（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，助力半導體行業朝著極致微型化發展，并提升芯片可靠性。

在人工智能和高度互聯技術普及的推動下，半導體行業規模預計在未來十年內將翻倍。然而，盡管微型芯片作為支撐從智能手機到救生醫療設備等一切產品的微小動力源，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瓶頸。

High-NA EUV光刻面臨小型化挑戰

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

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得多的集成電路（IC）圖案，因為其波長（13.5納米）比傳統深紫外（DUV）光刻中常用的波長（193納米）短得多。

半導體制造領域的領軍企業正競相將這些系統應用于大規模生產中，首批高數值孔徑（High-NA）EUV光刻設備已安裝到位。這些復雜的設備有望在進一步縮小特征尺寸的同時提高生產效率。然而，盡管取得了這些進步，在EUV光刻過程中實現零缺陷這一關鍵挑戰依然存在。

制造商們認識到，EUV光罩保護膜（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重要。EUV光罩保護膜能夠在顆粒落到包含芯片藍圖的EUV光罩上之前將其攔截，從而顯著降低缺陷率，使行業更接近實現零缺陷的目標。

圖1：用于EUV光刻的碳納米管EUV光罩保護膜和光罩示例。

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產生負面影響。在芯片制造的每一個步驟中盡量減少誤差至關重要。EUV光罩是半導體制造過程中使用的一種高精度模板，用于在硅片上創建復雜圖案。它就像一個模板，阻擋硅片的某些區域暴露于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光罩進入光刻機之前，可能會出現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致。其次，層內可能夾帶微小顆粒，這些顆粒可能來自初始材料或在構建過程中的操作。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，光罩也可能產生缺陷，因為EUV光刻機本身可能就是缺陷的來源。光刻機內部的極端條件，如高溫和高功率水平，在曝光過程中可能會使光罩產生缺陷。

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

碳納米管（CNT）薄膜在過濾污染物以保護光罩方面表現出色，專為EUV光罩保護膜設計的超薄碳納米管網絡，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。這種特殊技術用于在EUV光罩進入光刻機之前對光罩進行檢查。

盡管目前的半導體制造技術已經取得了諸多進步，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。理想情況下，通過控制和減少雜質的存在，晶圓廠可以提高良率，使芯片性能更加穩定。然而，這一領域的進展一直極為緩慢。

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光罩保護膜以在EUV光刻過程中保護光罩免受缺陷影響的潛力愈發受到關注。事實上，碳納米管保護膜是提高EUV光刻良率和性能的關鍵因素：由于其具有更高的透光率，碳納米管保護膜預計可將生產效率提高7%至15%，從而推動半導體性能邁向新臺階。

Canatu公司研發了一款用于EUV保護膜的先進碳納米管薄膜（如圖2所示），該薄膜具備一系列獨特的性能組合。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定性（>1500°C）。

圖2：碳納米管可用于EUV保護膜、X射線窗口及其他EUV應用場景。

高透光率意味著更多EUV光能夠透過保護膜到達晶圓，從而提高生產效率。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，而不會出現圖案變形。高耐熱性、化學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保護膜能夠承受下一代高功率光刻機環境中強烈的抽真空和排氣循環，同時保持其光學性能。

據阿斯麥（ASML）公司稱，最先進的高數值孔徑EUV光刻機將采用超過500瓦的高功率水平，提升光學系統聚焦和聚光的能力（即數值孔徑[NA]從0.33提升至0.55），實現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力會產生高熱量負載，這是傳統材料無法承受的，可能導致保護膜變形，在其他情況下，甚至會使保護膜像玻璃一樣破碎。

正如ASML在2023年國際光學工程學會（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的EUV保護膜最具潛力的材料。持續開展基于碳納米管薄膜的EUV保護膜技術研發，對于充分挖掘其潛力至關重要，而且它為芯片制造的未來所帶來的前景是不可否認的。

圖3：碳納米管具有諸多特性。

碳納米管保護膜：助力精密芯片的純凈制造

隨著EUV光刻技術給半導體制造業帶來的變革，碳納米管薄膜成為在光罩檢查和EUV光刻過程中保護光罩免受污染的理想選擇，可確保芯片生產更潔凈、更精確。

碳納米管的卓越特性使其成為適用于EUV光刻的多功能且面向未來的材料，有望減少缺陷，提高良率，并最終實現更小尺寸、更快速度且更可靠芯片的生產，而這些芯片正是我們不斷發展的技術領域的基石。