国产电子束光刻机面临诸多问题，未来将走向哪里
以下文章来源于科技导报 ，作者梁惠康，段辉高
电子束光刻设备在高精度掩模制备、原型器件开发、小批量生产以及基础研究中有着不可替代的作用。在国外高端电子束光刻设备禁运的条件下，中国迫切需要实现高端国产化设备的突破。
本文列举了3种电子束光刻设备的主要厂商及其最新设备性能，并概括了国产化电子束光刻设备发展现状，总结了国产化研发需要解决的关键性难题。
电子束光刻是工艺、材料、设备相互联系的一种微纳加工技术。
其中，电子束光刻设备是实现电子束光刻技术的基础硬件平台，决定了产生电子束的品质和运动精度，其性能对电子束光刻质量有重要的影响。
电子束光刻设备的发展历程与等效电子束束斑数量的关系SCALPEL—具有角度限制的投影式电子束光刻技术；PREVAIL—具有可变轴浸没透镜的电子束缩小成像技术；MAPPER—多光阑逐像素增强分辨率电子束光刻技术；PML2—无掩模投影式电子束光刻技术；MSB—多形状束电子束光刻技术；REBL—反射式电子束光刻技术
目前，活跃在科研和产业界的电子束光刻设备主要是高斯束、变形束和多束电子束，其中高斯束设备相对门槛较低，能够灵活曝光任意图形，被广泛应用于基础科学研究中，而后两者则主要服务于工业界的掩模制备中。
尽管国内科研单位和企业在电子束光刻工艺和设备关键零部件上有所突破，也有相应科研单位启动电子束光刻设备整机的研发，但目前仍在筹划或进行中，国产化高端电子束光刻设备问题仍未突破。
此外，在《瓦森纳协议》之前，靠国外进口设备的方式基本能够满足国内设备市场需求，而在高端电子束光刻设备禁运后，设备产能的空白使得国产化设备开发变得更为急迫。
国外电子束光刻设备发展现状
高斯束电子束光刻设备
高斯束电子束光刻设备是最早的电子束光刻设备种类，已经发展多年，相应技术趋向稳定，相关零部件和技术研发机构已由设备厂商全面承担。
近几年来各代表性公司均无突出的产品更新，在经过多代产品迭代后，均向大面积、高电压、小束斑、高精度、智能化方向发展。
高斯束无需遵循特定的图案切割规律，可以实现任意图形的曝光，可以用极小束斑实现极小的线宽，对于微纳结构形状多样化和极端精度要求的基础科学研究和定制化加工应用有重要意义。
变形束电子束光刻设备
变形束通过不同形状的光阑组合形成特定图形的面束斑，可一次曝光较大的面，曝光效率大幅提高，在半导体产业界备受青睐。
在掩模加工厂商所使用的变形束设备中，Nuflare公司的设备占据了市场份额的90%以上。
其产品EBM-9500PLUS是唯一一个具备7/5 nm掩模制备能力的变形束设备，束流密度远超同类产品，可实现半周期30 nm以下结构的精准曝光，满足掩模制备过程中复杂图形的快速高精度制备。
日本NuflareEBM-9500PLUS加工能力（a）利用EBM-9500PLUS加工的30~18 nm半周期光栅结构；（b）~（d）利用EBM-9500PLUS加工的逆向光刻技术（ILT）掩模图案
此外，Nuflare公司近几代的变形束设备中逐渐引入多效应的电子束与材料相互作用仿真模型以补偿相应误差，其设备的曝光结构精度领跑行业。
多束电子束光刻设备
多束电子束光刻系统是目前电子束光刻设备中最新的研究成果。
写入时间是掩模生产中最为关键的指标，更复杂图形的曝光对于变形束光刻而言需要划分的图形数据量更大，曝光时间更长，多束电子束是目前继续推进更小节点掩模写入速度提升的唯一选择。
在过去的20多年里，多束电子束光刻技术经历了概念、零部件、原型机、商用设备的研发过程，最终在7 nm节点开始进入掩模制备市场。
多束电子束光刻以多帧电子束点阵进行微位移来填充设定网格，最终完成一定区域的曝光。
每帧电子束点阵由相应的曝光图案和规则分解后得到相应的点阵图形，每帧的停留时间一定，扫描的速度恒定，使得曝光任意图形所需时间恒定，与曝光的图形复杂度无关。
3种多束设备原理示意（a）MAPPER公司FL1200；（b）IMS公司MBMW-101；（c）Nuflare公司MBM-1000
此外，IMS公司在其多束设备验证中多次展示了快速曝光高保真的光学邻近校正（OPC）和ILT图形能力。
MBMW-101加工能力（a）100 mm×130 mm测试曝光样片，曝光时间小于10 h；（b）曲线ILT和足球状加工结构加工结果展示，最小结构尺寸为20 nm；样片主要测试结构，基本特征尺寸为100 nm，最小OPC结构CD为20 nm
多束电子束光刻由于电子束点阵单次大面积的曝光，因此其对束流密度的要求远小于变形束，也使得多束电子束光刻的热效应相对高束流变形束要小得多。
国内电子束光刻设备
研究进程与现状
国内关于电子束光刻设备的研发主要集中在20世纪70年代到21世纪初，曾一度搁置，在《瓦森纳协定》后电子束光刻设备研发才重新被提起。
在此之前，国内从事和引导电子束光刻设备研发的单位主要有中国科学院电工研究所、中国电子科技集团有限公司第四十八研究所、哈尔滨工业大学和山东大学等。
其中，目前性能最优的国产化电子束光刻设备包括DB-8型号电子束曝光设备、DY-70.1 μm电子束曝光系统，均为高斯束类型。
在变形束方面主要有DJ-2 μm级可变矩形电子束曝光机，而在多束方面在过去并无相关研究，仅有电工所开展了多束的前身技术——投影电子束曝光的研究，设备代号为EPLDI。
国内研发设备的加速电压停留在30 kV以下，扫描速度普遍不超过10 MHz，相应的拼接套刻精度均在亚微米量级，而电子束束斑在整机自主化研发设备的整体性能与国外顶尖设备有较大差距。
我国扫描电镜国产化进程迅速，目前国内已有多家企业提供自主研发的电镜。
已有国产化电镜设备中储备了电子束光刻设备相当一部分的核心技术，可从供应链或者具有自主知识产权的关键零部件设计和技术方面为电子束光刻设备研发提供支持。
国产化高端电子束光刻设备
研发面临的挑战
国内电子束光刻设备研发技术有明显的技术差距，国产化电子束光刻设备面临巨大挑战。
在目前主流的3种电子束光刻设备中，以高斯束设备作为初期研发方向是一个较为合适的方案。
在高斯束设备上，中国已有一定的研究基础，但其中一些关键零部件无法进行自主化制备，一些关键零部件的参数一直达不到国际先进水平。
面临的挑战主要包括五个方面：热场效应电子源、高加速电压、高扫描速度、激光干涉仪高精度定位以及高精度偏转补偿体系。
变形束和多束电子束光刻设备的国产化面临更多更具挑战性的难题。
在变形束设备上，均匀大束斑电子源、高精度电子光学系统、工件台移动和电子束偏转同时进行的连续扫描技术、高效高精度变形束图形发生器设计都是待解决的难题。
在多束设备上，重点研究难点包括光阑和束闸阵列的低缺陷制备、厘米级均匀电子束源、点阵式多电子束曝光原理和策略、高速高通量数据传输技术等。
结 论
电子束光刻技术是微电子、光电子、微机械、生物医疗、物理研究等领域的重要手段，是半导体产业中不可或缺的加工方式之一。
从目前主流的高斯束、变形束和多束3种电子束光刻设备角度分析了国内外相关设备的研究现状，并从中提取出国产化相应设备所需面临的挑战和难题。
这些信息将有助于国产化电子束光刻设备的自主研究，助力于国产化半导体产业发展。
虽然国产化电子束光刻设备面临诸多难题，但相信在众多国内相关科研工作者的共同攻关下，该项“卡脖子”技术终会被攻克。
作者简介：梁惠康，湖南大学机械与运载工程学院，博士研究生，研究方向为微纳加工与力学制造；段辉高（通信作者），湖南大学机械与运载工程学院、湖南大学粤港澳大湾区创新研究院，教授，研究方向为高能束微纳加工及应用。
论文全文发表于《科技导报》2022年第11期，原标题为《电子束光刻设备发展现状及展望》，本文有删减。
