電子束光刻機將用於芯片量產？_風聞

近日，一些媒體報道了英國部署電子束光刻機相關的新聞，並號稱打破ASML的EUV技術壟斷。部分報道甚至號稱這是全球第二台電子束光刻機，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於5nm製程的芯片量產的光刻環節。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？

01英國部署全球第二台200kV電子束光刻設備

實際上，英國南安普敦大學宣佈的是，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，可以製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，該電子束光刻中心採用了日本JEOL的加速電壓直寫電子束光刻(EBL)系統，這也是全球第二台200kV系統（JEOL JBX-8100 G3）（第一台在日本），其可以在200毫米晶圓上實現低於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，可用於開發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 將計劃用於支持更大批量的300毫米晶圓。

目前JEOL的加速電壓直寫電子束光刻系統（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平方米潔淨室內。

英國科學部長帕特里克·瓦蘭斯勳爵（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，我們為研究人員和創新者提供了在英國開發下一代芯片所需的支持。”

“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·查爾頓教授説道。“這將有助於推動量子計算、硅光子學和下一代電子系統領域的發展。這套設備與我們現有的微加工設備套件相得益彰，使我們能夠研發和生產各種用於電子、光子學和生物納米技術的集成納米級器件。”

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淨室的地位。它促進了大量創新和工業相關的研究，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淨室的地位。它促進了大量創新和工業相關的研究，以及急需的半導體技能培訓。”

02什麼是電子束曝光機？

實際上，電子束曝光機並非一個新的事物，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製造圖樣的工藝，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）始於上世紀60年代，是在電子顯微鏡的基礎上發展起來的用於微電路研究和製造的曝光技術，是半導體微電子製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，相比於光刻機具有更高的分辨率，主要用於製作光刻掩模版、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，從而為製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，被廣泛應用於基礎科學研究中，而後兩者則主要服務於工業界的掩模製備中。電子束光刻的主要優點是可以繪製低於10nm分辨率的定製圖案（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製造，半導體器件的小批量生產以及研究和開發中。

03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。

首先是成立於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製造商。其客户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，以及將納米技術用於特定產品應用或生產複合半導體的工業和中型企業。公司總部位於德國多特蒙德，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户密切合作。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，成立於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的，刻寫速度非常非常慢，不可能用於生產線。一年大概銷售10台左右給大學研究所，一年一共2000萬刀左右的銷售。老闆是個天才型英籍華人，現在受限英國政策，對於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 權右衞門）是世界頂級科學儀器製造商，成立於1949 年，總部設在日本東京都昭島市武藏野3丁目1番2號，其事業範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、工業設備、醫療儀器等製造、銷售和研發。JEOL集團的業務包括三個部分：科學/計量儀器、工業設備以及醫療器械。而此次英國也是採購單該公司的電子束光刻機。在大陸市場，用於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則佔據高端市場，其是由東芝機械與東芝合資成立的半導體先進製程設備公司。在全球市場，奧地利的IMS Nanofabrication出道既巔峯，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佔有絕對優勢。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，由於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將有希望成為納米光刻的最好選擇。開展這方面研發有代表性的是美國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HL-800M，為0.25-0.18微米設計規則掩模製造而開發，並得到了廣泛的應用。

04ASML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於實驗室或研究領域，在量產上面臨着難以克服的技術困難。而在南安普敦大學的採訪中也特別提到，其主要用於學術研究和培訓，和ASML的EUV光刻機不是一類產品，也沒有市場衝突。實際上電子束光刻機的市場規模非常的小。

一些媒體譁眾取寵，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是一家開發電子束曝光工具的公司，但於2018年破產，後來被ASML收購，之後該公司的很多員工來到ASML任職。

Mapper公司創立於2000年，主要從事開發電子束光刻設備，其技術的前身來源於代爾夫特理工大學。在1990年代，粒子光學教授Pieter Kruit就開始研發基於電子束的芯片生產設備，隨後他的兩名學生Bert Jan Kampherbeek和Marco Wieland創辦了Mapper。其中，Wieland是該公司技術背後的驅動力，Kampherbeek更專注於業務方面。雖然Mapper能夠更容易的製造更微小的芯片，成本也更低，但是由於其速度太慢，效率低下，因此沒有獲得大客户的採用。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片基於28nm製程的晶圓，雖然曾獲得晶圓代工大廠台積電的試用，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，使得單台設備的生產效率提升到每小時10片晶圓。並且Mapper還計劃推出由10台Matrix機器組成Matrix 10.10集羣版本，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設備相對於ASML設備的競爭力。但是在2016年，隨着享年84歲普拉多的去世，Mapper逐漸陷入危機。Mapper在2018年初陷入了資金鍊危機，儘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對於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，即不是用於產生芯片，而是用於量測芯片。這也將是ASML在其美國硅谷工廠開發的檢測設備的完美補充。

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