電子束曝光機(jī)(EBL，電子束光刻)并非新興技術(shù)，其技術(shù)體系已趨于成熟。這項(xiàng)技術(shù)最早可追溯至20世紀(jì)60年代，是在電子顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展而來的微電路制造技術(shù)，如今已成為半導(dǎo)體微電子制造及納米科技的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。

　　其工作原理是利用高能量電子束與光刻膠發(fā)生相互作用，使膠鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(長鏈變短或短鏈變長)，從而實(shí)現(xiàn)曝光過程。

　　相較于傳統(tǒng)光刻機(jī)，電子束光刻的核心優(yōu)勢在于分辨率突破——基于德布羅意物質(zhì)波理論，電子束波長極短(如100keV能量下波長僅0.004nm)，可實(shí)現(xiàn)納米級精度，為納米線制造等尖端應(yīng)用提供關(guān)鍵工具。

　　當(dāng)前科研與產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的電子束光刻設(shè)備主要分為三類：

　　①高斯束設(shè)備：技術(shù)門檻較低，可靈活曝光任意圖形，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究

　?、谧冃问O(shè)備：主要服務(wù)于工業(yè)界掩模制備

　?、鄱嗍娮邮O(shè)備：適用于高端制造場景

　　不過，電子束光刻存在顯著短板——曝光時間長，這使其主要應(yīng)用場景集中在光掩模制造、半導(dǎo)體小批量生產(chǎn)及研發(fā)領(lǐng)域。

　　英國部署全球第二臺200kV電子束光刻設(shè)備

　　英國南安普敦大學(xué)宣布成功開設(shè)了日本以外首個分辨率達(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，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(shí)現(xiàn)低于5納米級精細(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)。

　　國際頭部企業(yè)布局

　　Raith(德國)：成立于1980年，專注納米制造與電子束光刻技術(shù)，產(chǎn)品包括EBPG Plus、Voyager等五款設(shè)備，客戶覆蓋全球高校、科研機(jī)構(gòu)及半導(dǎo)體企業(yè)。

　　NBL(英國)：2002年成立，主打高性價比電子束光刻工具，但設(shè)備刻寫速度慢，主要面向大學(xué)研究所，年銷量約10臺，銷售額2000萬美元左右。

　　JEOL(日本)：全球頂級科學(xué)儀器制造商，其電子束光刻機(jī)在成熟工藝市場占有率高，英國南安普頓大學(xué)項(xiàng)目即采用其設(shè)備。

　　NuFlare(日本)：由東芝機(jī)械與東芝合資成立，占據(jù)高端市場，在全球先進(jìn)工藝領(lǐng)域與IMS形成競爭格局。

　　IMS Nanofabrication(奧地利)：專注多束市場，獲英特爾注資，其設(shè)備曾有機(jī)會進(jìn)入中國市場但未能實(shí)現(xiàn)。

　　ASML的技術(shù)策略

　　ASML通過收購破產(chǎn)的Mapper Lithography進(jìn)入電子束領(lǐng)域。Mapper技術(shù)源于代爾夫特理工大學(xué)，雖能降低芯片制造成本，但因曝光速度慢未獲市場認(rèn)可。

　　Mapper盡管其技術(shù)源于學(xué)術(shù)先驅(qū)，能制造微小的芯片且成本較低，但致命的低效率，其1326束電子束設(shè)備每小時僅能生產(chǎn)1片28nm晶圓導(dǎo)致其無法被大廠接受，即使規(guī)劃大幅提升電子束數(shù)量至13260束以提升效率也未能成功。

　　在關(guān)鍵創(chuàng)始人去世后，該公司最終于2018年陷入資金鏈危機(jī)而破產(chǎn)。盡管ASML認(rèn)為電子束技術(shù)在芯片量產(chǎn)上無法匹敵EUV，ASML對其技術(shù)興趣主要在于非芯片制造場景——利用電子束進(jìn)行半導(dǎo)體缺陷檢測與量測，而非直接用于芯片量產(chǎn)，這與其EUV光刻機(jī)的市場定位形成互補(bǔ)。故在拍賣中以7500萬歐元收購了Mapper，并吸納了其核心團(tuán)隊(duì)。

　　結(jié)尾：技術(shù)應(yīng)用邊界與產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)

　　電子束光刻憑借無掩模直寫、高分辨率優(yōu)勢，在掩模制造、小批量定制芯片(如量子芯片)及前沿科研領(lǐng)域不可或缺，但當(dāng)前技術(shù)仍面臨雙重制約。

　　效率瓶頸：單束曝光速度慢，難以適應(yīng)大規(guī)模量產(chǎn)需求，多束技術(shù)雖在研發(fā)中，但成本與復(fù)雜度顯著上升

　　市場定位：目前主要作為光學(xué)光刻的補(bǔ)充技術(shù)存在，在高端掩模制造等細(xì)分領(lǐng)域發(fā)揮不可替代作用，但尚未對EUV等主流光刻技術(shù)形成替代效應(yīng)。

　　隨著半導(dǎo)體工藝向3nm及以下節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，電子束光刻在納米級結(jié)構(gòu)制造中的價值將進(jìn)一步凸顯，但其商業(yè)化路徑仍需突破量產(chǎn)效率與成本控制的雙重挑戰(zhàn)。