电子束光刻机将用于芯片量产？_风闻

近日，一些媒体报道了英国部署电子束光刻机相关的新闻，并号称打破ASML的EUV技术垄断。部分报道甚至号称这是全球第二台电子束光刻机，能绕过ASML。实际上当前没有任何信息表面该电子束曝光机可以用于5nm制程的芯片量产的光刻环节。在这些媒体的报道中，英国似乎已经拳打ASML，脚踢EUV了。

那事实真的如此吗？实际情况到底如何呢？

01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的是，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，可以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。

据介绍，该电子束光刻中心采用了日本JEOL的加速电压直写电子束光刻(EBL)系统，这也是全球第二台200kV系统（JEOL JBX-8100 G3）（第一台在日本），其可以在200毫米晶圆上实现低于5纳米级精细结构的分辨率处理。这可以在厚至10微米的光刻胶中实现，且侧壁几乎垂直，可用于开发电子和光子学领域研究芯片中的新结构。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JEOL的加速电压直写电子束光刻系统（JEOL JBX-8100 G3）已经安装在了南安普顿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（Lord Patrick Vallance）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我们的国家能力。通过投资基础设施和人才，我们为研究人员和创新者提供了在英国开发下一代芯片所需的支持。”

“我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。南安普顿大学在电子束光刻领域拥有超过30年的经验，”南安普顿大学马丁·查尔顿教授说道。“这将有助于推动量子计算、硅光子学和下一代电子系统领域的发展。这套设备与我们现有的微加工设备套件相得益彰，使我们能够研发和生产各种用于电子、光子学和生物纳米技术的集成纳米级器件。”

Graham Reed 教授补充道：“新电子束设施的引入将加强我们在英国学术界拥有最先进的洁净室的地位。它促进了大量创新和工业相关的研究，以及急需的半导体技能培训。”

Graham Reed教授补充道：“新电子束设施的引入将加强我们在英国学术界拥有最先进的洁净室的地位。它促进了大量创新和工业相关的研究，以及急需的半导体技能培训。”

02什么是电子束曝光机？

实际上，电子束曝光机并非一个新的事物，当前技术也已经很成熟了。电子束曝光指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，也称之为电子束光刻）始于上世纪60年代，是在电子显微镜的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设备、基础设备。电子束曝光是由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，实现曝光，相比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。

光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米线提供了很有用的工具。电子束曝光需要的时间长是它的一个主要缺点。

目前，科研和产业界使用的电子束光刻设备主要是高斯束、变形束和多束电子束，其中高斯束设备相对门槛较低，能够灵活曝光任意图形，被广泛应用于基础科学研究中，而后两者则主要服务于工业界的掩模制备中。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）。这种形式的无掩模光刻技术具有高分辨率和低产量的特点，将其用途限制在光掩模制造，半导体器件的小批量生产以及研究和开发中。

03主流厂商有哪些？

目前能生产电子束光刻机的厂商还是比较多的。

首先是成立于1980年的Raith公司，是一家纳米制造、电子束光刻、FIB SEM纳米制造、纳米工程和逆向工程应用的先进精密技术制造商。其客户包括参与纳米技术研究和材料科学各个领域的大学和其他组织，以及将纳米技术用于特定产品应用或生产复合半导体的工业和中型企业。公司总部位于德国多特蒙德，拥有超过250名员工。公司通过在荷兰、美国和亚洲的子公司，以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。Raith主要有五款EBL产品，EBPG Plus、Voyager、RAITH150 Two、eLINE Plus和PIONEER Two。

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。不过据知情人士透露，该公司的电子束不是用来做掩膜版的，主要是用在大学和研究所做研发的，刻写速度非常非常慢，不可能用于生产线。一年大概销售10台左右给大学研究所，一年一共2000万刀左右的销售。老板是个天才型英籍华人，现在受限英国政策，对于出售给国内公司限制较大。

日本电子株式会社（JEOL Ltd., 董事长：栗原 权右卫门）是世界顶级科学仪器制造商，成立于1949 年，总部设在日本东京都昭岛市武藏野3丁目1番2号，其事业范围主要有电子光学仪器、分析仪器、测试检查仪器、半导体设备、工业设备、医疗仪器等制造、销售和研发。JEOL集团的业务包括三个部分：科学/计量仪器、工业设备以及医疗器械。而此次英国也是采购单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。

还有同为日本的NuFlare则占据高端市场，其是由东芝机械与东芝合资成立的半导体先进制程设备公司。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。

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将有希望成为纳米光刻的最好选择。开展这方面研发有代表性的是美国ETEC公司和日本的日立公司。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，并得到了广泛的应用。

04ASML在电子束光刻领域也是强者

实际上每年都会有一些新闻会提到一些技术打破ASML的垄断，比如光刻工厂、纳米压印、电子束曝光机等等，不一而足。但这些技术大部分处于实验室或研究领域，在量产上面临着难以克服的技术困难。而在南安普敦大学的采访中也特别提到，其主要用于学术研究和培训，和ASML的EUV光刻机不是一类产品，也没有市场冲突。实际上电子束光刻机的市场规模非常的小。

一些媒体哗众取宠，不断炒作类似消息，号称电子束光刻机可以打破ASML的技术垄断。实际上ASML自己也在研发电子束光刻机，而且其自研的多电子束光刻机技术水平很高。

Mapper Lithography是一家开发电子束曝光工具的公司，但于2018年破产，后来被ASML收购，之后该公司的很多员工来到ASML任职。

Mapper公司创立于2000年，主要从事开发电子束光刻设备，其技术的前身来源于代尔夫特理工大学。在1990年代，粒子光学教授Pieter Kruit就开始研发基于电子束的芯片生产设备，随后他的两名学生Bert Jan Kampherbeek和Marco Wieland创办了Mapper。其中，Wieland是该公司技术背后的驱动力，Kampherbeek更专注于业务方面。虽然Mapper能够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，因此没有获得大客户的采用。2015年时，Mapper推出的Matrix1.1 版本设备（FLX-1200）使用1326束光每小时只能生产1片基于28nm制程的晶圆，虽然曾获得晶圆代工大厂台积电的试用，但是因为效率太低而被放弃。而为了提高光刻效率，Mapper当时的目标是推出13260支电子束的光刻设备Matrix 10.1，使得单台设备的生产效率提升到每小时10片晶圆。并且Mapper还计划推出由10台Matrix机器组成Matrix 10.10集群版本，使得每小时的产量提升到每小时100片晶圆。这也将极大提升Mapper设备相对于ASML设备的竞争力。但是在2016年，随着享年84岁普拉多的去世，Mapper逐渐陷入危机。Mapper在2018年初陷入了资金链危机，尽管在这之前已经获得了超过2亿欧元的注资，当时其新机器几乎已经准备就绪，他们的阶段性终点就在视线前。这也使得Mapper迫切需要寻找投资者。

虽然，ASML没有看到用电子束技术生产芯片有任何好处，因为ASML的EUV光刻机正在大型芯片工厂中运行。不过，ASML对于Mapper的技术和专利知识很感兴趣。因为该技术不仅可以用来生产芯片，还可以用电子束来检查半导体缺陷，即不是用于产生芯片，而是用于量测芯片。这也将是ASML在其美国硅谷工厂开发的检测设备的完美补充。

Mapper破产之后，ASML在拍卖会上最终以7500万欧元拿下了Mapper，该公司的240名员工随后也加入了ASML。