2024年电子束技术产业化调研报告

Research report on the industrialization of Electron-beam technologyFor Micro-Nano Manufacturing 深圳市微纳制造产业促进会 2024年12月 口调研背景 当制造精度进入10nm以下级别时，电子束技术因其分辨率优势，在检测和加工应用上逐渐扩大规模。电子束技术的研发及典型产品电子显微镜、电子束光刻机领域，基本上由美日欧企业垒断，我国正在追赶。近年国内涌现了一批电子束技术研发和应用企业，产业生态正在形成和发展 口调研目的 梳理技术产业化脉络，推广技术和应用，促进知识传播和交流， 口目标范围电子束在微纳制造领域的技术和应用，及相关企业。按电子加速电压从低到高，电子束在显微成像、微光刻、镀膜 焊接、增材制造、医疗加速器、核能等领域都有深入应用。作为“微纳制造”行业组织，我们更关注微米纳米级的技术和应用，因此低能量（束流在nA级）、高分辨率（束斑直径为nm级）的电子束技未是本报告的研究对象，对应的应用主要为电子显微镜（SEM、TEM）和电子束光刻设备。 口关注的问题电子束技术在微纳制造领域的研发和应用趋势 电子显微镜、电子束光刻设备全球发展格局国内电子束技术产业化发展现状技术商业化的难点、行业需求 01电子束技术总览 02核心器件与产业链03产业发展格局04国内产业化现状05技术产业化建议 目录 光束》电子束一一开启原子制造时代的钥匙 ◆检测领域的显微镜 一般股地，固定波长的光学显微镜分辨极限（Abbe’sdiffractionlimit），是光线波长的半，可见光波长400~760nm之间，所以光学显微镜的分辨极限就是200nm（0.2μm）股高端透射电子显微镜的分辨率可达0.2nm。 光刻应用 >根据RayleighCriterion，光刻机的分辨率与光源波长成正比。光刻机历经五代，波长从436nm缩小约30倍，达到13.5nm（极紫外光），对应节点从μm级升级到最先进的3nm电子本身是一种带电粒子，根据波粒二象性也可以得到电子的波长：动能为100eV的自由电子的物质波波长是0.12nm。电子束(e-beam）噪光是利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成噪光图形的。目前，电子束光刻的最高分辨率达到o.5nm。 显微镜打开了通往未知世界的大门，而电子显微镜和电子束光刻，是观测和制造进入纳米级原子制造时代的钥匙。 电子束技术基本原理及应用 电子束（ElectronBeam）是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压加速电场作用下被加速至很高的速度，经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。 电子束技术广泛用于科研、材料、加工和医学治疗，典型应用产品有显像管、示波器、电子显微镜、电子束光刻、电子束蒸发镀膜、电子束焊接、同步加速器辐射等等。 ·电子束共性技术主要包括电子束的产生技术，如热电子发射、场致发射等：电子束聚焦技术，利用电磁透镜使电子束汇聚成细束：电子束的偏转技术，借助电场或磁场改变电子束方尚：电子束的加速技术，给予电子足够的动能：还有电子束的束流控制技术，精确调控束流的强度、稳定性等。 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的： 1、只使材料局部加热就可进行电子束热处理 2、使材料局部熔化就可以进行电子束焊接 3、提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工 4、利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻。 图：电子束的工业应用。电子束辐照用于许多行业，包括汽车、纺织、电线电缆、医疗等，用于改善材料特性、增加功能、固化涂层和材料灭菌。 电子束的微纳级应用月—电子显微镜 ·电子束成像 电子束照射到样品表面，电子就会与样品的一部分发生相互作用，发生弹性散射和非弹性散射，从而产生大量信号，这些可用于成像用于成像和半定量分析的典型信号包括：俄歇电子、二次电子、背散射电子、X射线、阴极荧光等。 扫描电子显微镜（SEM）使用一组特定的线圈以光栅样式扫描样品并收集散射的电子。 透射电子显微镜（TEM）使用透射电子，收集透过样品的电子。 电子束的微纳级应用一一电子束光刻））） 电子束光刻（Electron-beamlithography，EBL）又称电子束曝光，是一种通过扫描聚焦电子束在覆盖有电子敏感膜（称为光刻胶）的表面上绘制自定义形状的技术（曝光）。电子束会改变光刻胶的溶解度，通过将光刻胶浸入溶剂中（显影），可以选择性地去除光刻胶的曝光或非曝光区域。与光刻一样，其自的是在光刻胶中创建非常小的结构，然后可以通过蚀刻将其转移到基底材料上。 电子束光刻系统具有多种应用，是获得纳米级图案的重要工具。电子束光刻技术广泛应用于新材料（如超材料、表面工程）、前沿物理（如域。近年来，随着技术市场的发展，电子束光刻技术也开始应用于三维结构光学器件的制造、光子芯片的制造、高功率芯片的制造以及传统掩膜版的制作。 扫描电镜VS.电子束光刻 从SEM到EBL EBL技术是从SEM发展而来的，典型的EBL系统与SEM非常相似。因此，可以选择合适的扫描电镜（SEM），并将其与电子束束闸（beamblanker）、纳米图形发生器（nanometerpatterngenerator）、嵌入式精密工件台（embeddedprecisionstage）和EBL控制软件组装成EBL系统。如下图所示。 SEM和EBL之间的主要区别在于，在EBL中，光束根据来自图案生成器的指令扫描到样品上，而在SEM中，光束在样品上进行光栅扫描以收集二次电子形成图像。 Source:Electron-Beam Lithography Training -Yale University, https://nano.yale.edu/electron-beam-lithography-training 电子束检测设备VS.电子显微镜 电子束缺陷检查设备EBI（E-BeamInspection）是专门用于快速分析半导体晶圆缺陷的专用设备。EBl设备源自于SEM，电子束检测设备EBI与扫描电子显微镜SEM在半导体检测领域各有侧重，但又相互关联、相互补充。 几十年来电子显微镜技术的发展，从关注降低成像分辨率转尚关注提高生产力和获取更高质量、更可重复的数据，特别是对于半导体应用。 01电子束技术总览 02核心器件与产业链 目录 03产业发展格局04国内产业化现状05技术产业化建议 微纳电子束系统结构（电子显微镜、电子束光刻设备） 电源系统，由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成。高压电源的稳定性是实现稳定电子束，实现SEM和EBL高分辨率的最重要因素之 电子光学系统：由电子枪、电磁透镜、静电透镜、偏转线圈等基本元件组成的系统以操纵光束电流、直径和发散度，最终景影响设备的分辨率。 电子信号探测与成像系统（电镜）：电镜需要各种信号收集和处理系统，用于区分和采集二次电子和背散射电子，并将SE、BSE产额信号进行放大和调制，转变为直观的图像。 高精度平台控制系统：控制被检测/加工样品（基片）的高精度移动。它由用于支撑和移动样品/基片的XYZ工作台、激光干涉仪系统（电子束光刻专用）、容纳工作台的样品室和样品更换室组成 图形发生器（电子束光刻）是电子束光刻设备的核心部件。扫描电子显微镜配备图形发生器可搭建成为实验室级电子束噪光设备，进行微纳器件制备工作。 真空系统：电镜和电子束光刻对真空度要求非常高，这是因为在真空环境下，可以有效地避免电子束与气体分子发生碰撞，从而保持电子束的稳定性和样品的表面清晰度。典型的SEM工作室真空要求在10^-4至10^-8怕范围内，这通常由机械泵和离子泵等真空系统来实现 电子束设备对比 对比扫描电镜、电子束光刻，以及非微纳级的电子束增材制造设备的主要参数，可以了解不同应用场景对电子束系统核心器件的要求。工业设备对比实验室仪器在速度、准确性和自动化方面的要求，对核心器件和系统要求更高。这也是电子束技术商 业化的重点难题。 核心器件一电子枪 电子枪（electrongun）是发射、形成和会聚电子束的装置。电子枪的分类方式包括电场的产生方式（直流或射频）、电子发射的机制（热发射、光阴极、场致发射、等离子体源）、聚焦方式（纯静电或使用磁场）、以及电极的数量。电子枪最早用于阴极射线管（CRT）。 电子枪由发生电子的发射极（阴极）、聚焦电子束的聚焦极、和加速电子的引出极（阳极）三部分组成：电子枪的核心技术和制造难点在于电子源（阴极）和腔体结构设计和加工。 电子枪的两个重要参数是产生的电流大小和电流的稳定性。一般情况下，电子枪发射电子时，束流密度越大，束流能散度越小，发射亮度越大，则电子枪本征亮度越大，扫描电镜的分辨力也就越强。场发射扫描电镜的分辨率、亮度等性能指标通常要优于热发射扫描电镜，但使用条件往往更为严苛、价格更为昂贵。 电子束光刻自前主要采用热场发射源，因为对比冷场发射源，其漂移稳定性更好。 电子源技术趋势 》冷场发射 2022年12月应用材料公司宣布“冷场发射”（CFE）技术的商业化，可将纳米级图像分辨率提高50%，成像速度提高10倍CFEeBeam技术使芯片制造商能够加速次世代闸极全环（Gate-All-Around，GAA）逻辑芯片，以及更高密度DRAM和3DNAND闪存的开发和制造。 新技术研发一一CNT、SED 目正在研究多种方法，包括将电场集中在特殊形状的阴极尖端的Spindt方法、使用碳纳米管的CNT方法以及SED方法。SED是“表面传导电子发射器件显示器”的缩写。当向具有纳米级微小狭缝的薄膜电极（阴极）施加电压时，该方法利用隧道效应从电极发射电子。 >新兴电子束源一一半导体光电阴极 由名古屋大学创立的初创公司PhotoelectronSoulInc.是全球唯一一家成功开发半导体光电阴极电子束系统的公司 据介绍，在半导体检测工具中采用该电子束系统可以实现以下优势： 1）与现有的电子束系统相比，吞吐量提高10倍或更多； 2）透过选择性照射电子束，实现对晶体管的非接触测试：3）透过即时控制束剂量，检测30倍或更高长 宽比的深孔底部隐藏的微粒。 电子源供应商 国外厂商 钨热阴极：多晶钨阴极，价格低廉，应用范围广，使用量巨大。主要厂家有美国APT、KimballPhysics，德国STAIB，及日本大和电子等。LaB6/CeB6阴极：美国APTech、Kimball和FEl；日本Denka肖特基阴极：美国FEI：日本Denka、日立高新：英国YPS 国内厂商 国内各类电镜所使用的阴极，从低端的热钨丝阴极、到中高端的六硼化镧或六硼化阴极，再到高端的热场发射阴极和冷场发射阴极均处于大量进口的状态。电镜阴极不能自主的现状，已经成为制约我国高端电子显微镜制造和应用的主要瓶颈 2023年3月，国家重点研发计划“热场发射电子源”项目启动，该项目由中国科学院空天信息创新研究院牵头，中国科学院电工研究所和北京中科科仪股份有限公司共同承担 2024年7月，苏州博众仪器科技有限公司宣布成功研发出国际领先水平的热场发射电子源。该产品针尖曲率半径可精准控制在400~900nm之间，角电流密度达200~500uA/Sr，在200kV高压下，其亮度可达6.5×10^8~1.5×10^9A/(cmSr)在1700~1850K的温度环境下稳定工作。 其他厂家：大束科技 一高压电源核心器件 SEM是利用高压电源加速电子束来观察微观世界的技术，若加速电压及偏压不稳定，则电子入射至标本的深度也会不稳定，造成成像不清晰。因此，高压电源的稳定性是SEM实现高分辨率的最重要因素之一 性的高压直流电源主要厂商有：美国AdvancedEnergy、Spellman；日本松定精密等 中国在精密测量仪器领域的高稳定性高压直流电源的起步较晚，导致该领域的研发水平仍处于初级阶段。 威思曼高压