電子束光刻機將用于芯片量產？

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的新聞，并號稱打破 ASML 的 EUV 技術壟斷。部分報道甚至號稱這是全球第二臺電子束光刻機，能繞過 ASML。實際上當前沒有任何信息表面該電子束曝光機可以用于 5nm 制程的芯片量產的光刻環(huán)節(jié)。在這些媒體的報道中，英國似乎已經拳打 ASML，腳踢 EUV 了。

那事實真的如此嗎？實際情況到底如何呢？

英國部署全球第二臺 200kV 電子束光刻設備

實際上，英國南安普敦大學宣布的是，成功開設了日本以外首個分辨率達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，歐洲首個此類電子束光刻中心。

據介紹，該電子束光刻中心采用了日本 JEOL 的加速電壓直寫電子束光刻 (EBL) 系統(tǒng)，這也是全球第二臺200kV 系統(tǒng)（JEOL JBX-8100 G3）（第一臺在日本），其可以在 200 毫米晶圓上實現低于 5 納米級精細結構的分辨率處理。這可以在厚至 10 微米的光刻膠中實現，且側壁幾乎垂直，可用于開發(fā)電子和光子學領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 的加速電壓直寫電子束光刻系統(tǒng)（JEOL JBX-8100 G3）已經安裝在了南安普頓大學蒙巴頓綜合大樓內一個專門建造的 820 平方米潔凈室內。

英國科學部長帕特里克·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擁有這套新一代 200 千伏電子束光刻系統(tǒng)的機構。南安普頓大學在電子束光刻領域擁有超過 30 年的經驗，」南安普頓大學馬丁·查爾頓教授說道?！高@將有助于推動量子計算、硅光子學和下一代電子系統(tǒng)領域的發(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)和生產各種用于電子、光子學和生物納米技術的集成納米級器件?！?/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術界擁有最先進的潔凈室的地位。它促進了大量創(chuàng)新和工業(yè)相關的研究，以及急需的半導體技能培訓。」

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術界擁有最先進的潔凈室的地位。它促進了大量創(chuàng)新和工業(yè)相關的研究，以及急需的半導體技能培訓?！?/p>

什么是電子束曝光機？

實際上，電子束曝光機并非一個新的事物，當前技術也已經很成熟了。電子束曝光指使用電子束在表面上制造圖樣的工藝，是光刻技術的延伸應用。

最早的電子束曝光（EBL，也稱之為電子束光刻）始于上世紀 60 年代，是在電子顯微鏡的基礎上發(fā)展起來的用于微電路研究和制造的曝光技術，是半導體微電子制造及納米科技的關鍵設備、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（短）鏈變成斷（長）鏈，實現曝光，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、硅片直寫和納米科學技術研究。

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

目前，科研和產業(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檻較低，能夠靈活曝光任意圖形，被廣泛應用于基礎科學研究中，而后兩者則主要服務于工業(yè)界的掩模制備中。電子束光刻的主要優(yōu)點是可以繪制低于 10nm 分辨率的定制圖案（直接寫入）。這種形式的無掩模光刻技術具有高分辨率和低產量的特點，將其用途限制在光掩模制造，半導體器件的小批量生產以及研究和開發(fā)中。

主流廠商有哪些？

目前能生產電子束光刻機的廠商還是比較多的。

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精密技術制造商。其客戶包括參與納米技術研究和材料科學各個領域的大學和其他組織，以及將納米技術用于特定產品應用或生產復合半導體的工業(yè)和中型企業(yè)。公司總部位于德國多特蒙德，擁有超過 250 名員工。公司通過在荷蘭、美國和亞洲的子公司，以及廣泛的合作伙伴和服務網絡，與全球重要市場的客戶密切合作。Raith 主要有五款 EBL 產品，EBPG Plus、Voyager、RAITH150 Two、eLINE Plus 和 PIONEER Two。

NBL（Nanobeam）是一家英國公司，成立于 2002 年，主要生產高性能和高性價比的電子束光刻工具。不過據知情人士透露，該公司的電子束不是用來做掩膜版的，主要是用在大學和研究所做研發(fā)的，刻寫速度非常非常慢，不可能用于生產線。一年大概銷售 10 臺左右給大學研究所，一年一共 2000 萬刀左右的銷售。老板是個天才型英籍華人，現在受限英國政策，對于出售給國內公司限制較大。

日本電子株式會社（JEOL Ltd., 董事長：栗原 權右衛(wèi)門）是世界頂級科學儀器制造商，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儀器、分析儀器、測試檢查儀器、半導體設備、工業(yè)設備、醫(yī)療儀器等制造、銷售和研發(fā)。JEOL 集團的業(yè)務包括三個部分：科學/計量儀器、工業(yè)設備以及醫(yī)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，用于光罩圖形化的電子束光刻機已經完全進入變形束時代，其中日本電子 JEOL 在成熟工藝市場擁有較高的市場份額。

還有同為日本的 NuFlare 則占據高端市場，其是由東芝機械與東芝合資成立的半導體先進制程設備公司。在全球市場，奧地利的 IMS Nanofabrication 出道既巔峰，直接進入了多束市場，還獲得了英特爾的注資。在全球先進工藝中，Nuflare 和 IMS 占有絕對優(yōu)勢。值得一提的是，IMS 的多束直寫設備早年也有機會進入中國市場，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題，低能微陣列平行電子束直寫系統(tǒng)將有希望成為納米光刻的最好選擇。開展這方面研發(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）寫入系統(tǒng) HL-800M，為 0.25-0.18 微米設計規(guī)則掩模制造而開發(fā)，并得到了廣泛的應用。

ASML 在電子束光刻領域也是強者

實際上每年都會有一些新聞會提到一些技術打破 ASML 的壟斷，比如光刻工廠、納米壓印、電子束曝光機等等，不一而足。但這些技術大部分處于實驗室或研究領域，在量產上面臨著難以克服的技術困難。而在南安普敦大學的采訪中也特別提到，其主要用于學術研究和培訓，和 ASML 的 EUV 光刻機不是一類產品，也沒有市場沖突。實際上電子束光刻機的市場規(guī)模非常的小。

一些媒體嘩眾取寵，不斷炒作類似消息，號稱電子束光刻機可以打破 ASML 的技術壟斷。實際上 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水平很高。

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

Mapper 公司創(chuàng)立于 2000 年，主要從事開發(fā)電子束光刻設備，其技術的前身來源于代爾夫特理工大學。在 1990 年代，粒子光學教授 Pieter Kruit 就開始研發(fā)基于電子束的芯片生產設備，隨后他的兩名學生 Bert Jan Kampherbeek 和 Marco Wieland 創(chuàng)辦了 Mapper。其中，Wieland 是該公司技術背后的驅動力，Kampherbeek 更專注于業(yè)務方面。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，因此沒有獲得大客戶的采用。2015 年時，Mapper 推出的 Matrix1.1 版本設備（FLX-1200）使用 1326 束光每小時只能生產 1 片基于 28nm 制程的晶圓，雖然曾獲得晶圓代工大廠臺積電的試用，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效率提升到每小時 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，使得每小時的產量提升到每小時 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，盡管在這之前已經獲得了超過 2 億歐元的注資，當時其新機器幾乎已經準備就緒，他們的階段性終點就在視線前。這也使得 Mapper 迫切需要尋找投資者。

雖然，ASML 沒有看到用電子束技術生產芯片有任何好處，因為 ASML 的 EUV 光刻機正在大型芯片工廠中運行。不過，ASML 對于 Mapper 的技術和專利知識很感興趣。因為該技術不僅可以用來生產芯片，還可以用電子束來檢查半導體缺陷，即不是用于產生芯片，而是用于量測芯片。這也將是 ASML 在其美國硅谷工廠開發(fā)的檢測設備的完美補充。

Mapper 破產之后，ASML 在拍賣會上最終以 7500 萬歐元拿下了 Mapper，該公司的 240 名員工隨后也加入了 ASML。