李彦教授团队突破：碳纳米管助力EUV光刻技术
李彦教授团队突破：碳纳米管助力EUV光刻技术
北京大学化学学院李彦教授课题组在单壁碳纳米管手性可控生长研究上取得重要突破，这一成果有望推动碳纳米管在极紫外（EUV）光刻技术中的应用。EUV光刻是半导体制造的关键工艺之一，而碳纳米管因其高透光率和低杂散光特性，可显著提高EUV光刻良率和性能，为实现更小尺寸、更快速度且更可靠的芯片生产提供可能。这项研究不仅解决了碳基电子学发展的瓶颈问题，还为下一代信息技术的发展奠定了坚实基础。
研究突破：单壁碳纳米管手性可控生长
李彦教授在碳纳米管合成领域深耕二十余年，围绕结构和性质精准调控的基础科学问题及应用需求开展研究。她开创了以催化剂为结构模板的合成策略，为手性控制这一碳纳米管合成研究中的基础性难题提供了一种解决方案。根据器件化应用对材料的要求，建立了碳纳米管合成中纯度、导电性和方向等的控制方法；同时，开发了基于光谱学及光谱与成像技术联用的碳纳米管结构表征和定量分析方法，为可控合成研究奠定了基础。
这一突破性研究发表在Nature等顶级期刊上，并获得了2020年度国家自然科学二等奖。李彦教授团队的成果不仅解决了碳基电子学发展的瓶颈问题，还为下一代信息技术的发展奠定了坚实基础。
碳纳米管在EUV光刻中的应用
在半导体制造领域，碳纳米管展现出巨大的应用潜力。特别是在EUV光刻技术中，碳纳米管薄膜作为光罩保护膜，能够有效过滤污染物，保护光罩免受缺陷影响，从而提高EUV光刻良率和性能。
碳纳米管薄膜具有以下独特优势：
- 高透光率：未涂层的碳纳米管薄膜在EUV光下具有>97%的高透光率，这意味着更多EUV光能够透过保护膜到达晶圆，从而提高生产效率。
- 低杂散光：杂散光（散射）<0.2%，确保即使是极其微小的图案也能高精度地印制在晶圆上，而不会出现图案变形。
- 高热稳定性：在真空中的热稳定性>1500°C，保证了基于碳纳米管薄膜的EUV保护膜能够承受下一代高功率光刻机环境中强烈的抽真空和排气循环，同时保持其光学性能。
技术突破的意义
随着半导体制造技术向更小尺寸、更快速度和更高可靠性发展，碳纳米管在EUV光刻中的应用显得尤为重要。目前，制造商们面临的主要挑战是在EUV光刻过程中实现零缺陷。碳纳米管薄膜的出现为解决这一难题提供了新的可能。
据阿斯麦（ASML）公司称，最先进的高数值孔径EUV光刻机将采用超过500瓦的高功率水平，提升光学系统聚焦和聚光的能力（即数值孔径[NA]从0.33提升至0.55），实现更高分辨率的成像功能。功率水平的提升直接带来每小时处理晶圆数量（WPH）的增加。例如，400瓦的光源每小时可处理160片晶圆，而500瓦的光源每小时能印制超过185片晶圆。
然而，更高的功率水平和光罩应力会产生高热量负载，这是传统材料无法承受的，可能导致保护膜变形，在其他情况下，甚至会使保护膜像玻璃一样破碎。正如ASML在2023年国际光学工程学会（SPIE）会议上所提到的，碳纳米管正成为用于高功率光刻机的EUV保护膜最具潜力的材料。
未来展望
李彦教授团队在碳纳米管手性可控生长方面的突破，为碳纳米管在EUV光刻及其他领域的广泛应用开辟了新路径。随着技术的进一步发展和成本的降低，碳纳米管有望在半导体制造、热电转换、能量存储等多个领域发挥重要作用。
然而，要实现碳纳米管的大规模商业化应用，仍需克服一些挑战：
- 成本问题：目前制备高质量碳纳米管的成本较高，限制了大规模商业化应用。
- 性能优化：虽然碳纳米管展现出较高的热电转换效率，但在实际应用中如何进一步提升性能并保持长期稳定性是关键挑战。
- 规模化生产：实现高性能碳纳米管的连续、稳定生产仍是技术瓶颈，需要突破以满足工业需求。
总体而言，碳纳米管在热电转换领域展现了巨大的应用潜力，未来随着技术进步和成本降低，有望推动该领域取得更多突破性进展。