近日，佳能在其官网发布了一篇新闻稿，文中指出，该公司正式宣布推出FPA-1200NZ2C纳米印刷（Nanoprinted lithography）半导体制造设备，采用不同于复杂光刻技术的方案，可以制造 5 nm 芯片。
佳能FPA-1200NZ2C
无需EUV也可制造5nm芯片
佳能表示，FPA-1200NZ2C采用的技术和与传统光刻设备采用的技术有很大不同。目前，荷兰光刻机巨头ASML在先进制程方面主要采用的是极紫外光光刻的技术——先把光刻胶涂抹到晶圆上，再用特定光线照射这些胶水，产生化学反应，在晶圆表面形成刻痕。
极紫外线EUV的光波长为13.5nm，光路系统可进一步把光刀缩放到原波长的四分之一，可用于生产2-5nm的芯片。EUV光刻机最难的部分是光源，必须足够亮才能保证光刻机高效工作。据悉，由于EUV光源的能源转换效率只有 0.02% 左右，所以输出功率只有250W的EUV光刻机，实际需要0.125万千瓦的电力，耗电量是DUV光刻机的10倍以上。也就是说，一台EUV光刻机一天需要耗费3万度电。
据统计，台积电2021年耗电量总计191.9亿度，占台湾全岛用电量的7.2%，随着3nm的量产这一比例将进一步上升。佳能FPA-1200NZ2C采用的并非光刻，而更类似于印刷，不需要利用图像投影的原理将集成电路的微观结构转移到硅晶圆上。由于FPA-1200NZ2C不使用镜头，所以能够以比现有曝光工艺更低的成本实现精细工艺。不过，值得注意的是，佳能FPA-1200NZ2C只是替代芯片制造工艺中EUV光刻机需要做的工作，其他的刻蚀、离子注入、薄膜沉积这些标准的芯片制造工艺仍然是需要的，当然也是完全兼容的，所以可以非常快速地融入当前的芯片制造工艺中。
佳能表示，目前该公司的纳米印刷技术已经实现最小线宽为14nm的图案化，相当于目前生产先进逻辑器件采用的5nm工艺。随着纳米印刷技术的进一步发展，图案最小线宽有望达到10nm，相当于三星和台积电当前正在致力于实现的2nm先进制程工艺。无疑佳能FPA-1200NZ2C为先进芯片工艺的实现提供了更丰富的选择，当前EUV光刻机只有ASML一家供应商，并且每一台EUV光刻机的价格都非常高昂。
据悉，现阶段EUV光刻机的售价在1.5亿-2亿美元/台的水平，2nm采用的EUV光刻机的价格预计将会超过单台4亿美元。同时，EUV光刻机的使用还需要配套同样价格不菲的检测设备和服务配套设施、人员。佳能FPA-1200NZ2C具有非常明显的成本优势，其设备系统价格仅为EUV光刻机的40%，更为重要的是，其用电成本仅为EUV光刻机的10%。佳能称，FPA-1200NZ2C能够帮助芯片制造产业显著降低碳排放。
接触式和接近式生产不同
纳米印刷技术之所以引起重视，除了其已经在NAND闪存芯片制造工艺中完成对光刻机的替代，另外纳米印刷技术也有望用于实现2nm。2nm及以下工艺采用的是 High-NA EUV光刻机，理论上数值孔径越高，波长越短，能够带来更好的分辨率。ASML的Twinscan EXE:5000 系列便是面向后3nm时代的设备，数值孔径为0.55。不过，High-NA EUV光刻机现在面临的巨大挑战是如何维持商业标准的180W功率，同时实现之后所带来的电量消耗会更加惊人。
虽然英特尔在高调地宣称，该公司会在18A及以下工艺里率先导入High-NA EUV光刻机，但这种高昂的成本英特尔能够受得起，客户真的能够承担吗？资金雄厚如苹果这样的公司在3nm阶段都开始犹豫了，可想而知2nm会带来多大的成本压力。有传言称，4亿美元一台的设备售价让台积电内部出现了抱怨的声音。无疑，佳能FPA-1200NZ2C以及纳米印刷此次引起关注也有对未来的考虑。
纳米印刷是将类似于光罩的母版直接压印到涂覆了光阻（纳米压印胶）的晶圆表面，待光刻胶和母版完成融合之后，使用紫外光将其固化，进而形成电路的三维结构。这个方式和数十年前的接触式光刻机是一样的，就像是通常意义上的盖章，母版就像是印章，光刻胶就像是印泥，因此在晶圆上得到和印章相反的图形，经过脱模就能够得到一颗芯片。
通过这样的方式，纳米印刷克服了光刻工艺里分辨率极限问题，拥有更高的分辨率。不过，纳米印刷有两个明显的问题需要解决。其一是对于光罩的使用成本，虽然纳米印刷可以让光罩融为一体，光刻工艺中光罩需要根据图形进行拆分，不过接触式对于光罩是存在污染和腐蚀的，这就导致光罩的报废率会非常高。
对于先进工艺而言，光罩的成本也是非常高的，太高的报废率带来的成本上升有可能比电费上涨更吓人。
据悉，目前纳米印刷设备基本曝光十次之后就需要更换一次掩膜母版。有人可能会说，纳米印刷并不需要光刻工艺里面的光罩，只需要普通的铬板光罩即可，但由于是融合的母版，母版上的图形尺寸更小，仅为光刻光罩的四分之一，需要更先进的制造设备，预计这依然是不小的负担。
第二个问题是污染的问题，纳米印刷和接触式光刻的原理很像，也就同样面临污染的问题，这会导致良率非常低，虽然有旋涂光阻配合HODC（高阶畸变补偿）功能来弥补产能，不过还是和传统光刻有一定的差距。为了克服污染的问题，佳能采用新开发的环境控制技术，可以抑制设备中细颗粒的污染，能够帮助提升生产的良率。
目前，除了佳能-DNP-铠侠联盟，SK海力士也已经将印刷工艺导入到NAND芯片制造工艺中。印刷术是中国的四大发明之一，那么纳米印刷会是中国芯片解决生产问题的好办法吗？
当然，佳能的设备是无法卖给中国大陆客户的。实际上，国内也一直都在钻研纳米印刷技术，但是进展和佳能有很大差距，并且国内的纳米印刷设备主要面向WLO应用，终端领域是增强现实、3D传感和数据通信/电信等。很显然，国内没有将纳米印刷作为主攻技术，原因是虽然这种工艺可以实现5nm先进工艺，不过目前很多业者认为其更适合用于实现NAND这样的堆叠工艺器件，而更广泛的逻辑器件方面，其适用性并不高。在复杂逻辑器件的制备上，复杂结构母版制备、图形转移缺陷控制、压印过程精确化控制等方面的挑战更大。
就像佳能所言，这是他们的努力方向。
佳能FPA-1200NZ2C的推出具有一定的里程碑意义，标志着先进制程次世代又多了一个新选择。不过，目前纳米印刷技术的适用范围还比较有限，很难具有DUV光刻机和EUV光刻机那样的普适性。当然，纳米印刷技术在节能和成本方面的优势值得重视。对于国产芯片制造而言，走传统光刻的路径会显得更加理性，毕竟纳米印刷还会有很多配套技术需要完善和摸索，存在很大的不确定性。
