隨著近年來全球芯片供應(yīng)鏈危機的擴大和國內(nèi)對芯片需求的擴大,，國內(nèi)興建了多座8寸和12寸晶圓廠，例如青島芯恩,，格科微,，聞泰科技等等，傳統(tǒng)晶圓代工龍頭也不斷擴產(chǎn),，例如中芯臨港,，中芯紹興以及無錫華宏七廠等。

　　相比晶圓廠這樣的大項目,，同為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵一環(huán)的光罩廠的動向就不那么轟轟烈烈了,。

　　光罩廠(mask shop)顧名思義，就是生產(chǎn)光罩的地方,。和晶圓廠(wafer fab)相比,，光罩廠的規(guī)模和產(chǎn)能都要小很多，但是作為光刻工藝中不可缺少的材料,，光罩的成本也占到光刻成本的將近一半,，其地位自然是相當(dāng)重要的！光罩在FPD,，集成電路的前后道光刻中都是必須的材料,。

　　本文只針對集成電路前道工藝中的光罩生產(chǎn)作簡單介紹。

　　本土光罩廠的興起

　　光罩廠分為自建和獨立兩種,。中芯國際和臺積電的光罩廠就屬于自建,，而凸版和大日本印刷(DNP)這樣的就是獨立光罩廠。2020年以前,，國內(nèi)有能力生產(chǎn)相對高端前道光掩模的光罩廠除了中芯國際,，就只有凸版和廈門的PDMC(美日豐創(chuàng))這樣的外資或合資企業(yè)了。

　　盡管在封測領(lǐng)域清溢光電已經(jīng)可以實現(xiàn)大量而穩(wěn)定的出貨,，在FPD領(lǐng)域路維光電的國產(chǎn)G11光罩產(chǎn)線也已經(jīng)建立,，但是在集成電路前道領(lǐng)域高端國產(chǎn)光罩廠則是長期處于缺位的狀態(tài),，直到近些年才有所改觀。

　　但是2020年以后,，隨著泉益光電和青島芯恩作為新的獨立和自建光罩廠的代表成長起來,，并向各自的客戶出貨之后，國內(nèi)的新光罩廠也如同雨后春筍開始大量建設(shè)投產(chǎn)了,。在《上海市先進制造業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中,，也提出了提升強化高端掩模板(光罩)的本土配套能力的要求。中芯國際在經(jīng)歷了美國多輪禁運制裁后,，也艱難實現(xiàn)了先進制程所需的高端光罩的工藝研發(fā)并投入量產(chǎn),。除此之外，建廠達人張汝京博士也在嘉興參與光罩基板的研發(fā)和制造項目,，為這種先進材料的國產(chǎn)化貢獻力量,，這便是后話了。

　　晶圓制造的原材料是硅片,，而光罩制造的材料是光罩基板,，目前全球范圍內(nèi)，先進的前道光罩基板供應(yīng)商僅有日本豪雅和信越以及韓國的S&ST,，相比12寸大硅片,，光罩基板的技術(shù)要求更高，壟斷程度也更高,。所以張汝京博士參與的光罩基板項目的意義之重大,，便可想而知。

　　目前,，隨著需求的增長,，中微光掩模，華潤微旗下的迪斯光掩模以及中芯自建的光罩廠都在積極擴建,，升級產(chǎn)能和工藝,。此外還有新玩家加入了光罩廠的行列，一些準備自建光罩廠的晶圓廠也在伺機而動,?？梢姡就潦袌鲆呀?jīng)認識到了光罩廠的重要性,。

　　光罩的工藝

　　光罩的制作基本流程大致如下圖所示,，對應(yīng)晶圓制造的工藝，激光直寫(laser writer)相當(dāng)于曝光工藝,，在光罩表面生成電路版圖,，高端光罩會應(yīng)用到電子束直寫(electron beam writer)。隨后通過顯影和蝕刻將圖形轉(zhuǎn)移并固定到光罩上,，并通過量測設(shè)備確定圖形的位置精度(registration)和特征尺寸(critical dimension),，之后進行缺陷檢測,，前道工藝到這里就完成了。

　　光罩設(shè)備的供應(yīng)商相比于晶圓廠壟斷程度更高,，市場更小更單一,。激光直寫的主要供應(yīng)商為美國應(yīng)用材料和瑞典邁康尼(Mycronics)，電子束直寫設(shè)備則主要是日本的日本電子(JEOL)和NuFlare,。位置精度量測的供應(yīng)商是美國的KLA和德國的蔡司,，關(guān)鍵尺寸的測量設(shè)備則是日本的Holon和Advantest。缺陷檢測設(shè)備的來源更多樣,，美國的KLA,，日本的NuFlare和Lasertec都能提供成熟的解決方案。

　　光罩制作的后道工藝主要是驗證和修復(fù),。驗證工藝是對于缺陷檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷,，模擬真實光刻的光學(xué)照明條件進行空間成像檢測，而修復(fù)則是使用化學(xué)或物理方法對缺陷進行去除的工藝,。通常流程為驗證—修復(fù)—再驗證,，確保缺陷得到徹底去處。之后會進行清洗,，封膜(pellicle mount)，然后出貨到晶圓廠,。

　　后道供應(yīng)商的壟斷程度較前端更高,，例如驗證的設(shè)備供應(yīng)商僅有德國蔡司，修復(fù)設(shè)備則有日本的精工/日立和V Technology,，高端電子束修復(fù)僅有德國蔡司,。清洗設(shè)備由德國SUSS占據(jù)主要市場份額。

　　晶圓制造中的正膠和負膠工藝在光罩制造中也是相互對應(yīng)的,，并且顯影和蝕刻工藝也可以同晶圓制造相對應(yīng),。曝光工藝中，光罩的制作采用的是maskless無掩模曝光,，直接從設(shè)計版圖中讀取圖形使用激光或電子束來生成圖形,。CD SEM和光學(xué)CD測量一類的設(shè)備在光罩廠中也有應(yīng)用，所以前道工藝可以類比晶圓制造,，并不難理解,。并且，光罩的圖形也是二維的,，不需要構(gòu)建Source和Drain,，所以相比晶圓制造的工藝流程，就顯得沒有那么復(fù)雜,。

　　光罩制作的后道工藝就很不一樣了,。由于光罩的用戶是光刻機,，而缺陷檢測得到的缺陷數(shù)量非常龐大，但實際上并非每個缺陷都會使光刻產(chǎn)生壞點,，因此需要進行驗證,。驗證的方法是使用光刻機的真實光照條件來模擬光刻機曝光，通過對空間成像進行分析來判斷是否需要修復(fù),。通過驗證工藝的挑選,，就能夠只對關(guān)鍵缺陷進行修復(fù)，大大減少縮短光罩加工以及出貨的周期,。隨光罩所對應(yīng)的光刻工藝的節(jié)點不同,，從早期的激光修復(fù)，到后期的聚焦離子束(FIB)修復(fù),，如今最尖端的節(jié)點引入了電子束修復(fù)工具,。

　　此外，針對某些特殊的軟缺陷,，也有使用原子力顯微鏡(AFM)的微機械修復(fù)技術(shù),。

　　總之，因為光罩上的圖形會被重復(fù)縮印到晶圓上,，缺陷的存在會嚴重影響良率,，特別是single die上的缺陷更是致命，所以零缺陷的光罩對光刻工藝至關(guān)重要,。完成修復(fù)和驗證后,，光罩會被清洗去除殘余顆粒和化學(xué)沾污，封膜后出貨到晶圓廠的光刻產(chǎn)線,。

　　為何光罩廠要擴建

　　如同晶圓廠一樣,，光罩廠也需要在無塵室中運營，遵守半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)品控制和質(zhì)量管理原則,。單片光罩的生產(chǎn)周期也遠遠大于晶圓,，設(shè)備本身也耗資巨大，因此常年以來,，光罩生產(chǎn)的設(shè)備和材料也好,，還是光罩廠本身也好，都是固定的玩家隊伍,，鮮有新鮮血液的流入,。但隨著近些年的國際環(huán)境和行業(yè)情況發(fā)生了變化，使得大量新光罩廠的興建和舊光罩廠的擴產(chǎn)得以順利推進,。

　　首先,，由于近年來美國制裁的影響和一些獨立光罩廠的出貨周期大幅延長甚至受限，使得晶圓廠開始考慮自主可控并且安全的供應(yīng)鏈,。對于原本被第三方外資把持的本土光罩制造行業(yè)來說,，本土獨立光罩廠的強勢崛起背后有著強大的需求保障,。不僅是出貨量的需求，大陸地區(qū)的凸版和PDMC的光罩生產(chǎn)能力,，不足以滿足本土先進制程的產(chǎn)線,，而具有先進制程節(jié)點光罩生產(chǎn)能力的新本土光罩廠在產(chǎn)品競爭力上也給出了滿意的答復(fù)！

　　其次,，隨著國內(nèi)的芯片產(chǎn)能增量巨大,，芯片設(shè)計公司也相繼推出了各種不同類型和型號的芯片，使得所需的光罩種類和數(shù)量激增,，自主可控的本土光罩廠也成為一種確保交期的可選項,，無論是自建還是獨立光罩廠都能在這巨大的市場中分到一杯羹。如下表所示,，在2022年,，國內(nèi)芯片設(shè)計企業(yè)參與的所有芯片種類設(shè)計的銷售額都有很大增長，現(xiàn)有市場的光罩產(chǎn)能明顯已經(jīng)無法滿足需求,。同時計算機,，通信和消費類芯片所需先進制程比例很高，光罩數(shù)量的需求進一步擴大,。

　　所以,，由于光罩的需求激增，獨立光罩廠的價格不僅上漲10～25%,，甚至連交期也延長到原來的4～7倍,，這對于晶圓廠來說自然是難以接受的?；谏鲜隼碛桑鹿庹謴S的建立和現(xiàn)有光罩廠的擴產(chǎn)成為了本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急,。同時,，不僅僅是光罩產(chǎn)能，光罩基板的需求也是關(guān)鍵,。就像做菜,，有了灶頭，也不能沒有下鍋的菜,，也就不難理解國產(chǎn)光罩基板項目的重要性了,。

　　當(dāng)下，無論是晶圓廠還是光罩廠的建設(shè)都如火如荼,，背后不僅僅是來自美國制裁的影響,，更是基于本土市場強烈的需求增長。相比晶圓廠,，光罩廠的材料和設(shè)備的國產(chǎn)化進度也遠遠落后于晶圓廠,。盡管激進地追求全盤國產(chǎn)化并不可取,，但是這背后的需求也是本土材料和設(shè)備供應(yīng)商的藍海，前景廣闊,。

　　目前,，本土光罩廠所生產(chǎn)的光罩已經(jīng)覆蓋了28nm以上的成熟制程節(jié)點，并積極為擴大先進制程的需求做進一步擴產(chǎn),。但同時我們也應(yīng)該清醒地認識到,，除了設(shè)備工藝能力的限制外，本土光罩廠對先進光罩包括成熟光罩在內(nèi)的認識還是有欠缺的,。本土光罩廠應(yīng)當(dāng)加強與設(shè)備以及材料供應(yīng)商的合作,，加深對工藝的理解，合作開發(fā)更適合自身的定制化設(shè)備和軟件功能,，全方位提升光罩的性能指標(biāo)和良率,。

　　隨著這些年國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，無論是晶圓廠或是光罩廠都出現(xiàn)了巨大的人才缺口,，因此整個人才體系的培養(yǎng)和建立也必須建立在循序漸進的基礎(chǔ)上,，頻繁的人員流動帶來的傷害是巨大的，這點必須被清醒地認識到,。去年10月7日的美國禁令又一次充分使我們認識到,，依靠高薪的外部人員引進并不能長久，只有土生土長的人才和技術(shù)才能落地生根,，枝繁葉茂,。

　　總之，本土光罩廠的大建序幕已經(jīng)拉開,，這也必將補齊本土芯片產(chǎn)業(yè)鏈的又一塊版圖,。

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