什么是光掩膜版？光掩膜版的應(yīng)用

目前國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)，半導(dǎo)體公司對(duì)于掩膜版的需求也不斷增加；同時(shí)半導(dǎo)體材料處于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，這也將對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著重要的作用....

如今，光刻技術(shù)是制造芯片所必需的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而光刻技術(shù)中的光掩膜版則是非常重要的一環(huán)。

開宗明義，定義先行。首先，我們要知道什么是光掩膜版？

想必大家都有所了解，***對(duì)芯片制造的重要性，而光掩膜版又稱光罩，光掩膜等；

光掩膜版是由制造商通過光刻制版工藝將電路圖刻制于基板上制作而成，主要作用體現(xiàn)為利用已設(shè)計(jì)好的圖案，通過透光與非透光方式進(jìn)行電路圖形復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)芯片的批量生產(chǎn)。

其中，光掩膜版中包含集成電路的圖案，隨著晶體管變得越來越小，光掩膜的制造變得越來越復(fù)雜，以便將圖案精確地轉(zhuǎn)移到硅晶片上。

此外，光掩膜版應(yīng)用也十分廣泛，在涉及光刻工藝的領(lǐng)域都需要使用光掩膜版，主要用于集成電路（IC）、平板顯示器（FPD）、印刷電路板（PCB）等領(lǐng)域；

圖片來自：Google

伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體需求持續(xù)擴(kuò)張，全球光掩膜版規(guī)模表現(xiàn)也開始逐漸增長(zhǎng)：

根據(jù)SEMI對(duì)全球掩膜版相關(guān)行業(yè)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，在2023年至2028年期間，全球掩膜版行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將以年均復(fù)合增速約16%的速度增長(zhǎng)；預(yù)計(jì)到2028年，全球掩膜版行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約623億元。

對(duì)此，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，光掩膜生產(chǎn)應(yīng)商可以分為：晶圓廠/IDM廠自行配套的工廠和獨(dú)立第三方光掩膜廠商兩大類，包括英特爾、三星、臺(tái)積電、中芯國(guó)際等均有自制掩膜版業(yè)務(wù)。

其中，各廠商市場(chǎng)規(guī)模占比中，晶圓廠/IDM廠占比穩(wěn)步提升，2008年占比僅為 39%，2018 年已達(dá)到64%，2019年達(dá)到 65%，獨(dú)立第三方掩膜廠商占比35%。

全球來看，掩膜版廠商主要集中在日本和美國(guó)，包括日本Toppan（凸版印刷）、日本DNP（大日本印刷）、美國(guó)Photronics（福尼克斯）、日本HOYA（豪雅）、韓國(guó) LG-IT（LGInnotek，LG集團(tuán)子公司）等廠商。

全球光掩膜市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖

視線回到國(guó)內(nèi)，目前中國(guó)掩膜版或因以下問題與國(guó)外掩膜版大廠仍有較大差距：

1、技術(shù)瓶頸：相較于國(guó)際領(lǐng)先水平，中國(guó)光掩膜版的制造技術(shù)還存在較大差距，無法滿足高精度、高可靠性的應(yīng)用需求。

2、設(shè)備更新：相較于國(guó)際領(lǐng)先水平相比，中國(guó)光掩膜版生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代速度較慢，也制約了其技術(shù)水平的提高。

3、知識(shí)產(chǎn)權(quán)：中國(guó)光掩膜版板在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面存在問題，一些技術(shù)和產(chǎn)品被盜用或侵權(quán)，會(huì)直接影響企業(yè)的利益和創(chuàng)新積極性。

某種意義上來說，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和政府加大對(duì)產(chǎn)業(yè)支持力度，中國(guó)光掩膜版產(chǎn)業(yè)也在逐步提高技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

那么，從技術(shù)層面上而言，光掩膜版又是如何組成的呢？

就工藝流程而言，光掩膜版主要由：基版和遮光膜兩個(gè)部分組成；其中，基版又分為樹脂基版和玻璃基版，玻璃基版的主流產(chǎn)品為石英基版和蘇打基版。

石英掩膜基版使用石英玻璃作為基基版材料，是因?yàn)椋?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)透過率高，熱膨脹率低，相比蘇打玻璃更為平整和耐磨，使用壽命長(zhǎng)，主要用于高精度掩膜基版。

其上游原材料掩膜基版是制作微細(xì)光掩膜圖形的感光空白板，而廠商只需根據(jù)客戶所需要的圖形，用***在掩膜基版上光刻出相應(yīng)的圖形，將不需要的金屬層和膠層洗去，將微米級(jí)和納米級(jí)的精細(xì)圖案刻制于掩膜基版上，從中得到掩膜版成品。

圖片來自：TOPPAN官網(wǎng)

正如上文提到的一樣：相較于將AI運(yùn)用于日常的生活、生產(chǎn)與工作中，英偉達(dá)也終于將AI的智能化概念“反作用”于芯片制造的關(guān)鍵步驟。

除此之外，芯片在制程中，光刻的原理類似于拍照，將掩膜版上的設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再經(jīng)過刻蝕，把圖形刻到襯底上，從而實(shí)現(xiàn)圖形到硅片的轉(zhuǎn)移。

當(dāng)然，我們知道***所用光源也有過幾次大的迭代，到現(xiàn)在談?wù)撟疃嗟木褪荄UV和EUV。

尤其，EUV極紫外光刻是波長(zhǎng)顯著變小的一代光源了。

不過，即便是昂貴的EUV，其波長(zhǎng)與器件間距之間的差異，也將變得比過去更小。

圖片來自：NVIDIA

上圖所表達(dá)的是：英偉達(dá)呈現(xiàn)了上世紀(jì)90年代，光掩膜和光刻成像原本的所見即所得，到后續(xù)“dog ears”、基于模型的OPC（光學(xué)臨近效應(yīng)修正），以及RBAF（基于規(guī)則的輔助特征）加上OPC。

其次，圖片中的ILT（Inverse Lithography Technology，反演光刻技術(shù)）和前面的OPC都屬于計(jì)算光刻的組成部分。

因?yàn)?，?jì)算光刻通常包括光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）、光源-掩膜協(xié)同優(yōu)化技術(shù)（SMO）、多重圖形技術(shù)（MPT）、反演光刻技術(shù)（ILT）等四大技術(shù)；

由此可以看出，當(dāng)芯片的關(guān)鍵尺寸小于光源波長(zhǎng)的時(shí)候，所需要的掩膜版越來越復(fù)雜。因此這幾十年來，芯片在制造過程中制作掩膜一直是半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

尤其是芯片逐漸來到3nm及以下，不僅需要更加精準(zhǔn)的光刻計(jì)算，反而光刻計(jì)算所需的時(shí)間也越來越長(zhǎng)。

細(xì)究我們可以發(fā)現(xiàn)，英偉達(dá)從3月21日開始就已經(jīng)改變了游戲規(guī)則：

正因?yàn)?，英偉達(dá)在GPU之上構(gòu)建了cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)軟件庫(kù)，這也是英偉達(dá)四年秘密研發(fā)的成果。

再者，cuLitho已被EDA工具廠商新思采用，cuLitho已集成到新思科技Proteus全芯片掩膜合成解決方案和Proteus ILT逆光刻技術(shù)。

一般情況下，晶圓廠在改變工藝時(shí)需要修改OPC，因此也會(huì)遇到瓶頸。

特別是，cuLitho不僅可以幫助突破這些瓶頸，還可以提供曲線式光掩膜、High-NA EUV光刻、亞原子光刻膠等新技術(shù)節(jié)點(diǎn)所需的新型解決方案和創(chuàng)新技術(shù)。

圖片來自：NVIDIA

正如英偉達(dá)所言：使用cuLitho的晶圓廠每天的光掩膜產(chǎn)量可增加3-5倍，而耗電量可以比當(dāng)前配置降低9倍。

目前，基于GPU的cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)，其性能比當(dāng)前光刻技術(shù)工藝提高了40倍。

對(duì)此，原本需要兩周時(shí)間才能完成的光掩膜現(xiàn)在只需在一夜之間即可完成。

寫在文章最后：

或許，隨著計(jì)算光刻效率的提升，行業(yè)對(duì)掩膜版處理效率將數(shù)十倍的提高，也利好掩膜版企業(yè)發(fā)展。在光刻過程中，掩膜版是設(shè)計(jì)圖形的載體，其性能的好壞對(duì)光刻有著重要影響。

審核編輯：劉清