01 像盖章一样造芯片

纳米压印是一种微纳加工手艺，它接纳传统机械模具微复型原理，能够取代传统且庞大的光学光刻手艺。[2]

虽然从名字上来看，纳米压印观点异常高深，但现实上它的原理并不难明晰。压印是古老的图形转移手艺，活字印刷术即是最初的压印手艺原型，而纳米压印则是图形特征尺寸只有几纳米到几百纳米的一种压印手艺。

打个譬喻来说，纳米压印光刻造芯片就像盖章一样，把栅极长度只有几纳米的电路刻在印章上，再将印章盖在橡皮泥上，获得与印章相反的图案，经由脱模就能够获得一颗芯片。在行业中，这个章被称为模板，而橡皮泥则被称为纳米压印胶。[3]

纳米压印手艺自己的应用局限就异常普遍，包罗集成电路、存储、光学、生命科学、能源、环保、国防等领域。[5]

在芯片领域，纳米压印光刻不仅善于制造种种集成电路，更善于制造3D NAND、DRAM等存储芯片，与微处置器等逻辑电路相比，存储制造商具有严酷的成本限制，且对缺陷要求放宽，纳米压印光刻手艺与之异常契合。[6]

对一颗芯片来说，可以说光刻是制造历程中最主要、最庞大也最昂贵的工艺步骤，其成本占总生产成本的30%以上，且占有了快要50%的生产周期。[7]

制程节点正遵照着摩尔定律向前推进，迭代至今，行业正走向纳米的极限，而业界依赖的光学光刻也存在其局限性[8][9][10]：

*，SDAP、SAQP工艺是一维图案化解决方案，严重限制了设计结构；

第二，光刻后的分外处置步骤大大增添了晶圆加工的成本（包罗分外的光刻、沉积、刻蚀步骤）；

第三，提高光学光刻分辨率主要通过缩短光刻光源波长来实现，只管光源已从紫外的436nm、365nm缩短到深紫外（DUV）的193nm和极紫外（EUV）的13.5 nm，但在光学衍射极限限制下，分辨率极限约为半个波长；

第四，光刻光源波长缩短使得光刻装备研制难度和成本成倍增进，其成本与规模化能力已无法与已往25年确立的趋势相匹配。

DUV/EUV光刻机使用门槛和成本都很高，自由度和定制化能力不强[11]，那改用其它蹊径是否可行？

残酷的事实是新兴的光刻手艺千万万，大部门却都不能知足大规模生产需求，没有任何一种手艺是万能的。

对市场体量较为重大的芯片行业来说，只要手艺的优势能贴合需求即可，而理想的光刻手艺应具备低成本、高通量、特征尺寸小、质料和基材自力等特点。[12]

现在来看，纳米压印是距离光学光刻最近的那一个。

纳米压印光刻不仅可以制造分辨率5nm以下的高分辨率图形，还拥有相对简朴的工艺（相比光学曝规庞大的系统或电子束曝规庞大的电磁聚焦系统）、较高的产能（可大面积制造）、较低的成本（国际权威机构评估同制作水平的纳米压印比传统光学投影光刻至少低一个数目级）[14]、较低的功耗[15]、压印模板可重复使用等优势。

佳能的研究显示，其装备在每小时80片晶圆的吞吐量和80片晶圆的掩模寿命下，纳米压印光刻相对ArF光刻工艺可降低28%的成本，随着吞吐量增添至每小时90片，掩模寿命跨越300批次，成本可降低52%。此外，通过改用大场掩模来削减每片晶圆的拍摄次数，还可进一步降低成本。[16]

2020年与2021年，极紫外光刻、导向自组装（DSA）和纳米压印光刻被列入国际器件与系统蹊径图（IRDS）中下一代光刻手艺主要候选方案[17][18]，评判尺度包罗分辨率、可靠性、速率和瞄准精度等。2022年，IRDS中更是强调了纳米压印光刻在3D NAND、DRAM与交织点存储上应用的主要性。[19]

虽然纳米压印光刻手艺被人捧为行业的希望，但它也不是*的手艺，甚至存在许多致命的难题，不停推迟进入市场的时间。

02 被行业接纳前的问题

想做谁人打破通例的先驱者，并没有那么容易。

纳米压印手艺最终能否进入产业，取决于它的产能和所能到达的最小图形特征尺寸（Critical dimension，CD），前者由模具的图型转移面积和单次压印循环时间决议，后者由模具外面图型CD和定位系统精度决议。[2]

需要指出的是，只管纳米压印光刻从原理上回避了投影镜组高昂的价钱和光学系统的固有物理限制，但从非接触范式的光学光刻到接触式的纳米压印光刻，又衍生了许多新的手艺难题。

手艺分支蹊径多

纳米压印手艺生长历史只有二十余年，但在云云短时间内，也降生了诸多分支蹊径。

纳米压印发现于1970年，直到1995年，美国普林斯顿大学周郁（Stephen Y Chou）首次提出热纳米压印手艺，压印作品分辨率高达10~50nm[20]，该手艺才引刊行业大面积讨论。同年，他又宣布了这项开创性手艺的专利US5772905A[21]，今后，纳米压印成为了划时代的精致加工手艺，此起彼伏地浮现新工艺。

生长至今，相对成熟和普遍的纳米压印加工方式包罗三类：热纳米压印、紫外纳米压印和微接触印刷（软刻蚀），其它新型工艺多为此三类工艺的改善版。其中，紫外纳米压印优势最为显著，是现在产业化最常见的方式，而微接触纳米压印则主要应用在生物化学领域。[29]

对比差异分支手艺，各有其优劣势，但以现在制程节点迭代情形，要知足愈发精致的微结构制造要求，均需进一步提高和改善，多手艺蹊径一定使得产业化之路更为曲折。[2]

要害手艺一个没少

虽然纳米压印光刻工艺另辟蹊径，但它也绕不开光刻胶、涂胶、刻蚀等手艺，其中，以光刻胶尤为难题，在纳米压印光刻中的光刻胶被称为纳米压印胶。

压印胶生长整体履历从热塑性压印胶、热固性压印胶到紫外压印胶三个阶段，其中紫外压印胶是现在及未来的主流。从专利上来看，富士胶片在压印胶领域的手艺贮备异常雄厚，而海内掌握的专利则较少。[30]

另外，对纳米压印来说，模板是器件乐成的要害。差异于传统光学光刻使用的4X掩模，纳米压印光刻使用1X模版，会导致模具制作、检查和修复手艺面临更大挑战。[2]

用起来也没那么简朴

虽说相对光学光刻，纳米压印光刻简直简化了原理，但其中的门道却更多了。

传统的光学系统是在芯片外面平均地形成光刻胶膜，纳米压印则需有针对地喷涂滴状压印胶[32]，这个历程就像打印机喷墨一样，控制好力度并不容易。

压印历程中聚合物图形和掩膜间会进入空气，犹如手机贴膜历程中混入气泡一样平常，纳米压印也会发生与掩膜不贴合的情形，一旦进入空气，就会成为残次品，无法正常事情。因此，在有些时刻，压印出来的芯片看似一致，在纳米尺度却存在很大个体差异。为领会决上述问题， 会接纳与光学光刻完全相反的方式，即压印瞬间对芯片局部加热，使纳米级形变历程中能严丝合缝地贴合掩膜[32]。不外，现实生产历程更庞大，除了空气，任何细小的灰尘都市威胁产物的制品率。

多数纳米压印手艺均需脱模这一工序，而模板和聚合物间具有较强粘附性，因此，行业时常会在模板外面蒸镀一层纳米级厚度的抗黏附质料，以便轻松脱模。就像是制作蛋糕历程中垫一层油纸或刷一层油一样，蛋糕脱模才会更顺遂更完整。只不外，虽然这样能解决脱模的问题，但固化后的聚合物制止不了与抗黏附质料发生物理摩擦，缩短模板寿命。[33]

此外，只管现在纳米压印手艺已在大批量生产取得伟大提高，但在模板制造、结构平均性与分辨率、缺陷率控制、模板寿命、压印胶质料、庞大结构制备、图型转移缺陷控制、抗蚀剂选择和涂铺方式、模具质料选择和制作工艺、模具定位和套刻精度、多层结构高差、压印历程正确化控制等方面仍存在挑战。[2][5]

可以说，生长纳米压印光刻需要甩掉已往固有的履历和知识，重新探索一套方式论，这需要大量的研发与市场试错。

03 有希望，但需要时间

现阶段，已有许多产物在使用纳米压印手艺生产，包罗LED、OLED、AR装备、太阳能电池、传感器、生物芯片、纳米光学器件、纳米级晶体管、存储器、微流控、抗反射涂层或薄膜、超疏水外面、超滤膜等[14]，但这项手艺还没有进入大规模生产阶段。

现在，日本的佳能（Canon）、奥地利的EV Group、美国得克赛斯州的Molecular Imprints Inc.、美国新泽西州的Nanonex Corp、瑞典的Obducat AB、德国的SUSS MicroTec等公司已生产纳米压印光刻装备，一些纳米压印光刻装备已支持15nm。[1]

纳米压印市场没有想象中那样大，但整体正逐渐走强。TechNavio数据显示，2026年纳米压印市场有望到达33亿美元，2021年至2026年年复合增进率可达17.74%。[34]

纳米压印光刻的潜力也被全球各国所认可，不仅被普林斯顿大学、德克萨斯大学、哈佛大学、密西根大学、林肯实验室、德国亚琛工业大学等着名大学和机构鼎力推进，ASML（阿斯麦）、台积电、三星、摩托罗拉、惠普等龙头也延续看好纳米压印光刻的远景，一直在默默加大投入。

虽然海内起步晚，但在纳米压印光刻的研发上也存在诸多玩家，其中不乏科研机构和公司，包罗复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、西安交通大学、上海交通大学、苏州大学、华中科技大学、中科院北京纳米能源与系统研究所、中科院苏州纳米手艺与纳米仿生研究所、上海纳米手艺研究生长中央、苏州苏大维格科技团体股份有限公司、苏州昇印光电(昆山)股份有限公司、苏州光舵微纳科技股份有限公司等。[33]

对国产来说，纳米压印光刻会是可行之路吗，或许能在专利上看到一些趋势。

据智慧芽数据，以纳米压印和光刻同时作为要害词搜索，在170个国家/区域共有1660条专利。从走势来看，2007年~2011年是近20内热度最高的几年，今后在专利申请上逐步放缓。而对应的，此时纳米压印行业正处于膨胀期，今后进入低谷期，直到2020年后产业进入成熟期。[35]

从专利国家漫衍上来看，美国包揽了全球45.1%的纳米压印光刻专利，共699个；而中国虽然位列第二，但专利总数却不足美国的二分之一，占比为全球专利总数的16.26%；日本和韩国则在专利数目上划分位列第三和第四，划分占全球专利总数的13.35%和10.13%。

从中、美、欧、日、韩五大局的专利流向上来看，美国的纳米压印光刻手艺结构漫衍全球市场，而中国的专利手艺则缺乏中国以外的市场。

从公司来看，分子压模公司（Molecular Imprints Inc.）的纳米压印光刻专利数目遥遥*，以135个专利位列*；佳能（佳能株式会社和佳能纳米手艺公司）和奥博杜卡特股份公司（Obducat AB）紧随厥后，划分拥有132个和49个专利；此外，应用质料、三星、西部数据、信越化学等半导体龙头也有较强专利结构。

需要指出的是，虽然海内专利总数较多，但整体申请较为涣散，而国际上美日企业则集中度较高，单个公司专利数目大，海内后进者或面临专利墙风险。

从现在全天下希望来看，每隔几年都市有纳米压印光刻即将突破的新闻，但每次又延后进入产业的时间。对海内来说，不仅要面临国际也难以解决的纳米亚印光刻在手艺上的瓶颈，还要面临纳米压印光刻牵涉出来的配套工艺、装备、质料等问题。

一切信号都在诉说这项手艺的不容易，但未来，当光学光刻难以向前时，纳米压印光刻将是最值得期待的蹊径，而那时，芯片制造或许也会迎来全新的范式，一切都市推翻。

References：

[1] 日经新闻网：日本要用半导体“纳米压印”手艺逆袭.2021.11.11.

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[34] TechNavio：Nanopatterning Market by End-user, Product type and Geography - Forecast and Analysis 2022-2026.2022.12.

[35] 深圳市微纳制造产业促进会：微纳制造手艺/专利产业化剖析讲述.2021版