電子束光刻機將用于芯片量產(chǎn)？

近日，一些媒體報道了英國部署

近日，一些媒體報道了英國部署電子束光刻機相關(guān)的新聞，并號稱(chēng)打破 ASML 的 EUV 技術(shù)壟斷。部分報道甚至號稱(chēng)這是全球第二臺電子束光刻機，能繞過(guò) ASML。實(shí)際上當前沒(méi)有任何信息表面該電子束曝光機可以用于 5nm 制程的芯片量產(chǎn)的光刻環(huán)節。在這些媒體的報道中，英國似乎已經(jīng)拳打 ASML，腳踢 EUV 了。

那事實(shí)真的如此嗎？實(shí)際情況到底如何呢？

英國部署全球第二臺 200kV 電子束光刻設備

實(shí)際上，英國南安普敦大學(xué)宣布的是，成功開(kāi)設了日本以外首個(gè)分辨率達5 納米以下的尖端電子束光刻 (EBL) 中心，可以制造下一代半導體芯片。這也是全球第二個(gè)，歐洲首個(gè)此類(lèi)電子束光刻中心。

據介紹，該電子束光刻中心采用了日本 JEOL 的加速電壓直寫(xiě)電子束光刻 (EBL) 系統，這也是全球第二臺200kV 系統（JEOL JBX-8100 G3）（第一臺在日本），其可以在 200 毫米晶圓上實(shí)現低于 5 納米級精細結構的分辨率處理。這可以在厚至 10 微米的光刻膠中實(shí)現，且側壁幾乎垂直，可用于開(kāi)發(fā)電子和光子學(xué)領(lǐng)域研究芯片中的新結構。JEOL 的第二代 EBL 設備——100kV JEOL JBX-A9 將計劃用于支持更大批量的 300 毫米晶圓。

目前 JEOL 的加速電壓直寫(xiě)電子束光刻系統（JEOL JBX-8100 G3）已經(jīng)安裝在了南安普頓大學(xué)蒙巴頓綜合大樓內一個(gè)專(zhuān)門(mén)建造的 820 平方米潔凈室內。

英國科學(xué)部長(cháng)帕特里克·瓦蘭斯勛爵（Lord Patrick Vallance）表示：「英國是世界上一些最令人興奮的半導體研究的所在地，南安普敦的新電子束設施極大地提升了我們的國家能力。通過(guò)投資基礎設施和人才，我們?yōu)檠芯咳藛T和創(chuàng )新者提供了在英國開(kāi)發(fā)下一代芯片所需的支持?！?/p>

「我們非常榮幸成為日本以外首個(gè)擁有這套新一代 200 千伏電子束光刻系統的機構。南安普頓大學(xué)在電子束光刻領(lǐng)域擁有超過(guò) 30 年的經(jīng)驗，」南安普頓大學(xué)馬丁·查爾頓教授說(shuō)道?！高@將有助于推動(dòng)量子計算、硅光子學(xué)和下一代電子系統領(lǐng)域的發(fā)展。這套設備與我們現有的微加工設備套件相得益彰，使我們能夠研發(fā)和生產(chǎn)各種用于電子、光子學(xué)和生物納米技術(shù)的集成納米級器件?！?/p>

Graham Reed 教授補充道：「新電子束設施的引入將加強我們在英國學(xué)術(shù)界擁有最先進(jìn)的潔凈室的地位。它促進(jìn)了大量創(chuàng )新和工業(yè)相關(guān)的研究，以及急需的半導體技能培訓?！?/p>

Graham Reed 教授補充道：「新電子束設施的引入將加強我們在英國學(xué)術(shù)界擁有最先進(jìn)的潔凈室的地位。它促進(jìn)了大量創(chuàng )新和工業(yè)相關(guān)的研究，以及急需的半導體技能培訓?！?/p>

什么是電子束曝光機？

實(shí)際上，電子束曝光機并非一個(gè)新的事物，當前技術(shù)也已經(jīng)很成熟了。電子束曝光指使用電子束在表面上制造圖樣的工藝，是光刻技術(shù)的延伸應用。

最早的電子束曝光（EBL，也稱(chēng)之為電子束光刻）始于上世紀 60 年代，是在電子顯微鏡的基礎上發(fā)展起來(lái)的用于微電路研究和制造的曝光技術(shù)，是半導體微電子制造及納米科技的關(guān)鍵設備、基礎設備。電子束曝光是由高能量電子束和光刻膠相互作用，使膠由長(cháng)（短）鏈變成斷（長(cháng)）鏈，實(shí)現曝光，相比于光刻機具有更高的分辨率，主要用于制作光刻掩模版、硅片直寫(xiě)和納米科學(xué)技術(shù)研究。

光刻技術(shù)的精度受到光子在波長(cháng)尺度上的散射影響。使用的光波長(cháng)越短，光刻能夠達到的精度越高。根據德布羅意的物質(zhì)波理論，電子是一種波長(cháng)極短的波。這樣，電子束曝光的精度可以達到納米量級，從而為制作納米線(xiàn)提供了很有用的工具。電子束曝光需要的時(shí)間長(cháng)是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

目前，科研和產(chǎn)業(yè)界使用的電子束光刻設備主要是高斯束、變形束和多束電子束，其中高斯束設備相對門(mén)檻較低，能夠靈活曝光任意圖形，被廣泛應用于基礎科學(xué)研究中，而后兩者則主要服務(wù)于工業(yè)界的掩模制備中。電子束光刻的主要優(yōu)點(diǎn)是可以繪制低于 10nm 分辨率的定制圖案（直接寫(xiě)入）。這種形式的無(wú)掩模光刻技術(shù)具有高分辨率和低產(chǎn)量的特點(diǎn)，將其用途限制在光掩模制造，半導體器件的小批量生產(chǎn)以及研究和開(kāi)發(fā)中。

主流廠(chǎng)商有哪些？

目前能生產(chǎn)電子束光刻機的廠(chǎng)商還是比較多的。

首先是成立于 1980 年的 Raith 公司，是一家納米制造、電子束光刻、FIB SEM 納米制造、納米工程和逆向工程應用的先進(jìn)精密技術(shù)制造商。其客戶(hù)包括參與納米技術(shù)研究和材料科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的大學(xué)和其他組織，以及將納米技術(shù)用于特定產(chǎn)品應用或生產(chǎn)復合半導體的工業(yè)和中型企業(yè)。公司總部位于德國多特蒙德，擁有超過(guò) 250 名員工。公司通過(guò)在荷蘭、美國和亞洲的子公司，以及廣泛的合作伙伴和服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，與全球重要市場(chǎng)的客戶(hù)密切合作。Raith 主要有五款 EBL 產(chǎn)品，EBPG Plus、Voyager、RAITH150 Two、eLINE Plus 和 PIONEER Two。

NBL（Nanobeam）是一家英國公司，成立于 2002 年，主要生產(chǎn)高性能和高性?xún)r(jià)比的電子束光刻工具。不過(guò)據知情人士透露，該公司的電子束不是用來(lái)做掩膜版的，主要是用在大學(xué)和研究所做研發(fā)的，刻寫(xiě)速度非常非常慢，不可能用于生產(chǎn)線(xiàn)。一年大概銷(xiāo)售 10 臺左右給大學(xué)研究所，一年一共 2000 萬(wàn)刀左右的銷(xiāo)售。老板是個(gè)天才型英籍華人，現在受限英國政策，對于出售給國內公司限制較大。

日本電子株式會(huì )社（JEOL Ltd., 董事長(cháng)：栗原 權右衛門(mén)）是世界頂級科學(xué)儀器制造商，成立于 1949 年，總部設在日本東京都昭島市武藏野 3 丁目 1 番 2 號，其事業(yè)范圍主要有電子光學(xué)儀器、分析儀器、測試檢查儀器、半導體設備、工業(yè)設備、醫療儀器等制造、銷(xiāo)售和研發(fā)。JEOL 集團的業(yè)務(wù)包括三個(gè)部分：科學(xué)/計量?jì)x器、工業(yè)設備以及醫療器械。而此次英國也是采購單該公司的電子束光刻機。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。

還有同為日本的 NuFlare 則占據高端市場(chǎng)，其是由東芝機械與東芝合資成立的半導體先進(jìn)制程設備公司。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。

為更好地解決鄰近效應和高加速壓電子對器件的損傷問(wèn)題，低能微陣列平行電子束直寫(xiě)系統將有希望成為納米光刻的最好選擇。開(kāi)展這方面研發(fā)有代表性的是美國 ETEC 公司和日本的日立公司。日立推出的 50 kV 電子束（EB）寫(xiě)入系統 HL-800M，為 0.25-0.18 微米設計規則掩模制造而開(kāi)發(fā)，并得到了廣泛的應用。

ASML 在電子束光刻領(lǐng)域也是強者

實(shí)際上每年都會(huì )有一些新聞會(huì )提到一些技術(shù)打破 ASML 的壟斷，比如光刻工廠(chǎng)、納米壓印、電子束曝光機等等，不一而足。但這些技術(shù)大部分處于實(shí)驗室或研究領(lǐng)域，在量產(chǎn)上面臨著(zhù)難以克服的技術(shù)困難。而在南安普敦大學(xué)的采訪(fǎng)中也特別提到，其主要用于學(xué)術(shù)研究和培訓，和 ASML 的 EUV 光刻機不是一類(lèi)產(chǎn)品，也沒(méi)有市場(chǎng)沖突。實(shí)際上電子束光刻機的市場(chǎng)規模非常的小。

一些媒體嘩眾取寵，不斷炒作類(lèi)似消息，號稱(chēng)電子束光刻機可以打破 ASML 的技術(shù)壟斷。實(shí)際上 ASML 自己也在研發(fā)電子束光刻機，而且其自研的多電子束光刻機技術(shù)水平很高。

Mapper Lithography 是一家開(kāi)發(fā)電子束曝光工具的公司，但于 2018 年破產(chǎn)，后來(lái)被 ASML 收購，之后該公司的很多員工來(lái)到 ASML 任職。

Mapper 公司創(chuàng )立于 2000 年，主要從事開(kāi)發(fā)電子束光刻設備，其技術(shù)的前身來(lái)源于代爾夫特理工大學(xué)。在 1990 年代，粒子光學(xué)教授 Pieter Kruit 就開(kāi)始研發(fā)基于電子束的芯片生產(chǎn)設備，隨后他的兩名學(xué)生 Bert Jan Kampherbeek 和 Marco Wieland 創(chuàng )辦了 Mapper。其中，Wieland 是該公司技術(shù)背后的驅動(dòng)力，Kampherbeek 更專(zhuān)注于業(yè)務(wù)方面。雖然 Mapper 能夠更容易的制造更微小的芯片，成本也更低，但是由于其速度太慢，效率低下，因此沒(méi)有獲得大客戶(hù)的采用。2015 年時(shí)，Mapper 推出的 Matrix1.1 版本設備（FLX-1200）使用 1326 束光每小時(shí)只能生產(chǎn) 1 片基于 28nm 制程的晶圓，雖然曾獲得晶圓代工大廠(chǎng)臺積電的試用，但是因為效率太低而被放棄。而為了提高光刻效率，Mapper 當時(shí)的目標是推出 13260 支電子束的光刻設備 Matrix 10.1，使得單臺設備的生產(chǎn)效率提升到每小時(shí) 10 片晶圓。并且 Mapper 還計劃推出由 10 臺 Matrix 機器組成 Matrix 10.10 集群版本，使得每小時(shí)的產(chǎn)量提升到每小時(shí) 100 片晶圓。這也將極大提升 Mapper 設備相對于 ASML 設備的競爭力。
但是在 2016 年，隨著(zhù)享年 84 歲普拉多的去世，Mapper 逐漸陷入危機。Mapper 在 2018 年初陷入了資金鏈危機，盡管在這之前已經(jīng)獲得了超過(guò) 2 億歐元的注資，當時(shí)其新機器幾乎已經(jīng)準備就緒，他們的階段性終點(diǎn)就在視線(xiàn)前。這也使得 Mapper 迫切需要尋找投資者。

雖然，ASML 沒(méi)有看到用電子束技術(shù)生產(chǎn)芯片有任何好處，因為 ASML 的 EUV 光刻機正在大型芯片工廠(chǎng)中運行。不過(guò)，ASML 對于 Mapper 的技術(shù)和專(zhuān)利知識很感興趣。因為該技術(shù)不僅可以用來(lái)生產(chǎn)芯片，還可以用電子束來(lái)檢查半導體缺陷，即不是用于產(chǎn)生芯片，而是用于量測芯片。這也將是 ASML 在其美國硅谷工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的檢測設備的完美補充。

Mapper 破產(chǎn)之后，ASML 在拍賣(mài)會(huì )上最終以 7500 萬(wàn)歐元拿下了 Mapper，該公司的 240 名員工隨后也加入了 ASML。