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从光刻机到纳米压印,半导体行业拐角处的挑战与机遇

从光刻机到纳米压印,半导体行业拐角处的挑战与机遇

公众号新闻



作者:葛海雄教授、邓萌萌、颜黔杭
来源:峰瑞资本(ID:freesvc)


10月中旬,佳能宣布推出FPA-1200NZ2C纳米压印半导体制造设备,可制造5nm芯片。据佳能公司CEO御手洗富士夫透露,设备售价将“比ASML(阿斯麦,半导体设备制造商)的EUV光刻机少一位数”。EUV的全称是Extreme Ultraviolet Lithography,即一种使用极紫外光波长的光刻技术,目前用于7纳米以下先进制程芯片。


在此之前,全球几乎只有ASML一家能够制造EUV光刻机,尼康、佳能等巨头,还停留在DUV光刻机上。DUV全称是Deep Ultraviolet Lithography,指的是是深紫外线光刻,可用于制造7纳米-130纳米制程的芯片。


纳米压印和光刻技术的“较量”由来已久。纳米压印是基于高分子模压技术的微纳加工技术,形象一点可以将其类比为活字印刷术。目前纳米压印在LED、AR、VR等领域被广泛运用。纳米压印已发展二十余年,相比光刻技术,纳米压印具有成本低、工艺简单、更环保等优势。但在相当长一段时间里,由于纳米压印的制成品缺陷多、良率低,不太被半导体领域接受,光刻技术则发展得更快、更好。


而在近十年,随着纳米压印对工艺的优化和控制精度上了一个台阶,一度被光刻否定的纳米压印,迎来了高光时刻。尤其是在当前中国遭到美国限制出口光刻设备的背景下,纳米压印给国内乃至全世界的半导体产业带来弯道超车的可能。


聚焦纳米压印这个热门话题,我们邀请了璞璘科技创始人葛海雄教授、璞璘科技联合创始人兼CEO邓萌萌,与峰瑞资本副总裁颜黔杭一起探讨纳米压印的前世今生与未来新机遇。


他们谈到的话题包括但不限于:


  • 纳米压印是什么?为什么突然火起来了?


  • 纳米压印的应用场景有哪些?


  • 和光刻技术相比,纳米压印有哪些优劣势?


  • 纳米压印进入半导体领域,有哪些技术难关已经得到解决,哪些还没解决?


  • 纳米压印能助力国内哪些领域实现“弯道超车”?


01

纳米压印是什么?

为什么突然火起来了?


颜黔杭:前段时间,佳能宣布推出能够媲美DUV光刻机的纳米压印设备,并将它用到半导体的加工工艺中。纳米压印究竟是个什么样的技术?它是光刻技术的替代选项,还是竞争对手?


▲ 佳能推出的纳米压印设备。图片来源:佳能全球官网


葛海雄:纳米压印是上世纪90年代中期发展起来的一项技术。当时,如日中天的光刻技术正好遭遇到了百纳米分辨率的瓶颈,业界希望能有其他技术替代光刻技术,让半导体行业继续往分辨率更高的先进制程推进。当然今天,光刻技术经过了长足的发展,已经达到了5纳米甚至3纳米的分辨率。


什么是纳米压印?业界有种说法是,我国古代活字印刷的发明人毕昇是“纳米压印的鼻祖”。纳米压印是基于高分子模压技术的微纳加工技术。纳米压印需要一个模板,就像活字印刷的模板上刻着要印的字,纳米压印的模板上是需要制造的纳米结构,然后通过加热加压,把模板上的纳米结构复制到纳米压印的材料里。


▲ 纳米压印步骤。资料来源:Science


颜黔杭:您用活字印刷来类比,我也提供一个比喻——橡皮泥。用一个模具,把橡皮泥这种软材料压一下,再进行烘烤,橡皮泥就变硬了,图案也从模具转到橡皮泥上。


葛海雄:或者说就像我们做月饼,会用到一个模具。在做月饼的时候,把月饼的材料放进这个模子里面,出来的这个月饼上就有相应的花纹了。


颜黔杭:如果拆分“纳米压印”这四个字,前面的“纳米”应该是形容它是在纳米级别,那“压印”跟我们之前提到的月饼、橡皮泥类似,是同一个技术或者是同一个图案的实现方式。


葛海雄:既然叫“压印”,它跟活字印刷术是有关的。光刻是通过曝光做出来,纳米结构则是通过印刷的方式做出来。


▲ 纳米压印的特点。图片来源:佳能俱乐部官网


颜黔杭:在佳能提出来纳米压印之前,大家有一种预测是佳能可能会去切入光刻领域。最近几年,像DUV、EUV这些光刻机已经占领了市场的主流声量。纳米压印经过20多年发展,为什么会在最近突然火起来?


葛海雄:纳米压印技术一出现就因为它的高分辨率引人注目,很多人都认为它有可能是划时代的微纳加工技术。


但纳米压印也有短板,它是一种物理接触式的加工技术。在物理接触的过程中,容易产生一些外部缺陷。而半导体行业对缺陷的容忍度非常低。业界有一部分人认为纳米压印是非常有前景的技术,还有一部分人认为它的缺陷率比较高,不适合半导体加工。


佳能公司在传统的光刻领域落后于ASML公司之后,一直在半导体制造方向寻找新的突破点,就找到了纳米压印技术。


从最近的报道来看,佳能公司的纳米压印各项技术指标已经与DUV的光刻技术持平,有一些指标甚至达到了EUV的光刻技术。


最早提出纳米压印这一概念的是我的老师周郁(Stephen Chou)教授。在周教授提出这个概念两三年后,美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.G.Wilson教授提出了步进压印的理念。Wilson教授是化学放大光刻胶的主要发明人,他非常了解光刻技术及光刻胶材料。他把光刻的步进技术和纳米压印相结合,通过紫外光固化树脂来代替原来的热塑性高分子,通过压印以后的紫外曝光工艺来实现图案的复制。由于紫外曝光工艺的时间非常短,大概是一个毫秒就可以实现曝光的过程,因此非常适合半导体的加工。


纳米压印前期虽不太被半导体制造领域所接受,但在一些非半导体制造领域,纳米压印已经展示出了强大的应用前景。比如,LED中的关键组成部分蓝宝石图案化衬底早期用光刻做,得益于纳米压印过程简单,速度快,成本低,其替代光刻来进行蓝宝石图案化制造是非常有希望的。另外,在微透镜阵列、斜齿光栅这样的光学器件里,纳米压印已经展现出制造潜力。


从我们的角度看,纳米压印最近又火了。其实在佳能公司推出纳米压印成果之前,2018年,纳米压印已经受到了广泛关注,当时AR、VR等领域需要做光波导产品,纳米压印是做光波导产品非常好的选择。同时,国内近几年对新兴技术的需求感觉比欧美一些国家更强烈,因此在看到AR、VR的前景后,国内很多企业都把目光投向了纳米压印技术。


02

纳米压印进入半导体领域,

有哪些技术难关已经得到解决,

哪些还是当前的拦路虎?


颜黔杭:目前来看,佳能在纳米压印的重点布局会对整个半导体行业上游制造的设备供应方带来什么样的影响?它的新动作和公告是否会给市场带来一些新变化?


葛海雄:首先,依据佳能提供的技术参数、指标,纳米压印有可能为半导体领域创造一些有益的补充,因为ASML、尼康的半导体光刻设备已经在产线上被广泛采用了,纳米压印可以看成是光刻技术的衍生。


但就像我们之前提到的,毕竟光刻是非物理接触式曝光,而纳米压印是物理接触式制备工艺,它被半导体制造企业采用还是需要一定时间。如果佳能的新设备确实有制造的实力,并且能展示出低成本、低能耗、绿色环保等优点,那么半导体制造企业才有可能进一步接受。


颜黔杭:这么看来,其实从行业接受度来说,佳能这一新动作还是需要一个验证周期的?


葛海雄:是的。


颜黔杭:葛老师花了20多年时间在纳米压印技术、设备和工艺的研发上。回过头来看,相比刚被发明出来时,如今的纳米压印,有哪些技术挑战被解决得比较好,又有哪些还没有被很好地解决,成为了进军半导体的拦路虎?


葛海雄:2001年,我到纳米压印发明人周郁教授的组里做博士后,我的背景是高分子材料,周教授的背景是微电子微纳加工。因为纳米压印的材料正好可以对标光刻胶材料,我就到他那儿去研发纳米压印的材料。


那时,正好Wilson教授提出了步进纳米压印的概念。他用了紫外光固化这种方法,解决了纳米压印通过加热完成压印的流程时间较长的问题,让纳米压印的加工速率得到大幅度提高。


之后Wilson教授又成立了Molecular Imprints公司,继续从事步进纳米压印研发的工作。这家公司吸引了佳能公司的注资。2014年,佳能公司直接收购了Molecular Imprints半导体加工的纳米压印部门,帮助佳能专门开发纳米压印技术。


早期的纳米压印技术由于缺陷多、良率低,不被半导体领域的一些同行接受。但在收购Molecular Imprints之后,佳能把半导体制造领域的很多技术运用到了纳米压印上。比如在半导体生产中,超净间的洁净度一般是在0级,也就是说没有颗粒,而佳能公司把纳米压印的环境也做到0级水平,进一步推动纳米压印在半导体领域的应用。


一部分人认为纳米压印不适合半导体加工的另一个原因是,半导体制造涉及对准的工艺,而纳米压印是个机械压印的过程,人们担心压印的滑移会造成套刻精度下降。


具体而言,我们在做晶体管时,一个芯片上不是一层晶体管,而可能是几十层、几百层晶体管。那么每一次制作的时候,就要在前一次做的晶体管上面再进行晶体管的加工,晶体管都是10纳米或者是十几纳米的尺度。我们把这样的加工技术,称为光刻的套刻,它要有接近1纳米-2纳米的对准精度。


而佳能公司本身就是做光刻机的,有完整的对准工艺技术路线,就把原来的光刻对准技术运用到纳米压印的技术上。


现在的纳米压印其实是把纳米压印概念和光刻技术概念相结合,实际上叫“纳米压印光刻”更准确一些。


从佳能公司公布的技术指标来看,它目前的对准精度已经接近1纳米的水平,可以满足原来DUV、EUV做的十几纳米或者几纳米的晶体管结构制备要求了。


模板也是制约纳米压印的因素之一。光刻掩膜版在曝光的时候,通过光学系统可以把100纳米的尺度缩小到20纳米。但是纳米压印没有缩小工艺,加工模板上的纳米结构是什么分辨率,在压印胶上复制的结构就是什么分辨率。


颜黔杭:如果想要进一步提高模板精度,该怎么做?或者这个事可能就像摩尔定律,到最后制程再往上走,会有天花板卡在那?


葛海雄:公认的就是,纳米压印的模板也可以用光刻技术来做。可能有人会说,既然模板还是要用DUV、EUV来做,那纳米压印还有什么优势呢?


纳米压印是一个高保真的复制过程,这就是纳米压印的技术优势。只要用DUV、EUV做一块模板出来,纳米压印通过这一块模板可以进一步复制更多的子模板、孙模板。另外就像光刻掩膜版一样,纳米压印的模板也可以用电子束曝光来做。


再补充一下,我们最近看到国家自然科学基金也在探讨摩尔定律失效后,半导体器件是否还遵循摩尔时代半导体器件的规律。纳米压印也被认为可能用于1纳米或者是亚纳米以下的一些器件制造。自然科学基金的项目也提出来,如何在一个亚纳米尺度,去对模板进行不粘、防粘的处理。这些问题都有待进一步探讨。


03

和光刻技术相比,

纳米压印有什么优势、劣势?


颜黔杭:在图形化衬底、光学器件等领域,纳米压印取代光刻成为了主流的技术。如果抛开落地的具体难点,回到技术本身去看,纳米压印和光刻各自的优劣势大概有哪些?为什么有些原来是用光刻的行业,现在选择了纳米压印?


葛海雄:一般认为光刻的祖先就是照相技术,照相技术已经发展了近两百年。光刻是1950年代开始逐渐发展的,经过了七八十年,它已经发展得非常成熟,甚至达到了极致的境界。这是光刻的优势。


相比光刻技术,纳米压印技术发展历史较短。1995年,纳米压印技术横空出世。纳米压印的优点在于高分辨率、复制工艺简单和低成本。


首先来看分辨率。在早期,纳米压印就拥有10纳米以下的分辨率,远高于当时光刻技术的分辨率,因而备受关注。经过20多年的发展,纳米压印最小分辨率可以达到大概1纳米左右。我们一般用密集线栅结构,将纳米压印和光刻技术对标。目前,光刻技术大概只能做到10纳米以上的密集线栅,而纳米压印现在可以做到8纳米周期、4纳米线宽的密集线栅结构,所以说,纳米压印仍然在分辨率上保持着优势。


其次来看复制工艺的复杂程度。纳米压印技术可以把需要的纳米结构或微米结构直接复制在功能材料里,如光学材料、催化材料,甚至是现在非常火的钙钛矿材料。这一特点是光刻不具备的。光刻一定是复制在光刻胶材料上,光刻胶材料往往只具有光刻的功能,没有整合材料的其它应用功能。


纳米压印出来的是具有3D结构的图形,光刻不具备这一能力。同时,现在我们常用的一些透镜结构、微透镜阵列,AR、VR里的光波导的斜齿光栅,高分辨、高陡直度、高升宽比的光栅,可以通过纳米压印一次成型进行加工。


最后来看成本。纳米压印成本低的原因在于,纳米压印只要把结构做在模板上,就可以压印在纳米压印胶上。


而在光刻技术中,是通过曝光把需要的图案曝光在光刻胶上,DUV和EUV这两类光刻技术的光源都是高能量光源,在加工的过程中要消耗大量的能量。而纳米压印只是简单的紫外曝光,所需要的能量比光刻要小很多。


从目前与佳能相关的报道来看,如果用纳米压印来生产10纳米左右的芯片,纳米压印技术大概成本是DUV或EUV的1/3。如果是加工蓝宝石图案化衬底、光栅这类产品,纳米压印的成本优势可能会更大。


邓萌萌:目前纳米压印在LED芯片制造行业中还有另外一个优势,就是光刻需要显影的步骤,纳米压印则不需要。经过紫外固化以后,整个3D图案就形成了。这一阶段,纳米压印又节省了一部分投入与工艺成本。在LED芯片制造行业中,步进光刻制造一片芯片的加工成本在4元以内,纳米压印可以做到1.5元一片,有明显的成本优势。


04

纳米压印能助力目前国内

哪些领域实现弯道超车?


颜黔杭:如今,国内不少先进制程设备被封锁了。从纳米压印的角度,想请葛老师、邓总介绍一下,目前国内有哪些领域,可以借纳米压印实现弯道超车?


葛海雄:由于一些外部的技术封锁,我们直接得到光刻技术比较困难,因此业界希望有一些新技术能够替代光刻技术。从技术角度来讲,纳米压印技术的复杂程度要远低于光刻技术,因为它没有复杂的曝光系统,同时光刻对准的套刻等技术又可以移到纳米压印技术上来。


虽然纳米压印技术真正用于半导体领域也有难关要去克服,但是相对光刻技术需要克服的难关还是要少一些,更有可能实现换道的技术替代。


邓萌萌:我们之前提到,纳米压印优势之一就是成本极低,生产效率是目前光刻的数倍。我们目前了解到一些信息,16台纳米压印设备一年的产能可以超过1000万片,每一片的成本可以降到光刻的1/2到1/3。


其实纳米压印不仅能应用在半导体上,它的应用主要针对三大行业:第一是显示及消费电子类行业,第二是汽车行业,第三是生物医学行业。


尤其是在消费电子行业,纳米压印现在几乎取代了大部分光刻技术的一些制作方案、生产线。原因就是它不需要再做下一步的刻蚀工艺,所以它几乎直接完成了微纳结构的制造。整个产业也更倾向于纳米压印技术。


从光学上讲,纳米压印还有个优点就是可以将一个功能性材料,无论是高折射率材料、低折射的材料,还是一些有特殊功能的材料,直接塑形成目标产品想要的微纳结构。比如,借助纳米压印制作的新型成像器件,可以将手机摄像头后圈的摄像模组减薄,从四片、三片减成一片。


某种意义上讲,随着微纳光学的技术发展,它会把传统凹凸透镜的一些性能优势完全压倒。这也是目前光学厂商非常笃定的一件事——微纳光学会替代几何光学,同时成本也会比DUV、EUV低得多。


在生物医学方领域,很多检测技术,尤其是在第五代的基因测序上,会用到微纳结构。目前有一部分是DUV光刻做的,但它成本相对较高,在做后期检测时,还是希望把成本降下来。


纳米压印的应用面其实相当广,市场的接受度也较高。如果从成本以外的角度来说,大家可能比较倾向于光刻。但我相信随着行业的发展、成熟,人们最终目标都是将生产成本及工艺等方面优化到极致,而不是仅依靠一种技术最终实现降成本、产品生产和最终目标。


葛海雄:其实在一些领域里,光刻相对于纳米压印是没有竞争优势的。因为光刻在很多领域是没办法应用,比如微透镜阵列,AR、VR的光栅都有折射率的要求,而光刻用的是光刻胶,一般无法直接作为功能材料使用。


颜黔杭:我们刚刚也提到了非常多领域可以使用纳米压印替代光刻工艺,这些领域有哪些共性,从而推动纳米压印实现替代?


邓萌萌:压印替代光刻,其实更多是在半导体工艺制程,尤其是有刻蚀工艺的行业里。因为如果单纯在一些产品表面去做材料的塑形,光刻不是最佳的技术选择,压印更能体现出成本低以及工艺简单、可大批量生产等优势。在光学应用、消费电子、汽车、生物医学以新能源等领域,业界可能更倾向一次成型的最佳解决方案。


葛海雄:从微纳结构来看,如果需要一次成型的、有一定复杂形貌的3D结构,那么纳米压印有得天独厚的优势。另外,对于一些图形高密度的阵列结构,纳米压印也很有优势。


颜黔杭:也许对国内很多行业客户来说,纳米压印是一个全新的技术。在对纳米压印的推广中,客户对纳米压印的看法和态度大概是什么样的?哪类客户在您预期之外对纳米压印非常感兴趣?


邓萌萌:目前国内市场其实很多行业,尤其是光学领域,非常积极地在推进压印相关工艺路线在微纳光学制造中的应用、研发。光刻领域一些头部企业也都在积极推进纳米压印相关的技术路线。光学之外,国内最大的几家显示面板厂都在跟我们沟通交流,它们现在不仅有晶圆类的8寸、12寸的样品和产品,还提出来1米乘1.2米这类大篇幅纳米压印产品的制作方案。


让我们感到意外的行业其实是新能源,尤其是钙钛矿这个行业。我们没想到压印在这个行业会有这么大的应用场景。钙钛矿的原理跟LED原理类似,是将材料图案化后,把材料中一些光学性能提高,从而达到光电转化效率的提高。我们也有相关的应用、产品被国外客户使用。


▲ 晶圆半导体纳米压印系统。资料来源:璞璘科技


颜黔杭:如果让您总结整个行业对纳米压印的态度和看法,大家大概处在什么样的阶段?是在新技术探索试验阶段?还是有个别行业已经坚定选择纳米压印了?


邓萌萌:纳米压印进入速度比较快的行业是LED。面对技术封锁,国内有一家LED制造公司采用了纳米压印技术,取得了巨大优势,促使整个行业比较快速进入到由纳米压印领衔的产业方向。


如今,纳米压印在光学、无人机、汽车、生物医学,尤其是在基因检测这一块有众多的应用场景。这在去年以及今年年初,我们都难以想象。


从宏观层面来讲,其实所有跟以前微纳制造相关的企业,对纳米压印的态度都多多少少有了转变,从不太了解到观望,再到愿意使用压印技术去做创新、做新型研发。


我们认为这是一个行业爆发的前期状态,如果能有更多的时间、发展空间,纳米压印在新能源赛道上的新型应用会越来越多,越来越广。


05

熬过了20年的冷板凳

迎来了产业化的曙光


颜黔杭:葛老师过去20年一直是学者身份,从2017年开始创业。从科研转向创业,葛老师有哪些经验可以分享给其他国内想科技创业的学者?


葛海雄:首先要感谢峰瑞雪中送炭式的投资。在峰瑞投资之后,我们可以明显感受到纳米压印越来越吸引各个行业的关注,包括今年市场上正好涌现了对于AR、VR的需求,以及近来佳能公司又推出新的纳米压印技术。


我们本来是做科研的,首先要让技术有能落地、转化的可行性。我们需要“顶天立地”,既要做前沿的科研,又要让最终目标为日常生活服务,或者是为我们的技术进步、生产服务。在技术落地过程中,我们也要不断地自我否定,不断地促进技术进步,使技术可以和市场需求相匹配,不断满足产业的应用需求。


颜黔杭:您觉得从竞争或创业的角度来看,璞璘科技有什么样的特点和优势,能够站在纳米压印冲入半导体的风口上,持续地推进纳米压印技术在中国各个场景、领域的落地及商业化?


葛海雄:我们常常讲纳米压印是和光刻一样具有工匠精神的技术。在纳米压印领域我们深耕了20多年,因为有机会到纳米压印技术发明人的团队去学习最先进的纳米压印技术,我们知道纳米压印技术的优势、短板及需要发展的方向。另外我是材料背景,材料是纳米压印技术的关键一环,所以我们对纳米压印的工艺也非常了解,我们知道如何把工艺材料和我们的设备相匹配,研发适合纳米压印技术特点的设备。


颜黔杭:目前在纳米压印方向上,璞璘科技做了哪些研发?对于纳米压印进军半导体的国产化,璞璘打算怎么参与到这一大趋势中去贡献力量?


邓萌萌:如葛老师所说,想要做一个产品,无论是用光刻技术还是压印技术来做,首先还是要疏通整个工艺路线,包括使用什么样的材料、用什么样的压印方式。


璞璘科技的技术路线、技术储备均来自南京大学的纳米压印应用实验室。目前璞璘科技研发制备的不仅有半导体制造的刻蚀性纳米压印材料,还有现在整个光学市场上用得比较多的功能性材料,以及生物医学上的其他功能性材料。其中一部分已经完全量产出货,给到我们的下游客户。


针对不同的应用场景,我们也有不同的纳米压印设备,尤其针对半导体制作,我们有步进式纳米压印设备。同时,我们也正在研究,如何把步进式压印的对准精度降至百纳米以内。


葛海雄:前期我们是做了纳米压印技术在半导体制造领域里面应用的验证,比如刻蚀转移工艺、最小分辨率、图形保真度的验证,我们也做了利用压印对准工艺的验证。


颜黔杭:最后我们来畅想一下未来。纳米压印技术诞生之初,是与光刻技术竞争的备选技术身份。熬过了20年的冷板凳,如今纳米压印迎来了产业化的曙光。不知道光刻技术跟纳米压印技术在未来的相互关系是什么样?它们在产业里的位置又会是一个什么样?


葛海雄:光刻技术发展得非常成熟了,纳米压印技术还在起步阶段。短时间内,纳米压印技术不太可能全面替代光刻技术。当然,纳米压印技术可以作为光刻技术的有益补充。在一些领域里,它可以先有所发展、有所突破,然后可能逐渐成熟,去做更多的事情。


纳米压印技术的发展,需要产业上下游共同努力、共同协调。因为光刻技术的发展,满足了英特尔、台积电、三星这些大型企业的应用需求,它们对光刻技术的应用也推动了其发展。我们需要更多的企业能够接受纳米压印这一新兴技术,并将它融入生产制造环节里,不断进步。


另外,应用纳米压印的企业需要有更多熟悉、掌握纳米压印技术的人才。目前一些量产型设备不太成熟,制约了纳米压印技术在很多领域的应用。希望产业链条中的企业跟像我们这样从事纳米压印研究的公司能够合作起来,共同开发一些适合纳米压印场景的设备。


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