芯耀
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作者：鵬程
近日，一些媒體報道了英國部署電子束光刻機相關(guān)的新聞，并號稱打破ASML的EUV技術(shù)壟斷。部分報道甚至號稱這是全球第二臺電子束光刻機，能繞過ASML。實際上當(dāng)前沒有任何信息表面該電子束曝光機可以用于5nm制程的芯片量產(chǎn)的光刻環(huán)節(jié)。在這些媒體的報道中，英國似乎已經(jīng)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、英國部署全球第二臺200kV電子束光刻設(shè)備
實際上，英國南安普敦大學(xué)宣布的是，成功開設(shè)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，可以制造下一代半導(dǎo)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(jù)介紹，該電子束光刻中心采用了日本JEOL的加速電壓直寫電子束光刻(EBL)系統(tǒng)，這也是全球第二臺200kV系統(tǒng)（JEOL JBX-8100 G3）（第一臺在日本），其可以在200毫米晶圓上實現(xiàn)低于5納米級精細結(jié)構(gòu)的分辨率處理。這可以在厚至10微米的光刻膠中實現(xiàn)，且側(cè)壁幾乎垂直，可用于開發(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)一個專門建造的820平方米潔凈室內(nèi)。
英國科學(xué)部長帕特里克·瓦蘭斯勛爵（Lord Patrick Vallance）表示：“英國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家能力。通過投資基礎(chǔ)設(shè)施和人才，我們?yōu)檠芯咳藛T和創(chuàng)新者提供了在英國開發(fā)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(tǒng)的機構(gòu)。南安普頓大學(xué)在電子束光刻領(lǐng)域擁有超過30年的經(jīng)驗，”南安普頓大學(xué)馬丁·查爾頓教授說道?！斑@將有助于推動量子計算、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)的集成納米級器件?！?/p>
Graham Reed 教授補充道：“新電子束設(shè)施的引入將加強我們在英國學(xué)術(shù)界擁有最先進的潔凈室的地位。它促進了大量創(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教授補充道：“新電子束設(shè)施的引入將加強我們在英國學(xué)術(shù)界擁有最先進的潔凈室的地位。它促進了大量創(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？
實際上，電子束曝光機并非一個新的事物，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（短）鏈變成斷（長）鏈，實現(xiàn)曝光，相比于光刻機具有更高的分辨率，主要用于制作光刻掩模版、硅片直寫和納米科學(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(jù)德布羅意的物質(zhì)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，從而為制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(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)備相對門檻較低，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)點是可以繪制低于10nm分辨率的定制圖案（直接寫入）。這種形式的無掩模光刻技術(shù)具有高分辨率和低產(chǎn)量的特點，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)以及研究和開發(fā)中。
?03、主流廠商有哪些？
目前能生產(chǎn)電子束光刻機的廠商還是比較多的。
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)用的先進精密技術(shù)制造商。其客戶包括參與納米技術(shù)研究和材料科學(xué)各個領(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(wù)網(wǎng)絡(luò)，與全球重要市場的客戶密切合作。Raith主要有五款EBL產(chǎn)品，EBPG Plus、Voyager、RAITH150 Two、eLINE Plus和PIONEER Two。
NBL（Nanobeam）是一家英國公司，成立于2002年，主要生產(chǎn)高性能和高性價比的電子束光刻工具。不過據(jù)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(xué)和研究所做研發(fā)的，刻寫速度非常非常慢，不可能用于生產(chǎn)線。一年大概銷售10臺左右給大學(xué)研究所，一年一共2000萬刀左右的銷售。老板是個天才型英籍華人，現(xiàn)在受限英國政策，對于出售給國內(nèi)公司限制較大。
日本電子株式會社（JEOL Ltd., 董事長：栗原 權(quán)右衛(wèi)門）是世界頂級科學(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，其事業(yè)范圍主要有電子光學(xué)儀器、分析儀器、測試檢查儀器、半導(dǎo)體設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療儀器等制造、銷售和研發(fā)。JEOL集團的業(yè)務(wù)包括三個部分：科學(xué)/計量儀器、工業(yè)設(shè)備以及醫(yī)療器械。而此次英國也是采購單該公司的電子束光刻機。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。
還有同為日本的NuFlare則占據(jù)高端市場，其是由東芝機械與東芝合資成立的半導(dǎo)體先進制程設(shè)備公司。在全球市場，奧地利的IMS Nanofabrication出道既巔峰，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占有絕對優(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。
為更好地解決鄰近效應(yīng)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(tǒng)將有希望成為納米光刻的最好選擇。開展這方面研發(fā)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(tǒng)HL-800M，為0.25-0.18微米設(shè)計規(guī)則掩模制造而開發(fā)，并得到了廣泛的應(yīng)用。
?04、ASML在電子束光刻領(lǐng)域也是強者
實際上每年都會有一些新聞會提到一些技術(shù)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(shù)大部分處于實驗室或研究領(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光刻機不是一類產(chǎn)品，也沒有市場沖突。實際上電子束光刻機的市場規(guī)模非常的小。
一些媒體嘩眾取寵，不斷炒作類似消息，號稱電子束光刻機可以打破ASML的技術(shù)壟斷。實際上ASML自己也在研發(fā)電子束光刻機，而且其自研的多電子束光刻機技術(shù)水平很高。
Mapper Lithography是一家開發(fā)電子束曝光工具的公司，但于2018年破產(chǎn)，后來被ASML收購，之后該公司的很多員工來到ASML任職。
Mapper公司創(chuàng)立于2000年，主要從事開發(fā)電子束光刻設(shè)備，其技術(shù)的前身來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)動力，Kampherbeek更專注于業(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，因此沒有獲得大客戶的采用。2015年時，Mapper推出的Matrix1.1 版本設(shè)備（FLX-1200）使用1326束光每小時只能生產(chǎn)1片基于28nm制程的晶圓，雖然曾獲得晶圓代工大廠臺積電的試用，但是因為效率太低而被放棄。而為了提高光刻效率，Mapper當(dāng)時的目標(biāo)是推出13260支電子束的光刻設(shè)備Matrix 10.1，使得單臺設(shè)備的生產(chǎn)效率提升到每小時10片晶圓。并且Mapper還計劃推出由10臺Matrix機器組成Matrix 10.10集群版本，使得每小時的產(chǎn)量提升到每小時100片晶圓。這也將極大提升Mapper設(shè)備相對于ASML設(shè)備的競爭力。
但是在2016年，隨著享年84歲普拉多的去世，Mapper逐漸陷入危機。Mapper在2018年初陷入了資金鏈危機，盡管在這之前已經(jīng)獲得了超過2億歐元的注資，當(dāng)時其新機器幾乎已經(jīng)準(zhǔn)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(shù)生產(chǎn)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對于Mapper的技術(shù)和專利知識很感興趣。因為該技術(shù)不僅可以用來生產(chǎn)芯片，還可以用電子束來檢查半導(dǎo)體缺陷，即不是用于產(chǎn)生芯片，而是用于量測芯片。這也將是ASML在其美國硅谷工廠開發(fā)的檢測設(shè)備的完美補充。
Mapper破產(chǎn)之后，ASML在拍賣會上最終以7500萬歐元拿下了Mapper，該公司的240名員工隨后也加入了ASML。
