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近20年來，EUV光源、EUV掩模和EUV光刻膠一直是EUV光刻的三大技術挑戰。

近幾年來，隨著EUV光源的不斷進展，EUV掩模開始位居三大技術挑戰之首，而EUV掩模最困難的環節之一就是EUV薄膜。

作者 | 方文三

圖片來源 |  網 絡 

光刻機的一系列流程，掩模是其中一環

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，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。

此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。

光刻完成后對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實現了半導體器件在硅片表面的構建過程。

光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模；

經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上；

然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。

EUV薄膜容錯成本高，成芯片良率的關鍵

芯片生產的難點和關鍵點在于將電路圖從掩模上轉移至硅片上。

這一過程通過光刻來實現，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的、需要定期更換的高端消耗品，防止在EUV掩模的頂層，同時允許高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EUV掩模表面免受空氣中顆粒或污染物影響。

如果顆粒落在EUV薄膜上，由于這些顆粒離焦，不會曝光在晶圓上，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投影光學系統。

當EUV燈擊中防護薄膜時，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30萬美元，EUV薄膜在EUV光刻中保護極其昂貴的6英寸EUV掩模，使其遠離可能落在其表面的顆粒。

這對于CPU芯片的生產最為重要，CPU芯片使用的是單芯片掩模，任何一個EUV掩模缺陷就會有可能使整個晶圓失效。

同時，EUV薄膜在EUV工藝時代起著至關重要的作用，可以防止EUV受污染而導致良率性能不佳。

ASML率先研發推出，三星、臺積電等緊隨其后

ASML公司在2014年研制出面積達106mm×139mm的多晶硅EUV薄膜，但是其厚度為70nm，EUV透過率最高為86%。

芬蘭Canatu公司在2015年建立了第一個生產碳納米管的生產線，與IMEC合作，開發基于碳納米管的EUV薄膜。

不同于ASML的技術路線，IMEC采用的是碳納米管，EUV透過率高達97.7%，可以將生產效率提高約25%。

從2019年以來，臺積電一直在其量產線上使用自己開發的EUV薄膜；2021年其EUV薄膜生產能力比2019年提高了20倍。

三星電子顯然也意識到了EUV薄膜在提升EUV光刻良率的重要性，一直在積極開發和評估由碳納米管和石墨烯制成的EUV薄膜。

在2021年三星表示已經開發出一種EUV透射率為82%的薄膜，并計劃在年底前將透射率提高到88%。

并投資S&STECH公司和FST公司，確保研發出EUV透射率為90%的石墨烯EUV薄膜。

據臺媒DIGITIMES報道，三星電子將在其3nm工藝中采用透光率超過90%的最新EUV薄膜以提高良率，這些薄膜將來自韓國公司S&STech。

材料和轉移工藝挑戰，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，因為它比硅更薄、更透明。

EUV薄膜必須能夠承受曝光過程中發生的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構挑戰，因為制程基于獨立在幾十納米的框架上，很容易導致薄膜出現裂縫或斷裂。

為了滿足這些嚴格的標準，需要在薄膜材料和轉移工藝方面的研發取得突破。

石墨烯是一個單原子層，僅包含具有sp2雜化化學鍵的碳原子，具有優異的導熱性和導電性、化學和機械特性，以及隔離金屬表面的保護屏障，使其能夠成為滿足EUVL技術的保護膜。

CVD因具有可控、高質量生長石墨烯的優點而引起國內外關注，據報道石墨烯薄膜可在多個襯底上生長，如Fe、Cu和Ni、Pt等。

研究表明，采用CVD工藝生長單層石墨烯，可實現晶粒可調、降低石墨烯固有強度、降低碳原料分解的能量屏障。

競爭新順位，各大廠開始自研+合作

韓國石墨烯廣場股份有限公司是石墨烯EUV薄膜商業化的先驅，該公司由首爾國立大學化學教授KwonYong-deok實驗室孵化。

該公司已經宣稱開發出5nm及以下芯片EUV光刻所需的石墨烯EUV薄膜，并正在為首次公開募股做準備。

其大面積石墨烯EUV薄膜采用專用化學氣相沉積（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。

半導體和顯示材料開發商石墨烯實驗室已開發出用石墨烯制造小于5納米的EUV薄膜的技術，并已準備好量產新型薄膜。

近日，巴西柔性薄膜制造商Packseven宣布已將世界上第一個石墨烯增強拉伸薄膜商業化。

這種新型超薄膜采用GerdauGraphene的專業石墨烯添加劑技術開發而成，更薄且更耐用。

三星電子還開始研究高數孔徑（NA）的薄膜，這被稱為下一代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發。

它宣布將與外部研究機構合作開發和評估由碳納米管和石墨烯制成的EUV薄膜。

該公司還計劃挑選研究人員，負責設計該公司自行開發的納米石墨薄膜（NGF）的大規模生產設施。

今年8月，我國首個實現超100微米高性能大厚度石墨烯制膜產業化項目[烯材高性能石墨烯薄膜產業化基地]在沈陽渾南科技城啟動試生產。

由深圳烯材科技有限公司投資建設，分兩期推進，當日啟動試生產的是一期項目，主要生產用于熱管理的石墨烯薄膜，項目全面建成后可實現年產值超6億元。

該項目破解了大厚度、高質量石墨烯膜的制備技術難題，將有力吸引高端專業技術人才加速集聚，為沈陽搶占產業競爭制高點提供關鍵支撐。

結尾：

為了滿足這些嚴格的標準，需要在薄膜材料和轉移工藝方面的研發取得突破。

業界預測，今年EUV薄膜的需求將比去年增加近2倍，而韓國國產的EUV薄膜最早將會在1—2年內商用化。此外，臺積電也正在加快開發自己的產品以確保EUV薄膜可控。

部分資料參考：半導體行業觀察：《EUV光刻的新“救星”》，先進制程IIot：《石墨薄膜：芯片的下一代EUV光刻技術》