芯耀
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作者：八方
自2020年以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化水平得到了飛速地提升，近日由工信部站臺推廣的ArF干式光刻機(jī)便是一例。同樣在光刻材料的國產(chǎn)化中，光罩的國產(chǎn)化也十分引人矚目。可以說在這五年里，中國大陸地區(qū)的本土光罩廠走過了從邊緣到核心，從0.13微米到14納米的蛻變和進(jìn)化。
?01光罩廠：從“三兄弟”到百花齊放
2020年以前國內(nèi)的光罩廠數(shù)量其實(shí)并不少，最知名的莫過于“三兄弟”：清溢光電，路維光電和龍圖光罩。這些光罩廠在商業(yè)模式上屬于外部光罩廠(mechant)，在全球范圍內(nèi)與美日豐創(chuàng)(PDMC)和凸版光罩相似，但這兩大外/合資光罩廠基本壟斷國內(nèi)28納米及以下光刻工藝所需光罩的供應(yīng)。
彼時“三兄弟”的能力大約是在0.25-0.5微米之間，而另一家外部光罩廠中微掩模電子的能力稍優(yōu)，可也僅能達(dá)到0.13微米。自建光罩廠(captive)作為另一種商業(yè)模式，需要像臺積電和英特爾這樣財(cái)力雄厚的晶圓廠才能承受。當(dāng)時中國大陸地區(qū)僅有中芯國際和華潤微電子有自己的光罩廠，中芯國際可以生產(chǎn)制造28納米及以下光刻工藝使用的光罩，而華潤微旗下的迪思微電子的工藝能力僅能達(dá)到0.18微米。
無論何種模式，當(dāng)時的國產(chǎn)光罩廠可以說是僅有中芯國際一枝獨(dú)秀，其他全面落后于國際水準(zhǔn)的。然而市場需求不斷在增長，國產(chǎn)光罩廠必須做出改變來應(yīng)對這種變化。作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的2020/2021年，濟(jì)南的泉意光罩和青島的芯恩分別代表兩種不同的商業(yè)模式，引領(lǐng)了國內(nèi)光罩廠的大爆發(fā)。
目前國內(nèi)有超15家光罩廠，其中外部光罩廠分別面向28納米和45納米的市場構(gòu)建產(chǎn)線，從量產(chǎn)90納米產(chǎn)品開始逐漸提升工藝能力。包括“三兄弟”在內(nèi)也緊跟市場動向，面向更先進(jìn)的工藝和市場的需求規(guī)劃新的產(chǎn)線。晶合集成作為國內(nèi)極具代表性的一線晶圓廠也正在規(guī)劃建設(shè)了自己的光罩廠，于今年8月下線首片光罩，吹響了國內(nèi)自建光罩廠的前進(jìn)號角。如果只是數(shù)量多是不足以與凸版和美日豐創(chuàng)這樣經(jīng)驗(yàn)豐富的全球一線大廠競爭的。
從筆者自身的經(jīng)驗(yàn)來看，國內(nèi)許多外部和自建光罩廠，無論是在CDU(關(guān)鍵尺寸均一性)還是LER(邊緣粗糙度)等方面都已經(jīng)超過了凸版和美日豐創(chuàng)，且國內(nèi)最頂尖的光罩廠已經(jīng)具有7/14納米光刻工藝用的光罩的生產(chǎn)能力。毫不夸張地說，與國際一流光罩廠相比，國內(nèi)本土光罩廠在產(chǎn)品性能和種類上已經(jīng)絲毫不落下風(fēng)。
?02光罩設(shè)備：雛鷹飛翔，未來可期
同晶圓廠一樣，光罩廠在制造設(shè)備方面依舊嚴(yán)重依賴進(jìn)口，2022年的1017禁令著實(shí)給一些光罩廠帶來了嚴(yán)重沖擊。從工藝流程來看，光罩廠同晶圓廠較為相似，光刻，顯影，刻蝕，去膠，檢測，隨后進(jìn)行缺陷驗(yàn)證和修復(fù)，最終清洗，封膜后出貨。
這些流程中大部分設(shè)備依舊需要依靠進(jìn)口設(shè)備，特別是高端設(shè)備完全依賴進(jìn)口。例如JEOL電子束直寫曝光機(jī)和邁康尼的激光直寫曝光機(jī)，又比如蘇斯的先進(jìn)清洗機(jī)和KLA的高端量測設(shè)備，這里就不做一一贅述。不積跬步無以至千里，國產(chǎn)設(shè)備蹣跚起步，“蘇大強(qiáng)”為光罩國產(chǎn)設(shè)備做出了不小的貢獻(xiàn)。無錫影速的激光直寫曝光機(jī)，江蘇維普光電的缺陷檢測設(shè)備和常州瑞澤微電子的涂膠顯影、清洗和濕法蝕刻都已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)線。
值得一提的是，瑞澤微的清洗機(jī)已經(jīng)可以用于65納米產(chǎn)品的制造，其濕法刻蝕可以與國產(chǎn)刻蝕液配合適用于0.13微米的工藝。當(dāng)前國產(chǎn)光罩的設(shè)備供應(yīng)鏈還不完善，相比晶圓廠動輒數(shù)十臺的采購訂單，光罩制造設(shè)備的市場需求就顯得小了許多，因此自主研發(fā)缺乏足夠的市場推動力。
但隨著外部地緣政治壓力的增大，以及本土晶圓廠對光罩品質(zhì)和交期需求的不斷提升，本土光罩設(shè)備的長遠(yuǎn)的發(fā)展空間是巨大的，諸如高端電子束曝光機(jī)的研發(fā)也正在多地展開。正所謂萬丈高樓平地起，本土光罩廠的發(fā)展必然會提出符合自身需要的需求，開發(fā)適合自身市場所需的制造設(shè)備。
?03光罩基板：需求緊迫，任重道遠(yuǎn)
如果光罩廠是個好廚子，那光罩基板就是新鮮的食材。好廚子再多，沒有足夠的食材，那便是巧婦難為無米之炊，這也是當(dāng)前國內(nèi)光罩市場的困境之一。日本是當(dāng)前毫無懸念的全球光罩基板龍頭，信越和豪雅毫不留情地瓜分了最多的市場份額，產(chǎn)品覆蓋幾乎所有光罩基板類型；韓國的SS&T緊隨其后，目前大規(guī)模出貨的產(chǎn)品以鉻板光罩基板和相移光罩基板為主。隨著國際供應(yīng)鏈環(huán)境的變化，無論是日本還是韓國都未必能夠向中國大陸穩(wěn)定供應(yīng)光罩基板，因此這一材料的國產(chǎn)化便是迫在眉睫。
當(dāng)前，國內(nèi)已有許多公司可以提供鉻板光罩基板，其中上海傳芯與湖南韶光是較為典型的代表，其產(chǎn)品可以應(yīng)用于0.13微米所需的光刻工藝，并已經(jīng)開始了在一線光罩廠的產(chǎn)線工藝認(rèn)證。同時，這兩家公司也分別開始了相移光罩基板的立項(xiàng)，相信在不久的將來筆者也有機(jī)會能在客戶產(chǎn)線上一睹其真容。
看到進(jìn)步的同時也要深刻理解自身的不足，如上圖所示，排除先進(jìn)的EUV光罩基板和納米壓印模版，光罩基板種類紛繁，而國產(chǎn)基板供應(yīng)商還只是初步涉足了鉻板光罩和KrF相移光罩基板技術(shù)。但當(dāng)光刻工藝需求深入至28納米節(jié)點(diǎn)時所需的OMOG光罩基板，高耐久度/高透光率的相移光罩，不僅國內(nèi)的供應(yīng)鏈一片空白，在全球市場上SS&T也暫時沒有大規(guī)模供應(yīng)。
高端半導(dǎo)體材料作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，在沒有更多外界經(jīng)驗(yàn)可以借鑒的形勢下，需要對基礎(chǔ)光學(xué)材料有更深層次的理解，從頭開始腳踏實(shí)地去積累數(shù)據(jù)，這絕非一日之功。目前市場上最為廉價(jià)的KrF相移光罩基板價(jià)格也要接近3萬人民幣，更不用說高端的ArF相移基板和OMOG光罩基板。其技術(shù)附加值高，需求量也在逐年增加，國產(chǎn)替代對成本的管控和供應(yīng)鏈的自主可控的好處不言而喻，因此高端光罩基板的國產(chǎn)化還是相當(dāng)具有吸引力的。
除了基板材料外，電子束光刻膠，化學(xué)特氣，各種電子級化學(xué)前驅(qū)體等耗材在2020年以前也都是依賴進(jìn)口的，目前已有數(shù)種開始實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并在國內(nèi)光罩廠得到應(yīng)用和推廣，例如點(diǎn)亮準(zhǔn)分子激光使用的氬氪氖氣體。
?04結(jié)語
光罩廠的國產(chǎn)化并非目的，而是深度參與全球競爭的必經(jīng)之路。活下去，更好地活下去，有質(zhì)量地活下去，才能在群雄并起的全球光罩市場贏得一席之地，使原本市場規(guī)模就不大的光罩設(shè)備和材料供應(yīng)鏈“有所得”。這個五年，光罩國產(chǎn)化已化繭成蝶；下一個五年，能否惠及天下，值得期待。
