摘要：传统光刻通过光学投影将电路图案转移到涂有光刻胶的晶圆上，而纳米压印光刻（NIL）基于机械转移原理，像盖章一样使用模板通过机械力直接将图案压印到涂有压印胶的晶圆表面，无需光学曝光过程。

前言：

由于半导体制造对图形保真度和套刻精度的极高标准，步进纳米压印技术必须依赖高硬度石英模板。

这导致该技术对压印环境洁净度、压力控制、模板与衬底平整度、工艺稳定性及专用材料体系等方面设定了极为严苛的条件。

在各类纳米压印方法中，步进纳米压印的工艺复杂性和技术难度被视作最高。

作者 | 方文三

图片来源 | 网 络

NIL技术与EUV光刻系统截然不同的技术路径

传统光刻通过光学投影将电路图案转移到涂有光刻胶的晶圆上，而纳米压印光刻（NIL）基于机械转移原理，像盖章一样使用模板通过机械力直接将图案压印到涂有压印胶的晶圆表面，无需光学曝光过程。

其原理并非依赖光或电子辐射，而是通过物理压印的方式将模具上的图案转移到光刻胶上。

压印胶通常为液态聚合物，需在压印时保持极佳的柔韧性，常见类型包括热压型、紫外光固化型以及热光混合型。图案复制在压印完成后的脱模过程中实现。

该技术由美国普林斯顿大学华裔科学家Stephen Y. Chou于1995年发明，具备分辨率高、成本低廉和工艺简单等优点，已被公认为纳米尺寸大面积结构复制中最具潜力的下一代光刻方法之一。

与传统光刻相比，纳米压印的优势在于能有效控制能耗和成本。

但它也存在挑战，例如模板寿命短、易受污染、工作效率较低以及模板图案制作难度大。

这些难题导致当前NIL技术的实际成本并不低，且可靠性有限，因此在先进逻辑半导体生产中难以替代EUV光刻技术。

然而，在NAND Flash存储芯片领域，由于图形结构相对简单且采用多层相似堆叠设计，NIL技术更易应用。

例如，与佳能合作的铠侠（Kioxia）在2021年证实，该技术能显著降低能耗和设备成本，这一观点已通过实践验证。

该技术的核心优势在于不受光学衍射极限约束，其分辨率主要由模板（通常采用电子束光刻加工）决定，理论上可突破3纳米乃至2纳米的图形尺寸限制。

与极紫外（EUV）光刻相比，纳米压印在制造成本、能耗以及工艺灵活性方面具有显著优势，尤其适用于存储芯片、硅光芯片、硅基微显示器等特种应用场景。

纳米压印具备一系列传统光刻难以企及的制造能力，包括：0.3纳米级的超高分辨率、小于6纳米半间距的高密度图形制造、三维图案成型、不受光学散射影响、兼容柔性衬底、大面积复制能力、设备结构简单、能耗低以及成本可控等。

正因如此，它正逐步成为大规模纳米结构制造的关键工艺。

目前，该技术已被广泛应用于LED、AR/VR、光学器件、生物医学检测等多个领域，形成了数十亿美元的年产值并持续增长。

国内首台10nm纳米压印光刻机系统交付

近日，中国半导体制造领域迎来突破时刻，璞璘科技自主研制的PL-SR系列喷墨步进式纳米压印设备成功交付给国内客户。

璞璘科技此次交付的PL-SR系列喷墨步进式纳米压印系统，正是在对标佳能技术的基础上自主研发而成。

PL-SR系统成功攻克了多项技术瓶颈，包括：在非真空环境下实现步进硬板的完全贴合、喷墨式纳米涂胶技术以及高精度的模板面型控制等核心难点。

设备实现了纳米级压印膜厚控制，技术指标达到平均残余层小于10纳米，变化小于2纳米，压印结构深宽比大于7:1，可满足线宽小于10纳米的制程需求。

核心技术自主化方面，公司攻克了非真空环境下步进硬板的完全贴合、喷胶与薄胶压印、残余层控制等世界级难题，成功解决石英模板与硅晶圆间的翘曲贴合问题，奠定高精度压印基础。

PL-SR设备通过自研模板面型控制系统，运用智能算法实时补偿石英模板与硅晶圆间的微米级翘曲，首次在大气环境中实现完美贴合，使设备产能提升3倍以上。

针对芯片结构中变占空比、多周期变化的纳米结构，璞璘开发动态喷墨算法系统，可依据图形特征实时调节胶滴喷射量和位置，配合溶剂清洗型光固化胶实现平均10nm残余层厚度。

通过设备-材料-工艺协同优化，公司开发出近零残余层压印技术，将刻蚀误差控制在原子尺度，对3D NAND闪存堆叠和硅光芯片波导精度具有决定性意义。

PL-SR设备支持＜10nm线宽工艺，超越佳能FPA-1200NZ2C机型（14nm线宽），标志着中国在纳米压印领域首次实现技术超越。

该设备已完成存储芯片、硅基微显示器、硅光芯片、先进封装四类核心场景的工艺验证，尤其在3D NAND存储堆叠环节可显著提升存储密度。

璞璘科技由南京大学教授葛海雄领衔创立，核心技术团队源自国内顶尖微纳加工实验室。

自主研发的模板面型控制系统和纳米压印光刻胶喷墨模块，彻底摆脱对日美关键子系统的依赖，50项发明专利涵盖模板控制、喷墨算法等关键技术领域。

在3nm以下工艺中，刻蚀技术的重要性超越光刻精度，而纳米压印技术路线正被中国用于AR/VR光波导片的量产攻关。

璞璘科技构建[设备-材料-工艺]闭环体系，开发近30种专用纳米压印胶，材料体系完全适配国产设备参数。

PL-SR设备的拼接技术可将20mm×20mm模板无缝缝合为300mm晶圆级图案，在8英寸晶圆上实现视网膜级像素密度，为下一代VR/AR设备提供核心制造能力。

PL-SR设备具备显著成本优势

相较EUV光刻技术，能耗降低90%，投资成本仅为EUV系统的40%。

在差异化应用场景中，设备已验证其在四大领域的不可替代性：Micro LED微显示器需超高图形保真度、硅光芯片依赖复杂波导结构、先进封装要求异构集成灵活性、存储芯片追求低成本堆叠密度。

这些领域成为中国[特色工艺]发展的核心战场，例如结合国产设备可使二维材料异质结超透镜制造成本降至国际水平的1/4。

纳米压印设备耗电量仅为EUV的10%，成本降低60%。

传统EUV光刻单台成本超1.5亿美元，而纳米压印设备硬件复杂度大幅降低，成本仅EUV的1/3。

其单次压印即可完成图形转移，在三维结构制造中效率显著提升。

此外，璞璘科技开发了多款适配喷胶步进压印和后续半导体工艺的纳米压印胶体系，特别研制出可溶剂清洗的光固化纳米压印胶，消除了昂贵石英模板被残留胶污染的隐患，为高精度步进压印提供了材料支撑。

结尾：

目前，全球NIL领域的主导企业为日本佳能。

2014年，佳能通过收购美国德克萨斯州奥斯汀的分子压印公司（MII），将这一技术引入高端芯片制造。

2024年，该公司推出了其最先进的FPA-1200NZ2C纳米压印光刻系统，该系统支持14纳米线宽图形化，并能应用于最高5纳米制程的逻辑芯片制造。

然而，受出口限制影响，该系统已被列入对华禁运名单。

PL-SR设备的成功交付不仅打破了国外技术垄断，也为我国高端芯片制造装备领域开辟了新的局面。

部分资料参考：铅笔道：《深圳跑出超级隐形冠军：60后大叔造电池 年入560亿 全球第一》，壹零社：《打破佳能封锁！国产10nm纳米压印光刻机破壁》，卓乎：《10nm以下！国产光刻新突破，首台自研半导体级纳米压印光刻系统交付》

来源：AI芯天下