光罩圖形化：電子束光刻發(fā)展之路

　　ASML的光學投影光刻機的熱度經(jīng)久不衰，伴隨著High NA EUV光刻機和國產(chǎn)光刻機概念引發(fā)的關(guān)注，各種行業(yè)研報層出不窮。相比之下，電子束光刻的賽道就顯得冷清了。

　　除了常規(guī)的科研方向的應用外，小規(guī)模試產(chǎn)，量子芯片也是電子束光刻機的主要應用。而光罩廠中的光罩圖形化，則是當下電子束光刻最重要的用途，其重要性絲毫不亞于ASML的各型光刻設(shè)備。

　　01

　　電子束與光：殊途同歸

　　電子本身所具有的波粒二象性決定了，更高的能量下，其具有的更高的頻率能夠等效于更小的波長。當電子束的能量為100keV時，其等效的波長約為0.004nm，遠遠小于EUV的13.5nm。

　　毫無疑問，電子束光刻具有更好的分辨率。

　　電子束光刻的結(jié)構(gòu)大致可以分為電子槍，真空系統(tǒng)，精密工件臺和運動系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

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

　　電子槍控制電子束的產(chǎn)生，通過電磁線圈與光闌將電子束聚焦和投影至基板表面，其作用相當于光學投影光刻機的投影物鏡。與光學投影光刻不同的是，電子束光刻過程中需要使電子束快速偏轉(zhuǎn)和遮蔽，所以需要高速束閘來進行控制。

　　真空系統(tǒng)則通過分子泵來維持腔體的高真空，以此減小空氣中氣體分子對電子束造成的干擾。離子泵則用以維持鏡筒內(nèi)的超高真空，減少額外的污染物引起充電效應，使得電子束發(fā)生意外偏轉(zhuǎn)。

　　精密工件臺與運動系統(tǒng)則控制基板的運動，實現(xiàn)準確的圖形拼接，提升曝光效率。當前先進電子束曝光所使用的工件臺與束閘協(xié)同運動的機制被稱為write on fly，*程度上兼顧了圖形直寫的速度與精準。

　　在先進的光罩圖形化工藝中，原始版圖和數(shù)據(jù)文件非常龐大，容量甚至會超過500GB甚至到達TB級別，因此數(shù)據(jù)準備和解析(Data preparation)所需要非常龐大的算力，所以高性能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)必不可少。

　　相比于光學投影光刻機每小時270片以上12寸晶圓的產(chǎn)出，電子束光刻機沒6～12小時一片6寸光罩的效率就低得多了。不過一片光罩換來在光學投影光刻機上萬次的曝光壽命，這也是值得的。

　　電子束光刻機作為早期下一代光刻技術(shù)(NGL，Next Generation Lithography)的備選技術(shù)之一，最早也應用于晶圓曝光。隨著摩爾定律的推進，其無光罩圖形直寫的特性被用以接替激光直寫，生產(chǎn)光罩。

　　02

　　從變形到分身：電子束發(fā)展之路

　　1970年代，東德蔡司發(fā)明了人類*臺商用電子束光刻機。1990年代，兩德合并后，東西德蔡司重新合并為卡爾蔡司，而電子束光刻機所屬的部門則拆分為耶拿光學獨立了出去，后來經(jīng)徠卡收購后又重新獨立，成為了現(xiàn)在的Vistec。

　　從技術(shù)發(fā)展來講，為了提高產(chǎn)出，大束流一直是技術(shù)的發(fā)展方向。另一個方向則是電子束的束斑控制，分別經(jīng)歷了高斯束，變形束到多束的發(fā)展歷程，其產(chǎn)出速度和精度都有了飛躍性的提升。

　　來源：電子束光刻設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及展望，梁惠康&段輝高

　　高斯束(Gaussian Beam)的束斑大小固定無法進行變化調(diào)整，在曝光工藝中主要使用光柵掃描的方式。其機制簡單，無需對光闌進行復雜控制，對束閘的開關(guān)控制也相對簡單。

　　變形束(VSB)通過光闌控制，可以改變束斑大小，使得曝光效率得到飛躍性提升。通過矢量掃描也可以大大提升曝光效率，但對光闌與束閘以及電子束偏轉(zhuǎn)的控制要求較高。

　　多電子束/多束(Multi Beam)則通過光闌列陣將電子束分成數(shù)十甚至上萬束，通過列陣束閘進行控制，實現(xiàn)多電子束在基板不同區(qū)域同時直寫曝光，大大提升了寫入速度。以IMS的MBMW-101為例，其可可編程電子束的數(shù)量可以達到262144束(512x512列陣)。

　　來源：電子束光刻設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及展望，梁惠康&段輝高

　　如同ASML的EUV光刻機無緣大陸市場一樣，NuFlare和IMS的多電子束光刻機也無法進入中國大陸市場，也是限制大陸晶圓廠進入高效和低成本的先進芯片制造的重要原因之一。

　　相比與ASML的EUV光刻機，行業(yè)內(nèi)對于多電子束光刻機的關(guān)注度明顯不足。

　　03

　　山巔之城：誰來攀登？

　　電子束光刻機發(fā)展的歷程，便是掃描電子顯微鏡的發(fā)展史，其技術(shù)主題與掃描電子顯微鏡息息相關(guān)，電子束光刻機的業(yè)內(nèi)翹楚也幾乎都是掃描電鏡領(lǐng)域的技術(shù)巨匠。

　　如前文所述，蔡司雖然發(fā)明了最早的商業(yè)電子束光刻機，但最終還是剝離了相關(guān)業(yè)務。在晶圓曝光的領(lǐng)域，德國的Vistec和Raith，以及荷蘭的Mapper尚有一席之地，而在光罩圖形化市場，賽道就顯得狹窄得多。

　　一方面由于光罩圖形化面向工業(yè)市場的條件下，應用單一且市場空間有限，無法容納太多玩家，幾家進入較早的公司瓜分了大部分份額。

　　在大陸市場，用于光罩圖形化的電子束光刻機已經(jīng)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，同為日本的NuFlare則占據(jù)高端市場。在全球市場，奧地利的IMS Nanofabrication出道既*，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*優(yōu)勢。值得一提的是，IMS的多束直寫設(shè)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。

　　國產(chǎn)電子束光刻設(shè)備的研發(fā)和市場化已經(jīng)開始，但還未向光罩圖形化的市場滲透。目前國內(nèi)已有數(shù)家公司能夠提供商用電子束光刻機，分辨率達到20～50nm，目前主要用戶為高校院所。隨著地緣政治形勢的極速變化，向光罩圖形化市場進軍可以說是既定的目標，也是客戶端現(xiàn)實的需求。

　　如同前文所述，電子束光刻機所依靠的是掃描電子顯微鏡相關(guān)的一系列技術(shù)，因此國產(chǎn)設(shè)備想要更好地發(fā)展和成長，必須依靠本土高端精密儀器的發(fā)展和支持，借此工藝和應用便是基于硬件的底座才能落地。作為前置條件，先進掃描電鏡是不能繞開的道路!

　　隨著大陸AI和消費電子市場和需求的飛速發(fā)展，國產(chǎn)先進制程的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。海量先進光罩如鯁在喉，因此國產(chǎn)電子束光刻機任重道遠，亦刻不容緩。