現如今，ASML幾乎成瞭光刻機的代名詞。尤其是隨著EUV、甚至High-NA EUV光刻機的推出，ASML更是獨霸高端光刻機市場。
眾所周知，光刻是芯片制造過程中最重要、最復雜也最昂貴的工藝步驟，其成本占總生產成本的30%以上，同時占據瞭將近50%的生產周期。
數十年來，在DUV、EUV光刻機的支持下，摩爾定律得到瞭延續。然而，迭代至今，面對芯片晶體管線寬已趨近物理極限，以及EUV光刻機產能有限、成本高等問題，業界開始加強探索繞開EUV光刻機生產高端芯片的技術和工藝。
其中，納米壓印技術（NIL）走到瞭臺前。
近日，有消息披露，SK海力士從佳能引進瞭納米壓印設備，目前正在進行測試，計劃在2025年左右使用該設備開始量產3D NAND閃存，到目前為止的測試結果良好。
這裡提到的納米壓印技術，就是被認為最有可能替代EUV的下一代光刻技術。
01 納米壓印技術如何對標EUV光刻？
納米壓印技術，即Nanoimprint Lithography（NIL），是一種新型的微納加工技術。該技術將設計並制作在模板上的微小圖形，通過壓印等技術轉移到塗有高分子材料的矽基板上。納米壓印的分辨率由所用印模板圖形的大小決定，物理上沒有光刻中的衍射限制，納米壓印技術可以實現納米級線寬的圖形。
紫外納米壓印光刻與光學光刻流程對比（圖源：果殼硬科技）
可以理解為，納米壓印技術造芯片就像蓋章一樣，把柵極長度隻有幾納米的電路刻在印章（掩膜）上，再將印章蓋在橡皮泥（壓印膠）上，實現圖形轉移後，然後通過熱或者UV光照的方法使轉移的圖形固化，以完成微納加工的“雕刻”步驟。
納米壓印替代的是光刻環節，隻有光刻的步驟被納米壓抑技術代替，其他的刻蝕、離子註入、薄膜沉積這些標準的芯片制造工藝是完全兼容的，能很好的接入現有產業，不用推翻重來。
光刻技術的本質是掩膜版用於對光刻膠進行圖案化，從而實現圖案化沉積和蝕刻工藝。光刻工藝的最終分辨率由所用光源的波長決定。
而如今業界依賴的光學光刻存在諸多局限性：
SDAP、SAQP工藝是二維圖案化解決方案，嚴重限制瞭設計佈局；
由於精度有限，想要將更精密的芯片線路曝光出來，還需要采用多重曝光技術；
提高光學光刻分辨率主要通過縮短光刻光源波長來實現，盡管光源已從紫外的436nm、365nm縮短到深紫外（DUV）的193nm和極紫外（EUV）的13.5 nm，但在光學衍射極限限制下，分辨率極限約為半個波長；
光刻光源波長縮短使得光刻設備研制難度和成本成倍增長，其成本與規模化能力已無法與過去25年建立的趨勢相匹配。
因此，業界開始寄望於納米壓印光刻技術。
在芯片制造中引入的任何新光刻技術都必須提供性能優勢或成本優勢。
與傳統的光刻技術相比，首先，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。
另外，納米壓印的模板比光刻機用的掩膜版圖案設計更簡單，壓印出來的圖案尺寸完全由模板上的圖案決定，所以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。與光刻設備產生的圖案相比，納米壓印技術忠實地再現瞭更高分辨率和更大均勻性的圖案。
同時，納米壓印技術隻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，同時也避免瞭傳統光刻工藝中的多次重復曝光，進一步提升瞭成本優勢。據日經中文網報道，納米壓印能省掉成本巨大的光刻工序的一部分，與極紫外光刻相比，能將該工序的制造成本降低4成，耗電量降低9成。
此外，納米壓印技術在三維立體結構加工方面有著它獨特的優勢，傳統的光刻技術都是基於二維平面的加工方式，三維結構獲取比較困難，同時可控性較差，但是對於納米壓印技術，隻要制作成模板，就可以批量生產三維產品。
02 納米壓印技術，突破與挑戰並存
1995年，華裔科學傢周鬱（Stephen Chou）教授首次提出納米壓印概念，從此揭開瞭納米壓印制造技術的研究序幕。
到2003年，納米壓印作為一項微納加工技術，被納入國際半導體技術藍圖（ITRS）。
2009年，美國從事納米壓印基礎技術研發的Molecular Imprints公司（MII）曾規劃將NIL技術用於32nm邏輯節點生產制造。但進展也未及預期——據說是因為生產速度慢，而且缺陷率高，資金問題也成為MII發展技術的掣肘。
五年後的2014年，佳能收購瞭MII。實際早在十年前，佳能從2004年就開始一直秘密研發納米壓印技術，直到收購MII公司，將其更名為Canon Nanotechnologies，從而進入NIL市場。
此後，佳能與東芝聯合開發NIL技術——東芝（2019年，東芝儲存器改名為鎧俠）很早就想將NIL用在平面NAND閃存制造上。不過似乎193nm光刻和多重曝光就能將NAND單元尺寸從120nm縮減到1xnm節點；然而到這個節點，原有工藝就很難再實現存儲單元和浮柵的微縮。
因此，NAND開始向3D化演進，東芝對於NIL技術的應用也有瞭轉向。大約五六年前，東芝稱非易失性存儲器件的光刻需求，正從更高分辨率走向更低的成本，所以計劃在3D NAND時代應用NIL。
也大概是自此之後，一直有佳能將納米壓印技術用於量產存儲芯片的新聞。
據瞭解，佳能最新的納米壓印設備的參數指標不錯，套刻精度為2.4nm/3.2nm，每小時可曝光超過100片晶圓，納米壓印技術已經達到3D NAND大規模生產水平和要求。
上文也提到，除瞭鎧俠之外，SK海力士也從佳能購買瞭納米壓印設備，正在進行用於3D NAND型閃存生產工程的測試，這也被認為是業界最尖端制造工藝中使用的EUV光刻機的下一代設備。
有業內人士表示：“與EUV相比，納米壓印技術形成圖案的自由度較低，因此預計將優先用於生產維持一定圖案的NAND型閃存。”SK海力士開始采購設備也是因為這個原因。”如果納米壓印設備實現商用化，以SK海力士為首的NAND閃存企業將能夠提高從200層開始的工序難度越來越高的3D NAND閃存領域的生產效率。
另一方面，存儲芯片巨頭三星電子也為瞭解決引進多圖案工藝導致的成本上升問題，迅速導入瞭EUV光刻機，除此之外還開發瞭包括納米壓印技術在內的3-4種解決方案。
除瞭在NAND閃存領域的探索外，佳能正在嘗試將NIL技術應用到DRAM和CPU等邏輯芯片上。
針對DRAM方面，佳能一直在不斷改進套刻精度。使用POI 控制技術、晶圓區卡盤控制、精細掩膜等方式有助於改善套刻精度。
圖源：佳能
高級的NIL工具和掩膜相結合可以為許多不同的應用提供多種解決方案，佳能展示瞭2.3nm套刻精度應用於各種新技術，主要用在DRAM方面。
在芯片領域，納米壓印光刻更擅長制造3D NAND、DRAM等存儲芯片，與微處理器等邏輯電路相比，存儲制造商具有嚴格的成本限制，且對缺陷要求放寬，納米壓印光刻技術與之較為契合。
據佳能在納米壓印設備未來路線圖顯示，應用將從3D NAND存儲芯片開始，逐漸過度到DRAM，最終實現CPU等邏輯芯片的制造。
圖源：佳能
據瞭解，佳能目前量產的納米壓印設備，能用於生產15納米的芯片，預計到2025年，能進一步研發出生產5納米芯片的設備。初期將率先導入生產NAND、DRAM等，未來還有望導入應用在PC和手機中的需要高階先進制程的邏輯IC生產。
為瞭實現這一目標，佳能日前在法說會上提出將在日本斥資逾500億日圓，擴增其微影設備產能，佳能表示該廠房將於2023年興建，預計從2025年開始營運。該工廠除瞭生產其現有的光刻機系列產品，還將生產納米壓印光刻設備。
此前，佳能和鎧俠、DNP（大日本印刷）在納米壓印技術上就有瞭不少的合作。DNP 2015年據說是建立瞭納米壓印模板（template）的商業化生產系統；而東芝是2016年宣佈計劃用納米壓印來造NAND閃存。
可見，從設備試產、晶圓廠試運行，再到新廠生產線投產設備，日企欲通過半導體“納米壓印技術”來追趕ASML的腳步。
此外，目前這一技術方向的其他設備供應商還包括Nanonex、EVG、SUSS MicroTec、Obducat等歐美公司。
EVG公司日前宣佈與凸版印刷分拆成立的光掩膜子公司Toppan Photomask合作，共同開發NIL 技術，進一步加速其在光學微納制造領域應用。納米壓印工藝設備提供商與納米壓印母版制造商之間的首次合作是該行業的巨大成就，將幫助行業迅速擴大納米壓印作為先進光學設備的大規模生產技術和組件。
從1995年至今，經過不斷的改進和技術突破，納米壓印技術已經被應用到LED、屏幕顯示、DNA測序、AR/VR、傳感等領域。
但應用於集成電路制造，尚處於產業化初期階段。目前，納米壓印技術在ITRS中被列為下一代32nm、22nm和16nm節點光刻技術的代表之一。經過近30年的研究，納米壓印技術已經在許多方面有瞭新進展，國內外半導體設備制造商、材料商以及工藝商紛紛開始涉足這一領域。
芯片制造領域，納米壓印技術挑戰仍在
雖然前面提到瞭不少納米壓印技術的優勢，甚至被奉為新的行業希望，但是納米壓印技術距離大規模商業化量產還有一些短板沒有補足。
良品控制：納米壓印由於是晶圓和掩膜直接接觸，容易出現電路上混入細小垃圾和灰塵等的殘次品，要實現實用化，必須進行制造技術和運用方面的改良。
模板壽命低，更換成本高：不管是DUV光刻、EUV光刻還是納米壓印，最貴的耗材都是掩膜版或者壓印模板。納米壓印的模板，因為是需要直接接觸壓印膠工作的，在接觸的過程中，難免會有各種各樣的損傷或者污染，縮短模板壽命。
對準復雜：壓印模板需要與承載壓印膠的基臺精確對準與貼合，需要精密的機械裝置配合檢測設備實施壓印過程。然而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。雖然我們可以沿用紫外光刻上的光學對準、或者莫爾條紋技術做對準，但是納米壓印不僅有固化、還有垂直方向的壓印運動過程，所以會帶來多方向的偏差。
這幾個問題，其實不能全說是納米壓印技術的問題，降低工藝成本、提高良品率和提高生產效率對於發展初期的光刻機來說也是同樣要面對的問題，任何一項技術從實驗室走向成熟，都會面對這些問題，都需要在發展過程中解決這些問題。
03 NIL能否替代EUV光刻？
回顧芯片光刻產業歷程，21世紀的前20年裡，由於全球芯片產業鏈條在浸入式DUV、EUV等投影式光刻技術的持續巨大投入，投影式光刻成為IC制造的主流技術，誕生瞭荷蘭ASML光刻設備巨頭，以及應用層面的臺積電、三星等國際芯片加工企業，納米壓印光刻逐漸退出IC制造技術的競爭，進入沉默期。
而隨著產業向前發展，DUV、EUV光刻機等系統復雜度、技術瓶頸和成本問題等日益突出，納米壓印技術似乎又迎來瞭新的目光。
根據Gartner提出的新科技技術成熟度曲線，綜合技術發展歷程中的專利、論文、市場情報等數據，以年度和期望值維度，繪制瞭納米壓印技術產業化曲線。
納米壓印技術產業化曲線
科技誕生觸發期：自1995年納米壓印技術提出後，引起學術界和產業界廣泛關註和跟進，目前領先的技術和設備提供商大多在這一階段進入。
期望膨脹期：2003年，納米壓印技術首次納入國際半導體藍圖（ITRS），技術的研究和期望進入高潮，這一時期，納米壓印相關設備被科研機構大量采購。
泡沫化低谷期：受制於工藝不成熟，產業化不及預期。一批企業倒閉或被收購，標志性事件是2014年佳能收購MII。但是這段時間，納米壓印大面積、連續生產的相關技術被開發出來，在生產光子晶體LED芯片領域實現產業化。
穩步爬升光明期：技術工藝逐步突破，在LED、微流控、MEMS、AR等領域實現產業化應用。國內企業也加大納米壓印技術的研發和應用佈局。
產業化成熟期：2021年後，隨著工藝成熟和下遊應用領域的突破發展，納米壓印技術或將迎來大面積產業化。
TechNavio數據顯示，2026年納米壓印市場有望達到33億美元，2021年至2026年年復合增長率可達17.74%。納米壓印市場雖然沒有想象中那樣大，但整體正逐漸走強。
納米壓印技術有著其獨特的優勢，也有相對應的缺點，在未來的科研生產中，需要進一步的優化工藝條件，幫助拓展改進納米壓印技術的應用。
最後回到本篇內容的核心——在芯片制造領域，雖然日本最早完成實踐，但能否替代EUV光刻呢？
老實來講，難度是非常大的，除非臺積電、三星、英特爾、SK海力士等行業大廠放棄成熟技術轉戰納米壓印技術。其實從行業動態也能看到，每隔幾年都會有納米壓印光刻即將突破的消息，但每次又延後進入產業的時間。
一切信號都在表明這項技術的不容易。但未來，當光學光刻真正達到極限難以向前時，納米壓印技術或將是一條值得期待的路線，而那時，芯片制造或許也會迎來全新的范式，一切都會被顛覆。
畢竟，沒有一種技術能夠長期存在，倘若有，那也隻是因為人們還沒有來得及發現新的東西來取代它而已。
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