎi)到，并不容易，且ASML要優(yōu)先供應臺積電、三星、英特爾這三家股東。

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

EUV設備克服了這一限制。EUV的波長(cháng)為13.5nm，可以實(shí)現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)增加供應來(lái)平衡。然而，EUV設備開(kāi)發(fā)難度很大，一年只能生產(chǎn)十幾臺，ASML今年要生產(chǎn)的EUV設備數量約為40臺。這40臺被臺積電、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(xiàn)。
一臺EUV設備的高度可以達到4到5米，重量接近180噸。這樣的高科技設備，其中的零部件數量也是巨大的，大約有10萬(wàn)個(gè)。EUV設備曝光是在真空室中完成的。還需要以0.005℃為單位精細控制溫度的技術(shù)。由于光學(xué)系統對污染物非常敏感，因此還必須實(shí)時(shí)進(jìn)行內部監控。由于這些特點(diǎn)，生產(chǎn)EUV設備并不容易。
EUV 設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 是絕對必要的。當NA值高時(shí)，分辨率提高，光線(xiàn)變得更清晰，可以實(shí)現更精細的半導體電路。正是出于這個(gè)原因，ASML 收購了全球光學(xué)公司蔡司的股份。
目前，EUV設備N(xiāo)A值為0.33。ASML 計劃通過(guò)研發(fā)將下一代 EUV 設備的 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的電路實(shí)現。ASML 計劃在 2023 年推出基于高數值孔徑的 EUV 設備原型。下一代EUV設備的開(kāi)發(fā)有望進(jìn)一步鞏固其在微納制程半導體曝光設備市場(chǎng)的壟斷地位。
隨著(zhù)半導體制造商將基礎設施轉向EUV設備，需求猛增，但供應卻跟不上。即使有生產(chǎn)目標，不能按時(shí)交貨也是很常見(jiàn)的。即便是現在，如果要采購ASML EUV設備，也要等上一年多。
通常，一臺EUV 設備的價(jià)格在1億至2億美元之間。雖然非常貴，但半導體廠(chǎng)商即使付出更多，也想盡快拿到EUV設備。

由于EUV設備太過(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，能不能生產(chǎn)7nm及以下的芯片？事實(shí)上，也有廠(chǎng)商是這么想并打算這么干的，因為通過(guò)DUV光刻機進(jìn)行多重曝光，理論上也能達到7nm。但這種辦法非常復雜，對技術(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，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)競爭力。

納米壓印光刻 (NIL)、定向自組裝 (DSA) 和等離子激光等技術(shù)被認為是EUV的替代品。NIL 是一種將納米圖案印章轉移到晶圓上的方法，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，因為它不使用鏡頭。佳能等廠(chǎng)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)獲得精細圖案的技術(shù)。由于不使用掩模，可以減少工藝數量，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)被認為是一種替代方案，因為它具有自由改變電路圖案的能力。然而，它仍達不到 EUV的效果。
總體來(lái)看，NIL是一個(gè)不錯的發(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(xiàn)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，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 基于機械復制，不受光學(xué)衍射的限制。它可以潛在地實(shí)現低于 5nm 的分辨率，并且以非常低的成本實(shí)現非常好的關(guān)鍵缺陷 (CD) 控制。由于其優(yōu)異的性能，NIL 可以滿(mǎn)足廣泛的半導體應用。它可以大幅度降低光刻成本，可與EUV一戰。
據Yole統計，NIL設備復合年增長(cháng)率將超過(guò) 20%，到 2024 年生產(chǎn)的年收入將達到約 1.45 億美元。目前，NIL主要用于增強現實(shí)、3D傳感和數據通信/電信中需要嚴格和復雜模式的光學(xué)光子元件。同時(shí)，NIL工藝也引起了存儲器廠(chǎng)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，對于下一代 3D NAND 存儲器，NIL是非常有競爭力的成本效益選擇。

NIL 供應商在每個(gè)特征尺寸范圍內都有一個(gè)明顯的領(lǐng)導者。在納米范圍內，EVG 占主導地位，尤其是在衍射光學(xué)元件 (DOE) 中。SUSS MicroTec 在微尺度范圍內占據了強大的市場(chǎng)份額。
下面看一下NIL的技術(shù)細節。
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構作為模板。由于電子的衍射極限遠小于光子，因此可以達到遠高于光刻的分辨率。
NIL制造設備利用圖案化技術(shù)，涉及現場(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(xiàn)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)地再現圖案。此外，由于這項技術(shù)不需要先進(jìn)光刻設備所需的一系列寬直徑鏡頭和昂貴的光源，NIL 設備實(shí)現了更簡(jiǎn)單、更緊湊的設計，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)鍵內存級別。此外，僅在必要時(shí)才使用抗蝕劑，從而消除材料浪費。鑒于壓印系統中沒(méi)有復雜的光學(xué)器件，當與簡(jiǎn)單的單級處理和零浪費相結合時(shí)，工具成本的降低使其成本模型非常適用于半導體存儲器應用。
DRAM 和相變存儲器等高級存儲器具有挑戰性，因為這些設備的路線(xiàn)圖要求持續縮放，達到14nm，甚至更先進(jìn)制程?？s放也會(huì )影響覆蓋預算。例如，對于 DRAM，某些關(guān)鍵層上的疊加比 NAND 閃存緊密得多，誤差預算為最小半間距的 15-20%。對于 14nm，這意味著(zhù) 2.1nm - 2.8nm。DRAM 器件設計也具有挑戰性，并且布局并不總是有利于間距劃分方法，例如自對準雙圖案化 (SADP) 和自對準四重圖案化 (SAQP)。這使得直接印刷工藝NIL成為一種很有競爭力的解決方案。

日本存儲器大廠(chǎng)鎧俠（Kioxia）與佳能，以及光罩/半導體廠(chǎng)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，鎧俠已將其應用到了15nm的NAND閃存制造上，并表示到2025年應該可以應用到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，轉化效率高，耗電量可壓低至EUV 技術(shù)的10%，同時(shí)，NIL設備也很便宜，投資可降低至EUV光刻機的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(chǎng)商之一的佳能，則表示要努力將NIL 量產(chǎn)技術(shù)廣泛應用于制造DRAM 及PC 用的CPU 等邏輯芯片的設備上。