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)百億個晶體管時，很少有人會追問：這些比細(xì)菌還小的電路

圖案，最初是怎么"畫"出來的？答案藏在一塊看似普通的石英玻璃背后——光罩，這個被業(yè)內(nèi)稱為"半導(dǎo)體母版"的關(guān)鍵器件，正以納米級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，會發(fā)現(xiàn)它的進(jìn)化史就是一部微觀制造的精度競賽史。18世紀(jì)末，法國人約瑟夫·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)入深亞微米時代，光罩技術(shù)迎來最劇烈的變革期。KrF（248nm）光刻技術(shù)要求光罩線寬達(dá)到 180nm，這意味著需要檢測直徑僅 50nm 的缺陷 —— 相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)足球場大小的區(qū)域內(nèi)找出一顆塵埃。為應(yīng)對挑戰(zhàn)，光罩制造引入了原子層沉積（ALD）技術(shù)，實現(xiàn)鉻層厚度控制在 ±0.1nm 范圍內(nèi)；同時開發(fā)了激光修復(fù)系統(tǒng)，通過聚焦離子束（FIB）精確移除缺陷，修復(fù)精度達(dá) 10nm 級。

現(xiàn)代光罩的核心結(jié)構(gòu)看似簡單：在高純度石英玻璃上，用鉻層蝕刻出電路圖案。但在實際制造中，這塊"玻璃片"需要經(jīng)過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0.3納米。

2024年三星推出的3nm GAA工藝中，光罩技術(shù)實現(xiàn)了一次關(guān)鍵突破：采用"自對準(zhǔn)多重曝光"（SAQP）技術(shù)的光罩組，通過四次疊加曝光，在物理分辨率有限的情況下，"畫"出了間距僅7nm的鰭片場效應(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，光刻成本約占整個硅片制造工藝的 1/3，耗費時間約占整個硅片工藝的 40%-60% ，而光罩在其中扮演著無可替代的 “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，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，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 。光線透過光罩的透明區(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。

在曝光過程中，光刻膠會因吸收光子能量而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。對于正性光刻膠，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，通過高能離子束對晶圓進(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)計圖的 4 倍大小，這種放大設(shè)計便于在光罩制作階段對圖案進(jìn)行更精準(zhǔn)的加工與修正。通過光刻機(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，還降低了制造誤差。因為在縮小過程中，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，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 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繪制，每一步都對精度和環(huán)境潔凈度有著嚴(yán)苛要求，其復(fù)雜程度和技術(shù)門檻極高，是半導(dǎo)體制造中名副其實的 “咽喉要道”，決定著芯片制造的精度與性能 。

誰在掌控光罩話語權(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)芯片制造話語權(quán)的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前，這一領(lǐng)域的競爭格局高度集中，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。

審視全球光罩產(chǎn)業(yè)鏈，話語權(quán)的分布呈現(xiàn)出明顯的“金字塔”結(jié)構(gòu)，塔尖由日本、美國及部分歐洲企業(yè)構(gòu)成，它們在高端光罩制造、核心材料供應(yīng)及尖端檢測設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。

美國的 Photronics 作為全球領(lǐng)先的獨立第三方光罩制造商，在半導(dǎo)體、平板顯示等多個領(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)過多年的發(fā)展，通過持續(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 能夠通過精確的算法和先進(jìn)的軟件工具，對光罩上的圖案進(jìn)行優(yōu)化，以補(bǔ)償光刻過程中的光學(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，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，市場份額合計超過 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實的基礎(chǔ)。信越化學(xué)則在高純度石英材料的生產(chǎn)方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，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)體光刻膠市場的主要份額。光刻膠作為光罩制造和芯片光刻過程中的關(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)通過長期的研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)出了一系列高性能的光刻膠產(chǎn)品，能夠滿足不同制程節(jié)點的需求。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。

長期以來，中國大陸的光罩產(chǎn)業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)鏈中處于相對弱勢地位。在 2020 年以前，國內(nèi)光罩廠數(shù)量雖不少，但整體技術(shù)水平較低。以當(dāng)時知名的 “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優(yōu)，可達(dá)到 0.13 微米。

近年來，隨著國家對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視以及產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，國產(chǎn)光罩迎來了快速發(fā)展的黃金時期。龍圖光罩自 2010 年入局半導(dǎo)體掩模版業(yè)務(wù)，經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，將工藝節(jié)點從 1μm 提升至 130nm。

2023 年底，龍圖光罩成功過會，擬募資投向高端半導(dǎo)體芯片掩模版制造基地等項目，加速 130nm 以下制程光罩的國產(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)，針對半導(dǎo)體掩模版的工藝特點，掌握了圖形補(bǔ)償技術(shù)、精準(zhǔn)對位標(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)等多項自主研發(fā)的核心技術(shù)，涵蓋 CAM、光刻、檢測三大環(huán)節(jié)。同時，積極開展技術(shù)布局與儲備，儲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，龍圖光罩已實現(xiàn) 130nm 工藝節(jié)點半導(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)實力和工藝能力在國內(nèi)第三方半導(dǎo)體掩模版廠商中居于領(lǐng)先地位。其產(chǎn)品已經(jīng)通過了中芯集成、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、長飛先進(jìn)、揚杰科技等多個國內(nèi)知名晶圓制造廠商的認(rèn)證。

清溢光電也在不斷突破，作為國內(nèi)規(guī)模最大的國產(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)。通過與國內(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與修復(fù)技術(shù)方面，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的檢測算法和修復(fù)工藝，有效提高了光罩產(chǎn)品的質(zhì)量和良品率。其產(chǎn)品不僅在國內(nèi)市場份額穩(wěn)步提升，還開始涉足國際市場，與國際大廠展開競爭，產(chǎn)品出口到韓國、日本等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)。

路維光電同樣成績不錯，實現(xiàn)了 250nm 制程節(jié)點半導(dǎo)體掩膜版量產(chǎn)，掌握 180nm/150nm 節(jié)點核心技術(shù)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供了有力支撐。

結(jié)語

光罩這小小的玻璃片，說到底是場關(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。

那些厲害的國際廠商，無非是把每個細(xì)節(jié)摳到了極致——基板要平到幾乎沒有誤差，材料要純到挑不出雜質(zhì)。這些事，現(xiàn)在國內(nèi)的廠子也在一步步做，可能還沒到最頂尖，但每一步都走得扎實。

龍圖光罩實現(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，這些都是看得見的進(jìn)步。無需宏大的敘事，只是把手上的技術(shù)做精做透，讓下游廠商用得安心順手。

將來也許沒人會特意打聽光罩是誰做的，就像現(xiàn)在沒人糾結(jié)鉛筆是誰造的。但眼下這些一點點磨出來的精度、攢出來的經(jīng)驗，總會變成底氣——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。