佳能交付的纳米压印光刻机能撬动ASML市场地位吗？

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同样是光刻机技术突破，国产企业与国外企业的技术差距有多大？

 

日本东京当地时间9月26日，佳能（Canon）宣布，将在同日向总部位于美国得克萨斯州的半导体联盟得克萨斯电子研究所（TIE）交付最先进的纳米压印光刻NIL系统FPA-1200NZ2C。

 

9月9日，我国工信部发布《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》。目录中的“集成电路生产装备”板块列出了氟化氪光刻机和氟化氩（ArF）光刻机。其中，ArF光刻机的核心技术指标为：光源193纳米，分辨率≤65nm，套刻≤8nm。

 

 

简单来说，佳能推出的纳米压印光刻机属于另辟蹊径，系绕过传统的激光曝光技术而研发；我国国产ArF光刻机仍处于技术追赶范畴。可以看到，仅仅从光刻机设备来看，我国与ASML、Canon、尼康（Nikon）等巨头相比，还有很长的路要走。

 

在全球市场中，半导体光刻机呈现强垄断性，ASML、Nikon、Canon是产业三大龙头，占据绝大部分市场份额，根据各公司官网数据，2023年三家企业半导体用光刻机销售量分别为449台、45台、187台，合计681台。其中，ASML更是占据市场垄断地位。

 

为了打破寡头垄断，佳能等日本半导体巨头以及我国半导体设备厂商们都在积极追赶ASML。

 

 

Part 1

佳能NIL光刻机或受存储芯片厂商青睐

 

佳能、尼康作为日本半导体的优秀代表，一直试图通过技术研发重回当年的产业巅峰。而佳能纳米压印光刻NIL系统FPA-1200NZ2C的交付可以视作这场技术角逐中的一次创新性突破。

 

据悉，佳能的纳米压印设备可绘制5纳米级半导体工艺所需要的最小线宽为14纳米的电路图案，性能接近ASML开口数为0.33的EUV光刻设备所能实现的最小线宽13纳米的性能。经过改良后甚至能生产2纳米级半导体。自2014年以来，佳能一直在开发这项技术。该设备是与铠侠 (Kioxia)、大日本印刷(Dai Nippon Printing) 合作开发的，于去年10月开始销售。

 

佳能表示，相较于传统光刻机需要复杂的光学镜片构造，纳米压印设备的构造更为简单，功耗仅需十分之一。同时还能通过单次压印形成复杂的三维电路图案，能够处理用于最先进逻辑芯片的极细电路。据了解，采用纳米压印技术，将可使得整体的设备投资降低至EUV光刻产线设备的40%水平。

 

值得注意的是，NIL是完全不同于光刻技术的全新路径，因此它与现有的基于DUV或EUV光刻的产线不兼容，也就是说现有的大型芯片制造商无法在现有产线中直接使用NIL技术，需要重新建立全新的生产线，显然这将成为阻碍NIL技术推广的一个因素。这也使得佳能的NIL设备的初期的客户主要来源于研究机构、科研院校等。

 

另外，相对于拥有数十层不同电路结构的逻辑半导体来说，存储芯片由于存在多层重复的电路，更适合利用NIL技术来进行制造，这也是此前传闻SK海力士、铠侠、美光等存储芯片厂商都对NIL设备感兴趣的主要原因。

 

佳能光学产品副首席执行官岩本一典（Kazunori Iwamoto）表示，公司的目标是在三到五年内每年销售约10至20台纳米压印光刻NIL系统。

 

 

Part 2

国产ArF光刻机助力28nm芯片全流程替代

 

在本轮官方集成电路设备目录中披露的ArF光刻机属于DUV光刻机，若按照套刻精度与量产工艺约1：3的关系，ArF光刻机有望用于28nm芯片产线中的部分工艺。

 

这台光刻机的套刻即层与层之间的分辨率为8nm，每一层的精度为65nm，性能比较接近ASML 2005年发布的ArF-Dry系列65nm的光刻机1460K，套刻精度为3.5和5.0nm，比套刻精度8nm要先进一点点。

 

乐观派认为，这意味着28nm以上制程的成熟芯片有望实现全流程国产化，减少了对进口设备的依赖，增强了产业链的自主可控性。在中低端芯片市场上，中国的量产能力将不再受西方的制约。

 

悲观派认为，以ASML为代表的巨头也在不断创新研发，国产企业的技术追赶之路漫漫。

 

因为当下5nm制程的先进半导体制造设备市场，由ASML的极紫外 (EUV)光刻机所垄断，单台价格约1.5亿美元。高数值孔径 (High-NA) EUV光刻机的NA值已从0.33提升至0.55，分辨率从13纳米降至8纳米，并承诺未来将进一步优化套刻精度和产能，有望突破2纳米甚至更小的工艺节点。实现8纳米制程对于制造计划在2025-2026年上市的3nm 以下制程芯片至关重要。更为先进的2nm及以下制程的芯片，ASML也推出了成本更为高昂的High-NA EUV光刻机，这也使得尖端制程所需的成本越来越高。

 

综合来看，ASML在光刻技术领域的深厚积累和市场份额不容小觑，短时间内不管是佳能、尼康等光刻机巨头，还是我国国产设备厂商，都难以撼动这只大象。但佳能纳米压印光刻机在研究院所的成功交付，至少为半导体制造带来了新的可能性。

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