碳納米管如何變革EUV光刻領(lǐng)域

ainet.cn 2025年01月23日

（本文編譯自ElectronicDesign）

碳納米管為防止極紫外光刻（EUV lithography）中的缺陷提供了一種顛覆性的解決方案，助力半導(dǎo)體行業(yè)朝著極致微型化發(fā)展，并提升芯片可靠性。

在人工智能和高度互聯(lián)技術(shù)普及的推動下，半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模預(yù)計在未來十年內(nèi)將翻倍。然而，盡管微型芯片作為支撐從智能手機(jī)到救生醫(yī)療設(shè)備等一切產(chǎn)品的微小動力源，正面臨著前所未有的需求增長，但它們也面臨著迫在眉睫的技術(shù)瓶頸。

High-NA EUV光刻面臨小型化挑戰(zhàn)

晶體管不斷向3納米及更小尺寸發(fā)展，這要求其制造過程必須完美無缺。在21世紀(jì)前十年，這種驚人的尺寸縮減趨勢（90 納米縮小到7納米甚至更?。╅_啟了技術(shù)進(jìn)步的新時代。

在過去十年里，我們見證了將500億個晶體管集成在單個芯片上這一驚人之舉。這一成就得益于極紫外（EUV）光刻這一前沿工藝，它使用了EUV光刻。EUV光刻能夠印制出比以往精細(xì)得多的集成電路（IC）圖案，因為其波長（13.5納米）比傳統(tǒng)深紫外（DUV）光刻中常用的波長（193納米）短得多。

半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)正競相將這些系統(tǒng)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，首批高數(shù)值孔徑（High-NA）EUV光刻設(shè)備已安裝到位。這些復(fù)雜的設(shè)備有望在進(jìn)一步縮小特征尺寸的同時提高生產(chǎn)效率。然而，盡管取得了這些進(jìn)步，在EUV光刻過程中實現(xiàn)零缺陷這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)依然存在。

制造商們認(rèn)識到，EUV光罩保護(hù)膜（圖1）——一種覆蓋在光罩上以防止其沾染污染物的薄而透明的薄膜——對于克服這一障礙至關(guān)重要。EUV光罩保護(hù)膜能夠在顆粒落到包含芯片藍(lán)圖的EUV光罩上之前將其攔截，從而顯著降低缺陷率，使行業(yè)更接近實現(xiàn)零缺陷的目標(biāo)。

圖1：用于EUV光刻的碳納米管EUV光罩保護(hù)膜和光罩示例。

EUV芯片制造中的缺陷難題

目前，缺陷對芯片的性能和可靠性持續(xù)產(chǎn)生負(fù)面影響。在芯片制造的每一個步驟中盡量減少誤差至關(guān)重要。EUV光罩是半導(dǎo)體制造過程中使用的一種高精度模板，用于在硅片上創(chuàng)建復(fù)雜圖案。它就像一個模板，阻擋硅片的某些區(qū)域暴露于EUV光下，從而在硅片上蝕刻出所需的圖案。

在初始階段，甚至在EUV光罩進(jìn)入光刻機(jī)之前，可能會出現(xiàn)三種常見類型的缺陷：表面缺陷，它是眾多可見缺陷的主要類型，由分層過程中底層材料暴露所導(dǎo)致。其次，層內(nèi)可能夾帶微小顆粒，這些顆?？赡軄碜猿跏疾牧匣蛟跇?gòu)建過程中的操作。最后，分層過程可能會在光罩表面無意地造成缺陷，這些缺陷可能完全或部分被覆蓋。

在下一階段，光罩也可能產(chǎn)生缺陷，因為EUV光刻機(jī)本身可能就是缺陷的來源。光刻機(jī)內(nèi)部的極端條件，如高溫和高功率水平，在曝光過程中可能會使光罩產(chǎn)生缺陷。

在高功率EUV光刻過程中，溫度接近1000°C，傳統(tǒng)的EUV光罩保護(hù)膜雖能提供一定保護(hù)，但在處理過程中，它們會因熱變形或污染物釋放等機(jī)制而逐漸損壞，這會對光罩和光刻機(jī)都造成損害。除此之外，如果由傳統(tǒng)金屬硅化物制成的光罩保護(hù)膜破裂，它們會像玻璃一樣破碎，導(dǎo)致不必要的、代價高昂的停機(jī)。

碳納米管（CNT）薄膜在過濾污染物以保護(hù)光罩方面表現(xiàn)出色，專為EUV光罩保護(hù)膜設(shè)計的超薄碳納米管網(wǎng)絡(luò)，在保持出色顆粒過濾能力的同時，能最大限度地提高EUV光的透射率，而更厚、更堅固的碳納米管薄膜還可用作光罩檢查中的碎片過濾器。這種特殊技術(shù)用于在EUV光罩進(jìn)入光刻機(jī)之前對光罩進(jìn)行檢查。

盡管目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)已經(jīng)取得了諸多進(jìn)步，但防止光罩上有害顆粒造成的缺陷仍然是制造過程中的一大挑戰(zhàn)。理想情況下，通過控制和減少雜質(zhì)的存在，晶圓廠可以提高良率，使芯片性能更加穩(wěn)定。然而，這一領(lǐng)域的進(jìn)展一直極為緩慢。

碳納米管在提升EUV光刻效率中所扮演的角色

近年來，碳納米管用于EUV光罩保護(hù)膜以在EUV光刻過程中保護(hù)光罩免受缺陷影響的潛力愈發(fā)受到關(guān)注。事實上，碳納米管保護(hù)膜是提高EUV光刻良率和性能的關(guān)鍵因素：由于其具有更高的透光率，碳納米管保護(hù)膜預(yù)計可將生產(chǎn)效率提高7%至15%，從而推動半導(dǎo)體性能邁向新臺階。

Canatu公司研發(fā)了一款用于EUV保護(hù)膜的先進(jìn)碳納米管薄膜（如圖2所示），該薄膜具備一系列獨(dú)特的性能組合。未涂層的Canatu碳納米管薄膜在EUV光下具有高透光率（透光率>97%）、極低的雜散光（<0.2%）以及在真空中的高熱穩(wěn)定性（>1500°C）。

圖2：碳納米管可用于EUV保護(hù)膜、X射線窗口及其他EUV應(yīng)用場景。

高透光率意味著更多EUV光能夠透過保護(hù)膜到達(dá)晶圓，從而提高生產(chǎn)效率。低雜散光（散射）特性確保即使是極其微小的圖案也能高精度地印制在晶圓上，而不會出現(xiàn)圖案變形。高耐熱性、化學(xué)惰性以及對壓力差的高耐受性，保證了基于碳納米管薄膜的EUV保護(hù)膜能夠承受下一代高功率光刻機(jī)環(huán)境中強(qiáng)烈的抽真空和排氣循環(huán)，同時保持其光學(xué)性能。

據(jù)阿斯麥（ASML）公司稱，最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)將采用超過500瓦的高功率水平，提升光學(xué)系統(tǒng)聚焦和聚光的能力（即數(shù)值孔徑[NA]從0.33提升至0.55），實現(xiàn)更高分辨率的成像功能。功率水平的提升直接帶來每小時處理晶圓數(shù)量（WPH）的增加。例如，400瓦的光源每小時可處理160片晶圓，而500瓦的光源每小時能印制超過185片晶圓。

然而，更高的功率水平和光罩應(yīng)力會產(chǎn)生高熱量負(fù)載，這是傳統(tǒng)材料無法承受的，可能導(dǎo)致保護(hù)膜變形，在其他情況下，甚至?xí)贡Ｗo(hù)膜像玻璃一樣破碎。

正如ASML在2023年國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）會議上所提到的，碳納米管（如圖3所示）正成為用于高功率光刻機(jī)的EUV保護(hù)膜最具潛力的材料。持續(xù)開展基于碳納米管薄膜的EUV保護(hù)膜技術(shù)研發(fā)，對于充分挖掘其潛力至關(guān)重要，而且它為芯片制造的未來所帶來的前景是不可否認(rèn)的。

圖3：碳納米管具有諸多特性。