Canon 最新技術的 NIL 奈米壓印微影是什麼?EUV 曝光機是否將被全面取代?- 新聞短評

2023/11/16閱讀時間約 6 分鐘
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前陣子半導體先進製程領域出現了一項轟動產業的新技術,也就是 Canon(佳能)推出的 NIL(Nano Imprint Lithography,奈米壓印微影)技術,公司執行長御手洗富士夫在近期的採訪中也針對公司的 NIL 設備與當前已投入生產先進製程的 EUV 微影設備,兩者在定價、定位上的差異。以下將對 NIL 技術進行介紹,並討論該設備若順利出貨後,對於半導體產業可能帶來什麼影響。

NIL 技術是什麼?和傳統光學微影技術有什麼差別

傳統光學微影技術步驟,以及 EUV 為何那麼耗電?

首先先帶大家重新複習一下,傳統光學微影技術如何將電路圖形移轉到晶圓上。簡單來說包含以下幾個步驟:

  1. 基板準備:選擇適當的基板材料,例如矽基板,並在基板上沉積一層薄膜(例如 SiO₂)
  2. 光阻塗佈:接著在基板表面塗佈一層光阻(photoresist)
  3. 曝光:使用光學系統(也就是 DUV、EUV),將光阻曝光於具有特定圖案的光罩(mask)之下
  4. 顯影:光線照射過後的光阻將產生化學變化,將反應過後的光阻溶解於顯影液中,進而形成圖案
  5. 蝕刻:使用化學藥劑,將受曝光區域的薄膜從基板表面去除
  6. 光阻去除:利用有機溶液等方式將剩餘的光阻從基板表面去除

最後清洗基板就可以進行後續一次的微影或是其他步驟。

其中,當前最先進的 EUV 曝光機台,所使用的 EUV 波段(波長為 13.5nm 的紫外光)因為主要兩個原因,使其耗電量居高不下:

  1. 要激發出高功率的 EUV,本身就需要使用功耗極高的雷射光激發裝置
  2. 更重要的,材料對 EUV 波段的光吸收係數很高,導致每一道反射都會產生大量的損耗,最終大約只有不到 2% 的能量能夠到達矽晶圓
EUV 機台及其光學反射系統 Source: ASML

EUV 機台及其光學反射系統 Source: ASML

而 Canon 所開發出的 NIL 技術,因為微影方式的不同,可以使其功率降至 EUV 的十分之一,同時本身製造成本也降低至 1,500 萬美元,亦約是 EUV 一台 1.5 億美元的十分之一(但最終訂價尚未決定),緊接著就來了解一下 NIL 技術。

NIL 技術步驟及其挑戰點

最大的不同出現在曝光和顯影兩大步驟,簡單來說,就是改利用將石英製作的模具(也就是光罩)直接壓印在可流動的光阻上經過紫外光照射使光阻固化後移除,留下顯影完的圖案

其中這項技術有幾項挑戰點是 Canon 透過大量研發才足以克服:

  1. 光阻塗佈的分配問題

因為模具圖形有凹有凸,不能再像過往直接將一整面基板都塗滿光阻,否則模具凸的地方會擠壓出大量光阻,同時凹的地方可能光阻又會不足。因此 Canon 利用其在噴墨印表機(對你沒看錯)累積的大量經驗,以及透過專用的演算法(計算光阻的擴散速度等),精準控制光阻的塗佈量和分佈位置(這裡可要提醒大家,這些都是奈米尺度(10⁻⁹m)的「雞毛蒜皮」之事啊...)

光阻劑噴射控制技術 Source: Canon

光阻劑噴射控制技術 Source: Canon

上圖可看到在凹槽的部分(左邊深紫色部分)在最終光阻塗佈結果(右圖)下,光阻的密度將來得比周圍區域更高。

  1. 奈米等級對準技術

由於晶片是透過堆疊多個不同的圖形製造出來的(即使用大量不同的光罩),因此如何確保每一次微影能夠對準前一次的結果就變得非常重要(否則最終 3D 圖形會變得歪七扭八)。

此處 Canon 再拿出另一把殺手鐧,也就是顯微光學系統,透過 TTM Scope 進行奈米級定位(圖 1),而針對和下層圖案對準部分,Canon 另開發了一套匹配技術,透過雷射光照射使晶圓(圖 2)並搭配 DMD(數位微鏡,圖 4)改變不同區域的熱量輸入創造局部變形(圖 3),來達成最終的對準。

奈米等級對準技術 Source: Canon、ProjectorScreen

奈米等級對準技術 Source: Canon、ProjectorScreen

其實在傳統的晶圓製造上,熱量導致的矽晶圓變形可能是一個導致良率降低的關鍵,此處 Canon 反倒以創新的方式,透過其光學和控制技術達成奈米等級的對準技術。

從上述的技術來看,奈米壓印微影減去了大量 EUV 的曝光時間,而使其耗電量能夠顯著降低

那麼 NIL 在未來要全面取代 EUV 了嗎?以下來討論以下 NIL 的優缺點和使用限制。

NIL 是否能夠全面取代 EUV?其優缺點和使用限制為何?

首先,NIL 所使用的光阻必須是高可塑性材料,而目前在生產邏輯晶片(例如 CPU、GPU)的製程中,仍有部分層數無法替代,目前被認爲全面以 NIL 生產的可能性較低,但仍可在部分製程導入。

能夠完整發揮 NIL 所長的晶片,目前認爲需是在結構上重複性極高的晶片產品,因此 3D 製造技術已經非常成熟的 NAND Flash 預期將能夠率先採用,此次 NIL 技術即是鎧俠(Kioxia)與 Canon 共同投入開發,因此有機會看到鎧俠成為第一波導入此項技術的廠商

而 DRAM 同樣是結構重複度高的晶片,雖然目前尚未看到大規模 3D DRAM 的量產,但各家大廠均在積極投入開發當中,有望成為下一項導入之晶片。

3D NAND Flash 和 3D DRAM 架構 Source: BusinessKorea、MDPI

3D NAND Flash 和 3D DRAM 架構 Source: BusinessKorea、MDPI

隨著 DRAM 製程持續微縮,三星已在其 DDR5 產品開始採用 EUV 曝光設備;美光則規劃在下一代 1-gamma 製程中導入,EUV 曝光機目前僅有 ASML 一家廠商有能力生產,在產量提升、生產成本降低上均有相當高的難度,因此採用 NIL 技術的曝光機若能順利量產,且記憶體廠在導入試產後取得成功,DRAM 的生產成本將能夠再進一步降低

即使記憶體產業已進入寡占市場,但從今年 DRAM 報價狂摔導致顆粒廠連續數季陷入虧損,依舊能夠看得出來 DRAM 並非容易的生意,因此生產成本的降低將有望改善顆粒廠的獲利狀況,除此之外,若 NIL 技術能夠大規模實現接近 EUV 製程的記憶體生產技術,具高讀寫速度的 DRAM 產量將有望提升,對於接下來 AI 等對於記憶體需求、讀寫速度要求極高的相關應用,更是一大利多

總結以上,雖然現階段 NIL 尚無法全面取代 EUV 曝光機,其潛在的應用可能性仍十分值得期待,相關供應鏈部分,除了機台本身零組件外,另一大亮點即是其專用的光阻劑,目前尚無取得相關資訊,筆者將為各位讀者持續追蹤。

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以下為 Canon 官方針對 NIL 技術的介紹影片,製作得十分精美,強力推薦讀者觀看!

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