難怪諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)開掛，日企開發(fā)出省電9成的1.4納米半導(dǎo)體技術(shù)

內(nèi)容提要：

日本不僅獲得31個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，其76項(xiàng)半導(dǎo)體材料壟斷全球市場(chǎng)。大日本印刷突破1.4nm模板技術(shù)，支持佳能納米壓印裝置，耗電僅EUV光刻機(jī)1/10，成本大幅降低，適用于AI、自動(dòng)駕駛芯片。臺(tái)積電、三星計(jì)劃量產(chǎn)，中國半導(dǎo)體落后，可趁禁售窗口合作引入，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制程彎道超車，補(bǔ)齊7nm短板。

在兩個(gè)月前的2025年度諾貝爾獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)頒布新聞發(fā)布會(huì)上，日本又增添了兩名諾貝爾獎(jiǎng)得主：一個(gè)是榮獲生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的大阪大學(xué)教授坂口志文，另一個(gè)是榮獲化學(xué)獎(jiǎng)的京都大學(xué)教授北川進(jìn)。

雖然一年獲得兩個(gè)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)令囊中羞澀的我們羨慕不已，但更令人驚嘆的是，截至2025年，日本獲得的諾貝爾獎(jiǎng)中，2000年后的25年里，日本獲得了22個(gè)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)，成為獲得諾獎(jiǎng)最多的非歐美國家。

扎實(shí)的科學(xué)研究實(shí)力，不僅讓日本獲得了31個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，還使其成為全球最先進(jìn)的半導(dǎo)體關(guān)鍵材料技術(shù)和產(chǎn)品供應(yīng)國。日本在EUV光刻膠制備技術(shù)、300mm大硅片制造技術(shù)、半導(dǎo)體涂膠顯影設(shè)備技術(shù)等76項(xiàng)半導(dǎo)體材料和設(shè)備領(lǐng)域構(gòu)筑了全球最嚴(yán)密的技術(shù)壁壘，擁有市場(chǎng)份額超過70%的絕對(duì)壟斷地位。

日本在半導(dǎo)體材料和設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)積累，推動(dòng)日企砥礪前行，不斷實(shí)現(xiàn)突破與超越。最近，日企又在先進(jìn)半導(dǎo)體核心構(gòu)件方面取得了重大突破。

12月10日，《日經(jīng)亞洲》報(bào)道稱，大日本印刷（DNP）開發(fā)出了能以十分之一的耗電量生產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體的技術(shù)。將面向佳能生產(chǎn)的新方式制造裝置，于2027年量產(chǎn)可支持新一代1.4納米（1納米為十億分之一米）產(chǎn)品的核心構(gòu)件。該技術(shù)的出現(xiàn)，讓人工智能（AI）半導(dǎo)體的制造成本有大幅降低的可能性。

目前，要量產(chǎn)最先進(jìn)的半導(dǎo)體，需要使用全球只有荷蘭阿斯麥控股（ASML Holdings）生產(chǎn)的極紫外（EUV）光刻機(jī)。在晶圓（基板）上繪制電路的“光刻工序”占半導(dǎo)體總制造成本的3至5成。電路越精細(xì)，光刻次數(shù)就越多，耗電量也隨之增加。一臺(tái)EUV光刻機(jī)的價(jià)格為300億日元左右，給半導(dǎo)體廠商帶來沉重的投資負(fù)擔(dān)。

而佳能的“納米壓印（Nanoimprint ）”制造裝置，采用類似蓋印章的方式在晶圓上制作電路。大日本印刷開發(fā)出了相當(dāng)于精細(xì)印章的電路原版“模板（template）” ，最高可用于1.4納米制程。此前該技術(shù)無法支持2納米等先進(jìn)半導(dǎo)體的制造。

制作模板時(shí)，需要使用光刻技術(shù)。此次大日本印刷重新篩選了材料并調(diào)整設(shè)置條件，還采用了可使半導(dǎo)體電路密度翻倍的“雙重圖形化（Double Patterning）”技術(shù)。

從2023年開始，佳能便銷售與EUV完全不同的納米壓印裝置。與EUV光刻機(jī)需要使用強(qiáng)光源來轉(zhuǎn)印電路圖案需要消耗更多電能相比，納米壓印裝置耗電量更低。預(yù)計(jì)納米壓印裝置單臺(tái)設(shè)備的價(jià)格為3-5千萬美元，銷售價(jià)格僅為EUV光刻機(jī)的六分之一至四分之一。

不過，由于是直接接觸模板來繪制電路，這讓佳能的納米壓印裝置對(duì)環(huán)境和工藝的要求更高。因?yàn)橐坏┗烊腚s質(zhì)，壓印電路就容易出現(xiàn)缺陷，良品率就會(huì)降低。該工藝同時(shí)還面臨需要提高處理速度等課題。因此，習(xí)慣于使用EUV的芯片制造企業(yè)，目前僅存儲(chǔ)器大型制造商鎧俠控股等引入這種裝置，目前還在用于驗(yàn)證用途，尚未在量產(chǎn)線中采用。

更先進(jìn)的1.4納米半導(dǎo)體，將主要用于AI數(shù)據(jù)中心及自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，發(fā)揮智能設(shè)備大腦的關(guān)鍵作用。全球最大的芯片制造代工企業(yè)臺(tái)積電（TSMC），計(jì)劃2028年開始量產(chǎn)1.4納米半導(dǎo)體，韓國的三星電子則計(jì)劃2027年開始量產(chǎn)1.4納米芯片。目前，兩家企業(yè)都表示對(duì)納米壓印裝置感興趣。

不過，因?yàn)楦髌髽I(yè)的現(xiàn)有的半導(dǎo)體工廠，均按照已經(jīng)使用的EUV光刻機(jī)為前提設(shè)計(jì)，而采用納米壓印裝置的門檻較高。因此他們只能在新建半導(dǎo)體制造工廠時(shí)才能引進(jìn)這種裝置，并按該裝置的要求設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境要求更高的廠房。這導(dǎo)致佳能納米壓印裝置的推廣較為緩慢。

過去，佳能和尼康兩家日本企業(yè)在光刻機(jī)市場(chǎng)占據(jù)了超過一半的全球份額。但阿斯麥在制程精細(xì)化競(jìng)爭(zhēng)中取得了勝利，目前占據(jù)了全球9成市場(chǎng)。如果未來納米壓印裝置市場(chǎng)擴(kuò)大，日本企業(yè)有望東山再起。大日本印刷等材料廠商也有望入局。富士膠片控股已表示將通過在繪制電路時(shí)涂在晶圓上的材料來涉足這一市場(chǎng)。

佳能已于2024年向美國得克薩斯州及英特爾等半導(dǎo)體企業(yè)參與的官民合作組織“Texas Institute for Electronics（得克薩斯州電子研究所）”首次提供納米壓印裝置。能否與EUV光刻機(jī)形成共享市場(chǎng)的格局，將成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前我國公開量產(chǎn)的半導(dǎo)體最先進(jìn)制程為中芯國際采用DUV多重曝光技術(shù)，能在14納米平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)等效7納米性能的N+1工藝實(shí)現(xiàn)的7納米，而且，良品率很低，產(chǎn)能有限，成本極高。如果我們看到有人說突破了5納米甚至3納米，切記，那一定是無法驗(yàn)證的胡編亂造的。

如果我們的半導(dǎo)體大廠能夠與大日本印刷和佳能合作，利用半導(dǎo)體壓印裝置還未被美國列入禁售目錄的機(jī)會(huì)窗口引入其1.4納米的壓印裝置，可能真的能夠幫助我們?cè)诎雽?dǎo)體制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，補(bǔ)齊我們?cè)谙冗M(jìn)制程芯片方面的短板。

【作者：徐三郎】