三星電子最近宣稱(chēng)其極紫外光刻(EUV)技術(shù)在關(guān)鍵指標(biāo)上取得了重大進(jìn)展，稱(chēng)EUV薄膜的透射率已達(dá)到90%，并計(jì)劃進(jìn)一步提高到94-96%。這一消息一出，立刻在業(yè)內(nèi)引起了強(qiáng)烈反響。

有人認(rèn)為，這標(biāo)志著三星電子EUV技術(shù)的商業(yè)化又近了一步。畢竟，EUV光刻被業(yè)界視為次世代制程的“救世主”，其極高的光源能量可以顯著提高光刻的分辨率，有望打破光刻技術(shù)的物理極限，讓芯片持續(xù)摩爾定律式地迭代發(fā)展下去。

但另一些專(zhuān)家則持懷疑態(tài)度。他們認(rèn)為，雖然90%的透射率看似不錯(cuò)，但與主流的氟化氬(ArF)工藝中的99%還存在差距。更關(guān)鍵的是，EUV工藝本身極其復(fù)雜，涉及許多系統(tǒng)性挑戰(zhàn)有待攻克。三星這次的小小進(jìn)展，與商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用還差得很遠(yuǎn)。


1、不起眼卻重要無(wú)比的防塵薄膜

光罩防塵膜作為半導(dǎo)體制造光刻工藝中用到的一項(xiàng)關(guān)鍵材料，除了防塵避免異物附著造成缺陷外，也有著保護(hù)光罩不被損壞的作用。DUV 光刻機(jī)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，其光罩防塵膜技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，其透光率基本都能達(dá)到 99% 以上。

然而在 EUV 光刻機(jī)上，光罩防塵薄膜卻難倒了不少?gòu)S商。極紫外光很容易被各種有機(jī)材料吸收，對(duì) EUV 波長(zhǎng)帶具有完全透明性的材料還不存在，所以高透光率的實(shí)現(xiàn)是個(gè)大難題。為此，防塵薄膜必須做到非常薄才能盡可能減少光線(xiàn)的吸收，以 ASML 與三井化學(xué)開(kāi)發(fā)的光罩防塵薄膜為例，其厚度只有 13nm，只有頭發(fā)的0.1% 左右。可即便如此，這個(gè) 13nm 厚度的防塵薄膜也只能做到 90.6% 的透光率。

除了透光率外，防塵薄膜能夠承受的功率也必須要進(jìn)一步提高，比如單次 EUV 曝光的功率可能在 200W 以上，在 13nm 的厚度下要想承受大功率的曝光，就必須要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。


2、90%透射率這道坎

光罩防塵膜是一種透明的薄膜，主要用于保護(hù)昂貴的光罩，保持清潔，以此提高半導(dǎo)體生產(chǎn)效率。盡管光刻機(jī)一般都位于相當(dāng)嚴(yán)格的潔凈室內(nèi)，EUV光刻機(jī)面世初期也有不少人認(rèn)為EUV不需要防塵膜，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)顆粒的存在，但實(shí)際情況下還是難免避免生產(chǎn)過(guò)程中雜質(zhì)的出現(xiàn)。據(jù)ASML的說(shuō)法，EUV每曝光1萬(wàn)次就會(huì)生成一個(gè)雜質(zhì)顆粒。通過(guò)使用防塵膜，晶圓廠可以有效避免污染而產(chǎn)生的缺陷。

雖然這是一個(gè)有效解決晶圓缺陷的辦法，卻影響了光刻機(jī)的光線(xiàn)透射。被防塵膜吸收的紫外光線(xiàn)雖然肉眼看不出，但在光刻機(jī)的表現(xiàn)上就成了功耗損失。當(dāng)前DUV防塵膜的透射率都已經(jīng)做到了99%以上，EUV防塵膜卻始終差強(qiáng)人意。因此，ASML和相關(guān)代工廠商都在研究如何生產(chǎn)出透射率更高的防塵膜。

然而，ASML因?yàn)樾枰獙?zhuān)心去做EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，很難再兼顧防塵膜的生產(chǎn)，而且在他們的研究下，透射率一直進(jìn)展緩慢。2016年，ASML推出的首批EUV防塵膜只有78%左右的透射率。2019年時(shí)，經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的持續(xù)研發(fā)，平均透射率也僅僅提升了3.5%，達(dá)到83%的水平。

三星更是明確表示，不到90%以上的透射率不會(huì)使用EUV防塵膜。畢竟在當(dāng)前半導(dǎo)體缺貨的情況下，透射率下降影響的是產(chǎn)量，而沒(méi)用防塵膜最多只能影響小部分良率。因此，當(dāng)前無(wú)論是三星和臺(tái)積電都沒(méi)有在EUV光刻機(jī)上使用防塵膜。

除了透射率之外，EUV的防塵膜還有兩道坎，那就是散熱和成本問(wèn)題，不過(guò)這兩個(gè)問(wèn)題其實(shí)也和透射率一樣，都可能要從材料上解決。


3、還是選擇了日廠

據(jù)傳三星早在一開(kāi)始的 EUV 生產(chǎn)中并未使用防塵薄膜，從而導(dǎo)致了良率不高等一系列問(wèn)題。對(duì)于更為復(fù)雜的 EUV 光刻技術(shù)而言，這樣的結(jié)果也在預(yù)料之內(nèi)。畢竟除了防塵外，保護(hù)均價(jià) 30 萬(wàn)美元的光罩也是防塵薄膜的任務(wù)之一。

為此，三星選擇投資本土材料廠商 S&S Tech 和 FST，為的就是開(kāi)發(fā)透光率 90% 以上的防塵薄膜，且已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品出貨。然而業(yè)界一直有消息稱(chēng)三星并沒(méi)有用到他們生產(chǎn)的防塵薄膜，因?yàn)槠潆m然透光率達(dá)標(biāo)，但強(qiáng)度并不夠，很有可能會(huì)進(jìn)一步損壞光罩，致使對(duì)整個(gè) EUV 光刻機(jī)進(jìn)行清潔，同時(shí)還要停止產(chǎn)線(xiàn)。

盡管三星在研發(fā)和投資防塵薄膜上付出了不少努力，但從今年KISM2023 大會(huì)上三星電子研究員Young Seog Kang的分享來(lái)看，三星電子目前在 EUV 上用到的也是來(lái)自三井化學(xué)的光罩防塵膜，且三井化學(xué)是其唯一供應(yīng)商。據(jù)了解，其所使用的防塵薄膜透光率已經(jīng)達(dá)到了 90%，且下一步是提高到 94% 到 96%。

先進(jìn)工藝的制造并不只是依賴(lài)EUV 光刻機(jī)這一臺(tái)機(jī)器即可，配套的所有設(shè)備、材料等都需要進(jìn)一步升級(jí)。況且高 NA EUV 光刻機(jī)尚未投入使用，新的機(jī)器到位后，我們或許又將面臨新一輪的良率爬坡。