【產(chǎn)通社，1月3日訊】自從2024年9月佳能推出納米壓印光刻（Nanoimprint Lithography, NIL）技術(shù)的首個(gè)商業(yè)版本后，這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可能會(huì)顛覆最先進(jìn)的硅芯片的制造。納米壓印光刻（NIL）技術(shù)能夠圖案化小到14納米的電路特征，使邏輯芯片能夠與現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)的英特爾、AMD和Nvidia處理器相媲美。
NIL系統(tǒng)提供的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)挑戰(zhàn)主導(dǎo)當(dāng)今先進(jìn)芯片制造的價(jià)值1.5億美元的機(jī)器，即極紫外（EUV）光刻機(jī)系統(tǒng)。如果佳能是正確的，它的機(jī)器最終將以極低的成本提供EUV質(zhì)量的芯片。
該公司的做法與EUV系統(tǒng)公司完全不同，后者完全由總部位于荷蘭的ASML制造。這家荷蘭公司使用一種復(fù)雜的工藝，從千瓦級(jí)激光開(kāi)始，將熔化的錫滴噴射到發(fā)出13.5納米波長(zhǎng)的等離子體中。然后，這種光被專(zhuān)門(mén)的光學(xué)器件引導(dǎo)通過(guò)真空室，并從有圖案的掩模反射到硅晶片上，從而將圖案固定在晶片上。
相比之下，佳能的系統(tǒng)，這是運(yùn)到國(guó)防部支持的R&D財(cái)團(tuán)得克薩斯電子研究所，似乎幾乎滑稽簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)而言之，它將電路圖案壓印到晶圓上。

納米壓印光刻：更小、更便宜

NIL從一個(gè)類(lèi)似光刻的過(guò)程開(kāi)始。它使用聚焦的電子束在“掩�！鄙蠈�(xiě)下圖案。在EUV，這種圖案被反射到鏡子上，然后被反射到硅上。在NIL中，由石英制成的所謂的主掩模或模具被用于創(chuàng)建也由石英制成的多個(gè)復(fù)制掩模。
然后，復(fù)制掩模被直接壓在涂有液體樹(shù)脂（稱(chēng)為抗蝕劑）的晶片表面上，就好像它是一個(gè)印章一樣。然后，汞燈發(fā)出的紫外線——20世紀(jì)70年代芯片制造中使用的那種——被用來(lái)固化樹(shù)脂，并允許掩模從晶片上移除。因此，來(lái)自主掩模的相同圖案被壓印到硅上的抗蝕劑上。就像在基于光刻技術(shù)的芯片制造中一樣，這種模式引導(dǎo)著一系列蝕刻、沉積和其他制造晶體管和互連所需的過(guò)程。
印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境下材料中心的領(lǐng)導(dǎo)人、EUV光源專(zhuān)家Ahmed Hassanein說(shuō):“這看起來(lái)是一種簡(jiǎn)單而聰明的方法，可以推進(jìn)無(wú)光源納米光刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度圖案化。與EUV系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具有能耗更低、購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)營(yíng)成本更低的優(yōu)勢(shì)。”
佳能聲稱(chēng)，與EUV相比，這種直接接觸方法需要的步驟和工具更少，從而使過(guò)程更簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本更低。例如，與采用250瓦光源的EUV系統(tǒng)相比，佳能估計(jì)NIL只消耗十分之一的能量。
此外，NIL在工廠的潔凈室地板上占用了更少的極其寶貴的不動(dòng)產(chǎn)。今天的EUV系統(tǒng)有雙層巴士那么大，大約200立方米。但是四個(gè)零系統(tǒng)的集群占據(jù)了不到一半的體積（6.6×4.6×2.8米），盡管還需要占據(jù)另外50立方米的掩模復(fù)制工具。

20年后商業(yè)化

但是這種簡(jiǎn)單性是伴隨著漫長(zhǎng)而昂貴的開(kāi)發(fā)過(guò)程而來(lái)的。二十多年前，當(dāng)佳能在2004年開(kāi)始努力時(shí)，幾個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)NIL技術(shù)。2014年，為了加快進(jìn)度，佳能收購(gòu)了位于得克薩斯州奧斯汀的分子印記公司（MII），該公司是該技術(shù)的早期領(lǐng)導(dǎo)者。該子公司更名為佳能納米技術(shù)公司，現(xiàn)作為美國(guó)R&D NIL研發(fā)中心。
然而，即使將MII加入佳能的R&D工具箱，也花了20年才把這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。佳能光學(xué)產(chǎn)品業(yè)務(wù)副首席執(zhí)行官Kazunori Iwamoto在位于東京以北100公里宇都宮的NIL生產(chǎn)基地告訴IEEE Spectrum，在那段時(shí)間里，佳能必須跨越幾個(gè)很高的工程障礙。
在大多數(shù)芯片制造中，抗蝕劑，即保持電路圖案的聚合物樹(shù)脂，被均勻地涂在晶片表面。但是這種方法對(duì)NIL無(wú)效，因?yàn)檫^(guò)量的樹(shù)脂會(huì)在壓印過(guò)程中從掩模下滲出，干擾下一步的壓印操作，導(dǎo)致缺陷。所以取而代之的是，佳能利用其噴墨打印技術(shù)，以最佳的量來(lái)應(yīng)用抗蝕劑，以匹配電路圖案。此外，抗蝕劑的毛細(xì)力被優(yōu)化以在接觸時(shí)將材料吸入掩模的蝕刻圖案中。
佳能還必須防止壓印過(guò)程中氣泡進(jìn)入晶片和掩模之間，氣泡會(huì)干擾工具將掩模與晶片上已有的任何電路特征對(duì)準(zhǔn)的能力。答案是設(shè)計(jì)一個(gè)中間更薄的可彎曲掩模。在沖壓過(guò)程中，壓力首先施加到掩模的中間，這將中心向外推，以首先與抗蝕劑接觸。然后兩個(gè)表面之間的接觸繼續(xù)徑向向外，迫使空氣從邊緣離開(kāi)。這與你在智能手機(jī)上應(yīng)用屏幕保護(hù)時(shí)避免產(chǎn)生模糊氣泡的做法沒(méi)什么不同。
除了通過(guò)發(fā)展環(huán)境控制技術(shù)來(lái)處理微粒污染之外，校準(zhǔn)問(wèn)題可能是最令人頭痛的問(wèn)題。
當(dāng)電路圖案層被壓印在另一層的頂部時(shí)，精確的重疊控制對(duì)于確保通孔（傳輸信號(hào)和供電層之間的垂直連接）正確對(duì)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。NIL工藝允許一些回旋余地，但在納米水平上工作意味著對(duì)準(zhǔn)誤差很容易發(fā)生。例如，它們可能由晶片平整度和表面特征的變化、不精確的晶片和掩模放置以及壓印過(guò)程中掩模形狀的變形引起。為了最大限度地減少這種失真，佳能使用了一系列自動(dòng)化技術(shù)。這些包括保持對(duì)操作溫度的嚴(yán)格控制，施加壓電力（piezoelectric force）以校正掩模形狀的變形，以及施加來(lái)自激光器的熱量以膨脹或收縮晶片并使其和掩模更加對(duì)準(zhǔn)。
“我們稱(chēng)這種專(zhuān)有技術(shù)為高階失真校正，”Iwamoto說(shuō)。"應(yīng)用它，我們現(xiàn)在可以以1納米的精度覆蓋電路圖案."

NIL技術(shù)和壓印世界

面對(duì)所有這些問(wèn)題，佳能的工程師們創(chuàng)造了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的光刻工藝。它開(kāi)始于創(chuàng)建一個(gè)主掩模。像其他光刻掩模一樣，這是通過(guò)使用電子束光刻蝕刻圖案制成的。主掩模包含要印刷的電路設(shè)計(jì)的凸起圖案，尺寸為152.4×152.4毫米，約為光刻法所能生產(chǎn)的最大芯片面積的25倍。
從該主掩模制造多個(gè)具有凹陷圖案的復(fù)制掩模。每個(gè)復(fù)制掩�？梢陨a(chǎn)多達(dá)80批，每批包括25個(gè)晶片。所以一個(gè)復(fù)制品可以為2000個(gè)晶片制作一層電路。
為了說(shuō)明NIL的擁有成本更低，Iwamoto將它與先進(jìn)的氟化氬（ArF）浸沒(méi)光刻系統(tǒng)進(jìn)行了比較，該系統(tǒng)是EUV光刻技術(shù)的前身，目前仍在廣泛使用，用于生產(chǎn)20納米寬的接觸孔密集陣列。Iwamoto說(shuō)，對(duì)于同樣的產(chǎn)量，NIL系統(tǒng)以每小時(shí)80片的速度工作可以降低43%的擁有成本。
佳能的目標(biāo)是通過(guò)進(jìn)一步減少顆粒污染，提高抗蝕劑的質(zhì)量，完善和優(yōu)化NIL工作流程，實(shí)現(xiàn)每個(gè)復(fù)制掩模能夠生產(chǎn)340批的100wph計(jì)劃。Iwamoto估計(jì)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)后，相對(duì)于浸沒(méi)式光刻的擁有成本將下降到59%。

誰(shuí)將成為早期采用者？

盡管有潛在優(yōu)勢(shì)，由于主流EUV光刻設(shè)備制造商已經(jīng)在系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)中投入巨資，要在他們的生態(tài)中增加一種不同類(lèi)的設(shè)備并不是一件容易的事情。
“過(guò)去十年里，EUV已經(jīng)確立了自己作為主流技術(shù)的地位，”Iwamoto說(shuō)�！八朔嗽S多挑戰(zhàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高生產(chǎn)率，并有一條生產(chǎn)更小圖案的道路。如果NIL要參與競(jìng)爭(zhēng)，它需要提高產(chǎn)能，延長(zhǎng)模具壽命，改善顆粒和碎片管理，并提高產(chǎn)量�！�
但前提是，這項(xiàng)技術(shù)必須進(jìn)入工廠才能在實(shí)踐中改進(jìn)。Iwamoto說(shuō)，在收到幾個(gè)來(lái)自日本和國(guó)外的潛在客戶的詢問(wèn)后，他們正在進(jìn)行討論并提供NIL演示。佳能表示，除了將第一個(gè)商業(yè)系統(tǒng)運(yùn)送到德州電子研究所之外，Kioxia稱(chēng)東芝存儲(chǔ)器已經(jīng)測(cè)試NIL系統(tǒng)好幾年了，現(xiàn)在正在評(píng)估將其用作原型存儲(chǔ)芯片的生產(chǎn)工藝。
Iwamoto還指出，佳能正在維持一個(gè)積極的NIL應(yīng)用路線圖，計(jì)劃從2028年開(kāi)始生產(chǎn)高分辨率掩模，可以生產(chǎn)20納米線寬和5納米重疊精度的3D NAND閃存。對(duì)于DRAM，目標(biāo)是10納米線寬和2納米覆蓋，而邏輯器件計(jì)劃達(dá)到8納米線寬和1.6納米覆蓋。如果這些目標(biāo)在該時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提高晶圓產(chǎn)量，NIL可能成為EUV技術(shù)的一種有吸引力的替代方案，特別是對(duì)于精度和成本效益至關(guān)重要的應(yīng)用。（編譯：鐠圖文）