光罩图形化：电子束光刻发展之路

ASML的光学投影光刻机的热度经久不衰，伴随着High NA EUV光刻机和国产光刻机概念引发的关注，各种行业研报层出不穷。相比之下，电子束光刻的赛道就显得冷清了。

除了常规的科研方向的应用外，小规模试产，量子芯片也是电子束光刻机的主要应用。而光罩厂中的光罩图形化，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。

01电子束与光：殊途同归

电子本身所具有的波粒二象性决定了，更高的能量下，其具有的更高的频率能够等效于更小的波长。当电子束的能量为100keV时，其等效的波长约为0.004nm，远远小于EUV的13.5nm。

毫无疑问，电子束光刻具有更好的分辨率。

电子束光刻的结构大致可以分为电子枪，真空系统，精密工件台和运动系统，以及数据处理系统。

来源：100kV Electron Beam Lithography System: JBX--9300FS, JEOL News 07.2000 Vol.35

电子枪控制电子束的产生，通过电磁线圈与光阑将电子束聚焦和投影至基板表面，其作用相当于光学投影光刻机的投影物镜。与光学投影光刻不同的是，电子束光刻过程中需要使电子束快速偏转和遮蔽，所以需要高速束闸来进行控制。

真空系统则通过分子泵来维持腔体的高真空，以此减小空气中气体分子对电子束造成的干扰。离子泵则用以维持镜筒内的超高真空，减少额外的污染物引起充电效应，使得电子束发生意外偏转。

精密工件台与运动系统则控制基板的运动，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使用的工件台与束闸协同运动的机制被称为write on fly，最大程度上兼顾了图形直写的速度与精准。

在先进的光罩图形化工艺中，原始版图和数据文件非常庞大，容量甚至会超过500GB甚至到达TB级别，因此数据准备和解析(Data preparation)所需要非常庞大的算力，所以高性能的数据处理系统必不可少。

相比于光学投影光刻机每小时270片以上12寸晶圆的产出，电子束光刻机没6～12小时一片6寸光罩的效率就低得多了。不过一片光罩换来在光学投影光刻机上万次的曝光寿命，这也是值得的。

电子束光刻机作为早期下一代光刻技术(NGL，Next Generation Lithography)的备选技术之一，最早也应用于晶圆曝光。随着摩尔定律的推进，其无光罩图形直写的特性被用以接替激光直写，生产光罩。

02从变形到分身：电子束发展之路

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的部门则拆分为耶拿光学独立了出去，后来经徕卡收购后又重新独立，成为了现在的Vistec。

从技术发展来讲，为了提高产出，大束流一直是技术的发展方向。另一个方向则是电子束的束斑控制，分别经历了高斯束，变形束到多束的发展历程，其产出速度和精度都有了飞跃性的提升。

来源：电子束光刻设备发展现状及展望，梁惠康&段辉高

高斯束(Gaussian Beam)的束斑大小固定无法进行变化调整，在曝光工艺中主要使用光栅扫描的方式。其机制简单，无需对光阑进行复杂控制，对束闸的开关控制也相对简单。

变形束(VSB)通过光阑控制，可以改变束斑大小，使得曝光效率得到飞跃性提升。通过矢量扫描也可以大大提升曝光效率，但对光阑与束闸以及电子束偏转的控制要求较高。

来源：中国科学院半导体研究所

多电子束/多束(Multi Beam)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，大大提升了写入速度。以IMS的MBMW-101为例，其可可编程电子束的数量可以达到262144束(512x512列阵)。

来源：电子束光刻设备发展现状及展望，梁惠康&段辉高

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，也是限制大陆晶圆厂进入高效和低成本的先进芯片制造的重要原因之一。

相比与ASML的EUV光刻机，行业内对于多电子束光刻机的关注度明显不足。

03山巅之城：谁来攀登？

电子束光刻机发展的历程，便是扫描电子显微镜的发展史，其技术主题与扫描电子显微镜息息相关，电子束光刻机的业内翘楚也几乎都是扫描电镜领域的技术巨匠。

如前文所述，蔡司虽然发明了最早的商业电子束光刻机，但最终还是剥离了相关业务。在晶圆曝光的领域，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，赛道就显得狭窄得多。

一方面由于光罩图形化面向工业市场的条件下，应用单一且市场空间有限，无法容纳太多玩家，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经完全进入变形束时代，其中日本电子JEOL在成熟工艺市场拥有较高的市场份额，同为日本的NuFlare则占据高端市场。在全球市场，奥地利的IMS Nanofabrication出道既巅峰，直接进入了多束市场，还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也有机会进入中国市场，由于众所周知的原因最终失之交臂。

国产电子束光刻设备的研发和市场化已经开始，但还未向光罩图形化的市场渗透。目前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，目前主要用户为高校院所。随着地缘政治形势的极速变化，向光罩图形化市场进军可以说是既定的目标，也是客户端现实的需求。

如同前文所述，电子束光刻机所依靠的是扫描电子显微镜相关的一系列技术，因此国产设备想要更好地发展和成长，必须依靠本土高端精密仪器的发展和支持，借此工艺和应用便是基于硬件的底座才能落地。作为前置条件，先进扫描电镜是不能绕开的道路！

随着大陆AI和消费电子市场和需求的飞速发展，国产先进制程的需求呈现爆发式增长。海量先进光罩如鲠在喉，因此国产电子束光刻机任重道远，亦刻不容缓。