电子束光刻机，能否打破芯片量产困境？

近日，部分媒体报道了英国部署电子束光刻机相关新闻，甚至宣称其打破了 ASML 的 EUV 技术垄断，更有报道称这是全球第二台电子束光刻机，能绕过 ASML。然而，目前并没有任何信息表明该电子束曝光机可用于 5nm 制程芯片量产的光刻环节。这些夸大的报道让英国仿佛在半导体领域 “拳打 ASML，脚踢 EUV”，但事实究竟如何呢？

英国部署全球第二台 200kV 电子束光刻设备

实际上，英国南安普敦大学宣布成功开设了日本以外首个分辨率达 5 纳米以下的尖端电子束光刻（EBL）中心，可制造下一代半导体芯片。这也是全球第二个、欧洲首个此类电子束光刻中心。该中心采用了日本 JEOL 的加速电压直写电子束光刻（EBL）系统，即全球第二台 200kV 系统（JEOL JBX - 8100 G3，第一台在日本），能在 200 毫米晶圆上实现低于 5 纳米级精细结构的分辨率处理，可在厚至 10 微米的光刻胶中实现，且侧壁几乎垂直，适用于开发电子和光子学领域研究芯片中的新结构。此外，JEOL 的第二代 EBL 设备 ——100kV JEOL JBX - A9 将计划用于支持更大批量的 300 毫米晶圆。目前，该系统已安装在南安普敦大学蒙巴顿综合大楼内一个专门建造的 820 平方米洁净室内。

英国科学部长帕特里克・瓦兰斯勋爵表示，英国是世界上一些最令人兴奋的半导体研究的所在地，南安普敦的新电子束设施极大地提升了国家能力。南安普顿大学马丁・查尔顿教授称，他们非常荣幸成为日本以外首个拥有这套新一代 200 千伏电子束光刻系统的机构，这将推动量子计算、硅光子学和下一代电子系统领域的发展。Graham Reed 教授补充道，新电子束设施的引入将加强英国学术界拥有最先进洁净室的地位，促进大量创新和工业相关的研究，以及急需的半导体技能培训。

什么是电子束曝光机？

电子束曝光机并非新鲜事物，其技术已较为成熟。电子束曝光是使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。最早的电子束曝光（EBL，也称为电子束光刻）始于上世纪 60 年代，是在电子显微镜基础上发展起来的用于微电路研究和制造的曝光技术，是半导体微电子制造及纳米科技的关键基础设备。它通过高能量电子束和光刻胶相互作用，使胶由长（短）链变成断（长）链来实现曝光，相较于光刻机具有更高的分辨率，主要用于制作光刻掩模版、硅片直写和纳米科学技术研究。

光刻技术的精度受光子在波长尺度上的散射影响，光波长越短，光刻精度越高。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波，因此电子束曝光的精度可达到纳米量级，为制作纳米线提供了有用工具。不过，电子束曝光需要的时间长是其主要缺点。目前，科研和产业界使用的电子束光刻设备主要有高斯束、变形束和多束电子束。其中，高斯束设备相对门槛较低，能灵活曝光任意图形，广泛应用于基础科学研究；而后两者主要服务于工业界的掩模制备。电子束光刻的主要优点是可以绘制低于 10nm 分辨率的定制图案（直接写入），这种无掩模光刻技术具有高分辨率和低产量的特点，限制了其用途，主要用于光掩模制造、半导体器件的小批量生产以及研究和开发。

主流厂商有哪些？

目前能生产电子束光刻机的厂商较多。成立于 1980 年的 Raith 公司，是一家专注于纳米制造、电子束光刻等先进精密技术的制造商，其客户涵盖大学、研究组织以及工业和中型企业。公司总部位于德国多特蒙德，通过在荷兰、美国和亚洲的子公司及广泛的合作伙伴和服务网络，与全球重要市场的客户密切合作，主要有五款 EBL 产品。

NBL（Nanobeam）是一家英国公司，成立于 2002 年，主要生产高性能和高性价比的电子束光刻工具。但据知情人士透露，该公司的电子束主要用于大学和研究所的研发，刻写速度极慢，无法用于生产线，一年大概销售 10 台左右给大学研究所，年销售额约 2000 万刀。由于受英国政策限制，其出售给国内公司的难度较大。

日本电子株式会社（JEOL Ltd.）是世界顶级科学仪器制造商，成立于 1949 年，业务范围广泛。此次英国采购的就是该公司的电子束光刻机，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的市场份额。

同为日本的 NuFlare 占据高端市场，由东芝机械与东芝合资成立。在全球市场，奥地利的 IMS Nanofabrication 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，但因某些原因最终未能实现。

为更好地解决邻近效应和高加速压电子对器件的损伤问题，低能微阵列平行电子束直写系统有望成为纳米光刻的最佳选择。美国 ETEC 公司和日本的日立公司在这方面的研发具有代表性，日立推出的 50 kV 电子束（EB）写入系统 HL - 800M，为 0.25 - 0.18 微米设计规则掩模制造而开发，并得到了广泛应用。

ASML 在电子束光刻领域也是强者

每年都会有一些新闻宣称某些技术能打破 ASML 的垄断，如光刻工厂、纳米压印、电子束曝光机等，但这些技术大多处于实验室或研究阶段，在量产方面面临难以克服的技术困难。南安普敦大学也特别提到，其电子束光刻设备主要用于学术研究和培训，与 ASML 的 EUV 光刻机并非同类产品，不存在市场冲突，且电子束光刻机的市场规模非常小。

部分媒体不断炒作电子束光刻机可以打破 ASML 的技术垄断，但实际上 ASML 自身也在研发电子束光刻机，且其自研的多电子束光刻机技术水平较高。Mapper Lithography 是一家开发电子束曝光工具的公司，2018 年破产后被 ASML 收购，许多员工也加入了 ASML。

Mapper 公司创立于 2000 年，技术前身源于代尔夫特理工大学。虽然该公司的技术能制造更微小的芯片且成本更低，但速度太慢、效率低下，未获得大客户的采用。2015 年，Mapper 推出的 Matrix1.1 版本设备（FLX - 1200）每小时只能生产 1 片基于 28nm 制程的晶圆，即便曾获台积电试用，仍因效率问题被放弃。为提高光刻效率，Mapper 计划推出 13260 支电子束的光刻设备 Matrix 10.1 及由 10 台 Matrix 机器组成的 Matrix 10.10 集群版本，但 2016 年随着关键人物的去世，公司逐渐陷入危机，2018 年初资金链断裂。

尽管 ASML 认为用电子束技术生产芯片并无优势，但其对 Mapper 的技术和专利知识很感兴趣，因为该技术可用于检查半导体缺陷，是其美国硅谷工厂开发的检测设备的完美补充。最终，ASML 在拍卖会上以 7500 万欧元拿下 Mapper。

电子束光刻机在芯片量产领域仍面临诸多挑战，要真正实现大规模应用，还有很长的路要走。不过，随着技术的不断发展和创新，其未来的发展潜力值得期待。