從全球晶圓代工市場份額看，韓國三星電子公司的市佔率排名第二（約18%左右），中國台灣省台積電公司是當之無愧的老大（約55%）。在7nm以下的先進芯片代工方面，台積電的市場佔有率更是超過90%。其客戶包括蘋果、英偉達、AMD、高通、聯發科等。比如，蘋果公司的A17仿生芯片就是採用台積電的3nm工藝生產。

此外有消息稱，由於英特爾的先進製程進展不順，其15代酷睿可能會採用台積電的3nm工藝。台積電的代工報價自然水漲船高，12英寸3 nm晶圓每片報價約2萬美元，可謂一騎絕塵。

但是，韓國三星電子對此不服，三星Device Solution事業部技術負責人Jeong Eun-seung就曾表示，“三星2017年才成立晶圓代工事業部，但憑藉公司在存儲製造方面的專長，超越台積電指日可待”。

三星電子技術搶先一步，良率卻是主要痛點

2022年6月30日，韓國三星電子公司正式官宣，開始大規模生產3nm芯片，採用最先進的EUV光刻技術和GAA（Gate-all-around，環繞柵極）晶體管技術。這也使得三星電子公司搶先中國台積電公司成為了全球首家量產3nm的芯片代工企業。

根據三星電子官方公佈的聲明，基於其第一代的3nm GAA工藝的芯片與傳統的5nm工藝芯片相比，功耗降低了45%，性能提高了23%，面積可減少16%。

三星電子還宣稱，第二代的3nmGAA製造工藝在研發中，下一代工藝將使芯片的功耗降低50%，性能提升30%並減少35%的面積。

2023年下半年，三星電子在韓國平澤的P3線開始量產芯片。2023年年底，三星電子在美國得州泰勒市的新建廠房將完工。根據三星代工在SFF2023上公佈的最新工藝技術路線圖，該公司計劃在2025年推出2nm的SF2工藝，2027年推出1.4nm的SF1.4工藝。

但是，三星電子此前在3nm、4nm、5nm等先進製程上的爭議頗多，曾經歷過產品上市延遲以及10nm以下工藝良率提升緩慢的情況，導致其主要客戶紛紛轉向台積電。比如，美國高通公司的移動平台第一代驍龍8+就是從三星電子的4nm代工轉投台積電的4nm代工。

2023年7月11日，Hi Investment & Securities研究員朴相佑在一份報告中表示：“三星電子近期成功地提高了4nm工藝的成品率”，報導稱，三星電子今年4nm工藝成品率超過75%、3nm工藝成品率超過60%。從今年下半年開始，智能手機、PC等設備的核心芯片向3nm演進，在台積電方面無法完全消化3nm工藝訂單的情況下，三星電子的良率提升無疑增加了為高通、英偉達等公司芯片代工的機率。尤其是作為對比，台積電的4nm工藝良率約為80%，3nm工藝良率則是55%左右。

作為參考，通常認為80%的工藝良率是芯片代工廠能否大規模盈利的分水嶺，是芯片性能和製造成本之間的合理平衡點。

毫無疑問，在技術進步層面，韓國三星電子公司不輸於任何競爭對手，但是，良率卻是主要痛點。

EUV薄膜是7nm及以下芯片良率的關鍵

近20年來，EUV光源、EUV掩模和EUV光刻膠一直是EUV光刻的三大技術挑戰。10多年前，EUV光源通常位居三大技術挑戰之首，近幾年來，隨著EUV光源的不斷進展，EUV掩模開始位居三大技術挑戰之首。EUV掩模最困難的環節之一就是EUV薄膜（Pellicle）。

EUV薄膜是一種超薄薄膜形態的、需要定期更換的高端消耗品，放置在EUV掩模的頂層，同時允許高EUV光透射率。它安裝在光掩模表面上方幾毫米處，在EUV曝光工藝中保護EUV掩模表面免受空氣中顆粒或污染物影響。如果顆粒落在EUV薄膜上，由於這些顆粒離焦，不會曝光在晶圓上，從而最大限度地減少曝光缺陷。但是，在EUV光刻工藝中，EUV光通過EUV薄膜兩次，一次入射到EUV掩模，另外一次出射到EUV投影光學系統，這導致EUV薄膜的溫度將升高600~1000攝氏度。

不攜帶（左）和攜帶EUV 薄膜的EUV掩模示意圖

EUV薄膜在EUV光刻中保護極其昂貴的6英寸EUV掩模（單塊EUV掩模成本超過30萬美元），使其遠離可能落在其表面的顆粒。尤其是，這對於CPU芯片的生產最為重要。原因是CPU芯片使用的是單芯片掩模（single-die reticle），任何一個EUV掩模缺陷就會有可能使整個晶圓失效！如果使用25個裸片的光掩模（25-die photomask），則僅導致整個晶圓4%的產率降低。也就是說，對於大面積的芯片，沒有EUV薄膜的保護是萬萬不能的。對於小面積的芯片，沒有EUV薄膜的保護也許是可行的。

HJL Lithography的負責人Harry Levinson說：“試圖在沒有EUV薄膜的情況下進行EUV光刻是痛苦的。這需要更多的檢測，而且仍有可能導致產量損失”。

EUV掩模圖片來自：TheElec

EUV薄膜的技術挑戰與發展歷程

歐洲微電子的“大腦”，IMEC的研究人員Joost Bekaert說：“很少有材料具有超過90%的高EUV透過率，同時能耐受超過600W的EUV光輻射。此外，薄膜需要堅固才能防止在大面積（約110mm x 140mm）的EUV掩模上”。具體來說，EUV薄膜必須滿足如下嚴格的標準：

厚度僅為幾十nm（通常為20nm~30nm），大尺寸薄膜，對應面積110 mm×140 mm。

為了不影響工藝良品率，透過率至少要超過90%，不均勻性（3σ）≤0.4%；

耐受功率密度高達5W/cm²的EUV輻射（對應的EUV功率是400 W）；

強機械性能，最大加速度為100 m/ s²（對應薄膜在EUV光刻機掩模台上的移動速度），楊氏模量超過1 TPa；

最大環境壓力變化承受力3.5 mbar/s；

反射率<0.005%，“零缺陷”。忍受極端惡劣運行環境：1000°C高溫、多次放氣、抽氣過程，薄膜不出現任何裂紋或斷裂。

光刻技術人員對於EUV薄膜的研發經歷了漫長而曲折的歷程。主要原因是絕大多數材料在EUV波段都具有強烈的吸收。人們探索了多晶矽、氮化矽、碳納米管和石墨烯等多種材料，也多次就EUV光刻是否一定需要使用EUV薄膜進行過爭論。

EUV薄膜最早的研製者是ASML公司，經過努力，ASML公司於2014年成功研製出面積達106 mm×139 mm的多晶矽EUV薄膜，但是其厚度為70nm，EUV透過率最高為86%。2019年，多晶矽EUV薄膜的厚度做到了50nm，EUV透過率最高為88%。

ASML公司研製的多晶矽EUV薄膜

2019年，ASML推出了第一款商用EUV薄膜，並將該技術授權給日本三井化學（Mitsui Chemicals），三井化學於2021年第二季度開始批量銷售。至此，EUV光刻是否一定需要使用EUV薄膜的爭論結束。

商用的多晶矽EUV薄膜圖片來自：ASML

IMEC也一直在進行EUV薄膜的研究。不同於ASML的技術路線，IMEC採用的是碳納米管，EUV透過率高達97.7%！可以將生產效率提高約25%。

碳納米管EUV薄膜圖片來自：IMEC

一家來自芬蘭的Canatu公司正在進行碳納米管EUV薄膜的商業化。Canatu公司起源於芬蘭阿爾託大學納米材料研究室。2010年起，Canatu公司一直在研究碳納米管EUV薄膜以及改進製造工藝上。已獲得超過150項專利，涉及25個類別。Canatu公司於2015年建立了第一個生產碳納米管的生產線，與IMEC合作，開發基於碳納米管的EUV薄膜。

接下來，就是石墨烯EUV薄膜登場了。

諾獎光環下的石墨烯

2010年諾貝爾物理學獎授予了英國曼徹斯特大學（University of Manchester）科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃謝洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。頒獎詞是“因為二維材料石墨烯的突破性實驗”（for ground breaking experiments regarding the two- dimensional material grapheme）。

2010年諾貝爾物理學獎

根據諾貝爾官網介紹，1958年，安德烈·蓋姆出生在俄羅斯索特吉的一個有德國血統的家庭。他前七年是和外祖父母一起生活的。直到後來，蓋姆才發現，他的祖父和父親都是物理學家，都曾在勞改營裡待過幾年。蓋姆在切爾諾戈洛夫卡的俄羅斯科學院獲得物理學博士學位後，曾在荷蘭奈梅亨等多所歐洲大學工作。蓋姆自2001年起在英國曼徹斯特大學任職。

在發現石墨烯之前，2000年，安德烈·蓋姆曾憑藉“飛翔的青蛙”項目，獲得了“搞笑諾貝爾獎”，其基本原理是通過磁懸浮技術克服重力作用，讓一隻青蛙懸浮在半空中。在頒獎那天，安德烈·蓋姆現場領獎。這個實驗還被評為了18年來“搞笑諾貝爾獎”最受歡迎的十大成果之一，現在，這一原理也被收錄國外一些大學的物理課本中。

1974年，康斯坦丁·諾沃謝洛夫出生於俄羅斯的涅日涅塔吉爾。在莫斯科學習後，他在導師安德烈·蓋姆的指導下攻讀博士學位，先是在荷蘭奈梅亨的拉德布大學，然後在英國曼徹斯特大學。

根據諾貝爾官網介紹，碳以幾種不同的天然形式存在。一種由碳原子排列成六邊形晶格且只有一個原子厚的材料長期以來被認為是純理論結構。2004年，康斯坦丁·諾沃謝洛夫和安德烈·蓋姆成功地製造了這種材料石墨烯，並繪製了其特性圖：非常薄但仍然非常堅固，具有良好的導熱性和導電性，幾乎完全透明但非常緻密。石墨烯在材料技術和電子領域創造了新的可能性。

2004年10月發表在Science雜誌上的石墨烯材料論文

石墨烯是一種以sp²雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料。這是目前世界上最薄的材料，厚度0.335nm。康斯坦丁·諾沃謝洛夫和安德烈·蓋姆製備石墨烯的方法很簡單，採用的是機械剝離法，學術上的定義是通過石墨晶體施加機械力（摩擦力、拉力等）將石墨烯或石墨烯納米片層從石墨晶體中分離出來的方法。簡單來說，就是用膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反复粘上十到二十次之後，薄片就變得越來越薄，最終產生一些單層石墨烯。

目前為止，石墨烯的實驗室研究很多仍然採用機械剝離法。顯然，這種方法可控性很低，難以實現大規模合成，無法工業化量產。因此，有人開玩笑稱這是“撕膠帶紙的炸藥獎”。

石墨烯有許多令人驚異的優越性能。具體來說：

（1）機械強度大，不容易被破壞掉，比鋼鐵強300倍；

（2）拉伸性能好，它可以拉伸到自身長度的20%，超過1TPa，因為它的六邊形結構，拉伸的時候會形變，但不會被破壞；

（3）作為一種非金屬材料，比目前導電性最好的金屬銀還要好，達到電導率106S/m。

（4）自然界導熱性最好的材料是銀，石墨烯的導熱性導熱係數5000W/(m·k)，比銀還要強10倍。界面熱阻<1 mm²K/W。

（5）高電子遷移率10000cm²/vs，甚至20000cm²/vs。

（6）超薄，比表面積大，還可以透光，彎曲。

關於石墨烯的美譽數不勝數，比如，有人將其稱之為“改變21世紀的材料”“材料之王”，等等。

石墨烯EUV薄膜能率先實現商業化嗎？

台積電高度重視EUV掩模技術，一方面，該公司發明了一種“EUV掩模乾洗技術”。與使用超純水和化學品的傳統濕法清潔工藝不同，該干法清潔技術可以快速去除污染物，並通過亞納米分析技術精確定位污染源位置，大幅度減少污染物。另一方面，自2019年以來，台積電一直在其量產線上使用自己開發的EUV薄膜，2021年，其EUV薄膜生產能力比2019年提高了20倍。

台積電業務發展高級副總裁Kevin Zhang博士宣稱：“我們顯然已經在內部投資了這個領域，我認為這對我們來說是一項非常獨特的技術。我們能夠利用它來實現我們的EUV大規模生產。如果你看看我們在7 nm、6 nm和現在的5 nm上運行的方式，所有這些都使用EUV，顯然我們取得了巨大的進步。所以這絕對是我們認為我們憑藉獨特的技術優勢做得很好的領域。”

台積電歐盟總裁Maria Marced博士宣稱：“有一件事，因為我在阿姆斯特丹，所以我們與ASML比較接近——我們接受過他們的特殊培訓。我可以告訴你，在內部進行這種生產確實可以讓我們延長光學掩模的使用壽命。通常在EUV光刻中，掩模會變髒，因此，在較短的期限內，這確實有助於我們提高EUV光刻和掩模的生產效率。”

三星電子顯然也意識到了EUV薄膜在提升EUV光刻良率的重要性，一直在積極開發和評估由碳納米管和石墨烯製成的EUV薄膜，旨在開發滿足92% EUV透射率的石墨烯薄膜，以縮小其與代工競爭對手台積電的市場份額差距。在2021年10月舉行的三星鑄造論壇上表示：“我們已經開發出一種EUV透射率為82%的薄膜，併計劃在年底前將透射率提高到88%”。三星電子正在自行開發的石墨烯EUV薄膜的大規模生產設施。

一位分析師表示：“三星電子推動EUV薄膜的開發，旨在迅速趕上排名第一的代工公司台積電”。儘管三星電子提高了薄膜技術水平，但尚未將這種材料引入其動態隨機存儲器（DRAM）生產線，認為將這種材料應用於大規模生產線為時過早。

除了開發自己的EUV薄膜外，三星電子正在推進與國內主要材料公司S&S TECH和FST（FINE SEMITECH）的合作。三星電子已經投資S&S TECH公司和FST公司，確保研發出EUV透射率為90%的石墨烯EUV薄膜。

韓國石墨烯廣場股份有限公司是石墨烯EUV薄膜商業化的先驅。該公司由首爾國立大學化學教授Kwon Yong-deok實驗室孵化，成立於2012年。該公司已經宣稱開發出5nm及以下芯片EUV光刻所需的石墨烯EUV薄膜，並正在為首次公開募股做準備。Kwon Yong-deok表示：“以前，薄膜是由矽製成的。但我們使用石墨烯。石墨烯薄膜將為使用ASML EUV光刻設備的半導體公司提高產量”。

該公司的大面積石墨烯EUV薄膜採用專用化學氣相沉積（CVD）方法，在高溫下使用二氧化碳與銅等催化劑襯底合成的。以色列理工學院曾購買了三套該公司的石墨烯合成和生產設備。

Kwon Yong-deok表示：“簡單地說，我們的CVD技術將高分子化合物粘附在銅合成的石墨烯上，然後使用蝕刻劑去除銅，最後將石墨烯與分子化合物分離”。

石墨烯EUV薄膜的製造流程

一塊EUV薄膜的價格約為7.5萬美元。如果在操作過程中手動操作，可能會出錯。為此，FST公司已經開發出“世界上第一台”EUV薄膜安裝/拆卸設備（EUV Pellicle mounter&Demounter），以自動在EUV掩模上安裝和拆卸EUV薄膜。FST公司還使用激光和圖像處理技術，開發了EUV薄膜檢測系統，檢查EUV薄膜及其框架上是否有異物。它還可以自動分析和查看異物，識別異物的位置和特徵。

FST公司研究總監Choi Sung-won表示：“隨著該設備系列的開發，我們奠定了成為EUV整體解決方案公司的基礎。該系列是世界第一，也是韓國第一；它們的價值被我們的客戶接受是有意義的”。

EUV薄膜安裝/拆卸設備

三星電子前員工金炳國於2018年1月成立了創業公司EUV Solution，該公司已經研製出檢測EUV薄膜透過率的設備EPTR。EPTR利用EUV波長，以超高速測量直接EUV薄膜的透過度和反射率等。EPTR已在一家客戶公司完成安裝，正式投入使用。EUV Solution副社長李東根表示：“EUV薄膜透過率直接影響工程良率，因此準確測量透過率的過程變得越來越重要。採用EPTR的客戶可以更加順利地進行EUV薄膜的開發和測量。在產品出庫時，就可以直接註明規格信息了。”

帶有石墨烯EUV 薄膜的EUV掩模。

總結幾點關於石墨烯EUV薄膜的看法：

1. 2004年至今，石墨烯等二維材料一直是Science、Nature等頂尖雜誌的常客。石墨烯是世界上已知的最薄最輕最強的材料，具有獨特的結構特徵和物理化學性質，其獨特結構特徵賦予了石墨烯不同於體、零維和一維材料的、極為優異的物理、化學、光學、電子和磁性等特性。從科學研究的觀點來看，石墨烯工作獲得諾貝爾獎，爭議很小。

2. 諾貝爾獎評估的是對人類探索自然規律的重大貢獻，商業化則遵循是否賺錢的邏輯。儘管石墨烯在芯片、材料學、光電子、催化、微納加工、新能源、生物醫學、傳感器、航空航天、生物醫學、藥物傳遞等領域具有廣闊的應用場景。比如，作為一種高電子遷移率材料可用於芯片；作為一種優異的透明導電薄膜可用於觸摸屏；作為一種輕質高強材料可用於航天器；作為一種優異的導電導熱材料可用於口罩等日常生活用品；作為一種優異的電學材料可用於電池；等等。但是，都沒有實現商業化。

3. 目前石墨烯離商業化最近的領域應該是EUV薄膜。一旦商業化成功，將在提升EUV光刻生產效率和良率中發揮至關重要的作用，從而大幅度提升3nm及以下芯片的良率。

4. 石墨烯應用於EUV薄膜的主要難點是如何用微波等離子體化學氣相沉積等方法來製備晶圓級、可控層數、自支撐、高均勻的石墨烯EUV薄膜。包括專用沉積設備的研製、石墨烯EUV薄膜製備工藝、石墨烯EUV薄膜透射率等參數的測試、石墨烯EUV薄膜的安裝等等。

毫無疑問，韓國廠商在石墨烯EUV薄膜的商業化研究方面佔據了極具優勢的位置。