佳能FPA-1200NZ2C

無需EUV也可制造5nm芯片

佳能表示，FPA-1200NZ2C采用的技術(shù)和與傳統(tǒng)光刻設(shè)備采用的技術(shù)有很大不同。目前，荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML在先進(jìn)制程方面主要采用的是極紫外光光刻的技術(shù)——先把光刻膠涂抹到晶圓上，再用特定光線照射這些膠水，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在晶圓表面形成刻痕。

極紫外線EUV的光波長為13.5nm，光路系統(tǒng)可進(jìn)一步把光刀縮放到原波長的四分之一，可用于生產(chǎn)2-5nm的芯片。EUV光刻機(jī)最難的部分是光源，必須足夠亮才能保證光刻機(jī)高效工作。據(jù)悉，由于EUV光源的能源轉(zhuǎn)換效率只有 0.02% 左右，所以輸出功率只有250W的EUV光刻機(jī)，實(shí)際需要0.125萬千瓦的電力，耗電量是DUV光刻機(jī)的10倍以上。也就是說，一臺(tái)EUV光刻機(jī)一天需要耗費(fèi)3萬度電。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，臺(tái)積電2021年耗電量總計(jì)191.9億度，占臺(tái)灣全島用電量的7.2%，隨著3nm的量產(chǎn)這一比例將進(jìn)一步上升。佳能FPA-1200NZ2C采用的并非光刻，而更類似于印刷，不需要利用圖像投影的原理將集成電路的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅晶圓上。由于FPA-1200NZ2C不使用鏡頭，所以能夠以比現(xiàn)有曝光工藝更低的成本實(shí)現(xiàn)精細(xì)工藝。不過，值得注意的是，佳能FPA-1200NZ2C只是替代芯片制造工藝中EUV光刻機(jī)需要做的工作，其他的刻蝕、離子注入、薄膜沉積這些標(biāo)準(zhǔn)的芯片制造工藝仍然是需要的，當(dāng)然也是完全兼容的，所以可以非常快速地融入當(dāng)前的芯片制造工藝中。

佳能表示，目前該公司的納米印刷技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最小線寬為14nm的圖案化，相當(dāng)于目前生產(chǎn)先進(jìn)邏輯器件采用的5nm工藝。隨著納米印刷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，圖案最小線寬有望達(dá)到10nm，相當(dāng)于三星和臺(tái)積電當(dāng)前正在致力于實(shí)現(xiàn)的2nm先進(jìn)制程工藝。無疑佳能FPA-1200NZ2C為先進(jìn)芯片工藝的實(shí)現(xiàn)提供了更豐富的選擇，當(dāng)前EUV光刻機(jī)只有ASML一家供應(yīng)商，并且每一臺(tái)EUV光刻機(jī)的價(jià)格都非常高昂。

據(jù)悉，現(xiàn)階段EUV光刻機(jī)的售價(jià)在1.5億-2億美元/臺(tái)的水平，2nm采用的EUV光刻機(jī)的價(jià)格預(yù)計(jì)將會(huì)超過單臺(tái)4億美元。同時(shí)，EUV光刻機(jī)的使用還需要配套同樣價(jià)格不菲的檢測設(shè)備和服務(wù)配套設(shè)施、人員。佳能FPA-1200NZ2C具有非常明顯的成本優(yōu)勢(shì)，其設(shè)備系統(tǒng)價(jià)格僅為EUV光刻機(jī)的40%，更為重要的是，其用電成本僅為EUV光刻機(jī)的10%。佳能稱，F(xiàn)PA-1200NZ2C能夠幫助芯片制造產(chǎn)業(yè)顯著降低碳排放。

接觸式和接近式生產(chǎn)不同

納米印刷技術(shù)之所以引起重視，除了其已經(jīng)在NAND閃存芯片制造工藝中完成對(duì)光刻機(jī)的替代，另外納米印刷技術(shù)也有望用于實(shí)現(xiàn)2nm。2nm及以下工藝采用的是 High-NA EUV光刻機(jī)，理論上數(shù)值孔徑越高，波長越短，能夠帶來更好的分辨率。ASML的Twinscan EXE:5000 系列便是面向后3nm時(shí)代的設(shè)備，數(shù)值孔徑為0.55。不過，High-NA EUV光刻機(jī)現(xiàn)在面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何維持商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的180W功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)之后所帶來的電量消耗會(huì)更加驚人。

雖然英特爾在高調(diào)地宣稱，該公司會(huì)在18A及以下工藝?yán)锫氏葘?dǎo)入High-NA EUV光刻機(jī)，但這種高昂的成本英特爾能夠受得起，客戶真的能夠承擔(dān)嗎？資金雄厚如蘋果這樣的公司在3nm階段都開始猶豫了，可想而知2nm會(huì)帶來多大的成本壓力。有傳言稱，4億美元一臺(tái)的設(shè)備售價(jià)讓臺(tái)積電內(nèi)部出現(xiàn)了抱怨的聲音。無疑，佳能FPA-1200NZ2C以及納米印刷此次引起關(guān)注也有對(duì)未來的考慮。

納米印刷是將類似于光罩的母版直接壓印到涂覆了光阻（納米壓印膠）的晶圓表面，待光刻膠和母版完成融合之后，使用紫外光將其固化，進(jìn)而形成電路的三維結(jié)構(gòu)。這個(gè)方式和數(shù)十年前的接觸式光刻機(jī)是一樣的，就像是通常意義上的蓋章，母版就像是印章，光刻膠就像是印泥，因此在晶圓上得到和印章相反的圖形，經(jīng)過脫模就能夠得到一顆芯片。

通過這樣的方式，納米印刷克服了光刻工藝?yán)锓直媛蕵O限問題，擁有更高的分辨率。不過，納米印刷有兩個(gè)明顯的問題需要解決。其一是對(duì)于光罩的使用成本，雖然納米印刷可以讓光罩融為一體，光刻工藝中光罩需要根據(jù)圖形進(jìn)行拆分，不過接觸式對(duì)于光罩是存在污染和腐蝕的，這就導(dǎo)致光罩的報(bào)廢率會(huì)非常高。

對(duì)于先進(jìn)工藝而言，光罩的成本也是非常高的，太高的報(bào)廢率帶來的成本上升有可能比電費(fèi)上漲更嚇人。

據(jù)悉，目前納米印刷設(shè)備基本曝光十次之后就需要更換一次掩膜母版。有人可能會(huì)說，納米印刷并不需要光刻工藝?yán)锩娴墓庹郑�只需要普通的鉻板光罩即可，但由于是融合的母版，母版上的圖形尺寸更小，僅為光刻光罩的四分之一，需要更先進(jìn)的制造設(shè)備，預(yù)計(jì)這依然是不小的負(fù)擔(dān)。

第二個(gè)問題是污染的問題，納米印刷和接觸式光刻的原理很像，也就同樣面臨污染的問題，這會(huì)導(dǎo)致良率非常低，雖然有旋涂光阻配合HODC（高階畸變補(bǔ)償）功能來彌補(bǔ)產(chǎn)能，不過還是和傳統(tǒng)光刻有一定的差距。為了克服污染的問題，佳能采用新開發(fā)的環(huán)境控制技術(shù)，可以抑制設(shè)備中細(xì)顆粒的污染，能夠幫助提升生產(chǎn)的良率。

目前，除了佳能-DNP-鎧俠聯(lián)盟，SK海力士也已經(jīng)將印刷工藝導(dǎo)入到NAND芯片制造工藝中。印刷術(shù)是中國的四大發(fā)明之一，那么納米印刷會(huì)是中國芯片解決生產(chǎn)問題的好辦法嗎？

當(dāng)然，佳能的設(shè)備是無法賣給中國大陸客戶的。實(shí)際上，國內(nèi)也一直都在鉆研納米印刷技術(shù)，但是進(jìn)展和佳能有很大差距，并且國內(nèi)的納米印刷設(shè)備主要面向WLO應(yīng)用，終端領(lǐng)域是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D傳感和數(shù)據(jù)通信/電信等。很顯然，國內(nèi)沒有將納米印刷作為主攻技術(shù)，原因是雖然這種工藝可以實(shí)現(xiàn)5nm先進(jìn)工藝，不過目前很多業(yè)者認(rèn)為其更適合用于實(shí)現(xiàn)NAND這樣的堆疊工藝器件，而更廣泛的邏輯器件方面，其適用性并不高。在復(fù)雜邏輯器件的制備上，復(fù)雜結(jié)構(gòu)母版制備、圖形轉(zhuǎn)移缺陷控制、壓印過程精確化控制等方面的挑戰(zhàn)更大。

就像佳能所言，這是他們的努力方向。

佳能FPA-1200NZ2C的推出具有一定的里程碑意義，標(biāo)志著先進(jìn)制程次世代又多了一個(gè)新選擇。不過，目前納米印刷技術(shù)的適用范圍還比較有限，很難具有DUV光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)那樣的普適性。當(dāng)然，納米印刷技術(shù)在節(jié)能和成本方面的優(yōu)勢(shì)值得重視。對(duì)于國產(chǎn)芯片制造而言，走傳統(tǒng)光刻的路徑會(huì)顯得更加理性，畢竟納米印刷還會(huì)有很多配套技術(shù)需要完善和摸索，存在很大的不確定性。