半導(dǎo)體是近年來(lái)國(guó)內(nèi)的熱門(mén)話題，圍繞著半導(dǎo)體最核心的設(shè)備和耗材是光刻機(jī)和光刻膠。我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到ASML的極紫外光刻機(jī)以及日本的高端光刻膠。確實(shí)這些都是當(dāng)前制作10nm以下集成電路的必要手段，那么我們有沒(méi)有其他的手段來(lái)制作10nm以下的結(jié)構(gòu)？（公眾號(hào)：芯片智造）實(shí)際情況是，我們有其他的手段獲得10nm以下的結(jié)構(gòu)，但是只是這種手段目前速度比較有限無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成電路芯片的制造。但是他確實(shí)推動(dòng)我們當(dāng)前新材料、前沿物理研究、半導(dǎo)體、微電子、光子、量子研究領(lǐng)域的重要手段之一。這就是今天我們需要介紹的電子束光刻機(jī)。
我們前面介紹過(guò)很多關(guān)于紫外光刻的原理和工藝過(guò)程。但是大家可能會(huì)問(wèn)，我們已經(jīng)有可以做10nm量產(chǎn)的的光刻機(jī)了，（公眾號(hào)：芯片智造）但是為什么還要用速度慢的電子束光刻？甚至為什么要用電子束作為光源？電子束光刻的過(guò)程與紫外光刻有什么異同？電子束光刻所使用的的光刻膠與紫外光刻膠有什么異同？市場(chǎng)上有哪些種類的電子束光刻系統(tǒng)？電子束光刻的生產(chǎn)廠商有哪些？電子束光刻的應(yīng)用有哪些？（公眾號(hào)：芯片智造）下面我們就帶著這些問(wèn)題先概要介紹一下：
電子束光刻的定義
利用聚焦電子束對(duì)某些高分子聚合物（電子束光刻膠）進(jìn)行曝光并通過(guò)顯影獲得圖形的過(guò)程。產(chǎn)生聚焦電子束并讓聚焦電子束按照設(shè)定的圖形掃描的設(shè)備就叫做電子束光刻機(jī)。
發(fā)展歷史
通過(guò)上述的定義我們不難發(fā)現(xiàn)其實(shí)電子束光刻系統(tǒng)的核心是聚焦電子束。而聚焦電子束的應(yīng)用從20世紀(jì)初期就開(kāi)始了，最早期的應(yīng)用就是陰極射線管在顯示器中的應(yīng)用，（公眾號(hào)：芯片智造）然后在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的掃描電子顯微鏡的出現(xiàn)，掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)已經(jīng)與電子束曝光機(jī)無(wú)本質(zhì)區(qū)別了。但是利用聚焦電子束曝光產(chǎn)生精細(xì)圖形是伴隨著電子束光刻膠（也叫抗蝕劑）的出現(xiàn)開(kāi)始的。電子束光刻的發(fā)展已經(jīng)有50多年的歷史了，他幾乎是與光學(xué)曝光同步發(fā)展起來(lái)的，主要標(biāo)志性的時(shí)間有下面幾條：
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早在1965年就使用電子束曝光制作100nm的結(jié)構(gòu)了
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1968年P(guān)MMA被作為電子束光刻膠使用
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1970年使用PMMA制作出0.15um聲表面波器件
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1972年使用電子束光刻在硅表面做出橫截面為60X60nm鋁金屬線條
80年代，當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為光學(xué)曝光已經(jīng)走到了盡頭，電子束光刻是最有前景的替代手段，然而，30多年過(guò)去了，電子束光刻依然無(wú)法替代光學(xué)曝光。在兩種光刻技術(shù)的發(fā)展方面逐漸形成了相互補(bǔ)充的格局，（公眾號(hào)：芯片智造）相信這種格局依舊會(huì)長(zhǎng)期保持。
理論基礎(chǔ)
我們知道，光刻就是利用光輻照聚合物產(chǎn)生的變化形成圖形，光學(xué)曝光的分辨率受光波長(zhǎng)的限制，為了提高光學(xué)曝光的分辨率，（公眾號(hào)：芯片智造）光波的選擇經(jīng)歷了從G線到I線，深紫外，極紫外不斷縮短的發(fā)展過(guò)程。我們也知道，電子束本質(zhì)上是帶電粒子，但是從波粒二象性可知它也是一種光，其波長(zhǎng)為：
由此，可知電子束的波長(zhǎng)與電子束的加速電壓的平方根呈反比關(guān)系，因此加速電壓約高，電子束的波長(zhǎng)越小，這跟我們市面上常見(jiàn)的電子束曝光系統(tǒng)的高電壓系統(tǒng)和低電壓系統(tǒng)直接相關(guān)。因此100KV的加速電壓系統(tǒng)下的電子波長(zhǎng)為0.12nm。這也是其高分辨率的基礎(chǔ)保證。（公眾號(hào)：芯片智造）傳統(tǒng)的電子束光刻使用直寫(xiě)模式，這也是目前電子束光刻效率比較低的重要因素，但是其優(yōu)點(diǎn)是直寫(xiě)無(wú)需掩膜版，簡(jiǎn)單靈活。
電子束與紫外光一樣能使一些聚合物產(chǎn)生解鏈或者交聯(lián)反應(yīng)，從而在顯影過(guò)程中形成對(duì)應(yīng)的圖形，且一些紫外光刻膠本身就能當(dāng)做電子束光刻膠使用，所以二者在本質(zhì)上沒(méi)有太大區(qū)別，（公眾號(hào)：芯片智造）為了區(qū)分，我們有時(shí)候也將電子束光刻膠叫做抗蝕劑。但是由于電子束在于物質(zhì)的響作用時(shí)產(chǎn)生的散射會(huì)導(dǎo)致其作用過(guò)程比紫外光刻復(fù)雜的多。
至此我們已經(jīng)回答了為什么要使用電子束光刻。以及電子束光刻的特點(diǎn)是高分辨率和靈活性，其光刻膠的機(jī)理與紫外光刻膠基本一致。（公眾號(hào)：芯片智造）但是電子束與固體物質(zhì)的相互作用又決定了在深層次的作用方式的差異。
電子束曝光系統(tǒng)
我們剛才介紹過(guò)，電子束曝光系統(tǒng)是產(chǎn)生聚焦電子束和控制電子束按照設(shè)計(jì)的版圖直寫(xiě)的設(shè)備，在基本原理上，他和掃描電子顯微鏡是類似的。包括光柱（產(chǎn)生聚焦電子束和控制電子束偏轉(zhuǎn)和有無(wú)）、電子束檢測(cè)系統(tǒng)（檢測(cè)到達(dá)樣品表面電子束流大?。?、反射電子檢測(cè)系統(tǒng)（觀察樣品表面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記）、工作臺(tái)系統(tǒng)（放置和精確移動(dòng)樣品）、（公眾號(hào)：芯片智造）真空系統(tǒng)（獲得高真空環(huán)境）、高壓電壓和計(jì)算機(jī)圖形發(fā)生系統(tǒng)（將設(shè)計(jì)圖形數(shù)據(jù)準(zhǔn)換成控制偏轉(zhuǎn)器的電信號(hào)），如下圖所示。
圖1 電子束曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
電子束曝光系統(tǒng)按照曝光方式分為失量掃描和光柵掃描兩種；按照束形可分為高斯束和變形束；按照工作方式可分為直接曝光和投影曝光。
電子束曝光系統(tǒng)的重要參數(shù)包括以下幾個(gè)方面：
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加速電壓，加速電壓高，分辨率越高，曝光產(chǎn)生的臨近效應(yīng)小，可曝光較厚的光刻膠
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電子束流，束流大曝光速度快，當(dāng)然[敏感詞]曝光速度受掃描頻率限制，大束流的束斑也會(huì)較大
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寫(xiě)場(chǎng)大小，寫(xiě)場(chǎng)大則寫(xiě)場(chǎng)內(nèi)圖形無(wú)拼接誤差
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其他還有控制臺(tái)精度、拼接精度、套刻精度等（公眾號(hào)：芯片智造）
應(yīng)用
電子束曝光系統(tǒng)的應(yīng)用比較豐富，因?yàn)樗强煽孬@得納米級(jí)圖形的重要工具，因而被廣泛應(yīng)用于以新材料（如超材料、表面工程）、前沿物理研究（如超導(dǎo)、量子）、仿生（功能性表面）、光子（微納光學(xué)、光波導(dǎo)、光子晶體）、生物（DNA測(cè)試、納流控）、微電子等研究領(lǐng)域。（公眾號(hào)：芯片智造）隨著近年來(lái)科技市場(chǎng)發(fā)展，電子束也被應(yīng)用于3D結(jié)構(gòu)光器件的加工、光子芯片加工、高功率芯片加工領(lǐng)域，還有掩膜版制作這個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域等。
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