文 | 半導體產業縱橫
ASML 的光學投影光刻機的熱度經久不衰，伴隨著 High NA EUV 光刻機和國產光刻機概念引發的關注，各種行業研報層出不窮。相比之下，電子束光刻的賽道就顯得冷清了。
除了常規的科研方向的應用外，小規模試產，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 的各型光刻設備。
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。
電子束光刻的結構大致可以分為電子槍，真空系統，精密工件臺和運動系統，以及數據處理系統。
電子槍控制電子束的產生，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和遮蔽，所以需要高速束閘來進行控制。
真空系統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，使得電子束發生意外偏轉。
精密工件臺與運動系統則控制基板的運動，實現準確的圖形拼接，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同運動的機制被稱為 write on fly，最大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，原始版圖和數據文件非常龐大，容量甚至會超過 500GB 甚至到達 TB 級別，因此數據準備和解析 ( Data preparation ) 所需要非常龐大的算力，所以高性能的數據處理系統必不可少。
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 ( NGL，Next Generation Lithography ) 的備選技術之一，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，生產光罩。
從變形到分身：電子束發展之路
1970 年代，東德蔡司發明了人類第一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，后來經徠卡收購后又重新獨立，成為了現在的 Vistec。
從技術發展來講，為了提高產出，大束流一直是技術的發展方向。另一個方向則是電子束的束斑控制，分別經歷了高斯束，變形束到多束的發展歷程，其產出速度和精度都有了飛躍性的提升。
高斯束 ( Gaussian Beam ) 的束斑大小固定無法進行變化調整，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十甚至上萬束，通過列陣束閘進行控制，實現多電子束在基板不同區域同時直寫曝光，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量可以達到 262144 束 ( 512x512 列陣 ) 。
相比與 ASML 的 EUV 光刻機，行業內對于多電子束光刻機的關注度明顯不足。
山巔之城：誰來攀登？
電子束光刻機發展的歷程，便是掃描電子顯微鏡的發展史，其技術主題與掃描電子顯微鏡息息相關，電子束光刻機的業內翹楚也幾乎都是掃描電鏡領域的技術巨匠。
如前文所述，蔡司雖然發明了最早的商業電子束光刻機，但最終還是剝離了相關業務。在晶圓曝光的領域，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 則占據高端市場。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，由于眾所周知的原因最終失之交臂。
國產電子束光刻設備的研發和市場化已經開始，但還未向光罩圖形化的市場滲透。目前國內已有數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的一系列技術，因此國產設備想要更好地發展和成長，必須依靠本土高端精密儀器的發展和支持，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展，國產先進制程的需求呈現爆發式增長。海量先進光罩如鯁在喉，因此國產電子束光刻機任重道遠，亦刻不容緩。
