近日，應用材料公司推出了一款新的電子束測量設備，用于EUV和High-NA EUV光刻技術對芯片的高精度檢測，可有效降低光刻工藝的成本。不僅僅是應用材料公司，如今很多設備廠商都在密切關注電子束技術在芯片制造以及測量測試方面的應用，甚至連光學鏡頭領域的巨頭蔡司以及光刻機領域的巨頭阿斯麥，都接連推出電子束相關產品。長期以來，電子束技術盡管擁有諸多優勢，但是在半導體制造與測量測試領域依舊處于邊緣狀態，仿佛是一個“還沒有穿上水晶鞋的灰姑娘”，永遠都被光學設備“壓上一頭”。

　　電子束有望替代EUV？

　　在芯片制造方面，電子束硅片直寫（EBL）一度被認為有望成為能在先進制程領域替代EUV光刻機技術，甚至還能動搖光學鏡頭在芯片制造領域的“卡脖子”地位。

　　知名業內專家莫大康介紹，電子束波長較短，使其分辨能力遠遠超過光學鏡頭。據了解，EUV光刻機的波長為13.5nm，而100KeV電子束的波長只有0.004nm，波長短使其在分辨率方面與EUV相比有絕對的優勢，也使得電子束能夠實現EUV光刻機都實現不了的先進制程技術。

　　如今EUV光刻機產能不足，很大一部分原因是由于光學鏡頭供貨不足。蔡司公司是EUV光刻鏡頭的唯一供應商，且短時間內難以有新的企業在EUV光刻鏡頭領域打破蔡司的技術壟斷，而僅憑蔡司公司一家企業，難以滿足如今龐大的市場需求。由于電子束刻蝕采用電子源發出電子束而并非光源，因此可以有效擺脫光刻機對光學鏡頭的依賴，這也成了電子束備受關注的主要原因之一。

　　同理，在測量測試方面，相較于光學檢測而言，應用電子束技術的測量設備（CD-SEM）及檢測設備（EBI）能夠對芯片進行更精密的檢測。尤其是在先進制程芯片方面，采用電子束檢測能夠大大增加檢測的精準度，保證芯片的良品率，從而有效降低芯片制造的成本。

　　東方晶源董事長兼首席技術官俞宗強向《中國電子報》記者表示，電子束硅片直寫技術在芯片制造領域中，對于生產量少且種類繁多的芯片非常有優勢。主流光刻機制造芯片就像蓋章一樣，需要提前將圖案制成模板（掩膜）然后再用光刻機進行光刻成像，因此利用光刻機制造芯片只能同一批次生產一種芯片，且往往只能大批量生產，成本才能更加劃算，這就導致若該款芯片出現了問題，整個批次生產的芯片都會浪費，增加了制造成本。而電子束是利用點掃描技術來刻制芯片圖案，雖然很慢但是可以在同一個硅片上刻出不同種類的芯片，所以具有靈活性和低成本等優勢，適合制造小批量、多品種的芯片，因此若該批量芯片出現問題，即使銷毀，也不會造成大量的浪費。因此電子束常用于研究所或高校制造研發用的“打樣”芯片，或在企業中用于滿足對芯片需求量少但樣式多的客戶需求。

　　此外，在測量測試方面，電子束對于先進制程芯片的檢測更有優勢。俞宗強介紹，光學檢測的波長一般在200～400nm之間，只能檢測到制程在20nm以上芯片的缺陷，而對于20nm以下的芯片，光學檢測就像“近視眼”，無法清晰地捕捉到缺陷所在。而電子束由于波長短，可以清晰地捕捉到20nm制程以下芯片的缺陷，更精確地找出更小的缺陷。

　　盛世投資管理合伙人、盛世智達總經理陳立志也表示，在先進制程的芯片制造過程中，電子束設備是不可或缺的。“不論是DUV還是EUV，甚至是High-NA EUV光刻機，都會與電子束設備搭配使用，以達到降本增效的目的，這并非是新涌現的需求與路徑，而是長期存在且持續發展的，只不過EUV光刻機所配套的電子束檢測及測量設備的精度要求會更高。”陳立志說。

　　CINNO半導體事業部總經理Elvis Hsu介紹，近年來，新的電子束測量工具可用于10nm及更低節點的缺陷檢測應用，并且正在開發30～50列或以上測量通道的多電子束工具，以滿足大量生產5nm以下芯片的需求。

　　“速度慢”痛點難解決

　　盡管電子束在芯片制造以及芯片測量測試方面都有非常亮眼的技術特點，但是難以實現規模的普及應用，這主要的原因都可以歸結為一個字：慢。

　　莫大康表示，在芯片制造中，電子束的曝光速度太慢，曝光一片硅片需要10分鐘，而EUV曝光速度可達到每分鐘超過2片硅片。因此采用電子束刻蝕的技術目前僅限于實驗室研究，或者制造礦機芯片等小規模出貨量的芯片。

　　在測量測試方面，雖然電子束精準度更高，但是檢測速度很慢，因此現階段只能主要用于吞吐量要求較低的芯片測量測試環節中，如納米級尺度缺陷的復查、部分關鍵區域的表面尺度測量以及部分關鍵區域的抽檢等。半導體測量測試的大部分市場應用，仍被光學占據，而電子束仍舊處于相對邊緣的位置。

　　未來，電子束技術要想在芯片制造與測量測試中得到大規模的應用，“速度慢”的痛點需要解決。

　　俞宗強表示，如今，業界主要從兩個方面來加快電子束的工作速度。一是增加電子束的數量，來提升工作效率。二是提前在電路設計環節進行精準分析，從而增加電子束檢測的精準度，使得電子束在數量不變的情況下，優先檢測真正對芯片良率有直接影響的缺陷，把有限的產能用在刀刃上，以效率換速度。

　　但無論是哪一種方式，都面臨著一些困難。例如，應用材料、阿斯麥等企業都在采用增加電子束數量的方式來提升電子束的工作速度。但是該方式在操作過程中也非常困難，因為隨著電子束的數量增加，各個電子束之間相互產生排斥，最終影響檢測精度，并導致在工作中產生的問題呈指數增長。目前實現電子束數量最高的應用材料公司可以達到51束，但是產品成熟度低，且設備的工作速度依舊和光學設備相差甚遠。

　　“如果能解決速度慢的問題，電子束一定會成為不亞于光學設備的搶手貨，會受到業內人士的更多關注和投入。”俞宗強說。