隨著 5G、IoT 及移動(dòng)終端的快速迭代，高性能芯片需求激增，推動(dòng)電路設(shè)計(jì)日益微細(xì)化。然而，鑒于傳統(tǒng)制造工藝能耗巨大，行業(yè)近年來(lái)迫切尋求一種兼顧圖形微縮與低功耗的全新制造方案。

近日，大日本印刷株式會(huì)社（DNP）宣布開發(fā)出一款線寬 10 納米的納米壓印光刻（NIL）模板。DNP 宣稱，該技術(shù)可支持1.4 納米工藝級(jí)別的邏輯芯片圖形化需求，并有望在特定領(lǐng)域替代昂貴的極紫外光刻（EUV）工藝。

DNP 透露，目前已與半導(dǎo)體客戶啟動(dòng)評(píng)估工作，計(jì)劃于 2027 年正式量產(chǎn)，目標(biāo)是在 2030 財(cái)年實(shí)現(xiàn) NIL 模板銷售額達(dá) 40 億日元（約合人民幣 1.82 億元）。

（來(lái)源：DNP）

在 DNP 的公告中，自對(duì)準(zhǔn)雙重成像（SADP）技術(shù)被視為此次突破的關(guān)鍵，其克服了傳統(tǒng)微縮瓶頸。該工藝?yán)秒娮邮谀た虒懠夹g(shù)形成基礎(chǔ)圖形，再通過(guò)成膜與蝕刻工藝使圖形密度翻倍。結(jié)合 DNP 長(zhǎng)期積累的光刻掩膜版制造底蘊(yùn)與先進(jìn)的晶圓工藝技術(shù)，成功達(dá)成了此次目標(biāo)。

DNP 的前身秀英舍始于 1876 年，曾是日本引進(jìn)西方活版印刷的先驅(qū)，長(zhǎng)期承擔(dān)鈔票與書籍印制重任。二戰(zhàn)后，DNP 以前瞻性的“擴(kuò)展印刷”理念重塑自我，將印刷重新定義為在任何基材上進(jìn)行微細(xì)材料的精準(zhǔn)涂布與定影。

基于此邏輯，DNP 曾在 1958 年利用蝕刻技術(shù)制造出電視機(jī)蔭罩，首次跨界電子領(lǐng)域。隨后，公司將精美畫冊(cè)的制版技術(shù)升級(jí)為半導(dǎo)體光刻掩膜版；將色彩管理優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為屏幕彩色濾光片；將包裝涂布工藝演進(jìn)為鋰電池軟包。自 2003 年以來(lái)，DNP 一直致力于開發(fā)納米壓印光刻模板，并與佳能有所合作。

要理解 DNP 此次突破的分量，首先必須看清目前橫亙?cè)谛酒圃烀媲暗哪亲笊健獦O紫外光刻（EUV）。

作為目前人類制造先進(jìn)制程芯片的唯一量產(chǎn)工具，EUV 光刻機(jī)被譽(yù)為“半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠”。其核心原理是利用波長(zhǎng)僅為 13.5 納米的極紫外光，像一臺(tái)原子級(jí)別的超精密照相機(jī)，將復(fù)雜的電路圖投射并雕刻在硅晶圓上。沒(méi)有它，無(wú)論是蘋果的 A 系列芯片，還是英偉達(dá)的 AI 算力核心，都無(wú)法突破 7 納米的物理制程極限。

然而，目前荷蘭的 ASML 是全球唯一能生產(chǎn) EUV 光刻機(jī)的企業(yè)，牢牢扼守著高端芯片制造的入場(chǎng)券。其 2024 年年報(bào)披露：當(dāng)年凈系統(tǒng)銷售中包含 44 臺(tái) EUV 系統(tǒng)。

（來(lái)源：ASML 2024 年報(bào)）

這種壟斷地位伴隨著驚人的成本門檻：一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn) EUV 光刻機(jī)的售價(jià)高達(dá) 1.5 億至 2 億美元，而為了沖擊 2 納米工藝研發(fā)的新一代 High-NA EUV 設(shè)備，單價(jià)更是飆升至 3.8 億美元。

除了系統(tǒng)集成商 ASML，德國(guó)蔡司獨(dú)家供應(yīng)著極致精密的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，而日本企業(yè)（如 JSR、東京應(yīng)化、豪雅等）則在光刻膠、掩膜版等關(guān)鍵材料端占據(jù)統(tǒng)治地位。至于買家，全球僅有臺(tái)積電、三星和英特爾等少數(shù)幾家巨頭有財(cái)力組建 EUV 產(chǎn)線。

不同于 EUV 極度復(fù)雜的光學(xué)投影系統(tǒng)，NIL 走出了一條完全不同的路徑：由刻轉(zhuǎn)壓。其核心原理類似于物理蓋章：利用刻有電路設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)的模板（母版），直接壓入涂有感光樹脂的基板表面，通過(guò)物理接觸轉(zhuǎn)印出超微細(xì)的圖案。

NIL 于 1995 年誕生，當(dāng)時(shí)普林斯頓大學(xué) Stephen Chou 提出大膽設(shè)想：避開復(fù)雜的光學(xué)衍射極限，直接用模具壓出電路。 這一方案在實(shí)驗(yàn)室輕松實(shí)現(xiàn)了 10 納米以下分辨率，被視為挑戰(zhàn)摩爾定律的顛覆性創(chuàng)新。

然而，工業(yè)化之路布滿荊棘。物理接觸帶來(lái)的顆粒污染與套刻精度難題，讓 NIL 難以滿足 CPU 制造的嚴(yán)苛要求。在 ASML 光刻機(jī)的統(tǒng)治下，NIL 轉(zhuǎn)而在 LED 襯底、機(jī)械硬盤磁道以及生物芯片等細(xì)分領(lǐng)域?qū)ふ疑婵臻g。

真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在 2014 年。在光刻機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)失利的佳能決定孤注一擲，收購(gòu)了 NIL 技術(shù)的領(lǐng)頭羊 Molecular Imprints，試圖另辟蹊徑挑戰(zhàn) ASML。

隨后，日本 NIL 聯(lián)盟悄然成型：佳能負(fù)責(zé)制造壓印設(shè)備，DNP 與 Toppan 負(fù)責(zé)攻克高精度模板，而 Kioxia 則在產(chǎn)線上進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)十年的實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。直至 2023 年，佳能交付首臺(tái)商業(yè)化設(shè)備，號(hào)稱可以生產(chǎn) 5 納米及更先進(jìn)的芯片。

其工藝流程簡(jiǎn)潔明了。壓印，將模板精準(zhǔn)壓向預(yù)涂光敏樹脂的基板；固化，使用紫外線照射，使樹脂瞬間硬化定型；脫模，分離模板，留下完美的納米級(jí)樹脂圖案；轉(zhuǎn)印，以樹脂圖案為掩膜進(jìn)行蝕刻，將電路“轉(zhuǎn)移”至硅片本體。

這一技術(shù)路線直接擊穿了 EUV 的四大痛點(diǎn)：建線貴、曝光貴、能耗高、生態(tài)門檻高。數(shù)據(jù)顯示，與目前主流的浸沒(méi)式氬氟（ArF）光刻及昂貴的極紫外（EUV）光刻工藝相比，NIL 工藝能將電力消耗大幅降低至約十分之一。

（來(lái)源：DNP）

僅從理論層面來(lái)看，NIL 確實(shí)具備應(yīng)用于尖端芯片圖形化工藝的潛力。它是極少數(shù)能夠達(dá)到 EUV 級(jí)分辨率，且暫未表現(xiàn)出明顯阻礙大規(guī)模量產(chǎn)特征的技術(shù)之一。此外，相較于 EUV 光刻機(jī)，NIL 設(shè)備結(jié)構(gòu)更為精簡(jiǎn)，制造成本更低，能耗也顯著減少。

然而，在全面盤點(diǎn)各項(xiàng)技術(shù)障礙后，半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu) Semianalysis 得出結(jié)論：NIL 目前的工藝規(guī)模與穩(wěn)健性，尚不足以支撐尖端邏輯芯片與存儲(chǔ)芯片的制造需求。

（來(lái)源： Semianalysis）

最根本的制約因素之一在于掩膜版的耐用性。由于涉及物理接觸，昂貴的掩膜版極易損耗。盡管宣稱壽命很長(zhǎng)，但在實(shí)際生產(chǎn)中可能僅能維持 50 片晶圓左右，這導(dǎo)致成本居高不下。

第二大核心難題是套刻精度不足。物理壓印會(huì)導(dǎo)致晶圓微小形變，使得多層電路的對(duì)準(zhǔn)誤差高達(dá)實(shí)際需求的四倍。

即便解決了掩膜壽命與套刻精度的物理難題，NIL 仍面臨“圖形保真度”的挑戰(zhàn)。接觸式工藝天生容易引入顆粒污染，這對(duì)良率是致命打擊。

此外，NIL 的生態(tài)系統(tǒng)尚未成熟。在光刻膠、壓印材料、固化工藝及圖形轉(zhuǎn)移（刻蝕/沉積）等環(huán)節(jié)，NIL 的配套成熟度遠(yuǎn)不及光學(xué)光刻，后者坐擁數(shù)十年積累的深厚工藝經(jīng)驗(yàn)。

最后，盡管 NIL 在設(shè)備成本與功耗數(shù)據(jù)上頗具吸引力，但其生產(chǎn)效率相比 EUV 光刻機(jī)仍是短板。例如，佳能 NIL 設(shè)備的標(biāo)稱產(chǎn)能在單機(jī)模式下約為每小時(shí) 25 片晶圓，集群配置下約為每小時(shí) 100 片。相比之下，現(xiàn)今 EUV 光刻機(jī)的速度至少是其兩倍，且 ASML 計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)將產(chǎn)能提升至每小時(shí) 400 到 500 片。

佳能雖于 2023 年交付了首臺(tái)商業(yè)化設(shè)備，但目前的公開客戶僅為科研機(jī)構(gòu)（得克薩斯電子研究所），這也側(cè)面印證了行業(yè)對(duì)其大規(guī)模量產(chǎn)能力的謹(jǐn)慎態(tài)度。

這一系列因素疊加，注定了 NIL 目前尚無(wú)法滿足先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)要求。然而，這絕不意味著 NIL 毫無(wú)用武之地。

在眾多對(duì)套刻精度與缺陷率容忍度相對(duì)較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，NIL 仍大有可為，比如適用于次先進(jìn)制程的邏輯芯片或存儲(chǔ)芯片制造；以及在微光學(xué)元件、微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器以及超透鏡的特殊圖形化工藝中，NIL 具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.https://www.global.dnp/zh-CHS/news/detail/20177718_4126.html

2.https://bits-chips.com/article/dnp-unveils-10-nm-nanoimprint-template-for-next-gen-chip-production/

3.https://ourbrand.asml.com/m/79d325b168e0fd7e/original/2024-Annual-Report-based-on-US-GAAP.pdf#page=1

4.https://newsletter.semianalysis.com/p/nanoimprint-lithography-stop-saying