深度剖析：光罩图形化与电子束光刻的发展征程

在半导体制造领域，光刻技术一直是推动行业发展的核心力量。2025 年，随着科技的不断进步，光刻技术也在持续革新。目前，ASML 的光学投影光刻机热度居高不下，High NA EUV 光刻机和国产光刻机概念更是引发了广泛关注，各类行业研报层出不穷。然而，与之形成鲜明对比的是，电子束光刻赛道却显得相对冷清。

电子束光刻机除了在常规科研方向有所应用外，小规模试产和量子芯片领域也是其主要应用场景。而在光罩厂中，光罩图形化则是当下电子束光刻最重要的用途，其重要性丝毫不亚于 ASML 的各型光刻设备。

从原理上看，电子本身具有波粒二象性，在更高能量下，其具有的更高频率能够等效于更小的波长。当电子束能量为 100keV 时，其等效波长约为 0.004nm，远远小于 EUV 的 13.5nm。这使得电子束光刻具有更好的分辨率。

电子束光刻系统主要由电子枪、真空系统、精密工件台和运动系统以及数据处理系统组成。电子枪负责控制电子束的产生，通过电磁线圈与光阑将电子束聚焦和投影至基板表面，其作用类似于光学投影光刻机的投影物镜。不过，在电子束光刻过程中，需要使电子束快速偏转和遮蔽，因此需要高速束闸进行控制。真空系统通过分子泵维持腔体的高真空，以减小空气中气体分子对电子束的干扰；离子泵则用于维持镜筒内的超高真空，减少额外污染物引起的充电效应，避免电子束发生意外偏转。精密工件台与运动系统控制基板的运动，实现准确的图形拼接，提升曝光效率。当前先进电子束曝光所采用的工件台与束闸协同运动的机制 ——write on fly，最大程度地兼顾了图形直写的速度与精准度。在先进的光罩图形化工艺中，原始版图和数据文件容量巨大，甚至超过 500GB 乃至达到 TB 级别，因此数据准备和解析需要庞大的算力，高性能的数据处理系统必不可少。

尽管电子束光刻机每 6 - 12 小时才能产出一片 6 寸光罩，相较于光学投影光刻机每小时 270 片以上 12 寸晶圆的产出效率低得多，但一片光罩可在光学投影光刻机上实现上万次的曝光寿命，从长远来看，这种投入也是值得的。电子束光刻机作为早期下一代光刻技术（NGL）的备选技术之一，最早应用于晶圆曝光。随着摩尔定律的推进，其无光罩图形直写的特性使其接替激光直写，用于生产光罩。

从技术发展历程来看，1970 年代，东德蔡司发明了人类第一台商用电子束光刻机。1990 年代，两德合并后，东西德蔡司重新合并为卡尔蔡司，而电子束光刻机所属部门则拆分为耶拿光学独立出去，后经徕卡收购又重新独立，成为现在的 Vistec。为了提高产出，大束流一直是技术的发展方向，同时电子束的束斑控制也经历了高斯束、变形束到多束的发展历程，产出速度和精度都有了飞跃性的提升。

高斯束的束斑大小固定无法调整，在曝光工艺中主要采用光栅扫描方式，其机制简单，对光阑和束闸的控制相对容易。变形束通过光阑控制可以改变束斑大小，通过矢量扫描大大提升了曝光效率，但对光阑、束闸以及电子束偏转的控制要求较高。多电子束则通过光阑列阵将电子束分成数十甚至上万束，通过列阵束闸进行控制，实现多电子束在基板不同区域同时直写曝光，极大地提升了写入速度。例如，IMS 的 MBMW - 101 可编程电子束数量可达 262144 束（512x512 列阵）。

然而，如同 ASML 的 EUV 光刻机无缘大陆市场一样，NuFlare 和 IMS 的多电子束光刻机也无法进入中国大陆市场，这成为限制大陆晶圆厂进入高效和低成本先进芯片制造的重要因素之一。目前，行业内对多电子束光刻机的关注度明显不足。

在市场格局方面，电子束光刻机的发展与扫描电子显微镜密切相关，业内翘楚几乎都是扫描电镜领域的技术巨匠。蔡司虽发明了最早的商业电子束光刻机，但最终剥离了相关业务。在晶圆曝光领域，德国的 Vistec 和 Raith 以及荷兰的 Mapper 尚有一席之地；而在光罩图形化市场，竞争则更为激烈。由于光罩图形化面向工业市场，应用单一且市场空间有限，几家进入较早的公司瓜分了大部分份额。在大陆市场，用于光罩图形化的电子束光刻机已完全进入变形束时代，日本电子 JEOL 在成熟工艺市场拥有较高份额，同为日本的 NuFlare 则占据高端市场。在全球市场，奥地利的 IMS Nanofabrication 出道即巅峰，直接进入多束市场，并获得了英特尔的注资，在全球先进工艺中，Nuflare 和 IMS 占有绝对优势。值得一提的是，IMS 的多束直写设备早年曾有机会进入中国市场，但最终因某些原因失之交臂。

目前，国产电子束光刻设备的研发和市场化已经启动，但尚未向光罩图形化市场渗透。国内已有数家公司能够提供商用电子束光刻机，分辨率达到 20 - 50nm，主要用户为高校院所。随着地缘政治形势的快速变化，进军光罩图形化市场成为国产设备的既定目标，也是客户端的现实需求。电子束光刻机依赖于扫描电子显微镜相关技术，因此国产设备的发展需要本土高端精密仪器的支持，先进扫描电镜是其发展的关键前置条件。随着大陆 AI 和消费电子市场需求的飞速增长，国产先进制程的需求呈现爆发式增长，海量先进光罩的需求如鲠在喉，国产电子束光刻机的发展任重道远，刻不容缓。