編者按：ASML的EUV光刻機售價高達1.5億美元，而下一代高分辨光刻機的售價更是達到3億美元。隨之而來的，自然是光刻機供應鏈的提升和更先進技術的匯入。

碳奈米管，被國人近年來熱炒和熟悉，多半是由於“碳晶片”。今天聊聊這個看起來已經很大眾化的材料，是如何走進EUV光刻機的產業鏈的。

IMEC開發的下一代EUV光刻機掩模版防護罩：基於碳奈米管薄膜

EUV光刻機掩模防護罩

EUV光刻機是一項複雜的系統工程，此前介紹過比較多的大家都非常關注的光刻機光源、鏡頭、光學系統，而掩模版雖然小，但是極其精密、價格達到30萬美元（而此前的DUV光刻機掩模平均價格大約10萬美元）。

ASML的掩模防護罩

為了防止光刻機長時間工作時的雜質濺射汙染，需要在掩模版前加一層防護罩。EUV光刻機如果沒有防護罩，結果可能是災難性的。 如果顆粒落在掩模上，光刻機可能會在晶片上列印重複的缺陷，這會對產量產生負面影響。

防護罩的材料是有非常高的要求的，首先當然是對EUV光有很高的透過率，需要至少90%以上；其次，當 EUV光照射到防護罩時，膜的溫度會升高至 600 至 1000 攝氏度，因此防護材料必須具有高的化學穩定性、熱穩定性；當然機械強度也有很高的要求。

EUV光刻機掩模版防護罩的基本要求

早期的第一代EUV光刻機，光源功率低（小於125W），使用的是50nm的多孔矽覆蓋SiN塗層，當時的EUV透射率也只有80%。目前量產型的配備250W光源的EUV光刻機，裝配是第二代防護罩，這個防護罩是多孔矽上下表面加了覆蓋層。但是EUV透射率依然小於90%，這意味著它將降低11-20%的量產吞吐量。此外，多晶矽在高溫工作環境下會變得脆弱和起皺，也無法達到下一代高功率EUV光刻機的需要。

EUV掩模版防護罩的材料迭代

ASML多孔矽掩模版防護罩實物圖

目前，ASML 將其多孔矽 EUV 防護罩業務轉讓給三井。

碳奈米管薄膜掩模防護罩

碳奈米管是一個原子厚的碳片，捲成管子。 碳奈米管可以是單壁、雙壁或多壁的，並且可以在直徑和長度上變化。 這些已經經過大量工程化研究的 CNT 可以以不同的配置排列以形成不同密度的膜。 自 2015 年以來，imec 一直與選定的 CNT 供應商（Canatu Oy 和 Lintec of America, Inc.，奈米科學與技術中心）合作開發滿足 EUV 防護罩目標的膜，包括透射率、耐熱性、滲透性和強度以及成像結果。

2016年，IMEC在EUVL研討會上介紹了將碳奈米管薄膜用於EUV掩模防護罩的初步研究。 碳奈米管具有比矽更好的電學和熱學效能，強度是鋼的 100 倍，重量只有鋼的六分之一。

2016年IMEC在國際EUVL研討會展示碳奈米管用於EUV光刻掩模防護罩

而2020年10月，IMEC官網宣佈： 多個基於碳奈米管的防護罩安裝在掩模版上，並在IMEC的 NXE:3300 EUV光刻機中曝光，展示了基於碳奈米管的防護罩的全視場光刻製造流程。 而這款測試的防護罩具有高達 97% 的 EUV 透射率。 根據臨界尺寸 (CD)、劑量和透射測量，發現其對成像的影響很小且可糾正。

2020年10月，IMEC宣佈基於碳奈米管的EUV防護罩開發成功

這項成果的指標要遠遠高於此前的多孔矽防護罩。

IMEC展示的碳奈米管防護罩

碳奈米管有很多種型別，比如單壁、雙壁和多壁，它們有不同的優點和缺點，但當暴露在類似 EUV光刻機的條件下時，多壁碳奈米管更為穩定。並且由於碳奈米管在所有檢測波長下都是透明的，可以用普通的 DUV 和光學手段進行檢測。

碳奈米管掩模防護罩的製造概要

製造碳奈米管掩模防護罩的流程主要是兩步：

1，用傳統半導體工藝製造SiN支撐層；

2，在支撐層上生長多層碳奈米管薄膜。

大家可以看到，這兩個流程在國內普通高校和研究所都是可以完成的。

製造SiN支撐層

生長碳奈米管

為了保持高的EUV光透過率，需要保持CNT的厚度小於50nm。

而IMEC花了6年的時間，做了大量的工程最佳化，最後將毫不起眼的碳奈米管，做進了EUV光刻機產業鏈。

碳奈米管防護罩的透光率曲線

EUV防護罩的故事並沒有這麼簡單

我想，熟悉碳材料以及關注科技發展的朋友，毫無疑問的都會提到一個問題：

石墨烯可以嗎？

實際上EUV防護罩的開發過程也是非常曲折的。早年連ASML也沒有預料到EUV掩模的汙染問題而忽略了開發防護罩，因此這項工作是2010年才開始的，整個產業花了10年的時間，才提供了基本的一個解決方案。

參與此項工作的包括多家企業，比如IBM也開發了多孔矽防護罩，三星開發了石墨烯防護罩，而ASML利用其近水樓臺之便，首先獲得成功（連結1有更多防護罩開發情況的細節介紹）。

ASML，IBM和三星開發的不同結構的掩模防護罩

ASML，IBM和三星開發的掩模防護罩中，ASML推出的版本開裂時間最長

而除了三星，Graphene Square 和 FST 以及幾所大學正在研發基於石墨烯的EUV防護膜，不過目前還沒有看到詳細資料，但結果可期。

EUV防護罩開發企業：三星，ASML，IBM，IMEC

碳奈米管的商業化場景？

我常常見到中國科技發展出現的三個問題：

1，我們發表的論文，研究的是中國缺失的產業的課題；沒有產業背景的研究，那麼研究成果就只能為有相關產業的國家服務；

2，那麼，我們的大學專業設定是不是也存在這樣的問題？

3，那麼，我們引進人才是不是也存在同樣的問題？

碳奈米管薄膜用於EUV光刻機掩模防護罩的工作就是一個典型的例子--沒有EUV光刻機產業，哪裡來的防護罩產業？

而當我們發展EUV光刻機產業時，卻恰恰發現，國外已經利用這些我們停留在論文階段的概念性技術，發展成了最先進生產力工具的一部分。而我們要麼繼續買，要麼繼續花大力氣來當做“卡脖子”來解決。

我有一位朋友在某頂尖大學做碳奈米管研究，做的恰恰是類似的碳奈米管薄膜生長。此前由於朋友對這種材料的生長模型有一些問題，我們進行了一些深入的討論，所以我對這個材料的生長流程還算有一些瞭解，我的觀點是：

對於EUV光刻機應用，這個薄膜的生長不存在任何的原理性和技術性困難，只存在大量的工程測試、最佳化問題。

而基於先進生產力工具的大量的工程測試、應用最佳化，這才是真正的技術壁壘，以及真正卡中國脖子的源頭。

我昨天也提到XPrinze獲獎的Dimensional Energy，也是將康奈爾大學看似毫不起眼的實驗室技術，做到了世界最領先的二氧化碳合成液體燃料產業化技術。這一個又一個看似都不起眼的技術概念，卻都能實現產業價值，讓我更加深刻地意識到，我們的科研和產業脫節問題，並不是來自人才的缺失和資金的缺失。

結語

最近，朋友們常常發來一些莫名其妙的炒作文章，我很少直接回復。因為我能瞭解到，我們的大多數學術和論文工作，是沒有中國的產業環境和產業背景的，最後只能淪落為替歐美論證技術。而類似碳奈米管掩模防護罩的技術產業化又有何等龐大的數量和規模（我早先也介紹過一點，例如機械硬碟中的FePt奈米顆粒）？

一個創新的科研體系，是圍繞著真正的產業需求來運轉的。我將在這個系列帖子裡，講述更多的觀察。

美國區域科技創新叢集分佈及強度

備註：關於IMEC

IMEC 是世界領先的奈米電子和數字技術研究和創新中心。IMEC總部位於比利時魯汶，在荷蘭、臺灣、美國的多所佛蘭芒大學設有研發團隊，並在中國、印度和日本設有辦事處。作為公司、初創企業和大學值得信賴的合作伙伴，彙集了來自近 100 個國家的 4000 多名傑出人才。 2019年，IMEC的收入總計6.4億歐元。

參考資料

https://semiengineering.com/euv-pellicles-finally-ready/

https://www.imec-int.com/en/press/imec-demonstrates-cnt-pellicle-utilization-euv-scanner

http://ieuvi.org/TWG/Mask/2015/10_imec_JohannesVanPaemel.pdf

http://ieuvi.org/TWG/Mask/2016/20160221/4_EUV_Pellicle_TWG_imec.pdf

https://euvlitho.com/2018/P33.pdf