別只盯光刻機(jī)，光罩更關(guān)鍵

文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

當(dāng)一顆指甲蓋大小的芯片里塞進(jìn)百億個(gè)晶體管時(shí)，很少有人會(huì)追問(wèn)：這些比細(xì)菌還小的電路

圖案，最初是怎么"畫(huà)"出來(lái)的？答案藏在一塊看似普通的石英玻璃背后——光罩，這個(gè)被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為"半導(dǎo)體母版"的關(guān)鍵器件，正以納米級(jí)的精度定義著芯片的極限性能。

光罩三百年進(jìn)化史

如果回溯光罩的前世今生，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的進(jìn)化史就是一部微觀(guān)制造的精度競(jìng)賽史。18世紀(jì)末，法國(guó)人約瑟夫·尼塞福爾·涅普斯用瀝青涂層的錫版制作了世界上第一塊"光罩"，通過(guò)日光曝光將窗外景色印在金屬板上——這種原始的成像邏輯，與今天半導(dǎo)體光罩驚人地相似。只是當(dāng)年的"像素"是毫米級(jí)的色塊，而今已縮小到0.5納米，相當(dāng)于把地球按比例縮小到乒乓球大小的精度控制。

1990 年代末，隨著半導(dǎo)體進(jìn)入深亞微米時(shí)代，光罩技術(shù)迎來(lái)最劇烈的變革期。KrF（248nm）光刻技術(shù)要求光罩線(xiàn)寬達(dá)到 180nm，這意味著需要檢測(cè)直徑僅 50nm 的缺陷 —— 相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小的區(qū)域內(nèi)找出一顆塵埃。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，光罩制造引入了原子層沉積（ALD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉻層厚度控制在 ±0.1nm 范圍內(nèi)；同時(shí)開(kāi)發(fā)了激光修復(fù)系統(tǒng)，通過(guò)聚焦離子束（FIB）精確移除缺陷，修復(fù)精度達(dá) 10nm 級(jí)。

現(xiàn)代光罩的核心結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單：在高純度石英玻璃上，用鉻層蝕刻出電路圖案。但在實(shí)際制造中，這塊"玻璃片"需要經(jīng)過(guò)30多道工序的雕琢。日本信越化學(xué)生產(chǎn)的光罩基板，每平方厘米的平整度誤差不能超過(guò)0.3納米。

2024年三星推出的3nm GAA工藝中，光罩技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次關(guān)鍵突破：采用"自對(duì)準(zhǔn)多重曝光"（SAQP）技術(shù)的光罩組，通過(guò)四次疊加曝光，在物理分辨率有限的情況下，"畫(huà)"出了間距僅7nm的鰭片場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。這就像用4張不同角度的底片，在同一張相紙上疊加出立體影像，只不過(guò)這里的"相紙"是單晶硅，"影像"是能導(dǎo)電的納米結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉要道”

光刻工藝堪稱(chēng)半導(dǎo)體器件制造工藝的核心步驟之一，光刻成本約占整個(gè)硅片制造工藝的 1/3，耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)硅片工藝的 40%-60% ，而光罩在其中扮演著無(wú)可替代的 “投影模版” 角色。其工作流程極為精密復(fù)雜，首先由特定光源發(fā)出光線(xiàn)，如 248nm 的 KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光常用于 90nm 至 0.25μm 制程節(jié)點(diǎn)，193nm 的 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光則支撐著從 65nm 到目前先進(jìn)的 3nm 制程 。光線(xiàn)透過(guò)光罩的透明區(qū)域，這里的透明區(qū)域與遮光區(qū)域由鉻層等材料精準(zhǔn)界定，進(jìn)而將光罩上精心設(shè)計(jì)的電路圖案投影到涂有光刻膠的晶圓表面，這一關(guān)鍵步驟即為曝光。

在曝光過(guò)程中，光刻膠會(huì)因吸收光子能量而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于正性光刻膠，曝光區(qū)域的光刻膠在顯影液中溶解度大增；負(fù)性光刻膠則相反，未曝光區(qū)域在顯影液中溶解。經(jīng)顯影處理后，晶圓表面便形成與光罩一致的圖案。此后，利用刻蝕工藝，如等離子體刻蝕，通過(guò)高能離子束對(duì)晶圓進(jìn)行轟擊，將顯影后的光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上的特定材料層，去除不需要的材料部分，留下所需的電路結(jié)構(gòu)。

值得一提的是，光罩上的圖案一般是電路設(shè)計(jì)圖的 4 倍大小，這種放大設(shè)計(jì)便于在光罩制作階段對(duì)圖案進(jìn)行更精準(zhǔn)的加工與修正。通過(guò)光刻機(jī)先進(jìn)的投影系統(tǒng)，如采用多組高精度透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，將光罩圖案縮小到 1/4 后投影到晶圓上 。這種縮小操作基于光學(xué)成像原理，不僅提高了分辨率，理論上分辨率與曝光波長(zhǎng)成正比，與投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑成反比，縮小圖案相當(dāng)于變相縮短了曝光波長(zhǎng)，還降低了制造誤差。因?yàn)樵诳s小過(guò)程中，圖案邊緣的微小偏差被大幅縮小，使得最終在晶圓上形成的電路圖案更為精準(zhǔn)。

可以形象地說(shuō)，光罩就如同投影儀的“幻燈片”，借助光的投射，把圖案清晰地映射到 “屏幕”—— 晶圓之上。但與普通幻燈片不同，光罩制作需歷經(jīng) 30 多道工序，從高純度石英玻璃基板的選擇，像日本信越化學(xué)生產(chǎn)的光罩基板，每平方厘米的平整度誤差不能超過(guò) 0.3 納米 ，到鉻層等遮光層的精準(zhǔn)蝕刻，再到圖案的電子束或激光直寫(xiě)繪制，每一步都對(duì)精度和環(huán)境潔凈度有著嚴(yán)苛要求，其復(fù)雜程度和技術(shù)門(mén)檻極高，是半導(dǎo)體制造中名副其實(shí)的 “咽喉要道”，決定著芯片制造的精度與性能 。

誰(shuí)在掌控光罩話(huà)語(yǔ)權(quán)？

掌握高端光罩，尤其是EUV光罩的核心技術(shù)與制造能力，已成為決定先進(jìn)芯片制造話(huà)語(yǔ)權(quán)的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前，這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)格局高度集中，少數(shù)幾家掌握頂尖技術(shù)的企業(yè)牢牢把控著產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

審視全球光罩產(chǎn)業(yè)鏈，話(huà)語(yǔ)權(quán)的分布呈現(xiàn)出明顯的“金字塔”結(jié)構(gòu)，塔尖由日本、美國(guó)及部分歐洲企業(yè)構(gòu)成，它們?cè)诟叨斯庹种圃臁⒑诵牟牧瞎?yīng)及尖端檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。

美國(guó)的 Photronics 作為全球領(lǐng)先的獨(dú)立第三方光罩制造商，在半導(dǎo)體、平板顯示等多個(gè)領(lǐng)域的光罩制造方面具有深厚的技術(shù)積累。該公司成立于 1969 年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，通過(guò)持續(xù)的研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新，掌握了一系列先進(jìn)的光罩制造技術(shù)。在光學(xué)鄰近校正（OPC）技術(shù)方面，Photronics 能夠通過(guò)精確的算法和先進(jìn)的軟件工具，對(duì)光罩上的圖案進(jìn)行優(yōu)化，以補(bǔ)償光刻過(guò)程中的光學(xué)畸變，從而提高芯片制造的精度和良率。

日本在光罩產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)更為顯著，不僅在高端光罩制造企業(yè)數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而且在光罩制造的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)都具備強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。除了 Toppan 和 DNP 在高端光罩制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位外，日本企業(yè)在光罩基板、光刻膠等關(guān)鍵材料以及光罩制造設(shè)備等方面也處于全球領(lǐng)先水平，豪雅（Hoya）和信越化學(xué)（Shinetsu）是全球最大的兩家供應(yīng)商，市場(chǎng)份額合計(jì)超過(guò) 90% 。豪雅生產(chǎn)的光罩基板具有極高的平整度和光學(xué)性能，其采用的先進(jìn)熔煉和加工工藝能夠確保基板在不同環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定的性能，為高端光罩的制造提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。信越化學(xué)則在高純度石英材料的生產(chǎn)方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)的石英基板在雜質(zhì)含量控制、熱穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色，廣泛應(yīng)用于 EUV 光罩等高端產(chǎn)品。

在光刻膠方面， JSR、東京應(yīng)化（TOK）等企業(yè)占據(jù)了全球半導(dǎo)體光刻膠市場(chǎng)的主要份額。光刻膠作為光罩制造和芯片光刻過(guò)程中的關(guān)鍵材料，其性能直接影響到光罩圖案的轉(zhuǎn)移精度和芯片制造的質(zhì)量。日本企業(yè)通過(guò)長(zhǎng)期的研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出了一系列高性能的光刻膠產(chǎn)品，能夠滿(mǎn)足不同制程節(jié)點(diǎn)的需求。例如，JSR 的 ArF 光刻膠在分辨率、靈敏度和抗刻蝕性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于 14nm 及以下先進(jìn)制程的芯片制造。

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)大陸的光罩產(chǎn)業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)鏈中處于相對(duì)弱勢(shì)地位。在 2020 年以前，國(guó)內(nèi)光罩廠(chǎng)數(shù)量雖不少，但整體技術(shù)水平較低。以當(dāng)時(shí)知名的 “三兄弟”—— 清溢光電、路維光電和龍圖光罩為例，其工藝能力大多集中在 0.25 - 0.5 微米之間；中微掩模電子的能力稍?xún)?yōu)，可達(dá)到 0.13 微米。

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視以及產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，國(guó)產(chǎn)光罩迎來(lái)了快速發(fā)展的黃金時(shí)期。龍圖光罩自 2010 年入局半導(dǎo)體掩模版業(yè)務(wù)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，將工藝節(jié)點(diǎn)從 1μm 提升至 130nm。

2023 年底，龍圖光罩成功過(guò)會(huì)，擬募資投向高端半導(dǎo)體芯片掩模版制造基地等項(xiàng)目，加速 130nm 以下制程光罩的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。該公司在高精度半導(dǎo)體掩模版領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行設(shè)備引進(jìn)與技術(shù)攻關(guān)，針對(duì)半導(dǎo)體掩模版的工藝特點(diǎn)，掌握了圖形補(bǔ)償技術(shù)、精準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記技術(shù)、光刻制程管控技術(shù)、曝光精細(xì)化控制技術(shù)、缺陷修補(bǔ)與異物去除技術(shù)等多項(xiàng)自主研發(fā)的核心技術(shù)，涵蓋 CAM、光刻、檢測(cè)三大環(huán)節(jié)。同時(shí)，積極開(kāi)展技術(shù)布局與儲(chǔ)備，儲(chǔ)備了電子束光刻技術(shù)及 PSM 相移掩模版技術(shù)，形成了一定的技術(shù)成果。目前，龍圖光罩已實(shí)現(xiàn) 130nm 工藝節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體掩模版的量產(chǎn)，具備 ±20nm 的 CD 精度和套刻精度，其技術(shù)實(shí)力和工藝能力在國(guó)內(nèi)第三方半導(dǎo)體掩模版廠(chǎng)商中居于領(lǐng)先地位。其產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了中芯集成、士蘭微、積塔半導(dǎo)體、新唐科技、比亞迪半導(dǎo)體、立昂微、燕東微、粵芯半導(dǎo)體、長(zhǎng)飛先進(jìn)、揚(yáng)杰科技等多個(gè)國(guó)內(nèi)知名晶圓制造廠(chǎng)商的認(rèn)證。

清溢光電也在不斷突破，作為國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的國(guó)產(chǎn)光掩模供應(yīng)商之一，該公司在半導(dǎo)體光罩領(lǐng)域持續(xù)投入研發(fā)，產(chǎn)品逐步從中低端向中高端邁進(jìn)。通過(guò)與國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)合作，引進(jìn)先進(jìn)人才，清溢光電在光罩制造的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)取得了重要進(jìn)展，如在光罩的缺陷檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)方面，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的檢測(cè)算法和修復(fù)工藝，有效提高了光罩產(chǎn)品的質(zhì)量和良品率。其產(chǎn)品不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額穩(wěn)步提升，還開(kāi)始涉足國(guó)際市場(chǎng)，與國(guó)際大廠(chǎng)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品出口到韓國(guó)、日本等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)。

路維光電同樣成績(jī)不錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)了 250nm 制程節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體掩膜版量產(chǎn)，掌握 180nm/150nm 節(jié)點(diǎn)核心技術(shù)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供了有力支撐。

結(jié)語(yǔ)

光罩這小小的玻璃片，說(shuō)到底是場(chǎng)關(guān)于"把事做細(xì)"的較量。從幾百年前用瀝青錫版印風(fēng)景，到現(xiàn)在在納米尺度畫(huà)電路，人們總在琢磨怎么把圖案做得更準(zhǔn)、更小。

那些厲害的國(guó)際廠(chǎng)商，無(wú)非是把每個(gè)細(xì)節(jié)摳到了極致——基板要平到幾乎沒(méi)有誤差，材料要純到挑不出雜質(zhì)。這些事，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的廠(chǎng)子也在一步步做，可能還沒(méi)到最頂尖，但每一步都走得扎實(shí)。

龍圖光罩實(shí)現(xiàn)130nm 光罩的穩(wěn)定量產(chǎn)，清溢光電掌握自主的缺陷修復(fù)技術(shù)，路維光電在成熟領(lǐng)域打磨出可靠工藝，這些都是看得見(jiàn)的進(jìn)步。無(wú)需宏大的敘事，只是把手上的技術(shù)做精做透，讓下游廠(chǎng)商用得安心順手。

將來(lái)也許沒(méi)人會(huì)特意打聽(tīng)光罩是誰(shuí)做的，就像現(xiàn)在沒(méi)人糾結(jié)鉛筆是誰(shuí)造的。但眼下這些一點(diǎn)點(diǎn)磨出來(lái)的精度、攢出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，總會(huì)變成底氣——證明在這行里，咱們能把該做的事做好，能跟上趟，甚至慢慢走出自己的路。

這就夠了。