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作者 | 方文三
近20年來(lái)，EUV光源、EUV掩模和EUV光刻膠一直是EUV光刻的三大技術(shù)挑戰(zhàn)。
近幾年來(lái)，隨著EUV光源的不斷進(jìn)展，EUV掩模開(kāi)始位居三大技術(shù)挑戰(zhàn)之首，而EUV掩模最困難的環(huán)節(jié)之一就是EUV薄膜。
光刻機(jī)的一系列流程，掩模是其中一環(huán)
光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線(xiàn)透過(guò)掩模照射在硅片表面，被光線(xiàn)照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。
光刻完成后對(duì)沒(méi)有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建過(guò)程。
光刻機(jī)通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過(guò)畫(huà)著線(xiàn)路圖的掩模；
經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線(xiàn)路圖成比例縮小后映射到硅片上；
然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。
EUV薄膜容錯(cuò)成本高，成芯片良率的關(guān)鍵
芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上。
這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。
EUV薄膜是一種超薄薄膜形態(tài)的、需要定期更換的高端消耗品，防止在EUV掩模的頂層，同時(shí)允許高EUV光透射率。
它安裝在光掩模表面上方幾毫米處，在EUV曝光工藝中保護(hù)EUV掩模表面免受空氣中顆?；蛭廴疚镉绊?。
如果顆粒落在EUV薄膜上，由于這些顆粒離焦，不會(huì)曝光在晶圓上，從而最大限度地減少曝光缺陷。
但是，在EUV光刻工藝中，EUV光通過(guò)EUV薄膜兩次。
一次入射到EUV掩模，另外一次出射到EUV投影光學(xué)系統(tǒng)。
當(dāng)EUV燈擊中防護(hù)薄膜時(shí)，膜的溫度將從600攝氏度升高到1000攝氏度。
單塊EUV掩模成本超過(guò)30萬(wàn)美元，EUV薄膜在EUV光刻中保護(hù)極其昂貴的6英寸EUV掩模，使其遠(yuǎn)離可能落在其表面的顆粒。
這對(duì)于CPU芯片的生產(chǎn)最為重要，CPU芯片使用的是單芯片掩模，任何一個(gè)EUV掩模缺陷就會(huì)有可能使整個(gè)晶圓失效。
同時(shí)，EUV薄膜在EUV工藝時(shí)代起著至關(guān)重要的作用，可以防止EUV受污染而導(dǎo)致良率性能不佳。
ASML率先研發(fā)推出，三星、臺(tái)積電等緊隨其后
ASML公司在2014年研制出面積達(dá)106mm×139mm的多晶硅EUV薄膜，但是其厚度為70nm，EUV透過(guò)率最高為86%。
芬蘭Canatu公司在2015年建立了第一個(gè)生產(chǎn)碳納米管的生產(chǎn)線(xiàn)，與IMEC合作，開(kāi)發(fā)基于碳納米管的EUV薄膜。
不同于ASML的技術(shù)路線(xiàn)，IMEC采用的是碳納米管，EUV透過(guò)率高達(dá)97.7%，可以將生產(chǎn)效率提高約25%。
從2019年以來(lái)，臺(tái)積電一直在其量產(chǎn)線(xiàn)上使用自己開(kāi)發(fā)的EUV薄膜；2021年其EUV薄膜生產(chǎn)能力比2019年提高了20倍。
三星電子顯然也意識(shí)到了EUV薄膜在提升EUV光刻良率的重要性，一直在積極開(kāi)發(fā)和評(píng)估由碳納米管和石墨烯制成的EUV薄膜。
在2021年三星表示已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種EUV透射率為82%的薄膜，并計(jì)劃在年底前將透射率提高到88%。
并投資S&STECH公司和FST公司，確保研發(fā)出EUV透射率為90%的石墨烯EUV薄膜。
據(jù)臺(tái)媒DIGITIMES報(bào)道，三星電子將在其3nm工藝中采用透光率超過(guò)90%的最新EUV薄膜以提高良率，這些薄膜將來(lái)自韓國(guó)公司S&STech。
材料和轉(zhuǎn)移工藝挑戰(zhàn)，石墨烯是最大希望
此前，硅已被用于制造薄膜，但石墨烯是一種更好的材料，因?yàn)樗裙韪 ⒏该鳌?/p>
EUV薄膜必須能夠承受曝光過(guò)程中發(fā)生的800度或更高的高溫，由于其在高溫下的硬化特性，硅膠非常容易破裂。
薄膜材料制造面臨著結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)，因?yàn)橹瞥袒讵?dú)立在幾十納米的框架上，很容易導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂縫或斷裂。
為了滿(mǎn)足這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，需要在薄膜材料和轉(zhuǎn)移工藝方面的研發(fā)取得突破。
石墨烯是一個(gè)單原子層，僅包含具有sp2雜化化學(xué)鍵的碳原子，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、化學(xué)和機(jī)械特性，以及隔離金屬表面的保護(hù)屏障，使其能夠成為滿(mǎn)足EUVL技術(shù)的保護(hù)膜。
CVD因具有可控、高質(zhì)量生長(zhǎng)石墨烯的優(yōu)點(diǎn)而引起國(guó)內(nèi)外關(guān)注，據(jù)報(bào)道石墨烯薄膜可在多個(gè)襯底上生長(zhǎng)，如Fe、Cu和Ni、Pt等。
研究表明，采用CVD工藝生長(zhǎng)單層石墨烯，可實(shí)現(xiàn)晶粒可調(diào)、降低石墨烯固有強(qiáng)度、降低碳原料分解的能量屏障。
競(jìng)爭(zhēng)新順位，各大廠開(kāi)始自研+合作
韓國(guó)石墨烯廣場(chǎng)股份有限公司是石墨烯EUV薄膜商業(yè)化的先驅(qū)，該公司由首爾國(guó)立大學(xué)化學(xué)教授KwonYong-deok實(shí)驗(yàn)室孵化。
該公司已經(jīng)宣稱(chēng)開(kāi)發(fā)出5nm及以下芯片EUV光刻所需的石墨烯EUV薄膜，并正在為首次公開(kāi)募股做準(zhǔn)備。
其大面積石墨烯EUV薄膜采用專(zhuān)用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在高溫下使用二氧化碳與銅等催化劑襯底合成的。
CVD技術(shù)將高分子化合物粘附在銅合成的石墨烯上，然后使用蝕刻劑去除銅，最后將石墨烯與分子化合物分離。
半導(dǎo)體和顯示材料開(kāi)發(fā)商石墨烯實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)發(fā)出用石墨烯制造小于5納米的EUV薄膜的技術(shù)，并已準(zhǔn)備好量產(chǎn)新型薄膜。
近日，巴西柔性薄膜制造商Packseven宣布已將世界上第一個(gè)石墨烯增強(qiáng)拉伸薄膜商業(yè)化。
這種新型超薄膜采用GerdauGraphene的專(zhuān)業(yè)石墨烯添加劑技術(shù)開(kāi)發(fā)而成，更薄且更耐用。
三星電子還開(kāi)始研究高數(shù)孔徑（NA）的薄膜，這被稱(chēng)為下一代EUV工藝。該公司在最新招聘通知中提到了基于新材料的下一代薄膜的開(kāi)發(fā)。
它宣布將與外部研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)和評(píng)估由碳納米管和石墨烯制成的EUV薄膜。
該公司還計(jì)劃挑選研究人員，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)該公司自行開(kāi)發(fā)的納米石墨薄膜（NGF）的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施。
今年8月，我國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)超100微米高性能大厚度石墨烯制膜產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目[烯材高性能石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化基地]在沈陽(yáng)渾南科技城啟動(dòng)試生產(chǎn)。
由深圳烯材科技有限公司投資建設(shè)，分兩期推進(jìn)，當(dāng)日啟動(dòng)試生產(chǎn)的是一期項(xiàng)目，主要生產(chǎn)用于熱管理的石墨烯薄膜，項(xiàng)目全面建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值超6億元。
該項(xiàng)目破解了大厚度、高質(zhì)量石墨烯膜的制備技術(shù)難題，將有力吸引高端專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才加速集聚，為沈陽(yáng)搶占產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)提供關(guān)鍵支撐。
結(jié)尾：
為了滿(mǎn)足這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，需要在薄膜材料和轉(zhuǎn)移工藝方面的研發(fā)取得突破。
業(yè)界預(yù)測(cè)，今年EUV薄膜的需求將比去年增加近2倍，而韓國(guó)國(guó)產(chǎn)的EUV薄膜最早將會(huì)在1—2年內(nèi)商用化。此外，臺(tái)積電也正在加快開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品以確保EUV薄膜可控。
部分資料參考：半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《EUV光刻的新“救星”》，先進(jìn)制程IIot：《石墨薄膜：芯片的下一代EUV光刻技術(shù)》
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