半导体材料(7)-掩膜版-韭研公社

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半导体材料(7)-掩膜版

踏浪修行王地瓜

中线波段的老韭菜

2023-03-29 13:47:22

掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版，是平板显示、半导体、触控、电路板等行业生产制造过程中重要的关键材料。其作用是将设计的电路图形通过曝光的方式转移到下游行业的基板或晶圆上，从而实现批量化生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终产品的质量。

应用及分类

掩膜版的功能类似于传统相机的“底片”，在光刻机、光刻胶的配合下，将光掩膜上已设计好的图案，通过曝光和显影等工序转移到衬底的光刻胶上，进行图像复制，从而实现批量生产。

图1. 掩膜版工作原理

资料来源：清溢光电招股说明书

掩膜版中最重要的原材料是掩膜基板，掩膜基板作为掩膜版图形的载体，对掩膜版产品的精度和品质起到重要作用。基板衬底必须具备良好的光学透光特性、尺寸及化学稳定性、表面平整，无夹砂、气泡等微小缺陷。由于石英玻璃的化学性能稳定、光学透过率高、热膨胀系数低，近年来已成为制备掩膜版的主流原材料，被广泛应用于超大规模集成电路掩膜版制作。掩膜板的掩蔽层一般为铬（Cr，Chromium），在基材上面溅射一层铬，铬层的厚度一般为 800~1000 埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层。

根据基板材料的不同，掩膜版可以分为石英掩膜版、苏打掩膜版和其他掩膜版（干版、凸版和菲林等）:

石英掩膜版以高纯石英玻璃为基材，具有高透过率、高平坦度、低膨胀系数等优点，通常应用于高精度掩膜版产品，用于平板显示制造和半导体制造等领域。

苏打掩膜版以以苏打玻璃为基材，相比石英玻璃具有更高的膨胀系数、更低的平坦度，通常应用于中低精度掩膜版产品。

菲林是以感光聚酯 PET 为基材，应用于低精度掩膜版产品。凸版是以紫外固化聚氨酯类树脂为基材，主要用于液晶显示器（LCD）制造过程中定向材料移印。干版是以卤化银等感光乳剂为基材，应用于低精度掩膜版产品。上述三者主要用于液晶显示制造和电路板制造等领域。

根据下游应用行业的不同，掩膜版可分为平板显示掩膜版、半导体掩膜版、触控掩膜版和电路板掩膜版：

平板显示中，掩膜版可用于薄膜晶体管液晶显示TFT-LCD、AMOLED、精细金属掩膜版FMM等领域；在半导体中，掩膜版用于IC、LED、MEMS等器件的制备；在触控领域用于触控面板的制备；在电路板领域用于PCB、FPC等。

掩膜版的制作

图2. 掩膜版的生产流程

资料来源：路维光电招股说明书

根据路维光电招股说明书，掩膜版的工艺流程主要包括 CAM 图档处理、光阻涂布、激光光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、宏观检查、自动光学检查、精度测量、缺陷处理、贴光学膜等环节。

1、 CAM（图档处理）：通过电脑软件处理，将产品图档转化成为光刻机能够正常识别的格式；同时对产品原始图形/图档进行一定程度的设计、排布、特殊补正等，对产品图形及后续工序起到一定程度的补偿、优化等作用。

2、光阻涂布：在已经沉积了铬膜的基板上，涂布一定厚度和均匀性的光阻，通过烘烤的方式使光阻固化，使得基板能够在特定波长的光束下发生光化学反应，后续通过显影、蚀刻等化学制程得到与设计图形一致的铬膜图形。

3、激光光刻：将设计图形的数据转换成激光直写系统控制数据，由计算机控制高精度激光束扫描，利用一定波长的激光，对涂有光阻的掩膜基板按照设计的图档进行激光直写，从而把设计图形直接转移到掩膜上。

4、显影：利用化学药液（显影液）与光阻的相互作用，将曝光部分的光阻去除，未曝光部分与显影液不反应而得以保留，从而得到与设计图形一致的光阻图形。

5、蚀刻：经过显影工序后，利用化学药液（蚀刻液）与铬膜的化学反应将未被光阻保护的铬膜去除，有光阻保护的铬膜不与蚀刻液反应而得以保留。

6、脱膜: 经过蚀刻工序后，利用化学药液与光阻的化学反应，将掩膜版上残留的部分光阻全部去除，最终得到与设计图形一致的铬膜图形。

7、清洗: 利用化学药液与纯水对掩膜版进行清洗，得到表面具有一定清洁度规格的掩膜版产品。

8、宏观检查：利用不同光源、光强的灯源，对掩膜版表面进行宏观检查，以确定掩膜版表面是否存在缺陷(Defect)、条纹(Mura)、颗粒(Particle)等不良。

9、自动光学检查(AOI 检查)：利用一定波长、光强的光源获取被测产品的图形，通过传感器（摄像机）获得检测图形的照明图像并数字化，然后通过相应的逻辑及软件算法进行比较、分析和判断，以检查产品表面缺陷(Defect)，如线条断线(Open)、线条短接(Short)、白凸(Intrusion)、图形缺失等。

10、精度测量与校准：利用高精度测量设备，对掩膜版图形的线/间(CD, Critical Dimension)精度及均匀性、总长(TP, Total Pitch)精度、位置(Registration)精度等进行测量，以确认产品精度指标是否在要求规格内；同时利用测量设备的测量结果和相关算法，对掩膜版、设备平台进行校正和补偿，满足产品要求。

11、缺陷处理：针对断线、白凸及图形缺失等缺陷，采用激光诱导化学气相沉积（LCVD），在掩膜基板上沉积形成薄膜进行修复；针对铬残、短路等缺陷，采用一定能量激光进行切除。

12、贴光学膜：采用聚酯材料制成的光学膜（Pellicle），将其贴附在掩膜版的表面，起到保护掩膜版表面不受灰尘、脏污、颗粒等污染的作用。

市场规模

从应用领域划分，光掩膜在半导体、显示面板、触摸屏、电路板等生产均有使用，其中半导体和显示面板是最主要的两个应用领域，占比分别为60%和28%。

在平板显示领域，根据 Omdia 的数据，掩膜版市场规模在1000亿日元左右，折合人民币 50-60 亿元，其中高世代线掩膜版比重在10%左右，主要对应电视屏幕的需求。

图3. 不同世代掩膜版销售额（单位：百万日元）

资料来源：Omdia，兴业证券

在半导体掩膜版领域，根据SEMI的数据，2018年全球半导体掩膜版市场规模约40亿美元，2022年市场规模有望达到49亿美元，2019-2022年复合增速6%左右。

图4. 全球半导体掩膜版市场规模（单位：百万美元）

资料来源：SEMI，兴业证券

半导体芯片掩膜版的主要参与者为晶圆厂自行配套的掩膜版工厂（ captive suppliers）和独立第三方掩膜版生产商。由于用于芯片制造的掩膜版涉及各家晶圆制造厂的技术机密，因此晶圆制造厂先进制程（45nm 以下）所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂生产，但对于45nm以上等比较成熟的制程所用的标准化程度更高的掩膜版，晶圆厂出于成本的考虑，更倾向于向独立第三方掩膜版厂商进行采购。根据 SEMI 的统计数据，2019年在半导体芯片掩膜版市场，晶圆厂自行配套的掩膜版工厂占据 65%的份额；独立第三方掩膜版市场约占35%，市场规模约为120亿元。

竞争格局

目前，面板掩膜版主要由美日韩厂商占主导。美国的福尼克斯、日本的SKE和HOYA、韩国的 LG-IT，合计占全球平板显示掩膜版销售额的70%左右，竞争格局较为集中。国内掩模版代表企业包括清溢光电（688138.SH）和路维光电（688401.SH）。根据公司公告显示，2021年，清溢光电平板显示掩膜版实现销售收入3.71亿元，同比增长9.38%；路维光电平板显示掩膜版收入3.55亿元，同比增长28.7%。

在半导体掩膜版方面，晶圆厂自制的主要是45 nm以下的先进制程所需掩膜版，涉及到各家晶圆厂的技术机密，比如台积电、三星等。45 nm以上的成熟制程所用掩膜版标准化程度高，是第三方掩膜版厂商的主要市场，数量上来说，130 nm以上制程所用掩膜版占比54%左右， 28-90 nm的占比在 33%。目前第三方掩膜版市场，主要被日本凸版、美国福尼克斯、日本 DNP、中国台湾的光罩、日本的 Hoya 占据。2021年，清溢光电半导体掩膜版实现销售收入0.88亿元，同比增长39.42%；路维光电平板显示掩膜版收入0.96亿元，同比增长11.1%。

图5. 全球光掩膜版市场格局

资料来源：台湾光罩，兴业证券

行业发展及国产化

面板掩膜版朝着高精度和大尺寸两个方向演进。一方面，显示的精细度要求越来越高。根据 Omdia 的预测，未来显示屏的显示精度将从 450PPI 逐步提高到 850PPI 以上，每英寸像素数的不断提高，也会带来对平板显示掩膜版的曝光分辨率、缺陷尺寸、均匀度等参数要求的提升。另一方面，随着屏幕尺寸的变大，特别是电视领域，55 英寸以上电视出货比例持续提升，掩膜版尺寸也相应大型化，对掩膜版的制造提出了更高的挑战。

随着半导体制程节点的升级，掩膜版的图形尺寸、精度和工艺要求也不断提升。半导体产品制程节点由 130nm、100nm、90nm、65nm 等逐步发展到45nm、28nm、14nm、7nm等，对应掩膜版主流制程在100-400nm之间，工艺上对CD精度、TP 精度、套合精度控制、缺陷管控等环节提出了更高的要求。

目前，掩膜版的国产化仍存在以下难点：

1. 掩膜版核心生产设备和关键原材料仍依赖进口。光刻是掩膜版生产过程中的重要步骤，决定了掩膜版的精密度，其所需要的主要生产设备光刻机需要向境外供应商采购，且供应商集中度较高，主要为瑞典的 Mycronic、德国的海德堡仪器两家公司。基板是掩膜版所使用的主要原材料，其成本占材料成本的90%、总成本的近50%，目前国内清溢光电、路维光电所使用的石英基板及高端的苏打基板仍依赖于进口，主要进口地为日本、韩国等。国外有实力的掩膜版企业，开始往上游产业链拓展，比如HOYA、LG-IT等。

2. 半导体掩膜版领域与国外厂商仍存在较大差距。目前国产平板显示掩膜版的精度水平能够达到国际主流水平，以路维光电为例，其TFT-LCD和AMOLED掩膜版的CD精度和TP精度分别达到80 nm及300 nm。在半导体掩膜版方面，CD精度和TP精度分别为50nm和200nm，尚未达到国际主流水平。国产半导体掩膜版仍有较大的改进空间。

表1. 路维光电平板显示掩膜版、半导体掩膜版精度及对比