隨著近年來全球芯片供應(yīng)鏈危機(jī)的擴(kuò)大和國內(nèi)對芯片需求的擴(kuò)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(kuò)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(xiàng)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(dòng)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(dú)立兩種。中芯國際和臺(tái)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(dú)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(shí)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(dú)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(jìn)制造業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中，也提出了提升強(qiáng)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(yùn)制裁后，也艱難實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)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(dá)人張汝京博士也在嘉興參與光罩基板的研發(fā)和制造項(xiàng)目，為這種先進(jìn)材料的國產(chǎn)化貢獻(xiàn)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(jìn)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(xiàng)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(kuò)建，升級(jí)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(zhǔn)備自建光罩廠的晶圓廠也在伺機(jī)而動(dòng)?？梢?，本土市場已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(huì)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(jìn)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(yàn)證和修復(fù)。驗(yàn)證工藝是對于缺陷檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷，模擬真實(shí)光刻的光學(xué)照明條件進(jìn)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(jìn)行去除的工藝。通常流程為驗(yàn)證—修復(fù)—再驗(yàn)證，確保缺陷得到徹底去處。之后會(huì)進(jìn)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(yàn)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(fù)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(jì)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(jī)，而缺陷檢測得到的缺陷數(shù)量非常龐大，但實(shí)際上并非每個(gè)缺陷都會(huì)使光刻產(chǎn)生壞點(diǎn)，因此需要進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法是使用光刻機(jī)的真實(shí)光照條件來模擬光刻機(jī)曝光，通過對空間成像進(jìn)行分析來判斷是否需要修復(fù)。通過驗(yàn)證工藝的挑選，就能夠只對關(guān)鍵缺陷進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)械修復(fù)技術(shù)。
總之，因?yàn)楣庹稚系膱D形會(huì)被重復(fù)縮印到晶圓上，缺陷的存在會(huì)嚴(yán)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(yàn)證后，光罩會(huì)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(kuò)建
如同晶圓廠一樣，光罩廠也需要在無塵室中運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(kuò)產(chǎn)得以順利推進(jìn)。
首先，由于近年來美國制裁的影響和一些獨(dú)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(dú)立光罩廠的強(qiáng)勢崛起背后有著強(qiáng)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(jìn)制程的產(chǎn)線，而具有先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)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(jì)公司也相繼推出了各種不同類型和型號(hào)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(xiàng)，無論是自建還是獨(dú)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(jì)企業(yè)參與的所有芯片種類設(shè)計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī)，通信和消費(fèi)類芯片所需先進(jìn)制程比例很高，光罩?jǐn)?shù)量的需求進(jìn)一步擴(kuò)大。
所以，由于光罩的需求激增，獨(dú)立光罩廠的價(jià)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。基于上述理由，新光罩廠的建立和現(xiàn)有光罩廠的擴(kuò)產(chǎn)成為了本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)，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(xiàng)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(qiáng)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(jìn)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于晶圓廠。盡管激進(jìn)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(lán)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(diǎn)，并積極為擴(kuò)大先進(jìn)制程的需求做進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)。但同時(shí)我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，除了設(shè)備工藝能力的限制外，本土光罩廠對先進(jìn)光罩包括成熟光罩在內(nèi)的認(rèn)識(shí)還是有欠缺的。本土光罩廠應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)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(gè)人才體系的培養(yǎng)和建立也必須建立在循序漸進(jìn)的基礎(chǔ)上，頻繁的人員流動(dòng)帶來的傷害是巨大的，這點(diǎn)必須被清醒地認(rèn)識(shí)到。去年10月7日的美國禁令又一次充分使我們認(rèn)識(shí)到，依靠高薪的外部人員引進(jìn)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(bǔ)齊本土芯片產(chǎn)業(yè)鏈的又一塊版圖。
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