文章分享 | 电子束光刻技术介绍与展望（三）

中国在EBL设备的研制方面虽有早期技术探索，但其发展路径呈现出阶段性特征。自20世纪70年代至21世纪初，国内对EOS的研发热潮逐渐消退，EBL技术的自主研发也随之陷入较长时期的停滞。直至近十年来，伴随着国家对半导体及尖端制造领域的战略重视，EBL设备的研发工作才得以逐步重启，呈现出机遇与挑战并存的复杂局面。

近年来，中国在电子显微镜领域的技术自主化进程显著加速，涌现出一大批具备自主研发能力的企业。其中的代表性企业包括北京中科科仪股份有限公司、国仪量子（合肥）技术公司、苏州博众仪器科技有限公司等。这些企业在电镜设备的研发过程中，已掌握了电子光学类设备的部分核心技术。具体而言，其在EOS，如高精密度的电子光学镜筒、电磁透镜以及高性能的场发射电子枪等关键部件的设计与制造上已形成技术储备。凭借在关键零部件领域掌握的自主知识产权与实现的技术积累，并依托于国内供应链体系的构建，我国EBL设备的自主研发获得了强有力的支撑。

因技术难度大，国内当前从事EBL组件及整机系统研究的机构远少于SEM开发公司，多家单位正在内部攻关相关技术，未公开宣传。其中，中国科学院电工研究所在该领域有一定的技术积累，深圳国际量子研究院已取得显著进展。此外，中国电子科技集团公司第四十八研究所、北京金竟科技有限公司以及深圳市鲲腾易必目科技有限责任公司等单位也相继开展产业化，部分产品性能已逐步接近国际同类设备的水平。北京金竟科技有限责任公司推出的Pharos 310作为商业化的代表性产品，可实现小于15nm关键特征尺寸的曝光，已有多家应用。综合而言，国内在EBL技术领域的一系列积累，正为中国于高端精密制造设备领域实现技术追赶与产业链自主可控创造宝贵的发展机遇。

尽管如此，实现EBL设备全面自主可控仍面临若干技术瓶颈。当前制约发展的关键环节主要集中在三大方面：其一，高性能电子源技术，特别是高亮度、高稳定性的高压热场发射电子枪的自主研发与制造；其二，高精度电子光学镜筒的设计、加工与装配；其三，先进曝光控制技术，包括高速、高精度的图形发生器与束偏转系统。突破这些关键子系统的技术壁垒并实现高水平的整机系统集成，是当前国内EBL技术走向成熟和产业化的核心挑战。

综上所述，中国EBL设备的发展正处在一个关键的转型期，其核心矛盾在于前沿科研的重大突破与商业化产品的性能滞后。一方面，需要缩小与国际顶尖水平的差距；另一方面，协同国内扫描电镜产业的发展也为EBL所需的高压电子枪、电子光学柱等核心零部件的自主化基础，加速积累我国在EOS设计等底层技术基础，推动从“技术攻关”转向“工程与产业化攻关”；此外也要避免重复建设、低水平恶性竞争。未来的关键在于如何将顶尖科研成果转化为性能稳定、高效可靠的商业化产品，缩小研发原型机与市场化设备之间的差异，并最终实现核心零部件的全面自主可控。

EBL技术随着半导体技术节点向更小尺寸演进、以及新兴应用领域对图形复杂度和加工效率提出日益严苛的要求，在性能与应用范围上正面临一系列深刻的挑战。这些挑战不仅暴露了现有技术的瓶颈，也为EBL设备的未来发展指明了方向。

EBL技术根本性瓶颈在于其加工精度与加工效率之间的内在矛盾。传统的高斯束系统采用逐点串行扫描的曝光模式，曝光时间和生产效率远无法满足大规模制造的要求。

为缩短曝光时间，最直接的方法是提高电子束流强度。这同时也会增强电子间的库仑相互作用，导致束斑尺寸展宽、能量弥散，从而直接损害系统的极限加工能力与图形加工精度。反之，若要追求纳米乃至亚纳米级的极致图形精度，则必须采用低束流以抑制上述效应，其负面效应则是曝光时间显著延长。因此，在不牺牲图形加工精度的前提下，突破生产效率的瓶颈是EBL设备持续演进的核心驱动力与研究方向。

在EBL技术中，以实现亚10nm的加工精度与大面积、高通量曝光的需求之间存在着根本性的矛盾为例，本小节将对其加工精度与大规模曝光间的现存问题进行论述。

束流强度与极限加工精度的权衡：提升写入速率需增大束流强度，同时也会加剧电子间库仑相互作用，导致电子束斑尺寸扩大，进而影响设备加工极限；

扫描场扩展与离轴像差：为实现大面积曝光而扩大扫描场时，电子束在偏离中心轴的边缘区域易受场曲和像散等离轴像差影响，造成电子束聚焦变差，降低了图形加工边缘区域的加工精度^[36]；

硬件极限挑战^[37]：更高束流与更快扫描速度对EOS系统（如偏转器响应速度、散热设计）提出严苛要求。

为抑制高速、大视场扫描所引入的动态离轴像差（如离焦与像散），现有的EBL系统虽已集成高速动态聚焦与像散校正^[36]，但这仅在一定程度上缓解了图形失真问题。当前，EBL技术发展的核心挑战依然是：如何在保证亚10nm图形精度的前提下，从根本上突破大规模生产的效率瓶颈。为应对这一挑战，近年来的研究主要从以下技术路径展开：

MB型EBL技术^[37]：如集成CMOS-MEMS数字图形发生器，实现百万级电子束并行控制，面向先进节点掩模版写入场景，吞吐量可达100wph（片/时）；

新型抗蚀剂与工艺创新^[38]：基因工程重组蜘蛛丝蛋白作为抗蚀剂，实现亚15 nm的三维结构直写，兼具高机械强度与生物兼容性；

“抗蚀剂纳米剪纸”策略^[39]通过轮廓曝光与选择性机械剥离，将曝光面积减少5个数量级，显著抑制邻近效应，实现跨尺度结构高效加工；

量子级操控技术^[40]：Zyvex Labs基于扫描隧道显微镜STM开发EBL系统（ZyvexLitho1），利用氢去钝化光刻实现0.768 nm线宽，为原子级制造提供了技术依据。

因此，EBL技术的极限加工能力与大规模曝光间的矛盾本质是电子光学物理极限与工程优化的博弈。未来有望通过MB型EBL技术、智能曝光策略（如机器学习驱动的剂量调制）、量子级束流控制及新型抗蚀剂材料的协同创新和跨学科技术融合来平衡此矛盾。

EBL设备集成电子光学、超高真空、纳米级精密运动、高压电源、图形学及智能控制等多学科技术。在国内产业链中，上游关键部件（如电子源、激光干涉仪、分子泵等）的自主化水平尚待提升。因此，EBL国产化的核心攻关方向在于：突破关键部件技术瓶颈，通过材料工艺创新与精密制造优化，提升核心部件寿命与可靠性，降低系统故障率。

同时，国产EBL设备的专业化特性导致工艺调试高度依赖人工经验。例如，电子束聚焦校准、像散补偿、邻近效应修正等关键参数需操作员反复调试，增加了使用门槛与时间成本。这种自动化与智能化的缺失，进一步阻碍了EBL在量产场景的规模化应用。未来技术演进需深度融合机器学习算法与实时传感反馈，提高系统的自动化以及智能化程度。

EBL设备的产业化进程面临高额的研发与制造成本制约，其核心矛盾如下：

EBL设备的少数核心部件仍依赖进口，国产化进程缓慢。进口部件不仅价格高昂，其复杂的技术维护还需境外支持，包含工件台维护、专业软件升级、灯丝更换、真空泵维护等，这些技术服务均受制进口设备后期维护的被动性及经济压力。

为突破这一瓶颈，国内政策正在助推技术攻坚与产业升级。在国家级战略层面，工信部将高端仪器仪表核心技术纳入2025年重点攻关方向。地方政府同步强化激励措施，例如北京市^[41]为首台（套）重大技术装备提供最高30%合同金额补贴，并通过政府承担保险费、融资租赁费率补贴等政策降低采购门槛。

中国EBL设备的发展战略已明确聚焦于构建自主可控的整机技术体系。在国家政策引导与产业协同的推动下，实现该战略目标的关键路径在于：通过系统性地提升核心部件国产化率，来建立具有自主知识产权的整机制造核心技术。

金竟科技·产品介绍

金竟科技 Pharos 310电子束曝光机

Pharos 310电子束曝光机产品由金竟科技自主研发，其功能配置、核心技术指标均比肩国际一流水平，填补了国内商业化电子束曝光机整机设备的空白。产品已经进入小批量生产阶段，并且已经在多个用户处交付使用，为量子科技、集成电路等前沿科技领域提供关键技术支撑，实现用自主的科学仪器来解决重大基础研究问题的目标。

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