碳纳米管 (CNT) – EUV 防护薄膜

在典型的半导体光刻工艺中，通常会在光掩模表面放置一层薄薄的保护膜，以防止污染物进入。这层保护膜被称为“防护膜”，它可以防止晶圆电路图案出现不良情况或缺陷，从而保护IC芯片免受潜在损坏（见下图）：

最初，防护薄膜为单层结构，其核心层由多晶硅制成。核心层上方是两层薄的阻挡层和功能层，最后在顶部和底部表面施加一层保护盖层（见下图）：

自 2021 年以来，EUV 防护膜已采用复合材料。其关键组件目前由交替的二硅化钼 (MoSi₂) 层和硅 (Si) 层组成，形成多层结构。MoSi₂ 层（发射层）有三层，每层厚度为 7.4 纳米，而硅层（间隔层）有两层，每层厚度为 5.8 纳米，总厚度为 33.8 纳米（见下图 1 和 2）：

EUV 透过率 (EUVT) 是 EUV 防护膜的一项关键性能指标。从单层结构到多层结构的转变，EUVT 从约 82% 提升至约 90%。下图展示了多层 EUV 防护膜的制造工艺：

薄膜技术的下一次迭代超越了结构变化（从单层到多层），并引入了材料的进步，从而导致了 CNT 薄膜的出现（见下图）：

由碳纳米管材料制成的 CNT 薄膜与传统的 MoSi₂/Si 薄膜相比具有以下几个优势：

1. 更高的功率限制

2. 更高的热稳定性

3. 更高的 EUVT

让我们逐一探讨这些优势。

1. 更高的功率限制

对于 EUV 系统而言，更高的功率意味着更高的吞吐量，每一代 EUV 机器都旨在实现更高的功率水平（见下图）：

然而，更高的功率可能会损坏传统的防护膜材料。业界通常将EUV防护膜的功率极限定义为两类：

• 硬限制：薄膜破裂时的功率水平。

• 软限制：超过该功率水平，材料退化就会开始影响薄膜的均匀性，从而影响芯片曝光模式。

现有的 MoSi₂/Si 薄膜的软极限约为 600W，硬极限约为 1100W（见下图）。相比之下，CNT 薄膜的功率极限轻松超过 1000W，这与未来高功率 EUV 系统的发展路线图相一致：

2.更高的热稳定性

在碳纳米管 (CNT) 材料生产过程中，通常会添加金属催化剂来促进碳纳米管材料的生长。这些催化剂颗粒会分解碳氢化合物，碳氢化合物随后溶解到颗粒中，形成液态共晶。当共晶达到过饱和状态时，碳会以管状晶体形式析出。然而，对于 EUV 薄膜而言，金属催化剂被视为杂质。因此，高温预曝光真空退火工艺对于净化 CNT 薄膜并去除 CNT 中的污染物和催化剂颗粒至关重要，从而提高薄膜在 EUV 曝光过程中的透射率和稳定性（见下图）：

碳纳米管（CNT）在高温下更稳定的特性使其成为极紫外（EUV）腔体环境的理想选择，因为高功率极紫外光源不可避免地会产生更高的温度。虽然传统的薄膜材料无法长时间承受这种环境，但高温实际上有助于提高碳纳米管薄膜的稳定性。

3. 更高的 EUVT

传统 MoSi₂/Si 薄膜的 EUVT 约为 90%。然而，经过高温真空退火预处理的 CNT 薄膜可达到 97% 至 98% 的 EUVT 水平（见下图，紫色线为原始 CNT 薄膜，蓝色线为纯化 CNT 薄膜）：

CNT面临的一个挑战是EUV会产生高还原性的氢等离子体，这可能会腐蚀CNT。为了缓解这个问题，在CNT薄膜上涂覆了一层金属涂层（见下图）：

然而，这种金属涂层会将CNT薄膜的EUVT降低至95~96%（见下图，新增的绿线为涂层CNT薄膜）。在实际曝光场景中，EUV光经光掩模反射后，两次穿过薄膜，有效EUVT为95~96% x 95~96% = 90~92%。

即便如此，CNT 薄膜的性能仍然优于传统薄膜，尤其是在更高功率下。如上所述，现有的 MoSi2/ 硅 EUV 薄膜无法长时间承受高温环境。因此，当 EUV 功率达到 500W 以上时，传统的 EUV 薄膜需要涂覆 CDL 层进行散热，但这层 CDL 层也会降低 EUV 透过率，因此用于 500W 以上 EUV 的 MoSi2/ 硅薄膜的实际 EUVT 仅为 90% x 90% - 7% = 74%，远低于 CNT 薄膜的 90% 至 92%。

鉴于目前EUV防护膜的应用非常有限，一些人可能会质疑CNT防护膜未来是否会被广泛采用。不仅内存制造商不使用EUV防护膜，就连台积电也尽量避免在其先进节点工艺中过多使用EUV防护膜，因为它们成本高昂（每片超过1万美元）且使用寿命短（通常每3-4天就需要更换一次）。

然而，根据我的供应链研究，台积电计划在其N2工艺中使用CNT薄膜。如果N2量产成功，CNT薄膜将在其A16工艺中得到广泛应用。接下来，我将解释台积电为何此前不愿采用EUV薄膜，而如今却积极拥抱CNT薄膜，并介绍市场规模预估以及各家CNT薄膜制造商的资质进展。