集微咨询：先进制程促光罩业发生蜕变 国产化进程需要系统级支撑

集微咨询（JW Insights）认为：

- 光罩产品正在升级换代，其制造工艺也在不断发生变化。

- 独立光罩厂在行业发展中起到至关重要的作用。

- 光罩国产化进程是个系统工程，需要供应链各方面的共同努力。

光刻将芯片设计者的创造变成了真正的芯片，承载这些创造和工艺内容的载体就是光罩（Photomask）。作为芯片制造中最关键的材料之一，光罩上细微的缺陷都会影响到芯片的性能。集微咨询（JW Insights）认为，为了配合先进工艺继续发展，光罩产品正在升级换代，其制造工艺也在不断发生变化。同时，国内半导体行业发展所带来的难得机遇，也促使光罩国产化进程不断加速。

光罩的特点和发展趋势

光罩相当于芯片制造中的“底片”，是设计图形的转移工具或原版。使用光罩制作芯片的生产流程如下：

1.在基底材料上镀上一层金属铬和感光胶，成为一种感光材料，制作成空白掩膜版。

2.将已设计好的电路图形通过电子或激光设备曝光于感光胶上，被曝光的区域会被显影出来，在金属铬上形成电路图形，再将不需要的金属层和胶层洗去，即得到光罩成品。

3.再通过光刻机将光罩上的精细电路图像印制在衬底上（这里的衬底一般指的是硅晶圆，也可以是其他金属层、介质层），继而得到芯片。通常，芯片上的电路图样需要多张光罩才能制成。比如，在14nm工艺制程上，大约需要60张光罩，7nm可能需要80张光罩甚至更多。

光罩主要由基板和遮光膜两个部分组成。基板分为树脂基板和玻璃基板，玻璃基板主要包括石英和苏打基板，遮光膜可以分为硬质遮光膜和乳胶两种。

在芯片制造中经常用到的光罩有两种：二元光罩（Binary Masks）和相偏移光罩（Phase-Shifting Photomask）。

• 二元光罩——光罩中的电路设计采用光吸收膜（例如铬 (Cr)）制作图案。当用在晶圆微影设备时，光图案会穿透过光罩，在硅晶圆上的光阻薄膜反映出成像。
• 相偏移光罩——类似二元光罩，但吸收膜（如二硅化钼）可以传输一小部分光线，同时还可改变光线相位。这增加了光罩的复杂性，但是改善了晶圆微影的制程容许范围。

工艺的复杂化使得光罩成本不断提升。据IBS数据显示，在16／14nm制程中，所用光罩成本在500万美元左右，到7nm制程时，光罩成本迅速升至1,500万美元。虽然从10nm到5nm，EUV光刻技术的应用使掩膜使用数量有所减少，但更复杂的制程工艺使得光罩总成本提升，侧面反应了光罩平均成本在不断提高。

先进半导体制程节点已经进入到3/5nm节点，光罩的产品竞争格局也在发生改变。传统光罩出现减少的趋势，而出现较大增长的是EUV光罩。由于光罩自制厂商逐步把EUV光掩膜投入到台积电等最尖端工艺中，使EUV光掩膜市场出现了增长。根据SEMI统计， 2019年全球光罩市场规模已经达到41亿美元，预计在2021年将超过44亿美元。

同时，以7nm为分水岭，光罩制作技术也在发生改变。如果说10nm还可以用VSB（可变形电子束写入设备）的话，到7nm就都必须换成Multi-Beam（多电子束写入设备）。与VSB使用单个电子枪不同，Multi-beam使用的是电子枪阵列，比如512X512的阵列，写入电流密度降到了VSB的几百分之一。 VSB写入时间随图案复杂而增加，而Multi-Beam写入时间与图案复杂度无关，写入时间可以减少10倍。另外，7nm上的EUV光罩也只能用Multi-Beam来制作。

独立厂商不可缺位

尽管芯片行业有周期性波动，但是光罩市场一直在持续增长。根据SEMI数据，从2012年到2021年，光罩市场已经增长到46.47亿美元的规模，预计2022年将达到48.99亿美元规模。

自2012 年至今，半导体光罩最大市场是中国台湾，韩国在2017年超过北美成为全球第二大市场。集微咨询（JW Insights）估算，前三者的市场占比分别为39%、23%和18%。

中国大陆芯片业的大力发展也助推其光罩市场规模稳步扩大。2019年大陆半导体光罩市场规模为1.44亿美元，2021年将达到1.95亿美元，年均复合增长率达16.32%。

在经营模式上，光罩厂可分为晶圆厂自行配套工厂和独立第三方光罩生产商两大类。规模较大的晶圆厂都配有in-house（自有）工厂。如果涉及到核心技术、精度要求比较高的中高端光罩，晶圆厂会选择自行生产，对技术比较成熟、相对市场化的光罩会选择外购。对光罩精度和制作水平要求高的晶圆厂，一套光罩均交给一家供应商来做，以确保精度一致。不过由于交期等因素，晶圆厂可能会把相对简单产品的光罩分拆到不同供应商, 主要视晶圆厂的技术成熟度、采购政策和市场供需情况而定。

通常情况下，晶圆厂往往将45nm以下先进制程的掩膜版自主研发，45nm以上成熟制程的掩膜版则交给第三方掩膜厂进行研发。

SEMI在2019年做出统计，全球半导体光罩市场中，65%的市场份额由晶圆厂自有光罩厂占据，剩余35%的份额则被独立第三方光罩厂所瓜分，当前的市场比例也基本如此。

全球独立半导体光罩产能主要集中在日本，日本凸版印刷Toppan和日本DNP公司分别占据全球32%和27%的市场份额，美国的Photronics公司占据23%的市场份额。台湾光罩因为接获台积电扩大委外释单，2021年市占率提升到10%，首度升级为独立光罩厂第4名。

集微咨询（JW Insights）认为，独立光罩厂在行业发展中起到非常重要的作用，虽然晶圆厂的光罩制造能力在不断增强，但若没有独立光罩厂的助力，技术的迭代速率会大为降低，行业发展会受到严重影响。

国产替代的挑战

国内芯片产业链起步较晚，因此光罩产业发展也相对滞后，多数厂商还停留在中低端工艺技术上，高端市场主要由外商所主导。

国内规模型光罩企业主要分为两类：一是晶圆厂自建工厂，包括中芯国际的光罩厂，华润微电子的光罩厂（无锡迪思微电子）等；二是独立光罩企业，包括中微掩膜、清溢光电和路维光电等。

中芯国际光罩厂是中国大陆技术水平最高的厂商，拥有大陆最大及最先进的光罩制造设施，可以生产0.5μm到14nm工艺的光掩模。配备了先进的设备工具，中芯光罩厂运用光学趋近效应修正技术（OPC），可提供二元铬版光罩以及相移光罩。5"×5"和6"×6"的光罩均可用于G-line，I-line，深紫外线DUV及ArF步进曝光机和扫描曝光机。

无锡迪思微电子隶属于华润微电子代工事业群，是华润微电子旗下负责掩模制造的业务单元。公司掩模业务拥有业界领先的激光和电子束等制版设备，可为客户提供Frame、IP Merge、OPC等专项服务，能生产二元光罩、移相光罩、灰阶光罩（Gray Mask）等产品。

中微掩模由中国电子科技集团公司第58所、中国电子科技集团公司和下属13所、24所、47所和55所共同出资组成，可提供0.35～0.13μm，5英寸、6英寸二元光罩和6英寸相移光罩。

清溢光电和路维光电的强项在于平板显示用光罩，正在积极布局芯片用光罩产品。清溢光电是科创板上市企业，芯片光罩已是其第二大收入光源，收入规模整体呈上升趋势。公司在芯片光罩方面采用渐进的策略，力争将量产工艺水平由现在的0.25μm提升至0.13μm。路维光电也实现了 0.25μm制程节点半导体光罩的量产，并掌握了0.18/0.15μm节点光罩制造核心技术。

国内光罩产业发展最大的挑战是基板材料严重依赖进口。近年来，石英光罩凭借其精密度较高的优势成为行业主流。全球领先光罩厂主要产品均为石英光罩，导致原材料石英基板需求日益增高。而石英基本生产厂商主要集中在日本和韩国，国内只有少数家企业有能力生产，芯片用高精度及高世代面板用基材，更是被日韩企业所垄断。

同时，光罩生产设备多从日本进口，高端检测设备则被美国所控制，而全球每年生产的设备数量有限，不仅存在购买竞争，而且价格十分昂贵。高端设备的缺乏也制约了光罩厂技术升级的速度。

综合来看，光罩产业的国产化是不可阻挡的趋势，但要实现目标还需多方努力。集微咨询（JW Insights）认为，在国内晶圆厂加强与光罩厂合作开发的基础上，原材料生产、设备制造等供应链各环节还要苦练内功、协同配合，这样才能加快光罩国产化的进程。（Andrew）

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