euv光刻机如何制造芯片（纳米压印替代EUV光刻）

euv光刻机如何制造芯片（纳米压印替代EUV光刻）这项技术，常温常压下就可以完成，比热压印精度更高，操作更简单，效率也更高。但是需要用紫外光照射光刻胶，这就要求模板必须是透明的，比如石英或玻璃制作，要让紫外光能透过去。这样的方式还有一个很大的好处，就是可以进行多层压印，下一层压印前，因为模板是透明的，可以实现图案的精准对齐。第二种纳米压印技术是紫外压印，并不是用紫外光压印，而是用紫外光让压印胶硬化，省去高温高压的步骤。简单点说，先在晶圆表面涂上液态的胶水，然后让模板贴近晶圆沾满胶水，接着用紫外光照射胶水，让胶水凝固变成胶片，然后拿开模板，图案就印到了胶片上。后面的步骤也跟光刻步骤一样，需要进一步把图案转移到晶圆上。类比起来，芯片生产中的光刻技术，就相当于激光打印技术，而纳米压印技术则相当于印刷技术。纳米压印天生就有一定的优越性。但是说它能完全替代光刻技术，还为时过早，还有很多实实在在的问题需要解决，解决不好的话，只能是被边缘化的技术。下面

如果有人跟你说，不用买EUV光刻机也能批量快速生产5nm芯片，你相信吗？近期日本公司实践了一种生产芯片的新技术，纳米压印技术。这种技术是跟EUV光刻技术一起提出来的，是最有希望的下一代芯片加工技术之一。只是EUV光刻机领先一步，提前进入了芯片生产领域。纳米压印技术是怎么回事？它有没有希望替代EUV光刻技术，成为芯片生产的主要技术呢？我是东城观星，给大家详细讲解一下纳米压印技术。

关注纳米压印消息的朋友应该都知道，日本的公司已经用纳米压印技术实现了15nm芯片的量产，准备试验5nm芯片的生产工艺。这套纳米压印工艺，设备比EUV光刻机便宜，运行比EUV光刻机省电，产品精度还不次于EUV光刻，可谓是完美的替代技术。这项技术真有那么神奇吗？真可以完全替代EUV光刻机吗？请听我给大家分析一下。

一、纳米压印简介

纳米压印技术，最早是由华裔科学家周郁提出来的，其基本原理有点像中国发明的印刷术。就是刻出一个精细度达到纳米水平的模板，再把其图案转印到芯片晶圆上。虽然在芯片制造领域应用不多，但在印刷领域却已经非常成熟了。我们手里拿的钱、各种报刊杂志、地图、画报，不管多复杂的图案，都可以通过印刷技术快速批量生产。相比起来，批量印刷比激光打印技术要省钱多了，效率也高多了。

类比起来，芯片生产中的光刻技术，就相当于激光打印技术，而纳米压印技术则相当于印刷技术。纳米压印天生就有一定的优越性。但是说它能完全替代光刻技术，还为时过早，还有很多实实在在的问题需要解决，解决不好的话，只能是被边缘化的技术。下面我们开始详细介绍纳米压印，纳米压印有很多种形式，我们只介绍两种。

第一种纳米压印，是热压印技术。简单点说，就是在晶圆上涂上一层类似光刻胶的塑料胶，学名叫抗蚀剂，我们就叫他压印胶吧。这种压印胶需要在高温下软化以后，再让模板压下来，在压力的作用下，模板的图案印到胶上以后，冷却，让软化的胶变硬，图案就可以固定下来。然后拿开模板，下面的步骤跟光刻步骤一样，用蚀刻技术把图案转移到晶圆上面，然后去掉压印胶，任务完成。

这种方法，需要在高温高压下完成，设备相对比较复杂，转印的精度不太好控制，工作效率还不太高，而且往往只适合单层加工，因为第二层很难对齐。

第二种纳米压印技术是紫外压印，并不是用紫外光压印，而是用紫外光让压印胶硬化，省去高温高压的步骤。简单点说，先在晶圆表面涂上液态的胶水，然后让模板贴近晶圆沾满胶水，接着用紫外光照射胶水，让胶水凝固变成胶片，然后拿开模板，图案就印到了胶片上。后面的步骤也跟光刻步骤一样，需要进一步把图案转移到晶圆上。

这项技术，常温常压下就可以完成，比热压印精度更高，操作更简单，效率也更高。但是需要用紫外光照射光刻胶，这就要求模板必须是透明的，比如石英或玻璃制作，要让紫外光能透过去。这样的方式还有一个很大的好处，就是可以进行多层压印，下一层压印前，因为模板是透明的，可以实现图案的精准对齐。

一压、一曝光，图案就印上去了，后面的蚀刻步骤还能兼容现有的芯片生产技术。操作简单、设备简单、后续工艺的兼容性还很好，多么理想的工艺啊！为什么Intel、台积电、三星这些芯片大厂不用这么方便的工艺啊？偏偏要用设备昂贵而复杂、耗电量还大的EUV光刻机来生产芯片呢？

二、纳米压印的优势

第一，纳米压印的模板比光刻机用的掩膜版图案设计更简单。纳米压印的模板完全可以按照实际图案进行设计，跟雕刻图章一样，只需要反着刻就可以了。光刻机用的掩膜版就复杂多了，不仅制作流程上更加复杂，就连图案设计也是非常复杂的。因为到了纳米尺度，光并不是老老实实指哪打哪的，它们存在衍射的行为。一个纳米级宽度的长方形，用光照过去形成的影子就不是长方形了。要想得到长方形，那模板上的图案就不能是标准的长方形，必须做好修饰才行。所以，光刻机的掩膜版，如果放大以后再看的话，图案跟最终要得到的图案并不一样。设计的时候，需要精细计算光线衍射造成的失真程度。然后反着推导，设计出需要对模板图案做什么样的修饰，才能得到目标图案。这里面涉及的问题还是挺多的。但是纳米压印完全不需要考虑这些，印下去以后图案是非常吻合的。

第二，纳米压印可以减少光刻步骤。对于5nm光刻来说，别说波长为193nm的DUV光刻机，就连13.5nm的EUV光刻机都难以一步实现。一般来说，光刻精度只能达到波长的一半。但是台积电、三星等公司在不用EUV光刻机的情况下，也能实现28nm、14nm甚至7nm工艺的生产，其绝招就是多层曝光，做减法。7米长的木根和5米长的木棍，做减法就可以画出2米长的线段。但是这样的操作，无疑增加了工艺的复杂程度，出错的机会也会变多。但是纳米压印不需要，只要模板能做到5nm，那就直接压印好了，不需要两次甚至更多次压印。

第三，模板的制作更简单。光刻机的掩膜版要用多种材料来制作，既要有透光材料或者反光材料，还要有不透光材料或吸光材料。像EUV光刻机的掩膜版，需要很多种材料来制作，反光部位还需要制作很多层均匀的钼硅交替材料，制作工艺非常复杂。纳米压印的模板就简单多了，用硅可以，用石英或二氧化硅可以，用硬塑料也可以，一种材料就能搞定。图案制作跟光刻机的掩膜版制作差不多，都可以用电子束光刻机来制作。更有意思的是，纳米压印的模板还可以通过纳米压印的方式来生产。只要生产一个原始模板，就可以通过纳米压印的方式生产很多实际使用的模板，降低模板的生产成本。

第四，可以实现印刷流水线。说到印刷流水线，我们往往会想到报纸的印刷，一个带图案和墨水的滚筒在白纸上一滚，就可以把图案印上去。纸张通过传送带带动，滚筒不断转印，一卷白纸不断走过滚筒，就可以印出一张一张的报纸出来，效率非常高。纳米压印的模板未来也可以设计成滚筒形式，一边压印一边用紫外线曝光固定，不管是晶圆硅片还是柔性芯片材料，都可以在这个流水线上进行图案转印。效率还是可以很高的。

三、纳米压印的缺点

第一，模板寿命低，更换成本高。不管是DUV光刻、EUV光刻还是纳米压印，最贵的耗材都是掩膜版或者压印模板。纳米压印的模板，因为是需要直接接触压印胶工作的，在接触的过程中，难免会有各种各样的损伤或者污染。模板上的线条很可能只有几纳米，在压力作用下，线条磨损还是很快的，很容易出现缺陷。更甚者，如果模板和晶圆之间有一些颗粒比较大的灰尘，不仅会带来印刷错误，还有可能把模板或晶圆给弄坏了。因为压力已经不均匀了，在杠杆作用下，很容易损坏盘面。总之一句话，压印模板的使用寿命是比较低的，远低于光刻机里的掩膜版。不断更换模板，必然会增加成本。

第二，容易污染，错误率比较高。我们希望压印完成以后，压印胶完全留在晶圆上，模板上一点都不能沾走。但万一模板沾走一些压印胶呢？不仅印下去的图案出现了错误，模板在后面的使用中还会直接把错误传递下去。另外，压印胶里面或者模板表面粘上颗粒物的话，就算这些颗粒物不一定把模板破坏掉，但还是很有可能给图案带来错误信息，从而使压印结果出现错误。

第三，工作效率低。光刻机的光线比较强，能够瞬时曝光，效率比较高。而纳米压印不管是热压印还是紫外压印目前都做不到瞬时曝光，每次压印都需要一段时间。而且两次压印之间，为了减少错误，最好对模板进行清洗，一提到清洗，大家都能想到工作效率就会下降。更甚者，压印模板不宜制作过大，模板太大，带来的不确定性太多了，比如模板能不能做到百分百水平，还不能有倾斜和弯曲变形，否则很容易让压印结果不均匀。为了避免这一点，往往需要用小模板在一块晶圆上挪动压印，也叫步进压印，这样也会明显降低效率。总之，纳米压印的工作效率目前还是比不上EUV光刻机的。要知道，电子束光刻机就是因为效率低而被EUV光刻机给挤掉的。

第四，纳米压印，模板图案制作困难。虽然光刻机的掩膜版设计上比较困难，但纳米压印的模板图案刻录也比较困难。因为光刻机是缩印成像，掩膜版的图案比要制作的图案大几倍，5nm的芯片并不需要5nm的掩膜版。而纳米压印的模板是1:1的，5nm芯片，就需要5nm的模板，这样的模板图案刻画显然更加困难，就算是用电子束光刻机，也难免会有比较大的误差。

所以说，纳米压印虽好，面临的困难也不少，能否替代EUV光刻，还要看将来技术发展情况，要看这些缺点能否有效克服。

四、技术前景

最后说说，纳米压印技术，在生产中已经有应用，也算是成熟技术了，只是在芯片生产领域应用不多。像太阳能电池板的生产、光学器件的生产、生物芯片的制作等方面都可以用到这项技术。在芯片制造领域，虽然日本最早完成实践，但能否替代EUV光刻呢？其实难度是非常大的，除非台积电、三星、Intel等公司放弃成熟技术转战纳米压印技术，或者那三家公司的客户大量被日本公司给夺走，这两种可能性都太小了。

但是如果这三家大公司以外的公司抱团发展的话，也是有可能改变发展格局的。毕竟世界上最大的芯片市场，因为买不到EUV光刻机而受制于人，一旦有新的选择，形成新的生产体系也是有可能的。纳米压印技术的缺点虽多，一旦市场需求足够大，技术研发投入足够多，追上甚至超过EUV光刻技术不是没有可能。历史上有很多例子，两种技术并存的情况下，一种技术市场占有率高，就有可能逐渐取代另外一种技术。

当然，这些主要是我个人的观点，并不一定代表市场发展方向。大家觉得，这项技术能够成为主流吗？中国芯片能够借助这项技术突围吗？