不用EUV光刻機生產芯片,納米壓印成本更低,這項技術靠譜嗎?丨東城觀星

製造峰巔
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納米壓印技術是當今最具前景的納米製造技術之一,很可能成為未來微納電子與光電子產業的基礎技術。這項技術到底靠譜嗎?
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如果有人跟你說不用買EUV光刻機
也能批量快速生產5納米芯片 你相信嗎
近期日本公司實踐了一種生產芯片的新技術
納米壓印技術
這種技術是跟EUV光刻技術一起提出來的
是最有希望的下一代芯片加工技術之一
只是EUV光刻機領先一步
提前進入了芯片生產領域
納米壓印技術是怎麼回事
它有沒有希望替代EUV光刻技術
成為芯片生產的主要技術呢
我是東城觀星 給大家詳細講解一下納米壓印技術
關注納米壓印消息的朋友應該都知道
日本的公司已經用納米壓印技術實現了15納米芯片的量產
準備試驗5納米芯片的生產工藝
這套納米壓印工藝設備比EUV光刻機便宜
運行比EUV光刻機省電
產品精度還不次於EUV光刻
可謂是完美的替代技術
這項技術真有那麼神奇嗎
真可以完全替代EUV光刻機嗎
請聽我給大家分析一下
納米壓印技術最早是由華裔科學家周玉提出來的
其基本原理有點像中國發明的印刷術
就是刻出一個精細度達到納米水平的模板
再把其圖案轉印到芯片晶圓上
雖然在芯片製造領域應用不多
但在印刷領域卻已經非常成熟了
我們手裡拿的錢 各種報刊雜誌 地圖 畫報
不管多複雜的圖案
都可以通過印刷技術快速批量生產
相比起來
批量印刷比激光打印技術要省錢多了
效率也高多了
類比起來芯片生產中的光刻技術
就相當於激光打印技術
而納米壓印技術則相當於印刷技術
納米壓印天生就有一定的優越性
但是說它能完全替代光刻技術還為時過早
還有很多實實在在的問題需要解決
解決不好的話只能是被邊緣化的技術
下面我們開始詳細介紹納米壓印
納米壓印有很多種形式
我們只介紹兩種
第一種納米壓印是熱壓印技術
簡單點說
就是在晶圓上塗上一層類似光刻膠的塑料膠
學名叫抗拾劑
我們就叫它壓印膠吧
這種壓印膠需要在高溫下軟化以後
再讓模板壓下來
然後拿開模板
在壓力的作用下模板的圖案印到膠上以後冷卻
讓軟化的膠變硬
圖案就可以固定下來
然後拿開模板
下面的步驟跟光刻步驟一樣
用石刻技術把圖案轉移到晶圓上面
然後去掉壓印膠任務完成
這種方法需要在高溫高壓下完成
設備相對比較複雜
轉印的精度不太好控制
工作效率還不太高
而且往往只適合單層加工
因為第二層很難對齊
第二種納米壓印技術是紫外壓印
並不是用紫外光壓印
而是用紫外光讓壓印膠硬化
省去高溫高壓的步驟
簡單點說
先在晶圓表面塗上液態的膠水
然後讓模板貼近晶圓沾滿膠水
接著用紫外光照射膠水
讓膠水凝固成膠片
然後拿開模板
圖案就印到了膠片上
後面的步驟也跟光刻步驟一樣
需要進一步把圖案轉移到晶圓上
這項技術常溫常壓下就可以完成
比熱壓印精度更高
操作更簡單
效率也更高
但是需要用紫外光照射光刻膠
這就要求模板必須是透明的
比如石英或玻璃製作
要讓紫外光能透過去
這樣的方式還有一個很大的好處
就是可以進行多層壓印
下一層壓印前
因為模板是透明的
可以實現圖案的精準對齊
一壓一曝光
圖案就印上去了
後面的時刻步驟還能兼容現有的芯片生產技術
操作簡單
設備簡單
後續工藝的兼容性還好
多麼理想的工藝
為什麼英特爾
臺積電
三星這些芯片大廠不用這麼方便的工藝
偏偏要用設備昂貴而複雜
耗電量還大的EOV光刻機來生產芯片呢
別急
納米壓印的好處還沒說完呢
第一
納米壓印的模板比光刻機用的眼模板
圖案設計更簡單
納米壓印的模板完全可以按照實際圖案進行設計
跟雕刻圖章一樣
只需要反著刻就可以了
光刻機用的眼模板就複雜多了
不僅製作流程上更複雜
就連圖案設計也是非常複雜的
因為到了納米尺度
光並不是老老實實指哪打哪的
它們存在演射的行為
一個納米級寬度的長方形
用光照過去形成的影子就不是長方形了
要想得到長方形
那模板上的圖案就不能是標準的長方形
必須做好修飾纔行
所以光刻機的眼模板
如果放大以後再看的話
圖案跟最終要得到的圖案並不一樣
設計的時候需要精細計算光線演射造成的時針程度
然後反著推導
設計出需要對模板圖案做怎樣的修飾
才能得到目標圖案
這裡面設計的問題還是挺多的
但是納米壓印完全不需要考慮這些
印下去以後圖案是非常吻合的
第二納米壓印可以減少光刻步驟
對於5nm光刻來說
別說波長為193nm的DUV光刻機
就連13.5nm的EUV光刻機都難以一步實現
一般來說光刻精度只能達到波長的一半
但是臺積電三星等公司
在不用EUV光刻機的情況下
也能實現28nm 14nm甚至7nm工藝的生產
其絕招就是多層曝光做減法
7米長的木棍和5米長的木棍
做減法就可以畫出2米長的線段
但是這樣的操作無疑增加了工藝的複雜程度
出錯的機會也會變多
但是納米壓印不需要
只要模板能做到5nm那就直接壓印好了
不需要兩次甚至更多次壓印
第三,模板的製作更簡單
光刻機的研磨板要用多種材料來製作
既要有透光材料或反光材料
還要有不透光材料或吸光材料
像EUV光刻機的研磨板需要很多種材料來製作
反光部位還需要製作很多層均勻的木硅交替材料
製作工藝非常複雜
納米壓印的模板就簡單多了
用硅可以,用石銀或二氧化硅可以
用硬塑料也可以
一種材料就能搞定
圖案製作跟光刻機的研磨板製作差不多
都可以用電子束光刻機來製作
更有意思的是
納米壓印的模板還可以用納米壓印的方式來生產
只要生產一個原始模板
就可以通過納米壓印的方式生產很多實際使用的模板
降低模板的生產成本
第四,可以實現印刷流水線
說到印刷流水線
我們往往會想到報紙的印刷
一個帶圖案和墨水的滾筒在白紙上一滾
就可以把圖案印上去
紙張通過傳送帶帶動滾筒不斷轉印
一卷白紙不斷走過滾筒
就可以印出一張一張的報紙出來
效率非常高
納米壓印的模板未來也可以設計成滾筒形式
一邊壓印一邊用紫外線曝光固定
不管是晶圓矽片還是柔性芯片材料
都可以在這個流水線上進行圖案轉印
效率還是可以很高的
說完了好處就該說不足了
這也正是現在這種技術還沒有普及的重要原因
第一,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
最貴的耗材都是眼模板或者壓印模板
納米壓印的模板因為是需要直接接觸壓印膠而工作的
在接觸的過程中難免會有各種各樣的損傷或者污染
模板上的線條很有可能只有幾納米
在壓力作用下線條磨損還是很快的
很容易出現缺陷
更甚者如果模板和晶圓之間有一些顆粒比較大的灰塵
不僅會帶來印刷錯誤
還有可能把模板或晶圓給弄壞了
因為壓力已經不均勻了
在鋼桿作用下很容易損壞盤面
總之一句話壓印模板的使用壽命是比較低的
遠低於光刻機裡的眼模板
不斷更換模板必然會增加成本
第二,容易污染錯誤率比較高
我們希望壓印完成以後
壓印膠完全留在晶圓上
模板上一點都不能沾走
但萬一模板沾走一些壓印膠呢
不僅印下去的圖案出現了錯誤
模板在後面的使用中還會直接把錯誤傳遞下去
另外壓印膠裡面或者模板表面沾上顆粒物的話
就算這些顆粒物不一定把模板破壞掉
但還是很有可能給圖案帶來錯誤信息
從而使壓印結果出現錯誤
第三,工作效率低
光刻機的光線比較強
能夠順時曝光,效率比較高
而納米壓印不管是熱壓印還是紫外壓印
目前都做不到順時曝光
每次壓印都需要一段時間
而且兩次壓印之間
為了減少錯誤最好對模板進行清洗
一提到清洗
大家都能想到工作效率就會下降
更甚者,壓印模板不易製作過大
模板太大帶來的不確定性太多了
比如模板能不能做到100%水平
還不能有傾斜和彎曲變形
否則很容易讓壓印結果不均勻
為了避免這一點
往往需要用小模板在一塊晶圓上挪動壓印
也叫佈晶壓印
這樣也會明顯降低效率
總之,納米壓印的工作效率
目前還是比不上EUV光刻機的
要知道電子樹光刻機
就是因為效率低而被EUV光刻機給擠掉的
第四,納米壓印模板圖案製作困難
雖然光刻機的眼模板設計上比較困難
但納米壓印的模板,圖案刻路也比較困難
因為光刻機是縮印成像
眼模板的圖案要比製作的圖案大幾倍
5nm的芯片並不需要5nm的眼模板
而納米壓印的模板是1比1的
5nm芯片就需要5nm的模板
這樣的模板圖案刻畫顯然更加困難
就算用電子樹光刻機也難免會有比較大的誤差
所以納米壓印雖好,面臨的困難也不少
能否替代EUV光刻還要看將來技術發展情況
要看這些缺點能否有效克服
最後說說納米壓印技術在生產中已經有應用
也算是成熟技術了
只是在芯片生產領域應用不多
像太陽能電池板的生產
光學器件的生產
生物芯片的製作等方面都可以用到這項技術
在芯片製造領域,雖然日本最早完成實踐
但能否替代EUV光刻機其實難度是非常大的
除非臺積電,三星,英特爾的公司放棄成熟技術
轉戰納米壓印技術
或者那三家公司的客戶大量被日本公司給奪走
這兩種可能性都太小了
但是如果這三家大公司以外的公司抱團發展的話
也是有可能改變發展格局的
畢竟世界上最大的芯片市場
因為買不到EUV光刻機而受制於人
一旦有新的選擇
形成新的生產體系也是有可能的
納米壓印技術的缺點雖多
一旦市場需求足夠大
技術研發投入足夠多
追上甚至超過EUV光刻技術並不是沒有可能
歷史上有很多例子
兩種技術並存的情況下
一種技術市場佔有率高
就有可能逐漸替代另外一種技術
當然這些主要是我個人的觀點
並不一定代表市場發展方向
大家覺得這項技術能夠成為主流嗎
中國芯片能夠藉助這項技術突圍嗎
今天的介紹就到這裡
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