ASML的光學(xué)投影光刻機(jī)的熱度經(jīng)久不衰，伴隨著High NA EUV光刻機(jī)和國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)概念引發(fā)的關(guān)注，各種行業(yè)研報(bào)層出不窮。相比之下，電子束光刻的賽道就顯得冷清了。

　　除了常規(guī)的科研方向的應(yīng)用外，小規(guī)模試產(chǎn)，量子芯片也是電子束光刻機(jī)的主要應(yīng)用。而光罩廠中的光罩圖形化，則是當(dāng)下電子束光刻最重要的用途，其重要性絲毫不亞于ASML的各型光刻設(shè)備。

　　01

　　電子束與光：殊途同歸

　　電子本身所具有的波粒二象性決定了，更高的能量下，其具有的更高的頻率能夠等效于更小的波長(zhǎng)。當(dāng)電子束的能量為100keV時(shí)，其等效的波長(zhǎng)約為0.004nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于EUV的13.5nm。

　　毫無疑問，電子束光刻具有更好的分辨率。

　　電子束光刻的結(jié)構(gòu)大致可以分為電子槍，真空系統(tǒng)，精密工件臺(tái)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　來源：100kV Electron Beam Lithography System: JBX--9300FS, JEOL News 07.2000 Vol.35

　　電子槍控制電子束的產(chǎn)生，通過電磁線圈與光闌將電子束聚焦和投影至基板表面，其作用相當(dāng)于光學(xué)投影光刻機(jī)的投影物鏡。與光學(xué)投影光刻不同的是，電子束光刻過程中需要使電子束快速偏轉(zhuǎn)和遮蔽，所以需要高速束閘來進(jìn)行控制。

　　真空系統(tǒng)則通過分子泵來維持腔體的高真空，以此減小空氣中氣體分子對(duì)電子束造成的干擾。離子泵則用以維持鏡筒內(nèi)的超高真空，減少額外的污染物引起充電效應(yīng)，使得電子束發(fā)生意外偏轉(zhuǎn)。

　　精密工件臺(tái)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則控制基板的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的圖形拼接，提升曝光效率。當(dāng)前先進(jìn)電子束曝光所使用的工件臺(tái)與束閘協(xié)同運(yùn)動(dòng)的機(jī)制被稱為write on fly，*程度上兼顧了圖形直寫的速度與精準(zhǔn)。

　　在先進(jìn)的光罩圖形化工藝中，原始版圖和數(shù)據(jù)文件非常龐大，容量甚至?xí)�超過500GB甚至到達(dá)TB級(jí)別，因此數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和解析(Data preparation)所需要非常龐大的算力，所以高性能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)必不可少。

　　相比于光學(xué)投影光刻機(jī)每小時(shí)270片以上12寸晶圓的產(chǎn)出，電子束光刻機(jī)沒6～12小時(shí)一片6寸光罩的效率就低得多了。不過一片光罩換來在光學(xué)投影光刻機(jī)上萬次的曝光壽命，這也是值得的。

　　電子束光刻機(jī)作為早期下一代光刻技術(shù)(NGL，Next Generation Lithography)的備選技術(shù)之一，最早也應(yīng)用于晶圓曝光。隨著摩爾定律的推進(jìn)，其無光罩圖形直寫的特性被用以接替激光直寫，生產(chǎn)光罩。

　　02

　　從變形到分身：電子束發(fā)展之路

　　1970年代，東德蔡司發(fā)明了人類*臺(tái)商用電子束光刻機(jī)。1990年代，兩德合并后，東西德蔡司重新合并為卡爾蔡司，而電子束光刻機(jī)所屬的部門則拆分為耶拿光學(xué)獨(dú)立了出去，后來經(jīng)徠卡收購(gòu)后又重新獨(dú)立，成為了現(xiàn)在的Vistec。

　　從技術(shù)發(fā)展來講，為了提高產(chǎn)出，大束流一直是技術(shù)的發(fā)展方向。另一個(gè)方向則是電子束的束斑控制，分別經(jīng)歷了高斯束，變形束到多束的發(fā)展歷程，其產(chǎn)出速度和精度都有了飛躍性的提升。

　　來源：電子束光刻設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及展望，梁惠康&段輝高

　　高斯束(Gaussian Beam)的束斑大小固定無法進(jìn)行變化調(diào)整，在曝光工藝中主要使用光柵掃描的方式。其機(jī)制簡(jiǎn)單，無需對(duì)光闌進(jìn)行復(fù)雜控制，對(duì)束閘的開關(guān)控制也相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　變形束(VSB)通過光闌控制，可以改變束斑大小，使得曝光效率得到飛躍性提升。通過矢量掃描也可以大大提升曝光效率，但對(duì)光闌與束閘以及電子束偏轉(zhuǎn)的控制要求較高。

　　多電子束/多束(Multi Beam)則通過光闌列陣將電子束分成數(shù)十甚至上萬束，通過列陣束閘進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多電子束在基板不同區(qū)域同時(shí)直寫曝光，大大提升了寫入速度。以IMS的MBMW-101為例，其可可編程電子束的數(shù)量可以達(dá)到262144束(512x512列陣)。

　　來源：電子束光刻設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及展望，梁惠康&段輝高

　　如同ASML的EUV光刻機(jī)無緣大陸市場(chǎng)一樣，NuFlare和IMS的多電子束光刻機(jī)也無法進(jìn)入中國(guó)大陸市場(chǎng)，也是限制大陸晶圓廠進(jìn)入高效和低成本的先進(jìn)芯片制造的重要原因之一。

　　相比與ASML的EUV光刻機(jī)，行業(yè)內(nèi)對(duì)于多電子束光刻機(jī)的關(guān)注度明顯不足。

　　03

　　山巔之城：誰來攀登？

　　電子束光刻機(jī)發(fā)展的歷程，便是掃描電子顯微鏡的發(fā)展史，其技術(shù)主題與掃描電子顯微鏡息息相關(guān)，電子束光刻機(jī)的業(yè)內(nèi)翹楚也幾乎都是掃描電鏡領(lǐng)域的技術(shù)巨匠。

　　如前文所述，蔡司雖然發(fā)明了最早的商業(yè)電子束光刻機(jī)，但最終還是剝離了相關(guān)業(yè)務(wù)。在晶圓曝光的領(lǐng)域，德國(guó)的Vistec和Raith，以及荷蘭的Mapper尚有一席之地，而在光罩圖形化市場(chǎng)，賽道就顯得狹窄得多。

　　一方面由于光罩圖形化面向工業(yè)市場(chǎng)的條件下，應(yīng)用單一且市場(chǎng)空間有限，無法容納太多玩家，幾家進(jìn)入較早的公司瓜分了大部分份額。

　　在大陸市場(chǎng)，用于光罩圖形化的電子束光刻機(jī)已經(jīng)完全進(jìn)入變形束時(shí)代，其中日本電子JEOL在成熟工藝市場(chǎng)擁有較高的市場(chǎng)份額，同為日本的NuFlare則占據(jù)高端市場(chǎng)。在全球市場(chǎng)，奧地利的IMS Nanofabrication出道既*，直接進(jìn)入了多束市場(chǎng)，還獲得了英特爾的注資。在全球先進(jìn)工藝中，Nuflare和IMS占有*優(yōu)勢(shì)。值得一提的是，IMS的多束直寫設(shè)備早年也有機(jī)會(huì)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，由于眾所周知的原因最終失之交臂。

　　國(guó)產(chǎn)電子束光刻設(shè)備的研發(fā)和市場(chǎng)化已經(jīng)開始，但還未向光罩圖形化的市場(chǎng)滲透。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)家公司能夠提供商用電子束光刻機(jī)，分辨率達(dá)到20～50nm，目前主要用戶為高校院所。隨著地緣政治形勢(shì)的極速變化，向光罩圖形化市場(chǎng)進(jìn)軍可以說是既定的目標(biāo)，也是客戶端現(xiàn)實(shí)的需求。

　　如同前文所述，電子束光刻機(jī)所依靠的是掃描電子顯微鏡相關(guān)的一系列技術(shù)，因此國(guó)產(chǎn)設(shè)備想要更好地發(fā)展和成長(zhǎng)，必須依靠本土高端精密儀器的發(fā)展和支持，借此工藝和應(yīng)用便是基于硬件的底座才能落地。作為前置條件，先進(jìn)掃描電鏡是不能繞開的道路!

　　隨著大陸AI和消費(fèi)電子市場(chǎng)和需求的飛速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)先進(jìn)制程的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。海量先進(jìn)光罩如鯁在喉，因此國(guó)產(chǎn)電子束光刻機(jī)任重道遠(yuǎn)，亦刻不容緩。