电子束直写应用一文读懂电子束光刻技术与MEMS制造|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一文读懂电子束光刻技术与MEMS制造

MEMS发展的前世今生

微机电系统也称MEMS，是一种结合了机械和电子等技术的微小装置，尺寸不超过1mm。1959年，著名物理学家费曼(Richard Feynman)在加州理工学院的物理年会上发表了题为“There's Plenty of Room at the Bottom（底部还有很大空间）”的著名演讲，首次提出微机械的概念。1987年，加州大学伯克利分校的科学家借鉴集成电路(IC)工艺，制作出了直径仅为100μm左右的硅微静电微电机，与人类头发丝的粗细相当，这被认为是MEMS时代到来的标志。此后，MEMS技术进入飞速发展的时代，各种MEMS产品层出不穷，应用在各种尖端技术领域。

硅微静电微电机

MEMS与我们的生活息息相关

MEMS技术广泛应用于国防航天、光电影像、生化医疗、微波通讯及汽车工业等各个领域。例如汽车上用的微型加速度计、投影仪中用的微镜、打印机中用的微型喷头，极大地方便了人们的生产生活。下图是利用微加工技术制造的微型指叉式加速度计，它是标准的平板电容器。 加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度，在汽车电子中被广泛应用。

指叉式加速度计

下图的数字微镜装置（DMD）由美国德州仪器公司(TI)所开发。DMD技术也称为"数字光线处理技术"。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜，将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米，微镜按矩阵行列排布,每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。

数字微镜

MEMS装置的制造

体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢？MEMS的制造广泛的借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺中技术难度最大，也是最为关键的技术步骤 。所谓光刻就是通过对光束进行控制，在一层薄薄的光刻胶表面“刻蚀”出我们需要的图案，光束照过的位置光刻胶的化学性质会发生变化，通过显影液的浸泡会使照射过的部分去除（正胶）或者保留（负胶），流程示意图如图所示。

曝光

正胶显影

负胶显影

按照光刻机的光源种类划分，目前主流的光刻技术包括X射线光刻、紫外线光刻以及电子束光刻等。光源的波长是影响光刻精度的主要原因，由于光源波长的限制，X射线曝光可达到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而电子的波长较小，因而电子束光刻的加工精度可以达到10nm以内。

电子束光刻以其分辨率高、性能稳定，成本相对较低的特点，因而成为人们最为关注的下一代光刻技术之一，下图是麻省理工学院的科技人员利用电子束曝光技术加工出2.2nm的线宽。

电子束曝光2.2nm线宽

光刻分辨率对比

电子束光刻的原理

电子束光刻的主要原理是利用高速的电子打在光刻胶表面，使光刻胶的化学性质改变 。在电子束光刻中电子的产生方式有两种，一种是热发射，另一种是场发射。热发射是通过对阴极材料高温加热，使电子获得足够的能量从阴极中逸出；场发射是将阴极置于高强度电场中，利用电场对电子的强作用力使电子脱离原子核的束缚。直写式电子束的曝光原理是将聚焦的电子束斑直接打在光刻胶的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂贵的投影光学系统，其加工方式也更为灵活，适合小批量器件的光刻，在实际中应用更为广泛。

电子束光刻的分类

电子束光刻按照曝光方式划分可分为两种，投影式曝光与直写式曝光。 投影式曝光通过控制电子束照射掩模图形，将掩模图形投影至光刻胶表面，把掩模板上的图案转移到光刻胶上，原理类似于照相机，拍摄对象好比掩模板，光刻胶就像是胶卷，通过光线的照射把拍摄对象投影到胶卷上，如图所示。

投影式电子束曝光

直写式光刻不需要掩模版，通过磁场直接控制电子束斑按照预设的轨迹在光刻胶表面照射，完成图案转移，就像是画画，铅笔类似于电子束，纸类似于光刻胶，而我们的手类似于磁场，通过手控制铅笔的移动完成图画的绘制。

直写式电子束曝光

电子束光刻的基石： 光刻胶

电子束光刻是微纳制造领域中非常重要的技术手段。那么，在电子束光刻的具体工艺流程是怎么样的呢？影响光刻效果的主要因素又是什么？下面我们将一一解答。

光刻胶在电子束光刻技术中的地位举足轻重，是电子束光刻工艺中的核心材料，也是我国的一大短板，目前主要依赖进口。根据不同的MEMS装置的工艺需求选择合理的光刻胶种类是十分必要的。目前常用的电子束光刻胶有PMMA，ZEP520A及HSQ等，其主要光刻工艺特性如下表所示。

常用电子束光刻胶基本特性

PMMA光刻胶由于分辨率、对比度较高，且具有良好的热稳定性和化学稳定性，其成本也明显低于其余两种。特别需要指出的是，PMMA胶的极性并不是确定的，在高倍曝光剂量下会表现出负胶的性质。文章以PMMA胶为例，介绍直写式电子束光刻的工艺流程。

基于PMMA的电子束光刻工艺流程

通常，MEMS工艺中的电子束光刻主要流程依次为：基片表面预处理、涂覆光刻胶、前烘、电子束曝光、显影、定影、金属沉积及去胶等工艺环节。整个光刻工艺流程较为复杂，总体光刻示意图如下。

PMMA电子束光刻流程

(1) 基片表面预处理

硅片表面粗糙度、热膨胀系数低，在MEMS光刻中通常采用硅片作为基底。为确保光刻胶涂覆均匀，需要使用化学溶液对表面进行清洗，后用去离子水漂洗并干燥。

(2)旋涂光刻胶

涂胶方法有旋涂法、喷涂法和定量滴胶法。由于PMMA黏度较大，涂覆厚度一般不大于1微米，通常采用旋涂法。将光刻胶滴在硅片中心处，使硅片高速旋转，光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个硅片，如下图所示。

光刻胶旋涂示意

(3)前烘

前烘可使光刻胶中的溶剂挥发，使其与硅片之间的结合力更强。前烘过度则会导致胶膜硬化，胶膜硬化不利于其内应力的消除，前烘不足溶剂挥发不完全，胶膜出现缺陷，显影时存在浮胶现象。

光刻胶烘烤

(4)曝光

曝光是电子束光刻工序中最复杂的一步，曝光的图形尺寸精度直接影响零件的尺寸精度。曝光剂量对曝光效果的影响最大，若曝光剂量不足，显影时会出现光刻胶残留在硅片表面，显影图案不完整、形状不规则。

(a)曝光不足 (b)正常曝光

若曝光剂量增大到一定程度，被曝光区域的 PMMA 光刻胶将呈现出负胶性质，显影后无法被去除。下图是笔者在实验室利用电子束直写技术光刻的笛卡尔心脏线，输入心脏线参数方程，并设置较大的曝光剂量，使得PMMA显示出负胶性质，显影后得到心脏线图形。

电子束光刻笛卡尔心脏线

(5)显影

显影液可溶解光刻胶被曝光的部分(正胶)或未被曝光的部分(负胶)，是产生图形的关键工艺。显影工艺的关键是显影液类型的确定和显影时间的控制，此外，显影液的配比、温度也会对图形质量产生明显影响。

(6)坚膜

坚膜又称硬烘，目的是通过烘烤使光刻胶胶模中残留的显影液和定影液挥发出来，同时提高光刻胶与基片之间的结合力，烘烤的温度时间视光刻胶的种类及旋涂后的胶膜厚度而定，如果坚膜不到位可能会出现胶膜倒塌的情况，如下图所示。

胶模倒塌

(7)金属沉积及去胶

通过在光刻胶图案上回填器件设计所需的材料，例如沉积金属或非金属材料，去除多余的光刻胶后，就可以得到所需的器件，其原理类似于机械加工中的注塑。目前主要的金属沉积方式为微电铸、磁控溅射、蒸发镀膜等方法，但在微纳米尺寸的电铸中，由于电铸液表面张力的存在使其难以进入胶模。因此，目前主要采用磁控溅射及热蒸发的方法。PMMA 胶易溶于丙酮，选用丙酮作为去胶剂溶解光刻胶，光刻胶溶解后薄膜悬空，可使用超声波清洗机将悬空的金属薄膜去除，这样硅片上就只保留了我们需要的金属MEMS器件。

金属沉积及去胶的过程

总结

电子束光刻是迄今为止分辨率最高的光刻技术，由于直写式的方法不需要昂贵且费时的掩模版，加工灵活，已经引起广泛的重视，随着产业界对MEMS技术要求的不断提高，电子束光刻已逐渐成为MEMS工艺的新支柱。

来源： 中国科学院北京分院

芯碁微装：国内直写光刻设备龙头，高速增长仍需技术突破

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一、主营业务评分：70

1、业务分析： 公司主营业务是PCB直接成像设备，主要功能是将电路图刻写在相应载体（电路板或硅片）上，精度相对传统的曝光技术要高很多，但是相对半导体的光刻机精度要低很多，因此下游主要应用在印制电路板和泛半导体领域（光伏、液晶面板），产品售单价约为257万元，单价高故而对大客户的依赖程度较高；

2、行业竞争格局： 目前行业以海外供应商为主，国内供应商较少，公司技术处于国内领先状态，但是相对海外竞争对手则处于技术劣势，算是比上不足比下有余，目标客户群就是对精度要求没那么高、海外供应商无法覆盖（或无精力服务）的客户，未来随着技术的持续提升，有望占据更多的市场份额；

3、行业发展前景： 考虑到公司下游主要是PCB、液晶面板、光伏设备制造等领域，基本都是与精密制造有关，与行业投资力度和宏观经济密切关联，这几个行业目前在国内仍然处于快速成长趋势，大行业增长趋势看好；

4、公司未来发展前景： 公司未来业绩的增长逻辑主要包括行业的成长、国产化趋势，凭借领先的技术优势和本土优势，有望获得稳定的增长，如果技术上有重大突破或大客户的采购，公司业绩增长有望加速；

·简介： 成立日期：2015年；办公所在地：安徽合肥

·业务占比： ；PCB系列86.31%、泛半导体7.2%、其他6.49%；

·产品及用途： ；PCB直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统，主要作用是将电路图“印刻”在硅片上，相对传统曝光技术精度要高很多，但是相对于半导体非直写光刻机（有掩膜版）精度要要低很多，可以理解为介于传统制造和高端制造之间的中高端技术路线；

·上下游： ；上游采购运动平台（步进系统）及组件、图形生成模块、光路组件、曝光光源、自动控制组件等，下游应用至PCB、泛半导体（液晶面板、光伏）行业；

·主要客户： 胜宏科技14.98%、崇达电路、江西红板、重庆方正高密电子、江西志博信，前五名客户占比45.99%；

·行业地位： 国内直写光刻设备龙头

·竞争对手： 以色列Orbotech、日本ORC、ADTEC、SCREEN以及江苏影速、天津芯硕、中山新诺、大族激光 等；

·行业核心要素： 1、设备性能指标；2、技术研发实力；3、客户忠诚度；

·行业发展趋势： 1、设备国产化；2、下游需求为PCB、5G通信等行业，国内需求快速发展；

· 其他重要事项：2020年一季度营收0.8-0.9亿元，同比增长267%-313%；净利润0.12-0.14亿元，同比增长430%-519%；

二、公司治理评分：55

1、大股东持股及股权质押、高管激励： 公司大股东并非科班出身，因参与了合肥芯硕破产重组，与现有技术团队接洽，之后团队出来另起炉灶，也因此与芯硕有专利纠纷（法院不支持芯硕诉求）；员工股权激励比例约为12%，较为充分；

2、企业家精神、信息披露： 大股东为资本方，缺乏企业家精神，公司招股书说明书信息披露程度较差；

3、员工构成： 员工以技术和生产人员为主，人均创收154万，净利润35.3万，在高端制造业属于中等水平；

4、机构持股： 十大股东包含多个产业资本，获得主流资金的一定关注；

·大股东： 持股比例为30.45%；

·管理层年龄：41-54 岁，高管及员工持股：通过亚歌等平台持股11.93%

·员工总数： 201：技术67，生产66，销售31；本科学历以上：122；硕士以上32；

·人均产出： 2020年人均营收：154万元；人均净利润：35.33万元；

·融资分红： 2020年上市，累计融资（1次）：4.6亿；

三、财务分析评分：70

1、资产负债表（重点科目）： 公司IPO后账面现金充分，应收账款和存货占营收比例较高，可见公司在供应链的地位并不高，固定资产金额较小，有产业资本的支持，有息负债仅有0.14万元，IPO后预计负债率约为22%，整体资产结构只能勉强算健康；

2、利润表（重点科目）： 2020年营收逆势增长，与这两年PCB行业景气度较高有密切关系；费用控制良好，未来几年公司营收的增长与PCB行业密切关联，考虑到5G基站投资建设高峰期接近尾声，公司必须得在其他领域取得突破，否则面临业绩下滑的风险；

3、重点财务指标分析： 公司净资产收益率较低、波动大，与公司成立时间较短有关系；2020年毛利率有明显下滑，考虑到产品单价在上涨，应是上游原材料价格上涨所致；近三年净利润率保持稳定；

·资产负债表：2020年：货币资金0.82，交易性金融资产0.23，应收账款2.1，存货1.75 ；固定资产0.6；短期借款0.14，应付账款0.92，合同负债0.14，其他流动负债0.21；股本1.21（IPO后），未分利润0.98，净资产4.1，总资产6.23，负债率34.37%；

·利润表：2020年：营业收入3.1（+53.31%），营业成本1.75，销售费用0.18（+30.2%），管理费用0.17（+9.09%），研发费用0.34（+18.89%）；净利润0.71（+49.16%）

·核心指标：2017-2020年净资产收益率（%）：-16.8、28.1、9.5、12.6；毛利率（%）：37.05、58.78、51.22、43.41；净利润率（%）：-30.8、19.87、23.54、22.91；

四、成长性及估值分析评分：65

1、成长性： 未来行业增长可期、国产化趋势仍在，但是与PCB行业关联度较高，增长仍有一定的不确定性；

2、估值水平： 考虑到公司业务中短期无法向半导体光刻机渗透，应用领域也集中在PCB行业，空间相对较窄，难以承载较高的估值水平；

·预测假设：营收增长：30%、35%、35%；净利润率：23%、23%、23%

·营收预测：2021E：4；2022E：5.4；2023E：7.3；

·净利预测：2021E：0.9；2022E：1.3；2023E：1.7；（假设数据即达到条件时对应的市值，须根据实际数据进行调整）

·市盈率：35-45倍

·未来合理估值：三年后合理估值：60-80亿；当前合理估值：30-35亿（基于30%/年收益预期）；价格区间：26-29元/股（未除权、除息）；

五、投资逻辑及风险提示

1、核心竞争力： 技术国内领先&客户数量多且多为知名机构&相对外企的本土服务优势；

2、投资逻辑： 行业稳定增长&技术国内领先&国产化趋势；

3、风险提示： 应用领域较窄，无法切入到半导体领域&技术与海外竞争对手差距较大；

·核心竞争力：

1、技术与创新优势： 与大族激光、江苏影速、天津芯硕、中山新诺等国内同行业厂商相比较，发行人大部分产品在核心技术指标方面具有比较优势，具有较强的市场地位；与以色列Orbotech、日本ORC、日本ADTEC等国际厂商相比较，公司产品在部分核心技术指标上还存在一定的差距，但是在国内处于领先状态。

2、市场和客户资源优势： 公司市场占有率不断提升，积累了大量全球PCB优质下游客户，包括台资企业如宏华胜（鸿海精密之合营公司）、健鼎科技、相互股份、柏承科技、峻新电脑、台湾软电、迅嘉电子等；港资企业如红板公司、诚亿电子等；内资企业如深南电路、景旺电子、普诺威及大连崇达（崇达技术下属公司）、胜宏科技、罗奇泰克、富仕电子、矽迈微、博敏电子、珠海元盛（中京电子下属公司）、广合科技、科翔电子、嘉捷通、华麟电路（得润电子下属公司）等。在IC掩膜版制版及IC前道制造领域，公司直写光刻设备的客户主要为中国科学院半导体研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国电子科技集团公司第十一研究所、中国科学技术大学、华中科技大学、广东工业大学等高校及科研院所。

3、快速服务优势： 下游厂商对设备的调试、维保等服务要求较高。公司拥有专业技术服务团队，相比德国Heidelberg、以色列Orbotech、日本ORC等国外竞争厂商，公司凭借本土服务优势，能够为国内客户提供更为迅速、及时的技术支持与服务，从而形成了一定的竞争优势。

·风险提示：

1、泛半导体直写光刻设备市场拓展及技术发展的风险

掩膜光刻和直写光刻均为泛半导体领域的光刻技术，与掩膜光刻相比较，目前直写光刻在IC前道制造领域存在光刻精度及产能效率较低、在FPD制造领域存在产能效率较低等问题，总体而言，直写光刻在泛半导体领域的应用领域相对较窄，业务体量较小，是掩膜光刻的补充。

2、与同行业国际厂商相比，公司产品技术水平和业务规模还存在较大差距的风险

在技术水平方面，公司PCB直接成像设备部分核心技术指标与以色列Orbotech、日本ORC、日本ADTEC等国际厂商还存在差距；公司泛半导体直写光刻设备核心技术指标与全球领先企业瑞典Mycronic等国际厂商还存在较大差距，公司在市场竞争中面临一定的技术水平风险。

六、公司总评（总分：66.5）

公司是国内直写光刻设备技术龙头，下游主要应用在PCB的生产制造环节，近几年因为下游投资需求旺盛，公司营收和净利润都实现了快速增长。未来公司的主要增长逻辑依然是来自PCB行业的增长和国产化趋势，但是终端需求5G基站投资高峰期逼近尾声，国产化趋势又面临较大的技术障碍，短期也无法向半导体领域渗透，公司未来业务的增长仍有一定的不确定性。

评级标准：AAA≥85、AA：77-84、A：70-76；BBB：60-69，BB：55-59，B：50-54；CCC及以下≤49

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