光罩圖形化：電子束光刻發(fā)展之路

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

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

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(cháng)。當電子束的能量為 100keV 時(shí)，其等效的波長(cháng)約為 0.004nm，遠遠小于 EUV 的 13.5nm。

毫無(wú)疑問(wèn)，電子束光刻具有更好的分辨率。

電子束光刻的結構大致可以分為電子槍?zhuān)婵障到y，精密工件臺和運動(dòng)系統，以及數據處理系統。

來(lái)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(guò)電磁線(xiàn)圈與光闌將電子束聚焦和投影至基板表面，其作用相當于光學(xué)投影光刻機的投影物鏡。與光學(xué)投影光刻不同的是，電子束光刻過(guò)程中需要使電子束快速偏轉和遮蔽，所以需要高速束閘來(lái)進(jìn)行控制。

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

精密工件臺與運動(dòng)系統則控制基板的運動(dòng)，實(shí)現準確的圖形拼接，提升曝光效率。當前先進(jìn)電子束曝光所使用的工件臺與束閘協(xié)同運動(dòng)的機制被稱(chēng)為 write on fly，最大程度上兼顧了圖形直寫(xiě)的速度與精準。

在先進(jìn)的光罩圖形化工藝中，原始版圖和數據文件非常龐大，容量甚至會(huì )超過(guò) 500GB 甚至到達 TB 級別，因此數據準備和解析 (Data preparation) 所需要非常龐大的算力，所以高性能的數據處理系統必不可少。

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

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

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(lèi)第一臺商用電子束光刻機。1990 年代，兩德合并后，東西德蔡司重新合并為卡爾蔡司，而電子束光刻機所屬的部門(mén)則拆分為耶拿光學(xué)獨立了出去，后來(lái)經(jīng)徠卡收購后又重新獨立，成為了現在的 Vistec。

從技術(shù)發(fā)展來(lái)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(lái)源：電子束光刻設備發(fā)展現狀及展望，梁惠康&段輝高

高斯束 (Gaussian Beam) 的束斑大小固定無(wú)法進(jìn)行變化調整，在曝光工藝中主要使用光柵掃描的方式。其機制簡(jiǎn)單，無(wú)需對光闌進(jìn)行復雜控制，對束閘的開(kāi)關(guān)控制也相對簡(jiǎn)單。

變形束 (VSB) 通過(guò)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(guò)矢量掃描也可以大大提升曝光效率，但對光闌與束閘以及電子束偏轉的控制要求較高。

來(lái)源：中國科學(xué)院半導體研究所

多電子束/多束 (Multi Beam) 則通過(guò)光闌列陣將電子束分成數十甚至上萬(wàn)束，通過(guò)列陣束閘進(jìn)行控制，實(shí)現多電子束在基板不同區域同時(shí)直寫(xiě)曝光，大大提升了寫(xiě)入速度。以 IMS 的 MBMW-101 為例，其可可編程電子束的數量可以達到 262144 束 (512x512 列陣)。

來(lái)源：電子束光刻設備發(fā)展現狀及展望，梁惠康&段輝高

如同 ASML 的 EUV 光刻機無(wú)緣大陸市場(chǎng)一樣，NuFlare 和 IMS 的多電子束光刻機也無(wú)法進(jìn)入中國大陸市場(chǎng)，也是限制大陸晶圓廠(chǎng)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，行業(yè)內對于多電子束光刻機的關(guān)注度明顯不足。

山巔之城：誰(shuí)來(lái)攀登？

電子束光刻機發(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)，電子束光刻機的業(yè)內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，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，應用單一且市場(chǎng)空間有限，無(wú)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 則占據高端市場(chǎng)。在全球市場(chǎng)，奧地利的 IMS Nanofabrication 出道既巔峰，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 占有絕對優(yōu)勢。值得一提的是，IMS 的多束直寫(xiě)設備早年也有機會(huì )進(jìn)入中國市場(chǎng)，由于眾所周知的原因最終失之交臂。

國產(chǎn)電子束光刻設備的研發(fā)和市場(chǎng)化已經(jīng)開(kāi)始，但還未向光罩圖形化的市場(chǎng)滲透。目前國內已有數家公司能夠提供商用電子束光刻機，分辨率達到 20～50nm，目前主要用戶(hù)為高校院所。隨著(zhù)地緣政治形勢的極速變化，向光罩圖形化市場(chǎng)進(jìn)軍可以說(shuō)是既定的目標，也是客戶(hù)端現實(shí)的需求。

如同前文所述，電子束光刻機所依靠的是掃描電子顯微鏡相關(guān)的一系列技術(shù)，因此國產(chǎn)設備想要更好地發(fā)展和成長(cháng)，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(kāi)的道路！

隨著(zhù)大陸 AI 和消費電子市場(chǎng)和需求的飛速發(fā)展，國產(chǎn)先進(jìn)制程的需求呈現爆發(fā)式增長(cháng)。海量先進(jìn)光罩如鯁在喉，因此國產(chǎn)電子束光刻機任重道遠，亦刻不容緩。