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近日，应用材料公司推出了一款新的电子束测量设备，用于EUV和High-NA EUV光刻技术对芯片的高精度检测，可有效降低光刻工艺的成本。不仅仅是应用材料公司，如今很多设备厂商都在密切关注电子束技术在芯片制造以及测量测试方面的应用，甚至连光学镜头领域的巨头蔡司以及光刻机领域的巨头阿斯麦，都接连推出电子束相关产品。长期以来，电子束技术尽管拥有诸多优势，但是在半导体制造与测量测试领域依旧处于边缘状态，仿佛是一个“还没有穿上水晶鞋的灰姑娘”，永远都被光学设备“压上一头”。
电子束有望替代EUV？
在芯片制造方面，电子束硅片直写（EBL）一度被认为有望成为能在先进制程领域替代EUV光刻机技术，甚至还能动摇光学镜头在芯片制造领域的“卡脖子”地位。
知名业内专家莫大康介绍，电子束波长较短，使其分辨能力远远超过光学镜头。据了解，EUV光刻机的波长为13.5nm，而100KeV电子束的波长只有0.004nm，波长短使其在分辨率方面与EUV相比有绝对的优势，也使得电子束能够实现EUV光刻机都实现不了的先进制程技术。
如今EUV光刻机产能不足，很大一部分原因是由于光学镜头供货不足。蔡司公司是EUV光刻镜头的唯一供应商，且短时间内难以有新的企业在EUV光刻镜头领域打破蔡司的技术垄断，而仅凭蔡司公司一家企业，难以满足如今庞大的市场需求。由于电子束刻蚀采用电子源发出电子束而并非光源，因此可以有效摆脱光刻机对光学镜头的依赖，这也成了电子束备受关注的主要原因之一。
同理，在测量测试方面，相较于光学检测而言，应用电子束技术的测量设备（CD-SEM）及检测设备（EBI）能够对芯片进行更精密的检测。尤其是在先进制程芯片方面，采用电子束检测能够大大增加检测的精准度，保证芯片的良品率，从而有效降低芯片制造的成本。
东方晶源董事长兼首席技术官俞宗强向《中国电子报》记者表示，电子束硅片直写技术在芯片制造领域中，对于生产量少且种类繁多的芯片非常有优势。主流光刻机制造芯片就像盖章一样，需要提前将图案制成模板（掩膜）然后再用光刻机进行光刻成像，因此利用光刻机制造芯片只能同一批次生产一种芯片，且往往只能大批量生产，成本才能更加划算，这就导致若该款芯片出现了问题，整个批次生产的芯片都会浪费，增加了制造成本。而电子束是利用点扫描技术来刻制芯片图案，虽然很慢但是可以在同一个硅片上刻出不同种类的芯片，所以具有灵活性和低成本等优势，适合制造小批量、多品种的芯片，因此若该批量芯片出现问题，即使销毁，也不会造成大量的浪费。因此电子束常用于研究所或高校制造研发用的“打样”芯片，或在企业中用于满足对芯片需求量少但样式多的客户需求。
此外，在测量测试方面，电子束对于先进制程芯片的检测更有优势。俞宗强介绍，光学检测的波长一般在200～400nm之间，只能检测到制程在20nm以上芯片的缺陷，而对于20nm以下的芯片，光学检测就像“近视眼”，无法清晰地捕捉到缺陷所在。而电子束由于波长短，可以清晰地捕捉到20nm制程以下芯片的缺陷，更精确地找出更小的缺陷。
盛世投资管理合伙人、盛世智达总经理陈立志也表示，在先进制程的芯片制造过程中，电子束设备是不可或缺的。“不论是DUV还是EUV，甚至是High-NA EUV光刻机，都会与电子束设备搭配使用，以达到降本增效的目的，这并非是新涌现的需求与路径，而是长期存在且持续发展的，只不过EUV光刻机所配套的电子束检测及测量设备的精度要求会更高。”陈立志说。
CINNO半导体事业部总经理Elvis Hsu介绍，近年来，新的电子束测量工具可用于10nm及更低节点的缺陷检测应用，并且正在开发30～50列或以上测量通道的多电子束工具，以满足大量生产5nm以下芯片的需求。
“速度慢”痛点难解决
尽管电子束在芯片制造以及芯片测量测试方面都有非常亮眼的技术特点，但是难以实现规模的普及应用，这主要的原因都可以归结为一个字：慢。
莫大康表示，在芯片制造中，电子束的曝光速度太慢，曝光一片硅片需要10分钟，而EUV曝光速度可达到每分钟超过2片硅片。因此采用电子束刻蚀的技术目前仅限于实验室研究，或者制造矿机芯片等小规模出货量的芯片。
在测量测试方面，虽然电子束精准度更高，但是检测速度很慢，因此现阶段只能主要用于吞吐量要求较低的芯片测量测试环节中，如纳米级尺度缺陷的复查、部分关键区域的表面尺度测量以及部分关键区域的抽检等。半导体测量测试的大部分市场应用，仍被光学占据，而电子束仍旧处于相对边缘的位置。
未来，电子束技术要想在芯片制造与测量测试中得到大规模的应用，“速度慢”的痛点需要解决。
俞宗强表示，如今，业界主要从两个方面来加快电子束的工作速度。一是增加电子束的数量，来提升工作效率。二是提前在电路设计环节进行精准分析，从而增加电子束检测的精准度，使得电子束在数量不变的情况下，优先检测真正对芯片良率有直接影响的缺陷，把有限的产能用在刀刃上，以效率换速度。
但无论是哪一种方式，都面临着一些困难。例如，应用材料、阿斯麦等企业都在采用增加电子束数量的方式来提升电子束的工作速度。但是该方式在操作过程中也非常困难，因为随着电子束的数量增加，各个电子束之间相互产生排斥，最终影响检测精度，并导致在工作中产生的问题呈指数增长。目前实现电子束数量最高的应用材料公司可以达到51束，但是产品成熟度低，且设备的工作速度依旧和光学设备相差甚远。
“如果能解决速度慢的问题，电子束一定会成为不亚于光学设备的抢手货，会受到业内人士的更多关注和投入。”俞宗强说。
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