电子束光刻机，又是什么新东西？

前言：在半导体制造领域，光刻技术始终是推动芯片性能升级的核心动力。随着芯片集成度持续提升，对光刻精度的要求也愈发严苛。电子束光刻机作为能实现纳米级乃至亚纳米级分辨率的光刻设备，正成为半导体产业的焦点技术。

作者 | 方文三图片来源 |  网 络 

电子束曝光机的技术本质与发展历程

电子束曝光机（EBL，电子束光刻）并非新兴技术，其技术体系已趋于成熟。这项技术最早可追溯至20世纪60年代，是在电子显微镜基础上发展而来的微电路制造技术，如今已成为半导体微电子制造及纳米科技的关键基础设备。

其工作原理是利用高能量电子束与光刻胶发生相互作用，使胶链结构发生改变（长链变短或短链变长），从而实现曝光过程。

相较于传统光刻机，电子束光刻的核心优势在于分辨率突破——基于德布罗意物质波理论，电子束波长极短（如100keV能量下波长仅0.004nm），可实现纳米级精度，为纳米线制造等尖端应用提供关键工具。

当前科研与产业界应用的电子束光刻设备主要分为三类：

①高斯束设备：技术门槛较低，可灵活曝光任意图形，广泛应用于基础科学研究

②变形束设备：主要服务于工业界掩模制备

③多束电子束设备：适用于高端制造场景

不过，电子束光刻存在显著短板——曝光时间长，这使其主要应用场景集中在光掩模制造、半导体小批量生产及研发领域。

英国部署全球第二台200kV电子束光刻设备

英国南安普敦大学宣布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。

国际头部企业布局

Raith（德国）：成立于1980年，专注纳米制造与电子束光刻技术，产品包括EBPG Plus、Voyager等五款设备，客户覆盖全球高校、科研机构及半导体企业。

NBL（英国）：2002年成立，主打高性价比电子束光刻工具，但设备刻写速度慢，主要面向大学研究所，年销量约10台，销售额2000万美元左右。

JEOL（日本）：全球顶级科学仪器制造商，其电子束光刻机在成熟工艺市场占有率高，英国南安普顿大学项目即采用其设备。

NuFlare（日本）：由东芝机械与东芝合资成立，占据高端市场，在全球先进工艺领域与IMS形成竞争格局。

IMS Nanofabrication（奥地利）：专注多束市场，获英特尔注资，其设备曾有机会进入中国市场但未能实现。

ASML的技术策略

ASML通过收购破产的Mapper Lithography进入电子束领域。Mapper技术源于代尔夫特理工大学，虽能降低芯片制造成本，但因曝光速度慢未获市场认可。

Mapper尽管其技术源于学术先驱，能制造微小的芯片且成本较低，但致命的低效率，其1326束电子束设备每小时仅能生产1片28nm晶圆导致其无法被大厂接受，即使规划大幅提升电子束数量至13260束以提升效率也未能成功。

在关键创始人去世后，该公司最终于2018年陷入资金链危机而破产。尽管ASML认为电子束技术在芯片量产上无法匹敌EUV，ASML对其技术兴趣主要在于非芯片制造场景——利用电子束进行半导体缺陷检测与量测，而非直接用于芯片量产，这与其EUV光刻机的市场定位形成互补。故在拍卖中以7500万欧元收购了Mapper，并吸纳了其核心团队。

结尾：技术应用边界与产业挑战

电子束光刻凭借无掩模直写、高分辨率优势，在掩模制造、小批量定制芯片（如量子芯片）及前沿科研领域不可或缺，但当前技术仍面临双重制约。

效率瓶颈：单束曝光速度慢，难以适应大规模量产需求，多束技术虽在研发中，但成本与复杂度显著上升

市场定位：目前主要作为光学光刻的补充技术存在，在高端掩模制造等细分领域发挥不可替代作用，但尚未对EUV等主流光刻技术形成替代效应。

随着半导体工艺向3nm及以下节点推进，电子束光刻在纳米级结构制造中的价值将进一步凸显，但其商业化路径仍需突破量产效率与成本控制的双重挑战。

来源：Ai芯天下