作者：鵬程

近日，一些媒體報(bào)道了英國(guó)部署電子束光刻機(jī)相關(guān)的新聞，并號(hào)稱(chēng)打破ASML的EUV技術(shù)壟斷。部分報(bào)道甚至號(hào)稱(chēng)這是全球第二臺(tái)電子束光刻機(jī)，能繞過(guò)ASML。實(shí)際上當(dāng)前沒(méi)有任何信息表面該電子束曝光機(jī)可以用于5nm制程的芯片量產(chǎn)的光刻環(huán)節(jié)。在這些媒體的報(bào)道中，英國(guó)似乎已經(jīng)拳打ASML，腳踢EUV了。那事實(shí)真的如此嗎？實(shí)際情況到底如何呢？

?01、英國(guó)部署全球第二臺(tái)200kV電子束光刻設(shè)備

實(shí)際上，英國(guó)南安普敦大學(xué)宣布的是，成功開(kāi)設(shè)了日本以外首個(gè)分辨率達(dá)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(dǎo)體芯片。這也是全球第二個(gè)，歐洲首個(gè)此類(lèi)電子束光刻中心。

據(jù)介紹，該電子束光刻中心采用了日本JEOL的加速電壓直寫(xiě)電子束光刻(EBL)系統(tǒng)，這也是全球第二臺(tái)200kV系統(tǒng)（JEOL JBX-8100 G3）（第一臺(tái)在日本），其可以在200毫米晶圓上實(shí)現(xiàn)低于5納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的分辨率處理。這可以在厚至10微米的光刻膠中實(shí)現(xiàn)，且側(cè)壁幾乎垂直，可用于開(kāi)發(fā)電子和光子學(xué)領(lǐng)域研究芯片中的新結(jié)構(gòu)。JEOL的第二代EBL設(shè)備——100kV JEOL JBX-A9 將計(jì)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(xiě)電子束光刻系統(tǒng)（JEOL JBX-8100 G3）已經(jīng)安裝在了南安普頓大學(xué)蒙巴頓綜合大樓內(nèi)一個(gè)專(zhuān)門(mén)建造的820平方米潔凈室內(nèi)。

英國(guó)科學(xué)部長(zhǎng)帕特里克·瓦蘭斯勛爵（Lord Patrick Vallance）表示：“英國(guó)是世界上一些最令人興奮的半導(dǎo)體研究的所在地，南安普敦的新電子束設(shè)施極大地提升了我們的國(guó)家能力。通過(guò)投資基礎(chǔ)設(shè)施和人才，我們?yōu)檠芯咳藛T和創(chuàng)新者提供了在英國(guó)開(kāi)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(gè)擁有這套新一代200千伏電子束光刻系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)。南安普頓大學(xué)在電子束光刻領(lǐng)域擁有超過(guò)30年的經(jīng)驗(yàn)，”南安普頓大學(xué)馬丁·查爾頓教授說(shuō)道?！斑@將有助于推動(dòng)量子計(jì)算、硅光子學(xué)和下一代電子系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展。這套設(shè)備與我們現(xiàn)有的微加工設(shè)備套件相得益彰，使我們能夠研發(fā)和生產(chǎn)各種用于電子、光子學(xué)和生物納米技術(shù)的集成納米級(jí)器件?！?/p>

Graham Reed 教授補(bǔ)充道：“新電子束設(shè)施的引入將加強(qiáng)我們?cè)谟?guó)學(xué)術(shù)界擁有最先進(jìn)的潔凈室的地位。它促進(jìn)了大量創(chuàng)新和工業(yè)相關(guān)的研究，以及急需的半導(dǎo)體技能培訓(xùn)?！?/p>

Graham Reed教授補(bǔ)充道：“新電子束設(shè)施的引入將加強(qiáng)我們?cè)谟?guó)學(xué)術(shù)界擁有最先進(jìn)的潔凈室的地位。它促進(jìn)了大量創(chuàng)新和工業(yè)相關(guān)的研究，以及急需的半導(dǎo)體技能培訓(xùn)?！?/p>

?02、什么是電子束曝光機(jī)？

實(shí)際上，電子束曝光機(jī)并非一個(gè)新的事物，當(dāng)前技術(shù)也已經(jīng)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(shù)的延伸應(yīng)用。

最早的電子束曝光（EBL，也稱(chēng)之為電子束光刻）始于上世紀(jì)60年代，是在電子顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的用于微電路研究和制造的曝光技術(shù)，是半導(dǎo)體微電子制造及納米科技的關(guān)鍵設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)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(zhǎng)（短）鏈變成斷（長(zhǎng)）鏈，實(shí)現(xiàn)曝光，相比于光刻機(jī)具有更高的分辨率，主要用于制作光刻掩模版、硅片直寫(xiě)和納米科學(xué)技術(shù)研究。

光刻技術(shù)的精度受到光子在波長(zhǎng)尺度上的散射影響。使用的光波長(zhǎng)越短，光刻能夠達(dá)到的精度越高。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子是一種波長(zhǎng)極短的波。這樣，電子束曝光的精度可以達(dá)到納米量級(jí)，從而為制作納米線(xiàn)提供了很有用的工具。電子束曝光需要的時(shí)間長(zhǎng)是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

目前，科研和產(chǎn)業(yè)界使用的電子束光刻設(shè)備主要是高斯束、變形束和多束電子束，其中高斯束設(shè)備相對(duì)門(mén)檻較低，能夠靈活曝光任意圖形，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究中，而后兩者則主要服務(wù)于工業(yè)界的掩模制備中。電子束光刻的主要優(yōu)點(diǎn)是可以繪制低于10nm分辨率的定制圖案（直接寫(xiě)入）。這種形式的無(wú)掩模光刻技術(shù)具有高分辨率和低產(chǎn)量的特點(diǎn)，將其用途限制在光掩模制造，半導(dǎo)體器件的小批量生產(chǎn)以及研究和開(kāi)發(fā)中。

?03、主流廠(chǎng)商有哪些？

目前能生產(chǎn)電子束光刻機(jī)的廠(chǎng)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(yīng)用的先進(jìn)精密技術(shù)制造商。其客戶(hù)包括參與納米技術(shù)研究和材料科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的大學(xué)和其他組織，以及將納米技術(shù)用于特定產(chǎn)品應(yīng)用或生產(chǎn)復(fù)合半導(dǎo)體的工業(yè)和中型企業(yè)。公司總部位于德國(guó)多特蒙德，擁有超過(guò)250名員工。公司通過(guò)在荷蘭、美國(guó)和亞洲的子公司，以及廣泛的合作伙伴和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，與全球重要市場(chǎng)的客戶(hù)密切合作。Raith主要有五款EBL產(chǎn)品，EBPG Plus、Voyager、RAITH150 Two、eLINE Plus和PIONEER Two。

NBL（Nanobeam）是一家英國(guó)公司，成立于2002年，主要生產(chǎn)高性能和高性?xún)r(jià)比的電子束光刻工具。不過(guò)據(jù)知情人士透露，該公司的電子束不是用來(lái)做掩膜版的，主要是用在大學(xué)和研究所做研發(fā)的，刻寫(xiě)速度非常非常慢，不可能用于生產(chǎn)線(xiàn)。一年大概銷(xiāo)售10臺(tái)左右給大學(xué)研究所，一年一共2000萬(wàn)刀左右的銷(xiāo)售。老板是個(gè)天才型英籍華人，現(xiàn)在受限英國(guó)政策，對(duì)于出售給國(guó)內(nèi)公司限制較大。

日本電子株式會(huì)社（JEOL Ltd., 董事長(zhǎng)：栗原 權(quán)右衛(wèi)門(mén)）是世界頂級(jí)科學(xué)儀器制造商，成立于1949 年，總部設(shè)在日本東京都昭島市武藏野3丁目1番2號(hào)，其事業(yè)范圍主要有電子光學(xué)儀器、分析儀器、測(cè)試檢查儀器、半導(dǎo)體設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療儀器等制造、銷(xiāo)售和研發(fā)。JEOL集團(tuán)的業(yè)務(wù)包括三個(gè)部分：科學(xué)/計(jì)量?jī)x器、工業(yè)設(shè)備以及醫(yī)療器械。而此次英國(guó)也是采購(gòu)單該公司的電子束光刻機(jī)。在大陸市場(chǎng)，用于光罩圖形化的電子束光刻機(jī)已經(jīng)完全進(jìn)入變形束時(shí)代，其中日本電子JEOL在成熟工藝市場(chǎng)擁有較高的市場(chǎng)份額。

還有同為日本的NuFlare則占據(jù)高端市場(chǎng)，其是由東芝機(jī)械與東芝合資成立的半導(dǎo)體先進(jìn)制程設(shè)備公司。在全球市場(chǎng)，奧地利的IMS Nanofabrication出道既巔峰，直接進(jìn)入了多束市場(chǎng)，還獲得了英特爾的注資。在全球先進(jìn)工藝中，Nuflare和IMS占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。值得一提的是，IMS的多束直寫(xiě)設(shè)備早年也有機(jī)會(huì)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，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(yīng)和高加速壓電子對(duì)器件的損傷問(wèn)題，低能微陣列平行電子束直寫(xiě)系統(tǒng)將有希望成為納米光刻的最好選擇。開(kāi)展這方面研發(fā)有代表性的是美國(guó)ETEC公司和日本的日立公司。日立推出的50 kV電子束（EB）寫(xiě)入系統(tǒng)HL-800M，為0.25-0.18微米設(shè)計(jì)規(guī)則掩模制造而開(kāi)發(fā)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

?04、ASML在電子束光刻領(lǐng)域也是強(qiáng)者

實(shí)際上每年都會(huì)有一些新聞會(huì)提到一些技術(shù)打破ASML的壟斷，比如光刻工廠(chǎng)、納米壓印、電子束曝光機(jī)等等，不一而足。但這些技術(shù)大部分處于實(shí)驗(yàn)室或研究領(lǐng)域，在量產(chǎn)上面臨著難以克服的技術(shù)困難。而在南安普敦大學(xué)的采訪(fǎng)中也特別提到，其主要用于學(xué)術(shù)研究和培訓(xùn)，和ASML的EUV光刻機(jī)不是一類(lèi)產(chǎn)品，也沒(méi)有市場(chǎng)沖突。實(shí)際上電子束光刻機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模非常的小。

一些媒體嘩眾取寵，不斷炒作類(lèi)似消息，號(hào)稱(chēng)電子束光刻機(jī)可以打破ASML的技術(shù)壟斷。實(shí)際上ASML自己也在研發(fā)電子束光刻機(jī)，而且其自研的多電子束光刻機(jī)技術(shù)水平很高。

Mapper Lithography是一家開(kāi)發(fā)電子束曝光工具的公司，但于2018年破產(chǎn)，后來(lái)被ASML收購(gòu)，之后該公司的很多員工來(lái)到ASML任職。

Mapper公司創(chuàng)立于2000年，主要從事開(kāi)發(fā)電子束光刻設(shè)備，其技術(shù)的前身來(lái)源于代爾夫特理工大學(xué)。在1990年代，粒子光學(xué)教授Pieter Kruit就開(kāi)始研發(fā)基于電子束的芯片生產(chǎn)設(shè)備，隨后他的兩名學(xué)生Bert Jan Kampherbeek和Marco Wieland創(chuàng)辦了Mapper。其中，Wieland是該公司技術(shù)背后的驅(qū)動(dòng)力，Kampherbeek更專(zhuān)注于業(yè)務(wù)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(méi)有獲得大客戶(hù)的采用。2015年時(shí)，Mapper推出的Matrix1.1 版本設(shè)備（FLX-1200）使用1326束光每小時(shí)只能生產(chǎn)1片基于28nm制程的晶圓，雖然曾獲得晶圓代工大廠(chǎng)臺(tái)積電的試用，但是因?yàn)樾侍投环艞?。而為了提高光刻效率，Mapper當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是推出13260支電子束的光刻設(shè)備Matrix 10.1，使得單臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)效率提升到每小時(shí)10片晶圓。并且Mapper還計(jì)劃推出由10臺(tái)Matrix機(jī)器組成Matrix 10.10集群版本，使得每小時(shí)的產(chǎn)量提升到每小時(shí)100片晶圓。這也將極大提升Mapper設(shè)備相對(duì)于ASML設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)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(jī)。Mapper在2018年初陷入了資金鏈危機(jī)，盡管在這之前已經(jīng)獲得了超過(guò)2億歐元的注資，當(dāng)時(shí)其新機(jī)器幾乎已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，他們的階段性終點(diǎn)就在視線(xiàn)前。這也使得Mapper迫切需要尋找投資者。

雖然，ASML沒(méi)有看到用電子束技術(shù)生產(chǎn)芯片有任何好處，因?yàn)锳SML的EUV光刻機(jī)正在大型芯片工廠(chǎng)中運(yùn)行。不過(guò)，ASML對(duì)于Mapper的技術(shù)和專(zhuān)利知識(shí)很感興趣。因?yàn)樵摷夹g(shù)不僅可以用來(lái)生產(chǎn)芯片，還可以用電子束來(lái)檢查半導(dǎo)體缺陷，即不是用于產(chǎn)生芯片，而是用于量測(cè)芯片。這也將是ASML在其美國(guó)硅谷工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的檢測(cè)設(shè)備的完美補(bǔ)充。

Mapper破產(chǎn)之后，ASML在拍賣(mài)會(huì)上最終以7500萬(wàn)歐元拿下了Mapper，該公司的240名員工隨后也加入了ASML。