深度丨當(dāng)EUV薄膜成為“高精尖”芯片良率的關(guān)鍵

作者 | 方文三

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(shù)挑戰(zhàn)。

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(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，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發(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，就實現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)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(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)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(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線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薄膜容錯成本高，成芯片良率的關(guān)鍵

芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上。

這一過程通過光刻來實現(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(xué)系統(tǒng)。

當(dāng)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(chǎn)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(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(chǎn)碳納米管的生產(chǎn)線，與IMEC合作，開發(fā)基于碳納米管的EUV薄膜。

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

從2019年以來，臺積電一直在其量產(chǎn)線上使用自己開發(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到了EUV薄膜在提升EUV光刻良率的重要性，一直在積極開發(fā)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(jīng)開發(fā)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(fā)出EUV透射率為90%的石墨烯EUV薄膜。

據(jù)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(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，因為它比硅更薄、更透明。

EUV薄膜必須能夠承受曝光過程中發(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)，因為制程基于獨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。

為了滿足這些嚴格的標(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(shù)的保護膜。

CVD因具有可控、高質(zhì)量生長石墨烯的優(yōu)點而引起國內(nèi)外關(guān)注，據(jù)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(xiàn)晶粒可調(diào)、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(yè)化的先驅(qū)，該公司由首爾國立大學(xué)化學(xué)教授KwonYong-deok實驗室孵化。

該公司已經(jīng)宣稱開發(fā)出5nm及以下芯片EUV光刻所需的石墨烯EUV薄膜，并正在為首次公開募股做準(zhǔn)備。

其大面積石墨烯EUV薄膜采用專用化學(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)體和顯示材料開發(fā)商石墨烯實驗室已開發(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石墨烯增強拉伸薄膜商業(yè)化。

這種新型超薄膜采用GerdauGraphene的專業(yè)石墨烯添加劑技術(shù)開發(fā)而成，更薄且更耐用。

三星電子還開始研究高數(shù)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(fā)。

它宣布將與外部研究機構(gòu)合作開發(fā)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(zé)設(shè)計該公司自行開發(fā)的納米石墨薄膜（NGF）的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施。

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

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

該項目破解了大厚度、高質(zhì)量石墨烯膜的制備技術(shù)難題，將有力吸引高端專業(yè)技術(shù)人才加速集聚，為沈陽搶占產(chǎn)業(yè)競爭制高點提供關(guān)鍵支撐。

結(jié)尾：

為了滿足這些嚴格的標(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，今年EUV薄膜的需求將比去年增加近2倍，而韓國國產(chǎn)的EUV薄膜最早將會在1—2年內(nèi)商用化。此外，臺積電也正在加快開發(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”》，先進制程IIot：《石墨薄膜：芯片的下一代EUV光刻技術(shù)》