芯片制造離不開光刻機,，且制程越先進,，其重要性越凸出,，占芯片制造總成本比例也越高，總體來看,，光刻機的成本占總設(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,，這種光刻機只有ASML能夠生產(chǎn),，且產(chǎn)能有限，廠商們要買到,，并不容易,，且ASML要優(yōu)先供應(yīng)臺積電、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)出的光的種類減少工序數(shù)量并節(jié)省時間和金錢?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體材料氟化氬具有193nm的光波長,。波長越短，可以雕刻出更精細(xì)的電路,。使用氟化氬,，以某種方式可以實現(xiàn)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(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的波長為13.5nm，可以實現(xiàn)5nm以下的工藝,。因此,，全球生產(chǎn)先進制程（10nm以下）的芯片代工企業(yè)都在努力引進 EUV 設(shè)備，這使得EUV供給非常緊張,。如果有需求,，可以通過增加供應(yīng)來平衡。然而,，EUV設(shè)備開發(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(shè)備數(shù)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銷售額的31%,，但到2020年，就占到了43%,，成為最“賺錢”的產(chǎn)品線,。

　　一臺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10萬個,。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)對污染物非常敏感,，因此還必須實時進行內(nèi)部監(jiān)控,。由于這些特點，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。出于這個原因,，努力增加 NA 是絕對必要的,。當(dāng)NA值高時，分辨率提高,，光線變得更清晰,，可以實現(xiàn)更精細(xì)的半導(dǎo)體電路。正是出于這個原因,，ASML 收購了全球光學(xué)公司蔡司的股份,。

　　目前，EUV設(shè)備NA值為0.33,。ASML 計劃通過研發(fā)將下一代 EUV 設(shè)備的 NA 提高到 0.55,。這稱為高NA。高 NA 可最大限度地減少光失真并允許更精細(xì)的電路實現(xiàn),。ASML 計劃在 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)備的開發(fā)有望進一步鞏固其在微納制程半導(dǎo)體曝光設(shè)備市場的壟斷地位。

　　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),，不能按時交貨也是很常見的,。即便是現(xiàn)在，如果要采購ASML EUV設(shè)備，也要等上一年多,。

　　通常,，一臺EUV 設(shè)備的價格在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？事實上,，也有廠商是這么想并打算這么干的,，因為通過DUV光刻機進行多重曝光，理論上也能達(dá)到7nm,。但這種辦法非常復(fù)雜,，對技術(shù)要求非常高，同時良率低,，晶圓的損耗比較大,，所以如果能夠買到EUV光刻機，就不可能用這種辦法,，這種辦法生產(chǎn)出來的芯片,，完全沒有市場競爭力。

　　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(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，因為它不使用鏡頭,。佳能等廠商在 EUV 研發(fā)如火如荼的時候就開始開發(fā) NIL,。

　　DSA是一種通過將具有不同特性的聚合物合成為單個分子，將其涂覆在晶圓上并加熱來獲得精細(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,，無掩模等離子激光納米技術(shù)被認(rèn)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(dá)不到 EUV的效果,。

　　總體來看，NIL是一個不錯的發(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,，也使得NIL一直受到業(yè)界的重視,，被稱為是微納加工領(lǐng)域中第三代最有前景的光刻技術(shù)之一。

　　NIL 基于機械復(fù)制,，不受光學(xué)衍射的限制,。它可以潛在地實現(xiàn)低于 5nm 的分辨率，并且以非常低的成本實現(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的對比（來源：DIGITIMES）

　　據(jù)Yole統(tǒng)計，NIL設(shè)備復(fù)合年增長率將超過 20%,，到 2024 年生產(chǎn)的年收入將達(dá)到約 1.45 億美元,。目前，NIL主要用于增強現(xiàn)實,、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，NIL工藝也引起了存儲器廠商的興趣,，特別是20nm以下先進制程,，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(yīng)商在每個特征尺寸范圍內(nèi)都有一個明顯的領(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)了強大的市場份額,。

　　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/逐場/單次沉積和通過噴射技術(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地再現(xiàn)圖案,。此外，由于這項技術(shù)不需要先進光刻設(shè)備所需的一系列寬直徑鏡頭和昂貴的光源,，NIL 設(shè)備實現(xiàn)了更簡單,、更緊湊的設(shè)計，允許將多個單元聚集在一起,，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)適用于使用單個掩模打印幾代關(guān)鍵內(nèi)存級別,。此外,，僅在必要時才使用抗蝕劑，從而消除材料浪費,。鑒于壓印系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的光學(xué)器件,，當(dāng)與簡單的單級處理和零浪費相結(jié)合時，工具成本的降低使其成本模型非常適用于半導(dǎo)體存儲器應(yīng)用,。

　　DRAM 和相變存儲器等高級存儲器具有挑戰(zhàn)性,，因為這些設(shè)備的路線圖要求持續(xù)縮放,，達(dá)到14nm，甚至更先進制程,?？s放也會影響覆蓋預(yù)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(yù)算為最小半間距的 15-20%,。對于 14nm,，這意味著 2.1nm - 2.8nm。DRAM 器件設(shè)計也具有挑戰(zhàn)性,，并且布局并不總是有利于間距劃分方法,，例如自對準(zhǔn)雙圖案化 （SADP） 和自對準(zhǔn)四重圖案化 （SAQP）。這使得直接印刷工藝NIL成為一種很有競爭力的解決方案

　　NIL的進展

　　日本存儲器大廠鎧俠（Kioxia）與佳能,，以及光罩/半導(dǎo)體廠商大日本印刷株式會社（DNP），經(jīng)過了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,，NIL設(shè)備也很便宜，投資可降低至EUV光刻機的40%,。

　　有專業(yè)人士指出,，NIL技術(shù)也許能夠推進芯片制程至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,。